Sensorlose Regelung eines Antriebssystems zum Dosieren von Medikamenten

Dresden, 12. November 2015

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design

Sebastian Pech

Gliederung

1. Einleitung

2. Stand der Technik

Interne positionsabhängige Signale

3. Messprinzip

4. Technische Umsetzung

Elektronik

LabVIEW

5. Messergebnisse

Induktivität

Läuferposition

6. Zusammenfassung

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1. Einleitung: Motivation

Diabetes Mellitus ist eine der größten Volkskrankheiten

Filigrane Bedienung ist besonders für ältere Menschen schwierig

Motivation: Bedienung von Insulinpens erleichtern und automatisieren

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Aufbau Insulinpen, nach Quelle: http://www.diabetes-ratgeber.net

Insulinampulle

Gummi- dichtung

Stopfen Kolben- stange

Stempel Dosispfeil Dosierknopf

Injektionsknopf

Dosiereinheit

Verschlusskappe Nadel Patronenhalterung

Sichtfenster

Skala

Dosisfenster

1. Einleitung: Ziel

Ziel: Entwickeln eines Gesamtsystems zum Injizieren und Vermessen der Dosis

▫ Dosiserfassung durch aktorinterne Signale

▫ keine externe Sensorik notwendig

▫ Lineardirektantrieb gut geeignet

▫ Vorteile:

▫ Kombiniertes Aktor-Sensorelement

▫ Leicht bedienbar durch elektrische Injektion

▫ Ärztliche Kontrolle möglich

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Elektrischer Insulinpen, Quelle: pendiq GmbH

Gliederung

1. Einleitung

2. Stand der Technik

Interne positionsabhängige Signale

3. Messprinzip

4. Technische Umsetzung

Elektronik

LabVIEW

5. Messergebnisse

Induktivität

Läuferposition

6. Zusammenfassung

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2. Stand der Technik: Elektr. kommutierte Elektromotoren

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U

t

FL = IL ⋅ l ⋅ B

Magnet-kreis

Lorenzkraft Läufer-bewegung

PWM-Signal Kommutierung

der Aktorspulen

Läufer

Permanent- magnet

Aktorspule

Stahl- zylinder

Stator

Stator

Rotor

Aktorspule

Permanent- magnet

x φ

x φ

500

510

520

530

540

550

560

570

0 10 20 30

L / µH

x / mm

2. Stand der Technik: Interne positionsabhängige Signale

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Gliederung

1. Einleitung

2. Stand der Technik

Interne positionsabhängige Signale

3. Messprinzip

4. Technische Umsetzung

Elektronik

LabVIEW

5. Messergebnisse

Induktivität

Läuferposition

6. Zusammenfassung

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3. Messprinzip

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0

1

2

3

0 1 2

USp / V

t / T 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0 1 2

IL / A

t / T

Aufladekurve

Entladekurve

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0 0,5 1 1,5 2

IL / A

t / ms

(t1, IL1)

(t2, IL2)

1. Messung 2. Messung

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L =(RL(T) + R) ⋅ (t4 − t3)

ln IL1

IL2

L =RL(T) ⋅ (t2 − t1)

ln IL1

IL2

L =R ⋅ (t2 − t1) ⋅ (t4 − t3)

ln IL1

IL2⋅ [(t

2− t1) − (t4 − t3)]

Quelle: APPARATUS EMPLOYING COIL INDUCTANCE DETERMINATION AND METHOD FOR OPERATING THE APPARATUS, WO2014180804, 2014, Nessel, C., Auernhammer, D.

Gliederung

1. Einleitung

2. Stand der Technik

Interne positionsabhängige Signale

3. Messprinzip

4. Technische Umsetzung

Elektronik

LabVIEW

5. Messergebnisse

Induktivität

Läuferposition

6. Zusammenfassung

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4. Technische Umsetzung: Elektronik

VCC GND

PWM

12-Bit- Datenbus

Steuer- signale 1

IL 1 L 1 Steuer-

signale 2 IL 2 L 2

Steuer- signale 21

IL 21 L 21

Treiber- + Mess- Schaltung Spule 1

Treiber- + Mess- Schaltung Spule 2

Treiber- + Mess- Schaltung Spule 21

Hauptplatine

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4. Technische Umsetzung: Elektronik

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Spulenplatinen

Hauptplatine

D-Sub-Anschlüsse

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4. Technische Umsetzung: Elektronik

Elektronik

LabVIEW

H-Brücke

Tastverhältnis PWM-Signal

Messprinzip

t

IL

Reaktion auf PWM-Signal

2 Komparatoren

+ - + -

Steuer-werk

Oszillator + Zähler

Digitalisierung

Timer0 Timer1 Steuersignale

Steuer-logik

Spuleninduktivität L

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∆t

Quelle: APPARATUS EMPLOYING COIL INDUCTANCE DETERMINATION AND METHOD FOR OPERATING THE APPARATUS, WO2014180804, 2014, Nessel, C., Auernhammer, D.

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4. Technische Umsetzung: LabVIEW

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RT-Target (NI cRIO-9074)

LabVIEW Real-Time Module

RealTime.vi

- Starten des FPGA.vi

- Datenverarbeitung

- Datenspeicherung

- Beenden des FPGA.vi

Host-Computer

LabVIEW

- Benutzereingaben

- Ausführen des

RealTime.vi

FPGA

LabVIEW FPGA Module

FPGA.vi

- Signale generieren

- Messwerte erfassen

LAN

FIFO

FPGA.vi Benutzeroberfläche cRIO-9074

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Gliederung

1. Einleitung

2. Stand der Technik

Interne positionsabhängige Signale

3. Messprinzip

4. Technische Umsetzung

Elektronik

LabVIEW

5. Messergebnisse

Induktivität

Läuferposition

6. Zusammenfassung

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5. Messergebnisse: Induktivität

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0

200

400

600

800

1000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

σL

1 / %

L1 / µ

H

x / mm

L1 / uH

STABW L1 / %

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5. Messergebnisse: Läuferposition

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Messabweichung ± 150 µm

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

0

5

10

15

20

0 2 4 6 8 10 12 14

Positionierfehler / µm x / mm

t /s

Position (Aktor)/ mm

Position (Potientiometer) / mm

Positionierfehler / µm

Gliederung

1. Einleitung

2. Stand der Technik

Interne positionsabhängige Signale

3. Messprinzip

4. Technische Umsetzung

Elektronik

LabVIEW

5. Messergebnisse

Induktivität

Läuferposition

6. Zusammenfassung

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6. Zusammenfassung

Zusammenfassung

▫ Elektronik entwickelt, die eine Ansteuerung des Lineardirektantriebes mit gleichzeitiger Induktivitätsmessung ermöglicht

▫ System ermöglicht das Vermessen von Induktivitäten im Bereich von (200 … 1400) µH mit Standardabweichungen im Bereich von

(5 … 20) µH

▫ Dies entspricht bei einem Lineardirektantrieb einer Messgenauigkeit von ± 150 µm

▫ Damit sind Voraussetzungen für elektrischen Insulinpen mit Verzicht auf einen externen Positionssensor gegeben

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