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Sensorlose Regelung eines Antriebssystems zum Dosieren von Medikamenten Dresden, 12. November 2015 Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design Sebastian Pech

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Sensorlose Regelung eines Antriebssystems zum Dosieren von Medikamenten

Dresden, 12. November 2015

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design

Sebastian Pech

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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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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

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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

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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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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

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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.

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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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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

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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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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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