Sensorlose Regelung eines Antriebssystems zum Dosieren von Medikamenten

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

2 Gliederung 1. Einleitung 2. Stand der Technik Interne positionsabhängige Signale 3. Messprinzip 4. Technische Umsetzung Elektronik LabVIEW 5. Messergebnisse Induktivität Läuferposition 6. Zusammenfassung Folie 2 von 19

3 1. Einleitung: Motivation Diabetes Mellitus ist eine der größten Volkskrankheiten Filigrane Bedienung ist besonders für ältere Menschen schwierig Verschlusskappe Nadel Patronenhalterung Insulinampulle Sichtfenster Skala Dosiereinheit Dosisfenster Gummidichtung Stopfen Stempel Kolbenstange Dosispfeil Dosierknopf Injektionsknopf Aufbau Insulinpen, nach Quelle: Motivation: Bedienung von Insulinpens erleichtern und automatisieren Folie 3 von 19

4 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 Elektrischer Insulinpen, Quelle: pendiq GmbH Folie 4 von 19

5 Gliederung 1. Einleitung 2. Stand der Technik Interne positionsabhängige Signale 3. Messprinzip 4. Technische Umsetzung Elektronik LabVIEW 5. Messergebnisse Induktivität Läuferposition 6. Zusammenfassung Folie 5 von 19

6 2. Stand der Technik: Elektr. kommutierte Elektromotoren Stator Stahlzylinder Rotor Stator Permanentmagnet Läufer x φ Aktorspule Aktorspule Permanentmagnet U PWM-Signal Lorenzkraft F L = I L l B Kommutierung der Aktorspulen Magnetkreis Läuferbewegung t x φ Folie 6 von 19

7 2. Stand der Technik: Interne positionsabhängige Signale L / µh x / mm Folie 7 von 19

8 Gliederung 1. Einleitung 2. Stand der Technik Interne positionsabhängige Signale 3. Messprinzip 4. Technische Umsetzung Elektronik LabVIEW 5. Messergebnisse Induktivität Läuferposition 6. Zusammenfassung Folie 8 von 19

9 3. Messprinzip U Sp / V 3 2,0 I L / A Aufladekurve Entladekurve 2 1, t / T 1. Messung 2. Messung 2,0 I L / A 1,0 0,5 0, t / T L = R L(T) (t 2 t 1 ) ln I L1 I L2 L = L = (R L(T) + R) (t 4 t 3 ) R (t 2 t 1 ) (t 4 t 3 ) ln I L1 I L2 ln I L1 I L2 [(t 2 t 1 ) (t 4 t 3 )] 1,5 1,0 0,5 0,0 (t 1, I L1 ) (t 2, I L2 ) 0 0,5 1 1,5 2 t / ms Quelle: APPARATUS EMPLOYING COIL INDUCTANCE DETERMINATION AND METHOD FOR OPERATING THE APPARATUS, WO , 2014, Nessel, C., Auernhammer, D. Folie 9 von 19

10 Gliederung 1. Einleitung 2. Stand der Technik Interne positionsabhängige Signale 3. Messprinzip 4. Technische Umsetzung Elektronik LabVIEW 5. Messergebnisse Induktivität Läuferposition 6. Zusammenfassung Folie 10 von 19

11 4. Technische Umsetzung: Elektronik VCC GND PWM 12-Bit- Datenbus Treiber- + Mess- Schaltung Spule 1 Hauptplatine Treiber- + Mess- Schaltung Spule 2 Treiber- + Mess- Schaltung Spule 21 Steuersignale 1 I L 1 L 1 Steuersignale 2 I L 2 L 2 Steuersignale 21 I L 21 L 21 Folie 11 von 19

12 4. Technische Umsetzung: Elektronik Spulenplatinen Hauptplatine D-Sub-Anschlüsse Folie 12 von 19

13 4. Technische Umsetzung: Elektronik Elektronik Steuerwerk Steuerlogik H-Brücke Messprinzip Reaktion auf PWM-Signal I L t t 2 Komparatoren Digitalisierung Oszillator + Zähler Steuersignale Tastverhältnis PWM-Signal Timer0 Timer1 LabVIEW Spuleninduktivität L Quelle: APPARATUS EMPLOYING COIL INDUCTANCE DETERMINATION AND METHOD FOR OPERATING THE APPARATUS, WO , 2014, Nessel, C., Auernhammer, D. Folie 13 von 19

14 4. Technische Umsetzung: LabVIEW LAN RT-Target (NI crio-9074) LabVIEW Real-Time Module FPGA LabVIEW FPGA Module Host-Computer LabVIEW - Benutzereingaben - Ausführen des RealTime.vi RealTime.vi FIFO - Starten des FPGA.vi - Datenverarbeitung FPGA.vi - Datenspeicherung - Signale generieren - Beenden des FPGA.vi - Messwerte erfassen FPGA.vi Benutzeroberfläche crio-9074 Folie 14 von 19

15 Gliederung 1. Einleitung 2. Stand der Technik Interne positionsabhängige Signale 3. Messprinzip 4. Technische Umsetzung Elektronik LabVIEW 5. Messergebnisse Induktivität Läuferposition 6. Zusammenfassung Folie 15 von 19

16 L1 / µh σ L1 / % 5. Messergebnisse: Induktivität L1 / uh STABW L1 / % 2, , , x / mm 0 Folie 16 von 19

17 5. Messergebnisse: Läuferposition x / mm 20 Positionierfehler / µm Position (Aktor)/ mm Position (Potientiometer) / mm Positionierfehler / µm t /s Messabweichung ± 150 µm Folie 17 von 19

18 Gliederung 1. Einleitung 2. Stand der Technik Interne positionsabhängige Signale 3. Messprinzip 4. Technische Umsetzung Elektronik LabVIEW 5. Messergebnisse Induktivität Läuferposition 6. Zusammenfassung Folie 18 von 19

19 6. Zusammenfassung Zusammenfassung Elektronik entwickelt, die eine Ansteuerung des Lineardirektantriebes mit gleichzeitiger Induktivitätsmessung ermöglicht System ermöglicht das Vermessen von Induktivitäten im Bereich von ( ) 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 Folie 19 von 19