Entwicklung einer sensorlosen Motorregelung für Dentalbohrer nach IEC Dr. Michael Schwarz

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1 Entwicklung einer sensorlosen Motorregelung für Dentalbohrer nach IEC Dr. Michael Schwarz

2 Agenda ITK Engineering AG Von der Idee bis zum Produkt Überblick und Motivation Herausforderungen sensorlose Motorregelung Voraussetzungen Normgerechte Entwicklung und sensorloser BLDC Modellbasierte Entwicklungsschritte Softwareentwicklung parallel zum Hardwaredesign Zusammenfassung ITK Engineering AG 2

3 Von der Idee bis zum Produkt Projektmanagement Systementwicklung Domänenexpertise Systemintegration Methodenexpertise Modellbasierte Entwicklung Software Engineering Embedded Systems Regelungstechnik Algorithmenentwicklung Verifikation & Validierung ITK Engineering AG 3

4 Dentalbehandlungseinheit Verteiltes System, ca. 10 Platinen diverse CPUs RTOS Display mit Touchscreen SW Sicherheitsklassifizierung A, B, C Modellbasierte Entwicklung MATLAB/Simulink und Stateflow UML ITK Engineering AG 4

5 Sensorlose Motorregelung Dentalmotor Sensorloser BLDC Bis zu rpm Schnelle Lastwechsel Vorteile im Endprodukt Nahezu verschleißfrei Wartungsarm Geringe Eigenerwärmung Kompakt Kostengünstig Robust Zuverlässig Einfach sterilisierbar ITK Engineering AG 5

6 Sensorlose Motorregelung Herausforderungen Enger Zeitplan Softwareentwicklung parallel zur Hardwareentwicklung Komplexe Algorithmen Hohe Anforderungen an die Regelung Unsere Lösung Durchgängige modellbasierte Entwicklung Normgerechte Entwicklung nach IEC White-Box-Modellierung Robuste und effiziente Regelung ITK Engineering AG 6

7 Normgerechte Softwareentwicklung Software-Lebenszyklus gemäß IEC Dokumentierter Entwicklungsprozess inkl. Risikomanagement und Traceability Softwareanforderungen Softwarearchitektur, Softwaredesign Verifikation und Validierung Softwarefreigabe Softwarewartung und -pflege Software-Sicherheitsklassifizierung Klasse A: Keine Verletzung möglich Klasse B: Keine schwere Verletzung möglich Klasse C: Tod oder schwere Verletzung möglich ITK Engineering AG 7

8 Normgerecht und modellbasiert Application Life Cycle Management (ALM) Spezifikation System Architektur Normgerechte Entwicklung Risikomanagement Software Architektur Software Design Traceability Dokumentation Modultest Software Implementierung Systemtest Integrationstest Validierung ITK Engineering AG 8

9 Exkurs: Sensorloser BLDC Eigenschaften Schematischer Aufbau BLDC: Keine Stromversorgung rotierender Teile Regelung erfordert präzise Position Sensorlos: Positionssensor wird durch Software ersetzt Rotor N S Spule ITK Engineering AG 9

10 Modellbasierte Entwicklungsschritte Motormodell Regelsystem Code- Generierung Integration & Test Physikalische Modellierung des (sensorlosen) BLDC-Motors Parametrierung aus Datenblättern N S Hardware nicht verfügbar ITK Engineering AG 10

11 Modellbasierte Entwicklungsschritte Motormodell Regelsystem Code- Generierung Integration & Test Feldorientierte Regelung zur Minimierung der Verlustleistung Modellbasierter Positionsschätzer Iterativer Reglerentwurf Streckenmodell Reglersoftware ITK Engineering AG 11

12 Modellbasierte Entwicklungsschritte Motormodell Regelsystem Code- Generierung Integration & Test Feldorientierte Regelung zur Minimierung der Verlustleistung Modellbasierter Positionsschätzer Iterativer Reglerentwurf Streckenmodell Reglersoftware ITK Engineering AG 12

13 Modellbasierte Entwicklungsschritte Motormodell Regelsystem Code- Generierung Integration & Test Überwachung Steuerung Simulink Stateflow Ströme Raumzeigermodulation Positionsschätzer Drehzahl Solldrehzahl Position Drehzahlregler Soll- Ströme Stromregler Spannung Steuersignale Endstufe M A D ITK Engineering AG 13

14 Modellbasierte Entwicklungsschritte Motormodell Regelsystem Code- Generierung Integration & Test Umsetzung in Festkommaarithmetik Patienteneinheit (UML) Rhapsody Automatische Seriencodegenerierung > 5000 Zeilen C-Code Nahtlose Integration in übergeordnete Patienteneinheit (UML) Motorregler Steuerung (Stateflow) Regler (Simulink) Überwachung (Simulink) Treiber (C-Code) Embedded Coder C-Code ITK Engineering AG 14

15 Modellbasierte Entwicklungsschritte Motormodell Regelsystem Code- Generierung Integration & Test Integration auf der Zielplattform (ARM Cortex M3) Automatisierte Modul- und Integrationstests Graphische Auswertung Testbericht inkl. Testabdeckung Modell- und Code-Reviews Statische und dynamische Codeanalyse für die Überwachungseinheit ITK Engineering AG 15

16 Erreichtes Einsparung 50% Entwicklungszeit durch durchgängigen modellbasierten Ansatz durch parallele Software- und Hardware-Entwicklung Frühzeitige Verifikation und Optimierung der Hardware durch hohen Reifegrad und Güte der Modelle Hohe Zuverlässigkeit und geringe Eigenerwärmung durch robuste feldorientierte Regelung sensorloser Motoren Transparenz und Wiederverwendbarkeit durch ausführbare Spezifikation durch White-Box-Modellierung und Coaching on the Job ITK Engineering AG 16

17 Expandierend Gründung: 1994 International Auf einen Blick '04 '05 '06 '07 '08 '09 '10 '11 '12 '13 '14 Rülzheim München Ingolstadt Stuttgart Frankfurt Marburg Braunschweig Graz Barcelona Detroit Tokyo Besonders 20 Jahre modellbasierte Entwicklung 25% Regelungstechniker Branchenübergreifende Tätigkeit Entwicklung sicherheitskritischer Software Zertifiziert nach EN ISO 13485:2012 Ausgezeichnet ITK Engineering AG 17

18 Weitere Informationen MathWorks User Story ITK Engineering Develops IEC Compliant Controller for Dental Drill Motor with Model-Based Design Kontakt Dr. Michael Schwarz ITK Engineering AG 18

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