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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
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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