關(guān)于模型的設(shè)計(jì)開發(fā)符合IEC 62304標(biāo)準(zhǔn)的牙鉆電機(jī)控制器的性能分析

無傳感器直流無刷 (BLDC) 電機(jī)適合在牙鉆中使用。它們比有刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)磨損小，更可靠，更安靜，更易于維護(hù)和消毒。與帶傳感器的 BLDC 電機(jī)相比，無傳感器 BLDC 電機(jī)更便宜且比較緊湊。但是，無傳感器控制需要復(fù)雜的算法，需要更多的工程工作來進(jìn)行開發(fā)。

ITK Engineering 使用基于模型的設(shè)計(jì)，開發(fā)和實(shí)現(xiàn)符合醫(yī)療設(shè)備軟件 IEC 62304 標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)型 BLDC 電機(jī)控制器，從而節(jié)省了時(shí)間和精力。

配備 ITK Engineering 的無傳感器、無刷電機(jī)控制功能的牙鉆。

挑戰(zhàn)

牙鉆電機(jī)的轉(zhuǎn)速高達(dá) 40,000 轉(zhuǎn)/分鐘。此類電機(jī)的矢量控制算法需要寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子位置的準(zhǔn)確信息。在無傳感器電機(jī)中，必須利用轉(zhuǎn)子磁鐵的電磁感應(yīng)引起的定子電流變化推算出轉(zhuǎn)子位置。ITK 工程師需要設(shè)計(jì)并優(yōu)化一個(gè)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)算法及對(duì)牙鉆電機(jī)復(fù)雜的級(jí)聯(lián)控制，使之符合醫(yī)療設(shè)備軟件的 IEC 62304 標(biāo)準(zhǔn)。

在項(xiàng)目開始時(shí)，沒有原型電機(jī)可以使用。為保證在客戶的項(xiàng)目最后期限前完工，ITK 必須與電機(jī)硬件同時(shí)并行開發(fā)控制器軟件。ITK 工程師需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)精確的電機(jī)模型，并開發(fā)一個(gè)操作此模型的控制器。在有了電機(jī)之后，他們需要在嵌入式處理器上快速實(shí)現(xiàn)并測(cè)試他們的控制軟件。

解決方案

ITK 工程師使用基于模型的設(shè)計(jì)，對(duì)無傳感器 BLDC 電機(jī)控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)、優(yōu)化、實(shí)現(xiàn)和測(cè)試。

工程師使用現(xiàn)有電機(jī)的數(shù)據(jù)表和客戶提供的信息，在Simulink中建立 BLDC 電機(jī)模型，包括電氣和機(jī)械組件。

他們?cè)?a target="_blank">Simulink中開發(fā)了控制器模型，并使用Stateflow對(duì)啟動(dòng)、關(guān)機(jī)和錯(cuò)誤模式以及用戶可選擇的操作模式建模。

該團(tuán)隊(duì)運(yùn)行對(duì)象模型和初始控制器模型的閉環(huán)仿真，后者依賴對(duì)象模型提供的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。

為開發(fā)轉(zhuǎn)子位置估計(jì)算法，該團(tuán)隊(duì)使用Symbolic Math Toolbox求解代數(shù)方程式，然后優(yōu)化估計(jì)算法，直至其結(jié)果能匹配來自對(duì)象模型的實(shí)際轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。

使用Fixed-Point Designer的自動(dòng)定標(biāo)和數(shù)據(jù)類型覆寫功能，工程師們將他們的浮點(diǎn)控制器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為定點(diǎn)。他們重新運(yùn)行了仿真，驗(yàn)證定點(diǎn)模型。

“使用 Simulink 的基于模型的設(shè)計(jì)，即使在沒有可供測(cè)試的電機(jī)硬件之前，我們也能設(shè)計(jì)控制器并進(jìn)行優(yōu)化，在我們有了電機(jī)之后，便能為控制器生成產(chǎn)品代碼。如果通過手工編寫代碼，我們不可能按時(shí)完成這個(gè)項(xiàng)目。”

——ITK醫(yī)療控制系統(tǒng)高級(jí)工程師Michael Schwarz

該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了MATLAB腳本，用來執(zhí)行個(gè)別模型組件的批量單元測(cè)試。他們使用Simulink Coverage為這些測(cè)試產(chǎn)生了模型覆蓋范圍報(bào)告。

該團(tuán)隊(duì)使用Embedded Coder從他們的控制器模型生成了超過 5000 行的 C 代碼。他們使用 Keil 編譯器為 ARMCortex-M3 處理器編譯代碼。

工程師在原型板和電機(jī)上測(cè)試控制器，對(duì)模型進(jìn)行微調(diào)并多次重新生成代碼，從而優(yōu)化性能。

ITK 向客戶交付了控制器和對(duì)象的Simulink模型，以及生成的生產(chǎn)代碼。目前牙鉆中的控制器和無傳感器 BLDC 電機(jī)已批量生產(chǎn)。

結(jié)果

開發(fā)時(shí)間減半?！拔覀兇蠹s用了四個(gè)月的時(shí)間完成控制器開發(fā)?！盨chwarz 說，“如果沒有基于模型的設(shè)計(jì)，可能需要至少花費(fèi)兩倍的時(shí)間，因?yàn)槲覀儾坏貌坏却布?，手工編寫代碼，測(cè)試更多的原型?！?/p>

在早期發(fā)現(xiàn)了硬件問題?！拔覀兊膶?duì)象模型準(zhǔn)確反映了電機(jī)工作方式，讓我們?cè)陂_發(fā)早期階段就能驗(yàn)證我們的控制器和硬件。”ITK 的系統(tǒng)工程師 Alexander Reiss 說，“我們很快就找到了第一個(gè)硬件原型上錯(cuò)誤的根源：硬件上測(cè)量的結(jié)果與我們經(jīng)過驗(yàn)證的 Simulink 模型產(chǎn)生的結(jié)果不符。”

贏得合同，樹立了客戶信心?！拔覀兊目蛻粝Ｍ⒓撮_始工作?；谀Ｐ偷脑O(shè)計(jì)幫助我們?nèi)〉煤贤驗(yàn)樗茏屛覀冊(cè)诰邆溆布伴_始開發(fā)工作?！盧eiss 說，“基于模型的設(shè)計(jì)還增強(qiáng)了客戶對(duì)我們工作的信心；現(xiàn)在他們使用我們分享的Simulink模型和仿真做出自己的改進(jìn)?！?/p>