Sensorlose Regelung eines Antriebssystems zum Dosieren von Medikamenten

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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Sensorlose Regelung eines Antriebssystems zum 

Dosieren von Medikamenten 

Folie 2 von 19 

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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Sensorlose Regelung eines Antriebssystems zum 

Dosieren von Medikamenten 

Folie 3 von 19 

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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Sensorlose Regelung eines Antriebssystems zum 

Dosieren von Medikamenten 

Folie 4 von 19 

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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Dosieren von Medikamenten 

Folie 5 von 19 

2. Stand der Technik: Elektr. kommutierte Elektromotoren  

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Dosieren von Medikamenten 

Folie 6 von 19 

U

 

t  

F

L

= I

L

⋅ 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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Dosieren von Medikamenten 

Folie 7 von 19 

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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Folie 8 von 19 

3. Messprinzip 

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Sensorlose Regelung eines Antriebssystems zum 

Dosieren von Medikamenten 

0

1

2

3

0

1

2

U

Sp

 / 

V 

t 

/ 

T 

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0

1

2

I

L

 / 

A 

t

 / 

T 

Aufladekurve

Entladekurve

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0

0,5

1

1,5

2

I

L

 

/ 

A

 

t

 / 

ms 

(t

1

, I

L1

) 

(t

2

, I

L2

) 

1. Messung 

2. Messung 

Folie 9 von 19 

L

=

(R

L

(T)

+ R) ⋅ (t

4

− t

3

)

ln 

I

L1

I

L2

 

L

=

R

L

(T)

⋅ (t

2

− t

1

)

ln

 

I

L1

I

L2

 

L

=

R

⋅ (t

2

− t

1

) ⋅ (t

4

− t

3

)

ln

 

I

L1

I

L2

⋅ [(t

2

− t

1

) − (t

4

− t

3

)]

 

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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Folie 10 von 19 

4. Technische Umsetzung: Elektronik 

VCC 

GND 

PWM 

12-Bit- 

Datenbus 

Steuer- 

signale 1  I

L

 1  L 1 

Steuer- 

signale 2  I

L

 2  L 2 

Steuer- 

signale 21  I

L

 21 L 21 

Treiber- + Mess- 

Schaltung 

Spule 1 

Treiber- + Mess- 

Schaltung 

Spule 2 

Treiber- + Mess- 

Schaltung 

Spule 21 

Hauptplatine 

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Folie 11 von 19 

4. Technische Umsetzung: Elektronik 

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Sensorlose Regelung eines Antriebssystems zum 

Dosieren von Medikamenten 

Spulenplatinen 

Hauptplatine 

D-Sub-Anschlüsse 

Folie 12 von 19 

4. Technische Umsetzung: Elektronik 

Elektronik 

LabVIEW 

H-Brücke 

Tastverhältnis 

PWM-Signal 

Messprinzip 

t 

I

L 

Reaktion auf 

PWM-Signal 

2 Komparatoren 

+ 

- 

 

+ 

- 

 

Steuer-

werk 

Oszillator 

+ Zähler 

Digitalisierung 

Timer0 

Timer1 

Steuersignale 

Steuer-

logik 

Spuleninduktivität L 

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Sensorlose Regelung eines Antriebssystems zum 

Dosieren von Medikamenten 

∆t 

Quelle: APPARATUS EMPLOYING COIL INDUCTANCE DETERMINATION AND METHOD 

FOR OPERATING THE APPARATUS, WO2014180804, 2014, Nessel, C., Auernhammer, D. 

Folie 13 von 19 

4. Technische Umsetzung: LabVIEW 

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Sensorlose Regelung eines Antriebssystems zum 

Dosieren von Medikamenten 

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 

Folie 14 von 19 

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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Folie 15 von 19 

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

σ

L1

 /

 %

 

L1

 /

 µH

 

x

 / mm 

L1 / uH

STABW L1 / %

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Folie 16 von 19 

5. Messergebnisse: Läuferposition 

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Folie 17 von 19 



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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Folie 18 von 19 

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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Folie 19 von 19