Sensorlose Regelung eines Antriebssystems zum Dosieren von Medikamenten


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#13627

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 

12.11.2015 

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 



 

 

12.11.2015 



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 

12.11.2015 

Sensorlose Regelung eines Antriebssystems zum 

Dosieren von Medikamenten 

Folie 5 von 19 


2. Stand der Technik: Elektr. kommutierte Elektromotoren  

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Sensorlose Regelung eines Antriebssystems zum 

Dosieren von Medikamenten 

Folie 6 von 19 

U

 

t  



F

L

I



L

⋅ ⋅ B

 

Magnet-


kreis 

Lorenzkraft 

Läufer-

bewegung 



PWM-Signal 

Kommutierung 

der Aktorspulen 

Läufer 


Permanent- 

magnet 


Aktorspule 

Stahl- 


zylinder 

Stator 


Stator 

Rotor 


Aktorspule 

Permanent- 

magnet 



φ 



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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Sensorlose Regelung eines Antriebssystems zum 

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 

12.11.2015 

Sensorlose Regelung eines Antriebssystems zum 

Dosieren von Medikamenten 

Folie 8 von 19 


3. Messprinzip 

12.11.2015 

Sensorlose Regelung eines Antriebssystems zum 

Dosieren von Medikamenten 

0

1

2



3

0

1



2

U

Sp

 / 





0,0

0,5


1,0

1,5


2,0

0

1



2

I

L

 / 




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 

12.11.2015 

Sensorlose Regelung eines Antriebssystems zum 

Dosieren von Medikamenten 

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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Sensorlose Regelung eines Antriebssystems zum 

Dosieren von Medikamenten 

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 



I

Reaktion auf 

PWM-Signal 

2 Komparatoren 



 



 



Steuer-

werk 


Oszillator 

+ Zähler 

Digitalisierung 

Timer0 


Timer1 

Steuersignale 

Steuer-

logik 


Spuleninduktivität L 

12.11.2015 

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 

12.11.2015 

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 

12.11.2015 

Sensorlose Regelung eines Antriebssystems zum 

Dosieren von Medikamenten 

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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Dosieren von Medikamenten 

Folie 16 von 19 



5. Messergebnisse: Läuferposition 

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Sensorlose Regelung eines Antriebssystems zum 

Dosieren von Medikamenten 

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 

12.11.2015 

Sensorlose Regelung eines Antriebssystems zum 

Dosieren von Medikamenten 

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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Dosieren von Medikamenten 



Folie 19 von 19 

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