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ITK Engineering desarrolla un controlador dental con diseño basado en modelos
“El diseño basado en modelos con Simulink nos permitió reducir costes y riesgos del proyecto mediante verificación desde fases iniciales, acortar el plazo de comercialización en un sistema con certificación IEC 62304 y publicar código de producción de alta calidad sin errores desde el principio”.
El reto
La solución
Los resultados
- Tiempo de desarrollo reducido a la mitad
- Detección temprana de problemas de hardware
- Contrato otorgado, confianza del cliente establecida
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Los motores de corriente continua (CC) sin escobillas y sin sensores (BLDC) son adecuados para su uso en tornos dentales. Funcionan con menos abrasión que los motores con escobillas y son más confiables, más silenciosos y más fáciles de mantener y esterilizar. En comparación con los motores de BLDC con sensores, los motores de BLDC sin sensores son menos costosos y más compactos. Sin embargo, los complejos algoritmos necesarios para el control sin sensores requieren mucho más esfuerzo de ingeniería para su desarrollo.
ITK Engineering ahorró tiempo y esfuerzo con el diseño basado en modelos para desarrollar e implementar un controlador de motores de BLDC conforme con el estándar IEC 62304 para software de dispositivos médicos.
“El diseño basado en modelos con Simulink nos permitió diseñar y optimizar el controlador antes de que el hardware del motor estuviera disponible para las pruebas y luego generar el código de producción para el controlador una vez que tuvimos el motor”, afirma el Dr. Michael Schwarz, ingeniero senior de sistemas de control médico en ITK. “Habría sido imposible completar este proyecto a tiempo si hubiéramos desarrollado el código manualmente”.
El reto
Los motores de torno dental funcionan a velocidades de hasta 40.000 RPM. El algoritmo de control orientado al campo para estos motores necesita información precisa sobre la posición del rotor en un amplio rango de velocidades. En un motor sin sensores, la posición del rotor debe deducirse de los cambios en la corriente en el estator causados por la inducción electromagnética del imán del rotor. Los ingenieros de ITK necesitaban diseñar y optimizar un estimador de posición del rotor, así como un sofisticado control en cascada para el motor del torno dental que cumpliera con el estándar IEC 62304 para software de dispositivos médicos.
Cuando comenzó el proyecto, no había ningún prototipo de motor disponible. Para cumplir con el plazo del cliente, ITK tuvo que desarrollar el software del controlador en paralelo con el hardware del motor. Los ingenieros de ITK necesitaban crear un modelo preciso del motor y desarrollar un controlador que funcionara con este modelo. Una vez que el motor estuvo disponible, tuvieron que implementar y probar rápidamente el software de control en un procesador integrado.
La solución
Los ingenieros de ITK diseñaron, optimizaron, implementaron y probaron el controlador del motor de BLDC sin sensores con diseño basado en modelos.
A partir de fichas técnicas de motores existentes e información proporcionada por el cliente, los ingenieros modelaron el motor de BLDC, así como los componentes eléctricos y mecánicos en Simulink®.
Desarrollaron un modelo de controlador en Simulink y utilizaron Stateflow® para modelar modos de inicio, apagado y error, así como modos operativos seleccionables por el usuario.
El equipo realizó simulaciones de bucle cerrado del modelo de planta y del modelo inicial del controlador, basados en una señal de posición del rotor suministrada por el modelo de planta.
Para desarrollar el estimador de posición del rotor, el equipo utilizó Symbolic Math Toolbox™ para resolver ecuaciones algebraicas y luego refinó el estimador hasta que sus resultados coincidieran con la señal de posición real del rotor del modelo de la planta.
Utilizando las prestaciones de escalado automático y anulación de tipo de datos de Fixed-Point Designer™, los ingenieros convirtieron el diseño del controlador de punto flotante a punto fijo. Luego, volvieron a ejecutar simulaciones para verificar el modelo de punto fijo.
El equipo desarrolló scripts de MATLAB® para pruebas unitarias por lotes de componentes de modelos individuales. Elaboraron informes de cobertura del modelo para estas pruebas utilizando Simulink Coverage™.
El equipo generó más de 5000 líneas de código C a partir de su modelo de controlador con Embedded Coder®. Recopilaron el código para el procesador ARM® Cortex®-M3 con el compilador Keil.
Los ingenieros probaron el controlador en una placa prototipo y un motor, refinando el modelo y regenerando el código varias veces para optimizar el rendimiento.
ITK entregó modelos de Simulink del controlador y la planta al cliente, junto con el código de producción generado. El controlador y el motor de BLDC sin sensores se encuentran actualmente en producción en serie en tornos dentales.
Los resultados
Tiempo de desarrollo reducido a la mitad: “Completamos el desarrollo del controlador en aproximadamente cuatro meses”, dice Schwarz. “Sin el diseño basado en modelos, habría llevado el doble de tiempo, porque habríamos tenido que esperar el hardware, desarrollar código manualmente y probar más prototipos”.
Detección temprana de problemas de hardware: “Nuestro modelo de planta reflejó con precisión el comportamiento del motor, lo que nos permitió verificar el controlador y el hardware en las primeras etapas de desarrollo”, afirma Alexander Reiss, ingeniero de sistemas de ITK. “Identificamos rápidamente la causa principal de un error en el primer prototipo de hardware: “Los resultados medidos en el hardware no coincidieron con los resultados producidos por nuestro modelo de Simulink verificado”.
Contrato otorgado, confianza del cliente establecida: “Nuestro cliente necesitaba empezar a trabajar inmediatamente. “El diseño basado en modelos nos ayudó a ganar el contrato porque nos permitió comenzar el desarrollo antes de que el hardware estuviera disponible”, afirma Reiss. “El diseño basado en modelos también solidificó la confianza de nuestros clientes en nuestro trabajo; compartimos nuestros modelos y simulaciones de Simulink, que ahora utilizan para realizar sus propias mejoras”.