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Simulieren geht über Probieren

| Redakteur: Frauke Finus

Antriebe für Medizinprodukte müssen häufig individuell entwickelt werden. Zeitaufwendige Testphasen und Fehlerquellen-Suchen können jetzt dank eines Simulationsmodells erheblich abgekürzt werden. Am Beispiel einer Blutpumpe werden die Vorteile deutlich.

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Simulationen im Modell: Bereits bevor es den ersten Prototyp gibt, ist eine frühzeitige Fehlererkennung durch Model Based Design möglich.
Simulationen im Modell: Bereits bevor es den ersten Prototyp gibt, ist eine frühzeitige Fehlererkennung durch Model Based Design möglich.
(Bild: Sonceboz)

Den passenden elektrischen Antrieb findet man häufig nicht im Katalog. Oft muss er erst entwickelt werden. Ein solches Entwicklungsprojekt besteht meist aus Analyse und Spezifikation, Entwicklungstest und Validierung sowie Feldtests in der Kundenanwendung. Die ersten Testphasen prüfen praxisnah das reale Verhalten durch Funktionsmuster und Prototypen. Da sich kaum alle Einflussfaktoren vorab bestimmen lassen, verläuft diese Prototypen- und Testphase oft iterativ.

Das kann einen hohen Testaufwand und je nach Verbesserungsbedarf deutlich längere Projektzeiten erfordern. Zeitdruck und damit abgekürzte Test-Verfahren aufgrund festgelegter Endtermine sind die Folge. Dies kann sich negativ auf die Qualität und Zuverlässigkeit der Produkte und die Projektkosten auswirken. Der Schweizer Antriebsspezialist Sonceboz hat mit dem Model Based Design jetzt eine schnelle und qualitätsorientierte Lösung dieses Problems gefunden.

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Darstellungen im Modell ermöglichen Simulationen

Die Darstellung des gesamten Systems mit Elektronik, Sensorik, Motor und mechanischem Antrieb im Modell ermöglicht bereits vor dem Bau von Prototypen-Hardware statische und dynamische Simulationen. Das erhöht die Treffsicherheit für die Ausarbeitung von Prototypen und Serienprodukten. Potenzielle Fehlerquellen lassen sich schon früh erkennen und beseitigen. Zudem sind die Simulations-Ergebnisse für die Verbesserung der Systemkomponenten einsetzbar, um so die Gesamteffizienz der Antriebssysteme zu erhöhen.

Praxisnahe Simulationsresultate erfordern eine umfassende Bibliothek von Systemkomponenten, wie Motoren, Mechanik-Elemente sowie Regel-und Steuerelemente mit ihrer Sensorik, deren Verhalten realitätskonform in Modellen abgebildet ist. Diese Komponenten haben jeweils einstellbare Funktions-Parameter: So wird etwa das Verhalten von Motoren durch die Eingabe von Wicklungsdaten, Luftspalt, Massenträgheit, etc. vorgegeben. Mechanische Elemente werden mit der Getriebeuntersetzung, dem Wirkungsgrad und den Reibungskräften angegeben, während elektronische Treiber über Werte wie Spannungen, Innenwiderstände und Verlustfaktoren für die Simulation voreingestellt werden.

Mit den so parametrierten Systemkomponenten aus der Bibliothek lässt sich das Gesamtsystem als Blockdiagramm anordnen. Sonceboz setzt hier eine Mathworks-Umgebung mit Matlab und Simulink ein, die das Systemdesign auf einer grafischen Benutzeroberfläche zeigt. Dies bietet Vorteile bei der Benutzerfreundlichkeit, Übersichtlichkeit und Vollständigkeit. Zudem sind alle für die korrekte Funktion relevanten Informationen im System dokumentiert und als Daten für die Rückverfolgbarkeit medizintechnischer Antriebe verfügbar.

Dann folgt eine Testphase mit realer Hardware im System. Dieses erzeugt dazu einen ausführbaren Programmcode für die Real-Time-Testumgebung. Ein leistungsfähiger IPC mit der notwendigen Peripherie an Datenakquisitions- und Steuerkarten bildet die Hardwarebasis für den Motor-Test. Je nach Messresultat sind Anpassungen an der Parametrierung oder Struktur des Systems notwendig.

Prototypen-Tests bestätigen Simulationsergebnisse

Die Iterationen in der Testphase vieler Projekte erfolgen nun bequem auf der Ebene des Simulink-Blockdiagramms beziehungsweise bei der Parametrierung der einzelnen Funktionsmodule. Eine aufwendige Anpassung der Prototypen-Hardware erübrigt sich.

Die Effizienz von Model Based Design belegte Sonceboz bereits in einem Kundenprojekt, einem Antrieb für eine Blutpumpe. Die Ansprüche hinsichtlich Laufruhe (< 35 dBA), Genauigkeit der Geschwindigkeitsregelung (< 0,5 Prozent) über einen weiten Regelbereich mit Geschwindigkeit nahe null und die geringe zulässige Erwärmung (< 25 °C) erforderten eine bestmögliche Auslegung des Motors und seiner Steuerung. Sonceboz konnte mit Model Based Design von Beginn an die geeignetste Regler-Struktur für diese Anwendung bestimmen und die P-, I- und D-Anteile verbessern. Durch die Simulation wurden alle relevanten Kennwerte des Systems dynamisch überprüft und Abweichungen festgestellt.

So ließen sich zum Beispiel bei sehr niedrigen und hohen Geschwindigkeiten Instabilitäten in der Stromregelung des Motors erkennen und korrigieren. Dies wirkte sich positiv auf die Erwärmung und die Geräuschentwicklung des Antriebs aus.

Die darauf folgenden Tests mit Hardware bestätigten die Ergebnisse der Simulation, sodass heute die Firmware im Serienprodukt mit fast unveränderter Struktur und Parametern arbeitet. Die Praxiswerte erreichen die Vorgaben für Geräusch und Erwärmung, während die Geschwindigkeits- Genauigkeit mit 0,1 bis 0,2 Prozent unter der Spezifikation liegt.

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