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ITK Engineering、モデルベース設計による歯科用コントローラを開発
「Simulink を使用したモデルベースデザインにより、早期の検証によるコストとプロジェクトリスクの低減、IEC 62304 に準拠したシステムの市場投入までの期間短縮、最初から適切かつ高品質な製品コードの提供が可能になりました。」
課題
ソリューション
結果
- 開発期間が半分に短縮
- ハードウェアの問題を早期に発見
- 契約を獲得し、顧客の信頼を確立
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センサーなしブラシレス DC (BLDC) モーターは、歯科用ドリルでの使用に最適です。ブラシ付きモーターよりも摩耗が少なく、信頼性が高く、静かで、メンテナンスや滅菌も簡単です。また、センサーなしのブラシレス DC (BLDC) モーターは、センサーありの BLDC モーターと比較して、安価で軽量な点が特徴です。ただし、センサーレス制御に求められる複雑なアルゴリズムを開発するには、技術的な手間がかかります。
ITK Engineering は、モデルベース デザインを使用して、医療機器ソフトウェアの IEC 62304 規格に準拠した量産 BLDC モーター コントローラーを開発および実装することで、時間と労力を節約しました。
「Simulinkを使用したモデルベースデザインにより、実際のモーターでテストを行う前にコントローラーを設計して最適化し、モーターが完成した段階でコントローラーの量産コードを生成することができました」と、ITK の医療用制御システム担当シニア エンジニアである Michael Schwarz 博士は述べています。「手作業でコードを記述していたら、このプロジェクトを予定通りに完了することは不可能だったでしょう。」
課題
歯科用ドリルのモーターは最大 40,000 RPM の速度で動作します。このようなモーターのベクトル制御アルゴリズムには、広い速度範囲にわたるローターの位置に関する正確な情報が必要です。センサレスモーターでは、ローター磁石からの電磁誘導によって生じるステーターの電流の変化からローターの位置を推測する必要があります。ITK のエンジニアは、ローター位置推定器のほか、医療機器ソフトウェアの IEC 62304 規格に準拠する歯科用ドリルモーターの高度なカスケード制御を設計して最適化する必要がありました。
プロジェクト開始時には、プロトタイプのモーターはありませんでした。クライアント指定のプロジェクト納期に間に合わせるために、ITK はモーターのハードウェアと並行して制御器のソフトウェアを開発する必要がありました。ITK のエンジニアは、モーターの正確なモデルを作成し、このモデルで動作するコントローラーを開発する必要がありました。モーターが利用可能になった段階で、組み込みプロセッサ上に制御ソフトウェアを迅速に実装してテストする必要がありました。
ソリューション
ITK のエンジニアは、モデルベースデザインを使用して、センサーなしのブラシレス DC (BLDC) モーター コントローラーの設計、最適化、実装、テストを行いました。
既存のモーターのデータシートと顧客から提供された情報を基に、エンジニアは BLDC モーターと電気や機械の構成部品を Simulink® でモデル化しました。
Simulink でコントローラモデルを開発し、Stateflow® で起動、シャットダウン、エラーモードのほかに、ユーザーが選択できる動作モードもモデル化しました。
チームは、プラントモデルと、プラントモデルによって提供されるローター位置信号に依存する初期コントローラーモデルの閉ループシミュレーションを実行しました。
ローター位置推定装置を開発するために、チームは Symbolic Math Toolbox™ を使用して代数方程式を解き、その結果がプラントモデルからの実際のローター位置信号と一致するまで推定装置を改良しました。
エンジニアは、Fixed-Point Designer™ の自動スケーリング機能とデータ型オーバーライド機能を使用して、浮動小数点コントローラー設計を固定小数点に変換しました。固定小数点モデルを検証するためにシミュレーションも再実行しました。
チームは MATLAB® で個々のモデル コンポーネントのバッチ ユニット テストを実行するスクリプトを開発しました。次に Simulink Coverage™ を使用して、このテストのモデル カバレッジ レポートを作成しました。
チームは Embedded Coder® を使用して、コントローラーモデルから 5000 行以上の C コードを生成しました。Keil コンパイラを使用して、ARM® Cortex®-M3 プロセッサ向けにコードをコンパイルしました。
エンジニアはプロトタイプのボードとモーターでコントローラーをテストし、パフォーマンスを最適化するためにモデルを改良しながら何度もコードを生成し直しました。
ITK は、コントローラーとプラントの Simulink モデルを、生成された生産コードとともに顧客に納品しました。このコントローラーとセンサーなしの BLDC モーターは、現在、歯科用ドリルで量産されています。
結果
開発期間が半分に短縮。「我々は約 4 か月でコントローラーを開発しました」と Schwarz 氏は言います。「モデルベースデザインがなければ、ハードウェアの完成を待って、手作業でコード記述し、さらに多くのプロトタイプをテストしなければならず、最短でも 2 倍の時間がかかっていたでしょう。」
ハードウェアの問題を早期に発見。「当社のプラントモデルはモーターの動作を正確に反映しており、開発の早い段階でコントローラーとハードウェアを検証することができました」と、ITK のシステム エンジニアである Alexander Reiss 氏は述べています。「最初のハードウェアプロトタイプのエラーの根本原因をすぐに特定しました。ハードウェアで測定された結果が、検証済みの Simulink モデルの結果と一致しなかったのです。」
契約を獲得し、顧客の信頼を確立。「私たちのクライアントはすぐに作業を開始したいと考えていました。モデルベース デザインのおかげで、ハードウェアが利用可能になる前に開発を開始できたため、契約を獲得することができました」と Reiss 氏は言います。「モデルベース デザインにより、我々の仕事に対する顧客の信頼も高まりました。当社は Simulink モデルとシミュレーションを共有し、顧客はそれを使用して独自の機能強化を行っています。」