ITK Engineering - 모델 기반 설계를 통한 치과 제어기 개발 사례 - MATLAB & Simulink

ITK Engineering - 모델 기반 설계를 통한 치과 제어기 개발 사례

"Simulink를 사용한 모델 기반 설계 덕분에 조기 검증을 통해 프로젝트의 위험과 비용을 줄이고, IEC 62304 인증 시스템에서 시장 출시 시간을 단축하고, 처음부터 제대로 된 고품질의 프로덕션 코드를 만들어낼 수 있었습니다."

과제

치과 드릴에 사용되는 센서리스 브러시리스 DC 모터의 자속기준제어기 소프트웨어 개발 및 구현

솔루션

Simulink, Stateflow 및 Embedded Coder로 모델 기반 설계를 사용해 제어기 및 플랜트를 모델링하고, 폐루프 시뮬레이션을 실행하며, 프로덕션 코드를 생성하고, 단위 테스트를 간소화합니다.

결과

  • 절반으로 개발 시간 단축
  • 하드웨어 문제 조기 발견
  • 계약 성사 및 고객 신뢰 구축
ITK Engineering의 센서리스 브러시리스 모터 제어를 갖춘 치과 드릴.

센서리스 BLDC(브러시리스 DC) 모터는 치과 드릴에 사용하기에 적합합니다. 이 모터는 브러시 모터보다 마모가 적고, 신뢰성이 높고, 조용하며, 유지 관리 및 살균이 더 쉽습니다. 센서가 장착된 BLDC 모터와 비교해 센서리스 BLDC 모터는 가격이 저렴하고 더 소형입니다. 그러나 센서리스 제어에 필요한 복잡한 알고리즘을 개발하려면 훨씬 더 많은 엔지니어링 노력이 필요합니다.

ITK Engineering은 모델 기반 설계를 사용해 의료기기 소프트웨어에 대한 IEC 62304 표준을 준수하는 프로덕션 BLDC 모터 제어기를 개발하고 구현함으로써 시간과 노력을 절약했습니다.

ITK의 의료 제어 시스템 수석 엔지니어인 Michael Schwarz 박사는 "Simulink를 사용한 모델 기반 설계 덕분에 모터 하드웨어를 테스트할 수 있기도 전에 제어기를 설계하고 최적화할 수 있었고, 모터가 준비되었을 때 제어기에 대한 프로덕션 코드를 생성할 수 있었습니다."라고 말했습니다. "우리가 코드를 직접 작성했다면 이 프로젝트를 일정대로 완료하는 건 불가능했을 겁니다."

과제

치과 드릴 모터는 최대 40,000RPM의 속도로 작동합니다. 이런 모터의 자속기준제어 알고리즘은 광범위한 속도 범위에 걸쳐 회전자 위치에 대한 정확한 정보가 필요합니다. 센서리스 모터에서는 회전자 자석의 전자기 유도로 인해 고정자에 발생하는 전류의 변화를 통해 회전자 위치를 추론해야 합니다. ITK 엔지니어들은 의료기기 소프트웨어에 대한 IEC 62304 표준을 준수하는 치과 드릴 모터의 정교한 캐스케이드 제어는 물론 회전자 위치 추정기를 설계하고 최적화해야 했습니다.

이 프로젝트가 시작되었을 당시에는 프로토타입 모터가 없었습니다. 고객의 프로젝트 마감일을 맞추기 위해 ITK는 모터 하드웨어와 병행해서 제어기 소프트웨어를 개발해야 했습니다. ITK 엔지니어들은 모터의 정확한 모델을 만들고 이 모델에 맞는 제어기를 개발해야 했습니다. 모터가 준비된 후에는 그들은 임베디드 프로세서에서 제어 소프트웨어를 신속하게 구현하고 테스트해야 했습니다.

솔루션

ITK 엔지니어들은 모델 기반 설계를 통해 센서리스 BLDC 모터 제어기를 설계하고 최적화하며 구현하고 테스트했습니다.

기존 모터의 데이터시트와 고객이 제공한 정보를 바탕으로 엔지니어는 Simulink®에서 전기 및 기계 컴포넌트를 포함한 BLDC 모터를 모델링했습니다.

그들은 Simulink에서 컨트롤러 모델을 개발하고 Stateflow®를 사용해 시작, 종료, 오류 모드와 사용자가 선택할 수 있는 작동 모드를 모델링했습니다.

이 팀은 플랜트 모델과 플랜트 모델이 제공한 회전자 위치 신호에 의존하는 초기 제어기 모델에 대한 폐루프 시뮬레이션을 실행했습니다.

회전자 위치 추정기를 개발하기 위해 이 팀은 Symbolic Math Toolbox™를 사용해 대수 방정식을 푼 다음 그 결과가 플랜트 모델의 실제 회전자 위치 신호와 일치할 때까지 추정기를 개선했습니다.

엔지니어는 Fixed-Point Designer™의 자동 스케일링 및 데이터형 재정의 기능을 사용하여 부동소수점 제어기 설계를 고정소수점으로 변환했습니다. 그들은 고정소수점 모델을 검증하기 위해 시뮬레이션을 다시 실행했습니다.

팀은 개별 모델 컴포넌트에 대한 일괄 단위 테스트를 수행하는 MATLAB® 스크립트를 개발했습니다. 그들은 Simulink Coverage™를 사용해 이런 테스트에 대한 모델 커버리지 리포트를 작성했습니다.

팀은 Embedded Coder®를 사용해 제어기 모델에서 5000줄 이상의 C 코드를 생성했습니다. 그들은 Keil 컴파일러로 ARM® Cortex®-M3 프로세서에 대한 코드를 컴파일했습니다.

엔지니어들은 프로토타입 보드와 모터에서 제어기를 테스트하고, 모델을 개선하고 코드를 여러 번 재생성하여 성능을 최적화했습니다.

ITK는 생성된 프로덕션 코드와 함께 제어기와 플랜트의 Simulink 모델을 고객에게 제공했습니다. 제어기와 센서리스 BLDC 모터는 현재 치과 드릴에 적용되어 양산되고 있습니다.

결과

  • 개발 시간을 절반으로 단축. Schwarz는 "우리는 약 4개월 만에 제어기 개발을 완료했습니다."라고 말했습니다. "모델 기반 설계가 없었다면 적어도 두 배는 더 오래 걸렸을 겁니다. 하드웨어가 준비되기를 기다려야 했을 것이고, 코드를 직접 작성해야 했을 것이며, 더 많은 프로토타입을 테스트해야 했을 것이기 때문입니다."

  • 하드웨어 문제 조기 발견. ITK의 시스템 엔지니어인 Alexander Reiss는 "저희 플랜트 모델은 모터 거동을 정확하게 반영하여 개발 초기에 제어기와 하드웨어를 검증할 수 있었습니다."라고 말했습니다. “우리는 첫 번째 하드웨어 프로토타입에 대한 오류의 근본 원인을 빠르게 파악했습니다. 하드웨어에서 측정된 결과는 검증된 Simulink 모델에서 생성된 결과와 일치하지 않았습니다."

  • 계약 성사 및 고객 신뢰 구축. “우리 고객은 즉시 작업을 시작하고 싶어했습니다. 모델 기반 설계를 통해 하드웨어가 출시되기 전에 개발을 시작할 수 있었기 때문에 우리는 계약을 성사시킬 수 있었습니다."라고 Reiss는 말합니다. "모델 기반 설계는 또한 우리의 작업에 대한 고객의 신뢰를 높였습니다. 우리는 Simulink 모델과 시뮬레이션을 공유했고, 이제 그들은 이를 사용해 직접 개선하고 있습니다."