NI Single-Board RIO als OEM-Motor

NI Single-Board RIO als OEM-Motor-Controller für medizinische Geräte für Muskeltests und
-trainings
"Durch die NI-Plattform sparten wir mindestens ein
Jahr bei der Programmierung und ein Jahr bei der
Hardwareentwicklung ein. Der Einsatz der Plattform
NI Single-Board RIO bietet uns die Flexibilität,
verschiedene Geräte auszuwählen, wenn sich die
Anforderungen an die Maschine ändern. Außerdem
können wir Zusatzkomponenten hinzufügen."
- Anders Hedeager Pedersen, ePower technology ApS (http://www.epower-technology.dk/)
Die Aufgabe:
Vollständige
Entwicklung eines Controllers für die E-core Transverse Flux Machine (ETFM), einer fünfphasigen Version eines patentierten Elektromotors, der mit
Kundenlösung
exakten, gleichmäßigen Belastungen in Geräten für Muskeltests und -trainings im Medizin- und Fitnessbereich laufen soll
lesen
Die Lösung:
Einsatz der Karte NI PCIe-7841R zur Entwicklung des Steuer- und Regelsystems und zur Implementierung des ersten Prototyps vor Portierung des
in der Software NI LabVIEW erstellten Programmcodes auf die OEM-Karten NI Single-Board RIO, die im fertigungsreifen Modell verwendet werden
Autor(en):
Anders Hedeager Pedersen - ePower technology ApS (http://www.epower-technology.dk/)
ePower Technology (http://www.epower-technology.dk/) ist ein Forschungs- und Entwicklungsunternehmen, das Konzepte für Partner aus der Industrie
auf Grundlage des patentierten ETFM-Motors entwickelt. Wir entwickeln, produzieren und verkaufen die ETFM-Technologie an Industriepartner. Das
ETFM-Konzept wurde ursprünglich für den Reha- und Fitnessbereich entwickelt. Unser nächstes F&E-Projekt ist für einen Industriepartner in der
Energiebranche.
Die ETFM
Die ETFM (siehe Abbildung 1) ist eine Variation der klassischen geschalteten Reluktanzmaschine (SRM), die ursprünglich von einem Aktionär von
ePower Technology, der Aalborg-Universität, erfunden und patentiert wurde. Die ETFM-Technologie weist einzigartige Konstruktionsmerkmale für einen
mechanischen Motor auf, etwa einen großen Durchmesser, eine geringe Länge, einen modularen Aufbau, Fehlererkennung und Toleranz. Ihr Design hat
ebenfalls einige Vorteile der klassischen SRM übernommen, darunter einen hohen Anlaufdrehmoment, einen großen Geschwindigkeitsbereich und eine
hohe Effizienz.
ePower Technology und die Aalborg-Universität arbeiten seit 2003 zusammen an der ETFM. Begonnen wurde mit Arbeiten am eTenzor-Ergometer
(Abbildung 2). Die zweite Zusammenarbeit betraf ein neues Krafttrainingskonzept.
Vom Rad zum Krafttraining
ePower Technology arbeitet derzeit an den Einsatzmöglichkeiten der ETFM-Technologie. Sie soll für einige einzigartige Merkmale in einem neuen
Konzept für Krafttrainings und Testgeräte namens SYGNUM energy sorgen, das ePower Technology für einen Industriepartner in Deutschland entwirft. Im
Laufe der vergangenen 20 Jahre haben etliche Unternehmen motorbasierte Fitnessgeräte entwickelt. Der Erfolg war mäßig und die Geräte boten nur
einfache Funktionen. Forschungslabore und Rehakliniken für Profisportler erzielten über die Jahre hinweg sehr gute Ergebnisse beim Einsatz von
motorbasierten Trainings- und Testgeräten. Es handelte sich hierbei allerdings um sehr kostspielige und komplexe Systeme, die sich nur für den
Forschungseinsatz eigneten.
Mit dem Trainingsgerät SYGNUM energy bezwecken wir, die Trainingprogramme der Profisportler auch Nutzern von Fitnessstudios zugänglich zu
machen. Im Vergleich zu gängigen Fitnessgeräten mit Gewichten verfügt das über die ETFM motorgesteuerte Gerät SYGNUM energy über folgende
Merkmale:
• Individuelle Belastungskurve beim isotonischen (Drehmoment-Feedback) Training mit unterschiedlichen Belastungen beim konzentrischen und
exzentrischen Training
• Isokinetische (gleichbleibende Geschwindigkeit) Tests und Trainings ermöglichen dynamische Maximaltests und erzielen sehr gute Ergebnisse beim
Rehatraining.
• Isometrisches (gleichbleibende Position) Training mit gemessener Kraft und statischen Tests und Trainings in allen Positionen des Gelenks
Hohe Belastung, geringer Geräuschpegel und eine angenehme Haptik
Während der Entwicklung des Krafttrainingssystems SYGNUM energy wurde klar, dass das hörbare Geräusch der Kommutierung und dadurch Brummen
der ETFM von der SRM übernommen worden waren. Das stellte ein Problem dar, denn Krafttrainingsgeräte benötigen eine sehr schnelle, flüssige
Belastungsregulierung bis auf eine Geschwindigkeit von null. Beim eTenzor-Ergometer hingegen ist die Belastung konstant und die Geschwindigkeit
hoch. Daher musste die Motorkonfiguration von drei auf fünf Phasen geändert und zu einem leistungsfähigeren Controller gewechselt werden.
Entwicklung auf der PCI-Express-FPGA-Karte und Implementierung mit NI Single-Board RIO
Wir haben mit der Entwicklung des Krafttrainingsprojekts SYGNUM energy kurz nach der Restrukturierung des Unternehmens und der Reduzierung der
F&E-Abteilung auf eine Person begonnen, daher waren die wirtschaftlichen Ressourcen begrenzt.
Zusammen mit dem National Instruments Alliance Partner DELTA jedoch entwickelten wir in nur zwei Wochen einen funktionsfähigen Prototyp des
Steuer- und Regelsystems auf der Karte NI PCIe-7841R (http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/de/nid/207368). Das trug dazu bei, dass wir im Laufe der
folgenden drei Monate eine Reihe unterschiedlicher Motorsteuerungsstrategien umgehend entwickeln und testen konnten.
Zwei Entwickler benötigten ein Jahr, um den ersten einfachen ETFM-Motor-Controller mit dynamischer Signalverarbeitung (DSP) auf dem Rad zu
implementieren. Nachdem wir entschieden hatten, dass die Karte der R-Serie von NI die beste Steuerungsstrategie für dieses System bot, war nur ein
Monat erforderlich, um den Programmcode auf das Gerät NI sbRIO-9611 (http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/de/nid/205893) zu portieren. Wir
präsentierten der Öffentlichkeit auf der Fitnessmesse FIBO in Essen sechs funktionsfähige Prototypen, nur vier Monate nach unseren Anfängen mit
LabVIEW (http://www.ni.com/labview/d/) (Abbildung 3). Niemand im Unternehmen hatte bereits Erfahrungen im Umgang mit LabVIEW.
Wir werden die FPGA-Karte der R-Serie weiterhin für die Entwicklung einsetzen und die OEM-Geräte NI Single-Board RIO für das fertigungsreife Modell.
Der FPGA (http://www.ni.com/labview/fpga/d/) (Field-Programmable Gate Array) wird zur genauen Steuerung, die Echtzeitzielsysteme für die
High-Level-Steuerung und der PC für die Systemeinstellungen verwendet.
Der Hauptgrund für unsere Entscheidung für die FPGA-Karte bestand darin, den ETFM-Motorstrom mit höchster Präzision bei hohen Geschwindigkeiten
zu steuern und ein fehlertolerantes System zu erhalten, das nicht in endlosen Schleifen hängt. Mit der grafischen Programmierung in LabVIEW lässt sich
intuitiv erkennen, wie der FPGA funktioniert und es ist einfach, ihn zu programmieren. Der FPGA steuert zudem das Drehmoment-Feedback von den
Dehnungsmessstreifen, das Geschwindigkeits-Feedback vom Encoder, die Sitzanpassung über Aktuatoren und die Gesamtsicherheit des Systems.
Obgleich LabVIEW die Arbeit mit einem FPGA vereinfacht hat, dauert es immer noch lange, den Programmcode im LabVIEW FPGA Module zu
kompilieren, wie bei jedem anderen FPGA auch. Wir simulieren regelmäßig den Programmcode, bevor wir ihn kompilieren. Dennoch treten hohe
Kompilierungszeiten bei der Optimierung des Codes auf. Die Bestandteile der Steuerung, die mit einer niedrigeren Frequenz als 500 Hz ausgeführt
werden können, werden vom Echtzeitzielsystem übernommen. Das sind hauptsächlich die Start- und Stoppposition, die Berechnung des
anwenderspezifischen Belastungsprofils, die Datenerfassung und die Kommunikation mit der Touchscreen-Anzeige. Zu guter Letzt verwenden wir
Netzwerkvariablen im Host-VI, um alle Steuerungsparameter einzurichten und einige Werte zur Fehlerbehandlung zu lesen, wenn das System ausgeführt
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Netzwerkvariablen im Host-VI, um alle Steuerungsparameter einzurichten und einige Werte zur Fehlerbehandlung zu lesen, wenn das System ausgeführt
wird.
Insgesamt gesehen ist es eine sehr leistungsstarke Konfiguration, die uns eine sehr genaue und schnelle Antwort vom FPGA liefert, eine anspruchsvolle
Steuerung mit dem Echtzeitzielgerät erlaubt und die Möglichkeit bietet, die Steuerung online zu optimieren, während das System genutzt wird (Abbildung
4).
Unsere Zielsetzungen erreichen
Wir änderten in nur vier Monaten die gesamte Plattform und erstellten sechs funktionsfähige Prototypen. In nur einem Jahr verfügten wir über sechs
unterschiedliche fertigungsreife Modelle. Innerhalb von eineinhalb Jahren sollte unser System im ersten Fitnesscenter installiert sein. Das alles erreichten
wir mit nur einer Person in der Forschungs- und Entwicklungsabteilung, die sich um die Hardware- und Teile der mechanischen Entwicklung kümmerte.
Beim Umgang mit motorgestützter Trainingsausrüstung muss eine Haptik entwickelt werden, die sich leicht an den Nutzer anpassen lässt. Das bedeutet,
die Steuerung muss genau sein, damit die korrekten Testergebnisse erzielt werden. Außerdem muss die Haptik benutzerfreundlich sein. Rückmeldungen
von Kunden und Testnutzern war zu entnehmen, dass sich die Haptik im Vergleich zu anderer motorgestützten Test- und Trainingsausrüstung sehr leicht
anpassen lässt.
Zeit- und Kostenersparnisse
Die ersten Test- und Trainingsmaschinen des Typs SYGNUM energy waren kein Massenprodukt. Daher sind die Entwicklungskosten ein wichtiger Teil
der Wirtschaftlichkeit des Gesamtprojekts. Die Anschaffungskosten sind höher, wenn die OEM-Geräte NI Single-Board RIO verwendet werden. Der Kauf
eines kompletten Geräts bietet uns mehr Flexibilität, da wir uns nicht um Produktion oder veraltete Komponenten kümmern müssen. Was die
Entwicklungszeit betrifft, so sparte uns die NI-Plattform mindestens ein Jahr Zeit bei der Programmierung und ein Jahr bei der Hardwareentwicklung.
Durch Einsatz der Plattform NI Single-Board RIO können wir flexibel verschiedene Geräte auswählen, wenn sich die Anforderungen an die Maschine
ändern, und wir können zusätzliche Komponenten hinzufügen.
Weitere Möglichkeiten für die ETFM-Steuerung mit NI-OEM-Karten
Wir gestalteten die Leistungselektronikkarte als Tochterkarte für NI Single-Board RIO die, zusätzlich zur ETFM, alle Motortypen der geschalteten
Reluktanzmaschine sowie Wechselstrom- und bürstenlose DC-Motoren steuern kann. Des Weiteren sind einige typische Schnittstellen vorhanden, die für
Encoder, Aktoren oder SPI-Geräte genutzt werden können, sowie ein Verstärkereingang speziell für einen Dehnungsmessstreifen. Aus diesen Gründen
können wir die Anwendung für die ETFM leicht ändern und dank der Leistung der LabVIEW-Programmierung können wir schnell über ein funktionsfähiges
Gerät verfügen, das sich dem Kundenbedarf anpassen lässt.
Autor:
Anders Hedeager Pedersen
ePower technology ApS (http://www.epower-technology.dk/)
Diplomvej 373
Lyngby 2800 Kgs
Dänemark
Erweiterte Ansicht der ETFM
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Der eTenzor-Ergometer
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Prototyp der SYGNUM Energy Leg Extension Test and Training Bench, die auf der FIBO 2010 präsentiert wurde
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Struktur unter Einsatz des FPGAs, des Echtzeitzielsystems und eines PCs
Rechtliche Hinweise
Diese Kundenlösung („Kundenlösung“) wurde von einem Kunden von National Instruments („NI“) entwickelt. DIESE KUNDENLÖSUNG WIRD IM „IST-ZUSTAND“
ZUR VERFÜGUNG GESTELLT UND NI ÜBERNIMMT KEINERLEI GARANTIEN. AUSFÜHRLICHERE ERLÄUTERUNGEN ZU ANDEREN EINSCHRÄNKUNGEN
ENTNEHMEN SIE BITTE DEN NUTZUNGSBEDINGUNGEN FÜR NI.COM.
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