無傳感器直流無刷 (BLDC) 電機適合在牙鉆中使用。它們比有刷電機運轉磨損小，更可靠，更安靜，更易于維護和消毒。與帶傳感器的 BLDC 電機相比，無傳感器 BLDC 電機更便宜且比較緊湊。但是，無傳感器控制需要復雜的算法，需要更多的工程工作來進行開發。

ITK Engineering 使用基于模型的設計，開發和實現符合醫療設備軟件 IEC 62304 標準的生產型 BLDC 電機控制器，從而節省了時間和精力。

配備 ITK Engineering 的無傳感器、無刷電機控制功能的牙鉆。

挑戰

牙鉆電機的轉速高達 40,000 轉/分鐘。此類電機的矢量控制算法需要寬轉速范圍內轉子位置的準確信息。在無傳感器電機中，必須利用轉子磁鐵的電磁感應引起的定子電流變化推算出轉子位置。ITK 工程師需要設計并優化一個轉子位置估計算法及對牙鉆電機復雜的級聯控制，使之符合醫療設備軟件的 IEC 62304 標準。

在項目開始時，沒有原型電機可以使用。為保證在客戶的項目最后期限前完工，ITK 必須與電機硬件同時并行開發控制器軟件。ITK 工程師需要創建一個精確的電機模型，并開發一個操作此模型的控制器。在有了電機之后，他們需要在嵌入式處理器上快速實現并測試他們的控制軟件。

解決方案

ITK 工程師使用基于模型的設計，對無傳感器 BLDC 電機控制器進行了設計、優化、實現和測試。

工程師使用現有電機的數據表和客戶提供的信息，在Simulink中建立 BLDC 電機模型，包括電氣和機械組件。

他們在Simulink中開發了控制器模型，并使用Stateflow對啟動、關機和錯誤模式以及用戶可選擇的操作模式建模。

該團隊運行對象模型和初始控制器模型的閉環仿真，后者依賴對象模型提供的轉子位置信號。

為開發轉子位置估計算法，該團隊使用Symbolic Math Toolbox求解代數方程式，然后優化估計算法，直至其結果能匹配來自對象模型的實際轉子位置信號。

使用Fixed-Point Designer的自動定標和數據類型覆寫功能，工程師們將他們的浮點控制器設計轉換為定點。他們重新運行了仿真，驗證定點模型。

“使用 Simulink 的基于模型的設計，即使在沒有可供測試的電機硬件之前，我們也能設計控制器并進行優化，在我們有了電機之后，便能為控制器生成產品代碼。如果通過手工編寫代碼，我們不可能按時完成這個項目。”

——ITK醫療控制系統高級工程師Michael Schwarz

該團隊開發了MATLAB腳本，用來執行個別模型組件的批量單元測試。他們使用Simulink Coverage為這些測試產生了模型覆蓋范圍報告。

該團隊使用Embedded Coder從他們的控制器模型生成了超過 5000 行的 C 代碼。他們使用 Keil 編譯器為 ARMCortex-M3 處理器編譯代碼。

工程師在原型板和電機上測試控制器，對模型進行微調并多次重新生成代碼，從而優化性能。

ITK 向客戶交付了控制器和對象的Simulink模型，以及生成的生產代碼。目前牙鉆中的控制器和無傳感器 BLDC 電機已批量生產。

結果

開發時間減半。“我們大約用了四個月的時間完成控制器開發。”Schwarz 說，“如果沒有基于模型的設計，可能需要至少花費兩倍的時間，因為我們不得不等待硬件，手工編寫代碼，測試更多的原型。”

在早期發現了硬件問題。“我們的對象模型準確反映了電機工作方式，讓我們在開發早期階段就能驗證我們的控制器和硬件。”ITK 的系統工程師 Alexander Reiss 說，“我們很快就找到了第一個硬件原型上錯誤的根源：硬件上測量的結果與我們經過驗證的 Simulink 模型產生的結果不符。”

贏得合同，樹立了客戶信心。“我們的客戶希望立即開始工作。基于模型的設計幫助我們取得合同，因為它能讓我們在具備硬件之前開始開發工作。”Reiss 說，“基于模型的設計還增強了客戶對我們工作的信心；現在他們使用我們分享的Simulink模型和仿真做出自己的改進。”