STERILISIERBARE ENCODER UND BLDC-MOTOREN

Magnetische Encoder ermöglichen eine hochauflösende Rückführung und ermöglichen präzise Profile zur Bewegungssteuerung

Um den Nutzen eines chirurgischen Handwerkzeug-Antriebssystems zu maximieren, ist es wichtig zu verstehen, wie diese Geräte funktionieren und welche Vorteile sie im Vergleich zu herkömmlichen Feedback-Methoden (z. B. Hall-Sensoren) haben. In diesem Beitrag werden die zugrundeliegende Technologie von magnetischen Encodern bewertet und die Vorteile und konstruktiven Kompromisse aufgezeigt, die bei einem chirurgischen Handgerät oder einer chirurgischen Roboteranwendung zu berücksichtigen sind.

Für Elektromotoren, insbesondere für bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren), gibt es eine Reihe von möglichen Rückführungssystemen. Bei diesen Motortypen ist eine elektronische Kommutierung erforderlich, sodass Rotorpositionssensoren von Anfang an eine wichtige Komponente der bürstenlosen Technologie waren. Optionen zur Erfassung der Rotorposition sind Hall-Sensor, Encoder oder „sensorlos“ (Software-Schätzung der Rotorposition).

Wenn ein Bewegungssystem über die Kommutierung hinaus komplexe Geschwindigkeits- und Beschleunigungsbewegungsprofile erfordert, ist ein Encoder häufig der bestmögliche Sensor, um die Systemanforderungen zu erfüllen. Magnetische Encoder bieten die erforderliche Auflösung und Genauigkeit in einem kleinen, robusten Gehäuse, das sich hervorragend für eine Autoklavenumgebung eignet. Die vielen Funktionen und Variationen dieser Produkte werden nachfolgend erläutert.

TECHNOLOGIEÜBERSICHT

Auf Systemebene setzt sich ein Antrieb aus drei übergeordneten Blöcken zusammen. In Abbildung 1 ist ein Blockdiagramm eines Bewegungssystems mit einem Encoder als Rückführungssensor dargestellt.

Motor

Rückführungssensor (z. B. Encoder)

Steuerung und Leistungselektronik

Der Motor wandelt elektrische Energie in mechanische Rotationsenergie um. Bei einem BLDC-Motor besteht er aus einem Stator und einem Rotor mit einer Abtriebswelle, die mit einer Last verbunden ist. Der Rückführungssensor (im weitesten Sinne) liefert der Steuerung Daten über den Istzustand der Regelgröße. So können Fehler zwischen dem gewünschten Zustand und dem aktuellen Zustand berechnet werden, der für ein Steuerungssystem entscheidend ist. Der hier im Blockschaltbild gezeigte Encoder überträgt die Echtzeitposition und -geschwindigkeit des Motors entweder über Quadraturimpulse oder ein serielles Kommunikationsprotokoll an die Steuerung.

Die Steuerung generiert die notwendigen Spannungen und Ströme zum Antrieb des Motors. In diesem Layout werden die Daten des Encoders verwendet, um den Motor zu kommutieren und den Fehler im Steuerungssystem zu berechnen. Er empfängt den Positions- oder Geschwindigkeitsbefehl und kann die erforderliche entsprechende Reaktion des Motors erzeugen, um den Befehl zu erfüllen.

Innerhalb des Encoders selbst gibt es weitere wichtigere Begriffe. Der erste ist der Encodertyp: absolut oder inkrementell. Ein absoluter Encoder liefert den absoluten Winkel der Rotorposition in Bezug auf einen Referenzpunkt. Durch Leistungszyklen und Richtungsänderungen ändert sich dieser Referenzpunkt nicht, und die gemeldete Position ist immer ein tatsächlicher Winkelwert. Bei magnetischen Encodern wird der Winkelwert typischerweise seriell oder durch eine analoge Spannung mit einem definierten Verhältnis im Vergleich zu 0 bis 360 Grad übertragen.

Im Gegensatz dazu liefert ein inkrementeller Encoder nur dann einen Impuls, wenn der Rotor seine Position inkrementell ändert. Wenn mehrere Quadraturimpulse vorhanden sind (um 90 Grad phasenverschoben), kann auch die Richtung bestimmt werden. Der Encoder meldet jedoch nicht zu jedem Zeitpunkt die Position der Abtriebswelle bezogen auf einen Indexpunkt. Infolgedessen verliert das Rückführungssystem beim Ausschalten die wahre Position des Rotors, was für den erfolgreichen Betrieb eines medizinischen Geräts entscheidend sein kann.

Die Auflösung definiert das Präzisionsvermögen eines Encoders. In einem inkrementellen Encoder stellt die Auflösung den Winkelwert eines einzelnen Impulses dar. Die Auflösung wird häufig als Anzahl der Impulse in einer einzigen mechanischen Umdrehung angegeben. Diese Definition ist nahezu identisch mit der eines absoluten Encoders, definiert aber nur die Granularität der Winkelabtastung und ist nicht an einen einzelnen Impuls gebunden.

Die Genauigkeit eines Encoders bezieht sich auf die Fähigkeit, die tatsächliche Winkelposition des Rotors korrekt zu melden. Dadurch kann ein Systementwickler die Fehlerquote im angegebenen Winkel verstehen und eine zulässige Spanne im Antriebssystem einbauen. Dieser Wert wird in der Regel in Grad angegeben und kann manchmal nicht linear variieren. Bei magnetischen Encodern ist es wichtig, dass die Linearitätskurve vorhanden ist, damit Ungenauigkeiten berücksichtigt werden können.

Bei der Wahl der Encoder-Technologie sind optisch und magnetisch die beiden Hauptkategorien. Optische Encoder benötigen eine Lichtquelle und einen Sensor mit einem dazwischen liegenden Rad mit transparenten und undurchsichtigen Abschnitten, meist entlang mehrerer Spuren, um die Drehimpulse zu erzeugen. Bei magnetischen Encodern gibt es magnetoresistive und Halleffekt-basierte Technologien. In autoklavierbaren Anwendungen mit Dampf, Flüssigkeiten und potenziellen Ablagerungen stellen magnetische Topologien eine kleine und robuste Option dar.

HERAUSFORDERUNG BEWEGUNGSSTEUERUNG

In welchen Situationen ist ein Encoder als Teil eines Antriebssystems erforderlich? Beispiele hierfür sind a) präzise Winkelpositionsregelung, b) präzise Geschwindigkeitsregelung, c) reibungslose Drehmomentregelung und d) erhöhte Sicherheit durch Verriegelung der Rotorposition.

a) Winkelpositionsregelung

Eine Lageregelung, mit der die Abtriebswelle eines Motors präzise von einem Winkel in einen anderen gedreht wird, erfordert eine genaue Steuerung und Kenntnis der Position der Rotorwelle. Das in Abbildung 2 dargestellte Bewegungsprofil sieht manchmal wie eine Polynomkurve im Zeitverlauf aus, mit einem Beschleunigungs-, Konstantgeschwindigkeits- und Verzögerungsabschnitt, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Die Rückführungsschleife für dieses Steuerungssystem muss über eine ausreichende Auflösung verfügen, um eine Drehung von 0 bis 90 Grad anzuordnen, ohne das Ziel zu überschreiten. In dieser Situation ermöglichen Hall-Sensoren allein mit ihrer Auflösung von 60 elektrischen Grad möglicherweise nicht die erforderliche Präzision für eine reibungslose Bewegung. Abbildung 3.

Mögliche Anwendungen für diese Art von Bewegungsprofil wären Roboterbetätigung oder fein abgestimmte Anzugssteuerung. Je nach Art der Anwendung und der benötigten Informationen können inkrementelle oder absolute Encoder eingesetzt werden.

b) Geschwindigkeitsregelung

Systeme zur Geschwindigkeitsregelung können ebenfalls von einem Encoder profitieren. Neben der Kenntnis der Wellenposition können auch Geschwindigkeit und Beschleunigung aus der Rückführung des Encoders ermittelt werden.

Angenommen, eine Anwendung erfordert eine genaue Kontrolle darüber, wie schnell sich das System zwischen 0 und 90 Grad dreht, und erfordert außerdem eine Umkehrung der Drehung durch die Welle auf unbestimmte Zeit. Eine Periode des Oszillationsgeschwindigkeitsprofils würde ähnlich wie in der folgenden Grafik aussehen. Abbildung 4.

Arthroskopische Rasierer benötigen möglicherweise ein solches Oszillationsprofil mit zeitgesteuerten Geschwindigkeitsänderungen. Durch eine Leitspindel angetriebene lineare Bewegungsbaugruppen sind ebenfalls mögliche Anwendungen, bei denen die schnelle Bewegung einer Last entscheidend ist. In beiden Fällen kann ein Encoder die notwendige Geschwindigkeitsrückführung für die straffe steuerungstechnische Umsetzung eines Sollbewegungsprofils liefern.

c) Drehmomentregelung

Ein weiterer Bereich, in dem Encoder zur präzisen Bewegungssteuerung verwendet werden können, ist die reibungslose Drehmomentregelung. Normalerweise werden genaue feldorientierte Regelsysteme (FOC) verwendet, um ein gleichmäßiges Drehmoment über einen weiten Drehzahlbereich bereitzustellen. Diese Steuerungssysteme erfordern eine zuverlässige Positionsrückführung, und ein Encoder ist die typische Lösung. Zu den Anwendungen, die von einem Encoder und einer reibungslosen Drehmomentregelung profitieren können, gehören Gewindeschneiden und präzises Festziehen wie bei einem Schraubendreher.

d) Sicherheit

Bei Werkzeugen, die Sicherheitsfunktionen für Abschaltroutinen oder zum Schutz des Bedieners vor einer Klinge oder einem Bohrmeißel benötigen, ist es ebenfalls ein großer Vorteil, wenn ein Encoder genaue Daten über die Wellenposition liefert.

Wenn eine scharfe Klinge in einer Sicherheitshülle verbleiben muss oder nicht ohne Abdeckung in der Nähe des Chirurgen liegen darf, können die absoluten Positionsdaten verwendet werden, um entweder einen Ausschlussbereich oder eine Ziel-Ausgangsposition zu definieren, zu der in bestimmten Situationen zurückgekehrt werden soll.

Die Rückmeldung des Encoders würde eine sichere Implementierung eines solchen Sicherheitsschemas ohne Unklarheiten oder Zweifel an der tatsächlichen Position des Rotors ermöglichen. Abbildung 5.

HERAUSFORDERUNGEN UND VORTEILE DER INTEGRATION

Wenn Konstruktionsziele den Einsatz eines Encoders in einem Antriebssystem erfordern, kann die Integration auch eine Herausforderung für den Werkzeugoder Systementwickler darstellen. Bei Encodern, die üblicherweise an der Rückseite eines BLDCMotors montiert sind, kann eine Wellenverlängerung erforderlich sein und sowohl die axiale Länge als auch den Gesamtdurchmesser erhöhen. Ein integrierter magnetischer Encoder kann jedoch häufig die Rückführungsanforderungen für einen Antrieb erfüllen, während er innerhalb des maximalen Außendurchmessers des Motors bleibt, alle Sensorkomponenten innerhalb des Motorkörpers abdichtet und das axiale Längenwachstum minimiert.

Ein auf Hall-Effekt basierender magnetischer Encoder benötigt einen radial magnetisierten zweipoligen Magneten, der an der zu erfassenden Welle befestigt ist. Bei einem BLDC-Motor ist dies typischerweise der Hauptrotor oder die Abtriebswelle. Wenn er parallel zum Magneten positioniert ist, kann ein Array von Hall-Effekt-Sensoren auf dem Encoder selbst den Winkel dieses Doppelpols beim Drehen erkennen und die Daten je nach den Anforderungen der Anwendung entweder in inkrementelle oder absolute Positionsdaten umwandeln.

Das von Portescap verwendete Paket und die Lösung werden in einem kleinen bleifreien Formfaktor geliefert, der die Integration in die Motoren selbst ermöglicht. Durch die axiale Inline-Konstruktion mit einem kleinen, einfachen Abtastmagneten können Motoren mit einem Durchmesser von nur 1,27 cm (0,5 Zoll) den Encoder und den Messmagneten intern lokalisieren.

Da es sich um eine vollständig berührungslose Abtastlösung handelt und kein optisches Rad beschädigt oder verschleiert werden kann, kann die Elektronik versiegelt und gegen die Autoklavenumgebung geschützt werden. Die Flexibilität dieser Konstruktion ermöglicht sowohl einen inkrementellen als auch einen absoluten Betrieb. Mit einer Auflösung von bis zu 10 Bit (~ 0,35 Grad) und einer Genauigkeit von 1 Grad ist das Ergebnis ein äußerst robustes und hochpräzises Antriebssystem, das in den Motor integriert werden kann.

SCHLUSSFOLGERUNG

Bei chirurgischen Werkzeugen sind kleine, leichte Lösungen mit hoher Leistung wichtig. Mit zunehmender Leistungsfähigkeit von Steuerungssystemen nehmen auch die möglichen Anwendungsfälle und Bewegungsprofile für chirurgische Handwerkzeuge zu. Ein kleiner, in den Motor integrierter magnetischer Encoder kann im Vergleich zu einem Standard-BLDC-Motor auf Basis eines Hall-Sensors mit sechs Schritten stark erhöhte Positions- und Geschwindigkeitsdaten liefern. Diese erhöhte Datenqualität und -quantität kann zur Kommutierung des Motors verwendet werden und/oder komplexe Bewegungsprofile in einem geschlossenen Regelkreis ermöglichen. Diese Daten können auch zur Betriebsüberwachung oder für erhöhte Sicherheitsfunktionen verwendet werden.

Mit einem bewährten, integrierten BLDC-Motor und Encoder können chirurgische Handwerkzeuge zu hoch entwickelten elektrischen Antriebssystemen werden, die die anspruchsvollsten Anforderungen an die Bewegungssteuerung erfüllen und den Belastungen im Inneren eines Autoklaven standhalten.