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Encoder e motori BLDC sterilizzabili
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Gli encoder magnetici permettono un feedback ad alta risoluzione, consentendo profili di controllo del movimento precisi
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Capire come funzionano questi dispositivi e i loro vantaggi rispetto ai metodi di feedback tradizionali (come i sensori Hall) è importante per massimizzare l'utilità di un sistema di azionamento di uno strumento manuale chirurgico. Questo articolo valuterà la tecnologia alla base degli encoder magnetici e illustrerà i vantaggi e i compromessi di progettazione da considerare in uno strumento manuale chirurgico o in un'applicazione robotica chirurgica.
C'è una serie di potenziali dispositivi di feedback per i motori elettrici, in particolare i motori brushless DC (BLDC). La commutazione elettronica è richiesta in questi tipi di motori, quindi i sensori di posizione del rotore sono stati un componente critico fin dall'inizio della tecnologia brushless. Le opzioni per il rilevamento della posizione del rotore includono il sensore Hall, l'encoder o il "sensorless" (stima software della posizione del rotore).
Oltre alla commutazione, se un sistema di movimento richiede profili di velocità e accelerazione complessi, un encoder è spesso il miglior sensore possibile per raggiungere i requisiti del sistema. Gli encoder magnetici possono fornire la risoluzione e la precisione necessarie all'interno di un pacchetto piccolo e robusto, particolarmente adatto all'ambiente dell'autoclave. Le molte caratteristiche e variazioni di questi prodotti sono spiegate di seguito.
REVISIONE DELLA TECNOLOGIA
A livello di sistema, un azionamento è composto da tre blocchi di alto livello. La Figura 1 mostra uno schema a blocchi del sistema di movimento con un encoder come sensore di feedback. Vedi Figura 1.
Motore
Sensore di feedback (per esempio, encoder)
Controllore ed elettronica di potenza
Il controllore produce le tensioni e le correnti necessarie per pilotare il motore. In questo schema utilizza le informazioni dall'encoder per commutare il motore e calcolare l'errore nel sistema di controllo. Riceve il comando di posizione o velocità e può generare la risposta corrispondente richiesta dal motore per soddisfare il comando.
All'interno dell'encoder stesso, ci sono altri termini importanti. Il primo è il tipo di encoder: assoluto o incrementale. Un encoder assoluto restituisce l'angolo assoluto della posizione del rotore, rispetto a un punto di riferimento. Attraverso i cicli di alimentazione e i cambiamenti di direzione, questo punto di riferimento non cambia, e la posizione riportata è sempre un valore reale dell'angolo. Negli encoder magnetici, il valore dell'angolo è tipicamente comunicato in serie o tramite una tensione analogica con un rapporto definito rispetto a 0-360 gradi.
Al contrario, un encoder incrementale fornirà un impulso solo quando il rotore cambia incrementalmente la posizione. Se ci sono più impulsi in quadratura (sfasati di 90 gradi), la direzione può anche essere determinata. Tuttavia, in qualsiasi momento, l'encoder non sta riportando la posizione dell'albero di uscita riferita a un punto indice. Di conseguenza, il sistema di feedback perde la traccia della vera posizione del rotore quando viene spento, il che può essere critico per il buon funzionamento di un dispositivo medico.
La risoluzione definisce la capacità di precisione di un encoder. In un encoder incrementale la risoluzione rappresenta il valore angolare di un singolo impulso. La risoluzione è spesso data in termini di numero di impulsi in una singola rotazione meccanica. Questa definizione è quasi la stessa in un encoder assoluto, ma definisce solo la granularità della capacità di rilevamento angolare e non è legata a un singolo impulso. La precisione in un encoder rappresenta la capacità di riportare correttamente la posizione angolare effettiva del rotore. Permette al progettista di un sistema di capire il margine di errore nell'angolo riportato e di costruire un margine ammissibile nel sistema di azionamento. Questo valore è di solito dato in termini di gradi e può talvolta variare in modo non lineare. Negli encoder magnetici, la curva di linearità è importante da avere in modo che qualsiasi imprecisione possa essere presa in considerazione.
Quando si tratta di scegliere la tecnologia dell'encoder, ottico e magnetico sono le due categorie principali. Gli encoder ottici richiedono una fonte di luce e un sensore con una ruota tra i due con sezioni trasparenti e opache, di solito lungo tracce multiple per generare gli impulsi di rotazione. All'interno degli encoder magnetici, ci sono tecnologie magneto-resistenti e basate sull'effetto Hall. Nelle applicazioni autoclavabili, con vapore, fluidi e potenziali detriti, le topologie magnetiche offrono un'opzione piccola e robusta.
LA SFIDA DEL CONTROLLO DEL MOVIMENTO
Quali tipi di situazioni richiedono un encoder come parte di un sistema di azionamento? Alcuni esempi sono: a) controllo preciso della posizione angolare, b) controllo preciso della velocità, c) controllo fluido della coppia e d) maggiore sicurezza attraverso il blocco della posizione del rotore.
a) Controllo della posizione angolare
Un sistema di controllo della posizione, utilizzato per ruotare con precisione l'albero di uscita di un motore da un angolo all'altro, richiede uno stretto controllo e la conoscenza della posizione dell'albero del rotore. Il profilo del movimento visualizzato nella Figura 2 a volte assomiglia a una curva polinomiale nel tempo, con una sezione di accelerazione, velocità costante e decelerazione, come mostrato nella Figura 3.
L'anello di feedback per questo sistema di controllo deve fornire una risoluzione sufficiente per comandare una rotazione da 0 a 90 gradi senza superare l'obiettivo. In questa situazione, i sensori Hall da soli, con la loro risoluzione di 60 gradi elettrici, potrebbero non fornire abbastanza precisione per un movimento fluido.
Potenziali applicazioni per questo tipo di profilo di movimento sarebbero l'attuazione robotica o il controllo di serraggio fine. Gli encoder incrementali o assoluti possono essere utilizzati a seconda del tipo di applicazione e delle informazioni richieste.
b) Controllo della velocità
Anche i sistemi di controllo della velocità possono beneficiare di un encoder. Oltre alla conoscenza della posizione dell'albero, la velocità e l'accelerazione possono anche essere determinate dal feedback dell'encoder. Vedere la figura 4.
Supponiamo che un'applicazione richieda uno stretto controllo sulla velocità di rotazione del sistema tra 0 e 90 gradi e richieda anche che l'albero inverta la rotazione indefinitamente. Un periodo del profilo di velocità di oscillazione apparirebbe simile al grafico sottostante.
I rasoi artroscopici possono richiedere un tale profilo di oscillazione, con cambiamenti temporizzati della velocità. Anche i gruppi di movimento lineare guidati da viti di piombo sono applicazioni potenziali, dove il movimento rapido di un carico è critico. In entrambi i casi, un encoder può fornire il feedback di velocità necessario per una stretta realizzazione del sistema di controllo di un profilo di movimento target.
c) Controllo della coppia
Ancora un'altra area in cui gli encoder possono essere utilizzati per il controllo preciso del movimento è il controllo della coppia. Di solito, i sistemi di controllo orientati al campo (FOC) sono usati per fornire una coppia regolare su un'ampia gamma di velocità. Questi sistemi di controllo richiedono un feedback di posizione ad alta fedeltà e un encoder è la soluzione tipica. Le applicazioni che possono beneficiare di un encoder e di un controllo di coppia regolare includono l'alesatura e il serraggio di precisione come un cacciavite.
d) Sicurezza
Gli utensili che richiedono funzioni di sicurezza per le routine di arresto o per proteggere un operatore da una lama o una punta possono anche beneficiare della conoscenza della posizione assoluta dell'albero che un encoder può fornire. Vedere la Figura 5.
Se una lama affilata deve rimanere all'interno di una protezione di sicurezza o non esposta al chirurgo, le informazioni sulla posizione assoluta possono essere utilizzate per definire una regione di esclusione o una posizione "home" di destinazione a cui tornare durante situazioni specifiche.
Il feedback dell'encoder consentirebbe l'implementazione sicura di un tale schema di sicurezza senza ambiguità o dubbi sulla posizione effettiva del rotore.
SFIDE E VANTAGGI DELL'INTEGRAZIONE
Se gli obiettivi di progettazione richiedono l'uso di un encoder in un sistema di azionamento, l'integrazione può anche rappresentare una sfida per il progettista dello strumento o del sistema. Gli encoder, tipicamente montati sul lato posteriore di un motore BLDC, possono richiedere un'estensione dell'albero e aggiungere lunghezza assiale oltre a un aumento del diametro complessivo. Tuttavia, un encoder magnetico integrato può spesso soddisfare i requisiti di feedback di un azionamento rimanendo all'interno del diametro esterno massimo del motore, sigillando tutti i componenti di rilevamento all'interno del corpo del motore e riducendo al minimo la crescita della lunghezza assiale.
Un encoder magnetico basato sull'effetto Hall richiede un magnete bipolare magnetizzato radialmente attaccato all'albero da rilevare. In un motore BLDC, questo è tipicamente il rotore principale o l'albero di uscita. Quando è posizionato parallelamente al magnete, un array di sensori a effetto Hall sull'encoder stesso può rilevare l'angolo di questo di-polo mentre ruota e tradurre le informazioni in informazioni di posizione incrementale o assoluta a seconda dei requisiti dell'applicazione.
Il pacchetto e la soluzione utilizzati da Portescap sono in un piccolo fattore di forma senza piombo che permette l'integrazione nei motori stessi. Il design assialmente in linea, con un piccolo e semplice magnete di rilevamento, permette ai motori piccoli come 0,5" di diametro di collocare internamente l'encoder e il magnete di rilevamento.
Essendo una soluzione di rilevamento completamente senza contatto e senza ruota ottica da danneggiare o offuscare, l'elettronica può essere sigillata e protetta dall'ambiente dell'autoclave. La flessibilità di questo design permette un funzionamento sia incrementale che assoluto. Con una risoluzione fino a 10 bit (~0,35 gradi) e una precisione entro 1 grado, il risultato è un sistema di azionamento altamente robusto e preciso che può essere integrato nel motore.
CONCLUSIONE
Negli strumenti chirurgici, le soluzioni piccole e leggere con molta potenza sono importanti. Man mano che la capacità dei sistemi di controllo cresce, crescono anche i potenziali casi d'uso e i profili di movimento per gli strumenti manuali chirurgici. Un piccolo encoder magnetico integrato nel motore può offrire dati di posizione e velocità molto maggiori rispetto a un motore BLDC standard a sei fasi basato su sensori di Hall. Questa maggiore qualità e quantità di dati può essere usata per commutare il motore e/o consentire profili di movimento complessi in un sistema di controllo ad anello chiuso. Questi dati possono anche essere utilizzati per il monitoraggio operativo o per aumentare le caratteristiche di sicurezza.
Con un motore BLDC ed un encoder collaudati ed integrati, gli strumenti manuali chirurgici possono diventare sofisticati sistemi di azionamento elettrico in grado di soddisfare i requisiti di controllo del movimento più esigenti e di resistere ai rigori all'interno di un'autoclave.