ODEURS STÉRILISABLES ET MOTEURS BLDC

Les codeurs magnétiques offrent un retour d'information spécifique, ce qui permet d'obtenir des profils de contrôle de mouvement précis.

Il est important de comprendre le fonctionnement de ces dispositifs et leurs avantages par rapport aux méthodes de retour d'information traditionnelles (comme les capteurs à effet Hall) pour maximiser l'utilité d'un système d'entraînement d'outil manuel chirurgical. Cet article évalue la technologie sous-jacente des codeurs magnétiques et présente les avantages et les compromis de conception à prendre en compte dans un outil manuel ou une application robotique de chirurgie.

Il existe toute une série de dispositifs de retour d'information potentiels pour les moteurs électriques, en particulier les moteurs à courant continu sans balais (BLDC). La commutation électronique est nécessaire dans ces types de moteurs, de sorte que les capteurs de position du rotor ont été un composant essentiel dès le début de la technologie sans balais. Les options de détection de la position du rotor comprennent un capteur à effet Hall, un codeur ou un système « sans capteur » (estimation logicielle de la position du rotor).

Au-delà de la commutation, si un système de motorisation nécessite des profils de vitesse et d'accélération complexes, un codeur est souvent le meilleur capteur possible pour répondre à ses exigences. Les codeurs magnétiques peuvent fournir la résolution et la précision nécessaires dans un boîtier compact et robuste parfaitement adapté à un environnement d'autoclavage. Les nombreuses caractéristiques et variantes de ces produits sont décrites ci-dessous.

EXAMEN DE LA TECHNOLOGIE

Au niveau du système, un variateur est composé de trois blocs de haut niveau. La figure 1 illustre le schéma fonctionnel d'un système de mouvement avec un codeur comme capteur de retour d'information.

Moteur

Capteur de retour d'information (par ex. codeur)

Contrôleur et électronique de puissance

Le moteur convertit l'énergie électrique en énergie mécanique de rotation. Dans un moteur BLDC, il est composé d'un stator et d'un rotor avec un arbre de sortie relié à une charge. Le capteur de retour d'information (en général) fournit des informations au contrôleur sur l'état réel de la variable de commande. Il permet de calculer l'erreur entre l'état souhaité et l'état actuel, élément critique pour un système de contrôle. Le codeur illustré dans le schéma fonctionnel communique ici la position et la vitesse en temps réel du moteur au contrôleur soit par des impulsions en quadrature, soit par un protocole de communication série.

Le contrôleur produit les tensions et courants nécessaires pour entraîner le moteur. Dans cette configuration, il utilise les informations du codeur pour commuter le moteur et calculer l'erreur dans le système de commande. Il reçoit la commande de position ou de vitesse et peut générer la réponse correspondante requise du moteur pour répondre à la commande.

Au sein même du codeur, il existe des termes plus importants. Le premier est le type de codeur : absolu ou incrémental. Un codeur absolu renvoie l'angle absolu de la position du rotor par rapport à un point de référence. Lors des cycles d'alimentation et des changements de direction, ce point de référence ne change pas et la position signalée est toujours une valeur d'angle réelle. Dans les codeurs magnétiques, la valeur de l'angle est généralement communiquée en série ou par une tension analogique avec un rapport défini par rapport à 0-360 degrés.

En revanche, un codeur incrémental ne fournit une impulsion que lorsque le rotor effectue un changement de position incrémental. En présence de plusieurs impulsions en quadrature (déphasées de 90 degrés), la direction peut également être déterminée. Cependant, à tout moment, le codeur ne signale pas la position de l'arbre de sortie par rapport à un point d'index. En conséquence, le système de retour d'information perd la trace de la position réelle du rotor lorsqu'il est mis hors tension, ce qui peut être critique pour le bon fonctionnement d'un dispositif médical.

La résolution définit la capacité de précision d'un codeur. Dans un codeur incrémental, la résolution représente la valeur angulaire d'une seule impulsion. La résolution est souvent donnée en termes de nombre d'impulsions dans une seule rotation mécanique. Cette définition est presque la même dans un codeur absolu, mais définit simplement la granularité de la capacité de détection angulaire et n'est pas liée à une seule impulsion.

La précision d'un codeur représente la capacité de signaler correctement la position angulaire réelle du rotor. Elle permet au concepteur de comprendre la marge d'erreur dans l'angle rapporté et de créer une marge admissible dans le système d'entraînement. Cette valeur est généralement exprimée en degrés et peut parfois varier de manière non linéaire. Dans les codeurs magnétiques, la courbe de linéarité est importante pour que toute inexactitude puisse être prise en compte.

En ce qui concerne le choix de la technologie de codage, l'optique et le magnétique sont les deux principales catégories. Les codeurs optiques nécessitent une source de lumière et un capteur avec une roue entre les deux avec des sections transparentes et opaques, généralement le long de plusieurs pistes pour générer les impulsions de rotation. Les codeurs magnétiques, quant à eux, intègrent des technologies magnétorésistives et à effet Hall. Dans les applications autoclavables, impliquant de la vapeur, des fluides et des débris potentiels, les topologies magnétiques constituent une solution compacte et robuste.

DÉFI LIÉ AU CONTRÔLE DE MOUVEMENT

Dans quels types de situations un codeur doit-il être intégré à un système d'entraînement ? Les exemples incluent a) une commande de position angulaire précise, b) une commande de vitesse précise, c) une commande de couple fluide et d) une sécurité accrue grâce au verrouillage de la position du rotor.

a) Commande de position angulaire

Un système de commande de position, qui permet de faire tourner avec précision l'arbre de sortie d'un moteur d'un angle à un autre, nécessite une connaissance et un contrôle précis de la position de l'arbre du rotor. Le profil de mouvement illustré à la figure 2 ressemble parfois à une courbe polynomiale dans le temps, avec une section d'accélération, de vitesse constante et de décélération, comme indiqué à la figure 3.

La boucle de rétroaction de ce système de commande doit fournir une résolution suffisante pour commander une rotation de 0 à 90 degrés sans dépasser la cible. Dans cette situation, les capteurs à effet Hall seuls, avec leur résolution de 60 degrés électriques, peuvent ne pas fournir une précision suffisante pour un mouvement fluide.

Les applications potentielles de ce type de profil de mouvement seraient l'actionnement robotique ou la commande de serrage précise. Des codeurs incrémentaux ou absolus peuvent être utilisés en fonction du type d'application et des informations requises.

b) Commande de vitesse

Les systèmes de commande de vitesse peuvent également bénéficier d'un codeur. Au-delà de la connaissance de la position de l'arbre, la vitesse et l'accélération peuvent également être déterminées à partir du retour d'information du codeur.

Supposons qu'une application nécessite un contrôle strict de la vitesse de rotation du système entre 0 et 90 degrés et une inversion à l'infini du sens de rotation de l'arbre. Une période du profil de vitesse de l'oscillation serait similaire au graphique ci-dessous.

Les rasoirs arthroscopiques peuvent nécessiter un tel profil d'oscillation, avec des changements de vitesse temporisés. Les ensembles de mouvements linéaires à entraînement par vis trapézoïdale sont également des applications potentielles, lorsque le mouvement rapide d'une charge est critique. Dans les deux cas, un codeur peut fournir le retour d'information de vitesse nécessaire à la réalisation d'un profil de mouvement cible par le système de commande.

c) Commande de couple

La commande de couple fluide est un autre domaine dans lequel les codeurs peuvent être utilisés pour un contrôle précis du mouvement. En général, des systèmes précis de contrôle à champ orienté (FOC) sont utilisés pour fournir un couple fluide sur une large plage de vitesses. Ces systèmes de commande nécessitent un retour d'information de position très fiable, et un codeur est la solution typique. Les applications pouvant bénéficier d'un codeur et d'une commande de couple fluide incluent l'alésage et le serrage de précision comme pour un tournevis.

d) Sécurité

Les outils nécessitant des dispositifs de sécurité pour les routines d'arrêt ou pour protéger un opérateur d'une lame ou d'un embout peuvent également bénéficier de la connaissance de la position absolue de l'arbre qu'un codeur peut fournir.

Si une lame tranchante doit rester à l'intérieur d'un déflecteur de sécurité ou non exposée au chirurgien, les informations relatives à la position absolue peuvent être utilisées pour définir une zone d'exclusion ou une position « d'origine » cible à laquelle revenir dans des situations spécifiques.

Le retour d'information du codeur permettrait de mettre en œuvre avec confiance un tel système de sécurité sans ambiguïté ni doute quant à l'emplacement réel du rotor.

DÉFIS ET AVANTAGES DE L'INTÉGRATION

Si les objectifs de conception nécessitent l'utilisation d'un codeur dans un système d'entraînement, l'intégration peut également poser un défi au concepteur de l'outil ou du système. Les codeurs, généralement montés à l'arrière d'un moteur BLDC, peuvent nécessiter une rallonge d'arbre et ajouter une longueur axiale ainsi qu'un diamètre global accru. Cependant, un codeur magnétique intégré peut souvent répondre aux exigences de retour d'information pour un variateur tout en restant dans le diamètre extérieur maximal du moteur, scellant tous les composants de détection internes au corps du moteur et minimisant l'augmentation de la longueur axiale.

Un codeur magnétique à effet Hall nécessite un aimant bipolaire à aimantation radiale fixé à l'arbre à détecter. Dans un moteur BLDC, il s'agit généralement du rotor principal ou de l'arbre de sortie. Lorsqu'il est positionné parallèlement à l'aimant, un réseau de capteurs à effet Hall sur le codeur proprement dit peut détecter l'angle de ce dipôle lorsqu'il tourne et traduire l'information en une information de position incrémentale ou absolue, selon les exigences de l'application.

Le boîtier et la solution utilisés par Portescap se présentent dans un petit format sans fil, permettant l'intégration dans les moteurs proprement dits. La conception axialement en ligne, avec un petit aimant de détection simple, permet aux moteurs de 0,5" de diamètre de placer le codeur et l'aimant de détection en interne.

S'agissant d'une solution de détection entièrement sans contact et qu'aucune roue optique ne peut être endommagée ou masquée, l'électronique peut être scellée et protégée contre l'environnement d'autoclavage. La flexibilité de cette conception permet un fonctionnement à la fois incrémental et absolu. Avec une résolution allant jusqu'à 10 bits (~0,35 degré) et une précision de l'ordre du degré, le résultat est un système d'entraînement extrêmement robuste et précis qui peut être intégré au moteur.

CONCLUSION

Dans les outils chirurgicaux, les solutions compactes, légères et très puissantes sont importantes. À mesure de la croissance des capacités des systèmes de commande, les cas d'utilisation potentiels et les profils de mouvement des outils manuels chirurgicaux augmentent également. Un petit codeur magnétique intégré au moteur peut fournir des données de position et de vitesse nettement supérieures à celles d'un moteur BLDC standard basé sur un capteur à effet Hall à six pas. Cette qualité et cette quantité accrues de données peuvent être utilisées pour commuter le moteur et/ou permettre des profils de mouvement complexes dans un système de commande en boucle fermée. Ces données peuvent également être utilisées pour le suivi opérationnel ou pour renforcer les dispositifs de sécurité.

Avec un moteur BLDC et un codeur intégrés et éprouvés, les outils manuels chirurgicaux peuvent devenir des systèmes d'entraînement électrique sophistiqués capables de répondre aux exigences les plus strictes en matière de commande de mouvement et de résister aux rigueurs de l'autoclave.