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#Novedades de la industria
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Encoders y motores BLDC esterilizables
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Los codificadores magnéticos permiten una retroalimentación de alta resolución, permitiendo perfiles de control de movimiento precisos
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Entender cómo funcionan estos dispositivos y sus ventajas en comparación con los métodos de retroalimentación tradicionales (como los sensores Hall) es importante para maximizar la utilidad de un sistema de accionamiento de herramientas manuales quirúrgicas. En este artículo se evaluará la tecnología subyacente de los codificadores magnéticos y se ilustrarán las ventajas y las compensaciones de diseño que deben tenerse en cuenta en una herramienta manual quirúrgica o en una aplicación robótica quirúrgica.
Existe una gran variedad de dispositivos de retroalimentación para los motores eléctricos, especialmente los motores de corriente continua sin escobillas (BLDC). En este tipo de motores es necesaria la conmutación electrónica, por lo que los sensores de posición del rotor han sido un componente fundamental desde el inicio de la tecnología sin escobillas. Las opciones para detectar la posición del rotor incluyen el sensor Hall, el codificador o "sin sensor" (estimación por software de la posición del rotor).
Más allá de la conmutación, si un sistema de movimiento requiere perfiles de movimiento de velocidad y aceleración complejos, un codificador suele ser el mejor sensor posible para cumplir los requisitos del sistema. Los codificadores magnéticos pueden proporcionar la resolución y precisión necesarias dentro de un paquete pequeño y robusto, especialmente adecuado para un entorno de autoclave. A continuación se explican las numerosas características y variaciones de estos productos.
REVISIÓN DE LA TECNOLOGÍA
A nivel de sistema, un accionamiento se compone de tres bloques de alto nivel. La figura 1 muestra un diagrama de bloques del sistema de movimiento con un codificador como sensor de retroalimentación. Véase la figura 1.
Motor
Sensor de retroalimentación (por ejemplo, codificador)
Controlador y electrónica de potencia
El controlador produce las tensiones y corrientes necesarias para accionar el motor. En este esquema utiliza la información del codificador para conmutar el motor y calcular el error en el sistema de control. Recibe la orden de posición o velocidad y puede generar la respuesta correspondiente requerida del motor para cumplir la orden.
Dentro del propio encoder, hay más términos importantes. El primero es el tipo de encoder: absoluto o incremental. Un encoder absoluto devuelve el ángulo absoluto de la posición del rotor, con respecto a un punto de referencia. A través de los ciclos de potencia y los cambios de dirección, este punto de referencia no cambia, y la posición informada es siempre un valor angular real. En los codificadores magnéticos, el valor del ángulo se comunica normalmente en serie o mediante una tensión analógica con una relación definida respecto a 0-360 grados.
Por el contrario, un codificador incremental sólo proporcionará un pulso cuando el rotor cambie de posición de forma incremental. Si hay varios pulsos en cuadratura (desplazados de fase en 90 grados), también se puede determinar la dirección. Sin embargo, en un momento dado, el codificador no informa de la posición del eje de salida referida a un punto índice. Como resultado, el sistema de retroalimentación pierde la pista de la posición real del rotor cuando se apaga, lo que puede ser crítico para el funcionamiento exitoso de un dispositivo médico.
La resolución define la capacidad de precisión de un codificador. En un codificador incremental, la resolución representa el valor angular de un solo impulso. La resolución suele darse en términos del número de impulsos en una sola rotación mecánica. Esta definición es casi la misma en un encoder absoluto, pero sólo define la granularidad de la capacidad de detección angular y no está vinculada a un solo impulso. La precisión en un encoder representa la capacidad de informar correctamente de la posición angular real del rotor. Permite que el diseñador del sistema comprenda el margen de error en el ángulo notificado y que incorpore un margen admisible en el sistema de accionamiento. Este valor suele indicarse en términos de grados y a veces puede variar de forma no lineal. En los codificadores magnéticos, es importante disponer de la curva de linealidad para poder tener en cuenta cualquier imprecisión.
En cuanto a la elección de la tecnología de codificación, las dos categorías principales son la óptica y la magnética. Los codificadores ópticos requieren una fuente de luz y un sensor con una rueda entre ambos con secciones transparentes y opacas, normalmente a lo largo de varias pistas para generar los impulsos de rotación. Dentro de los codificadores magnéticos, hay tecnologías magnetorresistivas y basadas en el efecto Hall. En aplicaciones autoclavables, con vapor, fluidos y posibles residuos, las topologías magnéticas ofrecen una opción pequeña y robusta.
DESAFÍO DE CONTROL DE MOVIMIENTO
¿Qué tipo de situaciones requieren un codificador como parte de un sistema de accionamiento? Algunos ejemplos son: a) control preciso de la posición angular, b) control preciso de la velocidad, c) control suave del par y d) aumento de la seguridad mediante el bloqueo de la posición del rotor.
a) Control de la posición angular
Un sistema de control de posición, que se utiliza para girar con precisión el eje de salida de un motor de un ángulo a otro, requiere un control estricto y el conocimiento de la posición del eje del rotor. El perfil de movimiento que se muestra en la figura 2 a veces se parece a una curva polinómica en el tiempo, con una sección de aceleración, velocidad constante y desaceleración, como se muestra en la figura 3.
El bucle de realimentación de este sistema de control debe proporcionar una resolución suficiente para ordenar una rotación de 0 a 90 grados sin sobrepasar el objetivo. En esta situación, los sensores Hall por sí solos, con su resolución de 60 grados eléctricos, pueden no proporcionar suficiente precisión para un movimiento suave.
Las aplicaciones potenciales para este tipo de perfil de movimiento serían el accionamiento robótico o el control de apriete ajustado. Pueden utilizarse encoders incrementales o absolutos en función del tipo de aplicación y de la información requerida.
b) Control de velocidad
Los sistemas de control de velocidad también pueden beneficiarse de un encoder. Además del conocimiento de la posición del eje, la velocidad y la aceleración también pueden determinarse a partir de la información del encóder. Véase la figura 4.
Supongamos que una aplicación requiere un control estricto de la velocidad de rotación del sistema entre 0 y 90 grados y también requiere que el eje invierta la rotación indefinidamente. Un período del perfil de velocidad de oscilación sería similar al gráfico siguiente.
Las afeitadoras artroscópicas pueden requerir un perfil de oscilación de este tipo, con cambios de velocidad temporizados. Los conjuntos de movimiento lineal accionados por husillos también son aplicaciones potenciales, donde el movimiento rápido de una carga es crítico. En ambos casos, un codificador puede proporcionar la retroalimentación de velocidad necesaria para la realización de un sistema de control estricto de un perfil de movimiento objetivo.
c) Control del par
Otra área en la que los encoders pueden utilizarse para un control de movimiento preciso es el control de par suave. Normalmente, se utilizan sistemas de control orientados al campo (FOC) para proporcionar un par suave en un amplio rango de velocidades. Estos sistemas de control requieren una retroalimentación de posición de alta fidelidad y un encoder es la solución típica. Las aplicaciones que pueden beneficiarse de un encoder y de un control de par suave incluyen el escariado y el apriete de precisión, como un destornillador.
d) Seguridad
Las herramientas que requieren funciones de seguridad para las rutinas de parada o para proteger al operario de una cuchilla o broca también pueden beneficiarse del conocimiento de la posición absoluta del eje que puede proporcionar un encóder. Véase la figura 5.
Si se requiere que una cuchilla afilada permanezca dentro de una cubierta de seguridad o no esté expuesta al cirujano, la información de la posición absoluta puede utilizarse para definir una región de mantenimiento o una posición de "inicio" objetivo a la que volver en situaciones específicas.
La información del codificador permitiría implementar con confianza este esquema de seguridad sin ambigüedad o duda en cuanto a la ubicación real del rotor.
RETOS Y VENTAJAS DE LA INTEGRACIÓN
Si los objetivos de diseño requieren el uso de un encóder en un sistema de accionamiento, la integración también puede suponer un reto para el diseñador de la herramienta o del sistema. Los encoders, que suelen montarse en la parte trasera de un motor BLDC, pueden requerir una extensión del eje y añadir longitud axial, así como un mayor diámetro total. Sin embargo, un encóder magnético integrado puede satisfacer a menudo los requisitos de retroalimentación de un accionamiento sin sobrepasar el diámetro exterior máximo del motor, sellando todos los componentes de detección internos al cuerpo del motor y minimizando el crecimiento de la longitud axial.
Un codificador magnético basado en el efecto Hall requiere un imán bipolar magnetizado radialmente unido al eje que se va a detectar. En un motor BLDC, éste suele ser el rotor principal o el eje de salida. Cuando se coloca en paralelo al imán, un conjunto de sensores de efecto Hall en el propio codificador puede detectar el ángulo de este dipolo a medida que gira y traducir la información en información de posición incremental o absoluta en función de los requisitos de la aplicación.
El paquete y la solución utilizados por Portescap se presentan en un pequeño factor de forma sin plomo que permite su integración en los propios motores. El diseño axial en línea, con un pequeño y sencillo imán sensor, permite que motores de tan sólo 0,5" de diámetro puedan ubicar internamente el codificador y el imán sensor.
Al tratarse de una solución de detección totalmente sin contacto, y sin rueda óptica que se dañe o se ofusque, la electrónica puede sellarse y protegerse del entorno del autoclave. La flexibilidad de este diseño permite un funcionamiento tanto incremental como absoluto. Con una resolución de hasta 10 bits (~0,35 grados) y una precisión de 1 grado, el resultado es un sistema de accionamiento muy robusto y de gran precisión que puede integrarse en el motor.
CONCLUSIÓN
Dentro de las herramientas quirúrgicas, son importantes las soluciones pequeñas y ligeras con mucha potencia. A medida que aumenta la capacidad de los sistemas de control, también crecen los posibles casos de uso y los perfiles de movimiento de las herramientas manuales quirúrgicas. Un pequeño codificador magnético integrado en el motor puede ofrecer datos de posición y velocidad muy superiores a los de un motor BLDC estándar basado en un sensor Hall de seis pasos. Esta mayor calidad y cantidad de datos puede utilizarse para conmutar el motor y/o permitir perfiles de movimiento complejos en un sistema de control de bucle cerrado. Estos datos también pueden utilizarse para la supervisión del funcionamiento o para aumentar las funciones de seguridad.
Con un motor BLDC y un codificador integrados y probados, las herramientas quirúrgicas manuales pueden convertirse en sofisticados sistemas de accionamiento eléctrico capaces de satisfacer los requisitos de control de movimiento más exigentes y de soportar los rigores del interior de un autoclave.