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INTRODUÇÃO
Os encoders magnéticos permitem feedback de alta resolução, permitindo perfis de controle de movimento precisos. Entender como esses dispositivos funcionam e que vantagens têm em relação a métodos de feedback tradicionais (como sensores Hall) é importante para maximizar a utilidade de um sistema de acionamento de uma ferramenta cirúrgica manual. Este informe avaliará a tecnologia por trás dos encoders magnéticos e ilustrará os benefícios e as compensações do design a serem considerados em uma ferramenta cirúrgica manual ou em uma aplicação cirúrgica robótica.
Existe uma variedade de potenciais dispositivos de feedback para motores elétricos, particularmente motores DC sem escovas. A comutação eletrônica é necessária nesses tipos de motor. Por isso, os sensores de posição do rotor são um componente essencial desde o início da tecnologia sem escovas. As opções para detectar a posição do rotor incluem sensor Hall, encoder ou “sem sensor” (estimativa de software da posição do rotor).
Além da comutação, se um sistema de movimento requer perfis complexos de movimentos de velocidade e aceleração, um encoder é geralmente o melhor sensor possível para atender aos requisitos do sistema. Os encoders magnéticos podem fornecer a resolução e a precisão necessárias em um pacote pequeno e robusto, adequado exclusivamente para um ambiente de autoclave. Os diversos recursos e variações desses produtos são explicados abaixo.
ANÁLISE DE TECNOLOGIA
Em um nível de sistema, um drive é composto por três blocos de alto nível. A figura 1 representa um diagrama de blocos do sistema de movimento com um encoder como sensor de feedback.
- Motor
- Sensor de feedback (ex.: encoder)
- Controlador e eletrônica de potência
O motor converte energia elétrica em energia mecânica rotacional. Em um motor DC sem escovas, ele é composto de um estator e rotor com um eixo de saída conectado a uma carga. O sensor de feedback (em termos gerais) fornece informações ao controlador do estado real da variável de controle. Ele permite calcular o erro entre o estado desejado e o estado atual, essencial para um sistema de controle. O encoder mostrado nesse diagrama de blocos comunica a posição em tempo real e a velocidade do motor para o controlador por meio de pulsos de quadratura ou por um protocolo de comunicação serial.
O controlador produz as tensões e correntes necessárias para acionar o motor. Nesse layout, ele usa as informações do encoder para comutar o motor e calcular o erro no sistema de controle. Ele recebe o comando de posição ou velocidade e pode gerar a resposta correspondente necessária do motor para atender ao comando.
Dentro do próprio encoder, existem mais termos importantes. O primeiro é o tipo de encoder: absoluto ou incremental. Um encoder absoluto retorna o ângulo absoluto da posição do rotor em relação a um ponto de referência. Durante os ciclos de energia e mudanças de direção, esse ponto de referência não muda, e a posição relatada é sempre um valor de ângulo real. Em encoders magnéticos, o valor do ângulo é normalmente comunicado em série ou por uma tensão analógica com um coeficiente definido comparada a 0-360 graus.
Em contraste, um encoder incremental só fornecerá um pulso quando o rotor mudar de posição incrementalmente. Se houver vários pulsos em quadratura (mudança de fase em 90 graus), a direção também pode ser determinada. No entanto, o encoder não permanece relatando, o tempo todo, a posição do eixo de saída referenciado a um ponto de índice. Como resultado, o sistema de feedback perde o controle da verdadeira posição do rotor quando desligado, o que pode prejudicar a operação adequada de um dispositivo médico.
A resolução define a capacidade de precisão de um encoder. Em um encoder incremental, a resolução representa o valor angular de um único pulso. Com frequência, a resolução é dada conforme o número de pulsos em uma única rotação mecânica. Essa definição é quase a mesma em um encoder absoluto, mas apenas define a granularidade da capacidade de detecção angular e não está vinculada a um único pulso.
A precisão em um encoder representa a capacidade de relatar corretamente a posição angular real do rotor. Ela permite que um designer de sistema entenda a margem de erro no ângulo relatado e crie uma margem admissível no sistema de acionamento. Esse valor geralmente é dado em termos de graus e, às vezes, pode variar de forma não linear. Em encoders magnéticos, é importante ter a curva de linearidade para que as imprecisões sejam contabilizadas.
Quando se trata da escolha da tecnologia do encoder, o óptico e o magnético são as duas categorias principais. Os encoders ópticos requerem uma fonte de luz e um sensor com uma roda entre os dois e seções transparentes e opacas, geralmente ao longo de vários trilhos, para gerar os pulsos de rotação. Dentro dos encoders magnéticos, existem tecnologias magnetoresistivas e baseadas no efeito Hall. Em aplicações autoclaváveis, com vapor, fluidos e possíveis detritos, as topologias magnéticas oferecem uma opção pequena e robusta.
O DESAFIO DO CONTROLE DE MOVIMENTO
Que tipo de situação exige um encoder como parte de um sistema de acionamento? Os exemplos incluem a) controle preciso da posição angular, b) controle preciso da velocidade, c) controle suave do torque e d) segurança aumentada por bloqueio da posição do rotor.
a) Controle da posição angular
Um sistema de controle de posição, usado para girar com precisão o eixo de saída de um motor de um ângulo para outro, requer controle rígido e conhecimento da posição do eixo do rotor. O perfil de movimento exibido na figura 2 às vezes se parece com uma curva polinomial ao longo do tempo, com uma seção de aceleração, velocidade constante e desaceleração, conforme mostrado na figura 3.
O circuito de feedback para esse sistema de controle deve fornecer resolução suficiente para comandar uma rotação de 0 a 90 graus sem ultrapassar o alvo. Nessa situação, os sensores Hall sozinhos, com sua resolução de 60 graus elétricos, podem não fornecer precisão suficiente para um movimento suave.
As possíveis aplicações para esse tipo de perfil de movimento são a atuação robótica ou o controle de aperto com ajuste fino. Encoders incrementais ou absolutos podem ser usados dependendo do tipo de aplicativo e das informações necessárias.
b.) Controle da velocidade
Os sistemas de controle de velocidade também podem se beneficiar de um encoder. Além do conhecimento da posição do eixo, a velocidade e a aceleração também podem ser determinadas a partir do feedback do encoder.
Suponha que uma aplicação exija controle rígido sobre a velocidade de rotação do sistema entre 0 e 90 graus e também exija que o eixo inverta a rotação indefinidamente. Um período do perfil de velocidade de oscilação seria semelhante ao gráfico abaixo.
Os raspadores artroscópicos podem exigir esse perfil de oscilação, com mudanças de velocidade temporizadas. Conjuntos de movimento linear com parafuso de avanço são outras opções de aplicação em que o movimento rápido de uma carga é essencial. Em ambos os casos, um encoder pode fornecer o feedback de velocidade necessário para a realização do sistema com controle rígido de um perfil de movimento do alvo.
c) Controle de torque
Embora seja uma área diferente, os encoders podem ser usados para o controle suave do torque. Normalmente, sistemas precisos de controle por campo orientado (FOC) são usados para fornecer torque suave em uma ampla faixa de velocidade. Esses sistemas de controle requerem feedback de posição de alta fidelidade, e um encoder é a solução mais comum. Entre as aplicações que podem se beneficiar de um encoder e um controle de torque suave estão a fresagem e o aperto de precisão, como uma chave de fenda.
d) Segurança
Ferramentas que requerem recursos de segurança para rotinas de desligamento ou para proteger um operador de uma lâmina ou broca também podem se beneficiar do reconhecimento da posição absoluta de um eixo que um encoder pode fornecer.
Se for necessário que uma lâmina afiada fique dentro de uma proteção segura ou não seja exposta ao cirurgião, as informações de posição absoluta podem ser usadas para definir uma região de afastamento ou uma "posição inicial" de destino para retornar durante situações especificadas.
O feedback do encoder permitiria a implementação confiável de tal esquema de segurança sem ambiguidade ou dúvida quanto à localização real do rotor.
DESAFIOS E BENEFÍCIOS DA INTEGRAÇÃO
Se os objetivos do design exigem o uso de um encoder em um sistema de acionamento, a integração também pode representar um desafio para o designer da ferramenta ou do sistema. Os encoders, normalmente montados na parte traseira de um motor DC sem escovas, podem exigir uma extensão do eixo e mais comprimento axial, bem como um diâmetro geral aumentado. No entanto, um encoder magnético integrado pode muitas vezes atender aos requisitos de feedback para um drive enquanto permanece dentro do diâmetro externo máximo do motor, vedando todos os componentes de detecção internos ao corpo do motor e minimizando o crescimento do comprimento axial.
Um encoder magnético baseado em efeito Hall requer um ímã bipolar radialmente magnetizado conectado ao eixo para ser detectado. Em um motor DC sem escovas, essa função normalmente é do rotor principal ou eixo de saída. Quando posicionado paralelamente ao ímã, um conjunto de sensores de efeito Hall no próprio encoder pode detectar o ângulo desse dipolo conforme ele gira e traduzir as informações em informações de posição incremental ou absoluta, dependendo dos requisitos da aplicação.
O pacote e a solução usados pela Portescap vêm em um formato pequeno sem chumbo, permitindo a integração nos próprios motores. O design axialmente em linha, com um sensor magnético pequeno e simples, permite que motores de até 0,5 pol. de diâmetro localizem internamente o encoder e o sensor magnético.
Como uma solução de detecção totalmente sem contato e sem que a roda óptica seja danificada ou ofuscada, os componentes eletrônicos podem ser lacrados e protegidos contra o ambiente da autoclave. A flexibilidade desse projeto permite a operação incremental e absoluta. Com resolução de até 10 bits (~0,35 graus) e precisão dentro de 1 grau, o resultado é um sistema de acionamento altamente robusto e preciso que pode ser integrado no motor.
CONCLUSÃO
Dentro de ferramentas cirúrgicas, é importante ter soluções pequenas e leves com muita potência. À medida que a capacidade dos sistemas de controle aumenta, os potenciais casos de uso e perfis de movimento para ferramentas manuais cirúrgicas também aumentam. Um pequeno encoder magnético integrado no motor pode oferecer dados de posição e velocidade altamente melhorados quando comparado a um motor DC sem escovas baseado em sensor Hall padrão de seis etapas. Esse aumento na qualidade e na quantidade de dados pode ser usado para comutar o motor e/ou permitir perfis de movimento complexos em um sistema de controle de circuito fechado. Também podem ser usados para monitorar operações ou melhorar os recursos de segurança.
Com um motor DC sem escovas e encoder comprovados e integrados, as ferramentas manuais cirúrgicas podem se tornar sistemas de acionamento elétrico sofisticados, capazes de atender aos mais exigentes requisitos de controle de movimento e resistir aos rigores dentro de uma autoclave.