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简介
磁编码器可提供高分辨率反馈,实现精确的运 动控制轨迹。只有了解这些设备的工作方式以 及相对于传统反馈方法(例如霍尔传感器)的 优势,才能最大限度地发挥手持手术工具驱动 系统的实用性。本文将评估磁性编码器的基础 技术,并说明在手持手术工具或手术机器人应 用中应考虑的优势和设计取舍。
可用于电机的反馈设备很多,特别是无刷直 流(BLDC)电机。这些类型的电机需要电子 换向,因此从无刷技术开始,转子位置传感 器就已经成为关键组件。感应转子位置的选 项包括霍尔传感器,编码器或“无传感器” (转子位置的软件估算)。
除换向以外,如果运动系统需要复杂的速度 和加速度运动轨迹,则编码器通常是满足系 统要求的最佳传感器。磁编码器可以在小 型、坚固封装中提供必要的分辨率和精度, 特别适合高压灭菌器环境。这些产品的许多 功能和款式说明如下。
技术评论
在系统级别,驱动器由三个高级区块组成。图 1 描绘了一个运动系统方块图,其中编码器用作 反馈传感器。
- 电机
- 反馈传感器(例如编码器)
- 控制器与电源电子产品
电机将电能转换为旋转机械能。在 BLDC 电机中,它由定子和转子组成,输出轴连接到负载。反 馈传感器(广义上)向控制器提供控制变量实际状态的信息。它允许计算期望状态和当前状态 之间的误差,这对于控制系统至关重要。方块图中所示的编码器通过正交脉冲或串行通信协议 将电机的实时位置和速度传达给控制器。
控制器产生必要的电压和电流来驱动电机。 在这种布局中,它使用来自编码器的信息对 电机进行换向并计算控制系统中的误差。它 接收位置或速度命令,并可以从电机生成所 需的相应响应来满足该命令。
编码器本身有更重要的术语。首先是编码器 的类型:绝对式或增量式。绝对式编码器返 回转子位置相对于参考点的绝对角度。经过 重启和方向变化,该参考点不会改变,并且 报告的位置始终是实际角度值。在磁编码器 中,角度值通常以串行方式或通过模拟电压 (以定义的比率与 0-360 度相对应)进行通 信。
相反,增量式编码器仅在转子递增改变位置 时才提供脉冲。如果有多个正交脉冲(相移 90度),也可以确定方向。但是,在任何给 定时刻,编码器都不会报告以索引点为参考 的输出轴位置。因此断电时,反馈系统无法 跟踪转子的真实位置,而这对于医疗设备的 成功运行至关重要。
分辨率定义了编码器的精度能力。在增量式 编码器中,分辨率表示单个脉冲的角度值。 分辨率通常以单个机械旋转中的脉冲数为单 位给出。在绝对式编码器中,该定义几乎是 相同的,但仅定义了角度传感功能的粒度, 并且与单个脉冲无关。
编码器中的精度表示正确报告转子实际角度位 置的能力。它可以让系统设计人员了解所报告 角度的误差边际,并在驱动系统中以允许的边 际构建系统。该值通常以度为单位给出,有时 会非线性变化。在磁编码器中,线性曲线很重 要,可以帮助解决任何不准确之处。
在选择编码器技术时,光和磁是两个主要类 别。光编码器需要光源和带有轮的传感器, 两者之间有透明和不透明的部分,通常沿着 多条轨道来生成旋转脉冲。磁编码器中有基 于磁阻和霍尔效应的技术。在带有蒸汽,液 体和潜在碎屑的可高压灭菌的应用中,磁拓 扑结构提供了小而坚固的选择。
运动控制的挑战
何种情况需要将编码器作为驱动系统的一部分?例如:a) 精确的角度位置控制,b) 精确的速度 控制,c) 平稳的转矩控制以及 d) 通过转子位置锁定提高安全性。
a) 角度位置控制
用于精确地将电机的输出轴从一个角度旋转到另一个角度的位置控制系统,需要严格的 控制和知道转子轴位置。图 2 中显示的运动轨迹有时看起来像是随时间变化的多项式曲 线,有加速度、恒速度和减速度部分,如图 3 所示。
该控制系统的反馈回路必须提供足够的分辨率,以控制从 0 到 90 度的旋转,而不会使目 标超调。在这种情况下,仅具有 60 电角度分辨率的霍尔传感器可能不足以提供平稳移动 所需的精度。
这种运动轨迹的潜在应用将是机器人驱动或细调拧紧控制。根据应用类型和所需信息, 可以使用增量或绝对式编码器。
b) 速度控制
速度控制系统也可以从编码器受益。除了知道轴的位置,还可以从编码器的反馈确定速 度和加速度。
假设一个应用需要严格控制系统在 0 到 90 度之间旋转的速度,并且还要求轴可以无限期 逆向旋转。振荡速度轨迹的一个周期应类似于下图。
关节镜刨刀可能需要这样的振荡轨迹,并且速度会定时变化。丝杠驱动的线性运动组件 也是潜在的应用,在这类应用中,负载的快速移动非常关键。在这两种情况下,编码器 都可以提供必要的速度反馈,以实现目标运动轨迹的严格控制系统。
c) 扭矩控制
编码器可用于精确运动控制的另一个领域是平稳扭矩控制。通常,使用精确的磁场定向 控制(FOC)系统在较宽的速度范围内提供平稳的转矩。这些控制系统需要高保真的位置 反馈,而编码器是典型的解决方案。受益于编码器和平稳扭矩控制的应用包括螺丝刀之 类的扩孔和精确拧紧。
d) 安全性
要求安全功能以执行关机程序或保护操作员免受刀片或钻 头伤害的工具,也可以从编码器可提供的绝对轴位置信息 受益。
如果需要锋利的刀片处在安全罩内或不对外科医生暴露, 可以使用绝对位置信息来定义在指定情况下要返回的遮挡 区域或目标“原始”位置。
编码器的反馈会确保这种安全方案的实施,而不会对转子 的实际位置产生歧义或疑问。
集成的挑战与优点
如果设计目标需要在驱动系统中使用编码器, 那么集成也可能对工具或系统设计人员构成挑 战。编码器通常安装在 BLDC 电机的背面,可 能需要轴扩展并增加轴向长度以及增加总直 径。但是,集成磁编码器一般可以满足驱动器 的反馈要求,同时保持在电机的最大外径范围 内,密封电机机体内部的所有传感组件,并最 大程度地减小轴向长度的增长。
基于霍尔效应的磁编码器需要将径向磁化的 偶极磁铁连接到要传感的轴上。在 BLDC 电机 中,一般是主转子或输出轴。当平行于磁铁放 置时,编码器本身上的霍尔效应传感器阵列可 以检测该偶极子旋转时的角度,并根据应用要 求将其转换为增量或绝对位置信息。
Portescap 使用的封装和解决方案采用小型无引 线结构,可集成到电机本身。采用简单小型传 感磁铁的轴向行内设计,允许直径小至 0.5” 的电机在内部定位编码器和传感磁铁。
作为一种完全非接触式传感解决方案,且不 必担心光轮被损坏或混淆,电子设备可以密 封并免受高压灭菌器环境的影响。这种设计 兼具增量和绝对操作的灵活性。分辨率高达 10 位(约 0.35 度),精度在 1 度以内,因此 可以将高强度、高精度的驱动系统集成到电 机中。
结论
在外科手术工具中,具有大量功能的小巧轻 型解决方案非常重要。随着控制系统功能的 增长,手持手术工具的潜在用例和运动轨迹 也随之增长。与基于霍尔传感器的标准六步 BLDC 电机相比,电机中集成的小型磁编码器 可以提供明显增加的位置和速度数据。这种 质量和数量提高的数据可用于对电机进行换 向和/或在闭环控制系统中实现复杂的运动轨 迹。此数据还可用于运行监控或增加的安全 功能。
借助成熟的集成 BLDC 电机和编码器,手持手 术工具可以成为精密的电气驱动器系统,能 够满足最苛刻的运动控制要求,并能耐受高 压灭菌器内部的严酷环境。