DE102011050101B4 - Surgical motor control and/or regulation device, surgical drive system and method for controlling and/or regulating a surgical drive unit - Google Patents
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Abstract
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung (12) zum Steuern und/oder Regeln einer chirurgischen Antriebseinheit (14) mit einem sensorlosen Elektromotor (68), welcher ein Motorgehäuse (144), einen Rotor (142) und mindestens zwei Motorwicklungen (72a, 72b, 72c) umfasst, welche Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung (12) ausgebildet ist zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit (14) mittels eines Verfahrens zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit (14), gekennzeichnet durch- eine Motoranhalteeinrichtung (140) zum Anhalten des Elektromotors (68) bis auf eine Drehzahl von Null Umdrehungen pro Zeiteinheit derart, dass der Rotor (142) eine definierte Drehstellung relativ zum Motorgehäuse (144) einnimmt, welche eine Ruhestellung definiert, und- einen Bereitschaftsmodus, in welchem der Elektromotor (68) bei einer Drehzahlanforderung von Null Umdrehungen pro Zeiteinheit nach einer Ruhezeit tRuhe, in welcher die mindestens zwei Motorwicklungen (72a, 72b, 72c) unbestromt sind, so lange definiert bestromt wird, um den Rotor (142) des Elektromotors (68) automatisch, nämlich ohne Drehzahlanforderung, nach mindestens einer vollen Umdrehung wieder in die Ruhestellung zu überführen.Surgical motor control and/or regulation device (12) for controlling and/or regulating a surgical drive unit (14) with a sensorless electric motor (68), which has a motor housing (144), a rotor (142) and at least two motor windings (72a, 72b, 72c), which motor control and/or regulation device (12) is designed to control and/or regulate the drive unit (14) by means of a method for controlling and/or regulating the drive unit (14), characterized by a motor stopping device (140) to stop the electric motor (68) down to a speed of zero revolutions per unit of time in such a way that the rotor (142) assumes a defined rotational position relative to the motor housing (144), which defines a rest position, and- a standby mode in which the electric motor (68) with a speed requirement of zero revolutions per time unit after a rest period trest, in which the at least two motor windings (72a, 72b, 72c) are not energized, is energized for as long as defined to rotate the rotor (142) of the electric motor (68 ) automatically, i.e. without a speed request, after at least one full revolution to return to the rest position.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer chirurgischen Antriebseinheit mit einem sensorlosen Elektromotor, welcher ein Motorgehäuse, einen Rotor und mindestens zwei Motorwicklungen umfasst, welche Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung ausgebildet ist zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit mittels eines Verfahrens zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit.The present invention relates to a surgical motor control and/or regulation device for controlling and/or regulating a surgical drive unit with a sensorless electric motor, which comprises a motor housing, a rotor and at least two motor windings, which motor control and/or regulation device is designed for Controlling and/or regulating the drive unit by means of a method for controlling and/or regulating the drive unit.
Ferner umfasst die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer chirurgischen Antriebseinheit mit einem sensorlosen Elektromotor, welcher ein Motorgehäuse, einen Rotor und mindestens zwei Motorwicklungen umfasst.Furthermore, the present invention includes a method for controlling and/or regulating a surgical drive unit with a sensorless electric motor, which includes a motor housing, a rotor and at least two motor windings.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein chirurgisches Antriebssystem umfassend mindestens eine Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung und mindestens eine mit dieser verbindbare und ansteuerbare chirurgische Antriebseinheit und/oder mindestens ein eine chirurgische Antriebseinheit umfassendes chirurgisches Instrument, wobei die mindestens eine Antriebseinheit einen sensorlosen Elektromotor mit einem Rotor und mindestens zwei Motorwicklungen umfasst, wobei die Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung ausgebildet ist zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit mittels eines Verfahrens zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit.Furthermore, the present invention relates to a surgical drive system comprising at least one control and/or regulation device and at least one surgical drive unit that can be connected and controlled with it and/or at least one surgical instrument comprising a surgical drive unit, wherein the at least one drive unit comprises a sensorless electric motor with a Rotor and at least two motor windings, the control and/or regulation device being designed to control and/or regulate the drive unit by means of a method for controlling and/or regulating the drive unit.
Eine chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer chirurgischen Antriebseinheit ist beispielsweise aus der
Ohne Drehzahlsensor kann jedoch auch die Rotorposition des sensorlosen Elektromotors nicht direkt bestimmt werden. Vielmehr erfordert dies mindestens eine Umdrehung des Rotors. Da jedoch die Position, das heißt die Drehstellung des Rotors relativ zum Motorgehäuse nicht bekannt ist, kann es sein, dass zu Beginn der Motor nicht in der angeforderten Drehrichtung anläuft.Without a speed sensor, however, the rotor position of the sensorless electric motor cannot be determined directly either. Rather, this requires at least one revolution of the rotor. However, since the position, i.e. the rotational position of the rotor relative to the motor housing, is not known, it is possible that the motor does not start up in the requested direction of rotation at the beginning.
Aus der
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung sowie ein Verfahren und ein chirurgisches Antriebssystem der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, dass der Elektromotor aus dem Stillstand stets sofort mit der gewünschten Drehrichtung anläuft.It is therefore an object of the present invention to improve a surgical motor control and/or regulation device as well as a method and a surgical drive system of the type described above such that the electric motor always starts up immediately from standstill with the desired direction of rotation.
Diese Aufgabe wird bei einer chirurgischen Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie gekennzeichnet ist durch
- - eine Motoranhalteeinrichtung zum Anhalten des Elektromotors bis auf eine Drehzahl von Null Umdrehungen pro Zeiteinheit derart, dass der Rotor eine definierte Drehstellung relativ zum Motorgehäuse einnimmt, welche eine Ruhestellung definiert, und
- - einen Bereitschaftsmodus, in welchem der Elektromotor bei einer Drehzahlanforderung von Null Umdrehungen pro Zeiteinheit nach einer Ruhezeit tRuhe, in welcher die mindestens zwei Motorwicklungen unbestromt sind, so lange definiert bestromt wird, um den Rotor des Elektromotors automatisch, nämlich ohne Drehzahlanforderung, nach mindestens einer vollen Umdrehung wieder in die Ruhestellung zu überführen.
- - A motor stopping device for stopping the electric motor down to a speed of zero revolutions per unit time in such a way that the rotor assumes a defined rotational position relative to the motor housing, which defines a rest position, and
- - A stand-by mode in which the electric motor is energized at a speed requirement of zero revolutions per time unit after a rest period t rest , in which the at least two motor windings are not energized, for as long as defined to automatically, namely without a speed requirement, after at least one full turn back to the rest position.
Die vorgeschlagene Motoranhalteinrichtung vorzusehen ermöglicht es, den Rotor des Elektromotors in eine definierte Drehstellung relativ zum Motorgehäuse zu bringen, nämlich in die Ruhestellung. Die Kenntnis dieser Position ermöglicht es dann insbesondere, den stillstehenden und unbestromten Elektromotor so zu bestromen, dass er sofort mit der gewünschten Drehrichtung in Rotation versetzt werden kann. Somit ist der Elektromotor schneller einsatzbereit und muss nicht noch einmal, falls er beim Loslaufen in die falsche Richtung dreht, abgebremst und anschließend mit entgegengesetzter Drehrichtung wieder gestartet werden. Ferner ist es vorteilhaft, dass die Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung einen Bereitschaftsmodus umfasst, in welchem der Elektromotor bei einer Drehzahlanforderung von Null Umdrehungen pro Zeiteinheit nach einer Ruhezeit tRuhe so lange definiert bestromt wird, um den Rotor nach mindestens einer vollen Umdrehung wieder in die Ruhestellung zu überführen. Beispielsweise kann so der Rotor des Elektromotors zyklisch immer wieder in die Ruhestellung gebracht werden. Gegenüber einer dauerhaften Bestromung im Haltemodus wird so der Motor weniger stark erwärmt. Dennoch befindet er sich, auch nach einem Werkzeugwechsel, in einer definierten Position, um das Anlaufen des Motors aus dem Stillstand heraus sicher und definiert zu ermöglichen.Providing the proposed motor stopping device makes it possible to bring the rotor of the electric motor into a defined rotational position relative to the motor housing, namely into the rest position. Knowing this position then makes it possible, in particular, to energize the stationary and unenergized electric motor in such a way that it can immediately be set in rotation with the desired direction of rotation. The electric motor is therefore ready for use more quickly and does not have to be braked again and then restarted with the opposite direction of rotation if it turns in the wrong direction when starting. It is also advantageous that the motor control and/or regulation device includes a standby mode in which the electric motor is energized for a defined period of time after a rest period t rest at a speed requirement of zero revolutions per unit of time in order to restart the rotor after at least one full revolution to transfer to the rest position. For example, the rotor of the electric motor can be cyclically brought into the rest position again and again. Compared to a permanent current supply in the hold mode, the motor is not heated as much. Nevertheless, even after a tool change, it is in a defined position Position to enable the motor to start safely and in a defined manner from a standstill.
Das Anlaufen des Elektromotors kann insbesondere weiter verbessert werden, wenn die Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung einen Drehrichtungsanforderungsspeicher umfasst zum Speichern der letzten Drehrichtungsanforderung vor dem Abbremsen des Elektromotors auf die Drehzahl von Null Umdrehungen pro Zeiteinheit. Ist zusätzlich zur Ruhestellung des Rotors die letzte Drehrichtungsanforderung bekannt, kann das Anlaufen des Elektromotors noch zuverlässiger mit der gewünschten Drehrichtung erfolgen.The starting of the electric motor can be further improved in particular if the motor control and/or regulation device includes a direction of rotation request memory for storing the last direction of rotation request before braking the electric motor to the speed of zero revolutions per unit time. If, in addition to the rest position of the rotor, the last direction of rotation request is known, the electric motor can be started up even more reliably with the desired direction of rotation.
Vorzugsweise umfasst die chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung einen Ruhestellungsspeicher zum Speichern der Ruhestellung des Rotors. Die Ruhestellung kann insbesondere immer dieselbe Drehstellung des Rotors relativ zum Motorgehäuse sein. Es kann sich dabei jedoch auch jedes Mal um eine andere Drehstellung des Rotors relativ zum Motorgehäuse handeln. Insbesondere durch das Vorsehen eines Ruhestellungsspeichers ist es möglich, einfach nur diejenige Position oder Drehstellung des Rotors zu speichern, die er unmittelbar nach dem Stillstand einnimmt.Preferably, the surgical motor control and/or regulation device comprises a home position memory for storing the home position of the rotor. In particular, the rest position can always be the same rotational position of the rotor relative to the motor housing. However, it can also be a different rotational position of the rotor relative to the motor housing each time. In particular, by providing a rest position memory, it is possible to simply store only that position or rotational position of the rotor that it assumes immediately after it has come to a standstill.
Günstig kann es sein, wenn die Motoranhalteeinrichtung derart ausgebildet ist, dass sie den Rotor immer in derselben Ruhestellung anhält. Eine dersartige Motoranhalteeinrichtung ermöglicht es, den Rotor stets in immer die gleiche Drehstellung zu bringen, die dann die Ruhestellung definiert. Nur eine einzige Ruhestellung vorzusehen hat den Vorteil, dass das Anlaufen des Elektromotors in einer bestimmten Drehrichtung auch immer gleich durchgeführt werden kann.It can be favorable if the motor stopping device is designed in such a way that it always stops the rotor in the same rest position. Such a motor stopping device makes it possible to always bring the rotor into the same rotational position, which then defines the rest position. Providing only a single rest position has the advantage that the electric motor can always be started up in a specific direction of rotation in the same way.
Günstig ist es, wenn die Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung einen Haltemodus umfasst, in welchem der Rotor aktiv in der Ruhestellung gehalten wird. Einen solchen Modus vorzusehen hat insbesondere den Vorteil, dass eine versehentliche Verdrehung des Rotors, beispielsweise bei einem Wechsel des mit dem chirurgischen Antrieb koppelbaren chirurgischen Bearbeitungswerkzeugs, vermieden werden kann. Die Motorsteuerungs- und/oder - regelungsvorrichtung kann beispielsweise den Rotor durch entsprechende Bestromung in der Ruhestellung halten. Man kann auch sagen, der Rotor wird in der Ruhestellung geparkt, so dass die Ruhestellung quasi eine Parkposition des Rotors definiert. Beispielsweise kann eine mechanische Halte- oder Bremseinrichtung vorgesehen sein, die im Haltemodus mit dem Rotor in Eingriff steht oder gelangt, um diesen in der Ruhestellung zu halten.It is favorable if the engine control and/or regulation device includes a holding mode in which the rotor is actively held in the rest position. Providing such a mode has the particular advantage that accidental rotation of the rotor, for example when changing the surgical processing tool that can be coupled to the surgical drive, can be avoided. The motor control and/or regulation device can, for example, keep the rotor in the rest position by means of a corresponding energization. One can also say that the rotor is parked in the rest position, so that the rest position defines a quasi-parking position of the rotor. For example, a mechanical holding or braking device can be provided, which engages or comes into engagement with the rotor in the holding mode in order to hold it in the rest position.
Besonders einfach kann der Rotor in der Ruhestellung gehalten werden, wenn die Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung eine Haltemodusbestromungseinrichtung umfasst zum Bestromen des Elektromotors im Haltemodus, um den Rotor, ohne ihn zu verdrehen, aktiv in der Ruhestellung zu halten. Mit der Haltemodusbestromungseinrichtung kann also der Elektromotor insbesondere derart bestromt werden, dass ein erhöhtes Drehmoment erforderlich ist, um ihn aus der Ruhestellung heraus zu verdrehen, was beispielsweise unabsichtlich bei einem Werkzeugwechsel passieren kann.The rotor can be held in the rest position in a particularly simple manner if the motor control and/or regulation device comprises a hold mode energizing device for energizing the electric motor in the hold mode in order to actively hold the rotor in the rest position without rotating it. With the hold mode energizing device, the electric motor can be energized in particular in such a way that an increased torque is required in order to twist it out of the rest position, which can happen unintentionally when changing tools, for example.
Vorteilhaft ist es, wenn die Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung eine Haltezeitvorgabeeinrichtung umfasst zum Vorgeben einer Haltezeit tHalt, während der der Elektromotor ständig bestromt wird, um den Rotor, ohne ihn zu verdrehen, in der Ruhestellung zu halten. Die Haltezeitvorgabeeinrichtung hat insbesondere den Vorteil, dass der Elektromotor nur für die Haltezeit tHalt bestromt werden muss, um ihn in der Ruhestellung zu halten. Auf diese Weise kann ein Energiebedarf zum Halten des Rotors in der Ruhestellung, also zum Parken desselben, minimiert werden, ebenso wie eine Motorerwärmung in Folge der Bestromung. Die Haltezeitvorgabeeinrichtung kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass eine Bedienperson die Haltezeit einstellen kann oder dass die Haltezeit beispielsweise werkseitig fest vorgegeben wird.It is advantageous if the motor control and/or regulation device includes a holding time specification device for specifying a holding time t hold during which the electric motor is continuously energized in order to hold the rotor in the rest position without rotating it. The holding time specification device has the particular advantage that the electric motor only has to be energized for the holding time t hold in order to hold it in the rest position. In this way, the energy requirement for holding the rotor in the rest position, ie for parking it, can be minimized, as can motor heating as a result of the energization. The holding time specification device can in particular be designed in such a way that an operator can set the holding time or that the holding time is permanently specified at the factory, for example.
Günstig ist es, wenn Haltezeitvorgabeeinrichtung eine Haltezeit tHalt von maximal 20 Minuten vorgebbar ist. Typischerweise sind Pausen beim Betrieb eines chirurgischen Antriebs, beispielsweise während eines chirurgischen Eingriffs, kürzer als 20 Minuten, so dass der Elektromotor im Stillstand nicht übermäßig lange bestromt werden muss.It is favorable if a holding time presetting device can preset a holding time t stop of a maximum of 20 minutes. Typically, pauses in the operation of a surgical drive, for example during a surgical intervention, are shorter than 20 minutes, so that the electric motor does not have to be energized for an excessively long time when it is stationary.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann eine Motorstrombegrenzungseinrichtung zum Begrenzen eines Motorstroms vorgesehen sein, um den Rotor, ohne ihn zu verdrehen, aktiv in der Ruhestellung zu halten, auf maximal 20 % des Nennwertes des Elektromotors. Vorzugsweise begrenzt die Motorstrombegrenzungseinrichtung einen Motorstrom auf maximal 10 % des Nennwerts des Elektromotors. Durch eine solche Motorstrombegrenzungseinrichtung kann die Motorerwärmung möglichst klein gehalten werden, so dass sie praktisch nicht bemerkbar ist. Da eine Erwärmung proportional zum Quadrat des fließenden Stroms ist, kann beispielsweise bei einer Reduzierung des fließenden Stroms auf 10 % eine Erwärmung auf nur 1 % begrenzt werden.According to a further preferred embodiment of the invention, a motor current limiting device can be provided for limiting a motor current in order to actively keep the rotor in the rest position, without turning it, to a maximum of 20% of the nominal value of the electric motor. The motor current limiting device preferably limits a motor current to a maximum of 10% of the rated value of the electric motor. With such a motor current limiting device, the motor heating can be kept as small as possible, so that it is practically unnoticeable. Since heating is proportional to the square of the current flowing, reducing the current flowing to 10%, for example, can limit heating to just 1%.
Günstig ist es, wenn die Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung derart ausgebildet ist, dass im Bereitschaftsmodus der Rotor immer wieder neu in die Ruhestellung überführt wird. So ist es insbesondere möglich, den Rotor zyklisch, das heißt regelmäßig oder auch unregelmäßig, wieder in die Ruhestellung beziehungsweise seine Parkposition zu bringen. Mit anderen Worten kann dies so lange erfolgen, solange sich die Motorsteuerungs- und/ oder -regelungsvorrichtung im Bereitschaftsmodus befindet.It is advantageous if the motor control and/or regulation device is designed in such a way that in the standby mode the rotor is repeatedly brought back into the rest position. So it is possible in particular to bring the rotor back into the rest position or its parking position cyclically, that is to say regularly or also irregularly. In other words, this can be done as long as the engine control and/or regulation device is in the standby mode.
Vorzugsweise umfasst die Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung eine Drehzahlbegrenzungseinrichtung zum Begrenzen einer Maximaldrehzahl des Rotors im Bereitschaftsmodus. Insbesondere kann die maximale Drehzahl des Rotors im Bereitschaftsmodus auf maximal 5 Umdrehungen pro Minute begrenzt werden. So kann sichergestellt werden, dass der Rotor nur sehr langsam dreht oder rotiert, wenn er im Bereitschaftsmodus trotz einer Drehzahlanforderung von Null Umdrehungen pro Zeiteinheit erneut in die Ruhestellung oder in diese zurück überführt wird. So kann insbesondere vermieden werden, dass sich jemand an einem mit dem Antrieb gekoppelten Werkzeug verletzen kann, während der Rotor in die Ruhestellung bewegt wird.The engine control and/or regulation device preferably includes a speed limitation device for limiting a maximum speed of the rotor in the standby mode. In particular, the maximum speed of the rotor in standby mode can be limited to a maximum of 5 revolutions per minute. In this way it can be ensured that the rotor turns or rotates only very slowly when it is brought back into the rest position or back into the rest position again in the standby mode despite a speed request of zero revolutions per unit of time. In particular, it can be avoided that someone can be injured on a tool coupled to the drive while the rotor is being moved into the rest position.
Günstig ist es, wenn die Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung eine Bereitschaftszeitvorgabeeinrichtung zum Vorgeben einer Bereitschaftszeit tBereitschaft des Bereitschaftsmodus umfasst. So kann beispielsweise, wie oben im Zusammenhang mit dem Haltemodus erläutert, auch die Bereitschaftszeit tBereitschaft vorgegeben werden, in welcher sich die Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung im Bereitschaftsmodus befindet.It is favorable if the engine control and/or regulation device includes a standby time specification device for specifying a standby time t standby of the standby mode. For example, as explained above in connection with the hold mode, the stand-by time t stand -by can also be specified, during which the motor control and/or regulation device is in the stand-by mode.
Vorzugsweise ist mit der Bereitschaftszeitvorgabeeinrichtung eine Bereitschaftszeit tBereitschaft von maximal 20 Minuten vorgebbar ist. Mit einer solchen Bereitschaftszeitvorgabe ist es möglich, einen chirurgischen Antrieb, soweit er bei einem chirurgischen Eingriff benötigt wird, in Bereitschaft zu halten derart, dass mit großer Wahrscheinlichkeit im Zeitpunkt einer Drehzahlanforderung an den Elektromotor die Drehstellung des Rotors, also dessen Ruhestellung oder Parkposition, bekannt ist.A standby time t standby of a maximum of 20 minutes can preferably be specified with the standby time specification device. With such a standby time specification, it is possible to keep a surgical drive, insofar as it is required for a surgical intervention, on standby in such a way that the rotational position of the rotor, i.e. its rest position or parking position, is very likely to be known at the time a speed request is made to the electric motor is.
Günstig ist es, wenn die Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung eine Umschalteinrichtung zum mindestens einmaligen Umschalten nach Ablauf der Bereitschaftszeit tBereitschaft vom Bereitschaftsmodus in den Haltemodus umfasst. Dies ermöglicht es, beispielsweise automatisch vom Bereitschaftsmodus in den Haltemodus zu wechseln.It is favorable if the engine control and/or regulation device includes a switching device for switching at least once after the standby time t standby has expired from the standby mode to the hold mode. This makes it possible, for example, to switch automatically from standby mode to hold mode.
Vorteilhaft ist es, wenn die Umschalteinrichtung ausgebildet ist zum mindestens einmaligen Umschalten nach Ablauf der Haltezeit tHalt vom Haltemodus in den Bereitschaftsmodus. So kann beispielsweise automatisch vom Haltemodus nach Ablauf der Haltezeit in den Bereitschaftsmodus umgeschaltet werden. Beispielsweise kann die Haltezeit 5 Minuten betragen und die Bereitschaftszeit 15 Minuten. Dies bedeutet, dass der Elektromotor im Stillstand zunächst 5 Minuten aktiv durch entsprechende Bestromung in der Parkposition gehalten und danach beispielsweise zyklisch der Rotor im Bereitschaftsmodus immer wieder in die Parkposition zurückgeführt werden kann.It is advantageous if the switching device is designed to switch at least once after the hold time t hold has elapsed from the hold mode to the standby mode. For example, it is possible to automatically switch from the hold mode to the standby mode after the hold time has expired. For example, the hold time can be 5 minutes and the standby time can be 15 minutes. This means that when the electric motor is at a standstill, it is initially actively held in the parking position for 5 minutes by applying the appropriate current and then, for example, the rotor can be cyclically returned to the parking position in standby mode.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass beim Abbremsen des Elektromotors bis auf eine Drehzahl von Null Umdrehungen pro Zeiteinheit der Elektromotor derart angehalten wird, dass der Rotor eine definierte Drehstellung relativ zum Motorgehäuse einnimmt, welche eine Ruhestellung definiert, und dass in einem Bereitschaftsmodus des Elektromotors bei einer Drehzahlanforderung von Null Umdrehungen pro Zeiteinheit nach einer Ruhezeit tRuhe, in welcher die mindestens zwei Motorwicklungen unbestromt sind, der Elektromotor so lange definiert bestromt wird, um den Rotor des Elektromotors automatisch, nämlich ohne Drehzahlanforderung, nach mindestens einer vollen Umdrehung wieder in die Ruhestellung zu überführen.The object set at the outset is also achieved according to the invention in a method of the type described at the outset in that when the electric motor is braked down to a speed of zero revolutions per unit of time, the electric motor is stopped in such a way that the rotor assumes a defined rotational position relative to the motor housing, which Defined rest position, and that in a standby mode of the electric motor with a speed requirement of zero revolutions per time unit after a rest period t rest , in which the at least two motor windings are not energized, the electric motor is energized for a defined period of time to turn the rotor of the electric motor automatically, namely without Speed request to return to the rest position after at least one full revolution.
Dieses Verfahren ermöglicht es insbesondere, den Elektromotor in eine definierte Ruhestellung zu bringen. Der Rotor nimmt dann quasi eine Parkposition ein. Aus dieser heraus kann er dann einfach und sicher wieder in Drehung versetzt werden, und zwar sofort in der gewünschten Richtung.In particular, this method makes it possible to bring the electric motor into a defined rest position. The rotor then assumes a quasi-parking position. From there, it can then simply and safely be rotated again, immediately in the desired direction.
Damit der Motor auf einfache Weise sicher mit der gewünschten Drehrichtung anlaufen kann, ist es vorteilhaft, wenn die letzte Drehrichtungsanforderung vor dem Abbremsen des Elektromotors auf die Drehzahl von Null Umdrehungen pro Zeiteinheit gespeichert wird. Auf diese Weise ist die Stellung des Rotors bekannt, so dass dieser sofort in der gewünschten Weise bestromt werden kann, um in der richtigen Drehrichtung anzulaufen.So that the motor can easily and reliably start up with the desired direction of rotation, it is advantageous if the last direction of rotation request before the electric motor is braked to the speed of zero revolutions per unit of time is stored. In this way, the position of the rotor is known so that it can be energized immediately in the desired way in order to start up in the correct direction of rotation.
Vorzugsweise wird die Ruhestellung des Rotors gespeichert. Wenn diese bekannt ist, kann der Elektromotor einfach und sicher bestromt werden, um ihn in der gewünschten Weise in Drehung zu versetzen.Preferably, the rest position of the rotor is stored. If this is known, the electric motor can be energized simply and safely in order to rotate it in the desired manner.
Um eine Steuerung des Elektromotors möglichst einfach zu gestalten, ist es vorteilhaft, wenn der Rotor in der Ruhestellung immer dieselbe Drehstellung relativ zum Motorgehäuse einnimmt. Dies bedeutet auch, dass er insbesondere automatisch immer dieselbe Drehstellung relativ zum Stator des Elektromotors einnimmt.In order to make control of the electric motor as simple as possible, it is advantageous if the rotor always assumes the same rotational position relative to the motor housing in the rest position. This also means that in particular it automatically always assumes the same rotational position relative to the stator of the electric motor.
Um zu vermeiden, dass der Rotor nach Unterbrechung einer Bestromung in eine undefinierte Position gelangen kann, beispielsweise bei einem Instrumenten- oder Werkzeugwechsel, ist es günstig, wenn in einem Haltemodus des Elektromotors der Rotor aktiv in der Ruhestellung gehalten wird. Beispielsweise kann dies durch Bremsen der Rotorwelle erreicht werden, und zwar insbesondere mechanisch und/oder elektrisch.In order to avoid that the rotor goes into an undefi ned position, for example when changing instruments or tools, it is advantageous if the rotor is actively held in the rest position in a holding mode of the electric motor. For example, this can be achieved by braking the rotor shaft, in particular mechanically and/or electrically.
Vorzugsweise wird der Elektromotor im Haltemodus bestromt, um den Rotor, ohne ihn zu verdrehen, aktiv in der Ruhestellung zu halten. Beispielsweise kann dies durch Bestromen einer einzigen Wicklung des Elektromotors erreicht werden, so dass sich der Rotor in einer Stellung relativ zum Gehäuse beziehungsweise zum Stator ausrichten und so eine definierte Ruhestellung oder Parkposition einnehmen kann.The electric motor is preferably energized in the holding mode in order to actively hold the rotor in the rest position without rotating it. For example, this can be achieved by energizing a single winding of the electric motor, so that the rotor can align itself in a position relative to the housing or to the stator and can thus assume a defined rest position or parking position.
Vorteilhaft ist es, wenn der Elektromotor während einer Haltezeit tHalt ständig bestromt wird, um den Rotor, ohne ihn zu verdrehen, in der Ruhestellung zu halten. So kann sichergestellt werden, dass der Rotor während der Haltezeit in der Ruhestellung verbleibt und bei einer nächsten Drehzahlanforderung dessen Position bekannt ist.It is advantageous if the electric motor is constantly supplied with current during a holding time t hold in order to hold the rotor in the rest position without rotating it. In this way it can be ensured that the rotor remains in the rest position during the hold time and that its position is known when the next speed request is made.
Vorzugsweise beträgt die Haltezeit tHalt maximal 20 Minuten beträgt. Auf diese Weise kann eine übermäßige Erwärmung des Motors vermieden und ein Energiebedarf minimiert werden.The hold time t hold is preferably a maximum of 20 minutes. In this way, excessive heating of the motor can be avoided and energy consumption can be minimized.
Zur weiteren Minimierung eines Energiebedarfs im Haltemodus, ist es vorteilhaft, wenn ein Motorstrom, um den Rotor, ohne ihn zu verdrehen, aktiv in der Ruhestellung zu halten, nicht mehr als 20 % des Nennwertes des Elektromotors beträgt. Vorzugsweise beträgt er nicht mehr als 10 %. Damit lässt sich eine Erwärmung des Motors minimieren und trotzdem sicherstellen, dass ein für eine Verdrehung des Rotors aus der Ruhestellung heraus erforderliches Drehmoment ausreichend groß ist, um eine versehentliche Rotationsbewegung, beispielsweise bei einem Werkzeugwechsel, zu verhindern.To further minimize an energy requirement in the holding mode, it is advantageous if a motor current, in order to actively hold the rotor in the rest position without twisting it, is no more than 20% of the nominal value of the electric motor. It is preferably not more than 10%. In this way, heating of the motor can be minimized and it can still be ensured that a torque required for twisting the rotor from the rest position is sufficiently large to prevent accidental rotational movement, for example when changing tools.
Günstig ist es, wenn in einem Bereitschaftsmodus des Elektromotors bei einer Drehzahlanforderung von Null Umdrehungen pro Zeiteinheit nach einer Ruhezeit tRuhe der Elektromotor so lange definiert bestromt wird, um den Rotor nach mindestens einer vollen Umdrehung wieder in die Ruhestellung zu überführen. Mit anderen Worten wird so der Rotor des Elektromotors automatisch, nämlich ohne Drehzahlanforderung, in die Ruhestellung bewegt.It is favorable if, in a standby mode of the electric motor with a speed requirement of zero revolutions per time unit, after a rest period t rest , the electric motor is energized for a defined period of time in order to bring the rotor back into the rest position after at least one full revolution. In other words, the rotor of the electric motor is automatically moved into the rest position, namely without a speed requirement.
Vorzugsweise wird im Bereitschaftsmodus der Rotor immer wieder neu in die Ruhestellung überführt. Dies bedeutet, dass nach einer gewissen Zeit der Motor wieder bestromt wird, um den Rotor wieder in die definierte Ruhestellung zu bringen. Es kann sich dabei um die gespeicherte Ruhestellung oder aber auch um eine neue Ruhestellung handeln. Die wiederholte Überführung des Rotors in die Ruhestellung kann zyklisch, in regelmäßigen Abständen oder auch unregelmäßig erfolgen.In the standby mode, the rotor is preferably repeatedly brought back into the rest position. This means that after a certain time the motor is energized again in order to bring the rotor back into the defined rest position. This can be the stored rest position or a new rest position. The repeated transfer of the rotor into the rest position can take place cyclically, at regular intervals or also irregularly.
Um die Gefahr von Verletzungen von Personen und Gegenständen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn eine Maximaldrehzahl im Bereitschaftsmodus nicht mehr als 5 Umdrehungen des Rotors pro Minute beträgt. Eine derart niedrige Drehzahl ist für eine Bedienperson praktisch nur schwer wahrnehmbar und ermöglicht es, den Rotor nahezu unbemerkt in die Ruhestellung zu bringen.In order to avoid the risk of injury to people and objects, it is advantageous if a maximum speed in standby mode is no more than 5 revolutions of the rotor per minute. Such a low speed is practically difficult for an operator to perceive and makes it possible to bring the rotor into the rest position almost unnoticed.
Günstigerweise nimmt der Elektromotor für eine Bereitschaftszeit tBereitschaft den Bereitschaftsmodus ein. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass der Elektromotor übermäßig lange, also deutlich länger als erforderlich, im Bereitschaftsmodus gehalten wird.The electric motor favorably assumes the standby mode for a standby time t standby . In this way it can be avoided that the electric motor is kept in standby mode for an excessively long time, that is to say significantly longer than necessary.
Vorzugsweise beträgt die Bereitschaftszeit tBereitschaft maximal 20 Minuten. Nach Ablauf der Bereitschaftszeit kann dann der Elektromotor ohne Drehzahlanforderung einfach stillstehen.The standby time t standby is preferably a maximum of 20 minutes. After the stand-by time has elapsed, the electric motor can simply stand still without a speed request.
Vorzugsweise wechselt der Elektromotor nach Ablauf der Bereitschaftszeit tBereitschaft vom Bereitschaftsmodus mindestens einmal in den Haltmodus. Diese Variante ermöglicht es, die Vorteile des Bereitschaftsmodus und des Haltemodus miteinander zu kombinieren.After the stand-by time t stand-by has elapsed, the electric motor preferably switches from the stand-by mode to the hold mode at least once. This variant makes it possible to combine the advantages of standby mode and hold mode.
Günstig kann es auch sein, wenn der Elektromotor nach Ablauf der Haltezeit tHalt vom Haltemodus mindestens einmal in den Bereitschaftsmodus wechselt. Diese Variante ist günstig, da der Elektromotor so zunächst für die Haltezeit tHalt ganz definiert aktiv in der Ruhestellung gehalten werden kann. Erst nach Ablauf der Haltezeit tHalt kann er dann in den Bereitschaftsmodus versetzt werden, in welchem bei einem minimalen Energiebedarf und somit auch einer minimalen Erwärmung des Elektromotors noch immer mit sehr großer Wahrscheinlichkeit der Rotor eine definierte Parkposition oder Ruhestellung einnimmt, wenn dann wieder eine Drehzahlanforderung eingeht.It can also be advantageous if the electric motor changes from the hold mode to the standby mode at least once after the hold time t hold has expired. This variant is favorable because the electric motor can be actively held in the rest position for the holding time t Halt . Only after the end of the holding time t Halt can it be switched to the standby mode, in which, with a minimum energy requirement and thus also a minimum heating of the electric motor, the rotor is still very likely to assume a defined parked position or rest position if there is a speed requirement again enters
Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einem chirurgischen Antriebssystem der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung in Form einer der oben beschriebenen Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtungen ausgebildet ist. Das chirurgische Antriebssystem weist dann ebenfalls die oben im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen von Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtungen beschriebenen Vorteile auf. Eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung mit einer Motoranhalteeinrichtung ermöglicht es, den Rotor des Elektromotors in eine definierte Stellung, nämlich die Ruhestellung, zu bringen, um so ein Anlaufen des Elektromotors aus der Ruhestellung auf einfache und sichere Weise zu ermöglichen. Insbesondere kann so ein Anlaufen des Elektromotors entgegen der gewünschten Drehrichtung vermieden werden.The object stated at the outset is also achieved according to the invention in a surgical drive system of the type described at the outset in that the control and/or regulation device is designed in the form of one of the motor control and/or regulation devices described above. The surgical drive system then also has the advantages described above in connection with preferred embodiments of motor control and/or regulation devices. A control and/or regulation device with an engine stopping device makes it possible to bring the rotor of the electric motor into a defined position, namely the rest position, in order to enable the electric motor to start up from the rest position in a simple and safe manner. In particular, starting of the electric motor counter to the desired direction of rotation can be avoided in this way.
Des Weiteren ist es günstig, wenn die Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung ausgebildet ist zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit mittels eines Verfahrens zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit wie es oben beschrieben ist. Das Antriebssystem weist dann ebenfalls die oben im Zusammenhang mit bevorzugten Varianten des Verfahrens beschriebenen Vorteile auf.Furthermore, it is favorable if the control and/or regulation device is designed to control and/or regulate the drive unit by means of a method for controlling and/or regulating the drive unit as described above. The drive system then also has the advantages described above in connection with preferred variants of the method.
Die vorstehende Beschreibung umfasst somit insbesondere die in den nachfolgenden durchnummerierten Sätzen definierten Ausführungsformen einer chirurgischen Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung, eines chirurgischen Antriebssystems sowie eines Verfahrens zum Steuern und/oder Regeln einer chirurgischen Antriebseinheit:
- 1. Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung (12) zum Steuern und/oder Regeln einer chirurgischen Antriebseinheit (14) mit einem sensorlosen Elektromotor (68), welcher ein Motorgehäuse (144), einen Rotor (142) und mindestens zwei Motorwicklungen (72a, 72b, 72c) umfasst, welche Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung (12) ausgebildet ist zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit (14) mittels eines Verfahrens zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit (14), gekennzeichnet durch eine Motoranhalteeinrichtung (140) zum Anhalten des Elektromotors (68) bis auf eine Drehzahl von Null Umdrehungen pro Zeiteinheit derart, dass der Rotor (142) eine Drehstellung relativ zum Motorgehäuse (144) einnimmt, welche eine Ruhestellung definiert.
- 2. Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach
Satz 1, gekennzeichnet durch einen Drehrichtungsanforderungsspeicher (154) zum Speichern der letzten Drehrichtungsanforderung vor dem Abbremsen des Elektromotors (68) auf die Drehzahl von Null Umdrehungen pro Zeiteinheit. - 3. Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach
Satz 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Ruhestellungsspeicher (156) zum Speichern der Ruhestellung des Rotors (142). - 4. Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass die Motoranhalteeinrichtung (140) derart ausgebildet ist, dass sie den Rotor (142) immer in derselben Ruhestellung anhält.
- 5. Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Sätze, gekennzeichnet durch einen Haltemodus, in welchem der Rotor (142) aktiv in der Ruhestellung gehalten wird.
- 6. Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach Satz 5, gekennzeichnet durch eine Haltemodusbestromungseinrichtung (160) zum Bestromen des Elektromotors (68) im Haltemodus, um den Rotor (142), ohne ihn zu verdrehen, aktiv in der Ruhestellung zu halten.
- 7. Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach Satz 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Haltezeitvorgabeeinrichtung (162) zum Vorgeben einer Haltezeit tHalt, während der der Elektromotor (68) ständig bestromt wird, um den Rotor (142), ohne ihn zu verdrehen, in der Ruhestellung zu halten.
- 8. Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach Satz 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Haltezeitvorgabeeinrichtung (162) eine Haltezeit tHalt von maximal 20 Minuten vorgebbar ist.
- 9. Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach einem der Sätze 5 bis 8, gekennzeichnet durch eine Motorstrombegrenzungseinrichtung (166) zum Begrenzen eines Motorstroms, um den Rotor (142), ohne ihn zu verdrehen, aktiv in der Ruhestellung zu halten, auf maximal 20 % des Nennwertes des Elektromotors (68).
- 10. Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Sätze, gekennzeichnet durch einen Bereitschaftsmodus, in welchem der Elektromotor (68) bei einer Drehzahlanforderung von Null Umdrehungen pro Zeiteinheit nach einer Ruhezeit t-Ruhe so lange definiert bestromt wird, um den Rotor (142) nach mindestens einer vollen Umdrehung wieder in die Ruhestellung zu überführen.
- 11. Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach
Satz 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie derart ausgebildet ist, dass im Bereitschaftsmodus der Rotor (142) immer wieder neu in die Ruhestellung überführt wird. - 12. Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach
Satz 10 oder 11, gekennzeichnet durch eine Drehzahlbegrenzungseinrichtung (168) zum Begrenzen einer Maximaldrehzahl des Rotors (142) im Bereitschaftsmodus auf maximal 5 Umdrehungen pro Minute. - 13. Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach einem der Sätze 10
bis 12, gekennzeichnet durch eine Bereitschaftszeitvorgabeeinrichtung (170) zum Vorgeben einer Bereitschaftszeit tBereitschaft des Bereitschaftsmodus. - 14. Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach Satz 13, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Bereitschaftszeitvorgabeeinrichtung (170) eine Bereitschaftszeit tBereitschaft von maximal 20 Minuten vorgebbar ist.
- 15. Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach einem der Sätze 10
bis 14, gekennzeichnet durch eine Umschalteinrichtung (174) zum mindestens einmaligen Umschalten nach Ablauf der Bereitschaftszeit tBereitschaft vom Bereitschaftsmodus in den Haltemodus. - 16. Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach Satz 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalteinrichtung (174) ausgebildet ist zum mindestens einmaligen Umschalten nach Ablauf der Haltezeit tHalt vom Haltemodus in den Bereitschaftsmodus.
- 17. Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer chirurgischen Antriebseinheit (14) mit einem sensorlosen Elektromotor (68), welcher ein Motorgehäuse (144), einen Rotor (142) und mindestens zwei Motorwicklungen (72a, 72b, 72c) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass beim Abbremsen des Elektromotors (68) bis auf eine Drehzahl von Null Umdrehungen pro Zeiteinheit der Elektromotor (68) derart angehalten wird, dass der Rotor (142) eine Drehstellung relativ zum Motorgehäuse (144) einnimmt, welche eine Ruhestellung definiert.
- 18. Verfahren nach Satz 17, dadurch gekennzeichnet, dass die letzte Drehrichtungsanforderung vor dem Abbremsen des Elektromotors (68) auf die Drehzahl von Null Umdrehungen pro Zeiteinheit gespeichert wird.
- 19. Verfahren nach Satz 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Ruhestellung des Rotors (142) gespeichert wird.
- 20. Verfahren nach einem der Sätze 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (142) in der Ruhestellung immer dieselbe Drehstellung relativ zum Motorgehäuse (144) einnimmt.
- 21. Verfahren nach einem der Sätze 17
bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Haltemodus des Elektromotors (68) der Rotor (142) aktiv in der Ruhestellung gehalten wird. - 22. Verfahren nach
Satz 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (68) im Haltemodus bestromt wird, um den Rotor (142), ohne ihn zu verdrehen, aktiv in der Ruhestellung zu halten. - 23. Verfahren nach
Satz 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (68) während einer Haltezeit tHalt ständig bestromt wird, um den Rotor (142), ohne ihn zu verdrehen, in der Ruhestellung zu halten. - 24. Verfahren nach
Satz 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltezeit tHalt maximal 20 Minuten beträgt. - 25. Verfahren nach einem der Sätze 21
bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein Motorstrom, um den Rotor (142), ohne ihn zu verdrehen, aktiv in der Ruhestellung zu halten,nicht mehr als 20 % des Nennwertes des Elektromotors (68) beträgt. - 26. Verfahren nach einem der Sätze 17
bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereitschaftsmodus des Elektromotors (68) bei einer Drehzahlanforderung von Null Umdrehungen pro Zeiteinheit nach einer Ruhezeit tRuhe der Elektromotor (68) so lange definiert bestromt wird, um den Rotor (142) nach mindestens einer vollen Umdrehung wieder in die Ruhestellung zu überführen. - 27. Verfahren nach
Satz 26, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereitschaftsmodus der Rotor (142) immer wieder neu in die Ruhestellung überführt wird. - 28. Verfahren nach
Satz 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass eine Maximaldrehzahl im Bereitschaftsmodus nicht mehr als 5 Umdrehungen des Rotors (142) pro Minute beträgt. - 29. Verfahren nach einem der Sätze 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (68) für eine Bereitschaftszeit tBereitschaft den Bereitschaftsmodus einnimmt.
- 30. Verfahren nach Satz 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitschaftszeit tBereitschaft maximal 20 Minuten beträgt.
- 31. Verfahren nach Satz 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (68) nach Ablauf der Bereitschaftszeit tBereitschaft vom Bereitschaftsmodus mindestens einmal in den Haltmodus wechselt.
- 32. Verfahren nach einem der Sätze 26 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (68) nach Ablauf der Haltezeit tHalt vom Haltemodus mindestens einmal in den Bereitschaftsmodus wechselt.
- 33. Chirurgisches Antriebssystem umfassend mindestens eine Steuer- und/ oder Regelungsvorrichtung (12) und mindestens eine mit dieser verbindbare und ansteuerbare chirurgische Antriebseinheit (14) und/oder mindestens ein eine chirurgische Antriebseinheit (14) umfassendes chirurgisches Instrument (176), wobei die mindestens eine Antriebseinheit (14) einen sensorlosen Elektromotor (68) mit einem Rotor (142) und mindestens zwei Motorwicklungen (72a, 72b, 72c) umfasst, wobei die Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung (12) ausgebildet ist zum Steuern und/ oder Regeln der Antriebseinheit (14) mittels eines Verfahrens zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit (14), gekennzeichnet durch eine Motoranhalteeinrichtung (140), welche das Anhalten des Elektromotors (68) bis auf eine Drehzahl von Null Umdrehungen pro Zeiteinheit derart steuert, dass der Rotor (142) eine Drehstellung relativ zum Motorgehäuse (144) einnimmt, welche eine Ruhestellung definiert.
- 34. Chirurgisches Antriebssystem nach Satz 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung (12) in Form einer Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung (12) nach einem der
Sätze 1 bis 16 ausgebildet ist. - 35. Chirurgisches Antriebssystem nach Satz 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regelungsvorrichtung (12) ausgebildet ist zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit (14) mittels eines Verfahrens zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit (14) nach einem der Sätze 17 bis 32.
- 1. Surgical motor control and/or regulation device (12) for controlling and/or regulating a surgical drive unit (14) with a sensorless electric motor (68), which has a motor housing (144), a rotor (142) and at least two motor windings ( 72a, 72b, 72c), which engine control and/or regulation device (12) is designed to control and/or regulate the drive unit (14) by means of a method for controlling and/or regulating the drive unit (14), characterized by a Motor stopping device (140) for stopping the electric motor (68) down to a speed of zero revolutions per unit time such that the rotor (142) assumes a rotational position relative to the motor housing (144) which defines a rest position.
- 2. Surgical motor control and/or regulation device according to
sentence 1, characterized by a direction of rotation request memory (154) for storing the last direction of rotation request before braking the electric motor (68) to the speed of zero revolutions per unit time. - 3. Surgical motor control and/or regulation device according to
sentence 1 or 2, characterized by a home position memory (156) for storing the home position of the rotor (142). - 4. Surgical motor control and/or regulation device according to one of the preceding sentences, characterized in that the motor stopping device (140) is designed in such a way that it always stops the rotor (142) in the same rest position.
- 5. Surgical motor control and/or regulation device according to any one of the preceding sentences, characterized by a hold mode in which the rotor (142) is actively held in the rest position.
- 6. Surgical motor control and/or regulation device according to sentence 5, characterized by a holding mode energizing device (160) for energizing the electric motor (68) in the holding mode in order to actively hold the rotor (142) in the rest position without twisting it.
- 7. Surgical motor control and/or regulation device according to sentence 5 or 6, characterized by a holding time specification device (162) for specifying a holding time t halt , during which the electric motor (68) is constantly energized to turn the rotor (142) without it to twist, to hold in the rest position.
- 8. Surgical motor control and/or regulation device according to sentence 7, characterized in that a holding time t hold of a maximum of 20 minutes can be preset with the holding time presetting device (162).
- 9. Surgical motor control and/or regulation device according to one of sentences 5 to 8, characterized by motor current limiting means (166) for limiting a motor current in order to actively keep the rotor (142) in the rest position without twisting it maximum 20% of the rated value of the electric motor (68).
- 10. Surgical motor control and/or regulation device according to one of the preceding sentences, characterized by a stand-by mode in which the electric motor (68) is energized at a speed requirement of zero revolutions per unit of time after a rest period t-rest for a defined period of time to Rotor (142) to be brought back into the rest position after at least one full revolution.
- 11. Surgical motor control and/or regulation device according to
sentence 10, characterized in that it is designed in such a way that in the standby mode the rotor (142) is repeatedly transferred to the rest position. - 12. Surgical motor control and/or regulation device according to
sentence 10 or 11, characterized by a speed limiting device (168) for limiting a maximum speed of the rotor (142) in ready shaft mode to a maximum of 5 revolutions per minute. - 13. Surgical motor control and/or regulation device according to one of
sentences 10 to 12, characterized by a standby time specification device (170) for specifying a standby time t standby of the standby mode. - 14. Surgical motor control and/or regulation device according to sentence 13, characterized in that a standby time t standby of a maximum of 20 minutes can be specified with the standby time specification device (170).
- 15. Surgical motor control and/or regulation device according to one of
sentences 10 to 14, characterized by a switching device (174) for switching at least once after the standby time t standby has expired from the standby mode to the hold mode. - 16. Surgical motor control and/or regulation device according to sentence 15, characterized in that the switching device (174) is designed to switch at least once after the holding time t hold has expired from the holding mode to the standby mode.
- 17. Method for controlling and/or regulating a surgical drive unit (14) with a sensorless electric motor (68) which comprises a motor housing (144), a rotor (142) and at least two motor windings (72a, 72b, 72c), characterized that when the electric motor (68) is braked down to a speed of zero revolutions per unit of time, the electric motor (68) is stopped in such a way that the rotor (142) assumes a rotational position relative to the motor housing (144) which defines a rest position.
- 18. The method according to sentence 17, characterized in that the last request for the direction of rotation before the electric motor (68) is braked to the speed of zero revolutions per unit time is stored.
- 19. The method according to
sentence 17 or 18, characterized in that the rest position of the rotor (142) is stored. - 20. The method according to any one of sentences 17 to 19, characterized in that the rotor (142) in the rest position always occupies the same rotational position relative to the motor housing (144).
- 21. The method according to any one of sentences 17 to 20, characterized in that in a holding mode of the electric motor (68), the rotor (142) is actively held in the rest position.
- 22. The method according to
sentence 21, characterized in that the electric motor (68) is energized in the holding mode in order to actively hold the rotor (142) in the rest position without twisting it. - 23. The method according to
21 or 22, characterized in that the electric motor (68) is continuously energized during a holding time t stop in order to keep the rotor (142) in the rest position without rotating it.sentence - 24. The method according to
sentence 23, characterized in that the hold time t hold is a maximum of 20 minutes. - 25. The method according to any one of
sentences 21 to 24, characterized in that a motor current in order to actively keep the rotor (142) in the rest position without twisting it is not more than 20% of the nominal value of the electric motor (68). . - 26. The method according to any one of sentences 17 to 25, characterized in that in a standby mode of the electric motor (68) with a speed requirement of zero revolutions per time unit after a rest period t rest, the electric motor (68) is energized for a defined period of time to rotate the rotor (142) to return to the rest position after at least one full revolution.
- 27. The method according to
sentence 26, characterized in that in the standby mode the rotor (142) is repeatedly transferred to the rest position. - 28. The method according to
sentence 26 or 27, characterized in that a maximum speed in the standby mode is no more than 5 revolutions of the rotor (142) per minute. - 29. The method according to any one of
sentences 26 to 29, characterized in that the electric motor (68) assumes the standby mode for a standby time t standby . - 30. The method according to sentence 29, characterized in that the standby time t standby is a maximum of 20 minutes.
- 31. The method according to sentence 29 or 30, characterized in that the electric motor (68) changes from the standby mode to the hold mode at least once after the standby time t standby has expired.
- 32. The method according to any one of
sentences 26 to 31, characterized in that the electric motor (68) changes from the holding mode to the standby mode at least once after the holding time t hold has elapsed. - 33. Surgical drive system comprising at least one control and/or regulation device (12) and at least one surgical drive unit (14) that can be connected and controlled with it and/or at least one surgical instrument (176) comprising a surgical drive unit (14), wherein the at least a drive unit (14) comprises a sensorless electric motor (68) with a rotor (142) and at least two motor windings (72a, 72b, 72c), wherein the control and/or regulating device (12) is designed to control and/or regulate the Drive unit (14) by means of a method for controlling and/or regulating the drive unit (14), characterized by a motor stopping device (140) which controls the stopping of the electric motor (68) down to a speed of zero revolutions per unit of time in such a way that the rotor (142) assumes a rotational position relative to the motor housing (144) which defines a rest position.
- 34. Surgical drive system according to sentence 33, characterized in that the control and/or regulation device (12) is designed in the form of a motor control and/or regulation device (12) according to one of
sentences 1 to 16. - 35. Surgical drive system according to
sentence 33 or 34, characterized in that the control and/or regulation device (12) is designed to control and/or regulate the drive unit (14) by means of a method for controlling and/or regulating the drive unit (14 ) after one of sentences 17 to 32.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:
-
1 : eine schematische Übersichtsdarstellung eines chirurgischen Antriebssystems; -
2 : eine schematische Darstellung eines chirurgischen Instruments sowie einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung eines chirurgischen Antriebssystems; -
3 : eine teilweise blockschaltbildartige Darstellung einer Motorsteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung zum Ansteuern eines Motors; -
4 : eine schematische Darstellung der Überlagerung von Subphasenwicklungsspannungen zu Wicklungsspannungen bei drei unterschiedlichen Pulsweiten; -
5 : eine Darstellung idealer sinusförmiger Spannungs- beziehungsweise Bestromungskurven der Motorwicklungen; -
5a : eine vergrößerte Ansicht des Bereichs A in5 ; -
6 : eine schematische Darstellung einer Multiphasenübertragungseinrichtung für eine Motorwicklung; -
7 : eine schematische Darstellung einer Bestromung des Elektromotors in einer definierten Ruhestellung oder Parkposition; -
8 : eine vereinfachte, schematische Darstellung der Motorsteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung zum Ansteuern des an diese angeschlossenen Elektromotors; -
9 : eine schematische Darstellung des Aufbaus der Motorsteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung umfassend eine Motoranhalteeinrichtung; und -
10 : eine schematische ausschnittsweise Schnittansicht einer chirurgischen Antriebseinheit mit Elektromotor mit Rotor und angekoppeltem chirurgischem Werkzeug in der Ruhestellung beziehungsweise Parkposition des Rotors.
-
1 1: a schematic overview representation of a surgical drive system; -
2 1: a schematic representation of a surgical instrument and a control and/or regulating device of a surgical drive system; -
3 1: a partially block diagram representation of a motor control and/or regulation device for controlling a motor; -
4 : a schematic representation of the superimposition of sub-phase winding voltages to winding voltages with three different pulse widths; -
5 : a representation of ideal sinusoidal voltage or current flow curves of the motor windings; -
5a : an enlarged view of area A in5 ; -
6 : a schematic representation of a multi-phase transmission device for a motor winding; -
7 : a schematic representation of an energization of the electric motor in a defined rest position or parking position; -
8th : a simplified, schematic representation of the motor control and/or regulation device for controlling the electric motor connected to it; -
9 : a schematic representation of the structure of the engine control and/or regulation device comprising an engine stopping device; and -
10 1: a schematic sectional view of a detail of a surgical drive unit with an electric motor with a rotor and a coupled surgical tool in the rest position or parked position of the rotor.
In
Das Steuergerät 12 umfasst einen in einem Gehäuse 26 angeordneten flachen Bildschirm 28 in Form eines Touchscreens. Zu beiden Seiten des Bildschirms 28 sind je drei Bedienelemente 30a bis 30c beziehungsweise 30d bis 30f angeordnet.The
Zwei Schalter 32a und 32b sind unterhalb des Bildschirms 28 auf einer Linie angeordnet mit einer Anschlussbuchse 34 zum Anschluss der Fußsteuerung 24 über ein optionales Anschlusskabel 25 und mit zwei Anschlussbuchsen 36a und 36b zum Anschluss der Anschlusskabel 20 und 22, mit denen die Antriebseinheiten mit dem Steuergerät 12 verbunden werden können. Optional kann außerdem ein Anschluss 38 für ein Fluidsystem zur Zufuhr und Abfuhr von Fluiden aus einem Operationsbereich vorgesehen sein, beispielsweise auch zur Versorgung von Spül- oder Absaugkanälen an mit den Antriebseinheiten 14, den Shaverhandstücken 16 oder dem Pistolenhandstück 18 verbindbaren, nicht dargestellten Handstücken oder Werkzeugen, mit welchen zusammen die Antriebseinheiten chirurgische Instrumente des Antriebssystems 10 bilden.Two
Die Antriebseinheiten 14a bis 14e umfassen jeweils eine Kabelkupplung 40a bis 40e, die mit einem Kupplungsstück 44 des Anschlusskabels 20 oder einem Kupplungsstück 46 des Anschlusskabels 22 beliebig verbindbar sind. Ebenso weisen die beiden Shaverhandstücke 16a und 16b sowie das Pistolenhandstück 18 jeweils eine Kabelkupplung 40f, 40g beziehungsweise 40h auf, die mit einem der beiden Kupplungsstücke 44 oder 46 verbindbar sind.The
An ihrem jeweils anderen Ende sind die Antriebseinheiten 14a bis 14e mit Handstück- oder Werkzeugkupplungen 42a bis 42e ausgestattet, auf die nicht dargestellte Handstücke, beispielsweise Bohrerhandstücke, Sägehandstücke oder dergleichen angekuppelt und durch die Antriebseinheiten 14a bis 14e angetrieben werden können. Je nach Ausgestaltung können die Antriebseinheiten 14a bis 14e auch direkt mit nicht dargestellten Werkzeugen, wie beispielsweise Bohrern oder Sägeblättern, bestückt werden zur Ausbildung chirurgischer Instrumente.At their respective other ends, the
Die Antriebseinheiten sind vorzugsweise sensorlos ausgebildet, das heißt sie weisen keine Sensoren auf, um eine Drehzahl der Antriebseinheit während des Betriebs zu bestimmen. Die Antriebseinheiten des Antriebssystems 10 unterscheiden sich nicht nur, wie in
Des Weiteren umfassen die Shaverhandstücke 16a und 16b jeweils eine Shaverkupplung 48a beziehungsweise 48b zum Anschluss eines Shavers, beispielsweise zur Anwendung in der Arthroskopie.Furthermore, the
Die Anschlusskabel 20 und 22 sind zum Verbinden mit dem Steuergerät mit Kupplungen 21 und 23 versehen, über die sie mit den Anschlussbuchsen 36a und 36b verbindbar sind.The
Die Fußsteuerung 24 steht über eine drahtlose Datenübertragungseinrichtung mit dem Steuergerät 12 in Verbindung, beispielsweise über ein Infrarot- oder Funkübertragungssystem. Optional ist auch eine Verbindung der Fußsteuerung 24 über ein mit der Anschlussbuchse 34 verbindbares Kupplungsstück 50 des Anschlusskabels 25 möglich. An einem Gehäuse 52 der Fußsteuerung 24 sind zwei fußbetätigbare Schalter 54a und 54b angeordnet, über die insbesondere ein Links- beziehungsweise Rechtslauf der Antriebseinheiten geregelt werden kann.The
Das Pistolenhandstück 18 ist mit zwei Gebern 56 ausgestattet, wobei der Geber 56a beispielsweise zur Aktivierung eines Motorrechtslaufes, der Geber 56b zur Aktivierung eines Motorlinkslaufes vorgesehen sein können.The
Die Anschlusskabel 20 und 22 unterscheiden sich dadurch, dass am Anschlusskabel 22, anders als am Anschlusskabel 20, ein Betätigungshebel 58 vorgesehen ist, mit dem eine Bedienperson einen Motorbetrieb einer Antriebseinheit 14, eines Shaverhandstücks 16 oder des Pistolenhandstücks 18 aktivieren kann.The
In
In einem Gehäuse 66 der Antriebseinheit 14 ist ein Motor 68 angeordnet, welcher drei Anschlusskontakte 70a, 70b und 70c aufweist, die jeweils mit zwei der insgesamt drei Motorwicklungen 72a, 72b und 72c verbunden sind. Der Anschlusskontakt 70a ist mit den Motorwicklungen 72b und 72c verbunden, der Anschlusskontakt 70b mit den Motorwicklungen 72a und 72b und der Anschlusskontakt 70c mit den Motorwicklungen 72a und 72c.A
Die Anschlusskontakte 70a, 70b und 70c sind mittels Verbindungsleitungen 74a, 74b und 74c mit einem proximalseitig angeordneten Kupplungselement 76 verbunden, und zwar mit dessen Verbindungskontakten 78a, 78b und 78c. Das Kupplungselement 76 ist zum Verbinden mit dem Kupplungsstück 44 des Anschlusskabels 20 korrespondierend zu diesem ausgebildet.The
Das Anschlusskabel 20 selbst ist ein dreiadriges Anschlusskabel mit drei Einzelleitern 20a, 20b und 20c. Bei dem in
In den Motor 68 ist optional ferner eine Motoridentifikationseinrichtung 80 integriert, wie beispielsweise aus der
Das Steuergerät 12 umfasst eine im Gehäuse 26 angeordnete Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung 82, die nachfolgend der Einfachheit halber als Steuereinrichtung 82 bezeichnet wird. Mit ihr kann der Motor 68, welcher allgemein M Motorwicklungen, auch bezeichnet als RMW_1, ..., RMW_M, umfasst, angesteuert werden. Bei dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Zahl M der Motorwicklungen drei und die Motorwicklungen werden mit 72 a, 72b und 72c bezeichnet.The
Die Steuerungseinrichtung umfasst einen Controller 84, welcher mit einem digitalen Signalprozessor 86 zusammengeschaltet ist. Der digitale Signalprozessor 86 ist wiederum mit einem frei programmierbaren integrierten Schaltkreis (88) in Form eines FPGA, gekoppelt. Dieser dient der Ansteuerung von drei FET-Treiberschaltkreisen 90a, 90b und 90c. Die FET-Treiberschaltkreise 90a, 90b und 90c sind jeweils mit einem Endstufenleistungsschaltkreis 92a, 92b und 92c verschaltet, die jeweils drei identische Verstärkerschaltungen 94a, 94b und 94c umfassen. Zur Energieversorgung der Steuereinrichtung 82 beziehungsweise des Antriebssystems 10 ist ein Netzteil 96 vorgesehen, welches für alle Schaltkreise und Elemente der Steuereinrichtung 82 entsprechend erforderliche Versorgungsspannungen bereitstellt.The control device includes a
Jeder Endstufenschaltkreis 92a, 92b und 92c ist mit einer ihm zugeordneten Multiphasenübertragungseinrichtung 98a, 98b und 98c zusammengeschaltet, die in Form eines Multiphasentransformators 100a, 100b beziehungsweise 100c ausgebildet ist. Die Multiphasentransformatoren 100a, 100b und 100c sind alle identisch aufgebaut und werden beispielhaft in Verbindung mit
Der Multiphasentransformator 100a umfasst drei Einzeltransformatoren 102x, 102y und 102z. Diese werden gebildet durch jeweils zwei induktiv miteinander gekoppelte Spulen, nämlich jeweils eine Primärspule 104x, 104y und 104z sowie eine Sekundärspule 106x, 106y und 106z. Jede Primärspule 104x, 104y und 104z umfasst einen Primäreingang 108x, 108y und 108z sowie einen Primärausgang 110x, 110y und 110z. Des Weiteren umfasst jede Sekundärspule 106x, 106y und 106z einen Sekundäreingang 112x, 112y und 112z sowie einen Sekundärausgang 114x, 114y und 114z.The
Jeder der Primäreingänge 108x, 108y, 108z ist jeweils mit einem Ausgang einer der drei Verstärkerschaltungen 94a elektrisch leitend verbunden. Die drei Sekundäreingänge 112x, 112y und 112z sind elektrisch leitend miteinander und mit einem Anschlusskontakt 116a der Anschlussbuchse 36a verbunden, die ferner zwei weitere Anschlusskontakte 116b und 116c umfasst, die mit den Multiphasentransformatoren 100b und 100c in analoger Weise verbunden sind. Der Primärausgang 110x ist mit dem Sekundärausgang 114y elektrisch leitend verbunden, der Primärausgang 110y mit dem Sekundärausgang 114z und der Primärausgang 110z mit dem Sekundärausgang 114x. Auf diese Weise sind die Einzelphasenübertragungseinrichtungen 118x, 118y und 118z definierenden Einzeltransformatoren 102x, 102y und 102z sternförmig verschaltet, so dass die Primärspule 104x, 104y, 104z, auch als Primärkreis bezeichnet, jeder Einzelphasenübertragungseinrichtung 118x, 118y und 118z jeweils mit der Sekundärspule 106x, 106y, 106z, auch als Sekundärkreis bezeichnet, der jeweils nächsten Einzelphasenübertragungseinrichtung 118y, 118z und 118x in Serie geschaltet ist.Each of the
Die Einzeltransformatoren 102x, 102y und 102z sind also so geschaltet, dass für ihre Ausgangsspannungen UxA, UyA und UzA in Abhängigkeit der drei Eingangssignale U1A, U2A und U3A, die an den Primäreingängen 108x, 108y und 108z anliegen, gilt:
Diese Überlagerung der Eingangssignale U1A, U2A, U3A, U1B, U2B, U3B, U1C, U2C und U3C, also der Subphasenwicklungsspannungen, allgemein dargestellt als UMW_1_1, ..., UMW_1_N, ..., UMW_M_1, ..., UMW_M_N, ist beispielhaft in
Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 132 bezeichnete Taktgebereinrichtung der Steuereinrichtung 82 dient zum Vorgeben der PWM-Taktfrequenz fPWM zum Durchführen des PWM-Verfahrens. Die Taktgebereinrichtung umfasst den Controller 84 sowie den digitalen Signalprozessor 86. Die Taktgebereinrichtung 132 und die Signalerzeugungseinrichtung 120 wirken bei der Steuervorrichtung 82 derart zusammen, dass die Subphasensignale, allgemein bezeichnet als SPWM_1_1, ..., SPWM_1_N; ...; SPWM_M_1, ..., SPWM_M_N, mit der PWM-Taktfrequenz fPWM erzeugbar sind. Die Taktgebereinrichtung 132 erzeugt vorzugsweise eine PWM-Taktfrequenz von 100 kHz.A clock generator device of the
Der digitale Signalprozessor 86 bildet eine Signalerzeugungseinrichtung 120, mit welcher für jede der M=3 Motorwicklungen RMW_1, ..., RMW_M ein PWM-Signal SPWM_1, ..., SPWM_M erzeugbar ist und mit welcher jedes der PWM-Signale SPWM_1, ..., SPWM_M in N Subphasensignale SPWM_1_1, ..., SPWM_1_N, ..., SPWM_M_1, ..., SPWM_M_N unterteilbar ist, welche in ihrer Phasenlage relativ zueinander jeweils um 360°/N, bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel mit N=3 also um 120°, relativ zueinander versetzt sind. Die Signalerzeugungseinrichtung 120 umfasst ferner den Schaltkreis 88, der die Phasenlage der einzelnen Subphasensignale um 120° relativ zueinander versetzt, sowie die FET-Treiberschaltkreise 90a, 90b und 90c.The
Die Steuereinrichtung 82 umfasst ferner eine Wandlereinrichtung 122, mit welcher die jeweils einer der M=3 Motorwicklungen 72a, 72b und 72c zugeordneten N Subphasensignale in N Subphasenwicklungsspannungen UMW_1_1, ..., UMW_1_N; ...; UMW_M_1, ..., UMW_M_N umsetzbar sind, welche in ihrer Phasenlage relativ zueinander jeweils um 360°/N, bei N=3 also um 120°, versetzt sind, mit welcher zur Erzeugung eines Stromflusses IMW_1, ..., IMAW_M durch jede der M=3 Motorwicklungen RMW_1, ..., RMW_M eine Wicklungsspannung UMW_1, ..., UMW_M, in
Für die Berechnung der anliegenden Spannungen ergibt sich exemplarisch für den Multiphasentransformator 100a folgendes:
An den Einzeltransformatoren 102x, 102y und 102z ergeben sich folgende Beziehungen für die anliegenden Spannungen
Dabei ist UxA die an der Primärspule 104x sowie an der Sekundärspule 106x abfallende Spannung, UyA die an der Primärspule 104y sowie an der Sekundärspule 106y abfallende Spannung und UzA die an der Primärspule 104z sowie der Sekundärspule 106z abfallende Spannung. Durch Addition der Gleichungen (1) und (3) erhält man
Dies eingesetzt in Gleichung (2) liefert:
Wenn U1A = 1 und U2A = U3A = 0, dann gilt:If U1A = 1 and U2A = U3A = 0, then:
U_A = 1/3. Dies ergibt eingesetzt in den Gleichungen (1), (2) und (3):
Die Spannungsbeziehungen der an den Einzeltransformatoren 102x, 102y und 102z anliegenden Spannungen sind für drei unterschiedliche Pulsbreiten in
Der Spannungssprung U_A an der Motorwicklung 72a beträgt nur ein Drittel der Versorgungsspannung Us, jedoch bei der dreifachen Frequenz f=3 * fPWM. Dies entspricht einer Periodendauer T=1/3 tx, wobei tx die Periodendauer des PWM-Signals mit der Taktfrequenz fPWM ist und sich zu tx = 1/ fPWM berechnet. Für jede Motorwicklung 72a, 72b und 72c, auch als Motorleitung bezeichnet, werden die drei Multiphasenübertragungseinrichtungen 98a, 98b und 98c in entsprechender Weise angesteuert.The voltage jump U_A at the motor winding 72a is only one third of the supply voltage Us, but at three times the frequency f=3*f PWM . This corresponds to a period T=1/3 t x , where tx is the period of the PWM signal with the clock frequency f PWM and is calculated as t x = 1/f PWM . For each motor winding 72a, 72b and 72c, also referred to as the motor line, the three
Um einen sinusförmigen Verlauf der Motorspannungen U_A, U_B und U_C, wie in
Die Steuereinrichtung 82 bildet somit insgesamt eine Bestromungseinrichtung 124, mit welche jede der M Motorwicklungen sinusförmig oder im Wesentlichen sinusförmig bestrombar ist, wie in
Für eine optimale Bestromung des Motors 68 ist es günstig, wenn eine Rotorposition des Rotors relativ zu den Motorwicklungen 72a, 72b und 72c bekannt ist. Daher umfasst die Steuereinrichtung 82 eine Rotorpositionsbestimmungseinrichtung 126 zum Bestimmen einer Rotorposition des Elektromotors 68 zur Steuerung und/oder Regelung der M Motorwicklungen.For optimal energization of the
Die Rotorpositionsbestimmungseinrichtung 126 umfasst eine Bestromungsunterbrechungseinrichtung 128, welche mit der Bestromungseinrichtung 124 zusammenwirkt. So kann zur Bestimmung einer Position des Rotors des Elektromotors 68 mindestens eine der M Motorwicklungen für ein Zeitintervall tUnterbrechung von einer Energieversorgung der Steuereinrichtung 82 abgetrennt werden. Mit der Rotorpositionsbestimmungseinrichtung 126 ist während des Zeitintervalls tUnterbrechung die Gegen-EMK, also die in der unbestromten Motorwicklung induzierte Spannung, messbar und mit einer von der Rotorpositionsbestimmungseinrichtung 126 umfassten Recheneinheit 130 kann auf herkömmliche Weise eine IST-Position des Rotors aus der gemessenen Gegen-EMK berechnet werden. Insbesondere kann mit der Bestromungsunterbrechungseinrichtung 128 die Bestromung aller Motorwicklungen gleichzeitig für das Zeitintervall tUnterbrechung unterbrochen werden durch Trennen des Motors 68 von der Energieversorgung. Das Zeitintervall tUnterbrechung kann vorzugsweise konstant oder in Abhängigkeit einer Drehzahl des Motors 68 vorgegeben werden. Die Bestromungsunterbrechungseinrichtung 126 ist derart ausgebildet, dass nach Messung der Gegen-EMK alle hierfür unbestromten Motorleitungen beziehungsweise Motorwicklungen 72a, 72b und 72c wieder mit der Energieversorgung elektrisch leitend verbunden werden.The rotor
Um möglichst kleine Spannungssprünge zu erhalten, wenn die Bestromung der Motorwicklungen unterbrochen wird, ist die Rotorpositionsbestimmungseinrichtung 126 derart ausgebildet, dass die Gegen-EMK erst dann messbar ist, wenn der jeweilige Motorstrom I_A, I_B beziehungsweise I_C beziehungsweise die Motorspannung U_A, U_B beziehungsweise U_C einer der M Motorwicklungen auf Null abgefallen ist. Hierbei wird vorzugsweise das Zeitintervall tUnterbrechung vorgegeben durch tUnterbrechung = 2Δt, wobei die Messung der Gegen-EMK an einer der M Motorwicklungen durchgeführt wird im Zeitintervall tUnterbrechung derart, dass im Zeitpunkt tM bei einer durchgehenden Bestromung die an der Motorwicklung anliegende Motorspannung Null wäre.In order to obtain the smallest possible voltage jumps when the current supply to the motor windings is interrupted, the rotor
Das Abschalten der Wicklungsspannung an einer Motorwicklung ist beispielhaft in
Das Steuergerät 12, also die chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung, ist ausgebildet zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit 14 und umfasst ferner eine Motoranhalteeinrichtung 140 zum Anhalten des Motors 68 bis auf eine Drehzahl von Null Umdrehungen pro Zeiteinheit, beispielsweise pro Minute, und zwar derart, dass ein Rotor 142 des Motors 68 eine Drehstellung relativ zu einem Motorgehäuse 144 desselben einnimmt, welche Drehstellung eine Ruhestellung definiert.
In
Das Steuergerät 12 umfasst ferner einen Drehrichtungsanforderungsspeicher 154 zum Speichern der letzten Drehrichtungsanforderung vor dem Abbremsen und Anhalten des Motors 68 auf die Drehzahl von Null Umdrehungen pro Minute. Im Drehrichtungsanforderungsspeicher 154 kann also entweder ein Wert für einen Linkslauf oder ein Wert für einen Rechtslauf hinterlegt. Der Drehrichtungsanforderungsspeicher 154 kann insbesondere in direkter Verbindung zum Controller 84 stehen. Weiter kann das Steuergerät 112 einen Ruhestellungsspeicher 156 umfassen, welcher ebenfalls mit dem Controller 84 gekoppelt ist. Gekoppelt bedeutet insbesondere elektrisch leitend verbunden und auf diese Weise in Wirkverbindung stehend, um beispielsweise Daten auszutauschen. Im Ruhestellungsspeicher 156 kann insbesondere die definierte oder eine beliebige Ruhestellung des Rotors 142 gespeichert werden, beispielsweise in Form eines Winkelwerts.The
Die mit dem Controller 84 gekoppelte Motoranhalteeinrichtung 140 ist derart ausgebildet, dass sie den Rotor 142 vorzugsweise immer in derselben definierten Ruhestellung hält.The
Das Steuergerät 12 umfasst ferner einen Moduswahlschalter 158, welcher mit der Motoranhalteeinrichtung 140 gekoppelt ist und die Auswahl zwischen zwei Betriebsmodi der Motoranhalteeinrichtung 140 ermöglicht. Zum einen ist dies ein Haltemodus, in welchem der Rotor 142 aktiv in der Ruhestellung gehalten wird. Dies kann beispielsweise wie in
Mit der Haltemodusbestromungseinrichtung 160 gekoppelt ist eine Haltezeitvorgabeeinrichtung 162 zum Vorgeben einer Haltezeit tHalt, während der der Motor 68 ständig bestromt wird, um den Rotor 142, ohne ihn zu verdrehen, in der Ruhestellung zu halten. Beispielsweise kann mit der Haltezeitvorgabeeinrichtung 162 eine Haltezeit tHalt vorgegeben werden in einem Bereich von 0 Minuten bis 20 Minuten. Die Haltezeit tHalt kann werkseitig eingestellt sein oder durch einen entsprechenden Wahlschalter 164 von einem Benutzer des Antriebssystems 10 vorgegeben werden.A hold
Die Haltemodusbestromungseinrichtung 160 umfasst vorzugsweise eine Motorstrombegrenzungseinrichtung 166 zum Begrenzen eines Motorstroms, um den Rotor 142, ohne ihn zu verdrehen, aktiv in der Ruhestellung zu halten. Beispielsweise kann mit der Motorstrombegrenzungseinrichtung 166 ein Motorstrom im Haltemodus auf maximal 20 % eines Nennwerts des Motors 68 begrenzt werden. Vorzugsweise wird der Motorstrom jedoch auf 15 %, noch besser nur auf 10 % des Nennwerts des Motors 68 begrenzt.The holding
Mit dem Moduswahlschalter 158 kann alternativ auch ein Bereitschaftsmodus der Motoranhalteeinrichtung 140 ausgewählt werden. Im Bereitschaftsmodus wird der Motor 68 bei einer Drehzahlanforderung von 0 Umdrehungen pro Zeiteinheit nach einer Ruhezeit tRuhe für eine Zeit tStell so lange definiert bestromt, um den Rotor 42 wieder in die Ruhestellung zu überführen. Dies kann innerhalb einer vollen Umdrehung des Rotors 142 um die Längsachse 152 erfolgen. Es können aber auch maximal zwei oder maximal drei oder noch mehr Umdrehungen sein, die der Rotor 142 ausführt, um wieder in die beispielsweise in
Die Motoranhalteeinrichtung 140 kann insbesondere so ausgebildet sein, wie dies schematisch in
Mit der Motoranhalteeinrichtung 140 gekoppelt ist eine Drehzahlbegrenzungseinrichtung 168 zum Begrenzen einer Maximaldrehzahl des Rotors 142 im Bereitschaftsmodus. Die Maximaldrehzahl kann beispielsweise fünf Umdrehungen pro Minute betragen. Der Rotor 142 dreht dann also sehr langsam um die Längsachse 152, während er in der Stellzeit tStell in die Ruhestellung überführt wird. Auf diese Weise kann eine Verletzung von Personen vermieden werden.Coupled to the
Mit einer Bereitschaftszeitvorgabeeinrichtung 170 des Steuergeräts 112, die mit der Motoranhalteeinrichtung 140 gekoppelt ist, kann eine Bereitschaftszeit tBereitschaft des Bereitschaftsmodus vorgegeben werden. Die Bereitschaftszeit tBereitschaft kann beispielsweise vier Positionierungszyklen umfassen, wie dies schematisch in
Mit dem Moduswahlschalter 158 kann von einem Nutzer der jeweils gewünschte Betriebsmodus manuell gewählt werden. Das heißt, dass ein Benutzer wahlweise insbesondere zwischen dem Bereitschaftsmodus und dem Haltemodus umschalten kann.A user can use the
Die Motoranhalteeinrichtung 140 kann ferner eine Umschalteinrichtung 174 umfassen, welche ausgebildet ist zum mindestens einmaligen Umschalten nach Ablauf der Haltezeit tHalt vom Haltemodus in den Bereitschaftsmodus. Dies kann automatisch geschehen. Dieses Umschalten kann auch mehrfach erfolgen, beispielsweise immer dann, wenn die Haltezeit tHalt abgelaufen ist. Umgekehrt kann die Umschalteinrichtung 170 auch ausgebildet sein zum mindestens einmaligen, automatischen Umschalten nach Ablauf der Bereitschaftszeit tBereitschaft vom Betriebsmodus in den Haltemodus.The
Wie schematisch in
Die Motoranhalteeinrichtung 140 lässt sich insbesondere auch nutzen, um ein mit der Antriebseinheit 14 gekoppeltes Werkzeug 176, beispielsweise in Form eines Shavers 178, in eine definierte Ruhestellung zu überführen. So weist beispielsweise der Shaver 178 einen langgestreckten rohrförmigen Schaft 180 auf, in welchem ein nicht näher dargestelltes Kraftübertragungsglied, welches von der Antriebseinheit 14 in Rotation versetzt wird, rotierend gelagert ist. An einem distalen Ende des Schafts 180 ist eine im Wesentlichen zur Seite hin weisende Öffnung 182 vorgesehen, aus welcher in Abhängigkeit einer Rotationsstellung des Kraftübertragungsglieds ein Werkzeugelement 184, wie es beispielsweise bei einem Shaver 178 in Form einer Schneide 186 ausgebildet ist, teilweise vorsteht, um Gewebe zu schneiden. Bei Kenntnis einer Position des Rotors 142 und gegebenenfalls einer Untersetzung eines optional zwischen der Antriebseinheit 14 und dem Werkzeug 176 ausgebildeten Getriebes kann somit auch das Werkzeugelement 184 in eine definierte Stellung relativ zur Öffnung 182 bewegt werden. Beispielsweise kann dann mit der Motoranhalteeinrichtung 140 vorgegeben werden, ob die Öffnung 182 durch das Werkzeug 176 freigegeben wird oder nicht. Mit anderen Worten kann das Werkzeugelement 184 definiert entweder so gestellt oder geparkt werden, dass die Öffnung 182 frei bleibt oder geschlossen wird.The
Mit dem Steuergerät 12 des Antriebssystems 10 lässt sich somit ein Verfahren zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit 14 durchführen, bei welchem beim Abbremsen des Motor 68 bis auf eine Drehzahl von Null Umdrehungen pro Minute der Elektromotor 68 derart angehalten wird, dass der Rotor 142 eine Drehstellung relativ zum Motorgehäuse 144 beziehungsweise zum Stator 150 einnimmt, welche eine Ruhestellung definiert.The
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2011
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