DE102009018143A1

DE102009018143A1 - Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung, chirurgisches Antriebssystem und Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer chirurgischen Antriebseinheit

Info

Publication number: DE102009018143A1
Application number: DE102009018143A
Authority: DE
Inventors: Ronald Hafner; Ernst Moosmann; Jürgen Schneider; Harald Konrath
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 2009-04-08
Filing date: 2009-04-08
Publication date: 2010-10-14
Also published as: EP2239838B1; US20100264864A1; US8493009B2; EP2239838A1

Abstract

Um eine chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer einen sensorlosen, M-Motorwicklungen umfassenden sensorlosen Elektromotor einer chirurgischen Antriebseinheit, welche Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung ausgebildet ist zum Ausführen eines Verfahrens zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit, so zu verbessern, dass eine möglichst ideale Bestromungskurve für die Motorwicklungen der Antriebseinheit vorgebbar ist, wird vorgeschlagen, dass die Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung ausgebildet ist zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit mittels eines Multiphasen-PWM-Verfahrens. Ferner werden ein verbessertes Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer chirurgischen Antriebseinheit sowie ein verbessertes chirurgisches Antriebssystem vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung zum Steuern und/oder Regeln einer einen sensorlosen, M Motorwicklungen umfassenden sensorlosen Elektromotor einer chirurgischen Antriebseinheit, welche Motorsteuerungs- und/oder -regelungseinrichtung ausgebildet ist zum Ausführen eines Verfahrens zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern und/oder Regelen einer chirurgischen Antriebseinheit mit einem sensorlosen Elektromotor, welcher einen Rotor und M Motorwicklungen aufweist.
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 M Motorwicklungen umfasst, wobei die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung ausgebildet ist zum Ausführen eines Verfahrens zum Steuer und/oder Regeln der Antriebseinheit.
Chirurgische Antriebseinheiten chirurgischer Antriebssysteme, beispielsweise von Systemen der eingangs beschriebenen Art, werden nach einem Einsatz im Rahmen eines chirurgischen Eingriffs an einem Patienten normalerweise aufbereitet, das heißt sie werden gereinigt und optional sterilisiert. Ein bei der Reinigung und Sterilisation auftretendes Problem von Antriebseinheiten ist die Korrosion von Kontakten. Es wurde daher bereits vorgeschlagen, für chirurgi sche Antriebseinheiten vorzugsweise elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren vorzusehen, die ohne Sensoren ausgestattet sind. Die Sensoren, beispielsweise Hallsensoren, dienen in erster Linie dazu, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen eine Position des Rotors des Elektromotors zu bestimmen, um ihn entsprechend optimiert bestromen zu können.
Bekannt ist ferner, eine Bestromung der insgesamt M Motorwicklungen des Elektromotors, wobei M eine natürliche Zahl ist, größer oder gleich zwei, mittels eines Pulsweiten-Modulations-Verfahrens durchzuführen. Nachteilig dabei ist, dass die ideale Bestromungskurve für jede Motorwicklung, nämlich eine Sinuskurve, in der Praxis nur näherungsweise realisierbar ist. Grenzen werden insbesondere erreicht durch limitierte Taktfrequenzen verfügbarer Prozessoren zum Erzeugen der Pulsweiten-Modulationssignale (PWM-Signale).
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung, ein chirurgisches Antriebssystem und ein Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer chirurgischen Antriebseinheit so zu verbessern, dass eine möglichst ideale Bestromungskurve für die Motorwicklungen der Antriebseinheit vorgebbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einer chirurgischen Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie ausgebildet ist zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit mittels eines Multiphasen-PWM-Verfahrens.
Die erfindungsgemäß weitergebildete Vorrichtung ermöglicht die Steuerung und/oder Regelung der Antriebseinheit mittels Multiphasen-PWM, das heißt jede Motorwicklung kann zum Beispiel bestromt werden durch Überlagerung von zwei oder mehr Phasen oder Subphasen zur Erzeugung eines Pulsweitenmodulationssignals sowie der entsprechenden Wicklungsspannung. Diese Subphasen können beispielsweise alle mit derselben Taktfrequenz getaktet sein, jedoch vorzugsweise etwas phasenversetzt zueinander, so dass eine Vervielfachung der tatsächlichen ursprünglichen Taktfrequenz und somit eine noch bes sere Annäherung der Bestromungskurve an eine ideale Sinuskurve erreicht werden kann. Des Weiteren ist es so insbesondere auch möglich, elektrische Verluste des Motors, die proportional zum Quadrat des fließenden Stromes I sind, nämlich proportional I²·R, wobei R der Widerstand der Motorwicklung ist, zu reduzieren durch beispielsweise eine Verringerung von Spannungssprüngen, die durch die Pulsweiten-Modulationssignale generiert werden, an jeder Motorwicklung. Insbesondere bei der Verwendung von Motorsteuergeräten mit relativ langen Steuerleitungen vom Motorsteuergerät zur Antriebseinheit kann so auch bei verhältnismäßig niedrigen Taktfrequenzen der Pulsweitenmodulation (PWM) eine optimale Bestromungskurve erzeugt werden.
Günstig ist es, wenn die Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung eine Bestromungseinrichtung umfasst, mit welcher jede der M Motorwicklungen sinusförmig oder näherungsweise sinusförmig bestrombar ist. Durch eine solche Bestromungseinrichtung kann insbesondere eine nahezu ideale sinusförmige Bestromungskurve generiert werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung eine Signalerzeugungseinrichtung umfasst, mit welcher für jede der M Motorwicklungen ein PWM-Signal erzeugbar ist und mit welcher jedes der M PWM-Signale in N Subphasensignale unterteilbar ist, welche in ihrer Phasenlage relativ zueinander jeweils um 360°/N versetzt sind. Durch diese besondere Signalerzeugungseinrichtung ist es insbesondere möglich, bei einer fest vorgegebenen Taktfrequenz durch Erzeugung der N jeweils um 360°/N versetzten Subphasensignale insgesamt eine Vervielfachung der tatsächlich zur Verfügung stehenden Taktfrequenz um den Faktor N zu erreichen, wobei N die Zahl der Subphasen ist und mindestens zwei beträgt. Dadurch kann die generierte Bestromungskurve noch optimaler an eine ideale Sinuskurve angepasst werden. Ferner ist es so möglich, trotz einer vorgegebenen Begrenzung einer maximalen Taktfrequenz bei aktuell marktverfügbaren Prozessoren noch höhere Frequenzen für die PWM zu erreichen. Außerdem können aufgrund der Taktfrequenzerhöhung bei gleicher Bestromungsleistung kleinere Spannungssprünge an den einzelnen Motorwicklungen erreicht wer den, wodurch sich die an jeder Motorwicklung abfallende, durch das sogenannte Strom-Ripple verursachte Verlustleistung um den Faktor 1/N² reduzieren lässt. Insgesamt wird so der Wirkungsgrad der Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung deutlich erhöht. N und M definieren jeweils Anzahlen der genannten Elemente und Einrichtungen, wobei N und M jeweils mindestens zwei betragen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann ferner eine Wandlereinrichtung vorgesehen sein, mit welcher die jeweils einer der M Motorwicklungen zugeordneten N Subphasensignale in N Subphasenwicklungsspannungen umsetzbar sind, welche in ihrer Phasenlage relativ zueinander jeweils um 360°/N versetzt sind, mit welcher zur Erzeugung eines Stromflusses durch jede der M Motorwicklungen an jede der M Motorwicklungen eine Wicklungsspannung anlegbar ist und mit welcher die jeweils einer der M Motorwicklungen zugeordneten N Subphasenwicklungsspannungen für jede der M Motorwicklungen getrennt überlagerbar sind zur jeweiligen Wicklungsspannung, welche an die jeweilige Motorwicklung anlegbar ist zur Erzeugung des Wicklungsstromes. Durch diese besondere Wandlereinrichtung ist es möglich, die phasenversetzten Subphasensignale in entsprechende Subphasenwicklungsspannungen umzusetzen, die dann getrennt für jede Motorwicklung zur jeweiligen Wicklungsspannung überlagert werden.
Besonders einfach wird der Aufbau der chirurgischen Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung, wenn die Wandlereinrichtung derart ausgebildet ist, dass die jeweils einer der M Motorwicklungen zugeordneten N Subphasenwicklungsspannungen durch Addition überlagerbar sind.
Um auf einfache Weise sicherzustellen, dass aufgrund der erzeugten Subphasensignale insgesamt eine möglichst ideale Bestromungskurve erreichbar ist, ist es günstig, wenn die Wandlereinrichtung derart ausgebildet ist, dass die jeweils einer der M Motorwicklungen zugeordneten N Subphasenwicklungsspannungen mit jeweils derselben Signalamplitude erzeugbar sind.
Vorteilhaft ist es, wenn die Wandlereinrichtung derart ausgebildet ist, dass die jeweils einer der M Motorwicklungen zugeordneten N Subphasenwicklungsspannungen derart zur jeweiligen Wicklungsspannung überlagerbar sind, dass eine Signalamplitude der Wicklungsspannung 1/N einer Signalamplitude der jeweiligen N Subphasenwicklungsspannungen beträgt. Dies bedeutet, dass die ursprünglichen Spannungssprünge, also die Signalamplituden der Subphasenwicklungsspannungen, um den Faktor N größer sind als die Signalamplitude der Wicklungsspannung an der jeweiligen Motorwicklung. Durch diese Verringerung der Spannungssprünge um den Faktor 1/N kann insgesamt auch die durch das Strom-Ripple verursachte Verlustleistung an der Motorwicklung um den Faktor 1/N² verringert werden.
Vorteilhafterweise umfasst die Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung N·M Verstärkerschaltungen, welche mit jedem der jeweils einer der M Motorwicklungen zugeordneten N Subphasensignale ansteuerbar sind. Auf diese Weise lassen sich die einzelnen Subphasensignale unabhängig voneinander in Subphasenwicklungsspannungen umsetzen. Erforderliche Schaltzeiten der Verstärkerschaltungen orientieren sich dann an der jeweiligen Taktfrequenz des Gesamtsystems und nicht an der durch Überlagerung der Subphasenwicklungsspannungen generierten höheren Taktfrequenz. N·M ist das Produkt der Anzahl N der Subphasensignale und der Anzahl M der Motorwicklungen.
Um die insgesamt N·M Subphasenwicklungsspannungen zu den M Wicklungsspannungen überlagern zu können, ist es günstig, wenn insgesamt M Multiphasenübertragungseinrichtungen zum Überlagern der N·M Subphasenwicklungsspannungen zu den Wicklungsspannungen vorgesehen sind. Jeder Motorwicklungen kann so eine Multiphasenübertragungseinrichtung zugeordnet werden, mittels der aus den jeweils N Subphasenwicklungsspannungen für jede Motorwicklung die Wicklungsspannung überlagert wird.
Besonders einfach wird der Aufbau der chirurgischen Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung, wenn die M Multiphasenübertragungseinrichtungen in Form von Multiphasentransformatoren ausgebildet sind.
Die Herstellung und der Aufbau der Multiphasenübertragungseinrichtungen kann insbesondere dadurch vereinfacht werden, dass jede der M Multiphasenübertragungseinrichtungen jeweils N Einzelphasenübertragungseinrichtungen umfasst. Mit den N Einzelphasenübertragungseinrichtungen können bei entsprechender Zusammenschaltung derselben die N Subphasenwicklungsspannungen zur jeweiligen Wicklungsspannung für jede Motorwicklung überlagert werden.
Vorzugweise ist jede Einzelphasenübertragungseinrichtung in Form eines Einzeltransformators ausgebildet. Dies ermöglicht es insbesondere, herkömmliche Einzeltransformatoren mit Primär- und Sekundärspulen als Einzelphasenübertragungseinrichtungen zu nutzen und zu einer Multiphasenübertragungseinrichtung zusammenzuschalten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass jeder der N Einzeltransformatoren einer der M Multiphasenübertragungseinrichtungen eine Primärspule mit einem Primäreingang und einem Primärausgang und eine mit der Primärspule induktiv gekoppelte Sekundärspule mit einem Sekundäreingang und einem Sekundärausgang umfasst und dass jeder Primärausgang einer der N Primärspulen mit einem Sekundärausgang einer Sekundärspule eines anderen der N Einzeltransformatoren derselben Multiphasenübertragungseinrichtungen elektrisch leitend verbunden ist. Durch diese Form der Zusammenschaltung der N Einzeltransformatoren zu einer Multiphasenübertragungseinrichtung lassen sich die Subphasenwicklungsspannungen automatisch addieren und die Summe gleichzeitig durch die Anzahl N der Subphasensignale dividieren. Eine aufwendige Recheneinheit ist hierfür nicht erforderlich. Die Verschaltung der Einzeltransformatoren soll insbesondere nicht paarweise, sondern permutiert, also durch entspre chende Permutation der Primärausgänge und der Sekundärausgänge der Einzeltransformatoren, erfolgen.
Um die Subphasensignalspannungen auf einfache Weise in die Multiphasenübertragungseinrichtung einkoppeln zu können, ist es vorteilhaft, wenn jeder Primäreingang von jeder der N Primärspulen einer Multiphasenübertragungseinrichtung mit einer der N Verstärkerschaltungen, welche jeder der M Multiphasenübertragungseinrichtungen zugeordnet sind, elektrisch leitend verbunden ist. So kann jede Subphasenwicklungsspannung in eine der N Einzelphasenübertragungseinrichtungen jeder Multiphasenübertragungseinrichtung eingekoppelt werden.
Vorteilhafterweise ist jeder Sekundäreingang von jeder der N Sekundärspulen einer Multiphasenübertragungseinrichtung mit der zugeordneten gemeinsamen Motorwicklung elektrisch leitend verbindbar. Dies kann durch eine fest installierte elektrisch leitenden Verbindung, beispielsweise ein dauerhaft installiertes Verbindungskabel, erfolgen oder durch ein mit der Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung und der Antriebseinheit lösbar verbindbares Verbindungskabel.
Besonders einfach wird die Ausgestaltung der Multiphasenübertragungseinrichtung, wenn die Einzelphasenübertragungseinrichtungen sternförmig verschaltet sind, so dass der Primärkreis jeder Einzelphasenübertragungseinrichtung jeweils mit dem Sekundärkreis der nächsten Einzelphasenübertragungseinrichtung in Serie geschaltet ist. So kann insbesondere die gewünschte Überlagerung der Subphasenwicklungsspannungen durch Addition auf einfache Weise sichergestellt werden.
Vorzugsweise ist N = 2, 3, 4, 5 oder 6 und/oder ist M = 2, 3, 4, 5 oder 6. Dies bedeutet, dass die PWM-Signale um den Faktor N vervielfacht werden, also verzwei-, verdrei-, vervier-, verfünf- oder versechsfacht werden. Optional können M = 2, 3, 4, 5 oder 6 Motorwicklungen vorgesehen sein, die bestrombar sind. Selbstverständlich können die Zahlen N und M prinzipiell jede natürliche Zahl größer als 1 sein.
Günstig ist es, wenn die chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung einen digitalen Signalprozessor zum Erzeugen der PWM-Signale für jede Motorwicklung umfasst. Insbesondere kann ein einziger digitaler Signalprozessor vorgesehen sein, um alle PWM-Signale für die insgesamt M Motorwicklungen zu erzeugen.
Zur Ansteuerung des digitalen Signalprozessors und/oder eines frei programmierbaren integrierten Schaltkreises ist es besonders günstig, wenn ein Controller hierfür vorgesehen ist. Bei dem frei programmierbaren integrierten Schaltkreis kann es sich insbsonderen um ein ”Field Programmable Gate Array” (FPGA) handeln.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung ferner eine Taktgebereinrichtung umfassen zum Vorgeben einer PWM-Taktfrequenz zum Aus- oder Durchführen des PWM-Verfahrens. Mit der Taktgebereinrichtung kann so die Taktfrequenz oder Grundtaktfrequenz des PWM-Verfahrens gezielt vorgegeben werden.
Vorzugweise wirkt die Signalerzeugungseinrichtung mit der Taktgebereinrichtung derart zusammen, dass die N Subphasensignale jeweils mit der PWM-Taktfrequenz erzeugbar sind. Dadurch kann insbesondere sichergestellt werden, dass keines der N Subphasensignale mit einer anderen Taktfrequenz als der PWM-Taktfrequenz erzeugt wird. Ein Phasenversatz oder eine Phasenverschiebung der Subphasensignale kann beispielsweise durch eine Verzögerungseinrichtung erfolgen, die die Periode der PWM-Taktfrequenz in N gleiche Teile unterteilt.
Günstig ist es, wenn die Taktgebereinrichtung ausgebildet ist zum Erzeugen von PWM-Taktfrequenzen in einem Bereich von 50 kHz bis 500 kHz. Vorzugs weise liegt die PWM-Taktfrequenz in einem Bereich von 10 kHz bis 1000 kHz. Günstig ist es, wenn sie 100 kHz beträgt.
Vorteilhaft ist es, wenn der digitale Signalprozessor ausgebildet ist zum Modulieren einer Pulsweite des PWM-Signals zur Erzeugung eines sinusförmigen Verlaufs der Wicklungsspannungen. Durch entsprechende Modulation, also Vorgabe der Pulsbreiten der PWM-Signale, können so entsprechend lange Signalspannungspulse generiert werden, aufgrund derer entsprechende Ströme in einer vorgegebenen Zeiteinheit fließen und die Bestromungskurve erzeugen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann ferner eine Rotorpositionsbestimmungseinrichtung zum Bestimmen einer Rotorposition des Elektromotors zur Steuerung und/oder Regelung einer Bestromung der M Motorwicklungen vorgesehen sein. Eine derartige Rotorpositionsbestimmungseinrichtung kann insbesondere auch bei einer chirurgischen Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung der eingangs beschriebenen Art vorgesehen sein. Sie ermöglicht es, eine Rotorposition des Elektromotors zu bestimmen, um in Abhängigkeit von dessen Position eine Bestromung der M Motorwicklungen zu optimieren, das heißt den Rotor in gezielter Weise zu beschleunigen oder abzubremsen oder mit konstanter Umdrehungsdrehzahl weiter rotieren zu lassen.
Insbesondere ohne Sensoren am Elektromotor kann die chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung auskommen, wenn die Rotorpositionsbestimmungseinrichtung eine Bestromungsunterbrechungseinrichtung umfasst, mit welcher zur Bestimmung einer Position eins Rotors des Elektromotors mindestens eine der M Motorwicklungen für ein Zeitintervall t_{Unterbrechung} von einer Energieversorgung der Antriebseinheit trennbar ist, wenn mit der Rotorpositionsbestimmungseinrichtung während des Zeitintervalls t_{Unterbrechung} die Gegen-EMK in mindestens einer der M Motorwicklungen messbar ist und wenn die Rotorpositionsbestimmungseinrichtung eine Recheneinheit umfasst zum Berechnen einer Ist-Position des Rotors aus der gemessenen Gegen-EMK. Durch die Größe sowie die Orientierung der Gegen-EMK, also der in der von der Bestromung getrennten Motorwicklung induzierten Spannung, lässt sich eine Rotorposition auf einfache Weise errechnen.
Vorteilhaft ist es, wenn die Bestromungsunterbrechungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass alle Motorwicklungen gleichzeitig für das Zeitintervall t_{Unterbrechung} von der Energieversorgung der Antriebseinheit trennbar sind. Insbesondere ist es so möglich, die Gegen-EMK für nicht nur eine, sondern zwei oder auch mehr Motorwicklungen gleichzeitig zu bestimmen, um die Rotorposition eindeutig identifizieren zu können. Ferner können bei einer gleichzeitigen Unterbrechung der Bestromung Störsignale durch die ansonsten weiterhin bestromten Motorwicklungen vermieden werden.
Besonders einfach wird der Aufbau der Bestromungsunterbrechungseinrichtung, wenn sie derart ausgebildet ist, dass ein konstanter Wert für das Zeitintervall t_{Unterbrechung} vorgebbar ist. Optional wäre es auch denkbar, das Zeitintervall t_{Unterbrechung} zu ändern, und zwar beispielsweise in Abhängigkeit einer Drehzahl des Elektromotors derart, dass das Zeitintervall t_{Unterbrechung} kürzer wird, wenn die Drehzahl des Elektromotors zunimmt, und umgekehrt.
Vorzugsweise ist die Bestromungsunterbrechungseinrichtung derart ausgebildet, dass nach Messung der Gegen-EMK alle Motorwicklungen wieder mit der Energieversorgung der Antriebseinheit elektrisch leitend verbindbar sind. Auf diese Weise kann ein Eingriff in die Bestromung des Elektromotors minimiert werden, nämlich auf die Unterbrechung derselben zur Messung der Gegen-EMK beschränkt, da nur während der Messung der Gegen-EMK die Motorwicklungen von der Energieversorgung getrennt sind. Im übrigen kann die Bestromung der Motorwicklungen in der gewünschten Weise erfolgen.
Um die Bestromungskurve nicht übermäßig zu beeinflussen, ist es vorteilhaft, wenn die Rotorpositionsbestimmungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass die Gegen-EMK erst messbar ist, wenn der Motorstrom einer mindestens der M Motorwicklungen auf Null abgefallen ist. Dies ermöglicht es, in einem Bereich der Bestromungskurve das Zeitintervall t_{Unterbrechung} vorzusehen, während des sen die Gegen-EMK gemessen wird, in dem nur kleine Amplituden realisiert sind.
Günstig ist es, wenn die Rotorpositionsbestimmungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass pro Rotorumdrehung insgesamt N_gesamt = N·M Messungen der Gegen-EMK durchführbar sind. Insbesondere kann so bei den Nulldurchgängen aller Subphasen die Bestromung der Motorwicklungen unterbrochen werden, um die Gegen-EMK zu bestimmen. Dies ermöglicht eine besonders hohe Genauigkeit bei der Bestimmung der Gegen-EMK, insbesondere bei kleinen Drehzahlen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Rotorpositionsbestimmungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass die Messung der Gegen-EMK an einer der M Motorwicklungen durchführbar ist in einem Zeitintervall t_M ± Δt, wobei im Zeitpunkt t_M die an der Motorwicklung anliegende Spannung Null ist. Der Wert für Δt kann insbesondere in Abhängigkeit der PWM-Taktfrequenz veränderbar sein. Auf diese Weise können Störeinflüsse beim Abschalten der einzelnen Motorwicklungen, also beim Trennen derselben von der Energieversorgung, weitestgehend vermieden werden, da nur niedrige effektive Spannungen auf Null geschaltet werden müssen.
Vorzugsweise umfasst die Wandlereinrichtung M Endstufen-Leistungsschaltkreise zur Bestromung der M oder mindestens zwei Motorwicklungen der Antriebseinheit. Es kann also für jede Motorwicklung der Antriebseinheit ein Endstufen-Leistungsschaltkreis vorgesehen sein. Insbesondere kann jeder Endstufen-Leistungsschaltkreis N Verstärkerschaltungen zum Verstärken der N Subphasensignale umfassen.
Vorteilhaft ist es, wenn die chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung M FET-Treiberschaltkreise umfasst, wobei jedem Endstufen-Leistungsschaltkreis ein FET-Treiberschaltkreis zugeordnet ist. Die FET-Treiberschaltkreise umfassen vorzugsweise entsprechende Treiberstufen für jede Verstärkerschaltung der Endstufen-Leistungsschaltkreise, um die Subphasensignale in Subphasenwicklungsspannungen umzuwandeln.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Signalerzeugungseinrichtung einen frei programmierbaren integrierten Schaltkreis umfasst, welcher einerseits dem digitalen Signalprozessor und andererseits den M FET-Treiberschaltkreisen zugeordnet ist. Insbesondere kann der frei programmierbare integrierte Schaltkreis ausgebildet sein, um die PWM-Signale in N Subphasensignale umzuwandeln beziehungsweise zu zerlegen.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Verfahren ein Mulitphasen-PWM-Verfahren ist.
Die Ansteuerung einer chirurgischen Antriebseinheit mit einem sensorlosen Elektromotor mittels eines Multiphasen-PWM-Verfahrens ermöglicht es zum einen, Bestromungskurven der Motorwicklungen idealerweise jeweils in Form einer Sinuskurve zu realisieren, zum anderen ist es möglich, durch die idealeren Bestromungskurven eine elektrische Verlustleistung zu verringern, und zwar in der bereits oben beschriebenen Weise.
Zum Minimieren der elektrischen Verlustleistung und für einen optimierten Betrieb des Elektromotors ist es günstig, wenn mit dem Multiphasen-PWM-Verfahren jede der M Motorwicklungen sinusförmig oder näherungsweise sinusförmig bestromt wird.
Vorzugweise wird für jede der M Motorwicklungen ein PWM-Signal erzeugt und jedes der M PWM-Signale in N Subphasensignale unterteilt, welche in ihrer Phasenlage relativ zueinander jeweils um 360°/N versetzt sind. Dies gestattet es auf einfache Weise, insgesamt eine vorgegebene Taktfrequenz des PWM-Signals an den Motorwicklungen um den Faktor N zu erhöhen, wobei die N Subphasensignale jeweils auch nur mit einer Taktfrequenz des PWM-Signals getaktet sind.
Vorteilhaft ist es, wenn die jeweils einer der M Motorwicklungen zugeordneten N Subphasensignale in N Subphasenwicklungsspannungen umgewandelt werden, welche in ihrer Phasenlage relativ zueinander jeweils um 360°/N versetzt sind, wenn zur Erzeugung eines Stromflusses durch jede der M Motorwicklungen an jede der M Motorwicklungen eine Wicklungsspannung angelegt wird und wenn die jeweils einer der M Motorwicklungen zugeordneten N Subphasenwicklungsspannungen für jede der M Motorwicklungen getrennt überlagert werden zur jeweiligen Wicklungsspannung, welche an die jeweilige Motorwicklung angelegt wird zur Erzeugung des Wicklungsstromes. Das so weiterentwickelte Verfahren ermöglicht es mit einer relativ niedrigen Taktfrequenz die Subphasensignale zu erzeugen, in Subphasenwicklungsspannungen umzuwandeln und anschließend die Subphasenwicklungsspannungen zur Wicklungsspannung für jede der Motorwicklungen zu überlagern.
Besonders einfach wird das Verfahren durchzuführen, wenn die jeweils einer der M Motorwicklungen zugeordneten Subphasenwicklungsspannungen durch Addition überlagert werden.
Günstig ist es, wenn die jeweils einer der M Motorwicklungen zugeordneten N Subphasenwicklungsspannungen alle dieselbe Signalamplitude aufweisen. Sie lassen sich so auf einfache Weise überlagern, beispielsweise durch Addition.
Vorteilhaft ist es, wenn die jeweils einer der M Motorwicklungen zugeordneten N Subphasenwicklungsspannungen derart zur jeweiligen Wicklungsspannung überlagert werden, dass eine Signalamplitude der Wicklungsspannung 1/N einer Signalamplitude der jeweiligen N Subphasenwicklungsspannungen beträgt. Auf diese Weise kann eine Reduzierung der elektrischen, durch das Strom-Ripple verursachte Verlustleistung aufgrund der Bestromung auf 1/N² erreicht werden.
Vorzugweise wird mit jedem der jeweils einer der M Motorwicklungen zugeordneten N Subphasensignale eine Verstärkerschaltung angesteuert. Dies ermöglicht es, Verstärkerschaltungen zu nutzen, die bei verhältnismäßig niedrigen und derzeit verfügbaren marktüblichen Taktfrequenzen betreibbar sind.
Günstig ist es, wenn die insgesamt M·N Subphasenwicklungsspannungen mittels M Multiphasenübertragungseinrichtungen zu den Wicklungsspannungen überlagert werden. So kann jeder Motorwicklung eine Multiphasenübertragungseinrichtung zugeordnet werden, mit der jeweils die diese Motorwicklung zugeordneten in Subphasenwicklungsspannungen zur jeweiligen Wicklungsspannung überlagert werden.
Die Durchführung des Verfahrens vereinfacht sich insbesondere dadurch weiter, dass als Multiphasenübertragungseinrichtungen Multiphasentransformatoren verwendet werden.
Vorzugsweise werden M Multiphasenübertragungseinrichtungen mit jeweils N Einzelphasenübertragungseinrichtungen verwendet. Mit diesen können auf einfache Weise die M·N Subphasenwicklungsspannungen zu den M Wicklungsspannungen umgewandelt werden.
Vorteilhaft ist es, wenn als Einzelphasenübertragungseinrichtungen Einzeltransformatoren verwendet werden. Insbesondere können diese in gewünschter Weise miteinander verschaltet werden.
Um die Subphasenwicklungsspannungen auf einfache Weise zu überlagern, beispielsweise durch Addition, ist es vorteilhaft, wenn jeder der N Einzeltransformatoren einer der M Multiphasenübertragungseinrichtungen eine Primärspule mit einem Primäreingang und einem Primärausgang und eine mit der Primärspule induktiv gekoppelte Sekundärspule mit einem Sekundäreingang und einem Sekundärausgang umfasst und wenn jeder Primärausgang einer der N Primärspulen mit einem Sekundärausgang einer Sekundärspule eines anderen der N Einzeltransformatoren derselben Multiphasenübertragungseinrichtung gekoppelt wird.
Günstig ist es, wenn jeder Primäreingang von jeder der N Primärspulen einer Multiphasenübertragungseinrichtung mit einer der N Verstärkerschaltungen verbunden wird, welche jeder der M Multiphasenübertragungseinrichtungen zugeordnet sind. Auf diese Weise können die N Subphasenwicklungsspannungen, die jeweils an einem Ausgang der N Verstärkerschaltungen abfallen, in gewünschter Weise in die Multiphasenübertragungseinrichtung zur Überlagerung eingekoppelt werden.
Um die durch Überlagerung erzeugten Wicklungsspannungen an die jeweiligen Motorwicklungen anlegen zu können, ist es vorteilhaft, wenn jeder Sekundäreingang von jeder der N Sekundärspulen einer Multiphasenübertragungseinrichtung mit der zugeordneten gemeinsamen Motorwicklung verbunden wird.
Vorteilhafterweise werden die Einzelphasenübertragungseinrichtungen sternförmig verschaltet, so dass der Primärkreis jeder Einzelphasenübertragungseinrichtung jeweils mit dem Sekundärkreis der jeweils nächsten Einzelphasenübertragungseinrichtung in Serie geschaltet ist. Insbesondere kann so eine Überlagerung der Subphasenwicklungsspannungen durch Addition bei gleichzeitiger Division der überlagerten Spannung durch den Faktor N erreicht werden.
Günstigerweise ist N = 2, 3, 4, 5 oder 6 und/oder ist M = 2, 3, 4, 5 oder 6. Denkbar ist es auch, für N und M Zahlenwerte vorzusehen, die größer als 6 sind, vorzugsweise wird das Verfahren bei N = 3 und M = 3 ausgeführt. Damit lässt sich eine Taktfrequenz virtuell um den Faktor N = 3 verdreifachen. M = 3 bedeutet, dass 3 Motorwicklungen an einem Elektromotor vorgesehen sind und die oben beschriebenen und den Motorwicklungen zugeordneten Einrichtungen zur Durchführung des Verfahren ebenfalls jeweils dreimal vorgesehen sind.
Auf einfache Weise lassen sich die PWM-Signale für jede Motorwicklung mit einem digitalen Signalprozessor erzeugen.
Günstig ist es, wenn der digitale Signalprozessor von einem Controllerschaltkreis angesteuert wird. Beispielsweise kann der Signalprozessor eine Taktfrequenz für das Verfahren vorgeben.
Günstigerweise wird das PWM-Verfahren mit einer PWM-Taktfrequenz durchgeführt. Diese kann durch den Controller und/oder den digitalen Signalprozessor vorgegeben werden. Es handelt sich bei der PWM-Frequenz um eine Grundfrequenz des Verfahrens, die durch Unterteilung des PWM-Signals in Subphasensignale um den Faktor N vervielfachbar ist, obwohl alle Berechnungen für jede Subphase nur jeweils für die PWM-Taktfrequenz durchgeführt werden müssen.
Vorzugweise werden die N Subphasensignale mit der PWM-Taktfrequenz erzeugt. Dies ermöglicht es, mit marktüblichen Prozessoren das Verfahren durchzuführen, trotz einer erhöhten Überlagerungsfrequenz der Subphasensignale.
Vorteilhaft ist es, wenn als PWM-Taktfrequenz eine Frequenz in einem Bereich von 10 kHz bis 1000 kHz verwendet wird. Mit derartigen PWM-Taktfrequenzen lassen sich ohne weiteres Drehzahlen von Elektromotoren von 100.000 Umdrehungen pro Minute erreichen, wobei die erzeugte Bestromungskurve an eine ideale Sinuskurve sehr gut angenähert ist. Vorteilhafterweise liegt die PWM-Taktfrequenz in einem Bereich von 50 kHz bis 500 kHz, vorzugsweise in einem Bereich von 100 kHz bis 300 kHz. Günstigerweise beträgt die PWM-Taktfrequenz 200 kHz. Für derartige Taktfrequenzen sind insbesondere elektronische Prozessoren marktverfügbar.
Um insbesondere einen sinusförmigen Verlauf der Wicklungsspannungen zu erzeugen, ist es vorteilhaft, wenn eine Pulsweite des PWM-Signals entsprechend moduliert wird.
Vorteilhaft ist es ferner, insbesondere auch bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art, wenn zur Steuerung und/oder Regelung einer Bestromung der M Motorwicklungen eine Rotorposition des Elektromotors bestimmt wird. So kann sichergestellt werden, dass der Elektromotor in gewünschter Weise beschleunigt, abgebremst oder mit gleichbleibender Drehzahl betrieben werden kann.
Günstig ist es, wenn zur Bestimmung einer Position eines Rotors des Elektromotors mindestens eine der M Motorwicklungen für ein Zeitintervall t_{Unterbrechung} von einer Energieversorgung der Antriebseinheit getrennt wird, wenn während des Zeitintervalls t_{Unterbrechung} die Gegen-EMK an mindestens einer der M Motorwicklungen gemessen wird und wenn aus der gemessenen Gegen-EMK eine Ist-Position des Rotors berechnet wird. Das so weiterentwickelte erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, eine Rotorposition ohne Zuhilfenahme von Sensoren zu bestimmen. Die Rotorposition wird berechnet aus einer während des Zeitintervalls t_{Unterbrechung} gemessenen Gegen-EMK, also in einer unbestromten Motorwicklung induzierten Spannung. So kann eine Ist-Position des Rotors eindeutig bestimmt und eine Bestromung des Elektromotors ausgehend von der bestimmten Ist-Position des Rotors optimiert werden.
Um Störsignale bei der Bestimmung der Gegen-EMK zu minimieren, ist es vorteilhaft, wenn alle Motorwicklungen gleichzeitig für das Zeitintervall t_{Unterbrechung} von der Energieversorgung der Antriebseinheit getrennt werden.
Das Verfahren kann auf besonders einfache Weise durchgeführt werden, wenn ein konstanter Wert für das Zeitintervall t_{Unterbrechung} vorgegeben wird. Selbstverständlich kann es auch günstig sein, wenn das Zeitintervall t_{Unterbrechung} anpassbar ist, und zwar beispielsweise in Anhängigkeit einer Umdrehungsgeschwindigkeit des Motors. Beispielsweise wäre es denkbar, das Zeitintervall t_{Unterbrechung} umso kürzer vorzusehen, je schneller sich der Rotor des Elektromotors dreht.
Um möglichst nur einen geringen Eingriff in die Bestromung des Elektromotors vorzunehmen, ist es vorteilhaft, wenn nach Messung der Gegen-EMK alle Motorleitungen wieder an die Energieversorgung der Antriebseinheit angeschlossen oder mit dieser verbunden werden.
Damit Störsignale weiter minimiert werden können, ist es günstig, wenn die Gegen-EMK erst gemessen wird, wenn der Motorstrom mindestens einer der M Motorwicklungen auf Null abgefallen ist. Zudem können so große Spannungsdifferenzen beim Trennen der jeweiligen Motorwicklung oder der Motorwicklungen der Energieversorgungseinheit verhindert werden.
Eine besonders genaue Bestimmung der Rotorposition kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass pro Rotorumdrehung N·M Messungen der Gegen-EMK durchgeführt werden. Das Verfahren kann also insbesondere so realisiert werden, dass bei jedem Nulldurchgang einer Subphase die Gegen-EMK in der jeweiligen Motorwicklung gemessen und die Rotorposition entsprechend berechnet wird.
Günstig ist es, wenn die Messung der Gegen-EMK an einer der M Motorwicklungen durchgeführt wird in einem Zeitintervall t_M ± Δt, wobei der Zeitpunkt t_M so gewählt wird, dass die an der Motorwicklung anliegende Motorspannung im Zeitpunkt t_M Null ist. Bei dieser Variante des Verfahrens wird ausgenutzt, dass pro Umdrehung des Rotors jede erzeugte Strom- beziehungsweise Spannungskurve an jeder Motorwicklung mindestens 2 Nulldurchgänge aufweist und eine Spannungsdifferenz beim Trennen der Motorwicklung von der Energieversorgungseinheit im Bereich eines Nulldurchgangs besonders klein ist. Damit lassen sich insbesondere Störsignale, die die Bestimmung der Gegen-EMK negativ beeinflussen könnten, minimieren oder gar ganz ausschalten.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird ferner bei einem chirurgischen Antriebssystem der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Verfahren zum Steuern und/oder Regeln ein Multiphasen-PWM-Verfahren ist.
Mit einem solchen Multiphasen-PWM-Verfahren lassen sich insbesondere elektrische Verlustleistungen minimieren und gleichzeitig, wie oben beschrieben, nahezu ideale Bestromungskurven für die Motorwicklungen der Antriebseinheiten realisieren.
Günstig ist es, wenn 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 der Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtungen beschriebenen Vorteile auf.
Ferner ist es günstig, wenn die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung ausgebildet ist zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit mittels eines der oben beschriebenen Verfahren zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit. Das chirurgische Antriebssystem weist dadurch ebenfalls die oben im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Varianten des Verfahrens beschriebenen Vorteile auf.
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 in 5;
6: eine schematische Darstellung einer Multiphasenübertragungseinrichtung für eine Motorwicklung;
7: eine beispielhafte Darstellung einer Spannungswelligkeit an einer Motorwicklung zusammen mit dem Motorstrom;
8: eine beispielhafte Darstellung von Stromschwankungen bei einem Motorstrom von 0,37 Ampere in einer Motorwicklung;
9: eine beispielhafte Darstellung des Strom-Ripples wie in 8 bei einer zwanzigfach vergrößerten Zeitauflösung; und
10: eine beispielhafte Darstellung eines Spannungsverlaufs an einer Motorwicklung einer Antriebseinheit.
In 1 ist schematisch ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 versehenes chirurgisches Antriebssystem dargestellt, umfassend eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung in Form eines Steuergeräts 12, fünf Antriebseinheiten 14a bis 14e, zwei, ebenfalls Antriebseinheiten bildende Shaverhandstücke 16a und 16b, ein eine weitere Antriebseinheit bildendes Pistolenhandstück 18, zwei Anschlusskabel 20 und 22 sowie eine Fußsteuerung 24. 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.
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.
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.
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.
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 1 schematisch dargestellt, äußerlich, sondern auch hinsichtlich ihres inneren Aufbaus. Dies bedeutet, dass die in den Antriebseinheiten verbauten Motoren unterschiedlichen Typs sein und sich beispielsweise in ihren Kenngrößen, wie zum Beispiel Minimaldrehzahl, Maximaldrehzahl, Maximalstrom und Maximaldrehmoment, unterscheiden können. Zudem können, wie bei den beiden Shaverhandstücken 16a und 16b, Getriebe integriert sein, welche optional auch in an die Antriebseinheiten 14 sowie an das Pistolenhandstück 18 ankoppelbare Handstücke integriert sein können. Die Handstücke können je nach Ausgestaltung auch selbst zusätzlich mit unterschiedlichen Instrumentenspitzen in Form chirurgischer Werkzeuge bestückt werden.
Des Weiteren umfassen die Shaverhandstücke 16a und 16b jeweils eine Shaverkupplung 48a beziehungsweise 48b zum Anschluss eines Shavers, beispielsweise zur Anwendung in der Arthroskopie.
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.
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.
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.
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.
In 2 ist schematisch der Aufbau eines chirurgischen Instruments 60 dargestellt. Es umfasst eine Antriebseinheit 14, beispielsweise eine Antriebseinheit 14a bis 14e, sowie ein mit einer distalseitigen Kupplung 62 desselben verbindbares Werkzeug 64, zum Beispiel in Form eines in 2 dargestellten Bohrers.
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.
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.
Das Anschlusskabel 20 selbst ist ein dreiadriges Anschlusskabel mit drei Einzelleitern 20a, 20b und 20c. Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind keine Steuer- oder Datenleitungen am Anschlusskabel 20 oder an der Antriebseinheit 40 vorgesehen.
In den Motor 68 ist optional ferner eine Motoridentifikationseinrichtung 80 integriert, wie beispielsweise aus der DE 20 2008 006 868 U1 bekannt.
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 R_{MW_1}, ..., W_{MW_M}, ..., R_{MW_M}, umfasst, angesteuert werden. Bei dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Zahl M der Motorwicklungen drei und die Motorwicklungen werden mit 72a, 72b und 72c bezeichnet.
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.
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 6 nachfolgend näher erläutert anhand des Multiphasentransformators 100a.
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.
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.
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: U_A = 1/3U1A + 1/3U2A + 1/3U3A
Diese Überlagerung der Eingangssignale U1A, U2A, U3A, U1B, U2B, U3B, U1C, U2C und U3C, also der Subphasenwicklungsspannungen, allgemein dargestellt als U_{MW_1_1}, ... U_{MW_1_N}, U_{MW_M_1}, ..., U_{MW_M_N}, ist beispielhaft in 4 für drei unterschiedliche Pulsweiten der Eingangssignale dargestellt. Die in 4 dargestellte Periodendauer t_x berechnet sich aus einer Taktfrequenz f_PWM des ausgeführten PWM-Verfahrens zu t_x = 1/f_PWM.
Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 132 bezeichnete Taktgebereinrichtung der Steuereinrichtung 82 dient zum Vorgeben der PWM-Taktfrequenz f_PWM 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 S_{PWM_1_1}, ..., S_{PWM_1_N}; ...; S_{PWM_M_1}, ..., S_{PWM_M_N}, mit der PWM-Taktfrequenz f_PWM erzeugbar sind. Die Taktgebereinrichtung 132 erzeugt vorzugsweise eine PWM-Taktfrequenz von 100 kHz.
Der digitale Signalprozessor 86 bildet eine Signalerzeugungseinrichtung 120, mit welcher für jede der M = 3 Motorwicklungen R_{MW_1}, ..., R_{MW_M} ein PWM-Signal S_{PWM_1}, ..., S_{PWM_M} erzeugbar ist und mit welcher jedes der PWM-Signale S_{PWM_1}, ..., S_{PWM_M} in N Subphasensignale S_{PWM_1_1}, ..., S_{PWM_1_N}, ..., S_{PWM_M_1}, ..., S_{PWM_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.
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 U_{MW_1_1}, ..., U_{MW_1_N}; ...; U_{MW_M_1}, ..., U_{MW_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 I_{MW_1}, ..., I_{MW_M} durch jede der M = 3 Motorwicklungen R_{MW_1}, ..., R_{MW_M} eine Wicklungsspannung U_{MW_1}, ..., U_{MW_M}, in 3 dargestellt als U_A, U_B und U_C, anlegbar ist und mit welcher die jeweils einer der M = 3 Motorwicklungen zugeordneten N Subphasenwicklungsspannungen für jede der M Motorwicklungen getrennt überlagerbar sind zu der jeweiligen Wicklungsspannung, welche an die jeweilige Motorwicklung angelegt wird zur Erzeugung des Wicklungsstromes I_{MW_1}, ..., I_{MW_M}, dargestellt in 3 als I_A, I_B und I_C. Die Wandlereinrichtung 122 umfasst die Endstufenleistungsschaltkreise 92a, 92b und 92c sowie die Multiphasenübertragungseinrichtungen 98a, 98b und 98c. Aufgrund dieses Aufbaus und der Verschaltung werden vorzugsweise an den drei Primäreingängen 108x, 108y und 108z PWM-Signale gleicher Amplituden beziehungsweise Stärke angelegt, die jedoch in der beschriebenen Weise in ihrer Phasenlage um 120° versetzt sind. Diese Signale werden nun in Multiphasentransformator 100a gemäß obiger Formel gedrittelt und addiert.
Für die Berechnung der anliegenden Spannungen ergibt sich exemplarisch für den Multiphasentransformator 100a folgendes: U_A = 1/3U1A + 1/3U2A + 1/3U3A
An den Einzeltransformatoren 102x, 102y und 102z ergeben sich folgende Beziehungen für die anliegenden Spannungen U1A + UxA – UyA = U_A (1) U2A + UyA – UzA = U_A (2) U3A + UzA – UxA = U_A (3)
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 U1A + U3A + UzA – UyA = 2U_Aund daraus durch einfache Umformung: UyA – UzA = U1A + U3A – 2U_A
Dies eingesetzt in Gleichung (2) liefert: U2A + U1A+ U3A – 2U_A = U_Aworaus man erhält: U1A + U2A + U3A = 3U_A
Wenn U1A = 1 und U2A = U3A = 0, dann gilt:
U_A = 1/3. Dies ergibt eingesetzt in den Gleichungen (1), (2) und (3): 2/3 + UxA – UyA = 0 (1) UyA – UzA = 1/3 (2) UzA – UxA = 1/3. (3)
Die Spannungsbeziehungen der an den Einzeltransformatoren 102x, 102y und 102z anliegenden Spannungen sind für drei unterschiedliche Pulsbreiten in 4 beispielhaft dargestellt und zwar in Form der an den Primäreingängen anliegenden Eingangsspannungen U1A, U2A und U3A, allgemein die Subphasenwicklungsspannungen U_{MW_1_1}, ..., U_{MW_1_N}; ...; U_{MW_M_1}, ..., U_{MW_M_N} sowie die durch Überlagerung gebildete Ausgangsspannung U_A.
Der Spannungssprung U_A an der Motorwicklung 72a beträgt nur ein Drittel der Versorgungsspannung U_S, jedoch bei der dreifachen Frequenz f = 3·f_PWM. Dies entspricht einer Periodendauer T = 1/3t_x, wobei tx die Periodendauer des PWM-Signals mit der Taktfrequenz f_PWM ist und sich zu t_x = 1/f_PWM berechnet.
Für jede Motorwicklung 72a, 72b und 72c, auch als Motorleitung bezeichnet, werden die drei Multiphasenübertragungseinrichtungen 98a, 98b und 98c in entsprechender Weise angesteuert.
Um einen sinusförmigen Verlauf der Motorspannungen U_A, U_B und U_C, wie in 5 dargestellt, zu erzeugen, wird die Pulsweite der entsprechenden PWM-Signale entsprechend verändert, das heißt entsprechend moduliert. Durch die Steuerung der PWM, beispielsweise bei 100 kHz, wird eine Hüllkurve, nämlich die gewünschte sinusförmige Bestromungskurve, zur Ansteuerung des Motors 68 erzeugt. Eine Frequenz von 1 kHz des insgesamt durch Überlagerung erzeugten Sinussignals entspricht dabei 60.000 Umdrehungen pro Minute des Motors 68.
Die Steuereinrichtung 82 bildet somit insgesamt eine Bestromungseinrichtung 124, mit welche jede der M Motorwicklungen sinusförmig oder im Wesentlichen sinusförmig bestrombar ist, wie in 5 dargestellt.
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.
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 t_{Unterbrechung} von einer Energieversorgung der Steuereinrichtung 82 abgetrennt werden. Mit der Rotorpositionsbestimmungseinrichtung 126 ist während des Zeitintervalls t_{Unterbrechung} 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 t_{Unterbrechung} unterbrochen werden durch Trennen des Motors 68 von der Energieversorgung. Das Zeitintervall t_{Unterbrechung} 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.
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 t_{Unterbrechung} vorgegeben durch t_{Unterbrechung} = 2Δt, wobei die Messung der Gegen-EMK an einer der M Motorwicklungen durchgeführt wird im Zeitintervall t_{Unterbrechung} derart, dass im Zeitpunkt t_M bei einer durchgehenden Bestromung die an der Motorwicklung anliegende Motorspannung Null wäre.
Das Abschalten der Wicklungsspannung an einer Motorwicklung ist beispielhaft in 5A dargestellt, in der die Spannung auf Null abfällt zum Zeitpunkt t_M – Δt und erst wieder angeschaltet wird zum Zeitpunkt t_M + Δt. Auf diese Weise kann also im Nulldurchgang des erzeugten Sinussignals die Bestromung insbesondere der Endstufenschaltkreise 92a, 92b und 92c unterbrochen werden und über entsprechende mit den Motorwicklungen verbundene, nicht dargestellte Messzweige der Rotorpositionsbestimmungseinrichtung 126 die gemessene Gegen-EMK ausgewertet und zu Regelungszwecken weiter verarbeitet werden, insbesondere im Zusammenwirken mit dem Controller 84 und dem digitalen Signalprozessor 66.
Beispielhaft sind in den 7 bis 9 Spannungswelligkeiten der an der Motorwicklung 72a anliegenden Wicklungsspannungen U_A (7), sowie der Motorstrom I_A bei 0,37 A in der Motorwicklung 72a des Motors 68 dargestellt, welcher Motorstrom mit 134 bezeichnet ist. Gut zu erkennen ist das Strom-Ripple 136 in 7. In 10 ist beispielhaft der annähernd sinusförmige Spannungsverlauf an der Motorwicklung 72a des Motors 68 dargestellt. Durch die beschriebene Multiphasen-PWM kann trotz einer vorgegebenen festen Taktfrequenz f_PWM von zum Beispiel 100 kHz effektiv eine um den Faktor N höhere, im beschriebenen Beispiel mit N = 3 also 300 kHz, Modulation des PWM-Signals realisiert werden. Zur Erzeugung und Verrechnung der einzelnen Signale sind jedoch nur Prozessoren erforderlich, die die PWM-Taktfrequenz f_PWM = 100 kHz verarbeiten können. Durch die faktische Ver-N-fachung der Signalfrequenz lassen sich elektrische Verluste im Elektromotor 68, die proportional zum Quadrat des fließenden Stroms I multipliziert mit dem jeweiligen Widerstand R der Motorwicklung sind, also I²·R, um den Faktor 1/N², im vorliegenden Beispiel also um 1/9, reduzieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 202008006868 U1 [0104]

Claims

Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung (82) zum Steuern und/oder Regeln einer einen sensorlosen, M Motorwicklungen (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) umfassenden sensorlosen Elektromotor (68) einer chirurgischen Antriebseinheit (14, 16, 18), welche Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung (82) ausgebildet ist zum Ausführen eines Verfahrens zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit (14, 16, 18), dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung (82) ausgebildet ist zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit (14, 16, 18) mittels eines Multiphasen-PWM-Verfahrens.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Bestromungseinrichtung (124), mit welcher jede der M Motorwicklungen (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) sinusförmig oder näherungsweise sinusförmig bestrombar ist.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Signalerzeugungseinrichtung (120), mit welcher für jede der M Motorwicklungen (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) ein PWM-Signal (S_{PWM_1}, ..., S_{PWM_M}) erzeugbar ist und mit welcher jedes der M PWM-Signale (S_{PWM_1}, ..., S_{PWM_M}) in N Subphasensignale (S_{PWM_1_1}, ..., S_{PWM_1_N}; ...; S_{PWM_M_1}, ..., S_{PWM_M_N}) unterteilbar ist, welche in ihrer Phasenlage relativ zueinander jeweils um 360°/N versetzt sind.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Wandlereinrichtung (122), mit welcher die jeweils einer der M Motorwicklungen (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) zugeordneten N Subphasensignale (S_{PWM_1_1}, ..., S_{PWM_1_N}; ...; S_{PWM_M_1}, ..., S_{PWM_M_N}) in N Subphasenwicklungsspannungen (U_{MW_1_1}, ..., U_{MW_1_N}; ...; U_{MW_M_1}, ..., U_{MW_M_N}) umsetzbar sind, welche in ihrer Phasenlage relativ zueinander jeweils um 360°/N versetzt sind, mit welcher zur Erzeugung eines Stromflusses (I_{MW_1}, ..., I_{MW_M}) durch jede der M Motorwicklungen (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) an jede der M Motorwicklungen (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) eine Wicklungsspannung (U_{MW_1}, ..., U_{MW_M}) anlegbar ist und mit welcher die jeweils einer der M Motorwicklungen zugeordneten N Subphasenwicklungsspannungen (U_{MW_1_1}, ..., U_{MW_1_N}; ...; U_{MW_M_1}, ..., U_{MW_M_N}) für jede der M Motorwicklungen (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) getrennt überlagerbar sind zur jeweiligen Wicklungsspannung (U_{MW_1}, ..., U_{MW_M}), welche an die jeweilige Motorwicklung (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) angelegt wird zur Erzeugung des Wicklungsstromes (I_{MW_1}, ..., I_{MW_M}).
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinrichtung (122) derart ausgebildet ist, dass die jeweils einer der M Motorwicklungen (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) zugeordneten N Subphasenwicklungsspannungen (U_{MW_1_1}, ..., U_{MW_1_N}; ...; U_{MW_M_1}, ..., U_{MW_M_N}) durch Addition überlagerbar sind.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinrichtung (122) derart ausgebildet ist, dass die jeweils einer der M Motorwicklungen (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) zugeordneten N Subphasenwicklungsspannungen (U_{MW_1_1}, ..., U_{MW_1_N}; ...; U_{MW_M_1}, ..., U_{MW_M_N}) mit jeweils derselben Signalamplitude erzeugbar sind.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinrichtung (122) derart ausgebildet ist, dass die jeweils einer der M Motorwicklungen (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) zugeordneten N Subphasenwicklungsspannungen (U_{MW_1_1}, ..., U_{MW_1_N}; ...; U_{MWM_1}, ..., U_{MW_M_N}) derart zur jeweiligen Wicklungsspannung (U_{MW_1}, ..., U_{MW_M}) überlagerbar sind, dass eine Signalamplitude der Wicklungsspannung (U_{MW_1}, ..., U_{MW_M}) 1/N einer Signalamplitude der jeweiligen N Subphasenwicklungsspannungen (U_{MW_1_1}, ..., U_{MW_1_N}; ...; U_{MW_M_1}, ..., U_{MW_M_N}) beträgt.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, gekennzeichnet durch N·M Verstärkerschaltungen (94a, 94b, 94c), welche mit jedem der jeweils einer der M Motorwicklungen (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) zugeordneten N Subphasensignale (S_{PWM_1_1}, ..., S_{PWM_1_N}; ...; S_{PWM_M_1}, ..., S_{PWM_M_N}) ansteuerbar sind.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, gekennzeichnet durch M Multiphasenübertragungseinrichtungen (98a, 98b, 98c) zum Überlagern der insgesamt M·N Subphasenwicklungsspannungen (U_{MW_1_1}, ..., U_{MW_1_N}; ...; U_{MW_M_1}, ..., U_{MW_M_N}) zu den Wicklungsspannungen (U_{MW_1}, ..., U_{MW_M}).
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die M Multiphasenübertragungseinrichtungen (98a, 98b, 98c) in Form von Multiphasentransformatoren (100a, 100b, 100c) ausgebildet sind.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass jede der M Multiphasenübertragungseinrichtungen (98a, 98b, 98c) jeweils N Einzelphasenübertragungseinrichtungen (118x, 118y, 118z) umfasst.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einzelphasenübertragungseinrichtung (118x, 118y, 118z) in Form eines Einzeltransformators (102x, 102y, 102z) ausgebildet ist.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der N Einzeltransforma toren (102x, 102y, 102z) einer der M Multiphasenübertragungseinrichtungen (98a, 98b, 98c) eine Primärspule (104x, 104y, 104z) mit einem Primäreingang (108x, 108y, 108z) und einem Primärausgang (110x, 110y, 110z) und eine mit der Primärspule (104x, 104y, 104z) induktiv gekoppelte Sekundärspule (106x, 106y, 106z) mit einem Sekundäreingang (112x, 112y, 112z) und einem Sekundärausgang (114x, 114y, 114z) umfasst und dass jeder Primärausgang (110x, 110y, 110z) einer der N Primärspulen (104x, 104y, 104z) mit einem Sekundärausgang (114x, 114y, 114z) einer Sekundärspule (106x, 106y, 106z) eines anderen der N Einzeltransformatoren (102x, 102y, 102z) derselben Multiphasenübertragungseinrichtung (98a, 98b, 98c) elektrisch leitend verbunden ist.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Primäreingang (108x, 108y, 108z) von jeder der N Primärspulen (104x, 104y, 104z) einer Multiphasenübertragungseinrichtung (98a, 98b, 98c) mit einer der N Verstärkerschaltungen (94a, 94b, 94c), welche jeder der M Multiphasenübertragungseinrichtungen (98a, 98b, 98c) zugeordnet sind, elektrisch leitend verbunden ist.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Sekundäreingang (112x, 112y, 112z) von jeder der N Sekundärspulen (106x, 106y, 106z) einer Multiphasenübertragungseinrichtung (98a, 98b, 98c) mit der zugeordneten gemeinsamen Motorwicklung (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) elektrisch leitend verbindbar ist.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelphasenübertragungseinrichtungen (118x, 118y, 118z) sternförmig verschaltet sind, so dass der Primärkreis (104x, 104y, 104z) jeder Einzelphasenübertragungseinrichtung (118x, 118y, 118z) jeweils mit dem Se kundärkreis (106x, 106y, 106z) der jeweils nächsten Einzelphasenübertragungseinrichtung (118x, 118y, 118z) in Serie geschaltet ist.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass N = 2, 3, 4, 5 oder 6 ist und/oder dass M = 2, 3, 4, 5 oder 6.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen digitalen Signalprozessor (86) zum Erzeugen der PWM-Signale (S_{PWM_1}, ..., S_{PWM_M}) für jede Motorwicklung (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}).
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch einen Controller (84) zum Ansteuern des digitalen Signalprozessors (86) und/oder eines frei programmierbaren integrierten Schaltkreises (88).
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Taktgebereinrichtung (132) zum Vorgeben einer PWM-Taktfrequenz f_PWM zum Durchführen des PWM-Verfahrens.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalerzeugungseinrichtung (120) mit der Taktgebereinrichtung (132) derart zusammenwirkt, dass die N Subphasensignale (S_{PWM_1_1}, ..., S_{PWM_1_N}; ...; S_{PWM_M_1}, ..., S_{PWM_M_N}) mit der PWM-Taktfrequenz f_PWM erzeugbar sind.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktgebereinrichtung (132) ausgebildet ist zum Erzeugen von PWM-Taktfrequenzen f_PWM in einem Bereich von 10 kHz bis 1000 kHz.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Signalprozessor (86) ausgebildet ist zum Modulieren einer Pulsweite des PWM-Signals (S_{PWM_1}, ..., S_{PWM_M}) zur Erzeugung eines sinusförmigen Verlaufs der Wicklungsspannungen (U_{MW_1}, ..., U_{MW_M}).
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, gekennzeichnet durch eine Rotorpositionsbestimmungseinrichtung (126) zum Bestimmen einer Rotorposition des Elektromotors (68) zur Steuer- und/oder Regelung einer Bestromung der M Motorwicklungen (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}).
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorpositionsbestimmungseinrichtung (126) eine Bestromungsunterbrechungseinrichtung (128) umfasst, mit welcher zur Bestimmung einer Position eines Rotors des Elektromotors (68) mindestens eine der M Motorwicklungen (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) für ein Zeitintervall t_{Unterbrechung} von einer Energieversorgung (96) der Antriebseinheit (14, 16, 18) trennbar ist, dass mit der Rotorpositionsbestimmungseinrichtung (126) während des Zeitintervalls t_{Unterbrechung} die Gegen-EMK in mindestens einer der M Motorwicklungen (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) messbar ist und dass die Rotorpositionsbestimmungseinrichtung (126) eine Recheneinheit (130) umfasst zum Berechnen einer Ist-Position des Rotors aus der gemessenen Gegen-EMK.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromungsunterbrechungseinrichtung (128) derart ausgebildet ist, dass alle M Motorwicklungen (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) gleichzeitig für das Zeitintervall t_{Unterbrechung} von der Energieversorgung (96) der Antriebseinheit (14, 16, 18) trennbar sind.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromungsunterbrechungseinrichtung (128) derart ausgebildet ist, dass ein konstanter Wert für das Zeitintervall t_{Unterbrechung} vorgebbar ist.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestromungsunterbrechungseinrichtung (128) derart ausgebildet ist, dass nach Messung der Gegen-EMK alle M Motorwicklungen (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) wieder mit der Energieversorgung (96) der Antriebseinheit (14, 16, 18) elektrisch leitend verbindbar sind.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorpositionsbestimmungseinrichtung (126) derart ausgebildet ist, dass die Gegen-EMK erst messbar ist, wenn der Motorstrom (I_{MW_1}, ..., I_{MW_M}) mindestens einer der M Motorwicklungen (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) auf Null abgefallen ist.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorpositionsbestimmungseinrichtung (126) derart ausgebildet ist, dass pro Rotorumdrehung N·M Messungen der Gegen-EMK durchführbar sind.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorpositionsbestimmungseinrichtung (126) derart ausgebildet ist, dass die Messung der Gegen-EMK an einer der M Motorwicklungen (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) durchführbar ist in einem Zeitintervall t_M ± Δt, wobei im Zeitpunkt t_M die an der Motorwicklung (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) anliegende Motorspannung (U_{MW_1}, ..., U_{MW_M}) Null Ist.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinrichtung (122) M Endstufen-Leistungsschaltkreise (92) umfasst zur Bestromung der M Motorwicklungen (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) der Antriebseinheit.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach Anspruch 32, gekennzeichnet durch M FET-Treiberschaltkreise (90a, 90b, 90c), wobei jedem Endstufen-Leistungsschaltkreis ein FET-Treiberschaltkreis (90a, 90b, 90c) zugeordnet ist.
Chirurgische Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalerzeugungseinrichtung (120) einen frei programmierbaren integrierten Schaltkreis (88) umfasst, welcher einerseits dem digitalen Signalprozessor (86) und andererseits den M FET-Treiberschaltkreisen (90a, 90b, 90c) zugeordnet ist.
Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer chirurgischen Antriebseinheit mit einem sensorlosen Elektromotor, welcher einen Rotor und M Motorwicklungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein Multiphasen-PWM-Verfahren ist.
Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Multiphasen-PWM-Verfahren jede der M Motorwicklungen sinusförmig oder näherungsweise sinusförmig bestromt wird.
Verfahren nach Anspruch 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass für jede der M Motorwicklungen ein PWM-Signal (S_{PWM_1}, ..., S_{PWM_M}) erzeugt wird und dass jedes der M PWM-Signale (S_{PWM_1}, ..., S_{PWM_M}) in N Subphasensignale (S_{PWM_1_1}, ..., S_{PWM_1_N}; ...; S_{PWM_M_1}, ..., S_{PWM_N}) unterteilt. wird, welche in ihrer Phasenlage relativ zueinander jeweils um 360°/N versetzt sind.
Verfahren nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils einer der M Motorwicklungen zugeordneten N Subphasensignale (S_{PWM_1_1}, ..., S_{PWM_1_N}; ...; S_{PWM_M_1}, ..., S_{PWM_M_N}) in N Subphasenwicklungsspannungen (U_{MW_1_1}, ..., U_{MW_1_N}; ...; U_{MW_M_1}, ..., U_{MW_M_N}) umgesetzt werden, welche in ihrer Phasenlage relativ zueinander jeweils um 360°/N versetzt sind, dass zur Erzeugung eines Stromflusses (I_{MW_1}, ..., I_{MW_M}) durch jede der M Motorwicklungen (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) an jede der M Motorwicklungen (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) eine Wicklungsspannung (U_{MW_1}, ..., U_{MW_M}) angelegt wird und dass die jeweils einer der M Motorwicklungen zugeordneten N Subphasenwicklungsspannungen (U_{MW_1_1}, ..., U_{MW_1_N}; ...; U_{MW_M_1}, ..., U_{MW_M_N}) für jede der M Motorwicklungen (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) getrennt überlagert werden zur jeweiligen Wicklungsspannung (U_MW-1, ..., U_{MW_M}), welche an die jeweilige Motorwicklung (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) angelegt wird zur Erzeugung des Wicklungsstromes (I_{MW_1}, ..., I_{MW_M}).
Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils einer der M Motorwicklungen zugeordneten N Subphasenwicklungsspannungen (U_{MW_1_1}, ..., U_{MW_1_N}; ...; U_{MW_M_1}, ..., U_{MW_M_N}) durch Addition überlagert werden.
Verfahren nach Anspruch 38 oder 39, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils einer der M Motorwicklungen zugeordneten N Subphasenwicklungsspannungen (U_{MW_1_1}, ..., U_{MW_1_N}; ...; U_{MW_M_1}, ..., U_{MW_M_N}) alle dieselbe Signalamplitude aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils einer der M Motorwicklungen zugeordneten N Subphasenwicklungsspannungen (U_{MW_1_1}, ..., U_{MW_1_N}; ...; U_{MW_M_1}, ..., U_{MW_M_N}) derart zur jeweiligen Wicklungsspannung (U_{MW_1}, ..., U_{MW_M}) überlagert werden, dass eine Signalamplitude der Wicklungsspannung (U_{MW_1}, ..., U_{MW_M}) 1/N einer Signalamplitude der jeweiligen N Subphasenwicklungsspannungen (U_{MW_1_1}, ..., U_{MW_1_N}; ...; U_{MW_M_1}, ..., U_{MW_M_N}) betragt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 37 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass mit jedem der jeweils einer der M Motorwicklungen zugeordneten N Subphasensignale (S_{PWM_1_1}, ..., S_{PWM_1_N}; ...; S_{PWM_M_1}, ..., S_{PWM_M_N}) eine Verstärkerschaltung angesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass die insgesamt M·N Subphasenwicklungsspannungen (U_{MW_1_1}, ..., U_{MW_1_N}; ...; U_{MW_M_1}, ..., U_{MW_M_N}) mittels M Multiphasenübertragungseinrichtungen zu den Wicklungsspannungen (U_{MW_1}, ..., U_{MW_M}) überlagert werden.
Verfahren nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, dass als Multiphasenübertragungseinrichtungen Multiphasentransformatoren verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 43 oder 44, dadurch gekennzeichnet, dass M Multiphasenübertragungseinrichtungen mit jeweils N Einzelphasenübertragungseinrichtungen verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, dass als Einzelphasenübertragungseinrichtungen Einzeltransformatoren verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der N Einzeltransformatoren einer der M Multiphasenübertragungseinrichtungen eine Primärspule mit einem Primäreingang und einem Primärausgang und eine mit der Primärspule induktiv gekoppelte Sekundärspule mit einem Sekundäreingang und einem Sekundärausgang umfasst und dass jeder Primärausgang einer der N Primärspulen mit einem Sekundärausgang einer Sekundärspule eines anderen der N Einzeltransformatoren derselben Multiphasenübertragungseinrichtung gekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Primäreingang von jeder der N Primärspulen einer Multiphasenübertragungseinrichtung mit einer der N Verstärkerschaltungen verbunden wird, welche jeder der M Multiphasenübertragungseinrichtungen zugeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 47 oder 48, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Sekundäreingang von jeder der N Sekundärspulen einer Multiphasenübertragungseinrichtung mit der zugeordneten gemeinsamen Motorwicklung verbunden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 47 bis 49, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelphasenübertragungseinrichtungen sternförmig verschaltet werden, so dass der Primärkreis jeder Einzelphasenübertragungseinrichtung jeweils mit dem Sekundärkreis der jeweils nächsten Einzelphasenübertragungseinrichtung in Serie geschaltet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 37 bis 50, dadurch gekennzeichnet, dass N = 2, 3, 4, 5 oder 6 ist und/oder dass M = 2, 3, 4, 5 oder 6.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 51, dadurch gekennzeichnet, dass die PWM-Signale für jede Motorwicklung mit einem digitalen Signalprozessor erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 52, dadurch gekennzeichnet, dass der digitale Signalprozessor von einem Controller-Schaltkreis angesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 53, dadurch gekennzeichnet, dass das PWM-Verfahren mit einer PWM-Taktfrequenz durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 54, dadurch gekennzeichnet, dass die N Subphasensignale mit der PWM-Taktfrequenz erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 54 oder 55, dadurch gekennzeichnet, dass als PWM-Taktfrequenz eine Frequenz in einem Bereich von 10 kHz bis 1000 kHz verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 56, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung eines sinusförmigen Verlaufs der Wicklungsspannungen (U_{MW_1}, ..., U_{MW_M}) eine Pulsweite des PWM-Signals entsprechend moduliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 57 oder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 35, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuer- und/oder Regelung einer Bestromung der M Motorwicklungen eine Rotorposition des Elektromotors bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 58, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung einer Position eines Rotors des Elektromotors mindestens eine der M Motorwicklungen für ein Zeitintervall t_{Unterbrechung} von einer Energieversorgung der Antriebseinheit getrennt wird, dass während des Zeitintervalls t_{Unterbrechung} die Gegen-EMK in mindestens einer der M Motorwicklungen gemessen wird und dass aus der gemessenen Gegen-EMK eine Ist-Position des Rotors berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 59, dadurch gekennzeichnet, dass alle Motorwicklungen gleichzeitig für das Zeitintervall t_{Unterbrechung} von der Energieversorgung der Antriebseinheit getrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 59 oder 60, dadurch gekennzeichnet, dass ein konstanter Wert für das Zeitintervall t_{Unterbrechung} vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 59 bis 61, dadurch gekennzeichnet, dass nach Messung der Gegen-EMK alle Motorwicklungen wieder an die Energieversorgung der Antriebseinheit angeschlossen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 59 bis 62, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegen-EMK erst gemessen wird, wenn der Motorstrom mindestens einer der M Motorwicklungen auf Null abgefallen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 59 bis 63, dadurch gekennzeichnet, dass pro Rotorumdrehung N·M Messungen der Gegen-EMK durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 59 bis 64, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Gegen-EMK an einer der M Motorwicklungen (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) durchgeführt wird in einem Zeitintervall t_M ± Δt, wobei der Zeitpunkt t_M so gewählt wird, dass die an der Motorwicklung (R_{MW_1}, ..., R_{MW_M}) anliegende Motorspannung (U_{MW_1}, ..., U_{MW_M}) im Zeitpunkt t_M Null ist.
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 M Motorwicklungen umfasst, wobei die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung ausgebildet ist zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit mittels eines Verfahrens zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Steuern und/oder Regeln ein Multiphasen-PWM-Verfahren ist.
Chirurgisches Antriebssystem nach Anspruch 66, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung in Form einer Motorsteuerungs- und/oder -regelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 34 ausgebildet ist.
Chirurgisches Antriebssystem nach Anspruch 66 oder 67, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung ausgebildet ist zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit mittels eines Verfahrens zum Steuern und/oder Regeln der Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 35 bis 65.