MÁQUINA QUIRÚRGICA Y PROCEDIMIENTO PARA EL CONTROL Y/O LA REGULACIÓN DE UNA MÁQUINA QUIRÚRGICA.

Máquina quirúrgica (10) con un motor eléctrico (14) sin sensores,

que presenta un rotor y al menos dos devanados del motor, y con un control del motor (24) para el control y/o la regulación del motor eléctrico (14), caracterizada porque con el control del motor (24) se ejecuta un procedimiento (A) de modulación de duración de impulsos por vectores espaciales (SVPWM) para el control y/o la regulación del motor eléctrico (14), en el que todos los devanados del motor se alimentan de corriente eléctrica simultáneamente, porque para el control y/o la regulación de una alimentación de corriente eléctrica de los al menos dos devanados del motor se determina una posición de rotor del motor eléctrico (14), porque para la determinación de la posición de rotor del motor eléctrico (14), al menos uno de los al menos dos devanados del motor se separa del suministro de energía (22) de la máquina (10) durante un intervalo de tiempo (tinterrupción), porque durante el intervalo de tiempo (tinterrupción) se mide una fuerza contraelectromotriz del al menos uno de los al menos dos devanados del motor y porque a partir de la fuerza contraelectromotriz medida se calcula una posición real del rotor

La presente invención se refiere a una máquina quirúrgica con un motor eléctrico sin sensores, que presenta un rotor y al menos dos devanados del motor, y con un control del motor para el control y/o la regulación del motor eléctrico.

Además, la presente invención se refiere a un procedimiento para el control y/o la regulación de una máquina quirúrgica con un motor eléctrico sin sensores, que presenta un rotor y al menos dos devanados del motor, y con un control del motor para el control y/o la regulación del motor eléctrico.

En la cirugía se utilizan de forma creciente máquinas con un suministro de energía independiente de la red. Esto tiene como consecuencia que deben preverse circuitos de conversión, en el caso de baterías o acumuladores utilizados habitualmente como suministros de energía, a fin de proporcionar curvas de tensión y corriente dependientes del tiempo necesarias con varios, en general tres, devanados del motor, a partir de tensiones continuas proporcionadas por los suministros de energía para el funcionamiento de un motor eléctrico.

Debido al suministro de energía independiente de la red, el motor eléctrico debe conmutarse electrónicamente. Además, en particular en el caso de pequeñas velocidades de rotación del motor, es decir, con velocidades de rotación menores de 1000 revoluciones por minuto, se producen elevados requerimientos en el control y/o la regulación del motor. Ya que además se imponen elevadas exigencias en un comportamiento óptimo de arranque del motor bajo carga, así como en su dinámica y al mismo tiempo debe conseguirse el mejor rendimiento posible en cada punto de trabajo, es necesario determinar la posición o ubicación del rotor del motor formado habitualmente por un imán. Solo la posición exacta del rotor permite según la invención poder alimentar con corriente eléctrica las espiras designadas como devanado del motor o estator en el instante de conmutación requerido.

Se conoce la utilización de sistemas sensores para el reconocimiento de la posición, por ejemplo, sistemas Hall digitales o analógicos. En estas realizaciones es desventajoso que los sensores de posición deban integrarse en el motor y conectarse con el control del motor. Por lo tanto, se deben prever contactos correspondientes para cada sensor de posición si el control del motor no está conectado de forma fija con el motor eléctrico. Esto puede provocar corrosión de los contactos durante la limpieza, en particular durante la esterilización de la máquina, y en el caso más grave puede poner fuera de servicio la máquina.

Además, se conoce la utilización de procedimientos de reconocimiento de la posición del sensor sin sensores para aplicaciones en las que no se imponen elevados requerimientos en la dinámica, el momento de arranque y la calidad del motor en el intervalo de bajas velocidades de rotación del motor. Ya que en procedimientos convencionales de conmutación electrónica para motores eléctricos no siempre se alimenta con corriente eléctrica un devanado del motor, para la determinación de la velocidad de rotación real del motor se mide y valora la fuerza contraelectromotriz en el devanado no alimentado con corriente eléctrica.

Los procedimientos de control y regulación conocidos, descritos arriba para máquinas quirúrgicas requieren un elevado coste técnico de conmutación y componentes adicionales, en particular sistemas sensores con sensores de posición, o no son apropiados para hacer arrancar el motor eléctrico con carga de forma orientada desde el estado de reposo y hacerlo funcionar también con velocidades de rotación muy bajas con elevada estabilidad de marcha.

Una máquina quirúrgica y un procedimiento quirúrgico del tipo ya descrito se conocen del documento US 5,689,159. El documento US 6,086,544 da a conocer un dispositivo de control para un dispositivo quirúrgico automático para biopsias. Del documento US 5,994,867 se conocen un procedimiento, así como un dispositivo para el control de una máquina asíncrona sin sensores. Y finalmente en el artículo “FPGA-Based SVPWM control IC for 3-Phase PWM Inverters” procedente de la 26ª Conferencia internacional de Electrónica Industrial, Control e Instrumentación, agosto 1996, páginas 138 a 143, da a conocer un circuito de conmutación y control integrado para convertidores trifásicos PWM.

Por ello el objetivo de la presente invención es mejorar una máquina quirúrgica y un procedimiento para el control y/o la regulación de una máquina quirúrgica del tipo descrito al inicio, de forma que el motor eléctrico pueda hacerse funcionar con un rendimiento óptimo con bajas velocidades de rotación, así como que se haga posible un arranque del motor según lo prescrito también bajo carga.

Este objetivo se resuelve según la reivindicación 1 en el caso de una máquina quirúrgica del tipo descrito al inicio, porque con el control del motor se puede ejecutar un procedimiento de modulación de duración de impulsos por vectores espaciales (SVPWM) para el control y/o la regulación del motor eléctrico, en el que todos los devanados del motor se pueden alimentar con corriente eléctrica simultáneamente, porque para el control y/o la regulación de una alimentación con corriente eléctrica de los al menos dos devanados del motor se puede determinar una posición del rotor del motor eléctrico, porque para la determinación de la posición de rotor del motor eléctrico, al menos uno de los al menos dos devanados del motor se puede separar del suministro de energía de la máquina por un intervalo de tiempo tinterrupción, porque durante el intervalo de tiempo tinterrupción se puede medir una fuerza contraelectromotriz del al menos uno de los dos devanados del motor y porque a partir de la fuerza contraelectromotriz medida se puede calcular una posición real del rotor.

Configurar el control del motor de forma que la máquina quirúrgica se pueda controlar y/o regular mediante procedimientos de modulación de duración de impulsos por vectores espaciales (SVPWM) mejora en particular el arranque del motor y su funcionamiento con velocidades de rotación bajas. El motivo de ello es en particular que, al contrario que en un procedimiento convencional de modulación de duración de impulsos (PWM), se alimentan con corriente eléctrica simultáneamente todos los devanados del motor. Esto significa en particular en un motor eléctrico con tres devanados del motor que no sólo dos, sino los tres devanados del motor se alimentan con corriente eléctrica. En el caso de tres devanados del motor se pueden variar continuamente así respectivamente fases de 60º de un movimiento del rotor del motor eléctrico respecto a los devanados del motor. En los procedimientos de modulación de duración de impulsos (PWM), convencionales o bien utilizados hasta ahora, no podía variarse continuamente un ángulo de campo del campo del estator, sino sólo en pasos de 60º. Ante todo en el caso de bajas velocidades de rotación así se puede conseguir una marcha del motor esencialmente estable. Además, el arranque del motor puede predeterminarse de forma totalmente orientada independientemente de una posición del rotor del motor eléctrico. Básicamente se podría concebir prescindir de una determinación de la posición del rotor del motor eléctrico. No obstante, para optimizar en particular el arranque del motor eléctrico bajo carga es favorable que para el control y/o la regulación de una alimentación con corriente eléctrica de los al menos dos devanados del rotor pueda determinarse una posición del rotor del motor eléctrico. Mediante el procedimiento de modulación de duración de impulsos por vectores espaciales (SVPWM) se puede transferir continuamente el ángulo de campo del campo del estator generado por los devanados del motor alimentados con corriente eléctrica al conocer la posición del rotor, de forma que se consigue un rendimiento óptimo del motor. Además, es ventajoso que para la determinación de la posición de rotor del motor eléctrico, al menos uno de los dos devanados del motor se pueda separar del suministro de energía de la máquina por un intervalo de tiempo tinterrupción, que durante el intervalo de tiempo tinterrupción se pueda medir una fuerza contraelectromotriz del al menos uno de los al menos dos devanados del motor y que a partir de la fuerza contraelectromotriz medida se pueda calcular una posición real del rotor. Con otras palabras, esto significa que la alimentación simultánea con corriente eléctrica en el procedimiento de modulación de duración de impulsos por vectores espaciales (SVPWM) se interrumpe brevemente de forma orientada por un intervalo... [Seguir leyendo]

1. Máquina quirúrgica (10) con un motor eléctrico (14) sin sensores, que presenta un rotor y al menos dos devanados del motor, y con un control del motor (24) para el control y/o la regulación del motor eléctrico (14), caracterizada porque con el control del motor (24) se ejecuta un procedimiento (A) de modulación de duración de impulsos por vectores espaciales (SVPWM) para el control y/o la regulación del motor eléctrico (14), en el que todos los devanados del motor se alimentan de corriente eléctrica simultáneamente, porque para el control y/o la regulación de una alimentación de corriente eléctrica de los al menos dos devanados del motor se determina una posición de rotor del motor eléctrico (14), porque para la determinación de la posición de rotor del motor eléctrico (14), al menos uno de los al menos dos devanados del motor se separa del suministro de energía (22) de la máquina (10) durante un intervalo de tiempo (tinterrupción), porque durante el intervalo de tiempo (tinterrupción) se mide una fuerza contraelectromotriz del al menos uno de los al menos dos devanados del motor y porque a partir de la fuerza contraelectromotriz medida se calcula una posición real del rotor.

2. Máquina según la reivindicación precedente, caracterizada porque el control del motor (24) comprende una unidad de control (36) y una unidad de potencia (40).

3. Máquina según la reivindicación 2, caracterizada porque la unidad de potencia (40) comprende respectivamente dos transistores de potencia (Q1; Q2; Q3; Q4; Q5; Q6) para cada uno de los al menos dos devanados del motor.

4. Máquina según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el motor eléctrico (14) es un motor de corriente continua sin escobillas, conmutado electrónicamente.

5. Máquina según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque todos los devanados del motor se separan simultáneamente durante el intervalo de tiempo (tinterrupción) del suministro de energía (22) de la máquina (10).

6. Máquina según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque las tensiones en bornas de los al menos dos devanados del motor se miden antes o al inicio del intervalo de tiempo (tinterrupción) o antes de la medición de la fuerza contraelectromotriz y porque aquel devanado del motor en el que se mide la tensión más baja se conecta con un potencial de tensión predeterminado.

7. Máquina según la reivindicación 6, caracterizada porque el potencial de tensión predeterminado es la tierra.

8. Máquina según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el control del motor (24) está configurado de forma que la fuerza contraelectromotriz se mide durante el intervalo de tiempo (tinterrupción) sólo después de un tiempo de respuesta transitoria tde respuesta transitoria.

9. Máquina según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el control del motor (24) está configurado de forma que para la determinación de la fuerza contraelectromotriz se mide un desarrollo de la tensión en el o los devanados del motor no conectados con el potencial de tensión predeterminada, y porque el tiempo de respuesta transitoria (tde respuesta transitoria) se corresponde al menos con un tiempo (tconstante) hasta que las tensiones en bornas del o de los devanados del motor no conectados con el potencial de tensión predeterminado son constantes o casi constantes con respecto al tiempo.

10. Máquina según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el control del motor (24) está configurado de forma que está predeterminado un valor constante para el intervalo de tiempo (tinterrupción).

11. Máquina según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el control del motor (24) está configurado de forma que se modifica el intervalo de tiempo (tinterrupción).

12. Máquina según la reivindicación 11, caracterizada porque el control del motor (24) está configurado de forma que la duración del intervalo de tiempo (tinterrupción) se predetermina de forma que durante el intervalo de tiempo (tinterrupción), las tensiones en bornas del o de los devanados del motor no conectados con el potencial de tensión predeterminado adoptan un valor de tensión constante o casi constante con respecto al tiempo.

13. Máquina según una de las reivindicaciones 11 ó 12, caracterizada porque el control del motor (24) está configurado de forma que el intervalo de tiempo (tinterrupción) se aumenta si el tiempo (tconstante) es mayor que el intervalo de tiempo (tinterrupción), y/o porque el intervalo de tiempo (tinterrupción) se reduce si el tiempo (tconstante) es menor que el intervalo de tiempo (tinterrupción).

14. Máquina según una de las reivindicaciones 11 a 13, caracterizada porque el control del motor (24) está configurado de forma que el intervalo de tiempo (tinterrupción) se modifica, en particular se aumenta o reduce, progresivamente por revolución.

15. Máquina según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el control del motor (24) está configurado de forma que una posición teórica del rotor se compara con la posición real del rotor determinada a partir de la medición de la fuerza contraelectromotriz, y porque un ángulo de campo de la modulación de duración de impulsos por vectores espaciales (SVPWM) se reajusta conforme a la diferencia determinada entre la posición teórica y la posición real del rotor.

16. Máquina según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el control del motor (24) está configurado de forma que la fuerza contraelectromotriz sólo se mide si la corriente del motor de al menos uno de los al menos dos devanados del motor ha caído a cero.

17. Máquina según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque está previsto un suministro de energía (22) independiente de la red para el suministro de energía de la máquina (10), en particular una batería.

18. Máquina según la reivindicación 17, caracterizada porque el suministro de energía (22) independiente de la red y el control del motor (24) forman una unidad (20) y porque la unidad (20) está unida de forma separable con la máquina (10).

19. Máquina según una de las reivindicaciones 17 ó 18, caracterizada porque el control del motor (24) comprende un circuito de conexión (42) que sólo conecta un procesador (38) del control del motor (24) con el suministro de energía

(22) independiente de la red si el motor eléctrico (14) está conectado con el control del motor (24).

20. Máquina según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el motor eléctrico (14) presenta tres devanados del motor.

21. Máquina según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque un intervalo de velocidades de rotación global (54, 56) de la máquina quirúrgica (10) está subdividido en al menos un intervalo de velocidades de rotación inferior (54) para velocidades de rotación bajas y en al menos un intervalo de velocidades de rotación superior

(56) para velocidades de rotación más elevadas que el al menos un intervalo de velocidades de rotación inferior (54), y el control del motor (24) está configurado de forma que en el al menos un intervalo de velocidades de rotación inferior

(54) se ejecuta el procedimiento (A) de modulación de duración de impulsos por vectores espaciales (SVPWM).

22. Máquina según la reivindicación 21, caracterizada porque en al menos un intervalo de velocidades de rotación superior (56) se ejecuta un segundo procedimiento para el control y/o la regulación de la máquina quirúrgica (10), el cual es un procedimiento (B) de modulación de duración de impulsos (PWM).

23. Máquina según una de las reivindicaciones 21 ó 22, caracterizada porque se modifica un valor límite de velocidad de rotación (Dlímite1, Dlímite2) entre el al menos un intervalo de velocidades de rotación inferior (54) y el al menos un intervalo de velocidades superior (56).

24. Máquina según una de las reivindicaciones 21 a 23, caracterizada porque el control del motor (24) está configurado de forma que una conmutación del procedimiento (A) de modulación de duración de impulsos por vectores espaciales (SVPWM) al procedimiento (B) de modulación de duración de impulsos (PWM) se realiza con una primera velocidad de rotación de conmutación (Dlímite1), y porque una conmutación del procedimiento (B) de modulación de duración de impulsos (PWM) al procedimiento (A) de modulación de duración de impulsos por vectores espaciales (SVPWM) se realiza con una segunda velocidad de rotación de conmutación (Dlímite2).

25. Máquina según una de las reivindicaciones 21 a 24, caracterizada porque el control del motor (24) está configurado de forma que la conmutación del procedimiento (A) de modulación de duración de impulsos por vectores espaciales (SVPWM) al procedimiento (B) de modulación de duración de impulsos (PWM) se realiza automáticamente en la transición del al menos un intervalo de velocidades de rotación inferior (54) al al menos un intervalo de velocidades de rotación superior (56), y a la inversa.

26. Procedimiento para el control y/o la regulación de una máquina quirúrgica con un motor eléctrico sin sensores, que presenta un rotor y al menos dos devanados del motor, y con un control del motor para el control y/o la regulación del motor eléctrico, caracterizado porque con el control del motor se ejecuta un procedimiento de modulación de duración de impulsos por vectores espaciales (SVPWM), en el que todos los devanados del motor se alimentan de corriente eléctrica simultáneamente, porque para el control y/o la regulación de una alimentación de corriente eléctrica de los al menos dos devanados del motor se determina una posición de rotor del motor eléctrico, porque para la determinación de la posición de rotor del motor eléctrico, al menos uno de los al menos dos devanados del motor se separa del suministro de energía de la máquina durante un intervalo de tiempo (tinterrupción), porque durante el intervalo de tiempo (tinterrupción) se mide la fuerza contraelectromotriz del al menos uno de los al menos dos devanados del motor y porque a partir de la fuerza contraelectromotriz medida se calcula una posición real del rotor.

27. Procedimiento según la reivindicación 26, caracterizado porque el control del motor comprende una unidad de control y una unidad de potencia.

28. Procedimiento según la reivindicación 27, caracterizado porque la unidad de potencia comprende respectivamente dos transistores de potencia para cada uno de los al menos dos devanados del motor.

29. Procedimiento según una de las reivindicaciones 26 a 28, caracterizado porque el motor eléctrico es un motor de corriente continua sin escobillas.

30. Procedimiento según una de las reivindicaciones 26 a 29, caracterizado porque todos los devanados del motor se separan simultáneamente durante el intervalo de tiempo (tinterrupción) del suministro de energía de la máquina.

31. Procedimiento según una de las reivindicaciones 26 a 30, caracterizado porque la tensiones en bornas de los al menos dos devanados del motor se miden antes o al inicio del intervalo de tiempo (tinterrupción) o antes de la medición de la fuerza contraelectromotriz, y porque aquel devanado del motor en el que se mide la tensión más baja se conecta con un potencial de tensión predeterminado.

32. Procedimiento según la reivindicación 31, caracterizado porque el potencial de tensión predeterminado es la tierra.

33. Procedimiento según una de las reivindicaciones 26 a 32, caracterizado porque la fuerza contraelectromotriz se mide durante el intervalo de tiempo (tinterrupción) sólo después de un tiempo de respuesta transitoria (tde respuesta transitoria).

34. Procedimiento según una de las reivindicaciones 26 a 33, caracterizado porque para la determinación de la fuerza contraelectromotriz se mide un desarrollo de la tensión en el o los devanados del motor no conectados con el potencial de tensión predeterminado, y porque el tiempo de respuesta transitoria (tde respuesta transitoria) se corresponde al menos con un tiempo (tconstante) hasta que las tensiones en bornas del o de los devanados del motor no conectados con el potencial de tensión predeterminado son constantes o casi constantes con respecto al tiempo.

35. Procedimiento según una de las reivindicaciones 26 a 34, caracterizado porque se predetermina un valor constante para el intervalo de tiempo (tinterrupción).

36. Procedimiento según una de las reivindicaciones 26 a 35, caracterizado porque el intervalo de tiempo (tinterrupción) se modifica durante el funcionamiento de la máquina.

37. Procedimiento según la reivindicación 36, caracterizado porque la duración del intervalo de tiempo (tinterrupción) se predetermina de forma que durante el intervalo de tiempo (tinterrupción) las tensiones en bornas del o de los devanados del motor no conectados con el potencial de tensión predeterminado adoptan un valor de tensión constante

o casi constante con respecto al tiempo.

38. Procedimiento según una de las reivindicaciones 36 ó 37, caracterizado porque el intervalo de tiempo (tinterrupción) se aumenta si el tiempo (tconstante) es mayor que el intervalo de tiempo (tinterrupción) y/o porque el intervalo de tiempo (tinterrupción) se reduce si el tiempo (tconstante) es menor que el intervalo de tiempo (tinterrupción).

39. Procedimiento según una de las reivindicaciones 36 a 38, caracterizado porque el intervalo de tiempo (tinterrupción) periódicamente se modifica, en particular se aumenta o reduce, progresivamente, en particular por revolución.

40. Procedimiento según una de las reivindicaciones 26 a 39, caracterizado porque después de la medición de la fuerza contraelectromotriz todos los devanados del motor se conectan nuevamente con el suministro de energía de la máquina.

41. Procedimiento según una de las reivindicaciones 26 a 40, caracterizado porque una posición teórica del rotor se compara con la posición real del rotor determinada a partir de la medición de la fuerza contraelectromotriz, y porque un ángulo de campo de la modulación de duración de impulsos por vectores espaciales (SVPWM) se reajusta conforme a la diferencia determinada entre la posición teórica y la posición real del rotor.

42. Procedimiento según una de las reivindicaciones 26 a 41, caracterizado porque la fuerza contraelectromotriz sólo se mide si la corriente del motor de al menos uno de los al menos dos devanados del motor ha caído a cero.

43. Procedimiento según una de las reivindicaciones 26 a 42, caracterizado porque se utiliza un suministro de energía independiente de la red para el suministro de energía de la máquina, en particular una batería.

44. Procedimiento según la reivindicación 43, caracterizado porque el suministro de energía independiente de la red y el control del motor forman una unidad y porque la unidad está unida con la máquina antes de la puesta en marcha de la máquina.

45. Procedimiento según una de las reivindicaciones 43 ó 44, caracterizado porque un procesador del control del motor sólo se conecta con el suministro de energía independiente de la red si el motor eléctrico (14) está conectado con el control del motor.

46. Procedimiento según una de las reivindicaciones 26 a 45, caracterizado porque se utiliza un motor eléctrico con tres devanados del motor.

47. Procedimiento según una de las reivindicaciones 26 a 46, caracterizado porque un intervalo de velocidades de rotación global de la máquina quirúrgica está subdividido en al menos un intervalo de velocidades de rotación inferior para velocidades de rotación bajas y en al menos un intervalo de velocidades de rotación superior para velocidades de rotación más elevadas que el al menos un intervalo de velocidades de rotación inferior, y porque en el al menos un intervalo de velocidades de rotación inferior se ejecuta el procedimiento de modulación de duración de impulsos por vectores espaciales (SVPWM).

48. Procedimiento según la reivindicación 47, caracterizado porque en él al menos un intervalo de velocidades de rotación superior se ejecuta un segundo procedimiento para el control y/o la regulación de la máquina quirúrgica, el cual es un procedimiento de modulación de duración de impulsos (PWM).

49. Procedimiento según una de las reivindicaciones 47 ó 48, caracterizado porque se modifica un valor límite de velocidad de rotación entre el al menos un intervalo de velocidades de rotación inferior y el al menos un intervalo de velocidades superior.

50. Procedimiento según una de las reivindicaciones 47 a 49, caracterizado porque se realiza una conmutación del procedimiento de modulación de duración de impulsos por vectores espaciales (SVPWM) al procedimiento de modulación de duración de impulsos (PWM) a una primera velocidad de rotación de conmutación, y porque se realiza una conmutación del procedimiento de modulación de duración de impulsos (PWM) al procedimiento de modulación de duración de impulsos por vectores espaciales (SVPWM) a una segunda velocidad de rotación de conmutación.

51. Procedimiento según una de las reivindicaciones 47 a 50, caracterizado porque la conmutación del procedimiento de modulación de duración de impulsos por vectores espaciales (SVPWM) al procedimiento de modulación de duración de impulsos (PWM) se realiza automáticamente en la transición del al menos un intervalo de velocidades de rotación inferior al al menos un intervalo de velocidades de rotación superior, y a la inversa.