(57)【要約】  ロータ及び少なくとも２つのモータ巻線を備えたセンサレス電気モータと、この電気モータを制御及び／又は調整するためのモータコントローラとを備えた外科用機械を改善する。このために、上記電気モータは低速回転速度及び上記モータの起動時、及び負荷下においても最適効率で操作可能とされ、上記電気モータの制御及び／又は調整のために空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法が提案される。この方法では、全てのモータ巻線に対して電流が同時に供給可能であり、モータコントローラによって実施可能とされている。外科用機械を制御及び／又は調整するための方法もまた提案される。
2008508839.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ及び少なくとも２つのモータ巻線を含むセンサレス電気モータ（１４）と、前記電気モータ（１４）を制御及び／又は調整するためのモータコントローラ（２４）とを備えた外科用機械（１０）であって、
前記電気モータ（１４）を制御及び／又は調整するための空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法（Ａ）であって、全てのモータ巻線に電流が同時に供給可能であるような方法が、前記モータコントローラ（２４）により実施可能であるようにすること、
を特徴とする外科用機械（１０）。
【請求項２】
請求項１に記載の機械において、前記モータコントローラ（２４）が制御ユニット（３６）及びパワーユニット（４０）を含むことを特徴とするもの。
【請求項３】
請求項２に記載の機械において、前記パワーユニット（４０）が、前記少なくとも２つのモータ巻線のそれぞれに対して、２つのパワートランジスタ（Q1；  Q2；  Q3；  Q4；  Q5；  Q6）をそれぞれ含むことを特徴とするもの。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の機械において、前記電気モータ（１４）が電気的に整流されるブラシレスDCモータであることを特徴とするもの。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の機械において、前記電気モータ（１４）のロータ位置は、前記少なくとも２つのモータ巻線への電流供給を制御及び／又は調整することで決定可能であることを特徴とするもの。
【請求項６】
請求項５に記載の機械において、前記電気モータ（１４）のロータ位置を決定するために、前記少なくとも２つのモータ巻線の少なくとも一方が前記機械（１０）の電源（２２）から時間間隔tinterruptの間分離可能であり、前記少なくとも２つのモータ巻線の前記少なくとも１つにおけるCEMF（逆起電力）が前記時間間隔tinterrupt中に測定可能であり、前記ロータの実位置は前記測定されたCEMF（逆起電力）から計算することができることを特徴とするもの。
【請求項７】
請求項６に記載の機械において、全てのモータ巻線は、時間間隔tinterruptの間、前記機械（１０）の電源（２２）から同時に分離可能であることを特徴とするもの。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の機械において、前記少なくとも２つのモータ巻線に印加される電圧は、前記時間間隔tinterruptの開始時又は開始前、或いはCEMF（逆起電力）の測定前において測定可能であり、最低電圧が測定されるモータ巻線は、所定の電位に接続可能であることを特徴とするもの。
【請求項９】
請求項８に記載の装置において、前記所定の電位は接地であることを特徴とするもの。
【請求項１０】
請求項６〜９のいずれかに記載の機械において、前記モータコントローラ（２４）は、前記時間間隔tinterruptの間、移行時間ttransientが経過する迄は前記CEMF（逆起電力）の測定を行わないことを特徴とするもの。
【請求項１１】
請求項６〜１０のいずれかに記載の機械において、前記モータコントローラ（２４）は、CEMF（逆起電力）を決定するために、電圧の挙動がモータ巻線で測定可能であるか、又は、モータ巻線が前記所定の電位に接続されておらず、かつ、前記移行時間ttransientは、モータ巻線に印加される電圧又は前記所定の電位に接続されていないモータ巻線の電圧が時間の経過により一定もしくはほぼ一定となるまでの時間tconstantに少なくとも対応するように設計されていることを特徴とするもの。
【請求項１２】
請求項６〜１１のいずれかに記載の機械において、前記モータコントローラ（２４）は、前記時間間隔tinterruptに対して一定値が予め定められるように設計されていることを特徴とするもの。
【請求項１３】
請求項６〜１１のいずれかに記載の機械において、前記モータコントローラ（２４）は、前記時間間隔tinterruptが可変となるように設計されていることを特徴とするもの。
【請求項１４】
請求項１３に記載の機械において、前記モータコントローラ（２４）は、前記時間間隔tinterruptを、この時間間隔tinterruptの間に、モータ巻線に印加される電圧又は前記所定の電位に接続されていないモータ巻線の電圧がその時間の経過により一定又はほぼ一定とみなせるように予め定めることができるように設計されていることを特徴とするもの。
【請求項１５】
請求項１３又は１４に記載の機械において、前記モータコントローラ（２４）は、前記時間tconstantが前記時間間隔tinterruptよりも大きいときは前記時間間隔tinterruptを大きくでき、及び／又は前記時間tconstantが前記時間間隔tinterruptよりも小さい場合は前記時間間隔tinterruptを小さくできるように設計されていることを特徴とするもの。
【請求項１６】
請求項１３〜１５のいずれかに記載の機械において、前記モータコントローラ（２４）は、前記時間間隔tinterruptを変更可能で、特に、１回転毎に段階的に大きく又は小さくすることができるように設計されていることを特徴とするもの。
【請求項１７】
請求項６〜１６のいずれかに記載の機械において、前記モータコントローラ（２４）は、前記ロータの特定の位置を、CEMF（逆起電力）の測定により決定される前記ロータの実際の位置と比較可能であり、前記空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）のフィールド角は前記ロータの前記特定の位置と前記実際の位置との間から決定される差に応じて調整可能であるように設計されていることを特徴とするもの。
【請求項１８】
請求項６〜１７のいずれかに記載の機械において、前記モータコントローラ（２４）は、前記少なくとも２つのモータ巻線の少なくとも１つのモータ電流が０にまで下落した後にのみ前記CEMF（逆起電力）の測定が可能であるように設計されていることを特徴とするもの。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれかに記載の機械において、前記機械（１０）への電源供給のために、主電源から独立した電源（２２）、特に電池、を有することを特徴とするもの。
【請求項２０】
請求項１９に記載の機械において、前記主電源から独立した電源（２２）及び前記モータコントローラ（２４）が１つのユニット（２０）を形成し、前記ユニット（２０）が前記機械（１０）に着脱可能に接続されることを特徴とするもの。
【請求項２１】
請求項１９又は２０に記載の機械において、前記モータコントローラ（２４）が接続回路（４２）を備え、この接続回路（４２）は、前記電気モータ（１４）が前記モータコントローラ（２４）に接続されるまでは、前記モータコントローラ（２４）のプロセッサ（３８）を前記主電源から独立した電源（２２）には接続しないことを特徴とするもの。
【請求項２２】
請求項１〜２１のいずれかに記載の機械において、前記電気モータ（１４）が３つのモータ巻線を含むことを特徴とするもの。
【請求項２３】
請求項１〜２２のいずれかに記載の機械において、前記外科用機械（１０）の回転速度範囲全体（５４，５６）は、低速回転用の少なくとも１つの低速回転速度範囲（５４）と、この少なくとも１つの低速回転速度範囲（５４）よりも高速回転用の少なくとも１つの高速回転速度範囲（５６）と、に分割され、前記モータコントローラ（２４）は、前記少なくとも１つの低速回転速度範囲（５４）において前記空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法（Ａ）を実施可能であるように設計されていることを特徴とするもの。
【請求項２４】
請求項２３に記載の機械において、前記外科用機械（１０）を制御及び／又は調整する第２の方法であるパルス幅変調（PWM）方法（Ｂ）を、前記少なくとも１つの高速回転速度範囲（５６）において実施可能であることを特徴とするもの。
【請求項２５】
請求項２３又は２４に記載の機械において、前記少なくとも１つの低速回転速度範囲（５４）と少なくとも１つの高速回転速度範囲（５６）の間の回転速度限界値（Dlimit1、Dlimit2）が変更可能であることを特徴とするもの。
【請求項２６】
請求項２３〜２５のいずれかに記載の機械において、前記モータコントローラ（２４）は、前記空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法（Ａ）から前記パルス幅変調（PWM）方法（Ｂ）への切り替えが、第１の切り替え回転速度（Dlimit1）で発生し、かつ、パルス幅変調（PWM）方法（Ｂ）から空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法（Ａ）への切り替えが、第２の切り替え回転速度（Dlimit2）で発生するように設計されていることを特徴とするもの。
【請求項２７】
請求項２３〜２６のいずれかに記載の機械において、前記モータコントローラ（２４）は、前記空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法（Ａ）から前記パルス幅変調（PWM）方法（Ｂ）への切り替えが、前記少なくとも１つの低速回転速度範囲（５４）から少なくとも１つの高速回転速度範囲（５６）への移行時に自動的に発生し、その逆もしかりとなるように設計されていることを特徴とするもの。
【請求項２８】
ロータ及び少なくとも２つのモータ巻線を備えるセンサレス電気モータと、前記電気モータを制御及び／又は調整するためのモータコントローラとを有する外科用機械の制御及び／又は調整方法であって、
空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法が前記モータコントローラにより実施されることを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項２８に記載の方法において、前記モータコントローラが制御ユニットとパワーユニットを含むことを特徴とするもの。
【請求項３０】
請求項２９に記載の方法において、前記パワーユニットは、前記少なくとも２つのモータ巻線に対してそれぞれ２つのパワートランジスタを含むとことを特徴とするもの。
【請求項３１】
請求項２８〜３０のいずれかに記載の方法において、前記電気モータがブラシレスDCモータであるとことを特徴とするもの。
【請求項３２】
請求項２８〜３１のいずれかに記載の方法において、前記電気モータのロータ位置は、前記少なくとも２つのモータ巻線への電流供給を制御及び／又は調整することで決定されることを特徴とするもの。
【請求項３３】
請求項３２記載の方法において、前記電気モータのロータ位置を決定するために、前記少なくとも２つのモータ巻線の少なくとも一方が前記機械の電源から時間間隔tinterruptの間分離可能であり、前記少なくとも２つのモータ巻線の前記少なくとも１つにおけるCEMF（逆起電力）が前記時間間隔tinterrupt中に測定可能であり、前記ロータの実位置は前記測定されたCEMF（逆起電力）から計算することができることを特徴とするもの。
【請求項３４】
請求項３３に記載の方法において、全てのモータ巻線は、時間間隔tinterruptの間、前記機械の電源から同時に分離可能であることを特徴とするもの。
【請求項３５】
請求項３３又は３４に記載の方法において、前記少なくとも２つのモータ巻線に印加される電圧は、前記時間間隔tinterruptの開始時又は開始前、或いはCEMF（逆起電力）の測定前において測定可能であり、最低電圧が測定されるモータ巻線は、所定の電位に接続可能であることを特徴とするもの。
【請求項３６】
請求項３５に記載の方法において、前記所定の電位は、グランドであることを特徴とするもの。
【請求項３７】
請求項３３〜３６のいずれかに記載の方法において、前記時間間隔tinterruptの間、移行時間ttransientが経過する迄は前記CEMF（逆起電力）の測定を行わないことを特徴とするもの。
【請求項３８】
請求項３３〜３７のいずれかに記載の方法において、CEMF（逆起電力）を決定するために、電圧の挙動がモータ巻線で測定可能であるか、又は、モータ巻線が前記所定の電位に接続されておらず、かつ、前記移行時間ttransientは、モータ巻線に印加される電圧又は前記所定の電位に接続されていないモータ巻線の電圧が時間の経過により一定もしくはほぼ一定となるまでの時間tconstantに少なくとも対応することを特徴とするもの。
【請求項３９】
請求項３３〜３８のいずれかに記載の方法において、前記時間間隔tinterruptに対して一定値が予め定められていることを特徴とするもの。
【請求項４０】
請求項３３〜３８のいずれかに記載の方法において、前記機械の操作中に前記時間間隔tinterruptが変更されることを特徴とするもの。
【請求項４１】
請求項４０に記載の方法において、前記時間間隔tinterruptは、この時間間隔tinterruptの間に、モータ巻線に印加される電圧又は前記所定の電位に接続されていないモータ巻線の電圧がその時間の経過により一定又はほぼ一定とみなせるように予め定められていることを特徴とするもの。
【請求項４２】
請求項４０又は４１に記載の方法において、前記時間tconstantが前記時間間隔tinterruptよりも大きいときは前記時間間隔tinterruptが増加され、及び／又は前記時間tconstantが前記時間間隔tinterruptよりも小さい場合は前記時間間隔tinterruptが減少されることを特徴とするもの。
【請求項４３】
請求項４０〜４２のいずれかに記載の方法において、前記時間間隔tinterruptが周期的に変更、特に、増加又は減少され、この変更は段階的、特に回転毎になされることを特徴とするもの。
【請求項４４】
請求項３３〜４３のいずれかに記載の方法において、CEMF（逆起電力）の測定後、全てのモータラインが前記機械の前記電源に再接続されることを特徴とするもの。
【請求項４５】
請求項３３〜４４のいずれかに記載の方法において、前記ロータの特定の位置を、CEMF（逆起電力）の測定により決定される前記ロータの実際の位置と比較可能であり、前記空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）のフィールド角は前記ロータの前記特定の位置と前記実際の位置との間から決定される差に応じて調整可能であることを特徴とするもの。
【請求項４６】
請求項３３〜４５のいずれかに記載の方法において、前記少なくとも２つのモータ巻線の少なくとも１つのモータ電流が０にまで下落した後にのみ前記CEMF（逆起電力）の測定が可能であることを特徴とするもの。
【請求項４７】
請求項２８〜４６のいずれかに記載の方法において、前記機械への電源供給のために、主電源から独立した電源、特に電池が用いられることを特徴とするもの。
【請求項４８】
請求項４７に記載の方法において、前記主電源から独立した電源及び前記モータコントローラが１つのユニットを形成し、前記ユニットは、前記機械を操作させる前に前記機械に接続されることを特徴とするもの。
【請求項４９】
請求項４７又は４８に記載の方法において、前記電気モータが前記モータコントローラに接続されるまでは、前記モータコントローラのプロセッサは前記主電源から独立した電源に接続されないことを特徴とするもの。
【請求項５０】
請求項２８〜４９のいずれかに記載の方法において、３つのモータ巻線を備えた電気モータが使用されることを特徴とするもの。
【請求項５１】
請求項２８〜５０のいずれかに記載の方法において、前記外科用機械の回転速度範囲全体は、低速回転用の少なくとも１つの低速回転速度範囲と、この少なくとも１つの低速回転速度範囲よりも高速回転用の少なくとも１つの高速回転速度範囲と、に分割され、前記少なくとも１つの低速回転速度範囲において前記空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法が実施されることを特徴とするもの。
【請求項５２】
請求項５１に記載の方法において、前記外科用機械を制御及び／又は調整する第２の方法であるパルス幅変調（PWM）方法を、前記少なくとも１つの高速回転速度範囲において実施することを特徴とするもの。
【請求項５３】
請求項５１又は５２に記載の方法において、前記少なくとも１つの低速回転速度範囲と少なくとも１つの高速回転速度範囲の間の回転速度限界値が変更されることを特徴とするもの。
【請求項５４】
請求項５１〜５３のいずれかに記載の方法において、前記空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法から前記パルス幅変調（PWM）方法への切り替えが、第１の切り替え回転速度で発生し、かつ、パルス幅変調（PWM）方法から空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法への切り替えが、第２の切り替え回転速度で発生されることを特徴とするもの。
【請求項５５】
請求項５１〜５４のいずれかに記載の方法において、前記空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法から前記パルス幅変調（PWM）方法への切り替えが、前記少なくとも１つの低速回転速度範囲から少なくとも１つの高速回転速度範囲への移行時に自動的に発生し、その逆もしかりとされていることを特徴とするもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータ及び少なくとも２つのモータ巻線を含むセンサレス電気モータと、前記電気モータを制御及び／又は調整するためのモータコントローラとを備えた外科用機械に関する。
【０００２】
更に、本発明は、ロータ及び少なくとも２つのモータ巻線を含むセンサレス電気モータと、電気モータを制御及び／又は調整するためのモータコントローラとを備えた外科用機械を制御及び／又は調整するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
主電源から独立した電源を備えた機械が、外科においてますます使用されるようになっている。このため、電源として通常用いられる電池又はアキュムレータのために、コンバータ回路が利用できなければならない。これは、複数（一般的には、３つ）のモータ巻線を備えた電気モータを電源により供給される直流電圧で操作するために必要な時間依存電圧及び電流を提供するためである。
【０００４】
電源が主電源から独立しているため、電気モータは電子的に整流されなければならない。しかしながら、特に低速のモータ回転速度（即ち、毎分1000回転未満）では、モータの制御及び／又は調整に対する要求が大きくなる。更に、負荷を受けたモータの最適な起動時の挙動及びその力学に対する要求は高く、同時に、各動作点において可及的に最良の効率が達成されるべきであることから、モータの位置ないし配置（通常は磁石により形成される）を決定する必要がある。ロータの正確な位置によってのみ、モータ又はステータ巻線として参照されるコイルに、上記目的に従い、整流が要求される時点で電流を供給することが可能となる。
【特許文献１】WO 98/06338
【特許文献２】DE 198 46 831 A1 (US 6,249,094 B1)
【特許文献３】US 2003/0155878 A1
【特許文献４】US 5,689,159
【特許文献５】US 6,068,544
【特許文献６】US 5,994,867
【特許文献７】US 6,013,991
【非特許文献１】Felix Jenny/Dieter Wueest, "Steuerverfahren fuer selbstgefuehrte Stromrichter", (C) 1995 vdf Hochschulverlag AG an der ETH Zuerich und B.G. Teubner Stuttgart
【非特許文献２】FPGA-Based SVPWM Control IC for 3-Phase PWM Inverters Ying-Yu Tzou, Member, IEEE, Hau-Jean Hsu, and Tien-Sung kuo Power Electronic and Motion Control Labl, Institute of Control Engineering, National Chiao Tung Univ., Taiwan, R.O.C.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
センサシステム（例えば、デジタル又はアナログホールシステム）を位置認識に使用することが知られている。このような構成の不利な点は、位置センサをモータに組み入れてモータコントローラに接続しなければならない、ということである。従って、モータコントローラが電気モータに固定的に接続されない場合は、各位置センサに対応する接点を設けなければならない。これにより、洗浄時（特に、機械の殺菌時）に接点の腐食が起こり、最悪の場合には、機械の動作が停止するおそれがある。
【０００６】
更に、モータの低速回転速度範囲における力学、起動トルク、及びモータクオリティへの要求が高くない用途について、センサレスロータ位置認識方法を用いることも知られている。電気モータのための従来の整流方法によれば、１つのモータ巻線には電流が常時供給されていないため、電流が供給されていないモータ巻線にてCEMF（counterelectromotive force：逆起電力）が測定され、モータの実回転速度を決定するために評価される。
【０００７】
外科用機械のための上述した既知の制御及び調整方法によると、回路の使用量が増加して追加の部品（特に、位置センサを備えたセンサシステム）が必要となるか、或いは、特に電気モータを負荷下の停止状態から起動して非常に低速の回転速度でかつ高い動作円滑性をもって操作するには適当でない。
【０００８】
従って、本発明の基調を成す目的は、次のようになるよう、冒頭で述べた種類の外科用機械並びにこの外科用機械を制御及び調整する方法を改良することである。即ち、上記電気モータが低速回転速度において最適な効率で操作可能であり、かつ、この目的に従い負荷下においても前記モータの起動が可能となるよう、改良することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的は、冒頭で述べた種類の外科用機械において、本発明に従い、次のようにすることで達成される。即ち、上記電気モータを制御及び／又は調整するための空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法であって、全てのモータ巻線に電流が同時に供給可能であるような方法が、上記モータコントローラにより実施可能であるようにすることである。
【００１０】
上記外科用機械が空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法によって制御及び／又は調整可能となるよう上記モータコントローラを設計することは、特に、上記モータの起動及び低速回転速度におけるモータの動作を向上させる。これは、特に、従来のパルス幅変調（PWM）方法とは異なり、全てのモータ巻線に電流が同時に供給される、という理由による。このことは、特に３つのモータ巻線を備えた電気モータでは、２つだけではなく３つ全てのモータ巻線に電流が供給されることを意味する。従って、３つのモータ巻線の場合には、モータ巻線に電気モータのロータの移動を位相60°から無段階に変化させることができる。これまで使用された従来のパルス幅変調（PWM）方法やパルス幅変調（PWM）方法では、ステータフィールドのフィールド角は無段階に変更できず、60°のステップでしか変更できなかった。従って、上記モータのかなり滑らかな動作を、特に低速回転速度で達成することができる。更に、上記電気モータのロータの位置から独立して、このモータの起動を極めて明確に規定することができる。
【００１１】
上記モータコントローラが制御ユニット及びパワーユニットを含む場合、上記機械の最適な設計が実現される。このようにして、特に、上記電気モータが停止している場合に、上記機械の電力消費量が最小限にされる。
【００１２】
上記少なくとも２つのモータ巻線の各々のための２つのパワートランジスタをそれぞれ含む上記パワーユニットにより、電子整流を簡単な方法で実現することができる。これにより、電源としてただ１つの直流電圧源だけが利用可能な場合にも、基準電位に対して正負の電圧を上記少なくとも２つのモータ巻線に簡単な方法で印加することができる。
【００１３】
上記電気モータがブラシレスDCモータである場合、上記機械は特に保守管理し易い。特に、上記電気モータも又電子整流可能である。
【００１４】
原則として、上記電気モータのロータのロータ位置の決定を省略することが考えられる。しかしながら、特に、負荷を受けた上記電気モータの起動を最適化することを目的として、上記少なくとも２つのモータ巻線への電流の供給を制御及び／又は調整するために上記電気モータのロータ位置が決定可能であると便利である。このロータ位置が分かると、電流が供給される上記モータ巻線により生成される上記ステータフィールドのフィールド角を、上記モータの最適効率を得るために、空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法によって無段階更にに切り替えることが可能となる。
【００１５】
本発明の好適な実施形態によれば、次のようにすることも可能である。即ち、上記電気モータのロータ位置を決定するために、上記少なくとも２つのモータ巻線の少なくとも１つが、時間間隔tinterruptで上記機械の電源から分離可能であること、上記少なくとも２つのモータ巻線の少なくとも１つのCEMF（逆起電力）が、時間間隔tinterruptで測定可能であること、前記測定されたCEMF（逆起電力）から上記ロータの実位置が計算可能であること、である。言い換えれば、これは次のことを意味する。即ち、空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法において、つまり１つ又は複数の或いは全てのモータ巻線で、ある一定の時間間隔の間、特定の方法により電流の同時供給が短期的に中断されること、である。短期間の中断の際、上記モータ巻線のうちの１つ又は複数の或いは全てにおいてCEMF（逆起電力）を決定し、その大きさから上記モータ巻線に対する上記ロータの位置を結論づけることができる。
【００１６】
全てのモータ巻線が上記機械の電源から時間間隔tinterruptで同時に分離可能である場合、更に、上記ロータ位置の決定を更に向上させることができる。従って、CEMF（逆起電力）は全てのモータ巻線で同時に決定可能であり、１つのモータ巻線だけでCEMF（逆起電力）を決定するに際し何らかの誤差があっても、その影響は比較的重大でない。
【００１７】
上記時間間隔tinterruptができるだけ短く保たれるよう、次のようにすることが便利である。即ち、時間間隔tinterruptの開始時又は開始前に、或いはCEMF（逆起電力）の測定前に、上記少なくとも２つのモータ巻線に印加される電圧が測定可能であり、かつ、最低電位が測定される上記モータ巻線が所定の電位に接続可能であること、である。この処理により、本システムの移行現象にかかる時間が最小限にされる。即ち、CEMF（逆起電力）を最小の待機時間の後に測定することができる。
【００１８】
所定の電位が接地である場合、上記外科用機械の設計は特に簡単になる。
【００１９】
上記ロータ位置の決定を更に最適化するために、移行時間ttransientが経過するまで上記時間間隔tinterruptにおけるCEMF（逆起電力）が測定されないよう、上記モータコントローラを設計することが有利である。言い換えれば、これは次のことを意味する。即ち、例えば上記少なくとも１つのモータ巻線への電流供給が中断されること、つまり、時間間隔tinterruptが開始され、通常は時間間隔tinterruptよりも短い移行時間ttransientが経過した後にのみ、CEMF（逆起電力）が測定される。
【００２０】
ロータ位置が決定される正確さを更に改善するために、CEMF（逆起電力）を決定するために、モータコントローラは、所定の電位に接続されていない１つ或いは複数のモータ巻線で電圧の挙動が測定可能であるように、かつ、移行時間ttransientが、モータ巻線に印加される電圧或いは所定の電位に接続されていないモータ巻線の電圧が時間の経過により一定或いはほぼ一定となるまでの時間であるtconstantに少なくとも対応するように、設計されていることが好ましい。この構成により、移行時間ttransientが必要に応じて変えられるようになる。時間tconstantを決定することで、移行時間ttransientを特定の方法でセットし、最小限にすることができる。
【００２１】
モータコントローラは、好適には、時間間隔tinterruptに対して一定値が定められるよう設計される。従って、モータコントローラは相当に単純化することができる。
【００２２】
この機械の他の実施形態おいては、しかしながら、時間間隔tinterruptが変更可能であるようにモータコントローラを設計することが好ましいであろう。特に、時間tconstantが、初期設定された時間間隔tinterruptより長い場合、時間間隔tinterruptを長く又は短くすることができる。
【００２３】
時間間隔tinterruptの間にモータ巻線に印加される電圧又は所定の電位に接続されていないモータ巻線がその時間の経過により一定又はほぼ一定とみなせるように時間間隔tinterruptの期間が予め定められるようモータコントローラを設計することで、機械の操作の最適化を行うことができる。特に、立ち下がり時間が短い、つまり時間tconstantが非常に短い場合、時間間隔tinterruptをこれに従って調整可能であり、これによりモータ巻線への電流供給の中断時間が最小に短縮されるようになる。特に、低速回転時及び起動時におけるモータ操作の平滑性が改善される。
【００２４】
モータコントローラは、好適には、時間tconstantが時間間隔tinterruptよりも長い場合には時間間隔tinterruptを増加でき、及び／又はtconstantが時間間隔tinterruptよりも短い場合には時間間隔tinterruptを短縮できるように設計される。従って、時間間隔tinterruptは、ロータ位置の検出のためにCEMF（逆起電力）をできる限り正確に測定するために絶対的に必要となる長さよりも長くはならないことが保証される。
【００２５】
原則として、周期的に時間間隔tinterruptを変えることも考えられる。しかしながら、モータコントローラは、時間間隔tinterruptを、１回転毎に段階的に変更可能となるよう設計することが好ましい。特に、時間間隔tinterruptを段階的に増加可能或いは減少可能とすることが好ましい。このようにして、時間間隔tinterruptを、CEMF（逆起電力）を安全かつ正確に決定可能となるように、その時間が少なくとも時間tconstantに対応するまで変えることが可能である。
【００２６】
本発明の好適な実施形態によれば、モータコントローラは、CEMF（逆起電力）測定から決定されるロータの実位置とロータの特定位置との比較が可能で、空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）のフィールド角をロータの特定位置と実位置の間の測定された差に従って調整可能であるように構成されている。モータコントローラは、このようにロータの特定位置と実位置との偏差を測定された位置偏差に基づいて、モータ巻線により形成されたステータフィールドのフィールド角を調節する。このようにしてモータの最適効率化を達成することができる。
【００２７】
CEMF（逆起電力）を更に正確に決定するために、モータコントローラは、少なくとも２つのモータ巻線のうち少なくとも１つのモータ電流が０まで落ちた後にのみCEMF（逆起電力）の測定が可能となるよう設計されることが好ましい。CEMF（逆起電力）の測定におけるモータ電流が流れることによる測定エラーは、いずれもこれにより避けることができる。
【００２８】
原則として、外科用機械に対して電源として主電源に依存する直流電圧源を選ぶことも考えられる。しかしながら、主電源に依存しない電源を機械の電源として供給することが特に好ましい。特に、電池又はアキュムレータを使用することが有利である。更に、燃料電池を使用することも考えられる。このようにして、外科手術中に、煩わしいケーブル接続を用いることなく、所望の方法で上記機械を使用することができる。
【００２９】
主電源とは独立した電源とモータコントローラとは１つのユニットを形成することが好ましく、かつ、このユニットは、上記機械に対して着脱可能であることが好ましい。この場合、特に、熱や湿気に敏感な機械の部分の全てを、例えば機械の殺菌のような洗浄目的のために、取り外すことができるという利点が得られる。モータコントローラ及び主電源とは独立した電源とを１ユニット化した構成によって、外科用機械を使用するための準備に必要となる時間が短縮される。
【００３０】
電気モータが３つのモータ巻線を含む場合、外科用機械の設計は特に簡単なものとなる。
【００３１】
本発明の更なる好適実施形態によれば、外科用機械の回転速度範囲全体が、低回転速度用の少なくとも１つの低速回転速度範囲と、上記少なくとも１つの低速回転速度範囲における回転速度よりも高回転速度である少なくとも１つの高速回転速度範囲に分割され、モータコントローラは、空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法が上記少なくとも１つの低速回転速度範囲において実施可能であるように構成される。このような、外科用機械の一層の開発により、回転速度範囲に最適とされた制御及び／又は調整方法を、外科用機械の制御及び／又は調整のために実施することができる。空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法は、特に、モータの起動時及び低速回転時においてモータを滑らかに操作させることが可能であることから、低速回転速度範囲において実施することが有利である。
【００３２】
更に、少なくとも１つの高速回転速度範囲において、外科用機械を制御及び／又は調整するために、パルス幅変調（PWM）方法を第２の方法として実施可能とすることが好ましい。特に、空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法の代りに、従来の三相キャリア支持されたパルス幅変調（PWM）方法を高速回転速度において実施することは、特に外科用機械の効率に関して利点を有する。とりわけ、回転速度が高くなると、空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法ではロータ位置の決定が困難となり、加えて、この方法では高速回転速度において望ましくない形で電気モータの減衰が生じ、その結果、その効率に悪影響を与える。
【００３３】
少なくとも１つの低速回転速度範囲と、少なくとも１つの高速回転速度範囲との間で、回転速度限界値が変更可能であることが好ましい。換言すれば、これは、回転速度限界値において第１及び第２の制御及び／又は調整方法を切り替えることが可能であることを意味する。例えば、高速回転速度範囲に対して、異なる制御及び／又は調整方法が望ましいか、又は変更される場合、低速回転速度範囲及び高速回転速度範囲の切り替えにおいて回転速度限界値が変更できないことは、例えば、機械の効率に悪影響を及ぼし、従って、回転速度限界値を変更することは、機械の効率に対して良好な影響を有する。
【００３４】
本発明の更なる好適実施形態によれば、モータコントローラは、空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法からパルス幅変調（PWM）方法への切り替えが第１の切り替え回転速度において発生し、これにより、パルス幅変調（PWM）方法から空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法への切り替えが、第２の切り替え回転速度で生じるようにできる。例えば、外科用機械の操作中に、切り替え回転速度の範囲において異なる制御及び／又は調整方法が常に切り替えられるということが生じないように、第１の切り替え回転速度は、第２の切り替え回転速度よりも高い値とすることができる。このようにしない場合、特に、限界範囲において、モータを円滑に操作させることは保証されなくなるであろう。上述の場合、回転速度を加速又は減速する場合、ヒステリシス曲線のような結果が得られ、２つの切り替え回転速度の間の回転速度において、与えられた状況により、制御及び／又は調整方法の一方又は他方のいずれかが実施される。
【００３５】
原則として、外科用機械の設計において、異なる制御及び／又は調整方法の間での切り替えを手動で実施するように設計することが考えられる。しかしながら、モータコントローラでは、好適には、空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法からパルス幅変調（PWM）方法への切り替えを、少なくとも１つの低速回転速度範囲から少なくとも１つの高速回転速度範囲へと移行するときに行い、またその逆もしかりとなっていることが好ましい。その後、機械の操作者は、その外科的用途に専念でき、低速回転速度から高速回転速度への切り替え、及びその逆に関して注意する必要はない。
【００３６】
本発明によれば、最初に述べた目的も、空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法がモータコントローラで行われることで、最初に述べた種類の方法で達成される。
【００３７】
このような最初に述べた方法を更に発展させることで、全てのモータ巻線に同時に電流を供給することができ、これにより、電流が供給されるモータ巻線によって予め決定可能なステータフィールドのフィールド角を、無段階に調整可能とし、かつ所望により変化させることが可能であり、特に、電気モータの起動、及び低速回転速度において最適操作及び電気モータを滑らかに操作させることを達成することができる。
【００３８】
モータコントローラは、制御ユニットとパワーユニットを含むことが好ましい。
【００３９】
パワーユニットは、少なくとも２つのモータ巻線の各々に対して２つのパワートランジスタをそれぞれ含むことが好ましい。特に、これにより電源として直流電圧源を使用することが可能となる。
【００４０】
電気モータをブラシレスDCモータとすることも好ましいであろう。これにより、外科用機械のメンテナンスの容易性も改善される。
【００４１】
電気モータに電流が最良に供給されることを可能にするために、電気モータのロータ位置は、少なくとも２つのモータ巻線への電流供給を制御及び／又は調整するように決定されることが好ましい。これにより、モータ巻線に、ロータ位置に依存して電流を供給することが可能となる。従って、電流が供給されたモータ巻線によって形成されたステータフィールドのフィールド角を、ロータ位置に最良に適応させることが可能となり、従って、電気モータの滑らかな操作及び穏やかな起動を保証することができる。
【００４２】
電気モータのロータ位置を決定するために、少なくとも２つのモータ巻線のうち少なくとも１つは、時間間隔tinterruptの間機械の電源から分離されることが好ましく、また、上記の少なくとも２つのモータ巻線の前記少なくとも１つにおけるCEMF（逆起電力）を時間間隔tinterruptの間に測定することが好ましく、更に、ロータの実位置を、測定されたCEMF（逆起電力）から計算することが好ましい。空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法においては、通常全てのモータ巻線に電流が同時に供給されるので、少なくとも１つのモータ巻線への電流の供給が中断される場合のみ、CEMF（逆起電力）を決定することができる。その後、電流の供給が短時間停止されるモータ巻線における電磁誘導による電圧降下は、その後、CEMF（逆起電力）として測定され、その値から、ロータの実位置が計算される。
【００４３】
好適には、全てのモータ巻線が同時に機械の電源から時間間隔tinterruptの間分離される。これにより、全てのモータ巻線で同時にCEMF（逆起電力）を測定する可能性が開かれ、これにより、ロータの実位置決定における正確さが向上する。
【００４４】
本発明に係る方法の好ましい変形例においては、時間間隔tinterruptの開始時又は開始前、或いはCEMF（逆起電力）の測定の前に、少なくとも２つのモータ巻線に印加される電圧が測定され、最低電圧が測定されたモータ巻線を、所定の電位に接続するようにしてもよい。何故なら、原則として、ロータの実位置を決定するために全てのモータ巻線のCEMF（逆起電力）を測定する必要はないので、提案されたこの方法を一層発展させることで、CEMF（逆起電力）を特に素早く決定することが可能である。特に、過渡現象を、そのために最適化し短くすることができる。
【００４５】
所定の電位は、好適にはグランドである。
【００４６】
ロータ位置のより正確な決定を可能にするために、時間間隔tinterruptの間、移行時間ttransientが経過するまではCEMF（逆起電力）を測定しないことが好ましい。例えば、時間間隔tinterruptの開始時から、直接移行時間の経過を待つことができる。移行時間ttransientの経過を待つことで、CEMF（逆起電力）に対して間違った値を測定されてしまうことを回避することができる。この値が間違っていると、その結果、ロータの実位置も間違った値が推定されてしまうことになる。
【００４７】
本発明の更に好適な変形例によれば、CEMF（逆起電力）を決定するために、モータ巻線、又は所定の電位に接続されていないモータ巻線において電圧の挙動が測定され、前記移行時間ttransientは、モータ巻線に印加される電圧又は前記所定の電位に接続されていないモータ巻線の電圧が時間の経過により一定もしくはほぼ一定となるまでの時間tconstantに少なくとも対応するようにしてもよい。１つ或いは複数のモータ巻線における電圧の挙動の測定により、過渡現象の直後にCEMF（逆起電力）を測定することが可能となる。このようにして、時間間隔tinterruptを最小限にすることができ、これは、操作の円滑性を向上し、かつ、モータの起動時の振る舞いを改善することに寄与する。
【００４８】
時間間隔tinterruptに対して予め一定値が定められる場合、本発明に係る方法は特に簡単なものとなる。しかしながら、時間間隔tinterruptが機械の操作中に変更される場合、実位置を、より一層かなり正確に決定することができ、加えて、電気モータの操作の円滑性が更に改善される。特に、移行時間ttransientが時間間隔tinterruptより長く続く場合、CEMF（逆起電力）を時間間隔tinterrupt内で決定することが可能となるように、この時間間隔を移行時間に従って合わせることも可能である。
【００４９】
上記時間間隔tinterruptは、この時間間隔tinterruptの間に、モータ巻線に印加される電圧又は前記所定の電位に接続されていないモータ巻線の電圧がその時間の経過により一定又はほぼ一定とみなせるように予め定めることができるように設計されることが好ましい。従って、システムの過渡現象の後、誘導電圧が１つ又は複数のモータ巻線で一定、或いは実質的に一定になったときに、各所望のモータ巻線でCEMF（逆起電力）を決定することが可能である。これは、ロータ位置の決定における正確さを増加させる。
【００５０】
好ましくは、時間tconstantが上記時間間隔tinterruptよりも大きいときは上記時間間隔tinterruptを大きくし、及び／又は上記時間tconstantが上記時間間隔tinterruptよりも小さい場合は上記時間間隔tinterruptを小さくする。この処理により、時間間隔tinterruptが必要以上に長くならないことが保証される。これにより、特にモータの円滑な操作が保証される。
【００５１】
時間間隔tinterruptは、周期的に段階的に変更されることが好ましい。特に、これはロータの回転毎、又はサンプリング周波数で実施することができる。このサンプリングレートは、空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法又はパルス幅変調（PWM）方法における変調周波数よりも低い。特に、段階的な変更は、増加又は減少である。このような、本発明に係る方法の一層の発展により、所望の方法で、少なくとも１つのモータ巻線においてCEMF（逆起電力）を測定するために実際に要求される中断時間に対して、時間間隔tinterruptを連続的に適応させることが可能となる。
【００５２】
CEMF（逆起電力）を測定した後に、好適には、全てのモータ巻線が機械の電源に再接続される。これは、直接或いは時間遅れをもって行うことができる。機械の電源に対するモータラインの再接続が素早くなるにつれて、時間間隔tinterruptが短くなり、モータの操作もスムーズになる。
【００５３】
更に、ロータの特定の位置を、CEMF（逆起電力）の測定により決定される前記ロータの実位置と比較可能とし、前記空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）のフィールド角を前記ロータの前記特定の位置と前記実位置との間から決定される差に応じて調整可能とすることが好ましい。この調整により、電気モータに対して最適な効率で電流を供給することが保証される。
【００５４】
好ましくは、CEMF（逆起電力）は、少なくとも２つのモータ巻線の少なくとも１つのモータ電流が０まで落ちた後にのみ測定される。CEMF（逆起電力）を決定する場合、このように簡単な方法で測定誤差を回避することができる。これにより、ロータ位置の決定における正確性が増加される。
【００５５】
機械に電源を供給するためには、主電源とは独立した電源を用いることが有利である。特に、これは電池又はアキュムレータでありえる。従って、上記の機械は、ケーブルなしで操作することができる。
【００５６】
本発明に係る方法の更に好適な変形例では、主電源から独立した電源及びモータコントローラが１つのユニットを形成し、機械を操作させる前に、このユニットを機械に接続するようにしてもよい。このようにして、外科用機械を、電源及びモータコントローラから分離して洗浄することが可能となる。
【００５７】
１つのユニットとすることで、更に、外科用の用途にこの機械を用いて準備することが促進される。
【００５８】
特に、主電源から独立した電源の早期放電、特に自己放電、を防ぐために、電気モータがモータコントローラに接続されるまでは、モータコントローラのプロセッサを主電源から独立した電源に接続しないことが好ましい。モータコントローラのプロセッサは、通常、コントローラの他のコンポーネントよりも電力消費量がかなり高い。主電源から独立した電源の自己放電は、電気モータに対してモータコントローラが接続された後にのみモータコントローラをアクティベートすることで、回避することができる。
【００５９】
３つのモータ巻線を備えた電気モータが使用される場合、本発明による方法は、特に簡単なものとなる。
【００６０】
好ましくは、外科用機械の回転速度範囲全体は、低速回転用の少なくとも１つの低速回転速度範囲と、この少なくとも１つの低速回転速度範囲よりも高速回転用の少なくとも１つの高速回転速度範囲と、に分割され、少なくとも１つの低速回転速度範囲において空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法が実施される。空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法は、低速回転速度おいて特に有利であるが、回転速度が高くなると、モータのダンピング、従ってモータの効率の低下を招くことになる。従って、高速回転速度範囲において電気モータをコントロールするために、異なる制御及び／又は調整方法を提供することが好ましい。
【００６１】
少なくとも１つの高速回転速度範囲において、外科用機械を制御及び／又は調整するために、第２の方法としてパルス幅変調（PWM）方法を行うことが特に好ましい。高速回転速度範囲におけるこの方法を実施することで、空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法を使用することに起因する望ましくないモータのダンピングが生じ得ない、という利点が得られる。換言すれば、電気モータの効率は、２つの異なる制御及び／又は調整方法を行うことにより、事実上、回転速度範囲全体に関して改善される。
【００６２】
少なくとも１つの低速回転速度範囲と少なくとも１つの高速回転速度範囲との間の回転速度限界値を変更可能とすることが好ましい。高速回転速度範囲においていずれの制御及び／又は調整方法が使用されるかに依存して、異なる回転速度値において２つの方法の切り替えを実施することができる。好適には、この回転速度限界値は、２つの方法の効率が最適化されるように選択される。
【００６３】
空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法から前記パルス幅変調（PWM）方法への切り替えが、第１の切り替え回転速度で発生し、かつ、パルス幅変調（PWM）方法から空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法への切り替えが、第２の切り替え回転速度で発生することが特に好ましい。本発明に係る方法のこの一層の発展により、回転速度限界値のエリアにおいて、高速回転速度範囲と低速回転速度範囲との間での切り替えが常時発生してしまうことが防がれる。これにより、モータの操作における円滑性が著しく増加される。
【００６４】
空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法から前記パルス幅変調（PWM）方法への切り替えが、少なくとも１つの低速回転速度範囲から少なくとも１つの高速回転速度範囲への移行時に自動的に発生し、その逆もしかりとなることが、特に好ましい。これは、操作者が２つの異なる制御及び／又は調整方法を手動で切り替える必要がなく、むしろ機械の使用及び操作に専念できることを意味する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６５】
以下、図面を参照して、以下の記述により本発明の好適実施形態を更に説明する。
【００６６】
図１に、参照数字１０により外科用アキュムレータ機全体を示し、このアキュムレータ機は、ハウジング１２を有し、その一部にアキュムレータ機１０の図示されていない駆動軸を駆動するセンサレス電気モータ１４が、このハウジング部の長手軸に平行に配置されている。その駆動軸の端には、カップリング１６が配置され、このカップリング１６によってアキュムレータ機はいずれの種類のツール、例えばドリル、ミル、のみ及び鋸にも接続可能となっている。
【００６７】
パワーパック２０が挿入可能であるハンドル１８は、電気モータ１４を受容するハウジング１２のハウジング部から横方向に突出している。パワーパック２０は充電式電池２２及びモータコントローラ２４を含む。アキュムレータ機１０を起動させるために、パワー／スピードプッシュボタン２６、及び電気モータ１４の長手軸に実質的に平行にハンドル１８内に押し込み可能な操作モードセレクタスイッチ２８が設けられている。
【００６８】
電気モータ１４はセンサレスブラシレスDCモータである、つまり、電気モータ１４に、ロータの動き、或いは以下において単にロータとして記載するロータ磁石の位置を検出するための回転速度検出センサはない。
【００６９】
図２は、三相電力インバータの概略説明図であり、この図においてVa、Vb及びVcは、モータ巻線に加えられた電圧を表す。合計６つのパワートランジスタが、直列接続されたペア及び互いに並列なペアとして接続され、Q1〜Q6として示されている。この回路図では、それぞれのトランジスタQ1〜Q6のスイッチ状態がDTPHxとして示され、ここでｘはａ、ｂ或いはｃを表す。通常は、上部側トランジスタがスイッチオンされる場合、上部側トランジスタに直列接続された下部側トランジスタはスイッチオフされ、その逆もしかりとなっている。
【００７０】
図２に示される回路図は、従来のパルス幅変調（PWM）、及び空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）の双方に相当する。しかしながら、２つの方法の切り替え方法は、著しく異なる。
【００７１】
図３及び４を参照して以下に記述される従来のパルス幅変調（PWM）方法において、各モータ巻線ａ、ｂ及びｃの変調信号は、搬送周波数上で変調される。搬送周波数は、搬送周波数信号が変調信号より低い場合に切り替え状態に起因するパルス幅変調信号が「１」となるように、周期的な鋸歯形として選択されている。その後、トランジスタQ1〜Q6がこれに従って切り替えられ、上部側トランジスタQ1、Q3又はQ5、或いは下部側トランジスタQ2、Q4又はQ6の一方が接続される。図３及び４に示された従来の三相電力インバータのパルス幅変調（PWM）の例を通じて、少なくとも１つのモータ巻線が常に電流が供給されないままであることが容易に理解されるであろう。これにより、３つのモータ巻線に電流を供給することにより形成されるステータフィールドの電界角γの調整が60°のステップ毎でのみ可能となる。
【００７２】
空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法は、これとは異なる。６つのトランジスタの切り替え方法は、図５に概略的に示される。空間ベクトル空間中のいわゆるスペースベクタは、各切り替え位置に関連付けられている。空間ベクトルS0は、従って、切り替え位置000に対応し、この場合、３つの下部側トランジスタQ2、Q4及びQ6は閉じている。図５に示される空間ベクトルは、直列接続されたトランジスタペアの切り替え位置を決定し、「０」は下部側トランジスタが接続されることを意味し、「１」は上部側トランジスタが接続されることを示す。全部で８つの切り替え状態が存在し、これらはそれぞれ、８つの切り替え状態のうちの１つにそれぞれ相当する電圧ベクトルU0〜U7によって表すことができる。各電圧ベクトル、U1〜U6は、単位ベクトルに対応する長さを有し、一方、電圧ベクトルU0及びU7の長さは０である。U1〜U6の６つの電圧ベクトルは、電圧ベクトル空間を合計６つのセクタに分割し、電圧ベクトルU1とU4、U2とU5、U3とU6は、それぞれ互いに逆向きであり、これらのペアを加算するとゼロベクトルとなる。
【００７３】
オプション出力電圧Ｕは、このように３つのモータ巻線全てに電流を供給することにより、周期的に無段階に変えることができるようになっている。その結果、ステータフィールドのオプション角度γは電気モータのロータに対して調整可能であり、即ち、上述した従来のパルス幅変調（PWM）の場合のように60°のステップでしか調整できないということはない。
【００７４】
しかしながら、空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）の場合には、モータ巻線のCEMF（逆起電力）は、容易には決定できず、これは、原則として、全てのモータ巻線に同時に電流が供給されるからである。この理由から、少なくとも１つ、好ましくは全てのモータラインに対しての電流の供給が短時間中断される。これに対応するフロー図を図７に示す。モータコントローラは、操作者によって要求される所望の回転速度に従って空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）の切り替え方法を指定する。これは、外科用機械を操作させた後に、電流が供給されたモータ巻線によって生成されたステータフィールドのフィールド角が連続的に更に切り替えられることを意味する。図７に示される質問ルーチンは、各パルス幅変調パルスに対して呼出される。ルーチンを開始した後に、ステータフィールドのフィールド角が最初に更に切り替えられる。この操作において、異なる２つの周波数が用いられる。モータへの電流供給が中断される周波数は、パルス幅変調周波数以下である。例えば、中断周波数は、パルス幅変調周波数が８kHzの場合には１kHzとすることもできる。換言すれば、パルス幅変調周波数は、中断周波数又はサンプリング周波数の倍数、特に整数倍であることが好適である。２つのパルス幅変調周波数の重ね合せがこのように生じる。上記例に挙げられた数値においては、モータラインはロータが８回転する毎に短時間でスイッチオフされることを意味する。
【００７５】
図７に示されるように、電流供給が中断される時点に達すると、全てのモータラインはスイッチオフされる。次のステップは、モータ電流が０にまで落ちるまで待つことである。その後、モータライン或いはモータ巻線が全て測定され、最も電圧が低いモータラインを接地電位とするか、或いは接地とする。
【００７６】
次に、切り替え処理の結果生じる発振が減衰するのを待つ。その後、モータラインは全て測定され、つまり、CEMF（逆起電力）が全てのモータラインで同時に測定される。測定が完了した後、空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法に従って、モータラインに電流が再度供給される。測定されたCEMF（逆起電力）の値から、ロータ位置が計算され、フィールド角γがそれに従って調整される。これは、空間ベクトルパルス幅変調切り替え方法に対応して適応することで行われる。
【００７７】
相電流の準正弦波的挙動は、空間ベクトルパルス幅変調によって各モータラインで生成することができる。例として、モータラインのロータ一回転以上における相電流を図８に示す。エリアがぼかされているのは、パルス幅変調によるものである。“Ａ”と印されたエリアでは、周期的な中断が認識可能であり、相電流は０まで落ちている。このことを時間分解能が10倍である図９に拡大して更に示す。これにより、図８に示される暗いエリアがより明白に認識可能である。上述したように、パルス幅変調信号は周期的に生成され、その周波数は、中断周波数の８倍の周波数となっている。８番目毎のPMWパルスでは、しかしながら、モータへの電流の供給は中断され、つまり、相電流は０まで落ち、これは、図９の“Ｂ”で示されるエリアにおいて明白に認められる。
【００７８】
電池２２のグランドに関してのモータ巻線の電圧の挙動は、図１０及び１１に示される。この図は、パルス幅変調に起因する非常に高い雑音のレベルを示す。“Ｃ”で示されるエリアでは、パルス幅変調の中断において、モータのシヌソイドCEMF（逆起電力）が認識可能である。図１０からの電圧の挙動を、時間分解能を１０倍高くして、再度図１１に示す。干渉ピークが重なったパルス幅変調が認識可能である。
【００７９】
上述された電源の中断、つまり各８番目のパルスの代り、では、モータ巻線のCEMF（逆起電力）の電圧の挙動が認識可能である。CEMF（逆起電力）、つまり、ロータの回転によりモータ巻線に誘導された電圧は、移行時間ttransientの後にほぼ一定値に収束し、CEMF（逆起電力）は、過渡現象の終わりに測定することができる。これは、３つのモータ巻線の全てで同様に、かつ同時に発生し、電気モータ１４の実回転速度及び電気モータ１４のロータの回転位置は、測定された３つのCEMF（逆起電力）の値から算出することができる。
【００８０】
図１２に、電池パック２０の構成を図式的に示す。最初に述べたように、これは電池２２及びモータコントローラ２４を含む。とりわけ、モータコントローラ２４は、３つの主な回路コンポーネント、すなわちデジタルシグナルプロセッサ３８を備えたプロセッサユニット３６、６つのパワートランジスタQ1〜Q6を備えたパワーステージ４０、及び中断切り替えユニット４２を備える。中断切り替えユニット４２は、ライン３２及び３４によって電池２２に接続される。更に、中断切り替えユニットは、電気モータ１４の３本の接続ライン４４のうちの２本に接続される。接続ライン４４は、３つの接点によってパワーパック２０に脱着可能に接続可能である。更に、中断切り替えユニット４２及びプロセッサユニット３６が接続され、これはライン４８によって図式的に示される。プロセッサユニット３６は、パワーステージ４０に接続され、これはライン５０によって図式的に示される。
【００８１】
中断切り替えユニットは、パワーパック２０が電気モータ１４に接続されない場合に、電池２２からプロセッサユニット３６のデジタルシグナルプロセッサ３８を分ける役目をする。この目的のために、中断切り替えユニット４２は２本のライン５２を介してパワーパック２０の接点４６に接続され、このパワーパック２０がアキュムレータ機１０のハウジング１２のハンドル１８内に押し込まれると、電気モータの２本の接続ライン４４に接続される。電気モータ１４にパワーパック２０が接続された後のみにおいて、中断切り替えユニット４２がプロセッサユニット３６を解放する、即ち、プロセッサユニット３６が電池２２に接続される。このようにして、電池２２の自己放電が防止される。何故なら、消費電力の大きいプロセッサユニット３６は、格納状態にあるとき、つまり、パワーパック２０が電気モータ１４に接続されていないときは、操作していないからである。
【００８２】
最初に記述したように、位置センサは、原則として、電気モータ１４の実回転速度を決定するため、或いはロータ位置を検出するために使用することができる。しかし、本発明に係るアキュムレータ機１０の場合においては、正確には、そのようなセンサは不要である。しかしながら、種々の同定方法により、回転速度とロータ位置を非常に正確に決定することが可能である。これらの例として、ルーエンバーガー観測器或いはカルマンフィルタが挙げられる。デジタルシグナルプロセッサ３８は、非常に迅速で高い計算能力を備えたプロセッサであるので、回転速度又はロータ位置を非常に正確に検出することができる。
【００８３】
モータコントローラ２４は、図１３に図式的に示されるように、電気モータ１４の回転速度範囲が２つの部分範囲、すなわち、低速回転速度範囲５４及び高速回転速度範囲５６に分割される設計となっている。更に、モータコントローラ２４は、電気モータ１４を操作するための２つの異なる制御及び／又は調整方法を行うことを可能にする。第１は、空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法であり、これは、図１３及び１４において“Ａ”として概略的に示される。第２は、従来のパルス幅変調（PWM）方法であり、図１３及び１４において“Ｂ”として図式的に示される。
【００８４】
位置センサ及び回転速度検出センサを含む回転速度検出システムを備えた電気モータ１４の場合には、制御及び／又は調整方法Ａは、電気モータ１４の実回転速度が回転速度検出センサによって決定されてモータコントローラ２４によって処理される制御及び／又は調整方法としてもよい。空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法及び更に従来のパルス幅変調（PWM）方法では、電気モータ１４の実回転速度はCEMF（逆起電力）の検出により決定される。
【００８５】
制御及び／又は調整方法Ａから制御及び／又は調整方法Ｂへの切り替える際の処理を図１３及び１４を参照して以下に詳細に説明する。
【００８６】
アキュムレータ機１０は、操作者がパワー／スピードプッシュボタン２６を起動させることによって操作状態にされる。図１３の中の参照数字５８は、スタート／ストップを示す。操作者が電気モータ１４の回転速度を増加させる場合、モータコントローラ２４は、切り替え回転速度Dlimit1に達するまで、制御及び／又は調整方法Ａを実施する。切り替え回転速度Dlimit1に達した場合、モータコントローラ２４は、制御及び／又は調整方法Ｂへと自動的に切り替えを行う。電気モータ１４の最大の回転速度Dmaxに達するまで、電気モータ１４は、モータコントローラ２４によって制御及び／又は調整方法Ｂで操作される。電気モータ１４の要求される回転速度が操作者によって再度小さくされる場合、電気モータ１４の回転速度が切り替え回転速度Dlimit1より低くなっても、切り替え回転速度Dlimit2に達するまでは、制御及び／又は調整方法Ｂが維持される。切り替え回転速度Dlimit2に達してそれより小さくなった後にのみ、モータコントローラ２４は、制御及び／又は調整方法Ａに再度切り替えられる。しかしながら、要求される回転速度が再び増加される場合、制御及び／又は調整方法Ｂへの切り替えは、再度切り替え回転速度Dlimit1を超過した後にのみ行われる。
【００８７】
この切り替え方法の結果、図１３における低速回転速度範囲５４と高速回転速度範囲５６との間に、オーバーラップ範囲が形成され、その全体が参照数字６０により示される。このオーバーラップ範囲６０では、モータコントローラ２４は制御及び／又は調整方法Ａと、制御及び／又は調整方法Ｂと、の両方を行うことができる。いずれの方法が実施されるかは、要求される回転速度が切り替え回転速度Dlimit2より低い実回転速度から増加されるのか、或いは、実際の切り替え回転速度Dlimit1よりも高速から減少されるのか、に依存する。概して、これにより、図１３に示されるようなヒステリシス曲線が形成され、オーバーラップ範囲６０を反時計回り方向に動くことができるようになる。
【００８８】
２つの制御及び／又は調整方法ＡとＢの間で切り替えを行うためのモータコントローラ２４の操作モードを図１４により説明する。スタートにおいて、電気モータ１４は停止状態にある。スタートがなされた場合、モータコントローラ２４は制御及び／又は調整方法Ａを実施する。時間tｎの実回転速度は周期的な間隔で測定される。時間tｎにおいて実回転速度を測定した後に、実回転速度が切り替え回転速度Dlimit1未満であるかどうかが判定される。回転速度が切り替え回転速度Dlimit1未満である場合、回転速度が０に等しいか否かが判定される。０に等しい場合、モータコントローラ２４は、その後、電気モータ１４の動作を停止させる。実回転速度が切り替え回転速度Dlimit1未満で、しかし０を越えている場合、制御及び／又は調整方法Ａが更に実施される。
【００８９】
時間tｎにおいて測定された実回転速度が切り替え回転速度Dlimit1より大きい場合には、モータコントローラ２４は制御及び／又は調整方法Ｂに切り替える。時間tn+1における実回転速度は周期的な間隔で測定が続けられ、かつ、測定に続いて時間tｎにおいて先に測定された実回転速度と比較される。時間tn+1における実回転速度が時間tｎにおける実回転速度より大きい場合には、モータコントローラ２４は制御及び／又は調整方法Ｂを実施し続ける。しかしながら、時間tn+1における実回転速度が、時間tｎにおける実回転速度未満である場合には、実回転速度は切り替え回転速度Dlimit2と比較される。実回転速度が切り替え回転速度Dlimit2より大きい場合、モータコントローラは制御及び／又は調整方法Ｂを実施し続ける。そうでない場合は、モータコントローラ２４は自動的に制御及び／又は調整Ａへの切り替えを行う。
【００９０】
２つの制御及び／又は調整方法ＡとＢとの間での切り替えは、特に、高速回転速度において望ましくないダンピング効果を示してモータ損失及びアキュムレータ機１０の効率に悪影響を与える空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法が、低速回転速度で実施され、高速回転速度では実施される必要がない、という利点が得られる。
【００９１】
モータコントローラにおける２つの制御及び／又は調整方法Ａ及びＢは、ハードウェアベースもしくはソフトウェアベースで実装することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】外科用アキュムレータ機の概略説明図。
【図２】三相電力インバータの回路図。
【図３】三相パルス幅変調インバータの操作線図。
【図４】キャリア−ベースのパルス幅変調の線図。
【図５】空間ベクトルパルス幅変調における８つの切り替え状態の概略説明図。
【図６】空間ベクトルパルス幅変調における電圧ベクトル空間の概略説明図。
【図７】ブラシレスDCモータの制御及び／又は調整のための本発明における空間ベクトルパルス幅変調（SVPWM）方法のフロー図。
【図８】モータ巻線中の電流の挙動を時間の関数として示す概略説明図。
【図９】図８中のＡ部を、時間分解能を１０倍として電流の挙動を示す説明図。
【図１０】電源の接地に関してモータ巻線電圧の挙動の概要を示す概略説明図。
【図１１】図１０の電圧の挙動を、時間分解能を１０倍として示した概略説明図。
【図１２】アキュムレータ／モータコントローラユニットの概略説明図。
【図１３】図１に示されるアキュムレータ機のモータコントローラの切り替え図。
【図１４】図１に示されるアキュムレータ機の操作に対する図１３の切り替え図形に対応するフロー図。
【図１】
2008508839.tif 000003
【図２】
2008508839.tif 000004
【図３】
2008508839.tif 000005
【図４】
2008508839.tif 000006
【図５】
2008508839.tif 000007
【図６】
2008508839.tif 000008
【図７】
2008508839.tif 000009
【図８】
2008508839.tif 000010
【図９】
2008508839.tif 000011
【図１０】
2008508839.tif 000012
【図１１】
2008508839.tif 000013
【図１２】
2008508839.tif 000014
【図１３】
2008508839.tif 000015
【図１４】
2008508839.tif 000016
【国際調査報告】
2008508839.tif 000017
2008508839.tif 000018
2008508839.tif 000019
2008508839.tif 000020
2008508839.tif 000021
2008508839.tif 000022