基于步進電機特性的輸注設備速度最優控制

馬振宇，趙娟

（廣東樂之康醫療技術有限公司，廣東 廣州 510520）

靜脈輸注（輸液、注射）是一種最常用的臨床治療方法。在對輸液量及流量有高精度要求的科室，醫用輸注設備能自動智能控制輸液的流量和流速，從而較好地保護患者和輔助醫療工作者的臨床輸液。目前，這類設備已被廣泛應用于ICU、手術室、急診科、婦科、兒科等對高精度輸注有嚴格要求的場合。

輸注設備在恒定速度模式下輸液精度一般要求誤差在±5%以內，高精度模式時要求控制在±2%內。但有時輸注設備需要在運行過程中改變速度，比如多段速度可編程模式，自動輸注切換到手動快進模式，接近輸注完成時減速，輸注過程中異常停機等速度變化時會影響輸注精度，要求步進電機的轉速變化要平穩。

輸注設備電機還要適應寬泛的輸注速度范圍。常見醫用輸注泵的輸液速度范圍是0.1～2000ml/h。以公司的輸液泵20d/ml管為例，機械減速比：2，電機轉速范圍：0.02777～555.33333r/min；以注射泵5ml管為例，機械結構傳動比：36，轉速范圍：0.02984～204.48r/min；注射泵50ml管，轉速范圍：0.05952～1078r/min。

參考文獻對以上需求提出了一些解法，比如利用電機加減速曲線算法提高輸注設備速度啟動和停止的平順性，以及利用電機的細分控制減少低速時的振動和噪音。

提出根據應用場景不同變速需求選擇不同加減速算法，針對不同目標速度設計最佳細分比的方法能更有效解決輸注要求的速度變化和精度保持的矛盾問題。

1 步進電機速度控制曲線和細分特性

1.1 步進電機速度變化控制曲線

實際應用中最常用的加減速控制算法有梯形曲線和S曲線，V—T曲線如圖1、圖2、圖3所示，具體的公式請參考文獻，在此不再詳述。

梯形曲線方式下電機從初始速度直線加速到最大速度，到最高速時會有一個拐點；減速用同樣的方式。優點是加減速都很快，缺點是有速度突變，變換不平滑，主要應用于要求響應快，速度變化小，精度要求低的場合。

S曲線是被控對象的加減速階段的速度曲線呈S形，包含7段三次樣條函數。實際應用時根據被控對象的需求可以簡化成4、5、6段曲線。優點是加速度和速度曲線的連續性能夠使電機在運動過程中速度和加速度無突變，減小沖擊，提高電機運動的平穩性；缺點是數學模型較復雜，計算量大，電機響應慢。

圖1 梯形曲線

圖2 S型曲線（7段）

圖3 S型曲線（4段）

1.2 步進電機細分控制特性

輸注設備廣泛應用的是兩相混合式步進電機。該電機的細分驅動技術是把原來簡單的對轉子電流的通斷過程變為逐漸改變各相繞組的電流大小和方向，使電流波形輸出接近正弦波，從而使電機內部的空間合成磁場逐步改變，就能把原來一個步距角的通電方式變成為跟隨電流的階梯波，實現多步輸出，從而減少低速振蕩和噪音。缺點是高速時細分沒有效果，反而導致程序復雜，硬件成本高。具體的公式請參考文獻，在此不再詳述，見圖4、5。

圖4 電機4細分電流波形示意

圖5 電機4細分磁場合成示意

2 輸注設備的步進電機速度控制實現

2.1 設計思路

輸注設備的電機控制指標有：響應時間，低速振動，中高速共振。噪音是由于振動導致的，不單獨控制。響應時間慢會導致藥液的實際輸出和理論設定有偏差；低速振動和中高速電機機械共振（常見于10～100ml/h有擠壓泵體的輸液泵）會影響輸注精度，并使電機電流驅動能力減弱，導致驅動電流增加及能效降低。本方法實現思路是以電機的加減速時間最短且振動最小為指標，軟件對加減速過程中電機所需的時間、步數和平滑度進行評估，再根據評估結果劃分不同加速段和選擇各加速段對應的算法，并基于選擇的算法計算出各段對應的脈沖頻率和目標速度的最佳細分值，實現電機在加減速過程中的平滑過渡和目標速度平穩運行。

2.2 設計實現

完整醫用輸注設備的硬件涵蓋輸注控制的各個部件，在此只列出與電機控制相關的部分，上位機采用ARM9或cortex M4，實現UI功能；下位機輸液控制芯片采用cortex M3（比如NXP LPC1788），驅動芯片采用高細分驅動（比如THB6128或LV8728MR），編碼器反饋速度，如圖6。

圖6 輸注設備電機控制部分硬件框圖

軟件部分包含UI設定和電機控制單元，電機速度曲線表數據庫和最優控制參數表，以及配套的計算單元模塊。電機速度曲線包含梯形曲線表和S型曲線表。這些曲線表格的數據一般預先計算和實驗獲得，然后保存到嵌入式系統的數據庫中。該表已經對曲線數據離散化，并涵蓋輸注設備速度范圍。其中S型曲線包括4、5、6、7段曲線，用于最優控制選擇；最優控制參數表包含預先實驗證明的各種應用場景下的最優控制參數；計算單元模塊按照選定的最佳加減速曲線計算公式，結合當前速度和目標速度，算出從當前速度切換到加減速曲線表上的速度值，并生成速度參數點序列。輸注設備電機控制部分軟件框圖如圖7。

圖7 輸注設備電機控制部分軟件框圖

控制流程要點是計算時需要結合預設的表格和當前速度，生成當前速度到目標速度的電機連續序列，加速時補充加速點數據，減速時跳過預設表格的減速點。輸注設備電機最優速度控制流程圖如圖8。

圖8 輸注設備電機最優速度控制流程圖

3 測試驗證

輸注設備有一個功能叫可編程模式，是把一個輸注過程分成幾個段，每段的輸注量和速度有變化，常用于特殊藥液的長時間輸注。在公司的注射泵上運行這個功能驗證本方法的有效性。可編程模式分段注射示意圖如圖9。可編程模式分段配置如表1。

圖9 可編程模式分段注射示意圖

表1 可編程模式分段配置

測試的最優控制參數配置如下：加速用梯形曲線，減速用5段S型曲線。10ml/h以下64細分，10～300ml/h用32細分，300ml/h以上16細分，起步時16細分，機械共振區時調整細分。測試方法是同等條件下對比采用和不采用本方法的效果。實驗表明喇叭圖注射精度注射誤差從2.5%減小到2.3%，純鋰電池供電的電池能效提升約8%，從而證明了方法的有效性。

4 結語

本文基于步進電機特性，針對新的輸注應用場景提出解決方案，并且在實際設備上證明了有效性，給輸注設備功能擴展提供了新思路，保證了輸注設備的高可靠性和高精度，具有良好的現實意義。