基于步進(jìn)電機(jī)特性的輸注設(shè)備速度最優(yōu)控制

馬振宇，趙娟

（廣東樂(lè)之康醫(yī)療技術(shù)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(duì)輸液量及流量有高精度要求的科室，醫(yī)用輸注設(shè)備能自動(dòng)智能控制輸液的流量和流速，從而較好地保護(hù)患者和輔助醫(yī)療工作者的臨床輸液。目前，這類(lèi)設(shè)備已被廣泛應(yīng)用于ICU、手術(shù)室、急診科、婦科、兒科等對(duì)高精度輸注有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合。

輸注設(shè)備在恒定速度模式下輸液精度一般要求誤差在±5%以內(nèi)，高精度模式時(shí)要求控制在±2%內(nèi)。但有時(shí)輸注設(shè)備需要在運(yùn)行過(guò)程中改變速度，比如多段速度可編程模式，自動(dòng)輸注切換到手動(dòng)快進(jìn)模式，接近輸注完成時(shí)減速，輸注過(guò)程中異常停機(jī)等速度變化時(shí)會(huì)影響輸注精度，要求步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化要平穩(wěn)。

輸注設(shè)備電機(jī)還要適應(yīng)寬泛的輸注速度范圍。常見(jiàn)醫(yī)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(jī)械減速比：2，電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍：0.02777～555.33333r/min；以注射泵5ml管為例，機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動(dòng)比：36，轉(zhuǎn)速范圍：0.02984～204.48r/min；注射泵50ml管，轉(zhuǎn)速范圍：0.05952～1078r/min。

參考文獻(xiàn)對(duì)以上需求提出了一些解法，比如利用電機(jī)加減速曲線算法提高輸注設(shè)備速度啟動(dòng)和停止的平順性，以及利用電機(jī)的細(xì)分控制減少低速時(shí)的振動(dòng)和噪音。

提出根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同變速需求選擇不同加減速算法，針對(duì)不同目標(biāo)速度設(shè)計(jì)最佳細(xì)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(wèn)題。

1 步進(jìn)電機(jī)速度控制曲線和細(xì)分特性

1.1 步進(jìn)電機(jī)速度變化控制曲線

實(shí)際應(yīng)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(qǐng)參考文獻(xiàn)，在此不再詳述。

梯形曲線方式下電機(jī)從初始速度直線加速到最大速度，到最高速時(shí)會(huì)有一個(gè)拐點(diǎn)；減速用同樣的方式。優(yōu)點(diǎn)是加減速都很快，缺點(diǎn)是有速度突變，變換不平滑，主要應(yīng)用于要求響應(yīng)快，速度變化小，精度要求低的場(chǎng)合。

S曲線是被控對(duì)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(shù)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)根據(jù)被控對(duì)象的需求可以簡(jiǎn)化成4、5、6段曲線。優(yōu)點(diǎn)是加速度和速度曲線的連續(xù)性能夠使電機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度和加速度無(wú)突變，減小沖擊，提高電機(jī)運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性；缺點(diǎn)是數(shù)學(xué)模型較復(fù)雜，計(jì)算量大，電機(jī)響應(yīng)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(jìn)電機(jī)細(xì)分控制特性

輸注設(shè)備廣泛應(yīng)用的是兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。該電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)技術(shù)是把原來(lái)簡(jiǎn)單的對(duì)轉(zhuǎn)子電流的通斷過(guò)程變?yōu)橹饾u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(jī)內(nèi)部的空間合成磁場(chǎng)逐步改變，就能把原來(lái)一個(gè)步距角的通電方式變成為跟隨電流的階梯波，實(shí)現(xiàn)多步輸出，從而減少低速振蕩和噪音。缺點(diǎn)是高速時(shí)細(xì)分沒(méi)有效果，反而導(dǎo)致程序復(fù)雜，硬件成本高。具體的公式請(qǐng)參考文獻(xiàn)，在此不再詳述，見(jiàn)圖4、5。

圖4 電機(jī)4細(xì)分電流波形示意

圖5 電機(jī)4細(xì)分磁場(chǎng)合成示意

2 輸注設(shè)備的步進(jìn)電機(jī)速度控制實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)計(jì)思路

輸注設(shè)備的電機(jī)控制指標(biāo)有：響應(yīng)時(shí)間，低速振動(dòng)，中高速共振。噪音是由于振動(dòng)導(dǎo)致的，不單獨(dú)控制。響應(yīng)時(shí)間慢會(huì)導(dǎo)致藥液的實(shí)際輸出和理論設(shè)定有偏差；低速振動(dòng)和中高速電機(jī)機(jī)械共振（常見(jiàn)于10～100ml/h有擠壓泵體的輸液泵）會(huì)影響輸注精度，并使電機(jī)電流驅(qū)動(dòng)能力減弱，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電流增加及能效降低。本方法實(shí)現(xiàn)思路是以電機(jī)的加減速時(shí)間最短且振動(dòng)最小為指標(biāo)，軟件對(duì)加減速過(guò)程中電機(jī)所需的時(shí)間、步數(shù)和平滑度進(jìn)行評(píng)估，再根據(jù)評(píng)估結(jié)果劃分不同加速段和選擇各加速段對(duì)應(yīng)的算法，并基于選擇的算法計(jì)算出各段對(duì)應(yīng)的脈沖頻率和目標(biāo)速度的最佳細(xì)分值，實(shí)現(xiàn)電機(jī)在加減速過(guò)程中的平滑過(guò)渡和目標(biāo)速度平穩(wěn)運(yùn)行。

2.2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

完整醫(yī)用輸注設(shè)備的硬件涵蓋輸注控制的各個(gè)部件，在此只列出與電機(jī)控制相關(guān)的部分，上位機(jī)采用ARM9或cortex M4，實(shí)現(xiàn)UI功能；下位機(jī)輸液控制芯片采用cortex M3（比如NXP LPC1788），驅(qū)動(dòng)芯片采用高細(xì)分驅(qū)動(dòng)（比如THB6128或LV8728MR），編碼器反饋速度，如圖6。

圖6 輸注設(shè)備電機(jī)控制部分硬件框圖

軟件部分包含UI設(shè)定和電機(jī)控制單元，電機(jī)速度曲線表數(shù)據(jù)庫(kù)和最優(yōu)控制參數(shù)表，以及配套的計(jì)算單元模塊。電機(jī)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(shù)據(jù)一般預(yù)先計(jì)算和實(shí)驗(yàn)獲得，然后保存到嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。該表已經(jīng)對(duì)曲線數(shù)據(jù)離散化，并涵蓋輸注設(shè)備速度范圍。其中S型曲線包括4、5、6、7段曲線，用于最優(yōu)控制選擇；最優(yōu)控制參數(shù)表包含預(yù)先實(shí)驗(yàn)證明的各種應(yīng)用場(chǎng)景下的最優(yōu)控制參數(shù)；計(jì)算單元模塊按照選定的最佳加減速曲線計(jì)算公式，結(jié)合當(dāng)前速度和目標(biāo)速度，算出從當(dāng)前速度切換到加減速曲線表上的速度值，并生成速度參數(shù)點(diǎn)序列。輸注設(shè)備電機(jī)控制部分軟件框圖如圖7。

圖7 輸注設(shè)備電機(jī)控制部分軟件框圖

控制流程要點(diǎn)是計(jì)算時(shí)需要結(jié)合預(yù)設(shè)的表格和當(dāng)前速度，生成當(dāng)前速度到目標(biāo)速度的電機(jī)連續(xù)序列，加速時(shí)補(bǔ)充加速點(diǎn)數(shù)據(jù)，減速時(shí)跳過(guò)預(yù)設(shè)表格的減速點(diǎn)。輸注設(shè)備電機(jī)最優(yōu)速度控制流程圖如圖8。

圖8 輸注設(shè)備電機(jī)最優(yōu)速度控制流程圖

3 測(cè)試驗(yàn)證

輸注設(shè)備有一個(gè)功能叫可編程模式，是把一個(gè)輸注過(guò)程分成幾個(gè)段，每段的輸注量和速度有變化，常用于特殊藥液的長(zhǎng)時(shí)間輸注。在公司的注射泵上運(yùn)行這個(gè)功能驗(yàn)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(cè)試的最優(yōu)控制參數(shù)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(xì)分，10～300ml/h用32細(xì)分，300ml/h以上16細(xì)分，起步時(shí)16細(xì)分，機(jī)械共振區(qū)時(shí)調(diào)整細(xì)分。測(cè)試方法是同等條件下對(duì)比采用和不采用本方法的效果。實(shí)驗(yàn)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(jié)語(yǔ)

本文基于步進(jìn)電機(jī)特性，針對(duì)新的輸注應(yīng)用場(chǎng)景提出解決方案，并且在實(shí)際設(shè)備上證明了有效性，給輸注設(shè)備功能擴(kuò)展提供了新思路，保證了輸注設(shè)備的高可靠性和高精度，具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。