馬振宇，趙娟

（廣東樂之康醫(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、兒科等對高精度輸注有嚴(yán)格要求的場合。

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)，高精度模式時要求控制在±2%內(nèi)。但有時輸注設(shè)備需要在運(yùn)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(jìn)模式，接近輸注完成時減速，輸注過程中異常停機(jī)等速度變化時會影響輸注精度，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)分控制減少低速時的振動和噪音。

提出根據(jù)應(yīng)用場景不同變速需求選擇不同加減速算法，針對不同目標(biāo)速度設(shè)計最佳細(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，到最高速時會有一個拐點；減速用同樣的方式。優(yōu)點是加減速都很快，缺點是有速度突變，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(shù)。實際應(yīng)用時根據(jù)被控對象的需求可以簡化成4、5、6段曲線。優(yōu)點是加速度和速度曲線的連續(xù)性能夠使電機(jī)在運(yùn)動過程中速度和加速度無突變，減小沖擊，提高電機(jī)運(yùn)動的平穩(wěn)性；缺點是數(shù)學(xué)模型較復(fù)雜，計算量大，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)動技術(shù)是把原來簡單的對轉(zhuǎn)子電流的通斷過程變?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(xiàn)多步輸出，從而減少低速振蕩和噪音。缺點是高速時細(xì)分沒有效果，反而導(dǎo)致程序復(fù)雜，硬件成本高。具體的公式請參考文獻(xiàn)，在此不再詳述，見圖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)分磁場合成示意

2 輸注設(shè)備的步進(jìn)電機(jī)速度控制實現(xiàn)

2.1 設(shè)計思路

輸注設(shè)備的電機(jī)控制指標(biāo)有：響應(yīng)時間，低速振動，中高速共振。噪音是由于振動導(dǎo)致的，不單獨控制。響應(yīng)時間慢會導(dǎo)致藥液的實際輸出和理論設(shè)定有偏差；低速振動和中高速電機(jī)機(jī)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(jī)電流驅(qū)動能力減弱，導(dǎo)致驅(qū)動電流增加及能效降低。本方法實現(xiàn)思路是以電機(jī)的加減速時間最短且振動最小為指標(biāo)，軟件對加減速過程中電機(jī)所需的時間、步數(shù)和平滑度進(jìn)行評估，再根據(jù)評估結(jié)果劃分不同加速段和選擇各加速段對應(yīng)的算法，并基于選擇的算法計算出各段對應(yīng)的脈沖頻率和目標(biāo)速度的最佳細(xì)分值，實現(xiàn)電機(jī)在加減速過程中的平滑過渡和目標(biāo)速度平穩(wěn)運(yùn)行。

2.2 設(shè)計實現(xiàn)

完整醫(yī)用輸注設(shè)備的硬件涵蓋輸注控制的各個部件，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)動芯片采用高細(xì)分驅(qū)動（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)庫和最優(yōu)控制參數(shù)表，以及配套的計算單元模塊。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)先計算和實驗獲得，然后保存到嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。該表已經(jīng)對曲線數(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)先實驗證明的各種應(yīng)用場景下的最優(yōu)控制參數(shù)；計算單元模塊按照選定的最佳加減速曲線計算公式，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

控制流程要點是計算時需要結(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，加速時補(bǔ)充加速點數(shù)據(jù)，減速時跳過預(yù)設(shè)表格的減速點。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 測試驗證

輸注設(shè)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(yùn)行這個功能驗證本方法的有效性?？删幊棠Ｊ椒侄巫⑸涫疽鈭D如圖9?？删幊棠Ｊ椒侄闻渲萌绫?。

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(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16細(xì)分，機(jī)械共振區(qū)時調(diào)整細(xì)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(jié)語

本文基于步進(jìn)電機(jī)特性，針對新的輸注應(yīng)用場景提出解決方案，并且在實際設(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)實意義。