CN109981008A - 具有步进电机的输注控制方法及其设备 - Google Patents

具有步进电机的输注控制方法及其设备 Download PDF

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Abstract

具有步进电机的输注控制方法，所述方法包括：对步进电机在当前转速切换至目标转速的过程中其所需的时间、步数和平滑度进行评估，然后根据评估结果划分不同加减速段，进而选择各加速段对应的加减速算法，以求出各加速段对应的驱动脉冲频率。通过划分不同加减速段，可以实现加减速平滑度和最小加减速时间/步数的均衡。同一个速度，采用最佳的细分比能有效减少电机的振动和噪声，进而提高输液精度。

Description

具有步进电机的输注控制方法及其设备
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及具有步进电机的输注控制方法及其设备。
背景技术
静脉输注（输液、注射）是一种最常用的临床治疗方法。在对输液量及流量有高精度要求的科室，医用输注设备能自动智能控制输液的流量和流速，从而较好地保护患者和辅助医疗工作者的临床输液。目前，这类设备已被广泛应用于ICU、手术室、急诊科、妇科、儿科等对高精度输注有严格要求的场合。
输液设备是一种可精确控制输液速度和输液量，还能对在输液过程中出现的气泡、空液、输液管阻塞等异常情况进行报警并自动切断输液通路的智能仪器。输液设备有不同类型，例如输液泵、输注泵和注射泵。
输注设备广泛应用的是两相混合式步进电机，输注设备的电机控制指标有：响应时间，低速振动，中高速共振。噪音是由于振动导致的，不单独控制。响应时间慢会导致药液的实际输出和理论设定有偏差；低速振动和中高速电机机械共振（常见于10ml/h~100ml/h有挤压泵体的输液泵）会影响输注精度，并使电机电流驱动能力减弱，导致驱动电流增加及能效降低。
输注设备在恒定速度模式下输液精度一般要求在误差±5%以内，高精度模式时要求控制在±2%内。但有时输注设备需要在运行过程中改变速度，比如多段速度可编程模式，自动输注切换到手动快进模式，接近输注完成时减速，输注过程中异常停机等速度变化时会影响输注精度，要求步进电机的转速变化要平稳。
另外，输注设备电机还要适应的宽泛的输注速度范围。常见医用输注泵的输液速度范围是0.1ml/h~2000ml/h。
在宽泛的输注速度之下、根据以往的直线输入的方式进行电机的控制势必导致电机机械特性较差，达不到高精度模式要求的±2%内的精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有步进电机的输液控制方法及其设备，其主要控制电机在启动和停止阶段的输注平稳性，能够提高控制精度和实现平缓启停。对于医疗或者康护机器人上的输液设备或者一般医院使用的输液设备，设置步进电机以及赋予计算机程序能够有效减少电机的振动和噪声，进而提高输液精度。
本发明具体的技术方案如下：
具有步进电机的输注控制方法，其特征在于，所述方法包括：
对步进电机在当前转速切换至目标转速的过程中其所需的时间、步数和平滑度进行评估，然后根据评估结果划分不同加减速段，进而选择各加速段对应的加减速算法，以求出各加速段对应的驱动脉冲频率。
进一步地，所述加减速算法还计算出各驱动脉冲频率运行的步数。
进一步地，所述加减速算法包括梯形加速算法、指数型算法和S型算法。
进一步地，其存储的计算机程序被处理器执行时所实现以下步骤：根据各加速段对应的细分参数预设值来驱动步进机电，该细分参数预设值使得步进电机的机械特性在所对应的加速段上最优。
进一步地，所述细分参数预设值从系统记录的转速-细分参数关系表中提取获得。
进一步地，其存储的计算机程序被处理器执行时所实现以下步骤：根据当前转速和目标转速来选择预设的启动频率，该启动频率使得步进电机的机械特性在速度切换过程中最优。
进一步地，所述启动频率从系统记录的转速切换-启动频率关系表中提取获得。
进一步地，机械特性包括振动特性和噪声特性。
进一步地，实现上述方法的输液设备。
有益效果：输液设备若需要在不同输注速度切换，输液设备中的步进电机则在加减速过程中对其所需的时间、步数和平滑度进行评估，然后根据评估结果划分不同加减速段，进而选择各加速段对应的加减速算法，以求出各加速段对应的驱动脉冲频率，通过划分不同加减速段，可以实现加减速平滑度和最小加减速时间/步数的均衡。同一个速度，采用最佳的细分比能有效减少电机的振动和噪声，进而提高输液精度。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例输液设备中的步进电机的结构框图。
图2是本发明的梯形算法的示意图。
图3是本发明的修正型指数函数曲线。
图4是本发明电机指数型加速的离散化的实际模型。
图5是本发明的S型算法的示意图。
图6是本发明的S型曲线加速曲线离散化图形。
图7是本发明的步进电机细分电流波形示意图和细分磁场合成示意。
图8是本发明实施例输液设备中的步进电机的转速切换流程图。
图9是本发明的当前速度比目标速度大的示意图。
图10是本发明的当前速度比目标速度小的示意图。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
输液设备有不同类型，例如输液泵、输注泵和注射泵，本实施例选取输液泵作为例子来描述本发明提及的步进电机控制方法。
实施例一。
如附图1所示，设备包括输注速度转换模块。用户在输液泵上输入所需的输注速度，输注速度转换模块把该输注速度转换为步进电机的目标转速，该转换过程根据该输液泵的机械特性转换为相应的目标转速，如可把输注速度xx ml/h、xx g/h等输注单位根据不同的输注管型和输液设备的机械减速比来转换为步进电机的目标转速y rpm。输注速度转换模块根据上述目标转速计算步进电机在该目标转速运行下，步进电机驱动IC所需的每秒脉冲数。
加减速算法模块，加减速算法模块在满足输注精度要求下根据电机机械特性（即要求电机振动特性）、最短时间的要求，对整个加减速过程中步进电机所需的时间、步数进行评估，然后根据评估结果划分不同加速段，进而选择各加速段对应的加减速算法。
不同的目标转速，具有不同的加速段和加减速算法的划分。对不用的目标转速进行从0到目标转速的试验，获得最优的加速段和每个加速段对应的加减速算法，形成目标转速-加速段-加减速算法参数表。
目标转速-加速段-加减速算法参数表的形成方式如下：在满足输注精度要求下根据电机机械特性（即要求电机振动特性）、最短时间的要求，试验取得在各个转速下的加速段及加速段采取的加减速算法。具体例如：如当目标转速为100rpm时，根据最低的输注精度的要求，低速下电机振动特征较好，可以尽量以时间因素为主，可以选择在0-60rpm加速段，使得在该加速段中，采用较少加速步数及起始段的较短时间的梯形算法加速；在60-100rpm设置为一个加速段，在这个频率段，电机的振动特性偏差，则可以尽量以平滑度为主，选择指数型算法或者S型算法。
加减速算法是求出各加速段所对应的驱动脉冲频率和各驱动脉冲频率所运行的步数，并保证步进电机在加减速过程中的平滑过渡。整个加减速过程可能是一种加减速算法，也可能是多种加减速算法组合而成，这些加减速算法包括常用的梯形算法、指数型算法和S型算法等。例如，步进电机要求在1秒内且3圈内从当前转速加速至目标转速，即加速过程既要满足时间要求又是满足圈数（即满足步数）要求，在上述已经划分好的加速段，若侧重于较少加速步数和起始加速段的较短时间，则按照梯形加速算法加速；若侧重于平滑度和末加速段的较短时间，则在指数型算法和S型算法之间作比较。各加速段的加减速算法选择在兼顾总体加速时间和步数的前提下，且在保证步进电机能驱动负载正常工作的前提下平滑度作为较低优先级考虑。当所需加速时间和步数均较少时，加速段可能只有一个，加减速算法也只有一个。加减速算法模块根据实际需求选择最优的算法，从而计算出各加速段所对应的驱动脉冲频率，各驱动脉冲频率从大到小依次排列形成加减速频率表并存储在存储器内。
本申请涉及的加减速算法包括梯形算法、指数型算法和S型算法如下方法。
）梯形算法：梯形加速的目的是让角速度随时间变化逼近斜线（如图2所示）。
单步步距角，总角度，角速度：
。
Spr为电机转动一圈所需脉冲数，δt为每步耗时。
角速度：
，
为角加速度，在应用中需保证不失步，在固定时间和步数内达到所需速度。
时间t后总步距角：
，
n为t时间内总步数，α为单步步距角。
n步后总耗时：
= QUOTE
= QUOTE
即有 QUOTE
若限定tn为2S，则2k=n/spr表示2S内转过圈数；若固定目标圈数，则加速度系数k越大，所需时间越小。
实际应用中，为保证在固定时间内达到目标速度，并且不超过固定圈数，应合理选取k值。
第n步周期Tn及频率fn：
为固定某一脉宽值，可假定为终极速率高电平脉宽值。
Tn== ，
fn= =
=10( )
k为角加速度系数，可理解为每秒加速圈数；micro为当前细分比；dec传动轮减速比；fn最后表达式仅适用于1.8°步进电机。
第n步所需 QUOTE 个数：
，
第0步所需 QUOTE 个数与角加速度关系：
第n步与C0关系：
应用方法：
fn表达式中，当n够大时，加速总步数n≈，代入总耗时tn≈ ，有n≈，
起动频率f0=应小于步进电机带负载起跳频率，另一方面要求k值不应大于某值，
k= ≈ ≈，由k值关系推导f0≈≈ ，
按公式n≈ ≈ ，给定n或 可估算出对应所需时间或步数n，同时由f0≈≈ 可计算出所需的启动频率f0。
起跳频率由电机特性，所带负载综合确定，启动频率f0必须小于起跳频率，同时数据需要测试验证。
泰勒级数变换：
为解决在变换频率时开平方根耗时，可采用泰勒级数简化式，
当n为1时，级数简化式误差0.44，解决方法为c0乘以0.676，
由上式推导得 ，
即fn= 。
）指数算法（如图3所示）。
电机控制指数型算法采用修正递增指数公式： ，（a>1,x>0,b>-1）。
在步进电机脉冲控制的实现中，指数曲线同样需要离散化，在给定起始频率f0并运行n步后，需要在此基础上提高脉冲频率并相应地缩短下一频率的运行时间，如此类推，便能实现电机指数型加速。不同的指数型加速仅表现在加速离散平滑度及加速度区别。
附图4为为电机指数型加速的实际模型。
）S型算法（如附图5所示）。
加速段Ｓ曲线方程（ｖ－ｔ函数）推导如下：
０－ｔ１时间段内，加加速度为常数ｃ（ｃ＞０），故加速度为，
（1）
对上式进行积分得Ｓ曲线方程（ｖ－ｔ函数）为，
t1－t2时间段内，加加速度为－ｃ，对加加速度进行积分得加速度为，
=
式中拐点时刻ｔ１可由拐点速度ｖ１确定，由（２）式可得，
将（４）式代入（３）式并积分得Ｓ曲线方程（ｖ－ｔ函数）为，
公式（２）和（５）分别为０－ｔ１、ｔ１－ｔ２时间段的Ｓ曲线方程，式中ｃ值为常数，决定加减速过程的快慢，其最佳值在工程实践中通过反复实验得到（参考值为1000），ｖ1一般取ｖ０和ｖｔ的中间值。减速段曲线算法与加速段一致，可看作加速段的逆过程。
S形曲线实现：
将连续的加减速曲线转化为电脉冲信号控制步进电机的基本方法是将曲线离散化为各个频段（如附图6所示），在内存中生成频段表，然后查表依次加载各个频段，使控制系统实际产生的脉冲曲线与理论加减速曲线相拟合。由于频率与速度是倍数关系，两者只相差一个脉冲当量，故曲线算法对频率同样适用。
离散实现的具体方法为将整个加速时间等分为若干时间段，每个时间段的长度固定为ｔ′，一般取ｔ′＝２／ｆｓｔａｒｔ＝２Tstart，其中ｆｓｔａｒｔ为电机的起始频率。然后将时间ｔ从ｔ0开始以ｔ′为跨度依次递增并计算每个ｔ时刻处的曲线理论值，此值即为每个频段的频率值。由于拐点时刻ｔ１前后曲线方程不同故需要在递增计算过程中判断拐点时刻并即时切换算法。
细分匹配模块。对于步进电机，电平在输入时一般保持持续输入。但是，在精细控制里面，如本申请的输液控制，要求高精度时，持续的输入在同等条件下，电机振动较大。本申请创造性的在此引入细分控制。
电机的细分驱动技术是把原来简单的对转子电流的通断过程变为逐渐改变各相绕组的电流大小和方向，使电流波形输出接近正弦波，从而使电机内部的空间合成磁场逐步改变，就能把原来一个步距角的通电方式变成为跟随电流的阶梯波，实现多步输出，从而减少低速振荡和噪音（如附图7所示）。因电机加速的时间要求尽可能短，在加速过程划分的各个分段，要求细分值在不大于目标频率细分的情况下逐渐增大细分。例如：电机目标频率所需细分为32细分，在整个加速过程中可划分为4、8、16、32细分段，即第一段的细分为4细分，最后一段的加速为32细分下进行加速。细分段数随目标频率、细分不同有不同的划分段。
步进电机在同一加速段可以选择不同的细分参数进行转动，而一旦选择了某一细分参数后其数值是不变的，如转速为60rpm，细分参数可以是2、4、8……，但是步进电机在同一加速段选择不同的细分参数会影响步进电机的工作性能，因此本发明对步进电机在同一加速段对应不同的细分参数进行测试，如转速为60rpm，分别测试步进电机在细分参数为2、4、8……进行转动的工作性能，根据步进电机的振动特性和噪声特性等因素选择最优的细分参数，若当细分参数为4时，测得步进电机的振动特性和噪声特性最优，那么转速60rpm就选择细分参数为4；又如转速为600rpm，当细分参数为16时，测得步进电机的振动特性和噪声特性最优，那么转速600rpm就选择细分参数为16，这样就可以形成了转速-细分参数关系表，该关系表能够使步进电机的振动特性和噪声特性（机械特性）最优，并把该关系表存储在输液设备的存储器内。上述这一过程是预先对步进电机进行测试的。
频率更新模块，频率更新模块对每个驱动脉冲频率是否已运行到足够步数进行判断；当步数值已达到加减速算法模块的步数值，则跳转到下一个驱动脉冲频率来进行相同的流程，直到加减速完成。为了保证步进电机输出的力矩平稳，各加速段需运行不同的步数。加减速频率表中的各驱动脉冲频率所需运行的步数不同，为实现精确控制所运行步数，故需要判断当前转速所对应的驱动脉冲频率已运行步数，当运行足够步数时就切换至下一个驱动脉冲频率，直到完成整个加减速过程。
驱动档位匹配模块，驱动档位匹配模块用于在整个加减速过程中按照不同加速段选择匹配档位值，驱动档位匹配模块通过编码调节步进电机驱动IC的负载驱动电流实现档位控制。驱动档位匹配模块通过外部反馈电路自动检测是否存驱动脉冲频率过快，进步电机不能转动到指定角度，从而导致步进电机失步，以确定是否有足够的扭力驱动负载正常工作，然后再自动进行驱动档位的选择输出，此检测原理和自动调节在整个加减速过程及正常运行过程中，能够有效降低步进电机的功耗和温度，并有效克服运行过程所遇到因负载阻力增大而导致步进电机打滑的问题。
停机减速模块，停机减速模块可减少直接停机的硬冲击，达到延长点击寿命的效果。该模块可以为上述的加减速算法模块的反向运算。
实施例二。
如附图8所示，在输注泵输注的过程中，首次启动电机时，步进电机从速度0开始启动。但是，在实际操作过程中，往往存在人工干预或者其他方式的情况出现在电机运行过程中，步进电机从一个不为0的速度切换到目标速度。
步进电机从当前转速切换至目标转速，一般会涉及到步进电机的启动频率，选择不同的启动频率，步进电机在转速切换过程中的振动特性和噪声特性也会不同，如步进电机从当前转速60rpm切换至目标转速600rpm，启动频率为A值，测得步进电机的的振动特性和噪声特性最优，那么从当前转速60rpm切换至目标转速600rpm就选择启动频率为A值，这样就可以形成了转速切换-启动频率关系表，该关系表能够使步进电机的振动特性和噪声特性最优，并把该关系表存储在输液设备的存储器内。上述这一过程是预先对步进电机进行测试的。
步进电机从当前转速切换至目标转速，加减速算法对这一过程计算涉及的参数有：当前转速对应的驱动脉冲频率（简称当前频率FC）、当前转速对应的细分参数（简称当前细分参数MC）、当前启动频率F01、目标启动频率F02、目标转速对应的驱动脉冲频率（简称目标频率FE）、目标转速对应的细分参数（简称目标细分参数ME）、折算频率FS，其中折算频率FS为目标频率FE在当前的加减速频率表的位置或者当前频率FC在目标的加减速频率表的位置。
如图9所示：当前速度比下一速度（目标速度）大时，
a)先折算目标频率在加减速频率表的位置。
目标频率折算在加减速频率表的位置的方法：FS = FE/ ME * MC；周期公式：TS =TE/ MC * ME；
计算完后与当前启动频率比较，若折算频率FS小于当前启动频率F01，则以当前启动频率F01作为过渡完成结束点。
b)再使用当前频率在加减速频率表中的位置进行减速（倒序）过渡到FS。
c)然后补充该当前频率到加减速频率表中用于下一次减速。
d)最后细分切换到目标细分ME和目标频率FE。
如图10所示，当前速度比下一速度小时，
a)先计算目标频率在加减速频率表的位置。
b)再需要折算当前频率在加减速频率表的位置。
当前频率折算在加减速频率表的位置的方法：FS = FC / MC * ME；周期公式：TS =TC/ ME * MC；
计算完后与目标启动频率比较，若折算频率FS小于目标启动频率F02，则以目标启动频率F02作为过渡开始点。
c)然后将细分切换到目标细分ME，
d)最后从FS开始进行加速过渡到FE。
通过上述的技术方案，输液设备若需要在不同输注速度切换，输液设备中的步进电机则在加减速过程中对其所需的时间、步数和平滑度进行评估，然后根据评估结果划分不同加速段，进而选择各加速段对应的加减速算法，以求出各加速段对应的驱动脉冲频率，通过划分不同加速段，可以实现加减速平滑度和最小加减速时间/步数的均衡。同一个速度，采用最佳的细分比能有效减少电机的振动和噪声，进而提高输液精度。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.具有步进电机的输注控制方法，其特征在于，所述方法包括：
对步进电机在当前转速切换至目标转速的过程中其所需的时间、步数和平滑度进行评估，然后根据评估结果划分不同加减速段，进而选择各加速段对应的加减速算法，以求出各加速段对应的驱动脉冲频率。
2.根据权利要求1所述的具有步进电机的输注控制方法，其特征在于，所述加减速算法还计算出各驱动脉冲频率运行的步数。
3.根据权利要求1或2所述的具有步进电机的输注控制方法，其特征在于，所述加减速算法包括梯形加速算法、指数型算法和S型算法。
4.根据权利要求1所述的具有步进电机的输注控制方法，其特征在于，根据各加速段对应的细分参数预设值来驱动步进机电，该细分参数预设值使得步进电机的机械特性在所对应的加速段上最优。
5.根据权利要求4所述的具有步进电机的输液控制方法，其特征在于，所述细分参数预设值从系统记录的转速-细分参数关系表中提取获得。
6.根据权利要求1所述的具有步进电机的输注控制方法，其特征在于，根据当前转速和目标转速来选择预设的启动频率，该启动频率使得步进电机的机械特性在速度切换过程中最优。
7.根据权利要求6所述的具有步进电机的输注控制方法，其特征在于，所述启动频率从系统记录的转速切换-启动频率关系表中提取获得。
8.根据权利要求1所述的具有步进电机的输注控制方法，其特征在于，机械特性包括振动特性。
9.实现权利要求1-8任一项中所述的具有步进电机的输注控制方法的设备。
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