CN110193114B - 一种输液泵的节能驱动系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输液泵的节能驱动系统及方法，该系统包括：微处理器、用于调节步进电机驱动电流的PWM模块、用于调节生成步进电机驱动参考电压的参考电压生成模块、步进电机驱动器、步进电机和用于测量步进电机转速的光电编码器，微处理器与步进电机驱动器连接，步进电机驱动器驱动步进电机转动，光电编码器与步进电机连接，微处理器与PWM模块连接，PWM模块与参考电压生成模块连接，步进电机驱动器设有参考电压输入端，与参考电压生成模块输出端相连，参考电压生成模块设置有由限流电阻、二极管、放电电阻及积分电容组成的无源网络电路。本发明能够延长输液泵在不同流速范围内的续航时间，降低电机功耗，提高能量转换效率。

Description

一种输液泵的节能驱动系统及方法

技术领域

本发明涉及一种医疗设备技术领域，具体涉及一种输液泵的节能驱动系统及方法。

背景技术

当前输液泵在正常的工作过程中需要通过适配器通电使用，其中有些输液泵也有内置电池，适合于短时间在断开外接电源的情况下使用，当病人需要短时间的移动，比如换床位，这些内置电池可以为输液泵提供电能，但由于内置电池续航时间短，不适合长时间的随身携带使用，为了方便病人长时间随身携带输液泵使用，现有的通过增加电池容量延长使用时间，但电池的体积及重量也相应增加，降低了用户的使用体验。

现有输液泵在使用电机驱动时，通常设定一个余量足够大的驱动电流，采用了通用的恒流恒压的方式驱动电机，大部分电能转换热能，造成电机发热较为严重，无法实现降低电机功耗，提高能量转换效率的目的。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种输液泵的节能驱动系统及方法，通过步进电机节能驱动方式，延长输液泵在不同流速范围内的续航时间，降低电机功耗，提高能量转换效率。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种输液泵的节能驱动系统，包括：微处理器、用于调节步进电机驱动电流的PWM模块、用于调节生成步进电机驱动参考电压的参考电压生成模块、步进电机驱动器、步进电机和用于测量步进电机转速的光电编码器；

所述微处理器与步进电机驱动器连接，所述步进电机驱动器驱动步进电机转动，所述光电编码器与步进电机连接，所述光电编码器与微处理器连接，所述微处理器与PWM模块连接，所述PWM模块与参考电压生成模块连接，所述步进电机驱动器设有参考电压输入端，与参考电压生成模块输出端相连，所述参考电压生成模块设有无源网络电路。

作为优选的技术方案，所述光电编码器包括光栅编码盘和光电计数器。

作为优选的技术方案，所述参考电压生成模块设置由限流电阻、二极管、放电电阻及积分电容组成的无源网络电路，所述限流电阻一端与PWM模块输出端连接，所述限流电阻另一端与二极管正极连接，所述二极管负极与积分电容一端连接，所述积分电容另一端接地，所述积分电容两端与放电电阻并联，所述积分电容的电压输出端与步进电机驱动器参考电压输入端相连。

作为优选的技术方案，所述限流电阻和放电电阻均采用10K欧姆电阻，所述二极管采用1N4148型号二极管，所述积分电容采用1uF电容。

作为优选的技术方案，所述微处理器采用STM32L151CBU6。

作为优选的技术方案，所述PWM模块采用单片机PIC16F877A的PWM模块，所述PWM模块与微处理器通过RS232串口连接。

作为优选的技术方案，所述步进电机驱动器采用A4988型号的微步电机驱动器，芯片封装为QFN28，所述步进电机驱动器设有Vref引脚，所述Vref引脚与参考电压生成模块输出端相连。

作为优选的技术方案，所述步进电机采用PM25L-024型号步进电机。

本发明还提供一种输液泵的节能驱动方法，包括下述步骤：

S1：设置步进电机转速设定值，根据步进电机转速设定值输出特定频率的脉冲信号，步进电机驱动器接收到脉冲信号，驱动步进电机转动；

S2：根据步进电机转速与PWM信号脉宽的关系调整PWM模块输出PWM信号脉宽，PWM信号经过参考电压生成模块后得到步进电机驱动参考电压，步进电机驱动器根据驱动参考电压改变步进电机驱动电流；

S3：获取光电编码器测得的步进电机转速测量值；

S4：比较步进电机转速设定值与转速测量值是否相等，若转速测量值与设定值相等，则执行下一步骤；若不相等，则计算转速测量值与设定值的速度差值d，得到对应的脉宽增加量Pt后增加脉宽值P，并返回执行步骤S2；

S5：判断脉宽增加值Pt是否小于设定的阈值C，若小于设定的阈值C，脉宽值P维持原值并返回执行步骤S2；若大于或者等于设定的阈值C，则减小脉宽值P后返回执行步骤S2。

作为优选的技术方案，步骤S1中所述步进电机转速设定值为：

W＝F×60/24；其中，W为设定的电机转速，单位为转/分钟，F为脉冲信号频率，单位为赫兹；

步骤S2中所述驱动参考电压为：V＝1.5*PW，所述步进电机驱动电流为：I＝V/7.5，其中PW为PWM信号脉宽；

所述步进电机转速与PWM信号脉宽的关系设置为：

PW＝50％*(W-6.6)/(3300-6.6)+25％*(3300-W)/(3300-6.6)+Pt；

Pt＝(1+d/W)*PW，其中，Pt为脉宽增加量；

步骤S5中所述减小脉宽值P，将脉宽值减少量设置为PM＝B*Pt，其中，B表示脉宽减小比率，取值范围为[0.2,0.5]。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明结合了PWM和光电编码测速技术，通过PWM模块、步进电机驱动器驱动步进电机，并通过光电编码器测速后与微处理器通信，能够降低电机功耗，提高能量转换效率，延长输液泵在不同流速范围内的续航时间。

(2)本发明采用步进电机给输液泵提供驱动力，步进电机能够在各转速范围输出足够的扭矩，达到调速和定位的目的。

(3)本发明通过模糊迭代搜索计算出脉宽增加量Pt，控制过程不依赖于明确的、不同环境或条件下的蠕动挤压机构所需要的具体扭矩数值，可以适应不同输液泵产品应用条件或应用环境，使驱动电流的最优化设置，从而实现节能降耗。

附图说明

图1为本实施例输液泵的节能驱动系统的结构示意图；

图2为本实施例输液泵的节能驱动方法的流程示意图。

其中，1-限流电阻，2-二极管，3-放电电阻，4-积分电容，5-步进电机，6-光栅编码盘。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1所示，本实施例提供一种输液泵的节能驱动系统，包括：微处理器、PWM模块、参考电压生成模块、步进电机驱动器、步进电机5和光电编码器，光电编码器设有光栅编码盘6和光电计数器，所述微处理器与PWM模块之间采用RS232串口通信连接；

在本实施例中，微处理器根据设定的需求速度输出对应的特定频率脉冲到步进电机驱动器，步进驱动器根据接收到的特定频率脉冲频率以及参考电压输入端的电压，输出相应的驱动频率和驱动电流驱动步进电机，步进电机5与光栅编码盘6连接，光栅编码盘6转速与步进电机5转速相同，光电计数器通过检测光栅编码盘的转动获得步进电机的转速，微处理器从光电计数器中获得步进电机的转速；

在本实施例中，微处理器与PWM模块连接，微处理器控制PWM模块输出的PWM信号的脉宽，PWM模块与参考电压生成模块连接，参考电压生成模块设有由限流电阻1、二极管2、放电电阻3及积分电容4组成的无源网络电路，限流电阻1一端与PWM模块输出端连接，限流电阻1另一端与二极管2正极连接，二极管2负极与积分电容4一端连接，积分电容4另一端接地，积分电容4两端与放电电阻3并联，积分电容4的电压输出端与步进电机驱动器参考电压输入端相连，本实施例的限流电阻优选为10K欧姆，二极管型号优选为1N4148，放电电阻优选为10K欧姆，积分电容优选为1uF；

在本实施例中，参考电压生成模块可将频率为5KHz,低电平为0V，高电平为3V的PWM信号转化为0-1.5V稳定电压输出，当PWM信号的占空比为0％时，输出0V,当占空比为100％时，输出1.5V，当占空比为50％时输出0.75V，输出驱动参考电压与PWM信号占空比(PWM信号脉宽)的关系为：V＝1.5*PW，其中，V为输出驱动参考电压，PW为占空比；

当参考电压生成模块向电机驱动模块A4988输出为3V时，A4988的驱动电流为0.4A；当参考电压生成模块向电机驱动模块A4988输出为1.5V时，A4988的驱动电流为0.2A，参考电压生成模块的输出电压与驱动电流的关系为：I＝V/7.5；其中，I为驱动电流，V为参考电压生成模块的输出电压；

在本实施例中，PWM模块输出的PWM信号通过限流电阻和二极管向积分电容充电，积分电容两端产生电压，当PWM信号处于高电平时，积分电容电压缓慢上升，上升的速度主要由限流电阻影响，当PWM信号处于低电平时，积分电容向放电电阻缓慢放电，积分电容两端的电压缓慢下降，通过调节PWM信号的脉宽，积分电容两端的电压将会稳定在一个特定的数值，增加PWM信号脉宽时，积分电容两端的电压会提高，反之降低，积分电容的电压与步进驱动器的参考电压输入端相连，通过调节PWM信号的脉宽可以改变积分电容的电压，从而改变参考电压输入端的电压，进而改变驱动电流。

本实施例通过牺牲一定的转动角度精确性(通过丢步来检测电机电流是否足够，这意味着步进电机一定会发生少量丢步)来大大降低电机功耗，控制器可以检测到的丢步率在万分之一以内，而一般用途的输液泵精度在3％以内，这个丢步在输液泵领域是允许的。

在本实施例中，微处理所需的主频至少为10MHz，片上用于储存程序的FLASH至少20Kbytes，片上用于储存程序运行中产生的数据的RAM至少50KB，本实施例微处理器优选STM32L151CBU6，该微处理器的位数为32位，最高运行频率为32MHz，有83个I/O口，内部含有128Kbytes的Flash用于储存程序，含有16KB的RAM。

在本实施例中，STM32L151CBU6内部含有输出PWM信号的功能，但使用STM32L151CBU6内部的PWM功能会占用该微处理器的资源，并可能影响系统的稳定性，故本实施例采用外置的PWM模块，PWM模块主要由单片机PIC16F877A实现，该单片机内部含有PWM模块，单片机PIC16F877A与STM32L151CBU6通过串口进行通信，单片机PIC16F877A通过串口接受STM32L151CBU6发出的指令来调整PWM信号的频率与占空比。

在本实施例中，步进电机驱动器采用的型号为A4988，A4988是一款完整的微步电机驱动器，输出驱动能力高达35V和±2A电流，芯片封装为QFN28，较大的驱动能力，小巧的封装使其十分适合应用于微型或便携设备，A4988的输出引脚可以直接与步进电机相连接，同时A4988接受其它系统向其输入的脉冲信号，每接收一个脉冲信号的上升沿，A4988则驱动步进电机前进一个增量，A4988的Vref引脚接收外部输入的电压信号，该电压的大小值控制着A4988输出到步进电机的驱动电流。

在本实施例中，步进电机的型号为PM25L-024，该电机为两相四线步进电机，其额定驱动电压为12V，驱动电流范围为0-0.4A。

在本实施例中，光电编码器由光栅编码盘与光电计数器组成，步进电机转动时带动光栅编码盘同时转动，光栅编码盘转动的时候光电计数器的光路在导通和阻挡状态间变换，从产生脉冲电信号，脉冲频率与转动速度成正比。

如图2所示，本实施例还提供一种输液泵的节能驱动方法，包括下述步骤：

S1：设置步进电机转速设定值，根据步进电机转速设定值输出特定频率的脉冲信号；

在本实施例中，步进电机驱动器采用的型号为A4988，步进电机驱动器A4988接收输入的脉冲信号，每接收一个脉冲信号的上升沿，A4988则驱动步进电机前进一个增量，对于本实施例的PML25-024信号的步进电机，其步进角为15度，电机转动一周需要转动24个步进角，电机转速公式为：W＝F×60/24，其中W为设定的电机转速，单位为转/分钟(RPM)，F为脉冲信号频率，单位为赫兹(Hz)；

S2：根据速度与PWM信号脉宽的关系调整PWM模块输出PWM信号脉宽；

在本实施例中，速度与PWM信号脉宽的关系为：

PW＝50％*(W-6.6)/(3300-6.6)+25％*(3300-W)/(3300-6.6)+Pt；其中，PW为PWM信号脉宽，即PWM信号占空比，其范围为0％-100％，W为设定的电机转速，单位为RPM，Pt为脉宽增加量，也称为脉宽调节量，由设定的速度与检测到的实际转速的速度差值d计算得出，脉宽调节量Pt为关于速度差值d的函数，d与Pt为线性关系；

S3：获取光电编码器测得的步进电机转速测量值；

S4：比较步进电机转速设定值与转速测量值是否相等，若转速测量值与设定值相等，则执行下一步骤；若不相等，则计算转速测量值与设定值的速度差值d，得到对应的脉宽增加量后增加脉宽值P，并返回执行步骤S2；

在本实施例中，脉宽值P的迭代表达式为：P＝P+Pt，Pt＝(1+d/W)*PW，其中，Pt为脉宽增加量，也称为脉宽调节量，d设定的速度与检测到的实际转速的速度差值，W为设定的电机的转速，PW为当前的PWM信号脉宽，即PWM信号占空比；

S5：判断上一次脉宽增加值Pt是否小于设定的阈值C，若小于设定的阈值C，脉宽值P维持原值并返回执行步骤S2；若大于或者等于设定的阈值C，则减小脉宽值P后返回执行步骤S2；

在本实施例中，脉宽减少值为PM＝B*Pt，其中，Pt为上一次脉宽增加值，B为脉宽减小比率，当B值越小时，脉宽值减小量越小，B的优选取值范围为[0.2,0.5]，一般情况下低速的时候选择小值，高速的时候选择较大的值。

在本实施例中，为了达到提高步进电机驱动效率，降低步进电机功耗的目的，微处理器根据设定的转速和光电编码器测量反馈的转速，调整驱动电流。当光电编码器返回来的转速比设定的转速要小时要增加脉宽从而增加驱动电流，当光电编码器返回来的转速与设定的转速相同时减少脉宽，从而减小驱动电流，通过这个动态的不断的调整过程，驱动电流可以稳定在一个最高效的状态下。

在本实施例中，通过微处理器输出脉冲控制步进电机的转速，通过PWM模块输出的PWM信号控制不同转速下的驱动电流，驱动电流通过光电编码器测速反馈的步进电机丢步情况进行调整，丢步多了，驱动电流加大，丢步少了，维持或降低驱动电流，检测到任何丢步都会促使驱动电流的增加，当丢步率达到万分之一时，会增加驱动电流直至不再出现丢步为止，所以平均丢步率将会少于万分之一，本实施例采用的迭代搜索方法考虑到输液泵的蠕动挤压机构所需的驱动力在外部因素的影响下会出现不规则变化，会在丢步和不丢步之间这个临界状态附近来回转换，当脉宽减小比率B越小则丢步的持续时间越短。

在本实施例中，步进电机的输出转角与输入脉冲信号呈线性关系，线性关系可以在极低的转速到极高的转速范围内保持，并在各转速范围输出足够的扭矩，例如步进电机可以在十分慢的速度完成精确转动，10秒时间内转动30度，或者在高速下使输出角度与输入脉冲成线性关系。

在本实施例中，步进电机的输出扭距与驱动电流有直接的关系，而输液泵蠕动挤压机构所需要的扭矩则与环境温度、输液管的厚度、输液管硬度和机械传动效率等因素有密切的关系，本实施例通过模糊迭代搜索计算出脉宽增加量Pt，控制过程不依赖于明确的、不同环境或条件下的蠕动挤压机构所需要的具体扭矩数值，可以适应不同输液泵产品应用条件或应用环境，使驱动电流的最优化设置，从而实现节能降耗。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种输液泵的节能驱动系统，其特征在于，包括：微处理器、用于调节步进电机驱动电流的PWM模块、用于调节生成步进电机驱动参考电压的参考电压生成模块、步进电机驱动器、步进电机和用于测量步进电机转速的光电编码器；

所述微处理器与步进电机驱动器连接，所述步进电机驱动器驱动步进电机转动，所述光电编码器与步进电机连接,所述光电编码器与微处理器连接，所述微处理器与PWM模块连接，所述PWM模块与参考电压生成模块连接，所述步进电机驱动器设有参考电压输入端，与参考电压生成模块输出端相连，所述参考电压生成模块设有无源网络电路；

所述参考电压生成模块设置由限流电阻、二极管、放电电阻及积分电容组成的无源网络电路，所述限流电阻一端与PWM模块输出端连接，所述限流电阻另一端与二极管正极连接，所述二极管负极与积分电容一端连接，所述积分电容另一端接地，所述积分电容两端与放电电阻并联，所述积分电容的电压输出端与步进电机驱动器参考电压输入端相连，通过调节PWM信号的脉宽改变积分电容的电压，从而改变参考电压输入端的电压，进而改变驱动电流；

微处理器根据设定的转速和光电编码器测量反馈的转速，调整驱动电流，当光电编码器返回来的转速比设定的转速要小时要增加脉宽从而增加驱动电流，当光电编码器返回来的转速与设定的转速相同时减少脉宽，从而减小驱动电流；

比较步进电机转速设定值与转速测量值是否相等，若转速测量值与设定值相等，则执行下一步骤；若不相等，则计算转速测量值与设定值的速度差值d，得到对应的脉宽增加量后增加脉宽值P，通过模糊迭代搜索计算出脉宽增加量Pt，脉宽值P的迭代表达式为：P＝P+Pt，Pt＝(1+d/W)*PW，其中，Pt为脉宽增加量，W为设定的电机的转速，PW为当前的PWM信号脉宽，即PWM信号占空比。

2.根据权利要求1所述的输液泵的节能驱动系统，其特征在于，所述光电编码器包括光栅编码盘和光电计数器。

3.根据权利要求1所述的输液泵的节能驱动系统，其特征在于，所述限流电阻和放电电阻均采用10K欧姆电阻，所述二极管采用1N4148型号二极管，所述积分电容采用1uF电容。

4.根据权利要求1所述的输液泵的节能驱动系统，其特征在于，所述微处理器采用STM32L151CBU6。

5.根据权利要求1所述的输液泵的节能驱动系统，其特征在于，所述PWM模块采用单片机PIC16F877A的PWM模块，所述PWM模块与微处理器通过RS232串口连接。

6.根据权利要求1所述的输液泵的节能驱动系统，其特征在于，所述步进电机驱动器采用A4988型号的微步电机驱动器，芯片封装为QFN28，所述步进电机驱动器设有Vref引脚，所述Vref引脚与参考电压生成模块输出端相连。

7.根据权利要求1所述的输液泵的节能驱动系统，其特征在于，所述步进电机采用PM25L-024型号步进电机。