面向现代输液泵的智能步进电机控制技术

作者：Jackson Coole，系统应用工程师
Thomas Ernst，产品应用工程师
ADI公司

摘要

本文介绍了最新的ADI Trinamic运动控制技术如何抑制电机谐振、降低能耗，实现快速、无传感器的负载检测与管路阻塞检测，从而使输液泵的设计更加可靠且对患者友好，所需的元器件数量也更少。

引言

输液泵是关键医疗设备，能够以精确控制的剂量将药物、营养液及其他治疗液体输送至患者体内。输液泵在现代医疗体系中发挥着关键作用，广泛应用于医院、护理院、门诊诊所，而且越来越多地应用于居家护理场景。仅在医院环境中，近90%的患者床边均会用到输液泵，凸显了输液泵在日常临床护理中的重要性。1,2 随着慢性病患病率上升、人口老龄化加剧、更多疗法转向门诊和家庭环境，输液泵的应用场景日趋多样（很多时候缺乏临床医护人员的监护）。这一转变要求制造商必须优先考虑安全性、可靠性和用户友好设计，确保设备在长时间无人值守运行期间具备完善的安全特性和有效的错误预防机制。

因此，现代输液泵和注射泵要求运动控制技术具备超高精度、低噪声和高可靠性。此类要求不仅关乎用户体验，更直接影响患者安全、药效及法规合规性。在低流速和长占空比工况下，即使微小的机械干扰、过量热量或声学异常也可能导致给药剂量不准确、热敏药物降解或患者不适。

输液泵采用多种泵送机制，包括注射器泵、线性蠕动泵和隔膜泵。每种泵对精度、力控制和长期可靠性均有特定要求。注射器泵依靠精准的低速直线运动输送精确剂量；蠕动泵通过持续挤压和释放柔性管路实现连续或大容量输送；隔膜泵则利用可控压差应对特殊输液场景。尽管机械结构存在差异，所有类型的泵均需满足运动平稳、运行安静、阻塞检测可靠及能效高等要求。

ADI公司通过ADI Trinamic电机与运动控制解决方案满足上述需求，其中融合了先进驱动技术与集成诊断功能。静音电压模式斩波、无传感器的负载检测和自适应电流控制等特性，使设计人员能够在提升各类泵架构性能、安全性和电池续航的同时，降低系统复杂度。

在此产品系列中，ADI的TMC5262步进电机控制器和驱动器代表了ADI Trinamic电机控制技术的最新一代。本文阐述StealthChop+技术系列（图1）如何协同工作以实现更安全、更安静、更节能的输液泵设计，其中包括StealthChop+、StallGuard+、CoolStep+、μDcStep和TriCoder等辅助功能。


图1：StealthChop+技术系列功能概览

StealthChop+技术系列

        StealthChop+：静音、谐振阻尼运动控制

StealthChop+是一款先进的ADI Trinamic电压模式脉宽调制(PWM)斩波器，专为超静音、低振动步进电机运行而设计。传统电流模式斩波器固有地会引入电流纹波、可闻噪声和转矩波动；与之不同，StealthChop+采用前馈方式调节电机电压，同时保持精确的电角度对齐。由此带来的效果包括：实现近乎静音的运动、高微步线性度，并主动抑制中频机械谐振。

在输液泵应用中，此类特性直接转化为更平滑的柱塞运动、更小的流量脉动和显著更低的运行噪声，更好地保障给药精度和患者舒适度。StealthChop+还可降低开关损耗，提高整体能效，并支持灵活的减速行为，帮助设计人员安全管理再生能量，并在快速停止期间简化过压保护设计。通过集成无传感器的负载测量和谐振阻尼功能，即使在低流量输液模式常见的长时间静置期间，StealthChop+也能保障优异的运动控制，且无可闻待机噪声。

图2展示了步进电机固有的谐振特性及先进的ADI Trinamic运动控制技术的优势。由于极对数较高，步进电机在低速和中速区域表现出明显的低频机械谐振，且容易被激发。采用传统电流控制驱动时，此类谐振表现为转矩纹波、可闻噪声和局部转矩下降，导致可用转矩和运动稳定性降低。与此相比，TMC5262配合StealthChop+运行时，通过最小化电流纹波和主动阻尼机械振荡，显著抑制了谐振激发。转矩-速度对比曲线显示，在谐振区域内仍能保持较高转矩，同时降低了噪声辐射。精密医疗泵系统因而能够实现更平滑、更安静的运动和更稳定的流量输送。


图2：StealthChop+带来的转矩优势

        StallGuard+：无传感器的负载检测和堵转检测

StallGuard+是一项先进的无传感器的负载检测技术，可直接根据电机电气特性测量机械负载，无需外部力传感器、编码器或开关。StallGuard+算法实时监测电机电气工作点，并计算SGP_RESULT负载指标（无量纲）。

此数值反映电机电气负载角及其可用转矩裕度，可直接实时衡量电机运行接近稳定极限的程度。随着机械负载增加，StallGuard+值成比例下降，表明负载角增大，可用转矩裕度相应减小。

SGP_RESULT值较高表示转矩裕度充足，值接近零则表示电机已逼近转矩极限，可能发生丢步。

与传统反电动势(EMF)法相比，StallGuard+在医疗泵典型的低速工况下更为有效，且在较宽速度范围内均能提供一致的电机负载指示，直至高反电动势或弱磁效应占据主导。在极低转速下，基于斜率的检测技术可在无机械开关的情况下实现可靠的端点检测。为了将StallGuard+用作保护机制，控制器内置了可编程的负载阈值，用于表示允许的最小转矩裕度。随着机械阻力增加，SGP_RESULT值随之下降，当降至SGP_THRS以下时，设备会自动介入以故障恢复力可靠性，在防止丢步的同时标记过载状态，交由上层系统处理。除上述自动保护功能外，SGP_RESULT值还可以直接由固件读取，设计人员可根据需求实施自定义检测、日志记录或针对特定应用的控制策略。

        无传感器负载监测与阻塞检测

在输液泵中，传统的阻塞检测依赖于压力传感载荷单元或应变计，此类传感器通常紧贴柔性管路安装。当流体受阻时，管路内压力逐渐升高，导致管路膨胀并对传感器施加作用力。输液泵持续监测此压力变化，并在达到预设阈值或上升速率条件时触发警报。这种方法虽然有效，但在低流量工况下，由于压力积累缓慢，响应速度可能极慢。

当发生管路扭曲、夹管或下游堵塞等阻塞情况时，流体流动阻力会立即增加。阻力增加会表现为电机机械负载加重，进而改变电机的电流消耗和电气工作点。StallGuard+能够直接检测这种变化，使系统及时识别异常负载状态。

为演示无传感器的阻塞检测功能，研究人员组装了一台注射泵演示样机（图3），用于同步监测电机负载指标与管路压力。


图3：注射泵(a)系统级框图和(b)演示样机设置

图3a展示了注射泵演示样机（用于评估无传感器的阻塞检测）的简化系统级框图。TMC5262-EVKIT评估板由24V电源供电并驱动注射泵机构，同时通过StallGuard+实时报告电机负载信息。

MAX40109EVSYS精密信号调理模拟前端连接在线压力传感器，直接测量管路压力，以便与基于电机的诊断数据进行比对。所有子系统均通过USB连接至主机PC，实时记录电机参数、压力和流量数据。此架构使得在相同运行条件下，能够直接对比基于压力的阻塞检测与基于StallGuard+的电机负载传感结果。

图3b展示了实验中使用的注射泵实体演示样机。此装置由线性注射泵组件驱动注满流体的注射器，并连接至柔性管路。流体依次流经压力传感器和流量传感器，最终进入收集容器。测试期间，通过夹紧注射器下游的管路人为制造阻塞，从而可控地观察压力与电机负载随时间的变化过程。

图4展示了测量结果。首先，夹紧管路以在泵送机构下游制造阻塞。随着时间推移，压力逐渐升高，而StallGuard+指标逐渐下降，二者呈现明显的负相关。在此装置中，StallGuard+最终降至最小值0，此时软件利用堵转指示停止电机并触发警报。如前所述，阈值可通过软件进行调节，以设定阻塞检测的灵敏度。结果表明，基于电机的诊断技术能够在无传感器的情况下快速估算系统负载。


图4：StallGuard+指标与因阻塞而产生的压力积聚的关系

这种强相关性验证了StallGuard+作为可靠的无传感器阻塞检测指标的有效性，尤其是在压力报警存在固有延迟的低流量工况下。然而，StallGuard+更应被视为一种辅助信号，而非压力传感器的完全替代品。在压力传感器受限于尺寸、成本或机械安装位置的设计中，StallGuard+有助于实现更快速的初始检测、提供安全监测冗余，或提供诊断洞察。

        CoolStep+：负载自适应电流控制

CoolStep+以StallGuard+为基础，在实时负载反馈与电机电流调节之间形成闭环控制。CoolStep+不再采用固定的最坏情况电流驱动电机，而是持续调整相电流，使电机仅输出瞬时负载工况所需的转矩。

在系统层面，CoolStep+监控StallGuard+负载指标(SG_RESULT)并动态调节电机电流。在轻负载下，电流会自动降低；而在柱塞加速或阻塞初期等阻力增加的情况下，电流会受控增大，以维持转矩裕度。这种闭环控制使电机能够平稳应对负载瞬变，既避免了多余的能量耗散，又保证了位置完整性。


图5：CoolStep+带来的能效提升

图5突出了由此带来的能效提升。图中对比了常规固定电流驱动与启用StealthChop+和CoolStep+的驱动在恒定低转矩(0.1 N×m)下的电机能效与转速关系。在固定电流控制下，能效仅随转速逐步提升。相比之下，CoolStep+在轻载下会大幅降低电流，在整个工作范围内（尤其是在输液泵典型的低速工况下）实现显著更高的能效。在此工况下，CoolStep+可保持50%以上的能效，直接降低功耗和电机发热。由于电机发热与线圈电流密切相关，即使是适度的电流降低也能大幅减少电气损耗，从而防止线圈电阻因温度升高而增加，避免能效和转矩裕度随时间推移而下降。

对于医疗泵而言，降低发热不仅是提升能效：更是保障药物稳定性、患者安全和长期可靠性的关键。通过最大限度地降低电机自发热，CoolStep+有助于保护热敏药物，同时减少了对笨重散热措施的需求。更低的电机平均电流还能减少声学激励，配合StealthChop+在长时间输液周期中保持安静运行。StealthChop+与CoolStep+协同工作，使输液泵在安静运行的同时，最大限度地减少敏感药物附近的发热，降低外壳温度，并放宽热设计约束，支持更紧凑的外形尺寸。在电池供电的输液泵中，能效的提升可延长运行时间或缩小电池体积，为便携式医疗设备带来显著优势。

        μDcStep和TriCoder：在干扰下保持精度

μDcStep的作用是让系统在遭受瞬时过载或意外干扰时保持运动精度。在输液泵中，此类情况可能发生在注射器装载、启动、流量快速变化，或因下游阻塞、摩擦力变化导致机械阻力骤增时。在此类情况下，以固定速度驱动的步进电机可能会超出可用转矩裕度，导致丢步和给药剂量不准确。

μDcStep利用内部诊断功能持续监测电机负载和转速，并在接近转矩极限时自适应调整运动模式。μDcStep会自动降低转速，确保电机运行在可达到的转矩包络内，从而避免丢步。这种无编码器的闭环控制方式使输液泵无需增加机械复杂度或外部传感硬件，即可保持位置精度和体积输送精度。瞬态条件消除后，电机将无缝恢复正常运动，兼顾精度与吞吐量。

TriCoder功能通过提供无传感器的静止丢步检测和全步位置反馈，进一步增强了系统的稳健性。在需要确定位置信息但不使用编码器的输液泵应用场景中（如注射器插拔或归位序列），这项功能尤为关键。通过检测电机是否被手动移动，TriCoder能够在运动恢复时可靠地重新建立绝对位置基准。

除实时保护外，μDcStep、StallGuard+、CoolStep+及其配套的评估硬件和软件工具链，使开发期间能够进行深入的系统级分析。持续获取SGP_RESULT等负载指标，使设计人员能够量化关键工作点的负载储备，并更好地理解实际运行条件下的真实安全裕度。这一洞察有助于做出更合理的电机和机械尺寸选型决策，在许多情况下，使得使用更小、更具成本效益的电机成为可能。当主动热管理、短时峰值电流能力、StallGuard+和μDcStep等保护机制共同保障位置完整性和电机可靠运行时，可减少保守的过度设计。

μDcStep和TriCoder与StallGuard+和CoolStep+相辅相成，将智能化从单纯的能效和负载监测扩展至运动可靠性、抗故障能力和系统优化。最终构建的步进电机控制系统不仅运行安静、高效，还能在现实世界的机械干扰下保持准确、可重复的给药，同时实现更紧凑、更具成本效益的输液泵设计。


图6：TMC5262框图

TMC5262概述

TMC5262是一款紧凑、高功率的单轴步进电机控制器和驱动器，专为高度集成、高能效的运动系统设计（图6）。它支持4.5V至65V宽电压供电，并集成低阻抗功率MOSFET，以实现高能效和低发热。每个H桥可提供高达4.25A有效值（6A正弦峰值，9A峰值）电流，为各类注射器和蠕动泵架构提供充足的转矩裕度。

除上述先进的片内诊断功能外，其他功能还包括：电机线圈电阻测量、被动制动和续流模式、片内温度与电源电压监测、全面的故障保护，以及用于系统内调试和验证的实时片内示波器接口(RT-OCSI)。所有功能均集成于紧凑且热优化的30引脚、6mm × 6mm FCQFN封装中，非常适合空间受限的医疗泵设计。以上特性使得电机在空载时能以极低电流运行，仅在需要时动态提供转矩，从而最大限度地减少发热并提升能效。

结语

TMC5262展示了智能无传感器运动控制技术带来的提升，使得基于步进电机的输液泵设计能够从基础执行机构，转变为兼顾安全性、高能效和差异化优势的综合平台。通过深度集StealthChop+静音运动、StallGuard+实时负载监测、CoolStep+自适应电流控制、μDcStep和TriCoder等辅助功能，TMC5262使输液泵运行更安静、发热更低，且能更好地适应实际运行工况。对于输液泵制造商而言，上述特性可直接转化为更简化的系统架构、更舒适的患者体验、更长的电池续航和更大的设计灵活性，助力打造新一代输液平台，满足日趋严格的临床和法规要求及日益升高的用户期望。

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参考文献
1 Susan Niemeier，“Infusion Pump Errors:An Unseen Peril at the Bedside”，MedTech Intelligence，2019年1月。
2 Karen Giuliano、Jeannine Blake、Nancy Bittner、Vicki Gamez和Robert Butterfield，“Intravenous Smart Pumps at the Point of Care:A Descriptive, Observational Study”，PMC，2022年8月。

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作者简介

Jackson Coole是ADI公司数字医疗健康事业部的系统应用工程师。他拥有密西西比州立大学生物医学工程学士学位和莱斯大学生物医学工程博士学位。他的主要专业领域涵盖各类医疗泵、体外诊断分析仪和体内临床成像系统的系统设计。

Thomas Ernst在德国ADI Trinamic团队担任应用工程师。自2013年加入公司以来，他在电机控制领域积累了深厚的专业知识，拥有超过10年的半导体行业经验，并在广泛的电机控制应用中积累了丰富经验。