目前胰岛素泵行业现状是大多数采用的是直流电机+光学编码器,美敦力、丹纳这些企业都是这条路线。但现在也已经有部分头部企业采用减速步电机+光电开关的方式。采用减速步进电机的优缺点如下:

1、开环即可定位,系统 BOM 省的不只是编码器钱

采用直流电机 + 编码器,编码器本体只是一部分,真正的隐形成本是:编码器信号解码(MCU 要占定时器/外部中断/QEI 外设),以及闭环 PID 算法 + 堵转/失步判断逻辑 。

而步进电机的驱动成熟简单,易实现,MCU 给脉冲就行,节省大量开发时间与开发成本,且减速步进电机成本远低于直流减速电机的成本。从材料成本来讲,也许不到直流减速电机成本的1/10 。

2、低速扭矩特性刚好对上胰岛素泵的工作点

很多胰岛素泵基础率是每 3 分钟注一次,相当于每小时 20 次微量推进,电机工作速度就在十几 ~ 几十 rpm 区间。

  • 直流减速电机 + 编码器在这么低的转速下,要靠闭环不断微调,电流纹波和扭矩脉动都大
  • 步进减速电机的低速扭矩是"齿合式"的稳态输出。

3、关于使用寿命

直流有刷减速电机的电刷寿命一般标 2000 小时量级,胰岛素泵是贴身 24h × 数个月用的,碳刷磨屑 与 火花 EMI 对医疗安规(IEC 60601)都是扣分项。

而直流无刷减速电机(成本高)与步进减速电机理论上基本等同的寿命,且都没有碳刷磨屑。

4、步进电机尾部安装的光电开关,防止电机丢步,以及异常检测。

5、电机的效率,步进电机的效率是低于直流电机的,参考《实现步进电机低功耗运行:控制策略与硬件选型详解》一文,通过控制可以极大改善步进电机的工作效率。