面向 IVD 医疗设备精密液体输送的运动物理量反馈速度补偿控制技术研究与工程实现

摘要

精密液体输送是体外诊断（In Vitro Diagnostics，IVD）医疗设备中的关键基础能力，广泛应用于样本加样、试剂分配、微流体驱动、反应体系构建及多通道同步输送等核心环节。液体输送过程中的周期性波动、重复性误差和推进不均匀，会直接影响加样精度、反应稳定性和检测结果一致性。针对传统连续速度控制或常规闭环控制方法难以有效补偿机械结构误差、丝杆周期误差、电机细分误差及液路负载扰动等工程问题，本文提出一种面向 IVD 医疗设备精密液体输送机构的运动物理量反馈速度补偿控制方法。该方法将电机驱动过程划分为多个离散运动单元，并为每个运动单元配置独立速度参数，形成可动态修正的速度执行序列。在系统运行过程中，通过编码周期、流速、压力、位移等运动物理量采集实际运动结果，并根据实际值与目标值之间的偏差计算补偿系数，对后续运动单元或同周期运动区段的速度参数进行补偿修正。对于重复性较强的系统误差，进一步通过多周期学习形成稳定速度补偿表，实现对固定运动位置或固定周期区段的结构化补偿。以 IVD 精密注射泵系统为验证对象，实验结果表明，该方法能够显著降低码盘周期波动和液体输出不均匀性。补偿前系统存在明显周期性波动，原始数据变异系数 CV 约为 0.6%；补偿后系统波动显著收敛，CV 降至约 0.05%，稳定性提升 10 倍以上。研究表明，该方法具有实现复杂度低、工程适配性强、可嵌入式部署、适合批量产品化应用等特点，可为 IVD 医疗设备中的精密加样、微流体输送和多通道液体控制提供一种可工程化落地的高稳定性运动控制方案。

关键词：IVD；医疗设备；精密液体输送；注射泵；运动物理量反馈；速度补偿；工程实现；系统稳定性

1引言

在现代 IVD 医疗设备中，液体处理能力已经成为决定整机性能的重要基础技术之一。无论是血液分析、尿液分析、生化分析、免疫分析、分子诊断，还是 POCT 与微流控检测系统，都需要完成样本吸取、试剂分配、稀释混合、清洗冲洗、反应液输送等复杂液体操作。上述过程通常依赖注射泵、柱塞泵、推杆机构、丝杆滑台、阀控机构及微流体驱动模块等执行机构。

在这些应用场景中，液体输送并非简单的“有无动作”问题，而是要求执行机构在微小体积、固定节拍、高重复次数和多通道协同条件下保持稳定输出。对于 IVD 医疗设备而言，液体输送的稳定性不仅影响单次加样精度，也会影响检测体系构建、试剂反应充分性、通道间一致性和长期运行可靠性。因此，提升精密液体输送机构的运动均匀性和输出稳定性，是提高 IVD 设备整体性能的重要工程方向。

在实际产品开发和工程应用中，电机驱动的注射泵或加样机构常常会出现周期性波动和重复性误差。其原因包括丝杆加工误差、联轴器偏心、电机细分误差、传动机构间隙、编码盘偏心、液路阻力变化以及装配一致性差异等。此类误差往往不是完全随机的，而是在相同运动位置、相同旋转角度或相同周期区段重复出现。

传统 PID 控制、速度闭环控制或连续速度函数控制方法可以对部分瞬时误差进行修正，但对于具有位置相关性和周期重复性的系统误差，往往难以形成针对性补偿。尤其在 IVD 精密液体输送场景中，系统执行任务高度重复，误差模式相对稳定，若能够识别误差出现的周期位置，并对该运动区段进行局部补偿，将有望显著提升液体输出稳定性。

基于上述工程问题，本文提出一种面向 IVD 医疗设备精密液体输送机构的运动物理量反馈速度补偿控制方法。该方法将连续运动过程离散化，建立离散运动单元与速度参数之间的对应关系，并通过实际运动物理量反馈对速度执行序列进行动态修正，从而实现对周期性误差和重复性误差的工程化补偿。

2 IVD医疗设备精密液体输送中的工程痛点

2.1液体输送稳定性对 IVD 设备性能的影响

IVD 医疗设备通常需要在有限空间内完成复杂的液体处理任务，液体输送稳定性直接影响以下关键指标：

• 加样体积准确性：样本或试剂输送量偏差会改变反应体系浓度，影响检测结果准确性。
• 液体输出均匀性：注射泵推进过程若存在周期性波动，会造成流速脉动，影响微流体输送和反应稳定性。
• 通道间一致性：多通道系统中，各通道运动误差不同，会导致通道间液体分配差异。
• 长期运行稳定性：IVD 设备常需要高频次、长周期运行，重复性误差会在长期使用中累积影响系统表现。
• 系统工程可靠性：液体输送不稳定可能进一步引发气泡、压力波动、液滴残留、吸排不完全等工程问题。

因此，精密液体输送控制并不是单一电机控制问题，而是关系到医疗设备整机性能和检测可靠性的系统工程问题。

2.2传统控制方式的工程局限

传统方法通常通过设定电机速度、加速度或使用常规闭环反馈来控制执行机构运动。这类方式在一般自动化设备中应用广泛，但在 IVD 精密液体输送场景中存在明显局限。

第一，传统方法通常关注电机本体速度或位置，而 IVD 应用真正关注的是最终液体输出状态，包括流速、压力、体积和稳定性。第二，常规闭环控制多以瞬时误差为调节对象，难以针对固定周期位置反复出现的误差建立长期补偿模型。第三，传统连续控制方法对控制器计算资源、传感器响应速度和系统调参经验要求较高，不利于在成本敏感、结构紧凑的医疗设备中大规模部署。

针对 IVD 医疗设备，需要一种更加贴合工程实际的控制方法：既能够利用现有传感器数据，又能够针对重复性误差建立结构化补偿模型，同时具备嵌入式实现和产品化部署能力。

3技术路线与工程创新点

3.1技术路线

本文提出的技术路线可概括为：离散化建模 → 速度序列控制 → 运动物理量反馈 → 误差补偿计算 → 多周期学习 → 稳定补偿表调用。

系统首先将电机连续运动过程划分为多个离散运动单元，并为各单元配置对应速度参数，形成速度执行序列。在运行过程中，控制器采集编码周期、流速、压力或位移等运动物理量，将实际运动结果与目标值进行比较，计算误差和补偿系数。随后，系统根据补偿结果修正后续运动单元的速度参数。对于重复性较强的系统误差，控制器通过多周期学习形成稳定速度补偿表，并在后续运行中直接调用。

该技术路线的核心价值在于：将原本难以精确描述的连续运动误差，转换为可定位、可统计、可学习、可补偿的离散单元误差。

3.2 工程创新点

• 面向 IVD 最终输出效果的反馈控制：控制目标从电机速度扩展到编码周期、流速、压力、位移等实际运动结果。
• 将连续运动误差转化为离散单元补偿问题：针对特定位置、周期区段或执行阶段进行局部补偿。
• 针对重复性误差建立多周期学习机制：通过多个运行周期的数据统计建立补偿模型，形成稳定补偿速度表。
• 适合嵌入式平台和产品化部署：速度执行序列和补偿表可通过查表方式实现，实时计算量较低。
• 适用于多类医疗设备执行机构：注射泵、加样机构、微流体驱动模块、精密位移平台、阀控执行机构和多通道同步系统。

4系统结构与工作原理

4.1系统组成

面向 IVD 医疗设备精密液体输送的速度补偿控制系统可由控制器模块、电机驱动模块、传动执行模块、运动物理量检测模块和补偿控制模块组成。其中，控制器模块用于完成离散运动单元划分、速度参数配置、速度执行序列生成、补偿参数更新及执行控制；运动物理量检测模块用于采集编码周期、流速、压力、位移、推杆位置或电机速度等反馈数据；补偿控制模块用于根据实际物理量与目标物理量之间的偏差计算补偿系数，并将结果反馈至控制器模块。

图1 IVD 精密注射泵系统级周期波动动态校正原理图

图1展示了系统从补偿前周期波动到补偿后稳定输出的整体过程。补偿前，码盘周期 T 存在明显周期性波动，液体输出不均匀，CV 约为 0.6%；经过运动物理量反馈速度补偿算法处理后，系统通过在线误差校准、过程计量分析和周期扰动抑制建立动态补偿模型；补偿后，码盘周期波动显著降低，液体输运稳定性明显提升，CV 降至约 0.05%。

4.2 工作原理

• 控制器根据目标液体输送任务，将电机运动划分为多个离散运动单元。
• 控制器为每个运动单元配置速度参数，形成初始速度执行序列。
• 电机驱动模块根据速度序列驱动注射泵或加样机构运动。
• 传感器采集运动物理量，包括编码周期、流速、压力或位移。
• 控制器计算实际物理量与目标物理量之间的偏差。
• 系统根据偏差计算补偿系数，并对后续运动单元或同周期位置的速度参数进行更新。
• 多周期运行后，系统形成稳定补偿速度表，后续任务中直接调用补偿速度表，实现稳定输出。

该机制本质上是一种系统级动态稳态闭环控制，其特点是持续监测、动态优化、逐步稳定。

5离散运动单元与速度执行序列设计

5.1离散运动单元定义

在 IVD 精密液体输送系统中，离散运动单元可根据不同机构和控制精度进行定义，包括单个驱动脉冲、单个或多个电机微步、固定数量脉冲对应的推杆位移、固定角度旋转区间、固定位移长度以及固定时间片内的运动区段。对于注射泵系统，推荐优先采用固定脉冲数、固定微步数或固定推杆位移作为离散运动单元。这样既可以保证补偿精度，又便于与电机控制系统和液体输出过程建立对应关系。

5.2速度参数配置

每个离散运动单元均可配置独立速度参数，包括单元运行速度、单元起始速度、单元目标速度、单元最大允许速度、单元速度变化方式以及单元加速度或减速度斜率。设第 n 个离散运动单元对应速度参数为 Vn，则速度执行序列可表示为：

V = [V1, V2, V3, ..., Vn]

在工程实现中，速度序列既可以由离线标定生成，也可以在设备启动前根据任务生成，还可以在运行过程中根据反馈数据实时更新。

图2 基于运动物理量反馈的离散运动单元速度补偿流程图

图2展示了本文方法的控制流程。当系统检测到实际运动物理量与目标值之间的误差超出允许范围时，控制器计算补偿系数，并更新后续运动单元的速度参数；当误差进入允许范围后，系统进入稳定运行状态。

6运动物理量反馈与补偿算法

6.1反馈物理量选择

本文方法可支持多种反馈物理量。编码周期用于反映电机旋转、码盘触发或丝杆推进过程中的周期时间波动；流速用于反映注射泵或微流体系统液体输出速度变化；压力用于反映液路阻力、驱动负载变化及液体输送稳定性；位移用于反映推杆、滑台或执行机构在某一时刻的实际位置；转速用于反映电机实际运行速度；推杆位置用于反映注射泵推杆或其他直线执行部件的位置变化。

在 IVD 医疗设备应用中，编码周期适合用于识别机械周期误差，流速适合用于直接反映液体输出稳定性，压力适合用于监测液路状态和负载变化。

6.2误差计算

设第 n 个离散运动单元对应的实际运动物理量为 Y(n)，目标物理量为 Y0(n)，则误差可表示为：

e(n) = Y(n) - Y0(n)

对于编码周期反馈，可表示为：

eT(n) = T(n) - T0

其中，T(n) 为实际码盘周期，T0 为目标周期。对于流速反馈，可表示为：

eQ(n) = Q(n) - Q0

其中，Q(n) 为实际流速，Q0 为目标流速。

6.3补偿系数计算

补偿系数可采用多种形式，包括比值型补偿、差值型补偿、标准化偏差补偿和查表补偿。

rn = Y(n) / Y0(n)

Delta Vn = K · [Y(n) - Y0(n)]

Kn = [Y(n) - Y0(n)] / Y0(n)

V'n = Vtable[n]

其中，rn 为比值型补偿系数，Delta Vn 为速度修正量，K 为补偿增益，Vtable[n] 为第 n 个离散运动单元对应的补偿速度。

6.4速度参数修正

速度修正可采用直接比例修正、加减偏置修正、分段查表修正、同周期位置修正以及多周期稳定补偿等方式。对重复性强的误差，推荐通过多个周期统计结果形成稳定补偿表后直接调用，以降低实时计算负担并提高长期运行一致性。

7多周期学习补偿模型

在精密注射泵和加样机构中，误差通常具有周期重复性，可表示为：

Y(n) = Y0(n) + e(n)

当误差具有重复周期 T 时：

e(n) ≈ e(n + T)

该关系说明，在相同运动位置或相同周期区段，系统误差可能反复出现。该特性为多周期学习补偿提供了基础。

7.1多周期误差统计

设第 k 个运行周期中，第 n 个运动单元的实际物理量为 Yk(n)，则误差为：

ek(n) = Yk(n) - Y0(n)

经过 K 个周期后，可计算平均误差：

ē(n) = (1 / K) · Σ ek(n)

根据平均误差生成补偿速度：

V'n = Vn + f[ē(n)]

其中，f(·) 为误差到速度补偿量的映射函数。

7.2 工程实现方式

• 初始运行阶段采集原始运动物理量。
• 对不同离散运动单元建立误差记录。
• 多周期统计相同位置误差。
• 计算平均误差和补偿系数。
• 更新速度补偿表。
• 后续运行中调用补偿表。
• 若系统状态变化，则继续在线微调。

这种方法可兼顾离线标定和在线优化，既适合研发阶段调试，也适合量产设备中的长期运行优化。

8 IVD精密注射泵系统验证

8.1验证对象与方法

本文以 IVD 精密注射泵系统为验证对象。该系统由电机、丝杆机构、推杆、液路通道、编码检测模块和控制器组成。电机驱动丝杆推动推杆运动，推杆进一步推动液体输出。系统采用码盘周期作为主要反馈物理量，通过光耦或编码检测模块采集运动周期数据，用于分析电机-丝杆-推杆系统的周期性波动。

实验分为两个阶段：第一阶段为补偿前测试，系统按照基础速度序列运行，采集码盘周期数据，分析原始周期波动和 CV 指标；第二阶段为补偿后测试，系统根据补偿算法修正速度执行序列，再次采集码盘周期数据，并与补偿前结果进行对比。

图3 补偿前后输出稳定性对比图

8.2验证结果

实验结果显示，补偿前系统呈现明显周期性波动；补偿后码盘周期波动明显减小，曲线更加接近理论值，说明速度补偿机制有效降低了周期性运动误差。

表1 补偿前后关键指标对比

从产品化角度看，该方法不依赖复杂硬件改造，而是可以在现有电机驱动、编码检测和控制器架构基础上通过软件算法实现。其工程价值包括提升IVD 加样系统液体输送稳定性、降低机械误差对检测性能的影响、提高多通道执行机构一致性、减少高精度机械加工和装配对系统性能的限制，并可作为医疗设备控制平台的通用补偿算法模块。

9在 IVD 与医疗设备中的推广应用价值

9.1 IVD加样系统

在 IVD 加样系统中，样本和试剂输送精度直接影响检测结果。本文方法可通过编码周期、流速或压力反馈修正推杆速度，提高加样过程稳定性，降低加样波动。

9.2微流体输送系统

在微流体系统中，流量波动会影响反应时间、混合效率和检测重复性。通过运动物理量反馈速度补偿，可改善微流体输送的连续性和平稳性。

9.3多通道液体处理设备

多通道 IVD 系统中，不同通道之间的机械误差可能导致输出差异。本文方法可为每个通道建立独立补偿表，也可建立统一参考模型，从而提高通道间一致性。

9.4精密位移与自动化执行机构

除液体输送外，该方法还可用于医疗设备中的精密位移平台、样本转移机构、阀门驱动机构、点胶机构和自动化送料机构。凡是存在重复性运动误差的系统，均可通过离散运动单元补偿方法提升稳定性。

10工程创新贡献总结

表2 工程创新点与 IVD 应用价值对应关系

本文工作的工程创新贡献可概括为：提出面向 IVD 液体输送稳定性的速度补偿框架；建立离散运动单元级补偿机制；实现基于运动物理量的动态反馈补偿；形成多周期学习型补偿表；并在 IVD 精密注射泵系统中获得可量化的稳定性提升效果。

11结论

本文围绕 IVD 医疗设备中精密液体输送机构的周期性波动和重复性误差问题，提出了一种基于运动物理量反馈的离散运动单元速度补偿控制方法。该方法通过将连续运动离散化、构建速度执行序列、引入编码周期/流速/压力/位移等反馈物理量，并结合多周期学习机制建立稳定补偿速度表，实现了对系统周期性误差和局部重复性误差的结构化修正。

以 IVD 精密注射泵系统为验证对象，结果表明，本文方法能够显著降低码盘周期波动，提高液体输出均匀性和系统运行稳定性。补偿前原始数据 CV 约为 0.6%，补偿后 CV 降至约 0.05%，稳定性提升 10 倍以上。该方法具有实现复杂度低、适配性强、易于嵌入式部署、适合医疗设备产品化应用等特点。

总体而言，本文研究为 IVD 加样系统、微流体输送模块、精密注射泵、多通道液体处理系统及其他医疗设备自动化执行机构提供了一种可工程化落地的高稳定性运动控制方案。后续可进一步结合多传感器融合、自适应补偿、设备老化状态识别和智能优化算法，提高复杂工况下的鲁棒性和长期稳定性。

参考文献

[1] 苏州趋盛科技有限公司 基于运动物理量反馈的速度补偿控制方法和系统：CN122225946A.