采用雙閉環(huán)伺服控制方案實現(xiàn)生物芯片點樣儀的設(shè)計

1 、引言

生物芯片點樣儀是制備生物芯片的關(guān)鍵設(shè)備。點樣儀一般為三自由度直角坐標運動系統(tǒng)，主要用于將物生樣品（蛋白、核酸等）精確定位、定量的分配在玻片上。根據(jù)實際需要提出該系統(tǒng)的主要技術(shù)指標為：定位精度：±5μm；運動速度：150mm/s。

2 、硬件設(shè)計

PID控制是根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制的一種技術(shù)，是目前高精度控制系統(tǒng)中通常采取的一種方式。根據(jù)要求可采用的控制方式有半閉環(huán)控制（控制框圖見圖1）和全閉環(huán)控制（控制框圖見圖2）兩種。采用半閉環(huán)控制時，反饋信號來自于安裝在電機軸上的編碼器，但此時系統(tǒng)不能反應(yīng)反饋回路外的誤差。而采用全閉環(huán)控制時，其反饋信號來自于安裝在運動軸上的光柵尺，由于全閉環(huán)控制時閉環(huán)伺服系統(tǒng)直接以工作臺的最終位置為目標，從而消除了進入傳動系統(tǒng)的全部誤差，所以精度較半閉環(huán)系統(tǒng)要高（理論上，系統(tǒng)精度取決于光柵尺的精度）。但由于閉環(huán)伺服系統(tǒng)檢測的是運動軸的位移量，其各個環(huán)節(jié)都包括在反饋回路中，影響因素多而復(fù)雜，易造成系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。

綜合上述兩種方式的優(yōu)缺點，決定采用一種雙閉環(huán)的伺服控制策略來兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精度。該雙閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)中包括了由光柵尺組成的全閉環(huán)主回路和由編碼器組成的半閉環(huán)輔助回路。通過對不同產(chǎn)品的分析比較，最后，其運動系統(tǒng)選用交流伺服電機加精密滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)；控制系統(tǒng)選用Galil公司的DMC - 1800PCI卡；位置反饋選用英國Renishaw精度為1μm的光柵尺。

DMC - 1800PCI總線多軸運動控制器為Galil公司產(chǎn)品，它要占用PC機中的一個PCI插槽。它用32位MCU控制1～8軸伺服電機或步進電機或二者組合，同時包括12MHz伺服編碼器反饋信號、2MHz步進電機命令、帶速度及加速度前饋、積分限制、Notch及低通濾波器的PID等，采樣周期62.5μs/軸。運動方式有JOG、PTP定位、直線、圓弧插補、輪廓、電子齒輪、ECAM等；此外，它還帶有雙編碼器反饋、回零、正、反向限位輸入接口及8通道通用模擬輸入等。

本控制卡提供有雙編碼器反饋功能可用于機械間隙補償。其中一個編碼器為安裝在電機軸端的旋轉(zhuǎn)編碼器，而另一個為安裝在負載側(cè)的光柵尺（Galil控制器能接收到自每軸的兩個編碼器信號輸入，且作為標準功能）。雷尼紹光柵尺可直接貼在運動導(dǎo)軌上，由于光柵尺與導(dǎo)軌的熱膨脹系數(shù)相同，因而可將溫度變化造成的精度誤差降至最低。實際上，雙閉環(huán)控制已改變了標準PID控制算法，它的位置環(huán)由負載編碼器（PI）閉環(huán)獲得，阻尼項（D）由電機軸端編碼器獲得。由于雙閉環(huán)反饋編碼器功能可使DMC對間隙進行補償，因而可獲得更高的運動精度。

3、 軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)的軟件部分是點樣儀系統(tǒng)中重要的組成部分。用戶可根據(jù)需要將生物芯片中探針陣列的各個參數(shù)通過人機界面輸入計算機，如樣品點數(shù)、針數(shù)、點間距、陣列數(shù)等。好的軟件可有效提高點樣效率。為此我們提出下列軟件設(shè)計要求：（1）可在Windows環(huán)境下運行，（2）全部中文顯示，（3）用戶界面友好。參數(shù)輸入直觀，全部圖形化操作。

為此，選用了美國Microsoft公司的Visual Basic程序設(shè)計語言。Visual Basic是一種可視化的，而向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動方式的結(jié)構(gòu)化高級程序設(shè)計語言，可用于開發(fā)Windows環(huán)境下的各類應(yīng)用程序。相比而言，VB比較簡單、可視化程度高，適于編寫控制界面。圖4為該點校儀系統(tǒng)的軟件流程。

由于芯片設(shè)計較為復(fù)雜且容易出現(xiàn)錯誤，因此有必要采取下列措施以保證操作的正確性：

（1）減少激活的命令按鈕，屏蔽掉那些暫時不用的命令按鈕，而只在完成當(dāng)前操作時將其激活，以避免因操作不當(dāng)引起的誤操作。

（2）輸入提示功能設(shè)計。預(yù)防誤操作的一個有效手段就是“提示功能”。人機界面在任何時刻都應(yīng)提供提示功能，告訴操作者現(xiàn)在機器正在做什么，操作者應(yīng)該做什么或可以做什么。

（3）參數(shù)輸入的容錯設(shè)計。由于全局環(huán)境參數(shù)是由人機接口傳送給機器人控制系統(tǒng)的，幫正確的參數(shù)是機器人安全工作的重要保證。在系統(tǒng)上電初始化過程中，所有參數(shù)均按典型值進行賦值。輸入時還應(yīng)對鍵入值進行過濾處理，若操作者鍵入的數(shù)據(jù)超出范圍，系統(tǒng)將給出提示并將該數(shù)變?yōu)槟J值。

4、 結(jié)論

上述雙閉環(huán)控制方案經(jīng)過測量，其系統(tǒng)的定位精度小于±5μm，可滿足設(shè)計要求，從而證明本控制系統(tǒng)是可行的。

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