采用雙閉環(huán)伺服控制方式實(shí)現(xiàn)生物芯片點(diǎn)樣儀的軟硬件電路設(shè)計(jì)

1、 引言

生物芯片點(diǎn)樣儀是制備生物芯片的關(guān)鍵設(shè)備。點(diǎn)樣儀一般為三自由度直角坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)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(shí)際需要提出該系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)為：定位精度：±5μm；運(yùn)動(dòng)速度：150mm/s。

2、 硬件設(shè)計(jì)

PID控制是根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)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(shí)，反饋信號(hào)來自于安裝在電機(jī)軸上的編碼器，但此時(shí)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(shí)，其反饋信號(hào)來自于安裝在運(yùn)動(dòng)軸上的光柵尺，由于全閉環(huán)控制時(shí)閉環(huán)伺服系統(tǒng)直接以工作臺(tái)的最終位置為目標(biāo)，從而消除了進(jìn)入傳動(dòng)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(cè)的是運(yùn)動(dòng)軸的位移量，其各個(gè)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(yùn)行不穩(wěn)定。

綜合上述兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，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(duì)不同產(chǎn)品的分析比較，最后，其運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)選用交流伺服電機(jī)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(guó)Renishaw精度為1μm的光柵尺。

DMC - 1800PCI總線多軸運(yùn)動(dòng)控制器為Galil公司產(chǎn)品，它要占用PC機(jī)中的一個(gè)PCI插槽。它用32位MCU控制1～8軸伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)或二者組合，同時(shí)包括12MHz伺服編碼器反饋信號(hào)、2MHz步進(jìn)電機(jī)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(yùn)動(dòng)方式有JOG、PTP定位、直線、圓弧插補(bǔ)、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(jī)械間隙補(bǔ)償。其中一個(gè)編碼器為安裝在電機(jī)軸端的旋轉(zhuǎn)編碼器，而另一個(gè)為安裝在負(fù)載側(cè)的光柵尺（Galil控制器能接收到自每軸的兩個(gè)編碼器信號(hào)輸入，且作為標(biāo)準(zhǔn)功能）。雷尼紹光柵尺可直接貼在運(yùn)動(dòng)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(shí)際上，雙閉環(huán)控制已改變了標(biāo)準(zhǔn)PID控制算法，它的位置環(huán)由負(fù)載編碼器（PI）閉環(huán)獲得，阻尼項(xiàng)（D）由電機(jī)軸端編碼器獲得。由于雙閉環(huán)反饋編碼器功能可使DMC對(duì)間隙進(jìn)行補(bǔ)償，因而可獲得更高的運(yùn)動(dòng)精度。

3 、軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件部分是點(diǎn)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(gè)參數(shù)通過人機(jī)界面輸入計(jì)算機(jī)，如樣品點(diǎn)數(shù)、針數(shù)、點(diǎn)間距、陣列數(shù)等。好的軟件可有效提高點(diǎn)樣效率。為此我們提出下列軟件設(shè)計(jì)要求：（1）可在Windows環(huán)境下運(yùn)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，筆者選用了美國(guó)Microsoft公司的Visual Basic程序設(shè)計(jì)語言。Visual Basic是一種可視化的，而向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)化高級(jí)程序設(shè)計(jì)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(jiǎn)單、可視化程度高，適于編寫控制界面。圖4為該點(diǎn)校儀系統(tǒng)的軟件流程。

由于芯片設(shè)計(jì)較為復(fù)雜且容易出現(xiàn)錯(cuò)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(shí)不用的命令按鈕，而只在完成當(dāng)前操作時(shí)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(jì)。預(yù)防誤操作的一個(gè)有效手段就是“提示功能”。人機(jī)界面在任何時(shí)刻都應(yīng)提供提示功能，告訴操作者現(xiàn)在機(jī)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(cuò)設(shè)計(jì)。由于全局環(huán)境參數(shù)是由人機(jī)接口傳送給機(jī)器人控制系統(tǒng)的，幫正確的參數(shù)是機(jī)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(jìn)行賦值。輸入時(shí)還應(yīng)對(duì)鍵入值進(jìn)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(rèn)值。

4、 結(jié)論

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

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