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控制卡的生物芯片點樣儀控制方案論文
摘要：在高定位精度的運動系統中，光柵尺做為位置反饋元件被大量使用。文中給出了用Galil公司的DMC1800控制卡、松下的交流伺服電機、雷尼紹光柵尺和貝塞德運動單元來對生物芯片點樣儀進行控制的實現方案，同時給出了采用VB語句來編寫軟件程序的具體流程。
關鍵詞：閉環控制 光柵尺 光樣儀 生物芯片
1 引言
生物芯片點樣儀是制備生物芯片的關鍵設備。點樣儀一般為三自由度直角坐標運動系統，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。根據實際需要提出該系統的主要技術指標為：定位精度：±5μm；運動速度：150mm/s
2 硬件設計
PID控制是根據偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制的一種技術，是目前高精度控制系統中通常采取的一種方式。根據要求可采用的控制方式有半閉環控制（控制框圖見圖1）和全閉環控制（控制框圖見圖2）兩種。采用半閉環控制時，反饋信號來自于安裝在電機軸上的編碼器，但此時系統不能反應反饋回路外的誤差。而采用全閉環控制時，其反饋信號來自于安裝在運動軸上的光柵尺，由于全閉環控制時閉環伺服系統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的全部誤差，所以精度較半閉環系統要高（理論上，系統精度取決于光柵尺的精度）。但由于閉環伺服系統檢測的是運動軸的位移量，其各個環節都包括在反饋回路中，影響因素多而復雜，易造成系統運行不穩定。
綜合上述兩種方式的優缺點，筆者決定采用一種雙閉環的伺服控制策略來兼顧系統的穩定性與精度。該雙閉環控制系統如圖3所示，系統中包括了由光柵尺組成的全閉環主回路和由編碼器組成的半閉環輔助回路。通過對不同產品的分析比較，最后，其運動系統選用交流伺服電機加精密滾珠絲杠的結構；控制系統選用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編碼器，而另一個為安裝在負載側的光柵尺（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軌上，由于光柵尺與導軌的熱膨脹系數相同，因而可將溫度變化造成的精度誤差降至最低。實際上，雙閉環控制已改變了標準PID控制算法，它的位置環由負載編碼器（PI）閉環獲得，阻尼項（D）由電機軸端編碼器獲得。由于雙閉環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 軟件設計
控制系統的軟件部分是點樣儀系統中重要的組成部分。用戶可根據需要將生物芯片中探針陣列的各個參數通過人機界面輸入計算機，如樣品點數、針數、點間距、陣列數等。好的軟件可有效提高點樣效率。為此我們提出下列軟件設計要求：（1）可在Windows環境下運行，（2）全部中文顯示，（3）用戶界面友好。參數輸入直觀，全部圖形化操作。
為此，筆者選用了美國Microsoft公司的Visual Basic程序設計語言。Visual Basic是一種可視化的，而向對象和采用事件驅動方式的結構化高級程序設計語言，可用于開發Windows環境下的各類應用程序。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為該點校儀系統的軟件流程。
由于芯片設計較為復雜且容易出現錯誤，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，而只在完成當前操作時將其激活，以避免因操作不當引起的誤操作。
（2）輸入提示功能設計。預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提供提示功能，告訴操作者現在機器正在做什么，操作者應該做什么或可以做什么。
（3）參數輸入的容錯設計。由于全局環境參數是由人機接口傳送給機器人控制系統的，幫正確的參數是機器人安全工作的重要保證。在系統上電初始化過程中，所有參數均按典型值進行賦值。輸入時還應對鍵入值進行過濾處理，若操作者鍵入的數據超出范圍，系統將給出提示并將該數變為默認值。
4 結論
上述雙閉環控制方案經過測量，其系統的定位精度小于±5μm，可滿足設計要求，從而證明本控制系統是可行的。
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