（机械制造及其自动化专业论文）生物芯片扫描仪运动工作台控制系统的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 激光共聚焦生物芯片扫描仪是一种光、机、电一体化的高精密生物芯片检测 仪器。随着生物芯片点样技术的不断进步，生物芯片上的点阵越来越密集，扫描 分辨力的要求也越来越高，扫描工作台作为提高扫描分辨力的核心部件，其定位 精度也逐渐提高。本文针对激光共聚焦生物芯片扫描仪的扫描工作台，对其交流 伺服系统进行研究。 ( 1 ) 根据扫描工作台所要达到的性能指标和运动方式确定工作台的机械结 构，并对工作台各组件进行设计选型。 ( 2 ) 对工作台的传动机构的转动惯量进行计算，对交流伺服电机选型。分 析和比较了电机在工作模式下的速度曲线，即梯型、s 型和指数型加、减速的速 度曲线，对电机在s 型加、减速工作模式下的加、速时间进行计算。 ( 3 ) 在分析和比较了p i d 控制、积分分离型p i d 控制、二自由度p i d 控制、 s m i t h 预估控制、内模控制等控制策略，并考虑设计扫描工作台控制系统的复杂 性和可实现性，采用全闭环的三环控制方案，即电流环的p i 控制、速度环的内 模控制、位置环p i 控制的控制方案，建立各控制环的数学模型，并进行仿真。 重点研究了速度环内模控制的特性和实现问题。 ( 4 ) 对各环控制系统进行稳定性分析。 ( 5 ) 对扫描工作台的误差进行分析。 关键词：扫描工作台；交流伺服系统：内模控制；p i d 控制；三环控制； 稳定性分析；误差分析 生物芯片扫描仪工作台控制系统的研究 a b s t r a c t l a s e rc o n f 0 c a lb i o - c h i ps c a n n e ri sal i g h ta f t e rt h ec o n t r o ls t r a t e g ym e c h a n i c a l ， e l e c t r i c a l i n t e g r a t i o n a f t e rt h ec o n t r o l s t r a t e g yb i o c h i ph i g h p r e c i s i o n i n s t r u m e n t a t i o n w i t ht h eb i o - c h i pp o i n t - 1 i k ec o n t i n u o u sa d v a n c e m e n to ft e c h n o l o g y a f t e rt h ec o n t r o ls t r a t e g yb i o c h i po nt h ei n c r e a s i n g l yi n t e n s i v el a t t i c e ，s c a n n i n g r e s o l u t i o ni s g e t t i n gh i g h e ra n dh i g h e rd e m a n d s t h i sa r t i c l ei sb a s e do nl a s e r s c a n n i n gc o n f o c a lb i o c h i ps c a n n e ro ft h es c a n n i n gt a b l e ，a cs e r v os y s t e mf o rt h e i r r e s e a r c h ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h es c a n n i n gt a b l et oa c h i e v et h ep e r f 0 r m a n c ei n d i c a t o r sa n d d e t e r m i n et h em o v e m e n to ft h em e c h a n i c a ls t r u c t u r et a b l e ，a n dt a b l es e l e c t i o no ft h e d e s i g nc o m p o n e n t s ( 2 ) a cs e r v om o t o rd r i v ea sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ef i r s ta n a l y s i sa n d c o n l p a r i s o no ft h el a d d e r ，s t y p ea n de x p o n e n t i a li n c r e a s e ，s l o wc u r v e ，t h eu s eo f s - c u r v ea c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o nm o d eo ft h em o t o ri n c r e a s e s ，d e c e l e r a t i o nt i m e c a l c u l a t i o nt od e t e r m i n et h em o t o rw o r km o d e lt oc a l c u l a t et r a n s m i s s i o na n d o p e r a t i o no ft h ep o w e ro fi n e n i a ，a n du l t i m a t e l yt od e t e r m i n et h ea cs e r v om o t o r m o d e l s ( 3 ) i nt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no ft h ep i dc o n t r o l ，p i dc o n t r o li n t e g r a l s e p a r a t i o n ，t w od e g r e e so ff r e e d o mp i dc o n t r o l ，s m i t hp r e d i c t o r ，i n t e r n a lm o d e l c o n t r o l ，s u c ha sc o n t r o ls t r a t e g y ，t h ec o m b i n a t i o no ft h r e e r i n gd e s i g no fc o n t r o l p r o g r a m s ，a sw e l la ss c a n n i n gt a b l ec o n t r o ls y s t e mc o m p l e x i t ya n dc a nb et oa c h i e v e ， t h ec u r r e n tl o o pu s i n gp ic o n t r o l ，t h es p e e do ft h eu s eo fi n t e r n a lm o d e lc o n t r o l1 0 0 p ， p o s i t i o n c o n t r 0 1 1 0 0 pu s i n g p ic o n t r 0 1 c e n t r a lf 0 c u so nt h e s p e e d o ft h e c h a r a c t e r i s t i c so fi n t e r n a lm o d e lc o n t r o la n dt h er e a l i z a t i o no ft h ep r o b l e m ，a sw e l l a st h ei n t e r n a lm o d e lc o n t r o l l e rf o rt h el o w p a s sf i l t e rd e s i g na n dc a l c u l a t i o n ，a n d t h ee s t a b l i s h m e n to ft h ec o n t r o lr e g u l a t o r sm a t h e m a t i c a lm o d e l ( 4 ) o ft h e1 0 0 p sc o n t r o ls y s t e ms t a b i l i t ya n a l y s i s ( 5 ) o fm e c h a n i c a ls y s t e m s ，c o n t r o ls y s t e m sa n dd e t e c t i o ns y s t e m sf o ra n a l y s i s o ft h ee r r o r sr e s u l t e di nt h el o c a t i o no ft h ee r r o rp r e c i s i o nt a b l e k e yw o r d s ：s c a n n i n gt a b l e ；a cs e r v os y s t e m ；i n t e r n a lm o d e lc o n t r o l ； p i dc o n t f o l ； t h r e e r i n gc o n t r o l ；s t a b i l i t ya n a l y s i s ；e r r o ra n a l y s i s 硕士学位论文 图2 图2 图2 图2 插图索引 激光共聚焦生物芯片扫描仪工作原理示意图一7 扫描工作台总体方案示意图一8 工作台运动轨迹8 扫描工作台x 、y 方向运动执行流程图9 图2 5扫描仪工作台总体结构1 0 图2 6 电机转矩一转速特性一1 4 图2 7直线加、减速曲线15 图2 8 s 型加、减速曲线1 5 图2 9 指数加、减速曲线16 图2 1 0 电机运行速度曲线一1 6 图2 1 1 光栅4 细分逻辑关系图一1 9 图2 1 2 交流伺服功率驱动器结构框图2 0 图3 1 一般p i d 控制的结构一2 2 图3 2积分分离( i p d ) 控制结构2 2 图3 3二自由度p i d 控制结构的四种形式2 3 图3 4单自由度p i d 控制系统2 3 图3 5二自由度p i d 控制系统2 4 图3 6预估控制系统原理图2 5 图3 7 基本内模控制2 6 图3 8完全内模控制器结构图3 0 图3 9完全内模控制器变形结构图。k 3 0 图3 1 0 单轴全闭环控制系统总体结构3 l 图3 1 l 永磁交流伺服电机控制系统框图3 1 图3 1 2 忽略反电动势的电流环动态结构图3 2 图3 1 3 电流环仿真模型3 3 图3 1 4 电流环的单位阶跃响应3 4 图3 1 5 基于内模控制的速度环结构3 4 图3 1 6 基于内模控制的速度一电流环结构3 5 图3 1 7 速度环的仿真模型3 6 图3 1 8 在o 3 个单位阶跃扰动下的速度响应3 7 生物芯片扫描仪工作台控制系统的研究 图3 1 9 三种p i d 方法的仿真比较3 8 图3 2 0 位置环的结构简图3 9 图3 2 1 电机与丝杠组成的机械传动链3 9 图3 2 2 位置环仿真模型4 0 图3 2 3 位置环的阶跃响应4 0 图3 2 4 位置环与速度环的比较4 1 图4 1基于单位圆的奎斯特图相位裕量与幅值裕量一4 3 图4 2电流环的b o d e 图一4 4 图4 3 速度环的乃奎斯特图4 5 图5 1丝杠的导程精度4 7 图5 2 贝误差示意图5 0 硕士学位论文 附表索引 表2 1b n t l 4 0 4 3 6 型滚珠丝杠的主要参数1 0 表2 2h s r 2 0 l b 滚动直线导轨副的尺寸参数1 l 表2 3r a d e x 一n c1 5 d k 联轴器的转矩和最高转速参数1 l 表2 4 联轴器的许用相对偏移量1 1 表2 5 直流伺服电机与交流伺服电机的标胶1 2 表2 6s g m a v 系列电机参数指标1 4 表2 7j g x - j 0 3 型号光栅尺的参数指标1 8 表2 8j g x j 0 3 光栅尺的工况1 8 表3 1三种p i d 方法的整定公式一3 7 表5 1c 0 级丝杠各误差参数4 8 表5 2 丝杠各级精度对应的轴向间隙4 8 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名： 缸军 睨呼 学位论文版权使用授权书 月弓日 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文 全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 起军 i 月 6 只 c 7 日 7 曰 k 厂 v 期期 日日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 生物芯片扫描仪介绍 生物芯片是近年来在生命科学领域中迅速发展起来的一项高新技术，是人们 在有限空间和实验条件下高效大规模地获取生物信息的有效手段。它是指在一定 尺寸的基片上( 如玻璃，硅片等) 利用微加工技术以及化学合成技术制造而成的 以点阵方式固定的一系列可寻址的识别分子，是获取生物信息的核心器件。它广 泛用于疾病诊断和治疗、药物基因组图谱、药物筛选、中药物种鉴定、农作物的 优育优选、司法鉴定、食品卫生监督、环境检测、国防等许多领域，应用前景广 阔【1 ，2 】。生物芯片扫描仪就是用来识别生物芯片中所包含的生物信息的重要仪器， 它是生物芯片技术能否得到广泛推广和应用的关键。 目前的生物芯片扫描仪按光源分主要有两种，即c c d 生物芯片扫描仪和激 光生物芯片扫描仪1 3 4 j 。c c d 生物芯片扫描仪以疝灯为激发光源，一次性读取整 个生物芯片上所有荧光点的信号，故扫描工作台静止不动，对机械扫描系统要求 较低，具有结构简单、体积小、检测速度快、成本低等优点，对于点阵相对较少 的生物芯片的检测有明显的优势。但后期对图像的处理较为复杂，并且对于点阵 较多的生物芯片扫描图像不清晰。激光扫描仪则采用光电倍增管作为生物芯片检 测元件，激光为激发光源，能产生较高强度的发射荧光，具有检测灵敏度高、动 态范围宽、信噪比好、测量精度高等优点【5 ，6 】。 分辨率是生物芯片扫描仪的重要指标之一，分辨率越高则图像越清晰，采用 的扫描分辨率不同，所获得的完整像素点也不同【7 ，引。分辨率越高，像素点就越 小，越能反映生物芯片样点的细节，定量分析的准确度就越高。高分辨率可以提 供更精确的具有统计意义的数据。激光生物芯片扫描仪的分辨率主要取决于两个 因素，即激光投在芯片上的光斑直径和x y 扫描工作台的运动定位精度。 1 2 生物芯片扫描仪的国内外研究现状 随着生物技术的发展和生物芯片点样密度的增加，对检测设备也提出了更高 的要求。目前研制的生物芯片扫描仪分辨率能够达到5 一1 0 0 p m ，有5 p m 、1 0 p m 、 2 0 p m 、3 0 p m 、5 0 “m 五档可供选择，检测灵敏度能够达到o 1 个荧光分子i l m z 。 国际上生产的商用激光扫描仪有美国p a c k a r d 仪器公司出品的s c a n a r r y 系列属 于激光共聚焦生物芯片扫描仪，g e n o m i cs o l u t i o n s g e n e 公司出品的g e n e t a cl s i v 和a x o n 公司出品的产品属于激光非共聚焦生物芯片扫描仪。通常国外研发的 这些产品都价格昂贵，在4 1 1 万美元左右【1 2 14 1 。 近年来，国家对生物技术的重视和扶持，相继成立了生物芯片北京国家工程 生物芯片扫描仪工作台控制系统的研究 研究中心和生物芯片上海国家工程研究中心，促进了我国生物芯片技术的快速发 展，随之而来的便是对生物芯片扫描仪的巨大需求。目前，国内有少数几家公司 和研究机构在研制各种芯片扫描仪，大体也分为c c d 和激光共聚焦两类。中科 院光电研究所和北京航空航天大学对c c d 生物芯片扫描仪做了大量研究【l5 1 6 j 。 激光共聚焦扫描仪作为生物芯片扫描仪高端产品的代表，其光学原理变化不大， 主要在于对扫描工作台的设计和整机性能的研究。而扫描工作台的设计主要是执 行元件的选择不同和控制系统的策略不同。如浙江大学所设计的扫描仪工作台选 用步进电机作为主要驱动元件，中科院光电研究采用的是以直流电机为主要执行 元件，上海交通大学是以步进电机和直线电机作为执行元件对扫描工作台的设计 研究，华中科技大学是基于单片机的控制系统的设计。 1 3 运动控制系统介绍 扫描工作台作为激光共聚焦扫描仪的一个重要部件是一个小型的高精度机 电一体化产品，即高精密二维工作台。工作台的运动精度除了取决于各零部件的 精度外，在很大程度上还取决于运动控制系统的设计。目前，先进的运动控制技 术主要以全闭环交流伺服驱动技术、直线电机驱动技术、可编程序计算机控制器 和运动控制卡最为代表性【l7 ，1 3 j 。在一些定位精度或动态响应要求比较高的机电 一体化产品中，交流伺服系统的应用越来越广泛，其中数字式交流伺服系统更符 合数字化控制的潮流，而且调试和使用都十分简单。 运动控制系统就是以机械运动的驱动设备一电机为主要控制对象，以控制器 为核心，以电力电子、功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成的 电气传动控制系统【l9 1 。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换 为机械能，将设定运动指令转变成期望的机械运动，实现运动机械的运动要求， 完成规定的作业任务，是运动机械在空间、时间中的位置、速度、加速度和力以 及这些被控量的综合控制的技术，它包括电机学，电子学，控制论和计算机技术 等【2 引。现代工业柔性化生产中的运动控制系统和传统的动力机械有很大的差别， 其不同点就是工作环境复杂，控制精度要求高，要跟踪时刻变化的速度和空间轨 迹，又要求有频繁启动、停止、实时加速、减速的伺服控制特性。由于是由电机 直接或间接驱动各执行机构运动，因此对运动控制系统中的控制电机的适应性及 其驱动控制控制性能有更高的要求，电机必须做到外形小、重量轻、工作平稳可 靠、可长时间在恶劣环境下持续工作，必须采取闭环驱动控制方式才能取得良好 的效果【2 1 1 。其中控制电机及其控制策略的选择至关重要，如果没有有效的底层 闭环驱动控制系统，无论采用多么优越的上位控制器件和策略，也不能达到满意 的控制效果。 机电运动控制系统中使用的不同类型的控制电机大致有步进电机、直流伺服 电机、交流电机、直线电机以及其它一些特种电机等。这些不同的电机需要配合 不同的驱动器使用，并且具有不同的特点和适用范围。其中步进和有刷直流伺服 2 硕七学位论文 电机占了很大比重。但步进电机由于自身工作特性的局限造成其转速和容量都受 到一定的限制，基于步进电机的控制系统多采用开环控制方式，驱动装置整体性 能不高，多适用于对精度、速度要求不高或定位要求简单的小型简易系统中，例 如工业机器人末端抓取机构的开闭等。直流和交流伺服电动机由于本身带有编码 器的输出信号，均可采用闭环和半闭环控制，常应用于有高运动要求的场合中。 直流电机易于控制( 在磁场恒定时，电流正比于输出转矩等) ，有理想的机械特 性。但是需要定期维护，功率体积比和功率质量比不高的缺点，不能适应现代工 业生产对驱动装置作业的快速性、可靠性、效率高和占用空间小( 体积质量小) ， 维护方便、经济合理的要求【2 2 ，2 3 】。交流伺服电机是近些年发展起来并得到迅速 推广和应用的电动机，在机电一体化系统中应用的交流伺服电机大致有感应( 异 步型) 伺服电动机和永磁同步型电动机两种。采用矢量控制的异步型伺服电动机 虽然己可获得接近直流伺服系统的机械待性和宽的调速范围，但是控制较为复 杂，且对电机参数有较强的依赖性，系统的鲁棒性能较差。随着自动化和微电子 技术的迅速发展，高性能伺服电机控制驱动装置己越来越多地用于工业自动化设 备的控制。永磁同步型电机具有的优势使其在当前高性能运动机构的驱动中处于 主导地位【2 4 ，2 卯。 9 0 年代随着以m c s 一5 1 单片机为代表的微处理器代替模拟电路作为底层的运 动控制器( 即所谓的下位机) ，绝大多数逻辑控制可以用软件实现，使控制电路 简单，而且没有模拟系统的零点漂移，还可以实现较复杂的控制算法，控制精度 较高，有一定的灵活性和适应性，在一些性能要求不高得场合，普遍使用这类控 制系统1 2 引。然而，由于微处理器一般采用冯一诺依曼总线结构，处理器速度 有限，处理能力也有限，同时片内不具备运动控制所需要的专用外设，集成度较 低。因此基于这种微处理器构成的运动控制系统仍然需要较多的元器件，这增加 了硬件电路板的复杂性，降低了系统可靠性也难以满足运算量大的实时系统的需 要和实现先进的控制算法。利用专用电机控制芯片也可构成运动控制系统，可实 现模拟控制系统和以微处理器为核心的控制系统方式的长处，有响应快，集成度 高，可靠性好，成本低等优点。然而受专用芯片本身的限制，这种系统缺点也是 明显的。由于软件算法固化在芯片内，而且算法一般都比较简单，系统的控制精 度比较低，难以实现高精度、高性能。而且用户不能对专用芯片进行编程，虽然 可保证较高的系统响应速度，但是降低了系统的灵活性，不具备扩展能力，很难 实现系统软、硬件升级1 2 9 ，3 叭。目前，国内外高级运动控制器大多做成了i s a p c i 插卡形式，这种插卡形式能充分地利用计算机现有的软件资源，总的看来，这种 插卡形式的控制器功能强大，但结构也很复杂。 目前国内生产运动控制器的厂商主要有： 成都步进电动机公司生产d m c 系列运动控制卡，其中典型的产品是d m c 3 0 0 控制卡d m c 3 0 0 提供了功能强大的运动控制函数库，并可以充分利用p c 机现有 的资源来开发完美的运动控制系统。 3 生物芯片扫描仪工作台控制系统的研究 香港固高公司生产的g e 、g t 、g h 系列运动控制卡，这些控制卡大多采用 d s p + f p g a 芯片，功能强大。 台湾研华科技公司生产的p c i 一8 3 9 两轴步进电动机控制卡，该控制卡的主 要功能有：三个步进电动机的独立或同步控制，光隔离输出，可直接访问卡上控 制器的寄存器，每轴五路用于行程开关的隔离数字量输入，线性和圆弧插补。 国外的高性能控制卡主要有： 美国名牌m e i 运动控制卡：控制板有单轴至十六轴的多种型号，可执行各种 复杂的多轴插补运动，带双闭环和误差补偿功能可控制数字交流伺服、模拟直 流伺服、步进电动机和液压传动等。 美国p m a c 运动控制卡：应用领域涉及机器人、数控机床、坐标测量机、激 光加工、雕刻机、旋转刀、x y 系统、以及高速印刷、包装、贴标机等各类自 动化设备，但价格昂贵。 德国m o v t e c 公司生产的d e c 4 d a 运动控制卡：这是一款p c b a s i s 专用控 制模拟伺服电机的运动控制卡，控制轴数为1 4 轴，可进行直线，圆弧等插补运 动。 德国h a l b e c k 公司的h a l b e c k 运动控制卡：p c i 0 4 总线步进、伺服运动控 制卡，可控制l 轴、2 轴和4 轴。 日本三菱电机公司推出的第二代高性能0 系列运动控制器。主要特点有；体 积小巧高速运动控制、配置灵活、s s c n e t 控制功能、m o t i o ns f c 编程、上位监 控，可实现复杂的运动控制。但结构复杂，价格昂贵。 英国b a l d o r 公司推出的各种运动控制卡；功能很强，它采用类似b a s i c 的 结构语言m i n t ，通俗易懂，编程比较容易。这种卡有总线型( p c i 、i s a ) 、独 立型( 串口、o s b ) 、驱动集成型( 步进、伺服) 多种形式，可以满足不同应用 领域的特殊需要。 以上国内外知名企业生产的运动控制卡代表了当今世界运动控制的最高水 平，这些控制卡总的看来，都功能强大，能进行单轴独立控制或多轴联动控制， 但结构复杂，操作困难，售价昂贵。 1 4 本文的研究目标、研究内容和拟解决的关键性问题 1 4 1 研究目标 扫描仪工作台的高速、平稳、可靠运行是实现生物芯片扫描的根本前提。只 有准确实时地监测x 向、y 向的运动位置，并实时控制x 向、y 向电机的启动和停 止，才能使工作台按扫描分辨率要求精确的做扫描运动，使扫描图像不发生错位、 变形。因此，必须设计一个性能可靠且对系统产生的扰动有很好抑制能力的控制 系统，以保证精密二维扫描台在高速情况下具有良好的实时测控能力。 4 硕士学位论文 1 4 2 研究内容 本文主要对生物芯片扫描仪工作台的控制系统进行设计分析，以满足扫描工 作台在高分辨力的情况下平稳运行，从而间接提升扫描仪的性能指标。主要工作 有： ( 1 ) 根据扫描工作台所要达到的技术要求对其组件进行选型，并对交流伺 服电机的有关参数进行计算，为控制系统的设计提供依据。 ( 2 ) 通过对运动控制的几种控制策略分析研究，确定适合本工作台伺服系 统的控制方案，建立控制系统的数学模型。 ( 3 ) 运用伯德图、乃奎斯特图、相位裕量和幅值裕量以及鲁棒性对控制系 统的稳定性进行分析，以提高工作台控制系统的性能。 ( 4 ) 在确立了三环控制器数学模型的参数后，利用m a t l a b 软件进行仿真分 析，验证控制系统设计的合理性。 ( 5 ) 对主要机械元件在传动过程中可能产生误差进行分析和计算，为实际 系统调试提供理论依据。 5 生物芯片扫描仪工作台控制系统的研究 1 4 3 主要解决的关键性问题 为达到扫描仪工作台性能指标的要求，在设计扫描工作台控制系统的过程中 主要涉及以下几个问题： ( 1 ) 交流伺服电机作为扫描工作台重要的驱动元件，需要通过工作台的性 能指标精确计算电机的主要参数，选择合适本工作台的电机型号，并确定电机起、 停的工作方式。 ( 2 ) 控制系统有多个被控对象，对各个被控对象数学模型的准确建立是控 制系统得以实现的必要条件。 1 5 本章小结 本章通过对生物芯片扫描仪的总体介绍，阐述了生物芯片扫描仪在国内外的 研究现状，分析了扫描仪工作台的设计研究对扫描仪的重要性，比较了国内对扫 描仪工作台的研究方案，并对运动控制系统进行了介绍。最终确定了课题在设计 扫描仪工作台的研究目标、研究内容以及要解决的关键性问题。 6 硕士学位论文 第2 章扫描工作台的总体设计 2 1 激光共聚焦生物芯片扫描仪的工作原理 激光生物芯片扫描仪主要分为共聚焦和非共聚焦两种。激光共聚焦生物芯片 扫描仪由于激光投在芯片上的光斑直径比非共聚焦的小，分辨率较高，其工作原 理如下图2 1 所示。杂交后的芯片经处理后固定在扫描运动工作台上，激光器发 出的激光经物镜聚焦在生物芯片上，标记有荧光染料的靶分子在激光的激发下产 生荧光，通过同一物镜收集荧光信号后，经滤光片，再由透镜聚焦于小孔光阑。 通过小孔光阑的光信号由光电倍增管检测变成电信号，经放大、滤波、a d 转 换等处理后送入计算机，即完成了对一点的测量。随着扫描工作台的运动，就可 实现对整个芯片的扫读【9 1 。因此激光共聚焦生物芯片扫描仪的优势就在于扫描 过程不改变光束的参数从而使光斑质量达到最优。 图2 1 激光共聚焦生物芯片扫描仪工作原理示意图 2 2 扫描工作台的总体设计方案 扫描工作台是扫描仪的一个关键部件，也是一个完整的机电设备，同样由硬 件和控制软件组成的其硬件主要由拖动对象( 扫描工作台) 、传动机构( 丝杠 螺母副) 、执行元件( 电机) 、检测元件( 编码器、光栅) 、驱动元件( 功率驱 动器) 、控制系统( 运动控制控制器) 组成，见图2 2 。电机是产生运动的元件， 功率驱动器产生驱动电机所需的电流，整个系统的运动指令由运动控制器给出， 检测元件用于检测运动的情况并反馈到控制器中。 7 生物芯片扫描仪工作台控制系统的研究 图2 2 扫描工作台总体方案示意图 2 2 1 参数指标 根据仪器的整体设计要求，最后确定设计扫描工作台的主要性能指标如下： 工作台行程： x 轴1 0 0 m m ； y 轴5 0 m m ； 工作台位置精度： x 轴定位精度茎1 0 p m ； y 轴定位精度2 0 “m ； 工作台最大移动速度： x 轴o 5 m s ； y 轴1 5 m s ： 2 2 2 工作台扫描轨迹的确定 图2 3 工作台运动轨迹 由于扫描仪的工作目的就是对生物芯片进行平面逐点扫描，所以承载生物芯 片的工作台就是做x 、y 方向的平面直线运动。运动方式如图2 3 所示。对生物 8 t 硕士学位论文 芯片的扫描包括x 方向的往复扫描和y 方向的步进运动。正式扫描前将芯片移 至零位，x 方向扫描完一线，y 方向步进一步，然后保持y 方向位置不动，返 回x 方向零位，再次扫描一线，以次类推，扫完整张芯片，见图2 4 运动流程图。 隔蓟 y 方向移动一个单位距离 x 方向为零位 ；，固l t 方向静止不动 x 方向移动一个单位距离 圆荩竺兰兰三兰哆 ， ! 嗄；藩、 圆 圆申 一 圜 结束 图2 4 扫描工作台x 、y 方向运动执行流程图 2 3 扫描工作台的结构设计 2 3 1 工作台的机械结构 由扫描工作台运动过程可知，x 轴和y 轴是两个独立的运动。即x 轴运动时， y 轴静止不动；y 轴运动时，x 轴静止不动。所以，扫描工作台可以看成是两个 单轴工作台的叠加，不存在联动关系。 根据扫描工作台的性能指标及运动方式，确定了工作台的组成元件，其机械 结构布局见图2 5 。 9 慷卧 圈吒 固淤f 支骺_ 、向 生物芯片扫描仪工作台控制系统的研究 2 图2 5 扫描仪工作台总体结构 l 一交流伺服电机；2 一滑台；3 一直线滚动导轨；4 一精密滚珠丝杠螺母副； 5 一联轴器；6 一编码器；7 一轴承；8 一底座；9 一光栅尺；1 0 一轴承座 2 3 2 滚珠丝杠螺母副的选择 丝杠螺母副作为运动转换机构，将电机输出的旋转运动转换为工作台的直线 运动。根据工作台行程：x 轴1 0 0 m m ，y 轴5 0 m m ；工作台x 轴位置精度( s 1 0 m ) 以及y 轴定位精度( 5 2 0 肛m ) 选用日本t h k 公司的高精密研磨丝杠螺母副，型号 为b n t l 4 0 4 3 6 ，其尺寸参数见表2 1 。 表2 1b n t l 4 0 4 3 6 型滚珠丝杠的主要参数 ( m m ) 2 3 3 直线滚动导轨副的选择 工作台采用双滚动直线导轨的目的是为了有误差均化效应，从而降低工作台 底座导轨安装面的加工精度要求，并且能实现无间隙运动，提高工作台的重复定 位精度。这里选用日本t h k 公司的直线滚动导轨，型号为h s r 2 0 l b 。其基本尺 寸参数见表2 2 。其主要由导轨体、滑块、钢球、保持器、返向器、密封端盖等 组成。导轨体固定在不运动部件上，滑块固定在运动部件上，通过钢球的运动把 导轨体和滑块之间的移动变成了滚动【3 1 1 。这种直线滚动导轨除滚动导轨的共性 优点之外，还有下列特点： ( 1 ) 刚性强：在装配导轨时可预加负荷以提高滚动导轨的刚度，所以滚动 导轨在工作时可承受较大的冲击和振动。 i o 硕七学位论文 ( 2 ) 寿命长：由于是纯滚动，摩擦系数是滑动导轨的1 5 0 左右，磨损小， 因而寿命长，功耗低，便于机械小型化。 ( 3 ) 传动平稳可靠：由于摩擦力小，动作轻便，因而定位精度高，微量移 动灵活准确；在较差的工作条件下可长时间保持高精度。 ( 4 ) 可高速运行：直线滚动导轨运行速度可大于6 0 m m i n ，甚至更高，且 润滑方法简单，便于维护。 表2 2h s r 2 0 l b 滚动直线导轨副的尺寸参数 2 3 4 联轴器型号的选择 联轴器选用的是k t r 的型号为r a d e x n c1 5 d k ，主要参数指标如下表 2 3 和2 4 。 表2 3r a d e x 一n c1 5 d k 联轴器的转矩和最高转速参数 其许用相对偏移量如下表： 表2 4 联轴器的许用相对偏移量 2 4 交流伺服电机的选择 2 4 1 交流伺服电机的特点 目前，在交流伺服系统中，普遍应用的交流永磁伺服电动机有两大类。一类 是无刷直流电动机( t h eb r u s h 1 e s sd cm o t o r ，简称b d c m ) ，另一类是是三相 永磁同步电动机( p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o r ，简称p m s m ) 。b d c m 基点是用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极，将原直流电动机的 电枢变为定子，将方波电流直接输入定子。颠倒原直流电动机定、转子和采用永 磁体的好处就是省去了机械换向器和电刷。而p m s m 基点是用永磁体取代绕线 式同步电动机转子中的励磁绕组，从而省去了励磁线圈、滑环和电刷，以电子换 向实现无刷运行1 3z ， l 。这两种电机最直观的区别就是分别向这两种电机输入的 电流波形的不同，b d c m 输入为三相对称方波电流，p m s m 输入为三相对称正 弦电流。 以交流电机为执行元件的现代交流伺服系统与传统的以直流电机为驱动的 生物芯片扫描仪t 作台控制系统的研究 伺服系统相比较，具有以下的明显特点【3 4 ，35 】： ( 1 ) 无电刷和机械换向器，运行可靠，维护和保养简单。 ( 2 ) 转子上无绕组，无需消耗功率，在电动机中只有绕组通电，它处于电 动机的“外部，因而定子散热快，不影响与转子相连的机械。 ( 3 ) 电动机转子的惯量较小，有利于提高驱动系统的快速性。 ( 4 ) 适应于高速大力矩运行，实现高功率伺服驱动。 ( 5 ) 相同功率下，其体积和质量较小。 交流同步电机、交流异步电机与直流电机的比较见表2 5 。 表2 5 直流伺服电机与交流伺服电机的比较 所以，高性能的交流伺服系统，多采用永磁同步交流伺服电机，驱动功率变 换大多采用i g b t 组件，控制方式采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。 2 4 2 传动机构的转动惯量、功率计算与交流伺服电机的选型 x 方向工作台机械参数指标： 机械效率：，7 = 0 7 ； 摩擦系数：= o 0 5 ； 滚珠丝杠直径：d = 1 4 m m ； 丝杠导程：以= 4 m m ； 丝杠长度：三= 1 0 0 m m ； 1 2 联轴器外径：d c = 3 5 i 脚： 直线运动质量：m = 1 k g ； 联轴器质量：哆= 0 1 k g 。 ( 1 ) 负载轴换算转矩瓦： 瓦= 2 万f ，7 唑兰掣矾6 1 0 。4 ( n m ) ( 2 1 ) 2 万1 x o 7 ( 2 ) 转动惯量的计算 直线运动部分转动惯量以： 以圳刍2 _ 1 ( 筹2 地4 1 0 飞g m 2 ) ( 2 2 ) 滚珠丝杠转动惯量厶： 厶= 量p 上d 4 = 曼x 7 8 7 1 0 3 0 1 ( o 0 1 4 ) 4 3 1 0 6 ( k g m 2 ) ( 2 3 联轴器转动惯量厶： 厶= 专心珲= 吉0 1 ( 0 0 3 5 ) 2 引5 1 0 - 5 ( k g m 2 ) q _ 电机轴换算负载转动惯量j ： j = 也+ 厶+ 如= 1 8 4 1 0 5 ( k g m 2 ) ( 2 5 ) ( 3 ) 由式2 6 和式2 1 2 可以得出负载运行功率只： 忍= 警= 型半删8 ( w ) ( 2 6 ) ( 4 ) 由式2 3 可以得出负载加速功率只： = 当彬誓= 当3 7 5 ) 2 警_ 2 7 1 0 - 3 ( w ) ( 2 7 ) y 方向工作台机械参数指标： 直线运动质量：m = 2 5 k g ： 滚珠丝杠直径：p = 1 4 姗； 丝杠导程：a = 4 m m ； 丝杠长度：三= 5 0 m m ； 摩擦系数：= 0 0 5 ： 机械效率：，7 = o 9 ； 联轴器外径：皿= 3 5 m m ； 联轴器质量：蜂= 0 1 m m 。 ( 1 ) 负载轴换算转矩瓦： z ：丝兰2 ：璺兰丝兰墨；旦：q ! 兰竺坠三：! 业坚= 1 1 5 1 0 - 4 ( n m ) ( 2 8 ) l 2 7 r f 印 2 万l 0 7 、 1 3 生物芯片扫描仪工作台控制系统的研究 ( 2 ) 转动惯量的计算： 直线运动部分转动惯量以： 以圳去) 2 - 2 5 ( 筹) 2 1 叭k g m 2 ) ( 2 9 ) 滚珠丝杠转动惯量以： 以= 墨肚d 4 = 三7 8 7 1 0 3 0 0 5 ( o 0 1 4 ) 4 乩5 1 0 巧( k g m 2 ) ( 2 1 0 ) 联轴器转动惯量厶： 厶2 专心磋2 吉m l ( 0 0 3 5 ) 2 1 5 1 0 弓( k g m 2 ) ( 2 1 1 ) 电机轴换算负载转动惯量j ： ，= 以+ 以+ 厶= 1 7 5 1 0 5 ( k g m 2 ) ( 2 1 2 ) ( 3 ) 负载运行功率昂： 昂：粤些：丝堕掣乩5 1 0 - 2 ( w ) ( 2 1 3 ) ” 6 06 0 、 ( 4 ) 负载加速功率： = 当心) 2 考= ( 吾1 2 5 ) 2 等= 2 3 l o 。3 ( w ) ( 2 1 4 ) 经过计算和比较后，选用日本安川公司的电机，x 轴、y 轴型号同为： s g m a v a 5 a a h l 。其主要参数指标见表2 6 。 表2 6s g m a v 系列电机参数指标 其转矩一转速特性图2 6 所示。 一毯 、 a b 0 3o 4 5 0 6 转矩( n m ) 图2 6 电机转矩一转速特性 图中：a 区为连续使用区域，b 区为反复使用区域。 1 4 6 5 3 2 l 、j 速一转缸 硕士学位论文 2 4 3 交流伺服电机速度曲线的选择 ( 1 ) 速度曲线 电机在驱动工作台进行逐点直线运动时，要经历加速、恒速和减速过程。若 启动时一次将速度升到指定速度，则会由于启动频率超过极限启动频率，而导致 失步和过冲，从而不能正常启动，位置控制精度降低。所以，对电机的加减速有 严格的要求，就是在保证电机输出恒速准确的前提下，按加、减速曲线进行用最 短的时间使工作台移动到指定位置。加减速运行曲线没有一个固定的模式，一般 根据经验和实验得到【37 1 ，通常采用的工作模式有指数加减速曲线、s 型( 分段指 数曲线) 加减速曲线或梯型加减速曲线。 1 ) 直线加、减速曲线 直线加、减速曲线又称梯形加、减速曲线见图2 5 。 速度 ，- 矗由 o 图2 7 直线加、减速曲线 这种加减速方法的的优点是数学表达式简单，容易实现，适合进行实时运算， 加减速时间最短，响应快，效率高。但是从图中可以看出在加速阶段和减速阶段 的起点、终点处加速度都有突变，这使得电机在启动瞬间、从加速过程向匀速过 程的瞬间、从匀速过程向减速过程的瞬间以及停止瞬间，都会产生一个冲击。另 外，速度的过度不够平滑，会导致运动精度低降。 2 ) s 型加、减速曲线 图2