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控制卡的生物芯片点样仪控制方案论文 摘要：在高定位精度的运动系统中光栅尺做为位置反馈元件被大量使用文中给出了用Galil公司的DMC1800控制卡、松下的交流伺服电机、雷尼绍光栅尺和贝塞德运动单元来对生物芯片点样仪进行控制的实现方案同时给出了采用VB语句来编写软件程序的具体流程 关键词：闭环控制光栅尺光样仪生物芯片 1引言 生物芯片点样仪是制备生物芯片的关键设备点样仪一般为三自由度直角坐标运动系统主要用于将物生样品（蛋白、核酸等）精确定位、定量的分配在玻片上根据实际需要提出该系统的主要技术指标为：定位精度：5m；运动速度：150mm/s 2硬件设计 PID控制是根据偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的一种技术是目前高精度控制系统中通常采取的一种方式根据要求可采用的控制方式有半闭环控制（控制框图见图1）和全闭环控制（控制框图见图2）两种采用半闭环控制时反馈信号来自于安装在电机轴上的编码器但此时系统不能反应反馈回路外的误差而采用全闭环控制时其反馈信号来自于安装在运动轴上的光栅尺由于全闭环控制时闭环伺服系统直接以工作台的最终位置为目标从而消除了进入传动系统的全部误差所以精度较半闭环系统要高（理论上系统精度取决于光栅尺的精度）但由于闭环伺服系统检测的是运动轴的位移量其各个环节都包括在反馈回路中影响因素多而复杂易造成系统运行不稳定 综合上述两种方式的优缺点笔者决定采用一种双闭环的伺服控制策略来兼顾系统的稳定性与精度该双闭环控制系统如图3所示系统中包括了由光栅尺组成的全闭环主回路和由编码器组成的半闭环辅助回路通过对不同产品的分析比较最后其运动系统选用交流伺服电机加精密滚珠丝杠的结构；控制系统选用Galil公司的DMC1800PCI卡；位置反馈选用英国Renishaw精度为1m的光栅尺 DMC1800PCI总线多轴运动控制器为Galil公司产品它要占用PC机中的一个PCI插槽它用32位MCU控制18轴伺服电机或步进电机或二者组合同时包括12MHz伺服编码器反馈信号、2MHz步进电机命令、带速度及加速度前馈、积分限制、Notch及低通滤波器的PID等采样周期62.5s/轴运动方式有JOG、PTP定位、直线、圆弧插补、轮廓、电子齿轮、ECAM等；此外它还带有双编码器反馈、回零、正、反向限位输入接口及8通道通用模拟输入等 本控制卡提供有双编码器反馈功能可用于机械间隙补偿其中一个编码器为安装在电机轴端的旋转编码器而另一个为安装在负载侧的光栅尺（Galil控制器能接收到自每轴的两个编码器信号输入且作为标准功能）雷尼绍光栅尺可直接贴在运动导轨上由于光栅尺与导轨的热膨胀系数相同因而可将温度变化造成的精度误差降至最低实际上双闭环控制已改变了标准PID控制算法它的位置环由负载编码器（PI）闭环获得阻尼项（D）由电机轴端编码器获得由于双闭环反馈编码器功能可使DMC对间隙进行补偿因而可获得更高的运动精度 3软件设计 控制系统的软件部分是点样仪系统中重要的组成部分用户可根据需要将生物芯片中探针阵列的各个参数通过人机界面输入计算机如样品点数、针数、点间距、阵列数等好的软件可有效提高点样效率为此我们提出下列软件设计要求：（1）可在Windows环境下运行（2）全部中文显示（3）用户界面友好参数输入直观全部图形化操作 为此笔者选用了美国Microsoft公司的VisualBasic程序设计语言VisualBasic是一种可视化的而向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言可用于开发Windows环境下的各类应用程序相比而言VB比较简单、可视化程度高适于编写控制界面图4为该点校仪系统的软件流程 由于芯片设计较为复杂且容易出现错误因此有必要采取下列措施以保证操作的正确性： （1）减少激活的命令按钮屏蔽掉那些暂时不用的命令按钮而只在完成当前操作时将其激活以避免因操作不当引起的误操作 （2）输入提示功能设计预防误操作的一个有效手段就是“提示功能”人机界面在任何时刻都应提供提示功能告诉操作者现在机器正在做什么操作者应该做什么或可以做什么 （3）参数输入的容错设计由于全局环境参数是由人机接口传送给机器人控制系统的帮正确的参数是机器人安全工作的重要保证在系统上电初始化过程中所有参数均按典型值进行赋值输入时