陳　蓮　陳世斌

(1.中國(guó)政法大學(xué) 科學(xué)技術(shù)教學(xué)部，北京 100088；2.北京世能通宇科技有限公司，北京 100176)

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儀器研制與改進(jìn)

多軸多模式自動(dòng)進(jìn)樣器伺服控制系統(tǒng)的研制

陳蓮1陳世斌2

(1.中國(guó)政法大學(xué) 科學(xué)技術(shù)教學(xué)部，北京 100088；2.北京世能通宇科技有限公司，北京 100176)

針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型和平臺(tái)型兩種不同結(jié)構(gòu)的自動(dòng)進(jìn)樣器，提出了采用共用平臺(tái)的小功率多軸伺服控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，研發(fā)出一種低成本且兼容兩種自動(dòng)進(jìn)樣器的多軸直流有刷電機(jī)伺服控制系統(tǒng)。平臺(tái)化和模塊化的設(shè)計(jì)理念解決了快速設(shè)計(jì)與多品種、并行開(kāi)發(fā)與低成本的矛盾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：兩種自動(dòng)進(jìn)樣器峰面積重復(fù)性RSD均≤1.5%，峰面積線性相關(guān)系數(shù)優(yōu)于0.99，達(dá)到了課題指標(biāo)要求。

伺服控制電機(jī)平臺(tái)氣相色譜自動(dòng)進(jìn)樣器

1　引言

1.1國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

目前已商品化的氣相色譜儀液體自動(dòng)進(jìn)樣器主要分為兩大類型：標(biāo)準(zhǔn)型(傳統(tǒng))圓形樣品托盤旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)塔和平臺(tái)型樣品托盤X-Y-Z運(yùn)動(dòng)機(jī)塔[1-3]。近年來(lái)，多功能自動(dòng)進(jìn)樣器大多采用平臺(tái)型的設(shè)計(jì)，幾乎全部采用微步步進(jìn)電機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制組件構(gòu)成的多軸伺服控制系統(tǒng)[1-3]。國(guó)外廠家也有全部采用全直流有刷電機(jī)控制的產(chǎn)品，具有代表性的如意大利的HT-300A[4]。

國(guó)內(nèi)這方面的研發(fā)剛剛起步[5]，近年來(lái)產(chǎn)品在精度和穩(wěn)定性方面有所提高[6-9]，控制部分均采用微步步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)，整體技術(shù)與國(guó)外中高端產(chǎn)品尚有較大差距。

1.2難點(diǎn)問(wèn)題

如何快速設(shè)計(jì)、快速開(kāi)發(fā)、快速制造、快速形成產(chǎn)品并具有優(yōu)良的性價(jià)比，尤其是在整體資源不變的條件下，提出了標(biāo)準(zhǔn)型和平臺(tái)型兩種不同結(jié)構(gòu)自動(dòng)進(jìn)樣器的并行實(shí)施研發(fā)的設(shè)想。因此，課題面臨諸多困難與挑戰(zhàn)，迄今為止國(guó)內(nèi)外在該方面的研究與報(bào)導(dǎo)甚少。

2　研發(fā)思路

設(shè)計(jì)思路是：基于分散型控制與兼容性設(shè)計(jì)的方法，快速搭建起一個(gè)小功率多模式多軸伺服控制系統(tǒng)的共用研發(fā)平臺(tái)[10-14]，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)與直流電機(jī)代換，組合集成一個(gè)新的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速驗(yàn)證與多目標(biāo)的探索性實(shí)驗(yàn)研究。最終通過(guò)結(jié)構(gòu)的再設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)4軸直流有刷電機(jī)全反饋伺服控制系統(tǒng)，從而高效、快速地研發(fā)出兩種自動(dòng)進(jìn)樣器，整體達(dá)到課題規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)要求。

3　系統(tǒng)建立與討論

3.1自動(dòng)進(jìn)樣器的基本工作原理

自動(dòng)進(jìn)樣器的基本工作原理是：先將液體樣品預(yù)裝在幾個(gè)至上百個(gè)小玻璃瓶中，擺放在樣品托盤上，自動(dòng)進(jìn)樣器按照預(yù)設(shè)好的程序來(lái)控制注射器自動(dòng)完成玻璃瓶中液體樣品的抽取，然后將樣品注射導(dǎo)入到氣相色譜儀進(jìn)行分析。基本流程為：選擇第n個(gè)樣品瓶位→抽取樣品→注射樣品→清洗進(jìn)樣器(針)→選擇第n+1個(gè)樣品，依次循環(huán)重復(fù)上述步驟直到結(jié)束。

3.2自動(dòng)進(jìn)樣器的結(jié)構(gòu)與類型

從結(jié)構(gòu)上劃分，自動(dòng)進(jìn)樣器分為兩大類：傳統(tǒng)圓形樣品托盤旋轉(zhuǎn)機(jī)塔型和平臺(tái)樣品托盤X-Y-Z方向運(yùn)動(dòng)機(jī)塔型[1-3]。

3.2.1標(biāo)準(zhǔn)型結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)型110個(gè)樣品位自動(dòng)進(jìn)樣器，樣品瓶托盤為圓盤式并側(cè)位放置，樣品托盤作圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)瓶位的精確定位。機(jī)塔(外形結(jié)構(gòu)似塔狀)包括3個(gè)運(yùn)動(dòng)方向，一是機(jī)塔作0°～60°的X軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，分別實(shí)現(xiàn)注射器抽取樣品時(shí)的位置定位和注射樣品時(shí)色譜儀進(jìn)樣口的位置定位；二是注射器拖車Y軸方向垂直上下運(yùn)動(dòng)，抽取樣品與色譜儀進(jìn)樣口高度(注射器針插入深度)的定位；三是Z軸方向注射器的推拉桿(抽取預(yù)設(shè)體積)和注射器的推拉桿(樣品注射)運(yùn)動(dòng)，這是目前最為經(jīng)典的設(shè)計(jì)。

3.2.2平臺(tái)型結(jié)構(gòu)

平臺(tái)型結(jié)構(gòu)自動(dòng)進(jìn)樣器分為兩種：一種是樣品平臺(tái)為X-Y軸方向運(yùn)動(dòng)，機(jī)塔為固定式(不旋轉(zhuǎn))，有的還配有移動(dòng)式機(jī)械手。另一種是樣品平臺(tái)固定，機(jī)塔為X-Y-Z方向運(yùn)動(dòng)。后一種是目前的主流設(shè)計(jì)機(jī)型，其優(yōu)點(diǎn)是：功能強(qiáng)大、通用性好、密度高且容易拓展，并具有吸附濃縮/熱解析、頂空、萃取等樣品前處理功能。缺點(diǎn)是：操作略顯復(fù)雜、體積較大。

3.3系統(tǒng)架構(gòu)

分析兩種自動(dòng)進(jìn)樣器的架構(gòu)，重點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)部分(控制驅(qū)動(dòng)電路和電機(jī))，它是自動(dòng)進(jìn)樣器的核心，下面以此進(jìn)行論述。

標(biāo)準(zhǔn)型110個(gè)樣品位自動(dòng)進(jìn)樣器運(yùn)動(dòng)部分由1個(gè)圓形樣品托盤和3個(gè)機(jī)塔部分組成，分別為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件、注射器托車運(yùn)動(dòng)部件和注射器推拉桿運(yùn)動(dòng)部件。由此看出，110個(gè)樣品位的自動(dòng)進(jìn)樣器共由4個(gè)運(yùn)動(dòng)部件組成。平臺(tái)型自動(dòng)進(jìn)樣器分為兩種，一種是樣品平臺(tái)為X、Y方向運(yùn)動(dòng)，并含有兩個(gè)固定機(jī)塔(注射器托車和注射器推拉桿)；另一種是樣品平臺(tái)為固定，機(jī)塔是X-Y-Z方向的4軸(Z方向2軸)運(yùn)動(dòng)，因此兩種方式都是4軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。

4　控制系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

具體平臺(tái)設(shè)計(jì)目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)多模式、多軸伺服控制系統(tǒng)。多模式是指二相步進(jìn)電機(jī)和直流有刷電機(jī)兩種控制模式；多軸是指4軸或4軸以上，以此搭建起一個(gè)組合與集成、兼容與互換、快速驗(yàn)證與多目標(biāo)的研發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)兩種不同結(jié)構(gòu)自動(dòng)進(jìn)樣器的快速研發(fā)。

4.1控制系統(tǒng)的構(gòu)成

自動(dòng)進(jìn)樣器運(yùn)動(dòng)部分，實(shí)際上是一個(gè)典型的電機(jī)伺服控制系統(tǒng)。具體由運(yùn)動(dòng)控制器、光電隔離電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、位置反饋器件及附屬電路組成，基本控制原理如圖1所示。

圖1　伺服控制系統(tǒng)原理

設(shè)計(jì)的基本目標(biāo)是將運(yùn)動(dòng)控制電路、光電隔離電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)接收電路和電源電路及附屬電路整體集成為一個(gè)核心控制驅(qū)動(dòng)模塊。通過(guò)與執(zhí)行結(jié)構(gòu)(電機(jī)、減速組件、絲杠等組件)和位置傳感器件構(gòu)建起一個(gè)共用系統(tǒng)研發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

4.2控制模塊架構(gòu)與控制策略

在平臺(tái)設(shè)計(jì)中，著重搭建多模式、多軸、分散型控制、兼容與互換為主要特征的共用平臺(tái)。自動(dòng)進(jìn)樣器的基本控制系統(tǒng)平臺(tái)，如圖2所示。

4.2.1多模式與多軸

平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)兩種工作模式：二相步進(jìn)電機(jī)模式和直流有刷電機(jī)模式，而多軸是指基本具備4軸基本配置或4軸以上的拓展能力。

4.2.2分散型控制

分散型控制是控制回路彼此“獨(dú)立”與“分散”的控制方法。該設(shè)計(jì)有三大優(yōu)勢(shì)：一是4軸運(yùn)動(dòng)控制回路彼此完全獨(dú)立，即“危險(xiǎn)”分散。具體每軸運(yùn)動(dòng)控制回路由一個(gè)控制器、光電隔離器和一個(gè)驅(qū)動(dòng)器組成一個(gè)子系統(tǒng)，并對(duì)應(yīng)一只被控電機(jī)(步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī))，子系統(tǒng)如圖2虛線框所示?！胺稚ⅰ笨捎行Ы鉀Q多軸聯(lián)動(dòng)與快速響應(yīng)的問(wèn)題；二是可以實(shí)現(xiàn)并行、快速與高效的開(kāi)發(fā)；三是提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，尤其是對(duì)于24小時(shí)連續(xù)工作和安全要求高的系統(tǒng)或裝置。

圖2中上位PC機(jī)進(jìn)行集中管理，下位機(jī)分散獨(dú)立控制。主控制器完成對(duì)4個(gè)控制子系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度與管理，下位機(jī)的主控制器通過(guò)RS232接口實(shí)現(xiàn)與上位PC機(jī)的信息交換。

4.2.3兼容與互換

核心控制驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)(直流有刷電機(jī)或二相步進(jìn)電機(jī))、傳感器(編碼器、霍爾元件)統(tǒng)一規(guī)格和型號(hào)，實(shí)現(xiàn)組件直接代換和兩種自動(dòng)進(jìn)樣器間的互換，軟件設(shè)計(jì)解決了兩種自動(dòng)進(jìn)樣器“共性”和“個(gè)性”的兼容問(wèn)題。

4.2.4一體化控制驅(qū)動(dòng)模塊

運(yùn)動(dòng)控制電路、光電隔離電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)接收電路、電源電路及附屬電路整體集成為一個(gè)核心控制驅(qū)動(dòng)模塊。具有小體積、大密度、可靠性高、低成本、易于安裝和維護(hù)等優(yōu)勢(shì)。整體封裝后堅(jiān)固且可嵌入，能適應(yīng)野外特殊環(huán)境的應(yīng)用。模塊化設(shè)計(jì)理念也是目前國(guó)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)展的主要方向和重點(diǎn)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。圖2實(shí)線框中所表示的是一體化控制驅(qū)動(dòng)模塊(下位機(jī)控制驅(qū)動(dòng)模塊)，虛線框中為4個(gè)獨(dú)立控制子系統(tǒng)，采用“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的方式分別對(duì)應(yīng)一個(gè)被控電機(jī)(M1～M4)。

圖2　自動(dòng)進(jìn)樣器的控制系統(tǒng)平臺(tái)示意圖

4.3運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

4.3.1基本設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制器是以微處理器(MCU)為核心的功能組件，方案中涉及微處理器的選型、內(nèi)部通訊總線的建立以及控制算法與控制策略等方面的問(wèn)題。

首先討論微處理器，采用DSP是理想的方案，但價(jià)格偏高且貨源不穩(wěn)定，8位、16位和32位微處理器各有特色，也是不錯(cuò)的選擇，鑒于成本及應(yīng)用問(wèn)題最終選擇了ATMEL MCU AT89S52微處理器[15]。ATMEL MCU AT89S52是一種功能強(qiáng)大、低功耗的8位微控制器[15-22]，具有優(yōu)秀的性價(jià)比。

設(shè)計(jì)中采用了5塊ATMEL MCU AT89S52微處理器，其中4塊作為4軸“分散”型運(yùn)動(dòng)控制器的核心組件，通過(guò)對(duì)每塊微處理器的獨(dú)立編程完成相應(yīng)控制，另外一塊作為主微處理器，負(fù)責(zé)4塊AT89S52的統(tǒng)一調(diào)度與通訊管理。RS232接口實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與控制模塊之間的通訊，所有控制指令均由PC機(jī)通過(guò)此接口傳送到控制模塊中的主微處理器，經(jīng)處理后發(fā)送到各子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)樣器的工作流程，如圖3所示。

4.3.2高速SPI接口設(shè)計(jì)

采用多軸“分散”型控制方案，上位機(jī)與下位機(jī)之間的通訊、下位機(jī)中的主微處理器與4個(gè)從微處理器通訊也是本設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)內(nèi)容之一。

ATMEL MCU AT89S52芯片本身不支持多機(jī)通訊，當(dāng)然技術(shù)上改造也是一種常用的手段，如采用RS485、I2C、CAN和SPI等。綜合通訊速率、成本和簡(jiǎn)易性等因素，并結(jié)合自動(dòng)進(jìn)樣器的系統(tǒng)工作聯(lián)動(dòng)、實(shí)時(shí)性與效率等特點(diǎn)，最終選擇了自創(chuàng)建SPI總線的設(shè)計(jì)方案[23-25]。SPI (Serial Peripheral Interface)接口，是Motorola公司提出的一種4線制同步串行外設(shè)總線接口，是具有高速(可達(dá)幾Mbps/s)、全雙工和同步的通信總線。最為關(guān)鍵的是，SPI為主/從(Master /Slave)模式架構(gòu)，支持掛載多個(gè)SPI MCU設(shè)備，協(xié)議簡(jiǎn)單易用。可在印刷電路板上直接布線，從而簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，節(jié)省電路接口器件與纜線，使得系統(tǒng)更為穩(wěn)定可靠，如今越來(lái)越多的芯片集成了這種通信接口。

基于SPI接口總線原理進(jìn)行自構(gòu)建，SPI接口中共有4根信號(hào)線，分別是：設(shè)備選擇線(CS)、時(shí)鐘線(SCLK)、串行輸出數(shù)據(jù)線(SDO)和串行輸入數(shù)據(jù)線(SDI)。

時(shí)鐘由主設(shè)備(Master)控制，在時(shí)鐘移位脈沖控制下，數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前，低位在后。確定一個(gè)主設(shè)備(Master)，其他設(shè)備為從設(shè)備(Slave)，主從設(shè)備間可實(shí)現(xiàn)全雙工通信[22-24]。

下面來(lái)論述用一個(gè)主設(shè)備與4個(gè)從設(shè)備實(shí)現(xiàn)主/從通訊的設(shè)計(jì)方法。在圖3中，主微處理器為主設(shè)備，我們對(duì)主微處理器P0口的P0.1～P0.7作如下定義：

SCLK：P0.1，時(shí)鐘線，計(jì)數(shù)器定時(shí)產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖(頻率1MHz)

SDI：P0.2 數(shù)據(jù)輸入線

SDO：P0.3 數(shù)據(jù)輸出線

CS：P0.4～P0.7 (CS1- CS4)設(shè)備選擇線(低電平使能)

主微處理器P0口的P0.4～P0.7分別對(duì)應(yīng)4個(gè)從微處理器P口的P0.0，如圖3所示。主微處理器與4個(gè)從微處理器(微處理器1～4)之間通訊為全雙工，速率最高為800kHz。

改進(jìn)型的SPI串行通訊總線優(yōu)良的性能保證了自動(dòng)進(jìn)樣器的旋轉(zhuǎn)機(jī)塔、樣品盤、小滑車、注射推桿4個(gè)子系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)與實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)進(jìn)樣器系統(tǒng)工作效率與實(shí)時(shí)的要求。

4.3.3控制算法和控制軟件

控制集中在主微處理器和各子系統(tǒng)的控制器中，包括：控制模式(二相步進(jìn)電機(jī)和直流有刷電機(jī))、電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)、提速和減速、高速與緊急制動(dòng)及位置檢測(cè)與精確定位等。主微處理器負(fù)責(zé)工作模式、工作方式、控制流程，子系統(tǒng)控制器實(shí)現(xiàn)具體運(yùn)動(dòng)控制。

4.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

在多軸、多模式伺服控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，多軸是保證自動(dòng)進(jìn)樣器4軸電機(jī)控制的基本要求，而多模式是針對(duì)步進(jìn)電機(jī)與直流電機(jī)的兩種驅(qū)動(dòng)工作方式，力求在一個(gè)平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)兩種電機(jī)的通用與兼容應(yīng)用。

4.4.1基本設(shè)計(jì)

目前最廣泛使用的H型全橋式電路，H橋電路作為驅(qū)動(dòng)器的功率驅(qū)動(dòng)電路。由于功率MOSFET是壓控元件，具有輸入阻抗大、開(kāi)關(guān)速度快、無(wú)二次擊穿現(xiàn)象等特點(diǎn)，滿足高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作需求。設(shè)計(jì)中采用L6205芯片作為驅(qū)動(dòng)器核心，L6205芯片是雙H橋單電源-電壓控制，功耗小，單路最大驅(qū)動(dòng)電流2.8A，一片L6205可以滿足一個(gè)二相步進(jìn)電機(jī)或兩個(gè)直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)中使用4片L6205實(shí)現(xiàn)4軸2相步進(jìn)電機(jī)或8軸直流有刷電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制，如圖2所示。單只電機(jī)最大功耗控制在1A以下，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源通過(guò)外接24V電源實(shí)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)中采用L6205芯片，該芯片具有雙H橋結(jié)構(gòu)、單電源/電壓控制、功耗小和驅(qū)動(dòng)輸出電流大等特點(diǎn)[26-29]。單片L6205可實(shí)現(xiàn)一個(gè)二相步進(jìn)電機(jī)或兩個(gè)直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)。4片L6205芯片則可掛載4個(gè)二相步進(jìn)電機(jī)或8個(gè)直流有刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，單路最大驅(qū)動(dòng)電流2.8A。

由于H橋由大功率N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成，不能由電機(jī)邏輯控制信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)，必須經(jīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大電路和電荷泵電路對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行放大，設(shè)計(jì)中采用電荷泵升壓技術(shù)將24 V升壓至48V，然后驅(qū)動(dòng)H橋功率驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。

在二相步進(jìn)電機(jī)或直流有刷電機(jī)的多模式方式中，通過(guò)平臺(tái)設(shè)置步進(jìn)電機(jī)或直流有刷電機(jī)的模式設(shè)置，并簡(jiǎn)單通過(guò)控制模塊中的跳線端子來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。

圖3　多軸多模式伺服控制系統(tǒng)平臺(tái)

4.4.2PWM控制技術(shù)

脈沖寬度調(diào)制以其控制簡(jiǎn)單、靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于測(cè)量、通信、功率控制等諸多領(lǐng)域。

設(shè)計(jì)中針對(duì)直流有刷電機(jī)和二相步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用，采用單極性高頻的PWM(最高20kHz)。對(duì)于直流有刷電機(jī)采用定頻調(diào)寬法(恒頻占空比可調(diào))[30-32]，而步進(jìn)電機(jī)采用調(diào)頻調(diào)寬法。其控制方法與控制電路都比較簡(jiǎn)單，不再贅述。

4.4.3隔離技術(shù)

為減少驅(qū)動(dòng)控制電路對(duì)外部控制電路的干擾，設(shè)計(jì)中在ATMEL AT89S52控制器MCU和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器L6205芯片之間用P314光電耦合器實(shí)現(xiàn)電氣隔離。

控制算法和控制策略集中在各子系統(tǒng)的控制器中，控制包括：直流有刷電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)、提速和減速、高速與緊急制動(dòng)及位置檢測(cè)與修正等。

4.5電機(jī)與傳感器電路設(shè)計(jì)

鑒于自動(dòng)進(jìn)樣器整體要求，在考慮扭矩、轉(zhuǎn)速、功率、繞組電感數(shù)值(直流電機(jī))、相數(shù)、峰值電流(步進(jìn)電機(jī))及尺寸等因素的情況下，直流有刷電機(jī)采用ZGX45RGG162，步進(jìn)電機(jī)為20BYG。

光電編碼器用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的編碼，它將測(cè)得的角位移轉(zhuǎn)換為脈沖形式的數(shù)字信號(hào)輸出。一般光電編碼盤分為絕對(duì)式光電編碼盤和增量式光電編碼器，設(shè)計(jì)中選擇了增量型500線光電編碼器，編碼器輸出脈沖信號(hào)經(jīng)異或門電路2分頻后，經(jīng)“與門”電路整形連接到子系統(tǒng)微處理器的P1.0(T2)計(jì)時(shí)器口。每個(gè)脈沖所對(duì)應(yīng)的進(jìn)樣器上的標(biāo)度，理論上計(jì)算可達(dá)到0.01mm。霍爾開(kāi)關(guān)器件通過(guò)上拉電阻連接到P3.3口，見(jiàn)圖3。設(shè)計(jì)中采用光電編碼器+霍爾開(kāi)關(guān)器件組合構(gòu)成的多級(jí)聯(lián)合定位技術(shù)[33，34]，最大地消除了累積誤差，使系統(tǒng)的定位精度和抗干擾能力大為提高，有效地解決了初始原點(diǎn)重復(fù)精確定位和極限安全保護(hù)的雙重功能。

在系統(tǒng)平臺(tái)中，簡(jiǎn)單調(diào)整控制驅(qū)動(dòng)模塊中的跳線端子，并通過(guò)PC端操作界面設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)二相步進(jìn)電機(jī)或直流有刷電機(jī)模式的選擇。

系統(tǒng)模塊的總電源采用單24V直流供電，主電源為+5V供電，由7805芯片及電路完成轉(zhuǎn)換。

輔助電路由光電編碼器輸出脈沖整形接收電路、霍爾傳感器接收電路、H橋電荷泵升壓電路、RS232電平轉(zhuǎn)換電路及儀器同步信號(hào)觸發(fā)電路組成。

4.6機(jī)械設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由基本外形組件(樣品盤、機(jī)塔、機(jī)座)、結(jié)構(gòu)件、齒輪減速器和運(yùn)動(dòng)絲杠等組成。

在整個(gè)方案中始終遵循一個(gè)基本原則，就是力求兼容與互換，因此，設(shè)計(jì)中直流有刷電機(jī)、二相步進(jìn)電機(jī)、編碼器和霍爾開(kāi)關(guān)器件采用統(tǒng)一規(guī)格和型號(hào)，以利于兼容和互換，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單制造和降低維護(hù)成本。

5　系統(tǒng)軟件與算法

軟件與算法也是本設(shè)計(jì)中十分重要的環(huán)節(jié)，是關(guān)鍵所在。自動(dòng)進(jìn)樣器的控制軟件由三個(gè)基本部分組成：上位機(jī)PC端的集中控制與管理、下位機(jī)(控制驅(qū)動(dòng)模塊)流程的規(guī)劃與調(diào)度以及基本動(dòng)作的控制。具體為實(shí)現(xiàn)兩種自動(dòng)進(jìn)樣器的工作流程控制、模式與方式、多軸與聯(lián)動(dòng)控制、平穩(wěn)移動(dòng)與精確定位、高速運(yùn)行與緊急制動(dòng)等動(dòng)作的控制，并配合硬件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的高可靠、高效率、高性能的要求，限于篇幅限制，這里只作一些基本的描述。

5.1“共性”與“個(gè)性”設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)型110個(gè)樣品位與平臺(tái)型40個(gè)樣品位的自動(dòng)進(jìn)樣器“共性”與“個(gè)性”(不同物理結(jié)構(gòu)的進(jìn)樣器)的軟件設(shè)計(jì)，其“共性”部分采用復(fù)用方法，而“個(gè)性”部分則獨(dú)立實(shí)現(xiàn)。因此，在控制系統(tǒng)平臺(tái)PC端操作軟件中設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)的工作模式，以及110個(gè)樣品位與平臺(tái)型40個(gè)樣品位的工作方式。

5.2控制與算法

本設(shè)計(jì)中在基本的PID算法基礎(chǔ)上，對(duì)算法進(jìn)行了改進(jìn)和變形，以滿足工作需求。如基于動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)和模糊控制的方法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的重復(fù)定位與進(jìn)樣過(guò)程的高速制動(dòng)。根據(jù)流程控制的不同，又有多種算法，例如，多模式控制、快速樣品尋位、多軸聯(lián)動(dòng)等以運(yùn)籌原理的優(yōu)化控制算法，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償校正控制算法等。

具體控制算法和控制策略集中在各子系統(tǒng)的控制器中，包括：直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)、提速和減速、高速與緊急制動(dòng)及位置檢測(cè)與校正。

通過(guò)模型算法有效地解決了自動(dòng)進(jìn)樣器的面積和峰高的重復(fù)性、樣品梯度、最小進(jìn)樣量以及系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

6　實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

6.1應(yīng)用實(shí)驗(yàn)考核

通過(guò)與氣相色譜儀聯(lián)機(jī)的實(shí)際進(jìn)樣，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型110個(gè)樣品位和平臺(tái)型40個(gè)樣品位自動(dòng)進(jìn)樣器進(jìn)行了測(cè)試與評(píng)估。

經(jīng)上海市環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)總站、國(guó)家分析儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心和國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃課題測(cè)試專家組現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果如下：

圖4　標(biāo)準(zhǔn)型110樣品位自動(dòng)進(jìn)樣器與GC-128色譜儀聯(lián)用

圖5　平臺(tái)型40樣品位自動(dòng)進(jìn)樣器與SP-2020色譜儀聯(lián)用

標(biāo)準(zhǔn)型110個(gè)樣品位自動(dòng)進(jìn)樣器與上海精科公司GC-128色譜儀聯(lián)用，如圖4所示，分別做了對(duì)10個(gè)扇區(qū)的每個(gè)扇區(qū)取一個(gè)樣品位重復(fù)3次和順序連續(xù)6次進(jìn)樣的實(shí)驗(yàn)測(cè)試；平臺(tái)型40個(gè)樣品位與北分瑞利SP-2020色譜儀聯(lián)用，如圖5所示，做了1到40個(gè)樣品位走對(duì)角線重復(fù)3次和順序連續(xù)6次進(jìn)樣的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果為：110個(gè)樣品位和平臺(tái)型40個(gè)樣品位的面積重復(fù)性RSD(相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差)分別為1.5%和1.1%，0.1μL、0.3μL、0.7μL和0.9μL的進(jìn)樣梯度為0.99[35，36]，滿足應(yīng)用要求。在連續(xù)12小時(shí)的穩(wěn)定性測(cè)試中，未出現(xiàn)死機(jī)、彎針等現(xiàn)象，在長(zhǎng)達(dá)2周的連續(xù)運(yùn)行評(píng)估測(cè)試中，均定位準(zhǔn)確、運(yùn)行安全可靠。

6.2結(jié)論

系統(tǒng)通過(guò)優(yōu)化與再設(shè)計(jì)最終定型為4軸直流有刷電機(jī)X-Y-Z三個(gè)自由度的4軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，并成功地研發(fā)出了嵌入式一體化4軸直流有刷電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)模塊(運(yùn)動(dòng)控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、光電隔離電路、檢測(cè)接收電路與輔助電路)，模塊尺寸為：71mm×65mm×30mm。采用單一24V直流供電，功耗小于10W，配置RS-232通訊接口。兩種自動(dòng)進(jìn)樣器的硬件成本(嵌入式一體化控制驅(qū)動(dòng)模塊、直流有刷電機(jī)、編碼器和霍爾開(kāi)關(guān)器件)約2000元左右(機(jī)械部分除外)，有很高的性價(jià)比。

設(shè)計(jì)獲得了成功，實(shí)現(xiàn)了一體控制驅(qū)動(dòng)模塊、4個(gè)電機(jī)、編碼器和霍爾開(kāi)關(guān)器件在兩種機(jī)型上的兼容與互換，使得研發(fā)設(shè)計(jì)與維護(hù)大為簡(jiǎn)化。兩種自動(dòng)進(jìn)樣器功能與性能的測(cè)試滿足了課題指標(biāo)的要求，并通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收[36]。項(xiàng)目的研究成果為分析儀器的研發(fā)與制造提供了一種新的思路與途徑。

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Development of a multi-axis multi-mode autosampler servo control system.

Chen Lian1，Chen Shibin2

(1.Department of Science and Technology Teaching，China University of Political Science and Law，Beijing 100088，China;2.Beijing ShineCosmos Technology Co.,LTD.,Beijing 100176,China)

The low-cost multi-axis brushed DC-motor servo control system is compatible with the standard and platform autosampler.The experimental result is good.The RSDs of the peak area reproducibility of both types of autosampler are ≤1.5% and the linear correlation coefficient of the peak area is better than 0.99.

servo control;motor;platform;gas chromatography;autosampler

國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目：科學(xué)儀器設(shè)備與開(kāi)發(fā)(2006BAK03A04)

陳蓮，女，1962年出生，碩士，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)、分析儀器，E-mail:：cupl_cl@126.com。

10.3936/j.issn.1001-232x.2016.04.001

2016-04-12