多轴多模式自动进样器伺服控制系统的研制

陈　莲　陈世斌

(1.中国政法大学 科学技术教学部，北京 100088；2.北京世能通宇科技有限公司，北京 100176)



仪器研制与改进

多轴多模式自动进样器伺服控制系统的研制

陈莲1陈世斌2

(1.中国政法大学 科学技术教学部，北京 100088；2.北京世能通宇科技有限公司，北京 100176)

针对标准型和平台型两种不同结构的自动进样器，提出了采用共用平台的小功率多轴伺服控制系统的实现方法，研发出一种低成本且兼容两种自动进样器的多轴直流有刷电机伺服控制系统。平台化和模块化的设计理念解决了快速设计与多品种、并行开发与低成本的矛盾。实验结果为：两种自动进样器峰面积重复性RSD均≤1.5%，峰面积线性相关系数优于0.99，达到了课题指标要求。

伺服控制电机平台气相色谱自动进样器

1　引言

1.1国内外现状

目前已商品化的气相色谱仪液体自动进样器主要分为两大类型：标准型(传统)圆形样品托盘旋转运动机塔和平台型样品托盘X-Y-Z运动机塔[1-3]。近年来，多功能自动进样器大多采用平台型的设计，几乎全部采用微步步进电机与运动控制组件构成的多轴伺服控制系统[1-3]。国外厂家也有全部采用全直流有刷电机控制的产品，具有代表性的如意大利的HT-300A[4]。

国内这方面的研发刚刚起步[5]，近年来产品在精度和稳定性方面有所提高[6-9]，控制部分均采用微步步进电机的设计，整体技术与国外中高端产品尚有较大差距。

1.2难点问题

如何快速设计、快速开发、快速制造、快速形成产品并具有优良的性价比，尤其是在整体资源不变的条件下，提出了标准型和平台型两种不同结构自动进样器的并行实施研发的设想。因此，课题面临诸多困难与挑战，迄今为止国内外在该方面的研究与报导甚少。

2　研发思路

设计思路是：基于分散型控制与兼容性设计的方法，快速搭建起一个小功率多模式多轴伺服控制系统的共用研发平台[10-14]，通过步进电机与直流电机代换，组合集成一个新的系统，实现快速验证与多目标的探索性实验研究。最终通过结构的再设计，实现4轴直流有刷电机全反馈伺服控制系统，从而高效、快速地研发出两种自动进样器，整体达到课题规定的技术指标要求。

3　系统建立与讨论

3.1自动进样器的基本工作原理

自动进样器的基本工作原理是：先将液体样品预装在几个至上百个小玻璃瓶中，摆放在样品托盘上，自动进样器按照预设好的程序来控制注射器自动完成玻璃瓶中液体样品的抽取，然后将样品注射导入到气相色谱仪进行分析。基本流程为：选择第n个样品瓶位→抽取样品→注射样品→清洗进样器(针)→选择第n+1个样品，依次循环重复上述步骤直到结束。

3.2自动进样器的结构与类型

从结构上划分，自动进样器分为两大类：传统圆形样品托盘旋转机塔型和平台样品托盘X-Y-Z方向运动机塔型[1-3]。

3.2.1标准型结构

标准型110个样品位自动进样器，样品瓶托盘为圆盘式并侧位放置，样品托盘作圆周旋转运动，从而实现瓶位的精确定位。机塔(外形结构似塔状)包括3个运动方向，一是机塔作0°～60°的X轴向旋转运动，分别实现注射器抽取样品时的位置定位和注射样品时色谱仪进样口的位置定位；二是注射器拖车Y轴方向垂直上下运动，抽取样品与色谱仪进样口高度(注射器针插入深度)的定位；三是Z轴方向注射器的推拉杆(抽取预设体积)和注射器的推拉杆(样品注射)运动，这是目前最为经典的设计。

3.2.2平台型结构

平台型结构自动进样器分为两种：一种是样品平台为X-Y轴方向运动，机塔为固定式(不旋转)，有的还配有移动式机械手。另一种是样品平台固定，机塔为X-Y-Z方向运动。后一种是目前的主流设计机型，其优点是：功能强大、通用性好、密度高且容易拓展，并具有吸附浓缩/热解析、顶空、萃取等样品前处理功能。缺点是：操作略显复杂、体积较大。

3.3系统架构

分析两种自动进样器的架构，重点是运动部分(控制驱动电路和电机)，它是自动进样器的核心，下面以此进行论述。

标准型110个样品位自动进样器运动部分由1个圆形样品托盘和3个机塔部分组成，分别为旋转运动部件、注射器托车运动部件和注射器推拉杆运动部件。由此看出，110个样品位的自动进样器共由4个运动部件组成。平台型自动进样器分为两种，一种是样品平台为X、Y方向运动，并含有两个固定机塔(注射器托车和注射器推拉杆)；另一种是样品平台为固定，机塔是X-Y-Z方向的4轴(Z方向2轴)运动，因此两种方式都是4轴运动系统。

4　控制系统平台设计

具体平台设计目标是构建一个多模式、多轴伺服控制系统。多模式是指二相步进电机和直流有刷电机两种控制模式；多轴是指4轴或4轴以上，以此搭建起一个组合与集成、兼容与互换、快速验证与多目标的研发实验平台，实现两种不同结构自动进样器的快速研发。

4.1控制系统的构成

自动进样器运动部分，实际上是一个典型的电机伺服控制系统。具体由运动控制器、光电隔离电路、电机驱动器、电机、位置反馈器件及附属电路组成，基本控制原理如图1所示。

图1　伺服控制系统原理

设计的基本目标是将运动控制电路、光电隔离电路、电机驱动电路、检测接收电路和电源电路及附属电路整体集成为一个核心控制驱动模块。通过与执行结构(电机、减速组件、丝杠等组件)和位置传感器件构建起一个共用系统研发实验平台。

4.2控制模块架构与控制策略

在平台设计中，着重搭建多模式、多轴、分散型控制、兼容与互换为主要特征的共用平台。自动进样器的基本控制系统平台，如图2所示。

4.2.1多模式与多轴

平台中实现两种工作模式：二相步进电机模式和直流有刷电机模式，而多轴是指基本具备4轴基本配置或4轴以上的拓展能力。

4.2.2分散型控制

分散型控制是控制回路彼此“独立”与“分散”的控制方法。该设计有三大优势：一是4轴运动控制回路彼此完全独立，即“危险”分散。具体每轴运动控制回路由一个控制器、光电隔离器和一个驱动器组成一个子系统，并对应一只被控电机(步进电机或直流电机)，子系统如图2虚线框所示。“分散”可有效解决多轴联动与快速响应的问题；二是可以实现并行、快速与高效的开发；三是提高系统的稳定性与可靠性，尤其是对于24小时连续工作和安全要求高的系统或装置。

图2中上位PC机进行集中管理，下位机分散独立控制。主控制器完成对4个控制子系统的任务调度与管理，下位机的主控制器通过RS232接口实现与上位PC机的信息交换。

4.2.3兼容与互换

核心控制驱动模块、电机(直流有刷电机或二相步进电机)、传感器(编码器、霍尔元件)统一规格和型号，实现组件直接代换和两种自动进样器间的互换，软件设计解决了两种自动进样器“共性”和“个性”的兼容问题。

4.2.4一体化控制驱动模块

运动控制电路、光电隔离电路、电机驱动电路、检测接收电路、电源电路及附属电路整体集成为一个核心控制驱动模块。具有小体积、大密度、可靠性高、低成本、易于安装和维护等优势。整体封装后坚固且可嵌入，能适应野外特殊环境的应用。模块化设计理念也是目前国际产品设计发展的主要方向和重点关注的热点问题。图2实线框中所表示的是一体化控制驱动模块(下位机控制驱动模块)，虚线框中为4个独立控制子系统，采用“点对点”的方式分别对应一个被控电机(M1～M4)。

图2　自动进样器的控制系统平台示意图

4.3运动控制器设计

4.3.1基本设计

运动控制器是以微处理器(MCU)为核心的功能组件，方案中涉及微处理器的选型、内部通讯总线的建立以及控制算法与控制策略等方面的问题。

首先讨论微处理器，采用DSP是理想的方案，但价格偏高且货源不稳定，8位、16位和32位微处理器各有特色，也是不错的选择，鉴于成本及应用问题最终选择了ATMEL MCU AT89S52微处理器[15]。ATMEL MCU AT89S52是一种功能强大、低功耗的8位微控制器[15-22]，具有优秀的性价比。

设计中采用了5块ATMEL MCU AT89S52微处理器，其中4块作为4轴“分散”型运动控制器的核心组件，通过对每块微处理器的独立编程完成相应控制，另外一块作为主微处理器，负责4块AT89S52的统一调度与通讯管理。RS232接口实现PC机与控制模块之间的通讯，所有控制指令均由PC机通过此接口传送到控制模块中的主微处理器，经处理后发送到各子系统实现自动进样器的工作流程，如图3所示。

4.3.2高速SPI接口设计

采用多轴“分散”型控制方案，上位机与下位机之间的通讯、下位机中的主微处理器与4个从微处理器通讯也是本设计中的重点内容之一。

ATMEL MCU AT89S52芯片本身不支持多机通讯，当然技术上改造也是一种常用的手段，如采用RS485、I2C、CAN和SPI等。综合通讯速率、成本和简易性等因素，并结合自动进样器的系统工作联动、实时性与效率等特点，最终选择了自创建SPI总线的设计方案[23-25]。SPI (Serial Peripheral Interface)接口，是Motorola公司提出的一种4线制同步串行外设总线接口，是具有高速(可达几Mbps/s)、全双工和同步的通信总线。最为关键的是，SPI为主/从(Master /Slave)模式架构，支持挂载多个SPI MCU设备，协议简单易用。可在印刷电路板上直接布线，从而简化电路设计，节省电路接口器件与缆线，使得系统更为稳定可靠，如今越来越多的芯片集成了这种通信接口。

基于SPI接口总线原理进行自构建，SPI接口中共有4根信号线，分别是：设备选择线(CS)、时钟线(SCLK)、串行输出数据线(SDO)和串行输入数据线(SDI)。

时钟由主设备(Master)控制，在时钟移位脉冲控制下，数据按位传输，高位在前，低位在后。确定一个主设备(Master)，其他设备为从设备(Slave)，主从设备间可实现全双工通信[22-24]。

下面来论述用一个主设备与4个从设备实现主/从通讯的设计方法。在图3中，主微处理器为主设备，我们对主微处理器P0口的P0.1～P0.7作如下定义：

SCLK：P0.1，时钟线，计数器定时产生时钟脉冲(频率1MHz)

SDI：P0.2 数据输入线

SDO：P0.3 数据输出线

CS：P0.4～P0.7 (CS1- CS4)设备选择线(低电平使能)

主微处理器P0口的P0.4～P0.7分别对应4个从微处理器P口的P0.0，如图3所示。主微处理器与4个从微处理器(微处理器1～4)之间通讯为全双工，速率最高为800kHz。

改进型的SPI串行通讯总线优良的性能保证了自动进样器的旋转机塔、样品盘、小滑车、注射推杆4个子系统的联动与实时性，实现了自动进样器系统工作效率与实时的要求。

4.3.3控制算法和控制软件

控制集中在主微处理器和各子系统的控制器中，包括：控制模式(二相步进电机和直流有刷电机)、电机的启停、正反转、提速和减速、高速与紧急制动及位置检测与精确定位等。主微处理器负责工作模式、工作方式、控制流程，子系统控制器实现具体运动控制。

4.4电机驱动器设计

在多轴、多模式伺服控制实验平台中，多轴是保证自动进样器4轴电机控制的基本要求，而多模式是针对步进电机与直流电机的两种驱动工作方式，力求在一个平台下实现两种电机的通用与兼容应用。

4.4.1基本设计

目前最广泛使用的H型全桥式电路，H桥电路作为驱动器的功率驱动电路。由于功率MOSFET是压控元件，具有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特点，满足高速开关动作需求。设计中采用L6205芯片作为驱动器核心，L6205芯片是双H桥单电源-电压控制，功耗小，单路最大驱动电流2.8A，一片L6205可以满足一个二相步进电机或两个直流有刷电机驱动。设计中使用4片L6205实现4轴2相步进电机或8轴直流有刷电机的运动控制，如图2所示。单只电机最大功耗控制在1A以下，电机驱动电源通过外接24V电源实现。

设计中采用L6205芯片，该芯片具有双H桥结构、单电源/电压控制、功耗小和驱动输出电流大等特点[26-29]。单片L6205可实现一个二相步进电机或两个直流有刷电机驱动。4片L6205芯片则可挂载4个二相步进电机或8个直流有刷电机的驱动，单路最大驱动电流2.8A。

由于H桥由大功率N沟道增强型场效应管构成，不能由电机逻辑控制信号直接驱动，必须经驱动信号放大电路和电荷泵电路对控制信号进行放大，设计中采用电荷泵升压技术将24 V升压至48V，然后驱动H桥功率驱动电路来驱动直流电机。

在二相步进电机或直流有刷电机的多模式方式中，通过平台设置步进电机或直流有刷电机的模式设置，并简单通过控制模块中的跳线端子来实现，如图3所示。

图3　多轴多模式伺服控制系统平台

4.4.2PWM控制技术

脉冲宽度调制以其控制简单、灵活和动态响应好等优点，被广泛应用于测量、通信、功率控制等诸多领域。

设计中针对直流有刷电机和二相步进电机的应用，采用单极性高频的PWM(最高20kHz)。对于直流有刷电机采用定频调宽法(恒频占空比可调)[30-32]，而步进电机采用调频调宽法。其控制方法与控制电路都比较简单，不再赘述。

4.4.3隔离技术

为减少驱动控制电路对外部控制电路的干扰，设计中在ATMEL AT89S52控制器MCU和电机驱动器L6205芯片之间用P314光电耦合器实现电气隔离。

控制算法和控制策略集中在各子系统的控制器中，控制包括：直流有刷电机和步进电机的启停、正反转、提速和减速、高速与紧急制动及位置检测与修正等。

4.5电机与传感器电路设计

鉴于自动进样器整体要求，在考虑扭矩、转速、功率、绕组电感数值(直流电机)、相数、峰值电流(步进电机)及尺寸等因素的情况下，直流有刷电机采用ZGX45RGG162，步进电机为20BYG。

光电编码器用来实现对电机转速的编码，它将测得的角位移转换为脉冲形式的数字信号输出。一般光电编码盘分为绝对式光电编码盘和增量式光电编码器，设计中选择了增量型500线光电编码器，编码器输出脉冲信号经异或门电路2分频后，经“与门”电路整形连接到子系统微处理器的P1.0(T2)计时器口。每个脉冲所对应的进样器上的标度，理论上计算可达到0.01mm。霍尔开关器件通过上拉电阻连接到P3.3口，见图3。设计中采用光电编码器+霍尔开关器件组合构成的多级联合定位技术[33，34]，最大地消除了累积误差，使系统的定位精度和抗干扰能力大为提高，有效地解决了初始原点重复精确定位和极限安全保护的双重功能。

在系统平台中，简单调整控制驱动模块中的跳线端子，并通过PC端操作界面设置即可实现二相步进电机或直流有刷电机模式的选择。

系统模块的总电源采用单24V直流供电，主电源为+5V供电，由7805芯片及电路完成转换。

辅助电路由光电编码器输出脉冲整形接收电路、霍尔传感器接收电路、H桥电荷泵升压电路、RS232电平转换电路及仪器同步信号触发电路组成。

4.6机械设计

机械结构主要由基本外形组件(样品盘、机塔、机座)、结构件、齿轮减速器和运动丝杠等组成。

在整个方案中始终遵循一个基本原则，就是力求兼容与互换，因此，设计中直流有刷电机、二相步进电机、编码器和霍尔开关器件采用统一规格和型号，以利于兼容和互换，实现简单制造和降低维护成本。

5　系统软件与算法

软件与算法也是本设计中十分重要的环节，是关键所在。自动进样器的控制软件由三个基本部分组成：上位机PC端的集中控制与管理、下位机(控制驱动模块)流程的规划与调度以及基本动作的控制。具体为实现两种自动进样器的工作流程控制、模式与方式、多轴与联动控制、平稳移动与精确定位、高速运行与紧急制动等动作的控制，并配合硬件实现系统整体的高可靠、高效率、高性能的要求，限于篇幅限制，这里只作一些基本的描述。

5.1“共性”与“个性”设计

标准型110个样品位与平台型40个样品位的自动进样器“共性”与“个性”(不同物理结构的进样器)的软件设计，其“共性”部分采用复用方法，而“个性”部分则独立实现。因此，在控制系统平台PC端操作软件中设计了步进电机和直流电机的工作模式，以及110个样品位与平台型40个样品位的工作方式。

5.2控制与算法

本设计中在基本的PID算法基础上，对算法进行了改进和变形，以满足工作需求。如基于动态预测和模糊控制的方法实现精准的重复定位与进样过程的高速制动。根据流程控制的不同，又有多种算法，例如，多模式控制、快速样品寻位、多轴联动等以运筹原理的优化控制算法，静态和动态补偿校正控制算法等。

具体控制算法和控制策略集中在各子系统的控制器中，包括：直流电机或步进电机的启停、正反转、提速和减速、高速与紧急制动及位置检测与校正。

通过模型算法有效地解决了自动进样器的面积和峰高的重复性、样品梯度、最小进样量以及系统稳定性与可靠性等关键技术问题。

6　实验与结论

6.1应用实验考核

通过与气相色谱仪联机的实际进样，对标准型110个样品位和平台型40个样品位自动进样器进行了测试与评估。

经上海市环境保护产品质量监督检验总站、国家分析仪器质量监督检验中心和国家“十一五”科技支撑计划课题测试专家组现场测试结果如下：

图4　标准型110样品位自动进样器与GC-128色谱仪联用

图5　平台型40样品位自动进样器与SP-2020色谱仪联用

标准型110个样品位自动进样器与上海精科公司GC-128色谱仪联用，如图4所示，分别做了对10个扇区的每个扇区取一个样品位重复3次和顺序连续6次进样的实验测试；平台型40个样品位与北分瑞利SP-2020色谱仪联用，如图5所示，做了1到40个样品位走对角线重复3次和顺序连续6次进样的实验，实验测试结果为：110个样品位和平台型40个样品位的面积重复性RSD(相对标准偏差)分别为1.5%和1.1%，0.1μL、0.3μL、0.7μL和0.9μL的进样梯度为0.99[35，36]，满足应用要求。在连续12小时的稳定性测试中，未出现死机、弯针等现象，在长达2周的连续运行评估测试中，均定位准确、运行安全可靠。

6.2结论

系统通过优化与再设计最终定型为4轴直流有刷电机X-Y-Z三个自由度的4轴运动系统，并成功地研发出了嵌入式一体化4轴直流有刷电机控制驱动模块(运动控制电路、驱动电路、光电隔离电路、检测接收电路与辅助电路)，模块尺寸为：71mm×65mm×30mm。采用单一24V直流供电，功耗小于10W，配置RS-232通讯接口。两种自动进样器的硬件成本(嵌入式一体化控制驱动模块、直流有刷电机、编码器和霍尔开关器件)约2000元左右(机械部分除外)，有很高的性价比。

设计获得了成功，实现了一体控制驱动模块、4个电机、编码器和霍尔开关器件在两种机型上的兼容与互换，使得研发设计与维护大为简化。两种自动进样器功能与性能的测试满足了课题指标的要求，并通过国家验收[36]。项目的研究成果为分析仪器的研发与制造提供了一种新的思路与途径。

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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

国家“十一五”科技支撑计划项目：科学仪器设备与开发(2006BAK03A04)

陈莲，女，1962年出生，硕士，副教授，主要研究领域为计算机技术、分析仪器，E-mail:：cupl_cl@126.com。

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

2016-04-12