CSNS微小角中子散射譜儀運動控制系統(tǒng)樣機

何泳成 肖松文 王廣源 金大鵬 張玉亮 吳 煊 薛康佳朱 鵬 王 林 左太森 程 賀

1（中國科學(xué)院高能物理研究所 北京100049）

2（散裂中子源科學(xué)中心 東莞523803）

3（中國科學(xué)院大學(xué) 北京100049）

中國散裂中子源（China Spallation Neutron Source，CSNS）是“十一五”國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目，是國際前沿的高科技、多學(xué)科應(yīng)用的大型研究平臺，它主要由1 臺80 MeV 負(fù)氫直線加速器、1 臺1.6 GeV快循環(huán)質(zhì)子同步加速器、2條束流輸運線、1個靶站、多臺譜儀和相應(yīng)的配套設(shè)施組成。負(fù)氫離子束由射頻四極加速器和漂移管直線加速器加速至80 MeV，經(jīng)剝離成質(zhì)子束注入快循環(huán)質(zhì)子同步加速器，加速至1.6 GeV 后引出轟擊鎢靶，釋放出中子，供用戶開展實驗研究［1-6］。

正在建設(shè)的CSNS 微小角中子散射（Very Small Angle Neutron Scattering，VSANS）譜儀是表征物質(zhì)特征結(jié)構(gòu)的有力工具。通過加載高低溫、高低壓、磁場等樣品環(huán)境，CSNS VSANS 譜儀可以充分利用中子的高穿透性、可進行襯度匹配測量等優(yōu)勢，在1 nm~1 μm 尺度范圍內(nèi)，獲取樣品內(nèi)部多尺度結(jié)構(gòu)隨外界條件改變而變化的信息，為基礎(chǔ)科研和工業(yè)應(yīng)用服務(wù)，解決許多重大的關(guān)系國計民生的科學(xué)問題［7］。CSNS VSANS 譜儀建成后，將成為世界上第二臺基于散裂中子源的VSANS 譜儀［8］。為了使CSNS VSANS 譜儀的運動部件滿足高重復(fù)定位精度的要求，設(shè)計了基于實驗物理及工業(yè)控制系統(tǒng)（Experimental Physics and Industrial Control System，EPICS）軟件架構(gòu)的運動控制系統(tǒng)方案，并搭建了相應(yīng)的運動控制系統(tǒng)樣機。本文對CSNS VSANS 譜儀運動控制系統(tǒng)的設(shè)計方案、樣機實現(xiàn)方法和樣機測試結(jié)果等進行了闡述。

1 系統(tǒng)簡介

CSNS VSANS 譜儀主要由中子導(dǎo)管、斬波器、準(zhǔn)直腔、常規(guī)準(zhǔn)直光闌、多狹縫準(zhǔn)直光闌、樣品臺、散射腔、高角探測器、中等角探測器和低角探測器等組成，其示意圖如圖1 所示。CSNS VSANS 譜儀運動控制系統(tǒng)的功能是對準(zhǔn)直腔、常規(guī)準(zhǔn)直光闌、多狹縫準(zhǔn)直光闌、樣品臺、散射腔等設(shè)備內(nèi)運動部件的位置進行精確控制。其中多狹縫準(zhǔn)直光闌為CSNS VSANS 譜儀最精密的部件，需要將12 個縫寬只有1 mm左右的多狹縫準(zhǔn)直光闌精確地排列在12.75 m的光路上，保證狹縫之間不會串光，樣品處的中子通量達到最大。目前多狹縫準(zhǔn)直光闌狹縫寬度的加工精度為±10 μm，利用激光準(zhǔn)直，能將12 個多狹縫準(zhǔn)直光闌水平偏差準(zhǔn)直到±5 μm［9］。為了保證每次12個多狹縫準(zhǔn)直光闌移入中子束，由多狹縫準(zhǔn)直光闌選擇的直通光強的起伏在±1%以內(nèi)，準(zhǔn)直腔內(nèi)所有多狹縫準(zhǔn)直光闌垂直于束線方向的水平運動需要達到±2 μm的重復(fù)定位精度。

圖1 CSNS VSANS譜儀示意圖Fig.1 Schematic diagram of the CSNS VSANS instrument

為了達到±2 μm 的高重復(fù)定位精度，CSNS VSANS 譜儀運動控制系統(tǒng)采用了全閉環(huán)的控制方案，如圖2 所示。通過Renishaw 絕對式光柵實時反饋負(fù)載的當(dāng)前位置，在Beckhoff 控制器內(nèi)根據(jù)光柵反饋的當(dāng)前位置與目標(biāo)位置間的偏差經(jīng)相應(yīng)的算法運算后向步進電機驅(qū)動器發(fā)送指令，驅(qū)動步進電機及負(fù)載做相應(yīng)的運動，從而使當(dāng)前位置與目標(biāo)位置間的偏差控制在允許的精度范圍內(nèi)。

圖2 CSNS VSANS譜儀運動控制系統(tǒng)的全閉環(huán)控制方案Fig.2 The full closed loop control scheme of the motion control system for CSNS VSANS instrument

2 系統(tǒng)設(shè)計

CSNS 譜儀控制系統(tǒng)是基于分布式實時控制軟件EPICS架構(gòu)搭建的。EPICS是用于搭建粒子加速器等大型科學(xué)裝置控制系統(tǒng)的主流軟件工具集［10-12］。因此，為了便于實現(xiàn)統(tǒng)一的報警信息發(fā)布、歷史數(shù)據(jù)存儲和查詢等功能，CSNS VSANS 譜儀運動控制系統(tǒng)也基于EPICS 架構(gòu)搭建，且作為一個子系統(tǒng)納入CSNS譜儀控制系統(tǒng)。

CSNS VSANS譜儀運動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，可分為3 個層次：操作員接口層、輸入輸出控制層和設(shè)備控制層。操作員接口層主要由控制臺的PC 機組成，用于運行人機交互界面，顯示各設(shè)備的運行狀態(tài)，并提供對設(shè)備進行操作的接口。輸入輸出控制層主要由Beckhoff 控制器及相應(yīng)的EtherCAT端子模塊組成，用于運行TwinCAT PLC及TwinCAT NC軟件，實現(xiàn)對負(fù)載位置的全閉環(huán)控制。同時在Beckhoff 控制器中運行EPICS IOC 程序，使VSANS譜儀運動控制系統(tǒng)形成一個整體，并納入基于EPICS的譜儀控制系統(tǒng)中。設(shè)備控制層主要由電機和光柵等組成，用于驅(qū)動負(fù)載運動，并反饋負(fù)載的當(dāng)前位置。

圖3 CSNS VSANS譜儀運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structural diagram of the motion control system for CSNS VSANS instrument

3 樣機實現(xiàn)

為了驗證高重復(fù)定位精度的運動控制系統(tǒng)方案，設(shè)計了用于搭建運動控制系統(tǒng)樣機的平移臺，如圖4 所示。該平移臺總行程約60 mm，選用高精度滾珠絲桿驅(qū)動，無反向間隙，絲桿導(dǎo)程為4 mm，電機采用兩相步進電機，步距角為1.8°，步進電機驅(qū)動器電子細(xì)分?jǐn)?shù)為64，因此平移臺的最小步進值可用式（1）表示：

圖4 CSNS VSANS譜儀運動控制系統(tǒng)樣機平移臺Fig.4 Photographic of the displacement platform of prototype motion control system for CSNS VSANS instrument

式中：E為步進電機步距角；Ph 為絲桿導(dǎo)程；A為驅(qū)動器電子細(xì)分?jǐn)?shù)。由式（1）可知，平移臺驅(qū)動機構(gòu)滿足±2 μm重復(fù)定位精度的要求。

平移臺的當(dāng)前位置通過絕對式光柵進行反饋。用于驅(qū)動步進電機、采集絕對式光柵數(shù)據(jù)，并對平移臺的位置實現(xiàn)全閉環(huán)控制的Beckhoff嵌入式控制器及EtherCAT端子模塊如圖5所示。Beckhoff嵌入式控制器與EtherCAT 端子模塊通過EtherCAT 協(xié)議通訊。

圖5 Beckhoff嵌入式控制器及EtherCAT端子模塊Fig.5 Photographic of Beckhoff embedded controller and EtherCAT terminals

3.1 步進電機及其驅(qū)動模塊

考慮到CSNS VSANS 譜儀的部分電機需要放置在真空環(huán)境中，所以運動控制系統(tǒng)樣機使用的電機為AML D42.3兩相真空步進電機。

為了提高可靠性及抗干擾能力、增強故障診斷功能、同時簡化接線并節(jié)省空間，使用BeckhoffEL7031 EtherCAT 端子模塊驅(qū)動D42.3 兩相真空步進電機。EL7031 為采用緊湊型驅(qū)動技術(shù)的EtherCAT端子模塊，其主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 EL7031的主要參數(shù)設(shè)置Table 1 The main parameter settings of EL7031

3.2 位置反饋

為了保證高精度和高穩(wěn)定性，運動控制系統(tǒng)樣機使用Renishaw RESOLUTE 絕對式光柵進行位置反饋，該光柵的主要信息如表2 所示。由于BiSS-C串行通信接口具有開放性、高速性等優(yōu)點，且在組網(wǎng)方式和延遲補償方面較其他接口具有領(lǐng)先優(yōu)勢，因此該光柵選用BiSS-C串行通信接口［13］。

表2 絕對式光柵的主要信息Table 2 The main information of the absolute optical encoder

在確定選用BiSS-C 串行通信接口后，使用Beckhoff EL5042 EtherCAT 端子模塊與該光柵通信，獲取平移臺的位置數(shù)據(jù)。EL5042 為雙通道BiSS-C接口EtherCAT端子模塊，其主要參數(shù)設(shè)置如表3 所示。設(shè)置好EL5042 內(nèi)的參數(shù)后，即可通過EtherCAT 總線將Renishaw 絕對式光柵的數(shù)據(jù)采集到Beckhoff 嵌入式控制器中。

表3 EL5042的主要參數(shù)設(shè)置Table 3 The main parameter settings of EL5042

3.3 全閉環(huán)控制

為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時滿足高性價比的要求，選用低功耗、無風(fēng)扇的Beckhoff CX5120嵌入式控制器實現(xiàn)全閉環(huán)控制。CX5120是Beckhoff CX5100 系 列DIN（Deutschen Industrie Normen）導(dǎo)軌安裝式嵌入式控制器的一種，該系列控制器是針對PLC（Programmable Logic Controller）和運動控制應(yīng)用的高性價比產(chǎn)品，有CX5120、CX5130 和CX5140 三種類型可選。CX5120 有一個時鐘頻率為1.46 GHz 的Intel Atom 單核處理器、兩個獨立的千兆以太網(wǎng)接口，完全能滿足樣機需求。

在 CX5120 中 運 行 的 TwinCAT PLC 及TwinCAT NC（Numeral Control）軟件與硬件間的關(guān)系如圖6所示。在TwinCAT PLC中定義的軸變量稱為PLC 軸，而在TwinCAT NC 中配置的軸變量稱為NC 軸，EL7031 和EL5042 等硬件則稱為物理軸。PLC軸不直接控制物理軸，而是發(fā)指令給NC軸，NC軸經(jīng)過換算后再發(fā)指令給物理軸。由于使用NC軸，Beckhoff 控制器與其他傳統(tǒng)運動控制器相比具有更強的適應(yīng)能力，不同的物理軸硬件可以使用相同的PLC 程序。同時，NC 軸中內(nèi)置了多種可供選擇的NC 控制器，集成了PID（Proportion Integration Differentiation）等算法，因此，只需在NC軸中進行相關(guān)的參數(shù)設(shè)置，即可實現(xiàn)全閉環(huán)控制功能。

圖6 TwinCAT PLC及TwinCAT NC軟件與硬件間的關(guān)系Fig.6 Relationship between the TwinCAT PLC and TwinCAT NC software and the hardware

CSNS VSANS譜儀運動控制系統(tǒng)樣機的NC軸選用帶兩個P 常數(shù)的PID 位置控制器，其主要參數(shù)設(shè)置如表4所示。其中，Kν（靜止）和Kν（運動）分別指靜止和運動時的位置環(huán)比例值，即1 mm的跟隨誤 差產(chǎn)生的速度變化（mm·s-1·mm-1）。

表4 NC軸的主要參數(shù)設(shè)置Table 4 The main parameter settings of NC Axis

3.4 EPICS IOC及OPI程序

在CX5120嵌入式控制器中啟動TwinCAT OPC Server，并運行Windows 版本的EPICS IOC 及OPC Gateway 驅(qū)動程序，使EPICS IOC 可通過OPC 標(biāo)準(zhǔn)讀寫TwinCAT OPC Server中的數(shù)據(jù)［14］。EPICS IOC與TwinCAT OPC Server 間的通信原理如圖7 所示，運行OPC Gateway 驅(qū)動程序后，EPICS IOC 可看作OPC 客戶端，通過OPC 客戶端/服務(wù)器模式與TwinCAT OPC Server 通信，從而將運動控制系統(tǒng)樣機中的數(shù)據(jù)發(fā)布為EPICS PV。

圖7 EPICS IOC與TwinCAT OPC Server間的通信原理Fig.7 Principle of communication between EPICS IOC and TwinCAT OPC Server

使用Control System Studio（CSS）BOY（Best OPI Yet）開發(fā)的運動控制系統(tǒng)樣機OPI（Operator Interface）如圖8 所示，其顯示了樣機的運行狀態(tài)（Status）、目標(biāo)位置（SetPos）、當(dāng)前位置（ActPos）、使能開關(guān)（power ON/OFF）、運動開關(guān)（move_a ON/OFF）等參數(shù)狀態(tài)和操作按鈕。

圖8 CSNS VSANS譜儀運動控制系統(tǒng)樣機OPIFig.8 The operator interface of the prototype motion control system for CSNS VSANS instrument

4 樣機測試

4.1 重復(fù)定位精度測試

在完成運動控制系統(tǒng)樣機的搭建和調(diào)試后，在空調(diào)溫度設(shè)定為26 ℃的實驗室中，通過查看OPI的方式對其重復(fù)定位精度進行了測試。測試結(jié)果表明：OPI 上目標(biāo)位置與當(dāng)前位置間的偏差能穩(wěn)定在NC 軸設(shè)置的死區(qū)位置偏差（±0.1 μm，見表4）以內(nèi)，結(jié)合表2中絕對式光柵的精度和熱膨脹系數(shù)等主要信息可知，CSNS VSANS 譜儀運動控制系統(tǒng)樣機達到了±2 μm以內(nèi)的高重復(fù)定位精度。

為了獲得更可靠的測試數(shù)據(jù)，由第三方機構(gòu)使用中圖儀器SJ6000 激光干涉儀對基于該運動控制系統(tǒng)方案研制的多狹縫工程樣機的重復(fù)定位精度進行了測試，如圖9 所示。在多狹縫工程樣機的行程范圍內(nèi)每隔55 mm取1 個定位點，共取5 個定位點，通過運動控制系統(tǒng)使樣機往返運動5 次，并使用激光干涉儀測量每個定位點處的正、反向定位偏差，獲得了5 組數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)計算結(jié)果可知，多狹縫工程樣機的重復(fù)定位精度優(yōu)于±2 μm，如表5所示。

表5 多狹縫工程樣機的定位偏差Table 5 Position deviation of multi-slit engineering prototype

圖9 使用激光干涉儀進行重復(fù)定位精度測試Fig.9 Testing the repeat positioning accuracy with laser interferometer

4.2 穩(wěn)定可靠性測試

通過長時間使用的方式對CSNS VSANS 譜儀運動控制系統(tǒng)樣機的穩(wěn)定可靠性進行了測試。自2019年11月完成調(diào)試并投入使用以來，該樣機已穩(wěn)定使用超過兩年，證明該運動控制系統(tǒng)方案具有穩(wěn)定可靠性高的特點。

5 結(jié)語

針對CSNS VSANS 譜儀對運動部件的重復(fù)定位精度要求高的特點，設(shè)計了基于EPICS 軟件架構(gòu)的運動控制系統(tǒng)方案；在此基礎(chǔ)上搭建了相應(yīng)的運動控制系統(tǒng)樣機，并對該樣機進行了測試。測試結(jié)果表明，CSNS VSANS 譜儀運動控制系統(tǒng)樣機的重復(fù)定位精度優(yōu)于±2 μm，且該運動控制系統(tǒng)方案具有穩(wěn)定可靠性高的特點。

通過搭建CSNS VSANS 譜儀運動控制系統(tǒng)樣機，不僅驗證了高重復(fù)定位精度的運動控制系統(tǒng)方案，也為完成整套CSNS VSANS譜儀運動控制系統(tǒng)的搭建和調(diào)試打下了堅實的基礎(chǔ)。同時，由于Beckhoff 控制器的軟件體系具有非常強的適應(yīng)能力，物理軸硬件的互換性較強，所以本樣機的全閉環(huán)控制方案也可為其他設(shè)備的運控控制提供參考。

因為CSNS VSANS譜儀現(xiàn)場設(shè)備種類繁多、環(huán)境復(fù)雜，且有一定的電離輻射劑量，所以需要通過強弱電分離、使用優(yōu)質(zhì)屏蔽雙絞電纜、做好接地處理及增加輻射屏蔽罩等措施，減少干擾對現(xiàn)場運動控制系統(tǒng)的影響。此外，由于絕對式光柵有一定的熱膨脹系數(shù)，所以為了減小由于溫度變化引起的定位偏差，需要盡可能地保持現(xiàn)場溫度恒定。

作者貢獻聲明何泳成、肖松文、王廣源：負(fù)責(zé)系統(tǒng)方案設(shè)計、樣機搭建、樣機測試及論文撰寫；吳煊、薛康佳、朱鵬、王林、左太森：負(fù)責(zé)技術(shù)或材料支持；金大鵬、張玉亮、程賀：負(fù)責(zé)指導(dǎo)、論文修改及支持性貢獻。