光操縱波束

鉆石光源(www。diamond。ac。uk)是目前正在SouthOxfordshire建造的新型科研設(shè)備，建成后它將包括多達(dá)40個(gè)一流的研究站。同步加速器是圓形的，采用了一組被稱作內(nèi)置裝置的磁鐵陣列，它能提供明亮的同步光束。在機(jī)器周圍有一系列被稱為光束站的研究實(shí)驗(yàn)室，在這里科學(xué)家可以獨(dú)立地利用機(jī)器產(chǎn)生的光進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)。

運(yùn)動(dòng)控制的角色

同步加速器目前能產(chǎn)生最明亮的光，運(yùn)動(dòng)控制對(duì)它來(lái)說(shuō)是一個(gè)關(guān)鍵，因?yàn)檫@涉及到一系列問(wèn)題，包括電機(jī)技術(shù)、磁鐵以及光學(xué)系統(tǒng)，它們控制電子繞直徑為半公里的圓旋轉(zhuǎn)，并在電子旋轉(zhuǎn)時(shí)俘獲光子。該過(guò)程要求精確和可重復(fù)的亞微米定位。由于距離的原因，現(xiàn)場(chǎng)總線速度是一個(gè)至關(guān)緊要的因素。

該項(xiàng)目用了DeltaTau公司(www。deltatau。com)的機(jī)械控制器和MACRORing現(xiàn)場(chǎng)總線。該方案提供高速的分布式控制和集中控制以及一個(gè)獨(dú)特接口，該接口連接到EPIC前端，這個(gè)前端是科學(xué)家進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的軟件環(huán)境。這個(gè)軟件平臺(tái)通過(guò)一個(gè)通用的軟件接口控制各種設(shè)備，該接口包括DeltaTau運(yùn)動(dòng)控制接口，研究人員可以通過(guò)它改變光束的波形、外形并對(duì)光束進(jìn)行修正，最后得到特定實(shí)驗(yàn)需要的合適光型。

這個(gè)新型的同步加速器提高了光源的亮度，有助于生物、物理以及環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)家的研究工作。一個(gè)例子是可更快地測(cè)定蛋白質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，這對(duì)于了解Alzheimer氏病患者和癌癥患者的身體狀況非常重要，對(duì)于新藥物和新療法的研發(fā)同樣重要。

光束線塑形

同步加速器是一種粒子加速器，它將電子加速到接近光速并通過(guò)磁場(chǎng)使電子束偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生超強(qiáng)的緊聚焦光束。電子束繞一個(gè)儲(chǔ)存環(huán)周圍的圓形軌道運(yùn)動(dòng)，該儲(chǔ)存環(huán)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)形似多納圈的真空室。當(dāng)電子束旋轉(zhuǎn)時(shí)，光子就產(chǎn)生了。產(chǎn)生的光－紅外線、紫外線以及X射線被直接從主儲(chǔ)存環(huán)通過(guò)光束（管）傳播到科學(xué)家進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的工作區(qū)域。

一個(gè)光束線站包括一個(gè)狹縫陣列、鏡頭以及晶體，它可以將光束轉(zhuǎn)換成各種波長(zhǎng)和強(qiáng)度以用于特定的科學(xué)技術(shù)。8個(gè)光束站目前正在逐漸完善，將來(lái)該鉆石光源將包括40個(gè)光束站，可以進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)。

各種電機(jī)技術(shù)

“運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)是系統(tǒng)涉及到各種電機(jī)/驅(qū)動(dòng)器技術(shù)，包括從簡(jiǎn)單的和非同步步進(jìn)控制到運(yùn)用逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)的多軸同步控制電機(jī)，”DeltaTau公司的工程師AndyJoslin說(shuō)，他曾經(jīng)為該項(xiàng)目做過(guò)大量工作。

一些電機(jī)被用來(lái)接收控制器發(fā)出的運(yùn)動(dòng)指令，它們中大多數(shù)是步進(jìn)電機(jī)，一些是直流、交流有刷電機(jī)，還有一些是壓電電機(jī)（用于精調(diào)）?？刂破髂軌蜻M(jìn)行混和電機(jī)控制，從而提供亞微米尺度的位移和角度位置控制。每種光束站都有不同的運(yùn)動(dòng)要求：通常一個(gè)光束站有60個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，而其中一個(gè)具有150個(gè)運(yùn)動(dòng)軸。

多數(shù)軸是分別控制的，但是當(dāng)夾持和操作樣本時(shí)就需要采用多軸插值。這些工具包括基于逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)（非笛卡兒坐標(biāo)系non-Cartesian）運(yùn)算的“史都華平臺(tái)（StewartPlatforms）”（用六軸運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行六軸定位的平臺(tái)）。DeltaTau公司的TurboPMAC運(yùn)動(dòng)控制器允許用戶自己寫入運(yùn)動(dòng)學(xué)程序，對(duì)于特定的裝置，這些程序也可以定制并實(shí)時(shí)自動(dòng)運(yùn)行程序，這樣所有后來(lái)的程序都可以按照提示位置的格式書(shū)寫，通常在笛卡兒坐標(biāo)系下。

目前第一個(gè)光束線站設(shè)備由OxfordDanfysik提供。該系統(tǒng)包括一個(gè)中心PMAC2-VME32軸控制器，它通過(guò)MACRO總線和一個(gè)全局運(yùn)動(dòng)及自動(dòng)化控制器聯(lián)網(wǎng)，從而提供分布式運(yùn)動(dòng)控制。

UMAC系統(tǒng)能夠訪問(wèn)各種運(yùn)動(dòng)控制板、I/O板以及通訊接口（USB、Ethernet等）。這些接口也可用于各種反饋式傳感器，或者同主機(jī)和外圍設(shè)備進(jìn)行通訊，它們非常靈活，能滿足每個(gè)光束站的需求。

項(xiàng)目規(guī)模

鉆石同步加速器是目前由英國(guó)政府提供基金的最大的科學(xué)設(shè)備，它將耗費(fèi)30年的時(shí)間修建。僅僅是第一期的八個(gè)光束線站就將包括500多個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)控制。

使扭矩最大化

由于能夠“在要求的速度下使扭矩最小化”，LinEngineering公司已經(jīng)成為步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域公認(rèn)的技術(shù)領(lǐng)袖。在功率輸入和電機(jī)尺寸的限制下，LinEngineering公司還設(shè)計(jì)出了一個(gè)在要求的運(yùn)轉(zhuǎn)速度下讓扭矩最大化的電機(jī)。LinEngineering公司可以為寶貴的客戶在高速運(yùn)轉(zhuǎn)和低速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下讓扭矩最大化。LinEngineering公司不但能夠在任何操作速度下讓扭矩最大化，該公司的電機(jī)還能夠在所有運(yùn)轉(zhuǎn)速度下提供最大扭矩效率。另一個(gè)選擇LinEngineering公司而不是其他廠商的原因是：它總能最快地為各種設(shè)備提供合適的電機(jī)。LinEngineering公司將幫你消除在選擇電機(jī)時(shí)的舉棋不定，你不用從LinEngineering公司買好幾個(gè)電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)比較來(lái)選擇合適的電機(jī)，你可以直接從LinEngineering買到合適的電機(jī)，這也可以幫助用戶在更低的成本下更快地將它們的產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

鉆石光源是第三代3千兆電子伏的同步光源。它將采用所謂的內(nèi)置裝置的磁鐵陣列來(lái)產(chǎn)生超強(qiáng)的窄電磁光束供科學(xué)實(shí)驗(yàn)使用。

鉆石光同步設(shè)備需要各軸緊密協(xié)調(diào)，這種運(yùn)動(dòng)控制方式能夠提供保證精確協(xié)調(diào)所需的同步裝置。只要是多軸同步運(yùn)動(dòng)，不論運(yùn)動(dòng)是否協(xié)調(diào)，都存在許多潛在的問(wèn)題。例如當(dāng)一個(gè)軸出故障時(shí)，UMAC控制器能夠控制這些問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兡軌蚣皶r(shí)收到情報(bào)并防止裝置被破壞。

為了同時(shí)利用分布式系統(tǒng)的硬件優(yōu)勢(shì)并保持集中型系統(tǒng)的軟件優(yōu)勢(shì)和性能，MACRORing采用了分布式接口電子元件和集中型控制軟件。多數(shù)計(jì)算都在同一個(gè)處理器內(nèi)進(jìn)行，以便于進(jìn)行快速、可靠和易于編碼的互動(dòng)。中央處理器則處理諸如循環(huán)性任務(wù)等高頻、硬性實(shí)時(shí)的任務(wù)，這些任務(wù)需要較寬的帶寬和可靠的通訊連接。

位于英國(guó)薩里的McLennanServoSupplies公司將運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)械組裝集成在一起。該系統(tǒng)采用微步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)在安裝到光束線站之前已被調(diào)到最高精度。McLennan公司的VicSawyer稱，“研究系統(tǒng)所有的變量例如共振、機(jī)械剛度等很重要，當(dāng)然在安裝前還要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。”

這里有一個(gè)實(shí)例是雙晶體單色系統(tǒng)的操作。針對(duì)具體要求，運(yùn)動(dòng)控制器會(huì)創(chuàng)建一個(gè)“虛軸”，以幫助兩個(gè)晶體根據(jù)對(duì)方的情況進(jìn)行定位。即使當(dāng)?shù)谝粋€(gè)晶體的位置使光束發(fā)生了偏轉(zhuǎn)時(shí)，光束也還是保持不變，例如當(dāng)用Bragg衍射對(duì)白色光實(shí)行單色過(guò)濾以用于探測(cè)時(shí)情況就是這樣。運(yùn)動(dòng)控制器把虛軸當(dāng)作理論軸，并計(jì)算出晶體的每個(gè)軸需要的實(shí)際運(yùn)動(dòng)。