SSC-LINAC离子源气阀控制系统设计

常建军，刘小军，顾可伟，岳 敏

（中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000）

目前，中国科学院近代物理研究所拥有超导离子源（SECRAL）、常规离子源、全永磁ECR 离子源等众多离子源。在这些既有的离子源基础上，该所利用蒸发冷却技术，并结合其他ECR 离子源的最新关键技术，研制成功了世界上第一台利用蒸发冷却技术的常温ECR 离子源LECR4（SSC-LINAC离子源）。

许多元素组成的单质在自然界中以气态形式存在，使用时一般都将其存放在储气瓶中，在调束时经由气阀送入弧腔，在经过微波作用后方可获得这类元素离子，因此离子源的气阀是非常关键的工作气体控制组件。气阀通常被置于离子源高压端，且其开度对离子源真空度、电离效率、离子源稳定性均有影响，其控制精度、可靠性要求必然很高，因此必须为蒸发冷却ECR离子源的气阀设计精度高、可靠性好的伺服控制系统；另外为了与整个SSC-LINAC大控制系统一致以及满足组件调试、运行、维护的需要，该系统是基于EPICS设计的。

1 系统设计

中国科学院近代物理研究所现有的离子源均采用PLC与伺服电机实现离子源气阀开度的控制，但其经济性较差（对于气阀控制这种应用场合电机数量较少），且在实现复杂功能时，需额外加装各种I／O 模块［1］（如通讯模块、编码器模块、I／O 模块等），这又使得系统结构变得过于复杂；PLC 软件开放性较差，在大系统集成时使得系统集成困难（如基于EPICS的加速器控制系统）；PLC 内部系统刷新时间较长使得其响应速度较慢。

为了保证SSC-LINAC离子源气阀控制装置的高可靠性，提高其控制精度，降低响应时间，获取气阀开度精准位置（调束人员为了调束方便，需要获得气阀开度的绝对值），在进行系统结构设计时借鉴了高精度机电控制系统的结构［2］为SSC-LINAC离子源气阀设计了全数字伺服系统，该系统很方便地集成到了基于EPICS的SSC-LINAC 大控制系统内，其结构如图1所示。

图1 SSC-LINAC离子源气阀控制系统Fig.1 Gas valve control system of SSC-LINAC ion source

该控制系统中作为OPI 的计算机经由LAN 及交换机与作为IOC 的工业计算机（IPC）相连，传输介质采用六类线。

1.1 硬件结构

作为IOC 的IPC 内安装研华的PCI-1245运动控制卡，该运动控制卡内嵌高性能DSP与SoftMotion算法［3］，能实现运动轨迹与时间精确控制，PCI-1245支持相对与绝对运动模式，选择绝对运动模式后PCI-1245可向伺服电机驱动器输出四路差分的CW／CCW 信号指令、伺服开启信号、驱动器复位信号等并接收外部紧急停止信号、驱动器故障输出信号等。另外，由于伺服电机驱动器采用RS422接口输出气阀开度精准位置，而IPC 内置的是RS232 接口，使用了ADAM-4520 模块完成RS422 到RS232的转换，最终气阀开度精准位置被输入到IPC内。

伺服电机选用的是HF-KP13B，该电机额定输出功率为100W，最大转矩为0.95N·m，主轴上安装了18位的绝对值编码器（分辨率为262 144 脉 冲／转）［4］；与 之 对 应 的 驱 动 器 是MR-J3-100A，MR-J3-100A 使用最大1 MHz的高速脉冲串对电机的转动速度／方向进行控制，可执行18位分辨率的高精度定位，具备位置平滑功能和精准位置检测功能，整个控制系统硬件结构如图2所示。

图2 气阀控制系统硬件结构Fig.2 Hardware structure of gas valve control system

1.2 软件结构

OPI采用跨平台工具CSS［5］开发，如图3所 示。IOC 采 用EPICS base-3.14.12［6-8］与asyn4-21［9］开发，内部运行5 个记录：SL：IS：Valve、SL：IS：Valve：MainGas、SL：IS：Valve：AuxGas、asyn：RS232＿MainGas、asyn：RS232＿AuxGas。其中：记录asyn：RS232＿MainGas与asyn：RS232＿AuxGas为被动执行，其通过异步机制分别读取来自IPC 串口RS232的工作气体与辅助气体气阀开度精准位置原始数据（二进制数）；记录SL：IS：Valve：MainGas与SL：IS：Valve：AuxGas为定时（0.1s）执行，主要完成数据处理，并分别触发asyn：RS232＿MainGas与asyn：RS232＿AuxGas 的被动执行；记录SL：IS：Valve为被动执行，其记录支持通过调用运动控制卡驱动API函数控制伺服电机运转进而完成气阀开度的调节及响应来自OPI的请求。

图3 CSS开发的OPIFig.3 Operator interface based on CSS

2 现场运行结果

图4 原点设定结果Fig.4 Result of origin set

现场运行结果如图4、5所示。本文设计的气阀控制系统有效支撑了SSC-LINAC 离子源的运行，成功实现了气阀开度的精准位置获取，集成在EPICS框架下运行稳定可靠，原点定位误差小于0.01°（图4），控制精度高于0.3°（图5），响应迅速，基于CSS 开发的OPI操作界面操作简单有效，运行稳定可靠。

图5 给定为8.3°时的结果Fig.5 Result under output of 8.3°

［1］ TAKAGI M，KAMIKUBOTA N，KIYOMICHI A，et al.Control of the J-PARC slow extraction line based on embedded EPICS［C］∥Proceedings of ICALEPCS2009.［S.l.］：［s.n.］：2009：549-551.

［2］ Power clipper.［2014-04-17］.http：∥www.deltatau-china.com／html／Power／2437.html.

［3］ PCI-1245／1265系列用户手册［M］.台湾：研华科技，2013.

［4］ 三菱伺服放大器&电机选型手册［M］.日本：三菱电机，2013.

［5］ CCS home［OL］.［S.l.］：［s.n.］，2014.http：∥css.desy.de／content／index＿eng.html.

［6］ KRAIMER M R，ANDERSON J B，JOHNSON A N，et al.EPICS application developer's guide［M］.［S.l.］：［s.n.］，2012.

［7］EPICS base release 3.14.12［OL］.［S.l.］：［s.n.］，2014.http：∥www.aps.anl.gov／epics／base／R3-14／12.php.

［8］ STANLEY P，ANDERSON J.EPICS 3-14record reference manual［M／OL］.［S.l.］：［s.n.］，2013.https：∥wiki-ext.aps.anl.gov／epics／index.php／RRM＿3-14

［9］ RIVERS M，KRAIMER M，NORUM E，et al.asyn：An interface between EPICS drivers and device support［M］.［S.l.］：［s.n.］，2014.