CSNS微小角中子散射谱仪运动控制系统样机

何泳成 肖松文 王广源 金大鹏 张玉亮 吴 煊 薛康佳朱 鹏 王 林 左太森 程 贺

1（中国科学院高能物理研究所 北京100049）

2（散裂中子源科学中心 东莞523803）

3（中国科学院大学 北京100049）

中国散裂中子源（China Spallation Neutron Source，CSNS）是“十一五”国家重大科技基础设施项目，是国际前沿的高科技、多学科应用的大型研究平台，它主要由1 台80 MeV 负氢直线加速器、1 台1.6 GeV快循环质子同步加速器、2条束流输运线、1个靶站、多台谱仪和相应的配套设施组成。负氢离子束由射频四极加速器和漂移管直线加速器加速至80 MeV，经剥离成质子束注入快循环质子同步加速器，加速至1.6 GeV 后引出轰击钨靶，释放出中子，供用户开展实验研究［1-6］。

正在建设的CSNS 微小角中子散射（Very Small Angle Neutron Scattering，VSANS）谱仪是表征物质特征结构的有力工具。通过加载高低温、高低压、磁场等样品环境，CSNS VSANS 谱仪可以充分利用中子的高穿透性、可进行衬度匹配测量等优势，在1 nm~1 μm 尺度范围内，获取样品内部多尺度结构随外界条件改变而变化的信息，为基础科研和工业应用服务，解决许多重大的关系国计民生的科学问题［7］。CSNS VSANS 谱仪建成后，将成为世界上第二台基于散裂中子源的VSANS 谱仪［8］。为了使CSNS VSANS 谱仪的运动部件满足高重复定位精度的要求，设计了基于实验物理及工业控制系统（Experimental Physics and Industrial Control System，EPICS）软件架构的运动控制系统方案，并搭建了相应的运动控制系统样机。本文对CSNS VSANS 谱仪运动控制系统的设计方案、样机实现方法和样机测试结果等进行了阐述。

1 系统简介

CSNS VSANS 谱仪主要由中子导管、斩波器、准直腔、常规准直光阑、多狭缝准直光阑、样品台、散射腔、高角探测器、中等角探测器和低角探测器等组成，其示意图如图1 所示。CSNS VSANS 谱仪运动控制系统的功能是对准直腔、常规准直光阑、多狭缝准直光阑、样品台、散射腔等设备内运动部件的位置进行精确控制。其中多狭缝准直光阑为CSNS VSANS 谱仪最精密的部件，需要将12 个缝宽只有1 mm左右的多狭缝准直光阑精确地排列在12.75 m的光路上，保证狭缝之间不会串光，样品处的中子通量达到最大。目前多狭缝准直光阑狭缝宽度的加工精度为±10 μm，利用激光准直，能将12 个多狭缝准直光阑水平偏差准直到±5 μm［9］。为了保证每次12个多狭缝准直光阑移入中子束，由多狭缝准直光阑选择的直通光强的起伏在±1%以内，准直腔内所有多狭缝准直光阑垂直于束线方向的水平运动需要达到±2 μm的重复定位精度。

图1 CSNS VSANS谱仪示意图Fig.1 Schematic diagram of the CSNS VSANS instrument

为了达到±2 μm 的高重复定位精度，CSNS VSANS 谱仪运动控制系统采用了全闭环的控制方案，如图2 所示。通过Renishaw 绝对式光栅实时反馈负载的当前位置，在Beckhoff 控制器内根据光栅反馈的当前位置与目标位置间的偏差经相应的算法运算后向步进电机驱动器发送指令，驱动步进电机及负载做相应的运动，从而使当前位置与目标位置间的偏差控制在允许的精度范围内。

图2 CSNS VSANS谱仪运动控制系统的全闭环控制方案Fig.2 The full closed loop control scheme of the motion control system for CSNS VSANS instrument

2 系统设计

CSNS 谱仪控制系统是基于分布式实时控制软件EPICS架构搭建的。EPICS是用于搭建粒子加速器等大型科学装置控制系统的主流软件工具集［10-12］。因此，为了便于实现统一的报警信息发布、历史数据存储和查询等功能，CSNS VSANS 谱仪运动控制系统也基于EPICS 架构搭建，且作为一个子系统纳入CSNS谱仪控制系统。

CSNS VSANS谱仪运动控制系统的结构如图3所示，可分为3 个层次：操作员接口层、输入输出控制层和设备控制层。操作员接口层主要由控制台的PC 机组成，用于运行人机交互界面，显示各设备的运行状态，并提供对设备进行操作的接口。输入输出控制层主要由Beckhoff 控制器及相应的EtherCAT端子模块组成，用于运行TwinCAT PLC及TwinCAT NC软件，实现对负载位置的全闭环控制。同时在Beckhoff 控制器中运行EPICS IOC 程序，使VSANS谱仪运动控制系统形成一个整体，并纳入基于EPICS的谱仪控制系统中。设备控制层主要由电机和光栅等组成，用于驱动负载运动，并反馈负载的当前位置。

图3 CSNS VSANS谱仪运动控制系统结构图Fig.3 The structural diagram of the motion control system for CSNS VSANS instrument

3 样机实现

为了验证高重复定位精度的运动控制系统方案，设计了用于搭建运动控制系统样机的平移台，如图4 所示。该平移台总行程约60 mm，选用高精度滚珠丝杆驱动，无反向间隙，丝杆导程为4 mm，电机采用两相步进电机，步距角为1.8°，步进电机驱动器电子细分数为64，因此平移台的最小步进值可用式（1）表示：

图4 CSNS VSANS谱仪运动控制系统样机平移台Fig.4 Photographic of the displacement platform of prototype motion control system for CSNS VSANS instrument

式中：E为步进电机步距角；Ph 为丝杆导程；A为驱动器电子细分数。由式（1）可知，平移台驱动机构满足±2 μm重复定位精度的要求。

平移台的当前位置通过绝对式光栅进行反馈。用于驱动步进电机、采集绝对式光栅数据，并对平移台的位置实现全闭环控制的Beckhoff嵌入式控制器及EtherCAT端子模块如图5所示。Beckhoff嵌入式控制器与EtherCAT 端子模块通过EtherCAT 协议通讯。

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

3.1 步进电机及其驱动模块

考虑到CSNS VSANS 谱仪的部分电机需要放置在真空环境中，所以运动控制系统样机使用的电机为AML D42.3两相真空步进电机。

为了提高可靠性及抗干扰能力、增强故障诊断功能、同时简化接线并节省空间，使用BeckhoffEL7031 EtherCAT 端子模块驱动D42.3 两相真空步进电机。EL7031 为采用紧凑型驱动技术的EtherCAT端子模块，其主要参数设置如表1所示。

表1 EL7031的主要参数设置Table 1 The main parameter settings of EL7031

3.2 位置反馈

为了保证高精度和高稳定性，运动控制系统样机使用Renishaw RESOLUTE 绝对式光栅进行位置反馈，该光栅的主要信息如表2 所示。由于BiSS-C串行通信接口具有开放性、高速性等优点，且在组网方式和延迟补偿方面较其他接口具有领先优势，因此该光栅选用BiSS-C串行通信接口［13］。

表2 绝对式光栅的主要信息Table 2 The main information of the absolute optical encoder

在确定选用BiSS-C 串行通信接口后，使用Beckhoff EL5042 EtherCAT 端子模块与该光栅通信，获取平移台的位置数据。EL5042 为双通道BiSS-C接口EtherCAT端子模块，其主要参数设置如表3 所示。设置好EL5042 内的参数后，即可通过EtherCAT 总线将Renishaw 绝对式光栅的数据采集到Beckhoff 嵌入式控制器中。

表3 EL5042的主要参数设置Table 3 The main parameter settings of EL5042

3.3 全闭环控制

为了保证系统的稳定性和可靠性，同时满足高性价比的要求，选用低功耗、无风扇的Beckhoff CX5120嵌入式控制器实现全闭环控制。CX5120是Beckhoff CX5100 系 列DIN（Deutschen Industrie Normen）导轨安装式嵌入式控制器的一种，该系列控制器是针对PLC（Programmable Logic Controller）和运动控制应用的高性价比产品，有CX5120、CX5130 和CX5140 三种类型可选。CX5120 有一个时钟频率为1.46 GHz 的Intel Atom 单核处理器、两个独立的千兆以太网接口，完全能满足样机需求。

在 CX5120 中 运 行 的 TwinCAT PLC 及TwinCAT NC（Numeral Control）软件与硬件间的关系如图6所示。在TwinCAT PLC中定义的轴变量称为PLC 轴，而在TwinCAT NC 中配置的轴变量称为NC 轴，EL7031 和EL5042 等硬件则称为物理轴。PLC轴不直接控制物理轴，而是发指令给NC轴，NC轴经过换算后再发指令给物理轴。由于使用NC轴，Beckhoff 控制器与其他传统运动控制器相比具有更强的适应能力，不同的物理轴硬件可以使用相同的PLC 程序。同时，NC 轴中内置了多种可供选择的NC 控制器，集成了PID（Proportion Integration Differentiation）等算法，因此，只需在NC轴中进行相关的参数设置，即可实现全闭环控制功能。

图6 TwinCAT PLC及TwinCAT NC软件与硬件间的关系Fig.6 Relationship between the TwinCAT PLC and TwinCAT NC software and the hardware

CSNS VSANS谱仪运动控制系统样机的NC轴选用带两个P 常数的PID 位置控制器，其主要参数设置如表4所示。其中，Kν（静止）和Kν（运动）分别指静止和运动时的位置环比例值，即1 mm的跟随误 差产生的速度变化（mm·s-1·mm-1）。

表4 NC轴的主要参数设置Table 4 The main parameter settings of NC Axis

3.4 EPICS IOC及OPI程序

在CX5120嵌入式控制器中启动TwinCAT OPC Server，并运行Windows 版本的EPICS IOC 及OPC Gateway 驱动程序，使EPICS IOC 可通过OPC 标准读写TwinCAT OPC Server中的数据［14］。EPICS IOC与TwinCAT OPC Server 间的通信原理如图7 所示，运行OPC Gateway 驱动程序后，EPICS IOC 可看作OPC 客户端，通过OPC 客户端/服务器模式与TwinCAT OPC Server 通信，从而将运动控制系统样机中的数据发布为EPICS PV。

图7 EPICS IOC与TwinCAT OPC Server间的通信原理Fig.7 Principle of communication between EPICS IOC and TwinCAT OPC Server

使用Control System Studio（CSS）BOY（Best OPI Yet）开发的运动控制系统样机OPI（Operator Interface）如图8 所示，其显示了样机的运行状态（Status）、目标位置（SetPos）、当前位置（ActPos）、使能开关（power ON/OFF）、运动开关（move_a ON/OFF）等参数状态和操作按钮。

图8 CSNS VSANS谱仪运动控制系统样机OPIFig.8 The operator interface of the prototype motion control system for CSNS VSANS instrument

4 样机测试

4.1 重复定位精度测试

在完成运动控制系统样机的搭建和调试后，在空调温度设定为26 ℃的实验室中，通过查看OPI的方式对其重复定位精度进行了测试。测试结果表明：OPI 上目标位置与当前位置间的偏差能稳定在NC 轴设置的死区位置偏差（±0.1 μm，见表4）以内，结合表2中绝对式光栅的精度和热膨胀系数等主要信息可知，CSNS VSANS 谱仪运动控制系统样机达到了±2 μm以内的高重复定位精度。

为了获得更可靠的测试数据，由第三方机构使用中图仪器SJ6000 激光干涉仪对基于该运动控制系统方案研制的多狭缝工程样机的重复定位精度进行了测试，如图9 所示。在多狭缝工程样机的行程范围内每隔55 mm取1 个定位点，共取5 个定位点，通过运动控制系统使样机往返运动5 次，并使用激光干涉仪测量每个定位点处的正、反向定位偏差，获得了5 组数据。通过数据计算结果可知，多狭缝工程样机的重复定位精度优于±2 μm，如表5所示。

表5 多狭缝工程样机的定位偏差Table 5 Position deviation of multi-slit engineering prototype

图9 使用激光干涉仪进行重复定位精度测试Fig.9 Testing the repeat positioning accuracy with laser interferometer

4.2 稳定可靠性测试

通过长时间使用的方式对CSNS VSANS 谱仪运动控制系统样机的稳定可靠性进行了测试。自2019年11月完成调试并投入使用以来，该样机已稳定使用超过两年，证明该运动控制系统方案具有稳定可靠性高的特点。

5 结语

针对CSNS VSANS 谱仪对运动部件的重复定位精度要求高的特点，设计了基于EPICS 软件架构的运动控制系统方案；在此基础上搭建了相应的运动控制系统样机，并对该样机进行了测试。测试结果表明，CSNS VSANS 谱仪运动控制系统样机的重复定位精度优于±2 μm，且该运动控制系统方案具有稳定可靠性高的特点。

通过搭建CSNS VSANS 谱仪运动控制系统样机，不仅验证了高重复定位精度的运动控制系统方案，也为完成整套CSNS VSANS谱仪运动控制系统的搭建和调试打下了坚实的基础。同时，由于Beckhoff 控制器的软件体系具有非常强的适应能力，物理轴硬件的互换性较强，所以本样机的全闭环控制方案也可为其他设备的运控控制提供参考。

因为CSNS VSANS谱仪现场设备种类繁多、环境复杂，且有一定的电离辐射剂量，所以需要通过强弱电分离、使用优质屏蔽双绞电缆、做好接地处理及增加辐射屏蔽罩等措施，减少干扰对现场运动控制系统的影响。此外，由于绝对式光栅有一定的热膨胀系数，所以为了减小由于温度变化引起的定位偏差，需要尽可能地保持现场温度恒定。

作者贡献声明何泳成、肖松文、王广源：负责系统方案设计、样机搭建、样机测试及论文撰写；吴煊、薛康佳、朱鹏、王林、左太森：负责技术或材料支持；金大鹏、张玉亮、程贺：负责指导、论文修改及支持性贡献。