專利名稱：一種基于epics的四刀狹縫控制系統及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種基于EPICS的四刀狹縫控制系統及其控制方法。
背景技術：
Experimental Physics and Industrial Control System(實驗物理和工業控制系統，簡稱EPICS)軟件平臺是一個基于網絡的分布式控制系統，是世界上大型加速器等科學裝置的免費控制軟件，它源碼公開，可自由下載。上海光源首批7條光束線控制系統全部采用EPICS，建立起標準化的光束線控制系統，這樣的系統在國際上也只有少數幾個同步輻射裝置上應用，在國內更是一項全新嘗試。上海光源各線站都有一個白光四刀狹縫、一個或多個精密單色光雙刀或四刀狹縫結構。這些狹縫的每個刀片都由一個電機來驅動，如圖I所示，四刀狹縫結構包括四個電機，分別命名為第一電機XI、第二電機X2、第三電機Y1、第四電機Y2，這四個電機分別在自己控制的方向上，帶動一個刀片做直線一維運動，并在正、負限位開關規定的行程范圍內直線運動。另外，正、負限位開關中間的某個位置，還安裝了參考點開關，這個開關位置用于尋零，即把電機復位到初始零點位置。同步輻射光束從4個刀片合圍成的方形縫隙中穿過。當刀片由彼此遠離狀態，慢慢相對靠近，直到重疊狀態時，光束就由完全通過到逐漸阻擋，最后完全被阻止。一般地，狹縫控制很少單獨移動某一個電機，而是進行X方向或Y方向的口徑大小控制或口徑中心的偏移控制，這就需要同時運動某方向上的兩個電機。鑒于這種情況，現在迫切需要開發一種基于EPICS平臺下實現的控制系統以滿足其工作需求。
發明內容
為了解決上述現有技術存在的問題，本發明旨在提供一種基于EPICS的四刀狹縫控制系統及其控制方法，以在EPICS平臺下實現各類精密四刀狹縫的口徑控制和口徑中心點偏移控制。本發明之一所述的一種基于EPICS的四刀狹縫控制系統，所述四刀狹縫由在XY坐標系上移動的第一至第四刀片圍成，其中，所述第一刀片位于X坐標負方向，第二刀片位于X坐標正方向，第三刀片位于Y坐標負方向，第四刀片位于Y坐標正方向，且所述第一至第四刀片的位置分別通過第一至第四狹縫電機控制，所述系統包括上位機；以及連接在所述上位機和第一至第四狹縫電機之間的IOC控制器，其一方面根據所述上位機提供的所述四刀狹縫的口徑值和/或口徑中心點位置信息以及預設的第一至第四刀片位置與四刀狹縫的孔徑以及口徑中心點位置的關系模型，計算得到第一至第四刀片的目標位置信息，并根據該第一至第四刀片目標位置信息向所述第一至第四狹縫電機輸出相應的控制信號，以控制所述四刀狹縫的口徑和/或中心點位置，其另一方面向所述上位機反饋根據從所述第一至第四狹縫電機接收到的第一至第四刀片的實際位置信息，以及根據該第一至第四刀片的實際位置信息和所述關系模型計算得到的四刀狹縫的實際口徑值和/或實際口徑中心點位置信息。在上述的基于EPICS的四刀狹縫控制系統中，所述IOC控制器包括與所述上位機連接的中央控制單元，其一方面接收所述四刀狹縫的口徑值和/或口徑中心點位置信息，計算得到所述第一至第四刀片的目標位置信息，其另一方面向所述上位機反饋所述第一至第四刀片的實際位置信息和四刀狹縫的實際口徑值和/或實際口徑中心點位置信息；以及與所述中央控制單元連接的運動控制單元，其一方面根據所述第一至第四刀片的目標位置信息，向所述第一至第四狹縫電機輸出所述控制信號，其另一方面向所述中央控制單元輸出從所述第一至第四狹縫電機采集到的第一至第四刀片的實際位置信息。在上述的基于EPICS的四刀狹縫控制系統中，所述中央控制單元通過VME總線與所述運動控制單元連接。在上述的基于EPICS的四刀狹縫控制系統中，所述中央控制單元通過網絡與所述上位機通訊連接。在上述的基于EPICS的四刀狹縫控制系統中，所述運動控制單元依次通過信號接口板和電機驅動器與所述第一至第四狹縫電機連接。本發明之二所述的一種如上述的基于EPICS的四刀狹縫控制系統的控制方法，包括以下步驟步驟SI，在所述IOC控制器中建立所述第一至第四刀片位置與所述四刀狹縫的孔徑以及口徑中心點位置的關系模型；步驟S2，所述IOC控制器根據上位機提供的四刀狹縫的口徑值和/或口徑中心點位置信息以及所述步驟Si中的關系模型，計算得到第一至第四刀片的目標位置信息，并根據第一至第四刀片的電機目標位置信息向所述第一至第四狹縫電機輸出相應的控制信號;步驟S3，所述IOC控制器向上位機反饋所述第一至第四刀片的實際位置信息以及根據該第一至第四刀片的實際位置信息以及所述步驟Si中的關系模型計算得到的四刀狹縫的實際口徑值和/或實際口徑中心點位置信息。在上述的基于EPICS的四刀狹縫控制方法中，所述步驟SI的關系模型包括-(x2+xl)+a = size_x(I)(x2-xl)/2+b = center_x (2)- (y2+yl) +c = size_y(3)(yl-y2)/2+d = center_y (4)其中，xl、x2、yl、y2分別為所述第一至第四刀片的位置信息；size_x為所述四刀狹縫在X坐標方向上的口徑值；center_x為所述四刀狹縫在X坐標方向上的口徑中心點位置信息；size_y為所述四刀狹縫在Y坐標方向上的口徑值；center_y為所述四刀狹縫在Y坐標方向上的口徑中心點位置信息；a、b、C、d均為恒量，且分別表示當所述第一、第二刀片均處于初始零點位置時四刀狹縫在X坐標方向上的口徑值、當所述第一、第二刀片均處于初始零點位置時四刀狹縫在X坐標方向上的口徑中心點的偏移量、當所述第三、第四刀片均處于初始零點位置時四刀狹縫在Y坐標方向上的口徑值、當所述第三、第四刀片均處于初始零點位置時四刀狹縫在Y坐標方向上的口徑中心點的偏移量。在上述的基于EPICS的四刀狹縫控制方法中，所述關系模型中的恒量a、b、c、d通過外圍光學儀器標定計算得到。由于采用了上述的技術解決方案，本發明通過中央處理器接收上位機提供的四刀狹縫的口徑值和/或口徑中心點位置信息，計算出電機位置目標值，并根據計算結果，命令各狹縫電機旋轉一定的步數，即，在基于實現對狹縫電機的獨立驅動的基礎上，實現狹縫電機的聯動控制，讓各刀片移動到所希望的位置，從而調節狹縫口徑的大小以及實現口徑中心點位置的偏移控制，進而實現了對束流光斑形狀的調節，滿足了科學實驗的物理需求。本發明還具有結構簡單，操作方便，且控制精度高，易維護，設計成本低等優點。
圖I是狹縫結構及電機位置關系示意圖；圖2是本發明一種基于EPICS的四刀狹縫口徑控制系統的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖，給出本發明的較佳實施例，并予以詳細描述。如圖I所示，四刀狹縫由在XY坐標系上移動的第一至第四刀片1、2、3、4圍成，其中，第一刀片I位于X坐標負方向，第二刀片2位于X坐標正方向，第三刀片3位于Y坐標負方向，第四刀片4位于Y坐標正方向，且第一至第四刀片1、2、3、4的位置分別通過第一至第四狹縫電機Xl、X2、Yl、Y2控制。在本實施例中，定義鋸齒墻方向為X坐標正方向，實驗大廳為X坐標負方向；棚屋頂為Y坐標正方向，大地為Y坐標負方向。圖2所示，本發明之一，即一種基于EPICS的四刀狹縫口徑控制系統，包括上位機10以及IOC控制器20。IOC控制器20連接在上位機10和第一至第四狹縫電機XI、X2、Yl、Y2之間，具體來說，該IOC控制器20包括通過網絡與上位機10通訊連接的中央控制單元201以及依次通過信號接口板30和電機驅動器40與第一至第四狹縫電機XI、X2、YU Y2連接的運動控制單元202，其中中央控制單元201通過VME總線與運動控制單元202連接，其一方面根據上位機10提供的四刀狹縫的口徑值和/或口徑中心點位置信息以及預設的第一至第四刀片位置與四刀狹縫的孔徑以及口徑中心點位置的關系模型，計算得到第一至第四刀片1、2、3、4的目標位置信息，其另一方面向上位機10反饋第一至第四刀片1、2、3、4的實際位置信息，以及根據該第一至第四刀片1、2、3、4的實際位置信息和關系模型計算得到的四刀狹縫的實際口徑值和/或實際口徑中心點位置信息；運動控制單元202 —方面根據第一至第四刀片1、2、3、4的目標位置信息，依次通過信號接口板30和電機驅動器40向第一至第四狹縫電機XI、X2、YU Y2輸出相應的控制信號，以控制四刀狹縫的口徑和/或中心點位置，另一方面向中央控制單元201輸出從第一 至第四狹縫電機X1、X2、Y1、Y2采集到的第一至第四刀片1、2、3、4的實際位置信息。下面對上述控制系統的控制原理進行說明。由圖I可見，通過第一、第二狹縫電機Χ1、Χ2分別調節第一、第二刀片1、2的位置，即可完成四刀狹縫在X坐標方向上的口徑值的控制，當第一、第二刀片1、2同時往一個方向移動相同的距離時，為X中心點偏移調節(X坐標方向上的口徑大小保持不變)。通過第三、第四狹縫電機Y1、Y2分別調節第三、第四刀片3、4的位置，即可完成四刀狹縫在Y坐標方向上的口徑值的控制，當第三、第四刀片3、4同時往一個方向移動相同的距離時，為Y中心點偏移調節(Y坐標方向上的口徑大小保持不變)。每個狹縫電機都有各自的正、負限位+Lim、-Lim，狹縫電機正旋轉或負旋轉，對四刀狹縫口徑的大小影響是不一樣的。如圖I所示，第一狹縫電機Xi帶動第一刀片I往負限位-Lim方向運動或第二狹縫電機X2帶動第二刀片2往負限位-Lim方向運動，四刀狹縫在X坐標方向上的口徑值變大；第一狹縫電機Xl帶動第一刀片I往正限位+Lim方向運動或第二狹縫電機X2帶動第二刀片2往正限位+Lim方向運動，四刀狹縫在X坐標方向上的口徑 值變小。第三狹縫電機Yl帶動第三刀片3往負限位-Lim方向運動或第四狹縫電機Y2帶動第四刀片4往負限位-Lim方向運動，四刀狹縫在Y坐標方向上的口徑值變大；第三狹縫電機Yl帶動第三刀片3往正限位+Lim方向運動或第四狹縫電機Y2帶動第四刀片4往正限位+Lim方向運動，四刀狹縫在Y坐標方向上的口徑值變小。基于上述控制系統及控制原理，下面對本發明之二，即一種如基于EPICS的四刀狹縫控制方法進行介紹。本控制方法包括以下步驟步驟SI，在IOC控制器20中，具體為在中央控制單元201中建立第一至第四刀片位置與四刀狹縫的孔徑以及口徑中心點位置的關系模型，該關系模型包括-(x2+xl)+a = size_x(I)(x2-xl)/2+b = center_x (2)- (y2+yl) +c = size_y(3)(yl-y2)/2+d = center_y (4)其中，xl、x2、yl、y2分別為第一至第四刀片1、2、3、4的位置信息；size_x為四刀狹縫在X坐標方向上的口徑值；center_x為四刀狹縫在X坐標方向上的口徑中心點位置信息；size_y為四刀狹縫在Y坐標方向上的口徑值；center_y為四刀狹縫在Y坐標方向上的口徑中心點位置信息；a、b、C、d均為恒量(可通過外圍光學儀器標定計算得到)，且其中，a表示當第一、第二刀片1、2均處于初始零點位置(0，0)時四刀狹縫在X坐標方向上的口徑值(a為正值，表示狹縫開口沒有完全閉合；a為0，表示狹縫開口剛好閉合；a為負值，表示狹縫開口有重疊)；b表示當第一、第二刀片1、2均處于初始零點位置(0，0)時四刀狹縫在X坐標方向上的口徑中心點的偏移量(相對于機械中心標記點；中心偏向鋸齒墻時b為正值，中心偏離鋸齒墻時b為負值，中心和基準線重合時b為O) ;c表示當第三、第四刀片
3、4均處于初始零點位置(0，0)時四刀狹縫在Y坐標方向上的口徑值(c為正值，表示狹縫開口沒有完全閉合；c為0，表示狹縫開口剛好閉合；c為負值，表示狹縫開口有重疊)；(1表示當第三、第四刀片3、4均處于初始零點位置(0，0)時四刀狹縫在Y坐標方向上的口徑中心點的偏移量(相對于機械中心標記點；中心高于基準線(如I. 3米)時d為正值；中心低于基準線時d為負值；中心和基準線重合時d為O);步驟S2，IOC控制器20，具體為中央控制單元201根據上位機10提供的四刀狹縫的口徑值和/或口徑中心點位置信息以及步驟Si中的關系模型，計算得到第一至第四刀片1、2、3、4的目標位置信息，并根據第一至第四刀片1、2、3、4的電機目標位置信息，通過運動控制單元202向第一至第四狹縫電機X1、X2、Y1、Y2輸出相應的控制信號；步驟S3，IOC控制器20，具體為中央控制單元201向上位機10反饋通過運動控制單元202采集的第一至第四刀片1、2、3、4的實際位置信息以及根據該第一至第四刀片1、2、3、4的實際位置信息以及步驟SI中的關系模型計算得到的四刀狹縫的實際口徑值和/或實際口徑中心點位置信息。由上述關系模型可知式(I)和式(3)是分別是四刀狹縫在X坐標方向上和Y坐標方向上四刀狹縫在X坐標方向上的口徑大小的計算公式；式⑵和式⑷是分別是四刀狹縫在X坐標方向上和Y坐標方向上的口徑中心點偏移的計算公式。因此，當在上位機10上設置四刀狹縫的口徑值和/或口徑中心點位置信息時，第一至第四刀片片1、2、3、4的目標位置，即可通過上述公式的逆運算計算得到。例如可令A = size_x，為在上位機10上設置的四刀狹縫在X坐標方向上的口徑值；令B = center_x,為在上位機10上設置的四刀狹縫在X坐標方向上的口徑中心點位置信息；令C為恒量a ;令D為恒量b ;A、B、C、D均在式中作為已知值；則有Xl_target = (C-A) / 2- (B-D) (5)X2_target = (C-A) / 2+ (B-D) (6)其中，Xl_target表示第一刀片I的目標位置，X2_target表示第二刀片2的目標位置。可令E = size_y，為在上位機10上設置的四刀狹縫在Y坐標方向上的口徑值；令F = center_y,為在上位機10上設置的四刀狹縫在Y坐標方向上的口徑中心點位置信息；令G為恒量c ;令H為恒量d ;E、F、G、H均在式中作為已知值；則有Yl_target = (G-E) / 2+ (F-H) (7)Y2_target = (G-E) / 2- (F-H) (8)其中，Yl_target表示第三刀片3的目標位置，Y2_target表示第四刀片4的目標位置。根據上述各刀片的目標位置，并配合IOC控制器20即可在實現各狹縫電機的獨立控制基礎上，進行狹縫電機聯動控制，從而實現對四刀狹縫的控制。本實施例中，可利用EPICS軟件平臺，創建一個Motor應用工程，在其數據庫Db文件中，添加4個電機控制的Motor記錄。以上海光源光刻分支線XIL線站的白光狹縫 Slit 為例，這 4 個電機被命名 S“X08UlB:0P:Slit:Xl”、“X08UlB:0P:Slit:X2”、“X08UlB:0P:Slit:Yl”、“X08UlB:0P:Slit:Y2”。這 4 個 Motor 記錄，需要根據機械傳動設計，配置好必需的運動參數，比如細分、馬達分辨率、編碼器分辨率、初速度、正常速度、信號輸出通道等等；把編譯好的應用工程下載到VME的CPU的閃存中，CPU啟動運行VxWorks實時操作系統，加載閃存中的電機運動控制程序，即可實現IOC控制器20。然后利用EPICS軟件平臺的EDM模塊，設計出電機控制界面，并在一臺裝Linux的聯網PC，即上位機10上運行該界面，通過EPICS平臺的Channel Archive即CA協議，界面上的信息就能自動通過網絡，與IOC控制器20交互，獲取電機信息，或傳達目標位置信息等。以上所述的，僅為本發明的較佳實施例，并非用以限定本發明的范圍，本發明的上述實施例還可以做出各種變化。即凡是依據本發明申請的權利要求書及說明書內容所作的 簡單、等效變化與修飾，皆落入本發明專利的權利要求保護范圍。本發明未詳盡描述的均為常規技術內容。
權利要求
1.一種基于EPICS的四刀狹縫控制系統，所述四刀狹縫由在XY坐標系上移動的第一至第四刀片圍成，其中，所述第一刀片位于X坐標負方向，第二刀片位于X坐標正方向，第三刀片位于Y坐標負方向，第四刀片位于Y坐標正方向，且所述第一至第四刀片的位置分別通過第一至第四狹縫電機控制，其特征在于，所述系統包括 上位機；以及 連接在所述上位機和第一至第四狹縫電機之間的IOC控制器，其一方面根據所述上位機提供的所述四刀狹縫的口徑值和/或口徑中心點位置信息以及預設的第一至第四刀片位置與四刀狹縫的孔徑以及口徑中心點位置的關系模型，計算得到第一至第四刀片的目標位置信息，并根據該第一至第四刀片目標位置信息向所述第一至第四狹縫電機輸出相應的控制信號，以控制所述四刀狹縫的口徑和/或中心點位置，其另一方面向所述上位機反饋根據從所述第一至第四狹縫電機接收到的第一至第四刀片的實際位置信息，以及根據該第一至第四刀片的實際位置信息和所述關系模型計算得到的四刀狹縫的實際口徑值和/或實際口徑中心點位置信息。
2.根據權利要求I所述的基于EPICS的四刀狹縫控制系統，其特征在于，所述IOC控制器包括 與所述上位機連接的中央控制單元，其一方面接收所述四刀狹縫的口徑值和/或口徑中心點位置信息，計算得到所述第一至第四刀片的目標位置信息，其另一方面向所述上位機反饋所述第一至第四刀片的實際位置信息和四刀狹縫的實際口徑值和/或實際口徑中心點位置信息；以及 與所述中央控制單元連接的運動控制單元，其一方面根據所述第一至第四刀片的目標位置信息，向所述第一至第四狹縫電機輸出所述控制信號，其另一方面向所述中央控制單元輸出從所述第一至第四狹縫電機采集到的第一至第四刀片的實際位置信息。
3.根據權利要求2所述的基于EPICS的四刀狹縫控制系統，其特征在于，所述中央控制單元通過VME總線與所述運動控制單元連接。
4.根據權利要求2或3所述的基于EPICS的四刀狹縫控制系統，其特征在于，所述中央控制單元通過網絡與所述上位機通訊連接。
5.根據權利要求4所述的基于EPICS的四刀狹縫控制系統，其特征在于，所述運動控制單元依次通過信號接口板和電機驅動器與所述第一至第四狹縫電機連接。
6.一種如權利要求1-5所述的基于EPICS的四刀狹縫控制系統的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟 步驟SI，在所述IOC控制器中建立所述第一至第四刀片位置與所述四刀狹縫的孔徑以及口徑中心點位置的關系模型； 步驟S2，所述IOC控制器根據上位機提供的四刀狹縫的口徑值和/或口徑中心點位置信息以及所述步驟SI中的關系模型，計算得到第一至第四刀片的目標位置信息，并根據第一至第四刀片的電機目標位置信息向所述第一至第四狹縫電機輸出相應的控制信號； 步驟S3，所述IOC控制器向上位機反饋所述第一至第四刀片的實際位置信息以及根據該第一至第四刀片的實際位置信息以及所述步驟SI中的關系模型計算得到的四刀狹縫的實際口徑值和/或實際口徑中心點位置信息。
7.根據權利要求6所述的基于EPICS的四刀狹縫控制方法，其特征在于，所述步驟S1的關系模型包括 -(x2+xl)+a = size_x(I)(x2-xl)/2+b = center_x (2) -(y2+yl)+c = size_y(3)(yl-y2)/2+d = center_y (4) 其中，xl、x2、yl、y2分別為所述第一至第四刀片的位置信息；siZe_X為所述四刀狹縫在X坐標方向上的口徑值；center_x為所述四刀狹縫在X坐標方向上的口徑中心點位置信息；size_y為所述四刀狹縫在Y坐標方向上的口徑值；center_y為所述四刀狹縫在Y坐標方向上的口徑中心點位置信息；a、b、C、d均為恒量，且分別表示當所述第一、第二刀片均處于初始零點位置時四刀狹縫在X坐標方向上的口徑值、當所述第一、第二刀片均處于初始零點位置時四刀狹縫在X坐標方向上的口徑中心點的偏移量、當所述第三、第四刀片均處于初始零點位置時四刀狹縫在Y坐標方向上的口徑值、當所述第三、第四刀片均處于初始零點位置時四刀狹縫在Y坐標方向上的口徑中心點的偏移量。
8.根據權利要求7所述的基于EPICS的四刀狹縫控制方法，其特征在于，所述關系模型中的恒量a、b、C、d通過外圍光學儀器標定計算得到。
全文摘要
本發明涉及一種基于EPICS的四刀狹縫控制系統及其控制方法，其中，所述系統包括上位機；以及連接在所述上位機和第一至第四狹縫電機之間的IOC控制器，其一方面根據所述上位機提供的所述四刀狹縫的口徑值和/或口徑中心點位置信息以及預設的第一至第四刀片位置與四刀狹縫的孔徑以及口徑中心點位置的關系模型，計算得到第一至第四刀片的目標位置信息，并根據該第一至第四刀片目標位置信息向所述第一至第四狹縫電機輸出相應的控制信號。本發明在基于實現對狹縫電機的獨立驅動的基礎上，實現狹縫電機的聯動控制，從而調節狹縫口徑的大小以及實現口徑中心點位置的偏移控制，進而實現了對束流光斑形狀的調節，滿足了科學實驗的物理需求。
文檔編號G05B19/04GK102621910SQ20121011138
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月16日 優先權日2012年4月16日
發明者劉平, 張招紅, 米清茹, 胡純, 鄭麗芳 申請人:中國科學院上海應用物理研究所