专利名称：一种基于epics的四刀狭缝控制系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种基于EPICS的四刀狭缝控制系统及其控制方法。
背景技术：
Experimental Physics and Industrial Control System(实验物理和工业控制系统，简称EPICS)软件平台是一个基于网络的分布式控制系统，是世界上大型加速器等科学装置的免费控制软件，它源码公开，可自由下载。上海光源首批7条光束线控制系统全部采用EPICS，建立起标准化的光束线控制系统，这样的系统在国际上也只有少数几个同步辐射装置上应用，在国内更是一项全新尝试。上海光源各线站都有一个白光四刀狭缝、一个或多个精密单色光双刀或四刀狭缝结构。这些狭缝的每个刀片都由一个电机来驱动，如图I所示，四刀狭缝结构包括四个电机，分别命名为第一电机XI、第二电机X2、第三电机Y1、第四电机Y2，这四个电机分别在自己控制的方向上，带动一个刀片做直线一维运动，并在正、负限位开关规定的行程范围内直线运动。另外，正、负限位开关中间的某个位置，还安装了参考点开关，这个开关位置用于寻零，即把电机复位到初始零点位置。同步辐射光束从4个刀片合围成的方形缝隙中穿过。当刀片由彼此远离状态，慢慢相对靠近，直到重叠状态时，光束就由完全通过到逐渐阻挡，最后完全被阻止。一般地，狭缝控制很少单独移动某一个电机，而是进行X方向或Y方向的口径大小控制或口径中心的偏移控制，这就需要同时运动某方向上的两个电机。鉴于这种情况，现在迫切需要开发一种基于EPICS平台下实现的控制系统以满足其工作需求。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种基于EPICS的四刀狭缝控制系统及其控制方法，以在EPICS平台下实现各类精密四刀狭缝的口径控制和口径中心点偏移控制。本发明之一所述的一种基于EPICS的四刀狭缝控制系统，所述四刀狭缝由在XY坐标系上移动的第一至第四刀片围成，其中，所述第一刀片位于X坐标负方向，第二刀片位于X坐标正方向，第三刀片位于Y坐标负方向，第四刀片位于Y坐标正方向，且所述第一至第四刀片的位置分别通过第一至第四狭缝电机控制，所述系统包括上位机；以及连接在所述上位机和第一至第四狭缝电机之间的IOC控制器，其一方面根据所述上位机提供的所述四刀狭缝的口径值和/或口径中心点位置信息以及预设的第一至第四刀片位置与四刀狭缝的孔径以及口径中心点位置的关系模型，计算得到第一至第四刀片的目标位置信息，并根据该第一至第四刀片目标位置信息向所述第一至第四狭缝电机输出相应的控制信号，以控制所述四刀狭缝的口径和/或中心点位置，其另一方面向所述上位机反馈根据从所述第一至第四狭缝电机接收到的第一至第四刀片的实际位置信息，以及根据该第一至第四刀片的实际位置信息和所述关系模型计算得到的四刀狭缝的实际口径值和/或实际口径中心点位置信息。在上述的基于EPICS的四刀狭缝控制系统中，所述IOC控制器包括与所述上位机连接的中央控制单元，其一方面接收所述四刀狭缝的口径值和/或口径中心点位置信息，计算得到所述第一至第四刀片的目标位置信息，其另一方面向所述上位机反馈所述第一至第四刀片的实际位置信息和四刀狭缝的实际口径值和/或实际口径中心点位置信息；以及与所述中央控制单元连接的运动控制单元，其一方面根据所述第一至第四刀片的目标位置信息，向所述第一至第四狭缝电机输出所述控制信号，其另一方面向所述中央控制单元输出从所述第一至第四狭缝电机采集到的第一至第四刀片的实际位置信息。在上述的基于EPICS的四刀狭缝控制系统中，所述中央控制单元通过VME总线与所述运动控制单元连接。在上述的基于EPICS的四刀狭缝控制系统中，所述中央控制单元通过网络与所述上位机通讯连接。在上述的基于EPICS的四刀狭缝控制系统中，所述运动控制单元依次通过信号接口板和电机驱动器与所述第一至第四狭缝电机连接。本发明之二所述的一种如上述的基于EPICS的四刀狭缝控制系统的控制方法，包括以下步骤步骤SI，在所述IOC控制器中建立所述第一至第四刀片位置与所述四刀狭缝的孔径以及口径中心点位置的关系模型；步骤S2，所述IOC控制器根据上位机提供的四刀狭缝的口径值和/或口径中心点位置信息以及所述步骤Si中的关系模型，计算得到第一至第四刀片的目标位置信息，并根据第一至第四刀片的电机目标位置信息向所述第一至第四狭缝电机输出相应的控制信号;步骤S3，所述IOC控制器向上位机反馈所述第一至第四刀片的实际位置信息以及根据该第一至第四刀片的实际位置信息以及所述步骤Si中的关系模型计算得到的四刀狭缝的实际口径值和/或实际口径中心点位置信息。在上述的基于EPICS的四刀狭缝控制方法中，所述步骤SI的关系模型包括-(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分别为所述第一至第四刀片的位置信息；size_x为所述四刀狭缝在X坐标方向上的口径值；center_x为所述四刀狭缝在X坐标方向上的口径中心点位置信息；size_y为所述四刀狭缝在Y坐标方向上的口径值；center_y为所述四刀狭缝在Y坐标方向上的口径中心点位置信息；a、b、C、d均为恒量，且分别表示当所述第一、第二刀片均处于初始零点位置时四刀狭缝在X坐标方向上的口径值、当所述第一、第二刀片均处于初始零点位置时四刀狭缝在X坐标方向上的口径中心点的偏移量、当所述第三、第四刀片均处于初始零点位置时四刀狭缝在Y坐标方向上的口径值、当所述第三、第四刀片均处于初始零点位置时四刀狭缝在Y坐标方向上的口径中心点的偏移量。在上述的基于EPICS的四刀狭缝控制方法中，所述关系模型中的恒量a、b、c、d通过外围光学仪器标定计算得到。由于采用了上述的技术解决方案，本发明通过中央处理器接收上位机提供的四刀狭缝的口径值和/或口径中心点位置信息，计算出电机位置目标值，并根据计算结果，命令各狭缝电机旋转一定的步数，即，在基于实现对狭缝电机的独立驱动的基础上，实现狭缝电机的联动控制，让各刀片移动到所希望的位置，从而调节狭缝口径的大小以及实现口径中心点位置的偏移控制，进而实现了对束流光斑形状的调节，满足了科学实验的物理需求。本发明还具有结构简单，操作方便，且控制精度高，易维护，设计成本低等优点。
图I是狭缝结构及电机位置关系示意图；图2是本发明一种基于EPICS的四刀狭缝口径控制系统的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。如图I所示，四刀狭缝由在XY坐标系上移动的第一至第四刀片1、2、3、4围成，其中，第一刀片I位于X坐标负方向，第二刀片2位于X坐标正方向，第三刀片3位于Y坐标负方向，第四刀片4位于Y坐标正方向，且第一至第四刀片1、2、3、4的位置分别通过第一至第四狭缝电机Xl、X2、Yl、Y2控制。在本实施例中，定义锯齿墙方向为X坐标正方向，实验大厅为X坐标负方向；棚屋顶为Y坐标正方向，大地为Y坐标负方向。图2所示，本发明之一，即一种基于EPICS的四刀狭缝口径控制系统，包括上位机10以及IOC控制器20。IOC控制器20连接在上位机10和第一至第四狭缝电机XI、X2、Yl、Y2之间，具体来说，该IOC控制器20包括通过网络与上位机10通讯连接的中央控制单元201以及依次通过信号接口板30和电机驱动器40与第一至第四狭缝电机XI、X2、YU Y2连接的运动控制单元202，其中中央控制单元201通过VME总线与运动控制单元202连接，其一方面根据上位机10提供的四刀狭缝的口径值和/或口径中心点位置信息以及预设的第一至第四刀片位置与四刀狭缝的孔径以及口径中心点位置的关系模型，计算得到第一至第四刀片1、2、3、4的目标位置信息，其另一方面向上位机10反馈第一至第四刀片1、2、3、4的实际位置信息，以及根据该第一至第四刀片1、2、3、4的实际位置信息和关系模型计算得到的四刀狭缝的实际口径值和/或实际口径中心点位置信息；运动控制单元202 —方面根据第一至第四刀片1、2、3、4的目标位置信息，依次通过信号接口板30和电机驱动器40向第一至第四狭缝电机XI、X2、YU Y2输出相应的控制信号，以控制四刀狭缝的口径和/或中心点位置，另一方面向中央控制单元201输出从第一 至第四狭缝电机X1、X2、Y1、Y2采集到的第一至第四刀片1、2、3、4的实际位置信息。下面对上述控制系统的控制原理进行说明。由图I可见，通过第一、第二狭缝电机Χ1、Χ2分别调节第一、第二刀片1、2的位置，即可完成四刀狭缝在X坐标方向上的口径值的控制，当第一、第二刀片1、2同时往一个方向移动相同的距离时，为X中心点偏移调节(X坐标方向上的口径大小保持不变)。通过第三、第四狭缝电机Y1、Y2分别调节第三、第四刀片3、4的位置，即可完成四刀狭缝在Y坐标方向上的口径值的控制，当第三、第四刀片3、4同时往一个方向移动相同的距离时，为Y中心点偏移调节(Y坐标方向上的口径大小保持不变)。每个狭缝电机都有各自的正、负限位+Lim、-Lim，狭缝电机正旋转或负旋转，对四刀狭缝口径的大小影响是不一样的。如图I所示，第一狭缝电机Xi带动第一刀片I往负限位-Lim方向运动或第二狭缝电机X2带动第二刀片2往负限位-Lim方向运动，四刀狭缝在X坐标方向上的口径值变大；第一狭缝电机Xl带动第一刀片I往正限位+Lim方向运动或第二狭缝电机X2带动第二刀片2往正限位+Lim方向运动，四刀狭缝在X坐标方向上的口径 值变小。第三狭缝电机Yl带动第三刀片3往负限位-Lim方向运动或第四狭缝电机Y2带动第四刀片4往负限位-Lim方向运动，四刀狭缝在Y坐标方向上的口径值变大；第三狭缝电机Yl带动第三刀片3往正限位+Lim方向运动或第四狭缝电机Y2带动第四刀片4往正限位+Lim方向运动，四刀狭缝在Y坐标方向上的口径值变小。基于上述控制系统及控制原理，下面对本发明之二，即一种如基于EPICS的四刀狭缝控制方法进行介绍。本控制方法包括以下步骤步骤SI，在IOC控制器20中，具体为在中央控制单元201中建立第一至第四刀片位置与四刀狭缝的孔径以及口径中心点位置的关系模型，该关系模型包括-(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分别为第一至第四刀片1、2、3、4的位置信息；size_x为四刀狭缝在X坐标方向上的口径值；center_x为四刀狭缝在X坐标方向上的口径中心点位置信息；size_y为四刀狭缝在Y坐标方向上的口径值；center_y为四刀狭缝在Y坐标方向上的口径中心点位置信息；a、b、C、d均为恒量(可通过外围光学仪器标定计算得到)，且其中，a表示当第一、第二刀片1、2均处于初始零点位置(0，0)时四刀狭缝在X坐标方向上的口径值(a为正值，表示狭缝开口没有完全闭合；a为0，表示狭缝开口刚好闭合；a为负值，表示狭缝开口有重叠)；b表示当第一、第二刀片1、2均处于初始零点位置(0，0)时四刀狭缝在X坐标方向上的口径中心点的偏移量(相对于机械中心标记点；中心偏向锯齿墙时b为正值，中心偏离锯齿墙时b为负值，中心和基准线重合时b为O) ;c表示当第三、第四刀片
3、4均处于初始零点位置(0，0)时四刀狭缝在Y坐标方向上的口径值(c为正值，表示狭缝开口没有完全闭合；c为0，表示狭缝开口刚好闭合；c为负值，表示狭缝开口有重叠)；(1表示当第三、第四刀片3、4均处于初始零点位置(0，0)时四刀狭缝在Y坐标方向上的口径中心点的偏移量(相对于机械中心标记点；中心高于基准线(如I. 3米)时d为正值；中心低于基准线时d为负值；中心和基准线重合时d为O);步骤S2，IOC控制器20，具体为中央控制单元201根据上位机10提供的四刀狭缝的口径值和/或口径中心点位置信息以及步骤Si中的关系模型，计算得到第一至第四刀片1、2、3、4的目标位置信息，并根据第一至第四刀片1、2、3、4的电机目标位置信息，通过运动控制单元202向第一至第四狭缝电机X1、X2、Y1、Y2输出相应的控制信号；步骤S3，IOC控制器20，具体为中央控制单元201向上位机10反馈通过运动控制单元202采集的第一至第四刀片1、2、3、4的实际位置信息以及根据该第一至第四刀片1、2、3、4的实际位置信息以及步骤SI中的关系模型计算得到的四刀狭缝的实际口径值和/或实际口径中心点位置信息。由上述关系模型可知式(I)和式(3)是分别是四刀狭缝在X坐标方向上和Y坐标方向上四刀狭缝在X坐标方向上的口径大小的计算公式；式⑵和式⑷是分别是四刀狭缝在X坐标方向上和Y坐标方向上的口径中心点偏移的计算公式。因此，当在上位机10上设置四刀狭缝的口径值和/或口径中心点位置信息时，第一至第四刀片片1、2、3、4的目标位置，即可通过上述公式的逆运算计算得到。例如可令A = size_x，为在上位机10上设置的四刀狭缝在X坐标方向上的口径值；令B = center_x,为在上位机10上设置的四刀狭缝在X坐标方向上的口径中心点位置信息；令C为恒量a ;令D为恒量b ;A、B、C、D均在式中作为已知值；则有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的目标位置，X2_target表示第二刀片2的目标位置。可令E = size_y，为在上位机10上设置的四刀狭缝在Y坐标方向上的口径值；令F = center_y,为在上位机10上设置的四刀狭缝在Y坐标方向上的口径中心点位置信息；令G为恒量c ;令H为恒量d ;E、F、G、H均在式中作为已知值；则有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的目标位置，Y2_target表示第四刀片4的目标位置。根据上述各刀片的目标位置，并配合IOC控制器20即可在实现各狭缝电机的独立控制基础上，进行狭缝电机联动控制，从而实现对四刀狭缝的控制。本实施例中，可利用EPICS软件平台，创建一个Motor应用工程，在其数据库Db文件中，添加4个电机控制的Motor记录。以上海光源光刻分支线XIL线站的白光狭缝 Slit 为例，这 4 个电机被命名 S“X08UlB:0P:Slit:Xl”、“X08UlB:0P:Slit:X2”、“X08UlB:0P:Slit:Yl”、“X08UlB:0P:Slit:Y2”。这 4 个 Motor 记录，需要根据机械传动设计，配置好必需的运动参数，比如细分、马达分辨率、编码器分辨率、初速度、正常速度、信号输出通道等等；把编译好的应用工程下载到VME的CPU的闪存中，CPU启动运行VxWorks实时操作系统，加载闪存中的电机运动控制程序，即可实现IOC控制器20。然后利用EPICS软件平台的EDM模块，设计出电机控制界面，并在一台装Linux的联网PC，即上位机10上运行该界面，通过EPICS平台的Channel Archive即CA协议，界面上的信息就能自动通过网络，与IOC控制器20交互，获取电机信息，或传达目标位置信息等。以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的 简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
权利要求
1.一种基于EPICS的四刀狭缝控制系统，所述四刀狭缝由在XY坐标系上移动的第一至第四刀片围成，其中，所述第一刀片位于X坐标负方向，第二刀片位于X坐标正方向，第三刀片位于Y坐标负方向，第四刀片位于Y坐标正方向，且所述第一至第四刀片的位置分别通过第一至第四狭缝电机控制，其特征在于，所述系统包括 上位机；以及 连接在所述上位机和第一至第四狭缝电机之间的IOC控制器，其一方面根据所述上位机提供的所述四刀狭缝的口径值和/或口径中心点位置信息以及预设的第一至第四刀片位置与四刀狭缝的孔径以及口径中心点位置的关系模型，计算得到第一至第四刀片的目标位置信息，并根据该第一至第四刀片目标位置信息向所述第一至第四狭缝电机输出相应的控制信号，以控制所述四刀狭缝的口径和/或中心点位置，其另一方面向所述上位机反馈根据从所述第一至第四狭缝电机接收到的第一至第四刀片的实际位置信息，以及根据该第一至第四刀片的实际位置信息和所述关系模型计算得到的四刀狭缝的实际口径值和/或实际口径中心点位置信息。
2.根据权利要求I所述的基于EPICS的四刀狭缝控制系统，其特征在于，所述IOC控制器包括 与所述上位机连接的中央控制单元，其一方面接收所述四刀狭缝的口径值和/或口径中心点位置信息，计算得到所述第一至第四刀片的目标位置信息，其另一方面向所述上位机反馈所述第一至第四刀片的实际位置信息和四刀狭缝的实际口径值和/或实际口径中心点位置信息；以及 与所述中央控制单元连接的运动控制单元，其一方面根据所述第一至第四刀片的目标位置信息，向所述第一至第四狭缝电机输出所述控制信号，其另一方面向所述中央控制单元输出从所述第一至第四狭缝电机采集到的第一至第四刀片的实际位置信息。
3.根据权利要求2所述的基于EPICS的四刀狭缝控制系统，其特征在于，所述中央控制单元通过VME总线与所述运动控制单元连接。
4.根据权利要求2或3所述的基于EPICS的四刀狭缝控制系统，其特征在于，所述中央控制单元通过网络与所述上位机通讯连接。
5.根据权利要求4所述的基于EPICS的四刀狭缝控制系统，其特征在于，所述运动控制单元依次通过信号接口板和电机驱动器与所述第一至第四狭缝电机连接。
6.一种如权利要求1-5所述的基于EPICS的四刀狭缝控制系统的控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤 步骤SI，在所述IOC控制器中建立所述第一至第四刀片位置与所述四刀狭缝的孔径以及口径中心点位置的关系模型； 步骤S2，所述IOC控制器根据上位机提供的四刀狭缝的口径值和/或口径中心点位置信息以及所述步骤SI中的关系模型，计算得到第一至第四刀片的目标位置信息，并根据第一至第四刀片的电机目标位置信息向所述第一至第四狭缝电机输出相应的控制信号； 步骤S3，所述IOC控制器向上位机反馈所述第一至第四刀片的实际位置信息以及根据该第一至第四刀片的实际位置信息以及所述步骤SI中的关系模型计算得到的四刀狭缝的实际口径值和/或实际口径中心点位置信息。
7.根据权利要求6所述的基于EPICS的四刀狭缝控制方法，其特征在于，所述步骤S1的关系模型包括 -(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分别为所述第一至第四刀片的位置信息；siZe_X为所述四刀狭缝在X坐标方向上的口径值；center_x为所述四刀狭缝在X坐标方向上的口径中心点位置信息；size_y为所述四刀狭缝在Y坐标方向上的口径值；center_y为所述四刀狭缝在Y坐标方向上的口径中心点位置信息；a、b、C、d均为恒量，且分别表示当所述第一、第二刀片均处于初始零点位置时四刀狭缝在X坐标方向上的口径值、当所述第一、第二刀片均处于初始零点位置时四刀狭缝在X坐标方向上的口径中心点的偏移量、当所述第三、第四刀片均处于初始零点位置时四刀狭缝在Y坐标方向上的口径值、当所述第三、第四刀片均处于初始零点位置时四刀狭缝在Y坐标方向上的口径中心点的偏移量。
8.根据权利要求7所述的基于EPICS的四刀狭缝控制方法，其特征在于，所述关系模型中的恒量a、b、C、d通过外围光学仪器标定计算得到。
全文摘要
本发明涉及一种基于EPICS的四刀狭缝控制系统及其控制方法，其中，所述系统包括上位机；以及连接在所述上位机和第一至第四狭缝电机之间的IOC控制器，其一方面根据所述上位机提供的所述四刀狭缝的口径值和/或口径中心点位置信息以及预设的第一至第四刀片位置与四刀狭缝的孔径以及口径中心点位置的关系模型，计算得到第一至第四刀片的目标位置信息，并根据该第一至第四刀片目标位置信息向所述第一至第四狭缝电机输出相应的控制信号。本发明在基于实现对狭缝电机的独立驱动的基础上，实现狭缝电机的联动控制，从而调节狭缝口径的大小以及实现口径中心点位置的偏移控制，进而实现了对束流光斑形状的调节，满足了科学实验的物理需求。
文档编号G05B19/04GK102621910SQ20121011138
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月16日 优先权日2012年4月16日
发明者刘平, 张招红, 米清茹, 胡纯, 郑丽芳 申请人:中国科学院上海应用物理研究所