光操縱波束

鉆石光源(www。diamond。ac。uk)是目前正在SouthOxfordshire建造的新型科研設備，建成后它將包括多達40個一流的研究站。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。在機器周圍有一系列被稱為光束站的研究實驗室，在這里科學家可以獨立地利用機器產(chǎn)生的光進行各種實驗。

運動控制的角色

同步加速器目前能產(chǎn)生最明亮的光，運動控制對它來說是一個關鍵，因為這涉及到一系列問題，包括電機技術、磁鐵以及光學系統(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)時俘獲光子。該過程要求精確和可重復的亞微米定位。由于距離的原因，現(xiàn)場總線速度是一個至關緊要的因素。

該項目用了DeltaTau公司(www。deltatau。com)的機械控制器和MACRORing現(xiàn)場總線。該方案提供高速的分布式控制和集中控制以及一個獨特接口，該接口連接到EPIC前端，這個前端是科學家進行實驗的軟件環(huán)境。這個軟件平臺通過一個通用的軟件接口控制各種設備，該接口包括DeltaTau運動控制接口，研究人員可以通過它改變光束的波形、外形并對光束進行修正，最后得到特定實驗需要的合適光型。

這個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)境科學等領域的科學家的研究工作。一個例子是可更快地測定蛋白質(zhì)的微觀結構，這對于了解Alzheimer氏病患者和癌癥患者的身體狀況非常重要，對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磁場使電子束偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生超強的緊聚焦光束。電子束繞一個儲存環(huán)周圍的圓形軌道運動，該儲存環(huán)實質(zhì)上是一個形似多納圈的真空室。當電子束旋轉(zhuǎn)時，光子就產(chǎn)生了。產(chǎn)生的光－紅外線、紫外線以及X射線被直接從主儲存環(huán)通過光束（管）傳播到科學家進行實驗的工作區(qū)域。

一個光束線站包括一個狹縫陣列、鏡頭以及晶體，它可以將光束轉(zhuǎn)換成各種波長和強度以用于特定的科學技術。8個光束站目前正在逐漸完善，將來該鉆石光源將包括40個光束站，可以進行各種實驗。

各種電機技術

“運動控制系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)是系統(tǒng)涉及到各種電機/驅(qū)動器技術，包括從簡單的和非同步步進控制到運用逆向運動學的多軸同步控制電機，”DeltaTau公司的工程師AndyJoslin說，他曾經(jīng)為該項目做過大量工作。

一些電機被用來接收控制器發(fā)出的運動指令，它們中大多數(shù)是步進電機，一些是直流、交流有刷電機，還有一些是壓電電機（用于精調(diào)）。控制器能夠進行混和電機控制，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動要求：通常一個光束站有60個運動軸，而其中一個具有150個運動軸。

多數(shù)軸是分別控制的，但是當夾持和操作樣本時就需要采用多軸插值。這些工具包括基于逆向運動學（非笛卡兒坐標系non-Cartesian）運算的“史都華平臺（StewartPlatforms）”（用六軸運動控制進行六軸定位的平臺）。DeltaTau公司的TurboPMAC運動控制器允許用戶自己寫入運動學程序，對于特定的裝置，這些程序也可以定制并實時自動運行程序，這樣所有后來的程序都可以按照提示位置的格式書寫，通常在笛卡兒坐標系下。

目前第一個光束線站設備由OxfordDanfysik提供。該系統(tǒng)包括一個中心PMAC2-VME32軸控制器，它通過MACRO總線和一個全局運動及自動化控制器聯(lián)網(wǎng)，從而提供分布式運動控制。

UMAC系統(tǒng)能夠訪問各種運動控制板、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，或者同主機和外圍設備進行通訊，它們非常靈活，能滿足每個光束站的需求。

項目規(guī)模

鉆石同步加速器是目前由英國政府提供基金的最大的科學設備，它將耗費30年的時間修建。僅僅是第一期的八個光束線站就將包括500多個軸的運動控制。

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)成為步進電機設計領域公認的技術領袖。在功率輸入和電機尺寸的限制下，LinEngineering公司還設計出了一個在要求的運轉(zhuǎn)速度下讓扭矩最大化的電機。LinEngineering公司可以為寶貴的客戶在高速運轉(zhuǎn)和低速運轉(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，該公司的電機還能夠在所有運轉(zhuǎn)速度下提供最大扭矩效率。另一個選擇LinEngineering公司而不是其他廠商的原因是：它總能最快地為各種設備提供合適的電機。LinEngineering公司將幫你消除在選擇電機時的舉棋不定，你不用從LinEngineering公司買好幾個電機進行試驗比較來選擇合適的電機，你可以直接從LinEngineering買到合適的電機，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。

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產(chǎn)生超強的窄電磁光束供科學實驗使用。

鉆石光同步設備需要各軸緊密協(xié)調(diào)，這種運動控制方式能夠提供保證精確協(xié)調(diào)所需的同步裝置。只要是多軸同步運動，不論運動是否協(xié)調(diào)，都存在許多潛在的問題。例如當一個軸出故障時，UMAC控制器能夠控制這些問題，因為它們能夠及時收到情報并防止裝置被破壞。

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

位于英國薩里的McLennanServoSupplies公司將運動控制和機械組裝集成在一起。該系統(tǒng)采用微步進電機，電機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、機械剛度等很重要，當然在安裝前還要對整個系統(tǒng)進行試驗。”

這里有一個實例是雙晶體單色系統(tǒng)的操作。針對具體要求，運動控制器會創(chuàng)建一個“虛軸”，以幫助兩個晶體根據(jù)對方的情況進行定位。即使當?shù)谝粋€晶體的位置使光束發(fā)生了偏轉(zhuǎn)時，光束也還是保持不變，例如當用Bragg衍射對白色光實行單色過濾以用于探測時情況就是這樣。運動控制器把虛軸當作理論軸，并計算出晶體的每個軸需要的實際運動。