光操纵波束

钻石光源 (www.diamond.ac.uk)是目前正在South Oxfordshire建造的新型科研设备，建成后它将包括多达40个一流的研究站。同步加速器是圆形的，采用了一组被称作内置装置的磁铁阵列，它能提供明亮的同步光束。在机器周围有一系列被称为光束站的研究实验室，在这里科学家可以独立地利用机器产生的光进行各种实验。

       运动<-- adcode -->

控制的角色

       同步加速器目前能产生最明亮的光，运动控制对它来说是一个关键，因为这涉及到一系列问题，包括电机技术、磁铁以及光学系统，它们控制电子绕直径为半公里的圆旋转，并在电子旋转时俘获光子。该过程要求精确和可重复的亚微米定位。由于距离的原因，现场总线速度是一个至关紧要的因素。

       该项目用了Delta Tau公司(www.deltatau.com)的机械控制器和MACRO Ring现场总线。该方案提供高速的分布式控制和集中控制以及一个独特接口，该接口连接到EPIC前端，这个前端是科学家进行实验的软件环境。这个软件平台通过一个通用的软件接口控制各种设备，该接口包括Delta Tau运动控制接口，研究人员可以通过它改变光束的波形、外形并对光束进行修正，最后得到特定实验需要的合适光型。

       这个新型的同步加速器提高了光源的亮度，有助于生物、物理以及环境科学等领域的科学家的研究工作。一个例子是可更快地测定蛋白质的微观结构，这对于了解Alzheimer氏病患者和癌症患者的身体状况非常重要，对于新药物和新疗法的研发同样重要。

       光束线塑形

        同步加速器是一种粒子加速器，它将电子加速到接近光速并通过磁场使电子束偏转，从而产生超强的紧聚焦光束。电子束绕一个储存环周围的圆形轨道运动，该储存环实质上是一个形似多纳圈的真空室。当电子束旋转时，光子就产生了。产生的光－红外线、紫外线以及X射线被直接从主储存环通过光束（管）传播到科学家进行实验的工作区域。

        一个光束线站包括一个狭缝阵列、镜头以及晶体，它可以将光束转换成各种波长和强度以用于特定的科学技术。8个光束站目前正在逐渐完善，将来该钻石光源将包括40个光束站，可以进行各种实验。

       各种电机技术 

       “运动控制系统的主要挑战是系统涉及到各种电机/驱动器技术，包括从简单的和非同步步进控制到运用逆向运动学的多轴同步控制电机，” Delta Tau公司的工程师Andy Joslin说，他曾经为该项目做过大量工作。

       一些电机被用来接收控制器发出的运动指令，它们中大多数是步进电机，一些是直流、交流有刷电机，还有一些是压电电机（用于精调）。控制器能够进行混和电机控制，从而提供亚微米尺度的位移和角度位置控制。每种光束站都有不同的运动要求：通常一个光束站有60个运动轴，而其中一个具有150个运动轴。

       多数轴是分别控制的，但是当夹持和操作样本时就需要采用多轴插值。这些工具包括基于逆向运动学（非笛卡儿坐标系non-Cartesian）运算的“史都华平台（Stewart Platforms）”（用六轴运动控制进行六轴定位的平台）。Delta Tau公司的Turbo PMAC运动控制器允许用户自己写入运动学程序，对于特定的装置，这些程序也可以定制并实时自动运行程序，这样所有后来的程序都可以按照提示位置的格式书写，通常在笛卡儿坐标系下。

        目前第一个光束线站设备由Oxford Danfysik提供。该系统包括一个中心PMAC2-VME 32轴控制器，它通过MACRO总线和一个全局运动及自动化控制器联网，从而提供分布式运动控制。

       UMAC系统能够访问各种运动控制板、I/O板以及通讯接口（USB、Ethernet等）。这些接口也可用于各种反馈式传感器，或者同主机和外围设备进行通讯，它们非常灵活，能满足每个光束站的需求。

       项目规模

        钻石同步加速器是目前由英国政府提供基金的最大的科学设备，它将耗费30年的时间修建。仅仅是第一期的八个光束线站就将包括500多个轴的运动控制。

       使扭矩最大化

       由于能够“在要求的速度下使扭矩最小化”，Lin Engineering公司已经成为步进电机设计领域公认的技术领袖。在功率输入和电机尺寸的限制下，Lin Engineering公司还设计出了一个在要求的运转速度下让扭矩最大化的电机。Lin Engineering公司可以为宝贵的客户在高速运转和低速运转条件下让扭矩最大化。Lin Engineering公司不但能够在任何操作速度下让扭矩最大化，该公司的电机还能够在所有运转速度下提供最大扭矩效率。另一个选择Lin Engineering公司而不是其他厂商的原因是：它总能最快地为各种设备提供合适的电机。Lin Engineering公司将帮你消除在选择电机时的举棋不定，你不用从Lin Engineering公司买好几个电机进行试验比较来选择合适的电机，你可以直接从Lin Engineering买到合适的电机，这也可以帮助用户在更低的成本下更快地将它们的产品推向市场。

                                          

       钻石光源是第三代3千兆电子伏的同步光源。它将采用所谓的内置装置的磁铁阵列来产生超强的窄电磁光束供科学实验使用。

        钻石光同步设备需要各轴紧密协调，这种运动控制方式能够提供保证精确协调所需的同步装置。只要是多轴同步运动，不论运动是否协调，都存在许多潜在的问题。例如当一个轴出故障时，UMAC控制器能够控制这些问题，因为它们能够及时收到情报并防止装置被破坏。

       为了同时利用分布式系统的硬件优势并保持集中型系统的软件优势和性能，MACRO Ring采用了分布式接口电子元件和集中型控制软件。多数计算都在同一个处理器内进行，以便于进行快速、可靠和易于编码的互动。中央处理器则处理诸如循环性任务等高频、硬性实时的任务，这些任务需要较宽的带宽和可靠的通讯连接。

        位于英国萨里的McLennan Servo Supplies公司将运动控制和机械组装集成在一起。该系统采用微步进电机，电机在安装到光束线站之前已被调到最高精度。McLennan公司的Vic Sawyer称，“研究系统所有的变量例如共振、机械刚度等很重要，当然在安装前还要对整个系统进行试验。”

       这里有一个实例是双晶体单色系统的操作。针对具体要求，运动控制器会创建一个“虚轴”，以帮助两个晶体根据对方的情况进行定位。即使当第一个晶体的位置使光束发生了偏转时，光束也还是保持不变，例如当用Bragg衍射对白色光实行单色过滤以用于探测时情况就是这样。 运动控制器把虚轴当作理论轴，并计算出晶体的每个轴需要的实际运动。