虚拟中子残余应力谱仪控制系统开发

　　引 言

　　本文介绍的中子残余应力谱仪是国内第一台中子衍射应力谱仪, 将被置于中国先进研究堆(CARR)旁。中子残余应力谱仪是一种价格昂贵结构复杂的核仪器, 而谱仪的控制系统是谱仪的大脑, 在谱仪设备中占有极其重要的地位。本文利用虚拟仪器技术设计和开发了基于插卡式的谱仪虚拟控制系统, 实现了对谱仪机械部件的高精度运动控制。相比传统仪器, 该控制系统开发投资少周期短, 为谱仪的建造节省了资金加快了谱仪建造的进度。其硬件组成结构灵活, 可扩展性能强, 为以后谱仪的升级奠定了基础。同时, 本文开发的控制系统对于其它实验室大型实验设备控制系统的开发也具有重要的借鉴意义。

　　1 系统硬件结构

　　中子残余应力谱仪主要机械部件是样品台, 探测器台, 欧拉环及 Omega 小转台, 需要实现八轴运动控制: 样品台 XY 平台X 方向平动, 样品台XY 平台Y 方向平动, 样品台Z 平台Z方向直线运动, 样品台XY 平台转动, 探测器台转动, 欧拉环 角转动, 欧拉环 角转动及Omega 转台转动。每轴涉及控制的共有四种信号: 电机信号, 编码器信号, 机械原点信号及限位开关信号。考虑到需要控制的轴数较多, 且每轴需要处理的信号也较多, 经过调研, 作者选用台湾研华公司的4 轴步进电机控制卡PCI- 1240。该卡具有独立 4 轴电机控制功能, 可接收编码器信号、接近开关信号及限位开关信号, 只需要两块控制卡即可满足八轴运动控制的要求。主控计算机采用电磁屏蔽性能较好的研华 IPC- 610H 工业控制计算机, 该工控机底板有 10 个PCI 插槽, 可以同时插十块 PCI- 1240 电机控制卡, 也就是说最多可以实现四十轴运动控制。这为以后的谱仪升级功能扩展提供了充足的硬件资源余量。作者利用工控机, 电机控制卡及后继的硬件组合开发了谱仪的虚拟控制系统。控制系统的硬件结构如图1 所示。电机控制卡插入工控机底板的PCI 插槽中, 通过 PCL- 10251 电缆线与两块 ADAM- 3952 接线端子相连。其中每块接线端子可连接独立的两轴运动控制单元, 图1(b) 所示的是ADAM- 3952 接线端子与谱仪控制系统的一轴运动控制单元硬件连接示意图。驱动电机的信号由控制软件触发, 由PCI- 1240 产生, 经PCL- 10251 电缆线和ADAM- 3952接线端子输入电机驱动器, 电机驱动器将输入的信号进行分配和功率放大后输出给电机驱动电机转动, 电机转动通过传动组件最终带动目标机械单元运动。机械单元运动带动编码器中的运动部件转动, 编码器发出脉冲信号, 经ADAM- 3952接线端子和PCL- 10251 电缆线由PCI- 1240 电机控制卡接收,再由控制软件将接收的脉冲数转换为实际的位移值。原点信号和限位开关信号会在机械单元运动的过程中触发后发出,PCI- 1240 接收到信号后停止电机信号的发送, 终止机械单元运动; 控制软件与此同时作出相应的响应。