CN112987558B - 稳定核聚变装置中新经典撕裂模的电机运动控制机构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稳定核聚变装置中新经典撕裂模的电机运动控制机构及方法；该机构包括：控制对象、零背隙电机、电机传感器、上位机、运动控制器、伺服驱动器和通讯网络；上位机将稳定新经典撕裂模对控制对象的角度需求转化为零背隙电机的运动参数和控制命令，通过局域以太网和运动控制器通讯；运动控制器通过工业实时以太网和伺服驱动器通讯，向伺服驱动器发送电机运动参数和控制命令，并获取电机实时运动数据；伺服驱动器根据电机运动参数和控制命令，结合电机传感器信号和本地参数，控制零背隙电机在微行程范围内的高速位移和精密定位，从而实现对控制对象的角度调节，以满足在核聚变装置中稳定新经典撕裂模这一物理研究的需求。

Description

稳定核聚变装置中新经典撕裂模的电机运动控制机构及方法

技术领域

本发明涉及核聚变实验技术领域，特别涉及一种稳定核聚变装置中新经典撕裂模的电机运动控制机构及其方法。

背景技术

托卡马克装置为了获得高性能等离子体，必须要对放电过程中出现的新经典撕裂模(NTMs)磁岛进行实时反馈控制。电子回旋加热(ECRH)和电流驱动(ECCD)是目前已知的最佳控制手段，已被广泛用于DIII-D、JT-60U、ASDEX-U、FTU和TCV等国际主流装置，并开展了一系列NTMs控制实验研究。NTMs实时反馈控制的一个关键核心技术，是需要精确、快速地调节电子回旋(EC)波束在等离子体中的沉积位置，使其始终与NTMs磁岛保持对齐。目前，满足NTMs主动控制的需求，主要存在以下不足：

(1)无法同时满足电机运动高精度和快响应两个性能指标，也即实现毫米量级微行程范围内的高速位移和精准控制。

(2)电机运动模式单一，运动参数被封装且难以修改，无法满足灵活的物理实验研究的需求。核聚变装置上NTMs主动控制研究需要探索不同的控制策略，底层电机的运动模式必须予以匹配，并通过不断的实验摸索，对运动参数和控制模式进行优化，以最终满足未来聚变反应堆条件下的控制需求。

(3)无法将可转动镜面转动过程中的实时运动数据与等离子体放电时间同步，不利于后期实验数据的分析。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种稳定核聚变装置中新经典撕裂模的电机运动控制机构及其方法，以期实现电机在毫米量级微行程中的高速运动及精准控制，并发展多种灵活的控制策略，为新经典撕裂模主动控制研究提供可靠的技术支持。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种稳定核聚变装置中新经典撕裂模的电机运动控制机构的特点包括：控制对象、执行单元、控制单元和通讯网络；

所述控制对象为电子回旋波可转动镜面机械组件中的可转动镜面；

所述执行单元包括：零背隙电机、电机传感器；

所述控制单元包括：上位机、运动控制器和伺服驱动器；

所述通讯网络包括：局域千兆以太网、工业实时以太网；

所述通讯网络中的局域千兆以太网用于上位机和运动控制器之间的通讯，工业实时以太网用于运动控制器和伺服驱动器之间的通讯；

所述上位机将对电子回旋波束可转动镜面的角度需求和控制策略转化为所述零背隙电机的运动参数和控制命令，并通过局域千兆以太网发送给运动控制器；同时，通过局域千兆以太网获取电机实时运动数据；并通过上位机串口获取角度传感器检测到的可转动镜面的极向角，以标定控制机构的精度；

所述运动控制器通过局域千兆以太网接收所述上位机发送来的电机运动参数和控制命令，同时，通过工业实时以太网向所述伺服驱动器发送电机运动参数和控制命令，并获取所述伺服驱动器发布的电机实时运动数据；

所述伺服驱动器根据所述电机运动参数和控制命令，结合所述电机传感器信号和本地参数实时输出所述零背隙电机运动所需的电流，从而控制所述零背隙电机驱动所述电子回旋波可转动镜面机械组件转动其可转动镜面；同时，所述伺服驱动器通过工业实时以太网向运动控制器发布电机实时运动数据；

所述零背隙电机是零背隙铁芯磁悬浮线性伺服电动机，用于实现带载高速位移和精密定位。

本发明所述的一种稳定核聚变装置中新经典撕裂模的电机运动控制机构的特点也在于：所述控制单元设置有三种控制策略，所述控制策略包括：连续扫描模式、步进扫描模式、实时反馈模式；

所述连续扫描模式是控制所述可转动镜面在指定的初始角度处，以设定的运动速度在设定的扫描范围内做连续往返运动；

所述步进扫描模式是控制所述可转动镜面在指定的初始角度处，在设定的扫描范围内以设定的步长做单步运动，并根据设定的停留时间在单步运动的每一步做停留后再移至下一步；

所述实时反馈模式是控制所述可转动镜面的角度根据实时测量到的新经典撕裂模的位置做任意步长的实时调节；所调节的步长大小是根据所述可转动镜面的当前位置和期望位置，并由反馈控制算法决定的。

在执行所述实时反馈模式时，令所述电机运动控制机构的响应时间小于新经典撕裂模的增长时间；所述响应时间是从所述上位机发出控制命令，到所述零背隙电机接收到命令并执行指令，最后再将执行到位标识返回到所述上位机的总时长；

所述实时反馈模式是对所述零背隙电机采用如下过程的分段控制方法：

在核聚变装置的每炮等离子体放电前开始前，从所述上位机发送励磁命令使得所述零背隙电机进行励磁，励磁完毕后等待控制命令；

在每炮等离子体放电开始时，所述上位机在接收到控制命令中的角度指令后，将对应的运动参数发送至所述零背隙电机，使其仅执行从当前位置快速移动到指定位置的单步动作，并带动所述可转动镜面完成转动，在转动完成后再将所述零背隙电机的到位标识传送至所述上位机；同时，所述运动控制器实时记录电机运动数据，并在放电结束后，将电机运动数据包上传至所述上位机；

在每炮等离子体放电结束后，从所述上位机发送退磁命令使得所述零背隙电机进行退磁。

所述上位机包括：电机运动控制模块，并按照三种控制策略，分别执行所述运动控制器中对应的五种电机运动模式；所述电机运动模式：包括往返运动、步进运动和双模式步进运动、点到点运动和快速点到点运动；

所述电机运动控制模块首先通过所述电机传感器中的光电感应开关信号和非线性光栅传感器、确认所述零背隙电机当前的左右极限位置和全行程；然后，确认所述可转动镜面极向角的新原点和所述零背隙电机位移的新原点；接着，根据所选的电机运动模式，配置相应模式的运动参数和控制命令；最后，将所述可转动镜面极向角数据换算成所述零背隙电机位移数据，并向运动控制器发送所选电机运动模式的运动参数和控制命令；

所述运动控制器根据所述运动参数和控制命令，并行执行控制命令所要求的本地模块，从而通过所述伺服驱动器，最终实现控制所述零背隙电机根据所选的电机运动模式和运动参数进行运动；所述运动控制器本地模块包括：遍历电机行程和获取极限位置模块、实时运动数据获取显示模块、实时运动数据打包模块、往返运动控制模块、步进运动控制模块、双模式步进运动控制模块、点到点运动控制模块、快速点到点运动控制模块。

本发明一种稳定核聚变装置中新经典撕裂模的电机运动控制方法的特点是通过控制单元和通讯网络，控制零背隙电机的运动，从而驱动电子回旋波束可转动镜面机械组件中的可转动镜面的转动，所述电机运动控制方法是按如下步骤进行：

步骤1、在上位机中配置控制单元的本地参数，包括：伺服驱动器的参数、控制目标性能参数、工业实时以太网和局域以太网的参数、电动机参数及其负载、电机所使用的电缸参数、电子回旋波可转动镜面机械组件的传动系数、电机所使用的传感器参数，优化电机的运动参数并确定PID控制系数；

步骤2、在所述零背隙电机的侧面安装有光电感应开关和非接触式线性光栅传感器，分别用于定位电机左右极限位置和实时电机位置反馈，从而得到零背隙电机的极限位置和全行程，并将零背隙电机定位到全行程范围内的任一位置处；

步骤3、移动所述零背隙电机，直到电子回旋波束沿水平方向入射到指定区域，并以所述可转动镜面所在位置的极向角为0°，作为所述可转动镜面极向角的新原点，同时，以所述零背隙电机的当前位置为0mm，作为所述零背隙电机位移的新原点；

步骤4、选择需要的电机运动模式并配置相应模式的运动参数和控制命令；

步骤5、将所述可转动镜面极向角数据换算成所述零背隙电机位移数据；

步骤6、通过局域以太网向运动控制器发送所配置的电机运动参数和控制命令；

步骤7、所述运动控制器并行执行电机控制命令所调用的本地模块，通过工业实时以太网向所述伺服驱动器发送电机运动参数和控制命令，并获取所述伺服驱动器发布的所述零背隙电机的实时运动数据；

步骤8、所述伺服驱动器根据所述电机运动参数和控制命令，结合所述电机传感器信号和本地参数，实时输出所述零背隙电机运动所需的电流，从而控制所述零背隙电机驱动所述电子回旋波可转动镜面机械组件去转动其可转动镜面；同时，所述伺服驱动器通过工业实时以太网，向所述运动控制器发布所述零背隙电机的实时运动数据；所述零背隙电机的实时运动数据包括电机运动位移、速度、加速度和位移偏差的实时数据；

步骤9、所述上位机通过局域千兆以太网获取所述运动控制器中的所述零背隙电机的实时运动数据，用于实时显示电机运动参数数据；

步骤10、等待所述零背隙电机的本次运动完毕，所述运动控制器将所述电机实时运动数据进行打包，并通过局域千兆以太网传递给上位机，用于本次电机运动的实时运动数据的文件保存和实时运动数据波形图的生成。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明为了满足在全超导托卡马克EAST装置上开展NTMs实时反馈控制研究的需求，提出了一种全新的技术方案和设计思路，成功研制了一套高精度(电机定位精度可达5μm)、快响应(低于50ms)的电机运动控制机构，该电机运动控制机构包括零背隙铁芯磁悬浮线性电机、高性能伺服驱动器、功能强大的运动控制器、基于PXI总线的上位机和电子回旋波可转动镜面机械组件等，利用光电感应开关、线性非接触式光栅系统、霍尔传感器、热电偶和角度传感器等，借助实验室搭建的光学测试平台，可在毫米量级的微距行程(常用行程是0.408mm)中，实现电机的高速位移和精准控制，完成了对该运动控制机构的各项参数的测试与标定，其响应时间为50ms，控制精度为0.5°，关键性能参数达到国际先进水平。

2、本发明设计并实现了3种不同控制策略：连续扫描模式，步进扫描模式，实时反馈模式，能够满足在EAST装置上开展不同NTMs控制实验的需求，具有灵活性的优势，有助于研究利用EC波束稳定NTMs的具体方法和验证其效果。

3、本发明采用磁悬浮线性电机以最大程度地减少机械阻力与摩擦，采用非接触式线性光栅系统、电机动子霍尔片、优化电机运动参数和预配置驱动器PID控制系数，解决了电机在毫米量级微距行程范围内迅速启动和刹车动作这一技术难，同时保障了电机运动速度和位移精度两个性能指标，具有控制精度高、响应速度快的优点。

4、本发明释放伺服驱动器中控制电机运动的关键参数接口(如位移、速度、加速度等)，实现了从上位机到控制器和电机及其伺服驱动器的无缝衔接，方便实验人员从上位机对电机运动的关键参数进行修改，同时从底层伺服驱动器实时获取电机的运动参数(包括位移、位移偏差、速度和加速度)并存储在上位机，有助于后期掌握和分析EC波束沉积的实际运动轨迹，为后期实验数据分析提供了便利，具有良好的交互性。

5、本发明通过局域千兆以太网实现上位机与运动控制器的通讯互联，通过工业实时以太网实现运动控制器和伺服驱动器的通讯互联，便于与其它电机运动机构或控制机构进行集成和互联，可扩展为同时控制多个电机及其伺服驱动器，具有可扩展的优势。

附图说明

图1为本发明电机运动控制机构硬件架构图；

图2为本发明上位机的电机整体运动控制流程图；

图3为本发明上位机的电机快速点到点模式的运动控制流程图；

图4为本发明步进运动模式的电机位移随时间演化的实时数据波形图；

图5为本发明快速点到点运动模式的电机位移随时间演化的实时数据波形图；

具体实施方式

本实施例中，如图1所示，一种稳定核聚变装置中新经典撕裂模的电机运动控制机构，主要包括：控制对象、执行单元、控制单元和通讯网络。

控制对象为：电子回旋波可转动镜面机械组件中的可转动镜面；

执行单元包括：零背隙电机、电机传感器；

控制单元包括：上位机、运动控制器、伺服驱动器；

通讯网络包括：局域千兆以太网、工业实时以太网。

此外，电机运动控制机构还包括：千兆路由器、氦氖激光管及其驱动电源、光学实验平台和坐标屏幕等等。

电子回旋波可转动镜面机械组件固定在光学实验平台的悬架上，将一只可连续输出激光束的氦氖激光管安装在电子回旋波可转动镜面机械组件的微波传输波导管内，以模拟传导到天线发射端的EC波束，同时保证该激光管射出的光束与波导管同圆心。该激光管发出的激光束经可转动镜面反射后，发射到实验装置前方固定的坐标屏幕上，投影出一个红色光斑，通过标记该光斑的中心位置就得到激光在坐标屏幕上的投影位置，进而得到EC波束的实际沉积位置。

电机传感器包括非接触式线性光栅传感器、光电感应开关、霍尔传感器和热电偶。其中，非接触式线性光栅传感器提供精度达1μm的电机位置反馈信号；2个光电感应开关用于确认电机极限位置和全行程，运动传感器获取到光电感应开关信号的传播延迟时间仅1μs；霍尔传感器用于防止电机启动时的前冲；热电偶用于监测电机动子线圈温度。角度传感器具有重量轻、高抗振性，全范围精度为0.1°和响应时间为10ms的特性，安装在可转动镜面的背面，用于实时检测可转动镜面的实际极向角。

通讯网络中的局域千兆以太网主要通过配置千兆路由器进行组建，用于上位机和运动控制器之间的通讯，工业实时以太网主要通过配置运动控制器进行组建，用于运动控制器和伺服驱动器之间的实时通讯。

上位机将对电子回旋波束沉积位置的控制需求转化为零背隙电机的运动参数和控制命令，并通过局域千兆以太网发送给运动控制器；并在实验室环境下，通过上位机串口获取角度传感器检测到的可转动镜面的极向角，以标定控制机构的精度，同时通过局域千兆以太网从运动控制器中获取电机实时运动数据，其中，零背隙电机是零背隙铁芯磁悬浮线性伺服电动机，用于实现带载高速位移和精密定位。

运动控制器的循环时间为5kHz。运动控制器通过局域千兆以太网接收上位机发送来的电机运动参数和控制命令，并行执行控制命令所要求的本地模块；通过工业实时以太网发布电机运动参数和控制命令给伺服驱动器，同时，实时获取伺服驱动器发布的电机实时运动数据。

伺服驱动器的频率响应为4kHz，根据电机运动参数和控制命令，结合电机传感器信号和本地参数，实时输出零背隙电机运动所需的电流，通过控制电机实现带载高速位移和精密定位，从而驱动电子回旋波可转动镜面机械组件快速精密地转动其可转动镜面；同时，伺服驱动器通过工业实时以太网向运动控制器发布电机实时运动数据。

具体实施中，在控制单元中根据稳定核聚变装置中新经典撕裂模的物理需求设计三种控制策略，包括：连续扫描模式、步进扫描模式、实时反馈模式；

(1)连续扫描模式：从上位机监控界面设置初始位置、扫描速度和扫描范围，上位机电机运动控制模块将设置参数转换为运动参数和控制命令，控制零背隙电机以指定的运动速度在设定的扫描范围内做连续往返运动。其中初始位置是指镜面角度的初始位置，由实验测量到的新经典撕裂模的位置决定；设定的扫描范围要小于5°；扫描速度为电机的位移速度，在10-100mm/ms内任意指定。

(2)步进扫描模式：从上位机监控界面设置初始位置、扫描速度和扫描范围，运动步长及停留时间，上位机电机运动控制模块将设置参数转换为运动参数和控制命令，控制零背隙电机在设定的扫描范围内以固定的步长做单步运动，每移动一步，就在此位置上停留一段时间，然后再移至下一步。其中初始位置是指镜面角度的初始位置，由实验测量到的新经典撕裂模的位置决定；设定的扫描范围要小于5°，扫描步长一般为0.5°或1°，停留时间为20ms–100ms任意选取。

(3)实时反馈模式：根据核聚变装置等离子体脉冲放电的特点，在每一炮放电开始前，先从上位机界面发送逆磁命令对零背隙电机进行逆磁操作；然后在放电开始时，当上位机接收到步长调节控制命令时，电机运动控制模块将调节步长转换为运动参数和控制命令，控制零背隙电机按照接收的参数做单步快速移动并停止；最后在放电结束后，从上位机界面发送退磁命令对零背隙电机进行退磁操作。

实验室测试时，采用上位机手动输入初始位置、调节步长等参数，重点对控制机构的响应时间和控制精度进行测试。其中初始位置是指镜面角度的初始位置，由实验测量到的新经典撕裂模的位置决定；设定调节步长为0.5°或1°。

核聚变装置稳定经典撕裂模实验中，该控制机构上位机需要与中国实用新型专利(ZL201821127862.0)中的撕裂模磁岛实时探测系统进行连接，以获取每一炮等离子体脉冲放电的起始时刻和炮号，并在等离子体放电开始之后，实时监听新经典撕裂模的位置信息，并根据可转动镜面的当前位置和期望位置，由物理实验人员提供的反馈控制算法决定每一实时控制周期内的调节步长。调节步长一般为0.5°或1°。

具体实施中，上位机还包括：电机运动控制模块，并对应电机运动控制策略，用于分别执行运动控制器中的往返运动、步进运动和双模式步进运动、点到点运动和快速点到点运动的控制模块；

运动控制器包括8个本地模块：遍历电机行程和获取极限位置模块、实时运动数据获取显示模块、实时运动数据打包模块、往返运动控制模块、步进运动控制模块、双模式步进运动控制模块、点到点运动控制模块、快速点到点运动控制模块。其中，遍历电机行程和获取极限位置模块用于确认电机左右极限位置和全行程。实时运动数据获取显示模块用于实时获取电机运动数据以供上位机获取。实时运动数据打包模块用于打包每次电机运动过程中的实时运动数据。往返运动控制模块用于发送电机往返运动的运动参数和控制命令给伺服驱动器。步进运动控制模块用于发送电机步进运动的运动参数和控制命令给伺服驱动器。双模式步进运动控制模块用于发送电机双模式步进运动的运动参数和控制命令给伺服驱动器。点到点运动控制模块用于发送电机点到点运动的运动参数和控制命令给伺服驱动器。快速点到点运动控制模块用于发送电机快速点到点运动的运动参数和控制命令给伺服驱动器。

上位机电机运动控制模块首先通过电机传感器中的光电感应开关信号和非线性光栅传感器、运动控制器的遍历电机行程和获取极限位置模块，确认零背隙电机当前的左右极限位置和全行程。然后，移动零背隙电机，直到电子回旋波束沿水平方向入射到指定区域，从而确认可转动镜面极向角的新原点和零背隙电机位移的新原点。即设置此时可转动镜面所在位置的极向角为0°，作为可转动镜面极向角的新原点，同时，设置零背隙电机的当前位置为0mm，作为零背隙电机位移的新原点。接着，根据所选的电机运动模式，配置相应模式的运动参数和控制命令。最后，将可转动镜面极向角数据换算成零背隙电机位移数据。例如，可转动镜面的极向角是0°，则对应的电机位移是0mm。可转动镜面的极向角是-0.5°，则对应的电机位移是-0.408mm。并且向运动控制器发送所选电机运动模式的运动参数和控制命令。

运动控制器根据运动参数和控制命令，并行执行控制命令所要求的本地模块，从而通过伺服驱动器，最终实现控制零背隙电机根据所选的电机运动模式和运动参数进行运动。

具体实施中，如图2所示，一种稳定核聚变装置中新经典撕裂模的电机运动控制方法，是通过控制单元和通讯网络，控制零背隙电机的运动，从而驱动电子回旋波束可转动镜面机械组件中的可转动镜面的转动，该电机运动控制方法是按如下主要步骤进行：

步骤1、在上位机中配置控制单元的本地参数，包括：伺服驱动器的参数、控制目标性能参数、工业实时以太网和局域以太网的参数、电动机参数及其负载、电机所使用的电缸参数、电子回旋波可转动镜面机械组件的传动系数、电机所使用的传感器参数，优化电机运动参数并确定PID控制系数。这里优化电机的运动参数主要是加(减)速度、加加速度、故障时的减速度。预配置的PID控制系数指伺服驱动器所选用的非线性位置控制中的PID系数。

步骤2、搜索上位机所有可用的串口资源以找到角度传感器使用的串口，并确认角度传感器和电机运动控制模块之间的通讯正常；创建运动控制器的系统急停控件以确保电机运行安全。创建急停控件失败，则返回。以下过程中，一旦检测到系统急停事件，则会立即停止电机运动和电机运动控制模块。

步骤3、定时检查有无事件发生。

定时检测有无发生的事件包括停止电机运动控制模块事件、系统急停事件、电机运动模式选择事件、系统错误显示和当前位置信息获取事件、电机运动参数数据随时间演化的波形图显示事件。其中，电机运动模式选择事件有5种，分别是：往返运动模式选择、步进运动模式选择和双模式步进运动模式选择、点到点运动模式选择和快速点到点运动模式选择。

步骤4、要进行电机运动控制，必须首先遍历电机行程。

上位机通过电机传感器中的光电感应开关和非线性光栅传感器、运动控制器的遍历电机行程和获取极限位置模块，确认零背隙电机当前的左右极限位置和全行程。这是为接下来的电机运动提供位置参考和确认安全运行区间。

步骤5、移动零背隙电机，直到电子回旋波束沿着水平方向入射到核聚变装置指定等离子体区域，从而确认此时的可转动镜面的极向角是可转动镜面极向角的新原点，即设置此位置处的可转动镜面极向角是0°，并且确认此时的零背隙电机所在位置是电机位移的新原点，即设置此位置处的电机位移是0mm。最后，加载优化的电机运动参数。

步骤6、选择需要的电机运动模式，并配置相应模式的运动参数和控制命令。如选择步进运动模式，则需要配置的运动参数有：可转动镜面初始角度(°)、运动到初始位置处的速度(mm/s)和停顿时间(ms)、步长角度(可转动镜面极向角的常用步长为0.5°，对应的电机位移是0.408mm)、步数、步进运动的速度(mm/s)、步间停顿时间(ms)。同时，需要配置的控制命令主要是执行步进运动控制模块。

步骤7、将可转动镜面的极向角数据转换成对应的电机位移数据。如选择步进运动模式，这里需要将所配置的可转动镜面极向角运动参数转换成相应的电机位移运动参数，转换的具体过程是：首先，根据可转动镜面初始角度、步数和步长(角度)计算出本次步进运动完毕时可转动镜面的最终角度。然后，确认最终角度是否在安全范围内，不在则返回并等待重新设置运动参数。在安全运动范围内，则换算出每步运动的角度。最后，计算出相应的包括初始电机位置以及每步运动后对应的电机位移数组。

步骤8、通过局域千兆以太网向运动控制器发送所配置和换算出的电机运动参数和控制命令；如选择步进运动模式，这里包括所配置的步进运动参数，控制命令是执行运动控制器中实时运动数据获取显示模块、实时运动数据打包模块和步进运动控制模块。

步骤9、运动控制器通过工业实时以太网向伺服驱动器发布电机运动参数和控制命令，并获取伺服驱动器发布的电机实时运动数据。这里的电机实时运动数据是指电机位移、速度、加速度和位移偏差这四种运动参数的实时数据，每种运动参数的数据频率为1kHz。

步骤10、伺服驱动器根据电机运动参数和控制命令，结合电机传感器信号和本地参数，实时输出零背隙电机运动所需的电流，从而控制零背隙电机驱动电子回旋波可转动镜面机械组件去转动其可转动镜面。同时，伺服驱动器通过工业实时以太网，向运动控制器发布电机实时运动数据，该零背隙电机的实时运动数据包括电机运动位移、速度、加速度和位移偏差的实时数据。

步骤11、上位机通过局域千兆以太网获取运动控制器中的电机实时运动数据，用于实时显示。

步骤12、等待零背隙电机的本次运动完毕，上位机获取运动控制器中的本次电机运动的实时运动数据包，然后，生成和保存实时运动数据文件，生成和显示实时运动数据随时间演化的波形图。这里的电机实时运动数据包是电机位移、速度、加速度和位移偏差这四种运动参数在本次电机运动中的所有实时数据。

步骤13、继续定时检测有无事件发生。

步骤14、需要退出电机运动控制模块时，选择停止控件，则会消除初始创建的系统急停控件并退出运行。

下面以控制策略中的实时反馈模式中的快速点到点运动模式为例，详细阐述电机运动控制机构在执行电机快速点到点运动控制模式时的具体工作过程：

如图3所示。在电机运动模式选择事件中，上位机选择了快速点到点(FPTP)运动模式，其后的主流程如下：

(1)设置是否保存本次电机运动的电机实时运动数据。

(2)电机励磁状态判断。未励磁，则进一步判断是否有电机励磁命令。有励磁命令，则执行

电机励磁；没有励磁命令，并返回到励磁状态判断。这里的电机励磁必须在等离子体每炮放电前执行完毕。电机当前已励磁，则进一步判断电机运动状态。处于运动中，则返回到电机运动状态判断；未运动，则进一步判断是否有电机退磁命令；有电机退磁命令，则执行电机退磁，并返回到励磁状态判断。这里的电机退磁必须在等离子体每炮放电结束后执行。没有电机退磁命令，则继续下面的步骤。

(3)设置本次电机运动的运动参数，并将可转动镜面的极向角数据换算成电机位移数据。这里设置的运动参数包括：可转动镜面初始角度、终点角度、速度。假设可转动镜面初始角度为0°，终点角度为0.5°，则对应的电机位移是0mm以及0.408mm。

(4)打开角度传感器的串口，并获取当前可转动镜面极向角的实际值。

(5)传递本次电机运动的运动参数和控制命令给运动控制器。在等离子体每炮放电期间，可能会根据主动NTMs控制的需要，不断执行本步骤以及以下步骤。

(6)运动控制器并行执行控制命令所要求的本地模块，这里执行的本地模块是：实时运动数据获取模块、实时运动数据打包模块和步进运动控制模块。同时，发布电机运动参数和步进运动控制命令给伺服驱动器。

(7)伺服驱动器根据电机运动参数和控制命令，结合电机传感器信号和本地参数，实时输出电机运动所需要的电流，控制电机完成本次步进运动，从而驱动可转动镜面进行相应的转动。伺服驱动器同时向运动控制器发布电机实时运动数据。

(8)实时显示从运动控制器获取到的相关运动数据，同时等待本次电机运动完毕。

(9)本次电机快速点到点运动正常完毕，从串口获取当前可转动镜面极向角的实际值以验证本次运动完成的结果。例如，初始角度为1°，最终角度应该为1.5°。如果串口检测到的当前可转动镜面极向角在[1.45°,1.55°]范围内，则认为成功完成本次运动。最后，关闭角度传感器的串口通讯。

(10)获取运动控制器中的本次电机运动的实时运动数据包，生成和保存本次电机运动的实时运动数据文件，生成和显示本次电机运动的实时运动数据随时间演化的波形图。

本次电机快速点到点运动控制完毕。

如图4所示，电机运动模式选择为步进运动模式时，电机位移随时间演化的实时数据波形图。电机初始位置是30mm，步长是-0.125mm，步间停顿时间为100ms，步数为8时，速度是100mm/s，其他电机运动参数是优化后的运动参数。到达的最终位置是29mm。此时，可转动镜面的极向角转动了-1.25°。

如图5所示，电机运动模式选择为快速点到点运动模式时，电机位移随时间演化的实时数据波形图。电机初始位置是0.408mm，停顿时间为0，终点位置是0mm，速度是100mm/s，其他电机运动参数是优化后的运动参数。完成电机运动并包含整定时间，共计约40ms。此时，可转动镜面的极向角转动了-0.5°。

综上所述，为同时满足电机运动高精度和快响应两个性能指标，向上位机释放底层电机运动参数，探索NTMs主动控制研究需要的多种控制策略的实验研究以及解决将记录电机控制可转动镜面转动过程中的实时运动数据与等离子体放电时间同步的问题，本发明建立了一种稳定核聚变装置中新经典撕裂模的电机运动控制机构，在毫米量级微距行程(常用行程是0.408mm)中实现了电机带载的高速位移和精密控制，并且开展利用EC波束主动控制NTMs磁岛的方案研究和实验室模拟测试，提供了在核聚变装置上开展NTMs实时反馈控制研究的新电机运动控制方案。该方案具有控制精度高(电机定位精度5μm，可转动镜面极向角定位精度0.5°。)、响应速度快、良好的交互性和可扩展的优势。

Claims (5)

1.一种稳定核聚变装置中新经典撕裂模的电机运动控制机构，其特征包括：控制对象、执行单元、控制单元和通讯网络；

所述控制对象为电子回旋波可转动镜面机械组件中的可转动镜面；

所述执行单元包括：零背隙电机、电机传感器；

所述控制单元包括：上位机、运动控制器和伺服驱动器；

所述通讯网络包括：局域千兆以太网、工业实时以太网；

所述通讯网络中的局域千兆以太网用于上位机和运动控制器之间的通讯，工业实时以太网用于运动控制器和伺服驱动器之间的通讯；

所述上位机将对电子回旋波束可转动镜面的角度需求和控制策略转化为所述零背隙电机的运动参数和控制命令，并通过局域千兆以太网发送给运动控制器；同时，通过局域千兆以太网获取电机实时运动数据；并通过上位机串口获取角度传感器检测到的可转动镜面的极向角，以标定控制机构的精度；

所述运动控制器通过局域千兆以太网接收所述上位机发送来的电机运动参数和控制命令，同时，通过工业实时以太网向所述伺服驱动器发送电机运动参数和控制命令，并获取所述伺服驱动器发布的电机实时运动数据；

所述伺服驱动器根据所述电机运动参数和控制命令，结合所述电机传感器信号和本地参数实时输出所述零背隙电机运动所需的电流，从而控制所述零背隙电机驱动所述电子回旋波可转动镜面机械组件转动其可转动镜面；同时，所述伺服驱动器通过工业实时以太网向运动控制器发布电机实时运动数据；

所述零背隙电机是零背隙铁芯磁悬浮线性伺服电动机，用于实现带载高速位移和精密定位。

2.根据权利要求1所述的一种稳定核聚变装置中新经典撕裂模的电机运动控制机构，其特征是：所述控制单元设置有三种控制策略，所述控制策略包括：连续扫描模式、步进扫描模式、实时反馈模式；

所述连续扫描模式是控制所述可转动镜面在指定的初始角度处，以设定的运动速度在设定的扫描范围内做连续往返运动；

所述步进扫描模式是控制所述可转动镜面在指定的初始角度处，在设定的扫描范围内以设定的步长做单步运动，并根据设定的停留时间在单步运动的每一步做停留后再移至下一步；

所述实时反馈模式是控制所述可转动镜面的角度根据实时测量到的新经典撕裂模的位置做任意步长的实时调节；所调节的步长大小是根据所述可转动镜面的当前位置和期望位置，并由反馈控制算法决定的。

3.根据权利要求2所述一种稳定核聚变装置中新经典撕裂模的电机运动控制机构，其特征是，在执行所述实时反馈模式时，令所述电机运动控制机构的响应时间小于新经典撕裂模的增长时间；所述响应时间是从所述上位机发出控制命令，到所述零背隙电机接收到命令并执行指令，最后再将执行到位标识返回到所述上位机的总时长；

所述实时反馈模式是对所述零背隙电机采用如下过程的分段控制方法：

在核聚变装置的每炮等离子体放电前开始前，从所述上位机发送励磁命令使得所述零背隙电机进行励磁，励磁完毕后等待控制命令；

在每炮等离子体放电开始时，所述上位机在接收到控制命令中的角度指令后，将对应的运动参数发送至所述零背隙电机，使其仅执行从当前位置快速移动到指定位置的单步动作，并带动所述可转动镜面完成转动，在转动完成后再将所述零背隙电机的到位标识传送至所述上位机；同时，所述运动控制器实时记录电机运动数据，并在放电结束后，将电机运动数据包上传至所述上位机；

在每炮等离子体放电结束后，从所述上位机发送退磁命令使得所述零背隙电机进行退磁。

4.根据权利要求2所述一种稳定核聚变装置中新经典撕裂模的电机运动控制机构，其特征是，所述上位机包括：电机运动控制模块，并按照三种控制策略，分别执行所述运动控制器中对应的五种电机运动模式；所述电机运动模式：包括往返运动、步进运动和双模式步进运动、点到点运动和快速点到点运动；

所述电机运动控制模块首先通过所述电机传感器中的光电感应开关信号和非线性光栅传感器、确认所述零背隙电机当前的左右极限位置和全行程；然后，确认所述可转动镜面极向角的新原点和所述零背隙电机位移的新原点；接着，根据所选的电机运动模式，配置相应模式的运动参数和控制命令；最后，将所述可转动镜面极向角数据换算成所述零背隙电机位移数据，并向运动控制器发送所选电机运动模式的运动参数和控制命令；

所述运动控制器根据所述运动参数和控制命令，并行执行控制命令所要求的本地模块，从而通过所述伺服驱动器，最终实现控制所述零背隙电机根据所选的电机运动模式和运动参数进行运动；所述运动控制器的本地模块包括：遍历电机行程和获取极限位置模块、实时运动数据获取显示模块、实时运动数据打包模块、往返运动控制模块、步进运动控制模块、双模式步进运动控制模块、点到点运动控制模块、快速点到点运动控制模块。

5.一种稳定核聚变装置中新经典撕裂模的电机运动控制方法，其特征是通过控制单元和通讯网络，控制零背隙电机的运动，从而驱动电子回旋波束可转动镜面机械组件中的可转动镜面的转动，所述电机运动控制方法是按如下步骤进行：

步骤1、在上位机中配置控制单元的本地参数，包括：伺服驱动器的参数、控制目标性能参数、工业实时以太网和局域以太网的参数、电动机参数及其负载、电机所使用的电缸参数、电子回旋波可转动镜面机械组件的传动系数、电机所使用的传感器参数，优化电机的运动参数并确定PID控制系数；

步骤2、在所述零背隙电机的侧面安装有光电感应开关和非接触式线性光栅传感器，分别用于定位电机左右极限位置和实时电机位置反馈，从而得到零背隙电机的极限位置和全行程，并将零背隙电机定位到全行程范围内的任一位置处；

步骤3、移动所述零背隙电机，直到电子回旋波束沿水平方向入射到指定区域，并以所述可转动镜面所在位置的极向角为0°，作为所述可转动镜面极向角的新原点，同时，以所述零背隙电机的当前位置为0mm，作为所述零背隙电机位移的新原点；

步骤4、选择需要的电机运动模式并配置相应模式的运动参数和控制命令；

步骤5、将所述可转动镜面极向角数据换算成所述零背隙电机位移数据；

步骤6、通过局域以太网向运动控制器发送所配置的电机运动参数和控制命令；

步骤7、所述运动控制器并行执行电机控制命令所调用的本地模块，通过工业实时以太网向所述伺服驱动器发送电机运动参数和控制命令，并获取所述伺服驱动器发布的所述零背隙电机的实时运动数据；

步骤8、所述伺服驱动器根据所述电机运动参数和控制命令，结合电机传感器信号和本地参数，实时输出所述零背隙电机运动所需的电流，从而控制所述零背隙电机驱动所述电子回旋波可转动镜面机械组件去转动其可转动镜面；同时，所述伺服驱动器通过工业实时以太网，向所述运动控制器发布所述零背隙电机的实时运动数据；所述零背隙电机的实时运动数据包括电机运动位移、速度、加速度和位移偏差的实时数据；

步骤9、所述上位机通过局域千兆以太网获取所述运动控制器中的所述零背隙电机的实时运动数据，用于实时显示电机运动参数数据；

步骤10、等待所述零背隙电机的本次运动完毕，所述运动控制器将所述电机实时运动数据进行打包，并通过局域千兆以太网传递给上位机，用于本次电机运动的实时运动数据的文件保存和实时运动数据波形图的生成。

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