上海光源快速軌道反饋系統

殷重先，趙黎穎，姜伯承

（中國科學院 上海應用物理研究所，上海 201800）

上海光源快速軌道反饋系統將上海光源的束流軌道穩定性提高到10-7m 數量級，采用的分布式實時控制結構也是在國內三代光源上首次實現，經過對軟件算法的不斷改進，在軌道噪聲抑制帶寬和軌道擾動抑制方面達到了國際三代光源的先進水平。本文將對上海光源的快速軌道反饋系統進行介紹。

1 系統結構

快速軌道反饋（FOFB）系統由分布于儲存環的60 臺快校正子（包括水平和垂直方向）、120臺快校正電源、40臺BPM 和10套電子學組成，單元的元件布局如圖1 所示。目前，FOFB系統的采樣頻率為10kHz，快校正子和BPM 系統的模擬帶寬可達1kHz［1-2］。

圖1 FOFB系統中單元的元件布局Fig.1 FOFB system devices layout in cell

上海光源FOFB 系統是基于光纖的分布式控制網絡，10套電子學控制系統與儲存環定時系統分別安裝在10個本地站。每個本地站中有兩個基于SBC 的VME 單板計算機、4臺BPM 電子學設備（Libera）、12臺雙向快校正電源（為6臺校正子供電）、1套反射內存和1 塊定時模塊EVR。

FOFB系統采用了分布式計算，在10 個本地站中，存儲在各自反射內存中的軌道數據可通過2.5Gbits的光纖網共享，每個本地站中快校正電源的設置參數是在各自本地站中分別計算的。FOFB 系統使用全局軌道反饋機制，使用SVD 算法產生廣義逆矩陣來計算快校正電源參數。FOFB系統使用PI調節器，但在本系統中大多使用P（比例）系數和I（積分）系數，快速軌道反饋系統的性能，即對軌道噪聲的抑制帶寬，很大程度上依賴于PI調節器的參數。

整個FOFB系統的結構如圖2所示。

1.1 硬件結構

FOFB系統中使用了帶2.5Gbits光纖口的Libera作為BPM 電子學設備，其數據傳輸速率為10kHz，帶寬為1kHz。為減少數據幀解碼的恢復時間，使用了通用千兆以太網模塊（PMC模塊）接收從Libera傳來的軌道反饋數據，再使用原始幀的解碼（非UDP／IP 協議）方法從Libera數據幀抽取軌道數據。

圖2 FOFB系統結構Fig.2 FOFB system structure

FOFB系統為獲得10kHz的采樣頻率，每個本地站使用兩塊VME SBC 單板計算機，一塊用來接收來自Libera的軌道數據，另一塊用來計算快校正電源參數。詳細的反饋系統工作過程如下。

每個本地站定時系統的EVR 通過VME中斷機制來同步10個本地站的反饋控制系統。在定時系統EVG 中設計一專用事件碼，該事件碼由FOFB系統時鐘產生（約10kHz），每個EVR 接收到此事件碼后，將其映射成VME 中斷輸出。通過這種方式，每個本地站的FOFB任務通過VME中斷同時被觸發。

硬件結構如圖3所示。

1.2 軟件結構

SSRF FOFB 系統運行在vxWorks 5.5.1和EPICS base-3.14.8.2平臺上。軟件結構如圖4所示。

因為每個本地站安裝了兩塊VME SBC單板機，所以每個本地站就有兩個IOC 運行。一個IOC（BPM IOC）通過以太網數據幀觸發來接收軌道數據。當軌道數據幀到達時，BPM SBC IOC被觸發，從以太網數據幀中抽取軌道數據，然后將數據存儲在SBC存儲器中。另外一個IOC（反饋SBC）通過VME總線獲取軌道數據，然后將該本地站的軌道數據發送到反射內存網絡中。反饋系統SBC IOC被該本地站的EVR 觸發，從反射內存網絡中獲取所有BPM 的軌道數據，然后計算本地站快校正電源參數，并將計算得到的參數通過塑料光纖下載到每臺快校正電源。

圖3 SSRF FOFB系統硬件結構Fig.3 Hardware structure of SSRF FOFB system

圖4 SSRF FOFB系統軟件結構Fig.4 Software structure of SSRF FOFB system

FOFB系統的完整操作過程示于圖5。整個執行周期約700μs，即7個FOFB系統的反饋周期。

2 算法升級

圖5 SSRF FOFB系統完整執行時間Fig.5 Operation sequence of SSRF FOFB system

SSRF FOFB于2014年3月以混合軌道反饋（快反饋＋慢反饋）方式投入正式運行，運行后系統穩定，但存在著軌道的校正誤差在PI調節器中累積造成校正電源出現單邊增長趨勢 的 問 題。2014 年7 月 底，對FOFB 系 統 的軟件算法又進行了升級，采用PI調節器＋廣義逆矩陣的SVD 算法結構，如圖6 所示。系統受限于快校正子數量，仍采用混合軌道反饋工作模式，但解決了快校正子電源飽和的問題，對軌道噪聲的抑制水平在垂直方向提高了近10倍。

圖6 升級后的SVD 算法結構Fig.6 Updated SVD algorithmic structure

3 系統性能

軌道功率密度（PSD）和平面累積的軌道PSD如圖7、8 所示（包括水平和垂直方向）。軌道PSD 是從Libera獲取的軌道數據計算得到的（10kHz采樣率和1kHz模擬帶寬）。從圖7、8 可看出，每個平面上的軌道噪聲抑制帶寬均能達到或超過100 Hz。從升級前實測結果（圖9）和升級后的實測結果（圖10、11）可看出，升級后水平方向軌道穩定性達0.027μm（RMS），垂直方向軌道穩定性達0.007μm（RMS），提高了近10倍。從校正電源數據看出，升級后校正電源不再有單邊增長至飽和的問題。

圖7 水平和垂直方向的軌道功率密度Fig.7 Obit PSD in horizontal and vertical planes

圖8 平面累積的軌道功率密度Fig.8 Cumulative obit PSD in horizontal and vertical planes

圖9 升級前軌道穩定性（9h）Fig.9 Orbit stability before update（9h）

圖10 升級后軌道穩定性（8h）Fig.10 Orbit stability after update（8h）

圖11 升級后校正電源的電流（8h）Fig.11 Current of correct power supply after update（8h）

4 結論

PI調節參數和特征值選擇與FOFB 系統的性能和穩定性有很大的相關性。特征值選取越多，FOFB系統越穩定，但會導致FOFB環路中產生的附加軌道漂移越大。對于PI調節參數，參數的增益越大，系統的穩定性越差。因此，通過選取合適的廣義逆矩陣中的特征值和PI參數，軌道噪聲抑制帶寬和FOFB系統的穩定性能同時得到滿足。經算法升級，快速軌道反饋系統性能已達世界先進水平，但受限于校正子的數量，還必須以混合反饋系統形式運行。

［1］ JIANG B C，HOU J，YIN C X，et al.Status of the SSRF fast obit feedback system［C］∥Proceedings of IPAC.［S.l.］：［s.n.］，2012：2 855-2 857.

［2］ 殷重先.SSRF 快速軌道反饋系統研究［D］.上海：中國科學院上海應用物理研究所，2007.