上海光源快速轨道反馈系统

殷重先，赵黎颖，姜伯承

（中国科学院 上海应用物理研究所，上海 201800）

上海光源快速轨道反馈系统将上海光源的束流轨道稳定性提高到10-7m 数量级，采用的分布式实时控制结构也是在国内三代光源上首次实现，经过对软件算法的不断改进，在轨道噪声抑制带宽和轨道扰动抑制方面达到了国际三代光源的先进水平。本文将对上海光源的快速轨道反馈系统进行介绍。

1 系统结构

快速轨道反馈（FOFB）系统由分布于储存环的60 台快校正子（包括水平和垂直方向）、120台快校正电源、40台BPM 和10套电子学组成，单元的元件布局如图1 所示。目前，FOFB系统的采样频率为10kHz，快校正子和BPM 系统的模拟带宽可达1kHz［1-2］。

图1 FOFB系统中单元的元件布局Fig.1 FOFB system devices layout in cell

上海光源FOFB 系统是基于光纤的分布式控制网络，10套电子学控制系统与储存环定时系统分别安装在10个本地站。每个本地站中有两个基于SBC 的VME 单板计算机、4台BPM 电子学设备（Libera）、12台双向快校正电源（为6台校正子供电）、1套反射内存和1 块定时模块EVR。

FOFB系统采用了分布式计算，在10 个本地站中，存储在各自反射内存中的轨道数据可通过2.5Gbits的光纤网共享，每个本地站中快校正电源的设置参数是在各自本地站中分别计算的。FOFB 系统使用全局轨道反馈机制，使用SVD 算法产生广义逆矩阵来计算快校正电源参数。FOFB系统使用PI调节器，但在本系统中大多使用P（比例）系数和I（积分）系数，快速轨道反馈系统的性能，即对轨道噪声的抑制带宽，很大程度上依赖于PI调节器的参数。

整个FOFB系统的结构如图2所示。

1.1 硬件结构

FOFB系统中使用了带2.5Gbits光纤口的Libera作为BPM 电子学设备，其数据传输速率为10kHz，带宽为1kHz。为减少数据帧解码的恢复时间，使用了通用千兆以太网模块（PMC模块）接收从Libera传来的轨道反馈数据，再使用原始帧的解码（非UDP／IP 协议）方法从Libera数据帧抽取轨道数据。

图2 FOFB系统结构Fig.2 FOFB system structure

FOFB系统为获得10kHz的采样频率，每个本地站使用两块VME SBC 单板计算机，一块用来接收来自Libera的轨道数据，另一块用来计算快校正电源参数。详细的反馈系统工作过程如下。

每个本地站定时系统的EVR 通过VME中断机制来同步10个本地站的反馈控制系统。在定时系统EVG 中设计一专用事件码，该事件码由FOFB系统时钟产生（约10kHz），每个EVR 接收到此事件码后，将其映射成VME 中断输出。通过这种方式，每个本地站的FOFB任务通过VME中断同时被触发。

硬件结构如图3所示。

1.2 软件结构

SSRF FOFB 系统运行在vxWorks 5.5.1和EPICS base-3.14.8.2平台上。软件结构如图4所示。

因为每个本地站安装了两块VME SBC单板机，所以每个本地站就有两个IOC 运行。一个IOC（BPM IOC）通过以太网数据帧触发来接收轨道数据。当轨道数据帧到达时，BPM SBC IOC被触发，从以太网数据帧中抽取轨道数据，然后将数据存储在SBC存储器中。另外一个IOC（反馈SBC）通过VME总线获取轨道数据，然后将该本地站的轨道数据发送到反射内存网络中。反馈系统SBC IOC被该本地站的EVR 触发，从反射内存网络中获取所有BPM 的轨道数据，然后计算本地站快校正电源参数，并将计算得到的参数通过塑料光纤下载到每台快校正电源。

图3 SSRF FOFB系统硬件结构Fig.3 Hardware structure of SSRF FOFB system

图4 SSRF FOFB系统软件结构Fig.4 Software structure of SSRF FOFB system

FOFB系统的完整操作过程示于图5。整个执行周期约700μs，即7个FOFB系统的反馈周期。

2 算法升级

图5 SSRF FOFB系统完整执行时间Fig.5 Operation sequence of SSRF FOFB system

SSRF FOFB于2014年3月以混合轨道反馈（快反馈＋慢反馈）方式投入正式运行，运行后系统稳定，但存在着轨道的校正误差在PI调节器中累积造成校正电源出现单边增长趋势 的 问 题。2014 年7 月 底，对FOFB 系 统 的软件算法又进行了升级，采用PI调节器＋广义逆矩阵的SVD 算法结构，如图6 所示。系统受限于快校正子数量，仍采用混合轨道反馈工作模式，但解决了快校正子电源饱和的问题，对轨道噪声的抑制水平在垂直方向提高了近10倍。

图6 升级后的SVD 算法结构Fig.6 Updated SVD algorithmic structure

3 系统性能

轨道功率密度（PSD）和平面累积的轨道PSD如图7、8 所示（包括水平和垂直方向）。轨道PSD 是从Libera获取的轨道数据计算得到的（10kHz采样率和1kHz模拟带宽）。从图7、8 可看出，每个平面上的轨道噪声抑制带宽均能达到或超过100 Hz。从升级前实测结果（图9）和升级后的实测结果（图10、11）可看出，升级后水平方向轨道稳定性达0.027μm（RMS），垂直方向轨道稳定性达0.007μm（RMS），提高了近10倍。从校正电源数据看出，升级后校正电源不再有单边增长至饱和的问题。

图7 水平和垂直方向的轨道功率密度Fig.7 Obit PSD in horizontal and vertical planes

图8 平面累积的轨道功率密度Fig.8 Cumulative obit PSD in horizontal and vertical planes

图9 升级前轨道稳定性（9h）Fig.9 Orbit stability before update（9h）

图10 升级后轨道稳定性（8h）Fig.10 Orbit stability after update（8h）

图11 升级后校正电源的电流（8h）Fig.11 Current of correct power supply after update（8h）

4 结论

PI调节参数和特征值选择与FOFB 系统的性能和稳定性有很大的相关性。特征值选取越多，FOFB系统越稳定，但会导致FOFB环路中产生的附加轨道漂移越大。对于PI调节参数，参数的增益越大，系统的稳定性越差。因此，通过选取合适的广义逆矩阵中的特征值和PI参数，轨道噪声抑制带宽和FOFB系统的稳定性能同时得到满足。经算法升级，快速轨道反馈系统性能已达世界先进水平，但受限于校正子的数量，还必须以混合反馈系统形式运行。

［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 快速轨道反馈系统研究［D］.上海：中国科学院上海应用物理研究所，2007.