唐興?！喚辍埧?qiáng)　李 林　顧 強(qiáng)（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū)　上海 20800）2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué)　北京 00049）

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基于MicroTCA的自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)

唐興海1，2劉亞娟1張俊強(qiáng)1李 林1顧 強(qiáng)1
1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū)上海 201800）2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京 100049）

高品質(zhì)的束流是產(chǎn)生高品質(zhì)同步輻射光或自由電子激光的關(guān)鍵，電子直線加速器作為同步輻射光源的注入器，其性能表現(xiàn)直接影響到束流品質(zhì)。為降低噪聲（溫度變化、機(jī)械振動(dòng)等）的干擾，本文研究和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)通用、魯棒、高效、可擴(kuò)展性好的電子直線加速器低電平控制系統(tǒng)。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)頻率控制（Automatic Frequency Control， AFC）功能，更多控制功能將會(huì)陸續(xù)實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)基于MicroTCA，選用實(shí)驗(yàn)物理與工業(yè)控制系統(tǒng)（Experimental Physics and Industrial Control System， EPICS）架構(gòu)，采用C/C++開(kāi)發(fā)，利用PID （Proportion-Integral-Differential）算法和最小二乘法，能夠采用兩種不同的方法進(jìn)行自動(dòng)頻率控制。在巴西Sirius光源直線加速器實(shí)驗(yàn)裝置上對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試，結(jié)果表明，兩種AFC方法都是有效的，且存在明顯差異，未來(lái)將進(jìn)一步優(yōu)化和完善。

電子直線加速器，MicroTCA，實(shí)驗(yàn)物理與工業(yè)控制系統(tǒng)，自動(dòng)頻率控制，最小二乘法，PID算法

作為該工程項(xiàng)目的一個(gè)重要組成部分，本文研究和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)通用、魯棒、高效、可擴(kuò)展性好的電子直線加速器低電平控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于MicroTCA，采用添加了控制算法庫(kù)的 EPICS （Experimental Physics and Industrial Control System）架構(gòu)，欲實(shí)現(xiàn)的控制功能包括自動(dòng)頻率控制（Automatic Frequency Control， AFC）、前饋控制（速調(diào)管線性化，矢量調(diào)制器校準(zhǔn)，束流負(fù)載的補(bǔ)償）、基于束流的反饋控制。目前AFC的工作已經(jīng)完成，能夠采用兩種不同的方法，利用 PID （Proportion-Integral-Differential）算法，進(jìn)行頻率自動(dòng)控制。在巴西Sirius光源直線加速器實(shí)驗(yàn)裝置上對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試，觀測(cè)性能表現(xiàn)，測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，兩種不同的AFC方法都是有效的，證明所采用的控制方案和軟件架構(gòu)都是可行的。分析所得結(jié)果，以便進(jìn)一步優(yōu)化。由于可擴(kuò)展性好，將會(huì)有更多算法庫(kù)添加到該控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)更多控制功能，整個(gè)控制系統(tǒng)將會(huì)更加完善和優(yōu)質(zhì)。

值得一提的是，雖然該控制系統(tǒng)是巴西 Sirius光源直線加速器整機(jī)工程項(xiàng)目的一部分，但通用性、可移植性、可擴(kuò)展性在整個(gè)研發(fā)環(huán)節(jié)都有考慮。因此，該控制系統(tǒng)可移植到其它電子直線加速器上，例如，正在建設(shè)的上海軟X射線自由電子激光裝置，從而節(jié)省人力財(cái)力，提高效率。

1　Sirius光源直線加速器

直線加速器作為注入器，其性能表現(xiàn)直接影響到束流品質(zhì)，進(jìn)而影響同步輻射光的品質(zhì)。Sirius光源直線加速器主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。該直線加速器的組成類似于上海光源直線加速器，主要由電子源（電子槍）系統(tǒng)、縱向聚束系統(tǒng)、加速結(jié)構(gòu)段、功率源和控制系統(tǒng)組成［1］。其中，縱向聚束系統(tǒng)包括一個(gè)次諧波聚束器和一個(gè)基波聚束器，這是由于電子槍是熱陰極柵控高壓電子槍，需要把相對(duì)于基波6倍相寬的電子相聚到一個(gè)基波中去產(chǎn)生較高的流強(qiáng)，從而減小電子槍的壓力，保證低發(fā)射度和能散［2］。次諧波聚束器為重入式駐波腔，由于外界溫度、機(jī)械振動(dòng)等噪聲的干擾，次諧波聚束器的諧振頻率會(huì)發(fā)生改變。另外，儲(chǔ)存環(huán)周長(zhǎng)會(huì)因?yàn)闇囟然虻鼗榷淖?，電子沿環(huán)運(yùn)動(dòng)一圈所經(jīng)過(guò)的路程由高頻頻率決定。如果儲(chǔ)存環(huán)周長(zhǎng)發(fā)生變化而高頻頻率保持不變，會(huì)在水平方向產(chǎn)生一個(gè)正比于色散函數(shù)的軌道畸變。由周長(zhǎng)和頻率不匹配產(chǎn)生的閉軌畸變只能通過(guò)調(diào)整高頻頻率加以校正［3］。因此，次諧波聚束器會(huì)時(shí)常處于失諧狀態(tài)，最終導(dǎo)致高頻腔體內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)不穩(wěn)定，引起束流的振蕩［4］，對(duì)直線加速器的束流傳輸效率、束流強(qiáng)度和品質(zhì)會(huì)有很大的影響。基于MicroTCA的AFC系統(tǒng)就是通過(guò)反饋控制環(huán)路，利用相關(guān)原理及算法，避免次諧波聚束器失諧，進(jìn)而穩(wěn)定幅度、相位，保證直線加速器長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

表1　Sirius光源直線加速器主要技術(shù)指標(biāo)Table 1　Main parameters of Sirius-LINAC.

2　硬件架構(gòu)

我們選用的低電平控制器為 MicroTCA，它亦稱為MTCA （Micro Telecommunications Computing Architecture），是PICMG協(xié)會(huì)（PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)制造業(yè)聯(lián)盟，PCI Industrial Computer Manufacturer's Group）在2007年向外界公開(kāi)發(fā)布的一種標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)架。它既繼承了ATCA的所有優(yōu)點(diǎn)，又吸收了cPCI總線和VXI總線的長(zhǎng)處，將各個(gè)功能模塊彼此分開(kāi)，相互獨(dú)立，提高了硬件的利用效率，利于系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)。MicroTCA已經(jīng)在德國(guó)電子同步加速器（German Electron Synchrotron， DESY）、歐洲X射線自由電子激光裝置（The European X-ray Free-Electron Laser， European XFEL）、斯坦福直線加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center， SLAC）以及高能加速器研究機(jī)構(gòu)（High Energy Accelerator Research Organization， KEK）等實(shí)驗(yàn)室充分應(yīng)用，且表現(xiàn)優(yōu)異［5］。經(jīng)過(guò)綜合考慮，MicroTCA為最優(yōu)方案，它既可以提供穩(wěn)定的、高精度的控制，又便于操作、維護(hù)和升級(jí)。

MicroTCA系統(tǒng)的關(guān)鍵組件包括：MicroTCA機(jī)箱、MCH （MicroTCA Carrier Hub）、AMC （Advanced Mezzanie Card）、RTM背板（Rear Transition Module）以及電源模塊（Power Module）。我們采用的AMC是SIS8300L2，它是低電平控制器的核心，包括10路AD（AD9268）和2路DA（MAX5878），分辨率為16位，采樣頻率分別達(dá)到125 MHz和250 MHz，完成微波信號(hào)的采集和數(shù)字化反饋控制的運(yùn)算處理，輸出基帶正交信號(hào)IQ；RTM背板為DWC8VM1，它作為RF前端，包括8路RF信號(hào)的下變頻，2路直接中頻采樣，1路基帶信號(hào)的上變頻，帶寬700-4000MHz，并含有矢量調(diào)制器，將 SIS8300L 的DAC輸出的IQ信號(hào)與參考信號(hào)混頻，得到具有合適的幅度和相位的RF信號(hào)。

MO信號(hào)、LO信號(hào)和 IF信號(hào)的頻率分別為499.658 MHz、474.128 MHz和25.5 MHz，采樣率是102 MHz。放大器、分頻器、混頻器等頻率合成的關(guān)鍵器件選用了低噪音的器件，以提高輸出的信噪比。硬件架構(gòu)如圖1所示。

圖1　硬件架構(gòu)圖Fig.1　Hardware architecture diagram.

3　軟件架構(gòu)

在軟件架構(gòu)方面，我們借鑒DESY的MTCA4U （MicroTCA.4 User tool kit）的優(yōu)點(diǎn)和長(zhǎng)處［6］，將軟件層次化、模塊化、接口化，彼此獨(dú)立但又緊密聯(lián)系，便于擴(kuò)展、調(diào)試、維護(hù)和升級(jí)?？紤]到實(shí)際情況，最終得到如圖 2所示的軟件架構(gòu)。我們采用的是EPICS控制系統(tǒng)架構(gòu)，因?yàn)樗腔诜植际娇刂企w系“標(biāo)準(zhǔn)模型”結(jié)構(gòu)，具有分布式、開(kāi)放、易擴(kuò)充、多平臺(tái)等優(yōu)點(diǎn)［7］。EPICS由監(jiān)控層、過(guò)程控制層和設(shè)備控制層三個(gè)層次組成，分別稱作操作員接口計(jì)算機(jī)（Operator Interface， OPI），輸入/輸出控制器（Input/output Controller， IOC），設(shè)備控制器（Device Controller）。

系統(tǒng)中的Firmware由VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，IOC 由C和C++編寫(xiě)，OPI采用EDM實(shí)現(xiàn)?？刂普{(diào)諧步進(jìn)電機(jī)的OPI界面如圖3所示。實(shí)現(xiàn)AFC等控制功能的程序在LINUX環(huán)境下采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，全部采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法庫(kù)，以滿足跨平臺(tái)、便于移植、通用性好等要求。控制算法程序是整個(gè)系統(tǒng)的核心，通過(guò)接口以算法庫(kù)的形式被IOC調(diào)用，嵌入控制系統(tǒng)，成為系統(tǒng)獨(dú)立但又重要的一部分，實(shí)現(xiàn)控制功能，同時(shí)也便于調(diào)試和未來(lái)的優(yōu)化擴(kuò)充。

圖2　軟件架構(gòu)圖Fig.2　Software architecture diagram.

圖3　電機(jī)控制OPI界面Fig.3　OPI for SHB motor control.

總體來(lái)說(shuō)，整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境為L(zhǎng)INUX操作系統(tǒng)，在 EPICS框架下完成對(duì) FPGA （Field Programmable Gate Array）數(shù)字處理板卡的控制，實(shí)現(xiàn)AFC及微波幅度相位的反饋控制等控制功能，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的監(jiān)測(cè)，并響應(yīng)監(jiān)控層或其他IOC的請(qǐng)求，處理來(lái)自設(shè)備控制層的外部事件等。

4　AFC原理及算法

頻率調(diào)諧分為快調(diào)和慢調(diào)，由于導(dǎo)致次諧波聚束腔失諧的是溫度變化等慢變化的噪聲，所以只考慮慢調(diào)。溫度的變化導(dǎo)致次諧波聚束腔形狀改變，其諧振頻率和輸出反饋信號(hào)的幅度和相位也會(huì)隨之改變。通過(guò)耦合器探測(cè)次諧波聚束腔的輸入信號(hào)RFforward和反饋信號(hào)RFpick-up，分別通過(guò)調(diào)諧環(huán)路器件和場(chǎng)反饋環(huán)路器件輸入給低電平控制器。IOC中的AFC程序獲取需要的信息，通過(guò)兩種不同方法計(jì)算次諧波聚束腔的頻率失諧量，再利用PID算法，輸出一個(gè)控制量給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的步數(shù)，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)鏈拖動(dòng)調(diào)諧桿，調(diào)諧桿的伸縮補(bǔ)償了次諧波聚束腔由于噪聲而導(dǎo)致的形變，從而實(shí)現(xiàn)AFC。為保護(hù)系統(tǒng)，我們采用光電限位開(kāi)關(guān)保證調(diào)諧器的位置不超出范圍。

4.1利用失諧相角的方法

腔體失諧后，輸出反饋信號(hào)RFpick-up的相位也會(huì)發(fā)生改變，輸入信號(hào) RFforward和反饋信號(hào)RFpick-up的相位差即為失諧相角。由于失諧相角ψ和頻率失諧量Δf之間存在如下關(guān)系［8］：

因此，可通過(guò)鑒別RFforward和RFpick-up信號(hào)相位的方法，得出腔體頻率失諧量，進(jìn)而利用PID算法得到調(diào)節(jié)量，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)行腔體調(diào)諧，這是第一種AFC的原理和過(guò)程。

4.2利用RF Decay的方法

對(duì)于工作在脈沖模式下的駐波腔，可利用脈沖衰減（RF Decay）計(jì)算出頻率失諧量。研究這一方法具有特殊意義，因?yàn)樵谀承┣闆r下，不能用第一種方法進(jìn)行調(diào)諧，例如上海軟X射線自由電子激光裝置中的SLED［9］的調(diào)諧。

高頻腔的物理和電學(xué)特性和并聯(lián) RLC電路相似，因此，RF Decay期間的高頻腔等效于RLC并聯(lián)電路放電過(guò)程。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的分析和公式推導(dǎo)，可知，RF Decay期間RFpick-up的相位隨時(shí)間線性變化，換言之，RF脈沖結(jié)束會(huì)引起RFpick-up頻率的跳變，導(dǎo)致相位隨時(shí)間的線性變化［10］。即RF Decay期間的RFpick-up相位θ和時(shí)間t存在如下關(guān)系：

因此，在RF Decay期間采集一定數(shù)目的樣本點(diǎn)，個(gè)數(shù)用n表示，初步選為脈沖關(guān)閉后的16 μs開(kāi)始的50個(gè)數(shù)據(jù)。用最小二乘法進(jìn)行線性擬合［10］，即可求得腔體失諧信息Δω：

進(jìn)而可得：

求得頻率失諧量后，利用PID算法得到調(diào)節(jié)量，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)行腔體調(diào)諧，這是第二種AFC的原理和過(guò)程。

4.3PID算法

我們采用PID算法作為控制算法。該算法按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制，具有原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、適用面廣、控制參數(shù)相互獨(dú)立、參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。微分（D）起預(yù)測(cè)將來(lái)誤差的作用，但對(duì)噪聲變化很敏感，實(shí)際中的速度緩慢的系統(tǒng)可以不需要微分（D），所以我們最終采用PI算法。

若u（t）定義為控制輸出，PI算法可用式（6）表示：

將式（6）離散化，便可得到數(shù)字PI表達(dá)式［11］：

5　測(cè)試結(jié)果及分析

由于要對(duì)巴西 Sirius光源直線加速器的電子槍、次諧波聚束腔進(jìn)行老練，對(duì)束測(cè)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試評(píng)估，借此機(jī)會(huì)，我們?cè)诎臀鱏irius光源直線加速器實(shí)驗(yàn)裝置對(duì) AFC系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試，觀測(cè)其性能表現(xiàn)，測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

首先進(jìn)行了電機(jī)調(diào)諧標(biāo)定，在RFpick-up信號(hào)的幅度出現(xiàn)最大值，輸入信號(hào)RFforward和反饋信號(hào)RFpick-up的相位差出現(xiàn)最小值時(shí)標(biāo)定為諧振狀態(tài)。然后通過(guò)OPI改變電機(jī)的位置，測(cè)得次諧波聚束腔的幅度和相位差諧振曲線，如圖4所示。

圖4　次諧波聚束腔的幅度（a）和相位差（b）諧振曲線Fig.4　Resonance curves for amplitude （a） and phase difference （b） of the cavity.

在第一種AFC方法的模式下，利用實(shí)驗(yàn)湊試法進(jìn)行參數(shù)整定，最終選定P增益為25，I增益為8。在第二種AFC方法的模式下，嘗試用4：1衰減曲線法進(jìn)行參數(shù)整定［12］，確定P增益為70，I增益為1，為測(cè)得階躍響應(yīng)曲線，人為調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的位置，使得產(chǎn)生約10o的失諧相角，最終測(cè)得如圖5所示的響應(yīng)曲線。

圖5　Kp=70、Ki=1時(shí)的階躍響應(yīng)曲線Fig.5　Step response curve when Kp=70， Ki=1.

為觀測(cè)AFC系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性，尤其是對(duì)溫度變化噪聲的抵抗能力，我們分別在關(guān)閉AFC系統(tǒng)、第一種AFC模式、第二種AFC模式三種不同情形下，利用恒溫水箱，讓次諧波腔的溫度由室溫（25 oC）升至設(shè)定溫度（45 oC），維持該溫度1 h左右，再關(guān)閉恒溫水箱，讓次諧波聚束腔自然降溫，測(cè)得整個(gè)過(guò)程的失諧相位差如圖6所示。

圖6　三種不同情形下的失諧相位（a） 沒(méi)有使用AFC，（b） 第一種AFC模式，（c） 第二種AFC模式Fig.6　Phase difference under three situations. （a） Without AFC， （b） First AFC mode， （c） Second AFC mode

因?yàn)榇蚧?，所以圖6中有許多細(xì)小尖銳的毛刺，如圖6（b）表現(xiàn)得尤為明顯?？偟膩?lái)說(shuō)，AFC系統(tǒng)能很好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)諧功能，尤其是第一種方法，能將失諧相角控制在±1.5°以內(nèi)，而且響應(yīng)很快，所以線條密集；第二種方法也能起到調(diào)諧作用，但效果一般，只能將失諧相角控制在±4°以內(nèi)，且響應(yīng)較慢。分析原因，有以下幾點(diǎn)：PI的參數(shù)整定還不夠理想，RF Decay期間選取樣本點(diǎn)的位置及個(gè)數(shù)的選擇不夠好，有其他的噪聲的干擾，算法也不夠高效，以上為優(yōu)化工作的重點(diǎn)。AFC系統(tǒng)的正常工作證明我們所采用的控制方案和軟件架構(gòu)都是切實(shí)可行的。

6　結(jié)語(yǔ)

高頻腔失諧是常出現(xiàn)的一個(gè)問(wèn)題，AFC系統(tǒng)能夠利用兩種不同方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)頻率調(diào)諧，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，能有效解決這一問(wèn)題。本系統(tǒng)基于MicroTCA，采用EPICS架構(gòu)，開(kāi)發(fā)過(guò)程中充分考慮了通用性、可移植性、可擴(kuò)展性，將來(lái)可以移植到其它電子直線加速器上，例如，正在建設(shè)的上海軟X射線自由電子激光裝置，從而節(jié)省人力財(cái)力和提高效率。對(duì)于系統(tǒng)中不夠完善的地方，將會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化。由于可擴(kuò)展性好，未來(lái)將會(huì)有更多算法庫(kù)添加到該系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)更多控制功能，而絕非僅限于AFC，整個(gè)控制系統(tǒng)將會(huì)更加完善和優(yōu)質(zhì)，更有利于獲得高品質(zhì)的電子束流。

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An automatic frequency control system based on MicroTCA

TANG Xinghai1，2LIU Yajuan1ZHANG Junqiang1LI Lin1GU Qiang1
1（Shanghai Institute of Applied Physics， Chinese Academy of Sciences， Jiading Campus， Shanghai 201800， China）
2（University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China）

Background: High quality electronic beam is the key to produce high quality synchrotron radiation or free-electron laser （FEL）. Microwave electronic LINAC plays the role of injector， whose performance influences the quality of electronic beam deeply. Purpose: In order to minimize the noise interference （temperature， microphonics，etc）， we develop a universal， robust， efficient and extendible Low Level Radio Frequency （LLRF） control system， in which automatic frequency control （AFC） function is already implanted and more functions will be embedded in the future. Methods: This system， based on MicroTCA， adopts Experimental Physics and Industrial Control System （EPICS） structures， and develops in C/C++. The core algorithms are Proportion-Integral-Differential （PID） and Least-Squares method. Results: Two different ways of AFC were realized and the system was tested on Sirius-LINAC test facility. Conclusion: The result shows that the cavity is well tuned when the AFC system is on，and obvious differences are found. This system will be optimized and enlarged in the future.

Microwave electronic LINAC， MicroTCA， EPICS， AFC， Least-Squares method， PID

巴西Sirius光源是巴西政府投資建設(shè)的第三代同步輻射光源，其電子儲(chǔ)存環(huán)周長(zhǎng) 518.2 m，電子能量3.0 GeV，束流發(fā)射度0.28 nm·rad，是目前國(guó)際上正在建設(shè)的兩臺(tái)超低發(fā)射度儲(chǔ)存環(huán)之一。工程首期由直線加速器、增強(qiáng)器、儲(chǔ)存環(huán)和13條光束線組成，其中巴西Sirius光源直線加速器整機(jī)工程項(xiàng)目由中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所承建，應(yīng)物所將以“交鑰匙”項(xiàng)目形式為Sirius光源提供一臺(tái)電子直線加速器，主要項(xiàng)目?jī)?nèi)容包括設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試和交付。該項(xiàng)目將借鑒上海光源直線加速器設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合近幾年加速器技術(shù)發(fā)展，對(duì)部分系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和升級(jí)，以實(shí)現(xiàn)高性能、長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行目標(biāo)。

TANG Xinghai， male， born in 1988， graduated from Central South University in 2011， master student， focusing on the LLRF control system and application software development

TL503.6

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.070102

唐興海，男，1988年出生，2011年畢業(yè)于中南大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)榧铀倨骺刂葡到y(tǒng)及上層應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)

顧強(qiáng)，E-mail：guqiang@sinap.ac.cn

GU Qiang， E-mail：guqiang@sinap.ac.cn

2016-03-14，

2016-03-31