CN103762845B - 一种用于等离子体电源的恒流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于等离子体电源的恒流控制方法，将实际电压u_c一路通过开环导纳Y_o(s)后输入加法器M3，将实际电压u_c另外一路进入前馈控制器G_f(s)；从加法器M3的输出引出的反馈信号通过采样传递函数H_i(s)后与期望电流值i_ref一同输入加法器M1中，从加法器M1输出的信号经过反馈控制器G_ir(s)后与前馈控制器G_f(s)输出的信号一同输入加法器M2中，从加法器M2的输出信号依次经过载波传递函数G_pwm(s)和控制到电感电流的传递函数G_id(s)处理后进入加法器M3中，从加法器M3最后输出实测电流值i_L。本发明方法能够降低电压u_c和电感电流i_L之间的导纳，迅速抑制等离子负载扰动对控制的影响。

Description

一种用于等离子体电源的恒流控制方法

技术领域

本发明属于电力电子变换器控制技术领域，涉及一种用于等离子体电源的恒流控制方法。

背景技术

近年来，等离子体在冶金、喷涂、焊接、切割、表面改性等领域的应用越来越广泛。等离子体负载的能量稳定性与电流直接相关，而在工艺过程中由于放电特性、气体压力和组份等因素的影响，等离子负载在大范围内不断变化，当电流不能适应负载变化时，将失去工艺条件，不能维持正常的放电过程。这就要求等离子体电源具有良好的电流控制能力，可以实现精确控制等离子放电过程，保证工艺效果，提高产品质量。

目前，等离子体电源传统控制方法是电流闭环控制，电流调节器实现反馈电流跟随电流期望值。但由于工艺过程中等离子体受热场、磁场、电场、气体流场等多种变量的综合影响，存在强烈的非线性、强耦合关系，在负载出现较大扰动时，例如打弧现象，负载急剧变小，电源输出近似短路，而电流调节器由于反馈回路的延时、调节器的计算时间、开关频率的约束等原因，输出量不能及时适应负载变化，电流存在暂态过冲，从而形成大颗粒，导致膜层缺陷，同时过冲电流威胁电源设备的安全。

发明名称为“一种恒功率输出磁控溅射镀膜电源”，专利公开号为：CN102570853A，公开日为：2012.07.11，公开了恒定输出功率的控制方法，使输出功率跟随给定功率值。但当出现靶中毒等异常现象时，输出电压跌落，若仍维持功率恒定，则输出的电流增大，威胁电源设备安全，并使镀层质量下降。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于等离子体电源的恒流控制方法，解决了现有技术中的等离子负载随工艺条件变化，导致电流波动大，难以保证产品质量的问题。

本发明采用的技术方案是，一种用于等离子体电源的恒流控制方法，将实际电压u_c一路通过开环导纳Y_o(s)后输入加法器M3，将实际电压u_c另外一路进入前馈控制器G_f(s)；从加法器M3的输出引出的反馈信号通过采样传递函数H_i(s)后与期望电流值i_ref一同输入加法器M1中，从加法器M1输出的信号经过反馈控制器G_ir(s)后与前馈控制器G_f(s)输出的信号一同输入加法器M2中，从加法器M2的输出信号依次经过载波传递函数G_pwm(s)和控制到电感电流的传递函数G_id(s)处理后进入加法器M3中，从加法器M3最后输出实测电流值i_L。

本发明的有益效果是：

1）采用电流闭环和电压前馈控制相结合的控制方法，能够降低变换器电感电流和电压之间的导纳，抑制工艺过程中等离子负载突变对电流控制的影响，提高了电源的动态响应特性，方法简单、便于解析，易于实现。

2）单独以电流闭环作为控制方法时，磁控溅射工艺过程中“靶中毒”现象对镀层的损伤；而采用本发明的控制方法时，能有效改善工艺效果。

3）能够有效抑制溅射工艺中出现打弧现象时导致的过电流，对设备安全的威胁明显降低，同时减少了因打弧引起的停机次数，提高了磁控溅射镀膜的效率和产品质量。

附图说明

图1是本发明用于等离子体电源的恒流控制方法的控制框图；

图2是本发明方法实施例中的电流环开环传递函数的伯德图；

图3是本发明方法实施例中的导纳对比图；

图4是本发明方法实施例中的导纳乃奎斯特图的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明用于等离子体电源的恒流控制方法，以磁控溅射电源为实施对象，所要求的主要技术参数是：输入电压U_in为483～591V，变压器变比n为1：2，电感L为2mH，电容C为2.2uF。

参照图1，本发明用于等离子体电源的恒流控制方法是，将实际电压u_c一路通过开环导纳Y_o(s)后输入加法器M3中，将实际电压u_c另外一路进入前馈控制器G_f(s)；从加法器M3的输出引出的反馈信号（电流反馈通道）通过采样传递函数H_i(s)后与期望电流值i_ref一同输入加法器M1中，从加法器M1输出的信号经过反馈控制器G_ir(s)后与前馈控制器G_f(s)输出的信号一同输入加法器M2中，从加法器M2的输出信号依次经过载波传递函数G_pwm(s)和控制到电感电流的传递函数G_id(s)处理后进入加法器M3中，加法器M3最后输出实测电流值i_L。

根据图1所示，将输出电流i_L和实际电压u_c之间等效成关系式：i_L=Y×u_c，Y为电流i_L和电压u_c之间的导纳，恒流控制时，电压u_c反映等离子负载的变化，若导纳Y很小，则等离子体负载变化对电流i_L没有影响，

降低导纳Y的方案是：由于在溅射工艺过程中，等离子体负载阻抗会随着电压幅值、等离子体电子温度、等离子体密度、等离子体鞘层面积等因素的不同而变化，等离子负载存在非线性时变特性。当出现打弧等异常情况时，电压u_c迅速跌落或上升，及时反映负载的变化，因此输出电压u_c的变化作用到前馈控制器G_f(s)，前馈控制器的输出量无需反馈回路的偏差、作用直接，能够调节变换器的等效导纳，而期望电流值i_ref与实测电流值i_L作差后输入到反馈控制器G_ir(s)，反馈控制器G_ir(s)输出量和前馈控制器G_f(s)的输出量相加后作为最终的调制量u_ca，实现导纳Y的降低。

参照图1，本发明用于等离子体电源的恒流控制方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、结合工艺机理及等离子体的时变特性等因素，建立等离子体负载的等效电路模型，然后在等离子体负载模型的基础上，利用状态空间平均法建立变换器的小信号数学模型，

脉冲磁控溅射电源的等离子体负载不能等效为纯电阻性负载，将其等效为电阻R_p和电容C_p并联，因此等离子体负载阻抗的表达式为Z=R_p/(R_pC_ps+1)，s为拉普拉斯算子，图1中的开环导纳Y_o(s)的表达式为：

Y_o(s)=Cs+1/Z，（1）

式（1）中，Y_o(s)为系统的开环导纳；C为电容值；L为电感值；Z为等离子负载的等效阻抗；

在等离子体负载模型的基础上，利用状态空间平均法建立DC/DC变换器的小信号数学模型，则控制到电感电流的传递函数G_id(s)表达式为：

$G_{\mathrm{id}}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{nU}}_{\mathrm{in}}{Y}_o\left(s\right)}{{\mathrm{LCs}}^2+L/\mathrm{Zs}+1},---\left(2\right)$

式中，n为变压器的变比；U_in为DC/DC变换器的输入电压；G_id(s)为控制到电感电流传递函数；

步骤2、基于变换器的小信号数学模型和控制到电感电流的传递函数G_id(s)，设置反馈控制器G_ir(s)的结构，并选取调节器的参数，

实施例选取反馈控制器G_ir(s)为PI校正器，表达式为：

$G_{\mathrm{ir}}\left(s\right)=\frac{K_{p}s+K_i}{s},---\left(3\right)$

式中，K_p为比例系数；K_i为积分系数，

利用频域分析方法，综合考虑系统的低频增益、相位裕度、高频衰减特性等因素，优选值取为K_p=0.2，K_i=550。

如图2所示，是反馈控制器校正前后的开环传递函数伯德图，图中可见PI补偿后电流环环路增益的截止频率约为10kHz，相角裕度为90°，既保证了系统的稳定性，又提高了电流环的低频增益；

步骤3、将电压前馈控制引入电流闭环，推导未加入前馈控制时的闭环导纳Y_o1以及引入前馈控制后的闭环导纳Y_o2，分别如式（4）和式（5），Y_o1为未加入前馈控制时的闭环导纳，Y_o2为引入前馈控制后的闭环导纳，

未加入前馈控制时，即无如图1中虚线所示的前馈控制器G_f(s)所在的支路，电压u_c和电流i_L的导纳表达式为：

$Y_{o1}=\frac{-Y_o\left(s\right)}{1+G_{\mathrm{ir}}\left(s\right)G_{\mathrm{pwm}}\left(s\right)G_{\mathrm{id}}\left(s\right)H_i\left(s\right)},---\left(4\right)$

将前馈控制引入电流闭环后，导纳表达式变换为：

$Y_{o2}=\frac{G_f\left(s\right)G_{\mathrm{pwm}}\left(s\right)G_{\mathrm{id}}\left(s\right)-Y_o\left(s\right)}{1+G_{\mathrm{ir}}\left(s\right)G_{\mathrm{pwm}}\left(s\right)G_{\mathrm{id}}\left(s\right)H_i\left(s\right)};---\left(5\right)$

式中，G_pwm(s)为载波传递函数，H_i(s)为电流反馈通道的采样传递函数；

步骤4、根据等离子体负载模型和变换器的小信号数学模型，在电流闭环的基础上进一步得到相应的前馈控制器G_f(s)，前馈控制的目的在于提供高的输出噪声衰减，令导纳Y_o2=0，则有式（6）：

$G_f\left(s\right)=\frac{Y_o\left(s\right)}{G_{\mathrm{pwm}}\left(s\right)G_{\mathrm{id}}\left(s\right)},---\left(6\right)$

将式（1）和式（2）带入式（6），得到电压前馈函数表达式为：

$G_f\left(s\right)=\frac{L(C+C_p)s^2+\mathrm{Ls}/R_p+1}{{\mathrm{nG}}_{\mathrm{pwm}}\left(s\right)U_{\mathrm{in}}},---\left(7\right)$

将表1中的各个参数数值代入式（7），即能得出前馈控制函数的具体实现算式，再利用数字控制器编程或模拟控制器实现；

将推导出的G_f(s)代入步骤式（4）和式（5）中，得到加入前馈控制前后的导纳Y_o1和Y_o2，绘制其导纳以及导纳的乃奎斯特图，分别如图3、图4所示，两个图中的虚线均为传统控制方法的导纳，两个图中的实线均为本发明控制方法作用下的导纳，由图3和图4对比可知，本发明的控制方法能够降低导纳，进而减小负载扰动对电流控制的影响；

步骤5、（通过电压、电流霍尔传感器、AD采样及调理电路），测量电源的实际电流值i_L、实际电压u_c及输入电压U_in，计算电流目标值i_ref与实际电流值i_L的误差值e_i，记为e_i=i_ref-i_L；

步骤6、将电流的误差值e_i经过反馈控制器G_ir(s)，得到反馈控制器的输出量，电压传感器实测的电压值u_c输入前馈控制器G_f(s)，得到前馈输出量，对反馈控制器G_ir(s)的输出量和前馈控制器G_f(s)的输出量作和，得到最终的调制量u_ca，如式（8）：

u_ca(s)=e_i×G_ir(s)+u_c×G_f(s)；（8）

步骤7、将得到的调制量u_ca与脉冲宽度调制（PWM）生成模块共同作用，得到并发出变换器开关管Q₁～Q₄的驱动信号，实现等离子体电源输出能量的控制，即成。

本发明方法适用于等离子体作为负载的多种电源设备，包括磁控溅射电源、等离子切割电源、多弧离子镀电源等。

Claims (5)

1.一种用于等离子体电源的恒流控制方法，其特征在于，将实际电压u_c一路通过开环导纳Y_o(s)后输入加法器M3，将实际电压u_c另外一路进入前馈控制器G_f(s)；从加法器M3的输出引出的反馈信号通过采样传递函数H_i(s)后与期望电流值i_ref一同输入加法器M1中，从加法器M1输出的信号经过反馈控制器G_ir(s)后与前馈控制器G_f(s)输出的信号一同输入加法器M2中，从加法器M2的输出信号依次经过载波传递函数G_pwm(s)和控制到电感电流的传递函数G_id(s)处理后进入加法器M3中，从加法器M3最后输出实测电流值i_L。

2.根据权利要求1所述的用于等离子体电源的恒流控制方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、建立等离子体负载的等效电路模型，利用状态空间平均法建立变换器的小信号数学模型，

将脉冲磁控溅射电源的等离子体负载等效为电阻R_p和电容C_p并联，因此等离子体负载阻抗的表达式为Z＝R_p/(R_pC_ps+1)，s为拉普拉斯算子，开环导纳Y_o(s)的表达式为：

Y_o(s)＝Cs+1/Z，(1)

式中，Y_o(s)为系统的开环导纳；C为电容值；Z为等离子负载的等效阻抗；

在等离子体负载模型的基础上，利用状态空间平均法建立DC/DC变换器的小信号数学模型，则控制到电感电流的传递函数G_id(s)表达式为：

$G_{id}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{nU}}_{in}{Y}_o\left(s\right)}{{\mathrm{LCs}}^2+L/Zs+1},---\left(2\right)$

式中，n为变压器的变比；U_in为DC/DC变换器的输入电压；L为电感值；

步骤2、基于变换器的小信号数学模型和控制到电感电流的传递函数G_id(s)，设置反馈控制器G_ir(s)的结构，G_ir(s)表达式为：

$G_{is}\left(s\right)=\frac{K_{p}s+K_i}{s},---\left(3\right)$

式中，K_p为比例系数；K_i为积分系数；

步骤3、将电压前馈控制引入电流闭环，推导未加入前馈控制时的闭环导纳Y_o1以及引入前馈控制后的闭环导纳Y_o2，

未加入前馈控制时，电压u_c和电流i_L的导纳表达式为：

$Y_{o1}=\frac{-Y_o\left(s\right)}{1+G_{ir}\left(s\right)G_{pwm}\left(s\right)G_{id}\left(s\right)H_i\left(s\right)},---\left(4\right)$

将前馈控制引入电流闭环后，导纳表达式变换为：

$Y_{o2}=\frac{G_f\left(s\right)G_{pwm}\left(s\right)G_{id}\left(s\right)-Y_o\left(s\right)}{1+G_{ir}\left(s\right)G_{pwm}\left(s\right)G_{id}\left(s\right)H_i\left(s\right)};---\left(5\right)$

式中，G_pwm(s)为载波传递函数，H_i(s)为电流反馈通道的采样传递函数；

步骤4、根据等离子体负载模型和变换器的小信号数学模型，在电流闭环的基础上进一步得到相应的前馈控制器G_f(s)，令导纳Y_o2＝0，则有式(6)：

$G_f\left(s\right)=\frac{Y_o\left(s\right)}{G_{pwm}\left(s\right)G_{id}\left(s\right)},---\left(6\right)$

将式(1)和式(2)带入式(6)，得到电压前馈函数表达式为：

$G_f\left(s\right)=\frac{L(C+C_p)s^2+Ls/R_p+1}{{\mathrm{nG}}_{pwm}\left(s\right)U_{in}},---\left(7\right)$

将用于磁控溅射电源的各个参数数值代入式(7)，即能得出前馈控制函数的具体实现算式，再利用数字控制器编程或模拟控制器实现；

步骤5、测量电源的实际电流值i_L、实际电压u_c及输入电压U_in，计算电流目标值i_ref与实际电流值i_L的误差值e_i，记为e_i＝i_ref-i_L；

步骤6、将电流的误差值e_i经过反馈控制器G_ir(s)，得到反馈控制器的输出量，电压传感器实测的电压值u_c输入前馈控制器G_f(s)，得到前馈输出量，对反馈控制器G_ir(s)的输出量和前馈控制器G_f(s)的输出量作和，得到最终的调制量u_ca，如式(8)：

u_ca(s)＝e_i×G_ir(s)+u_c×G_f(s)；(8)

步骤7、将得到的调制量u_ca与脉冲宽度调制PWM生成模块共同作用，得到并发出变换器开关管Q₁～Q₄的驱动信号，实现等离子体电源输出能量的控制。

3.根据权利要求2所述的用于等离子体电源的恒流控制方法，其特征在于，所述的步骤2中，利用频域分析方法，选取K_p＝0.2，K_i＝550。

4.根据权利要求2所述的用于等离子体电源的恒流控制方法，其特征在于，所述的步骤2中，选取反馈控制器G_ir(s)为PI校正器。

5.根据权利要求2所述的用于等离子体电源的恒流控制方法，其特征在于，所述的步骤4中，所述的用于磁控溅射电源的参数是，输入电压U_in为483～591V，变压器变比n为1：2，电感L为2mH，电容C为2.2uF。