CN105977768A - 一种适用于准分子激光器的恒温控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于准分子激光器的恒温控制系统，其包括干路及支路，所述恒温控制系统还包括设置在所述干路上的电磁阀、第一流量传感器、分流器及集流器、设置在所述支路上的第一比例阀、第二比例阀、第二流量传感器、第三流量传感器、自动控温腔体及第一单向阀、下位机及与所述下位机通讯的工控机。所述工控机用于发送指令以控制准分子激光器的重复频率，并将所述重复频率信息通过RS485协议传输给所述下位机；所述下位机用于根据所述重复频率信息相应地控制所述第一比例阀及所述第二比例阀的流量，进而以所述重复频率为前反馈自动控制所述自动温控腔体的温度维持在目标温度。

Description

一种适用于准分子激光器的恒温控制系统

技术领域

本发明属于准分子激光器温控相关领域，更具体地，涉及一种适用于准分子激光器的恒温控制系统。

背景技术

准分子激光作为一种能精确聚焦和控制的紫外光束，由于其波长短、脉冲功率密度高、脉宽窄、弱相干性等优点，已成为当前光刻装置的主要光源。近几年来，为了使光谱的宽度更窄及激光功率更高，双腔结构被引入到激光器的设计中，而输入到准分子激光器的能量大部分都转化为热量，这些热量会影响工作气体的温度，工作气体的温度又对激光器的出光性能及寿命有很大的影响。

本领域的相关人员已针对如何将热量自激光器内散出方面做出了一些研究，如申请号为201210442930.3的专利公开了一种温控系统，其设置了温度传感器，并以温度为反馈构成单闭环控制回路。但是，由于所述温控系统没有针对激光器的重复频率的前反馈且激光器的重复频率跨距较大，激光器的重复频率控制单位时间内的脉冲数，每个脉冲放电产生热量，导致重复频率对温度的波动影响较大，甚至可能使得温度超出要求，在激光器的频率变化时温度控制效果较差，温度波动较大，调节滞后。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于准分子激光器的恒温控制系统，其基于准分子激光器的工作特点，针对所述恒温控制系统的结构及部件连接关系进行了设计。所述恒温控制系统同时采用手动控温及自动控温两种方式，自动控温采用了激光器的重复频率的前反馈，使得温度稳定性强、波动范围小，调节时间短，抗干扰能力强，控制精度高。此外，温度的稳定有利于提高准分子激光器的出光性能。

为实现上述目的，本发明提供了一种适用于准分子激光器的恒温控制系统，其包括干路及支路，所述恒温控制系统还包括设置在所述干路上的电磁阀、第一流量传感器、分流器及集流器、设置在所述支路上的第一比例阀、第二比例阀、第二流量传感器、第三流量传感器、自动控温腔体及第一单向阀、用于采集所述第一流量传感器、所述第二流量传感器及所述第三流量传感器的流量数据的下位机及与所述下位机通讯的工控机，其特征在于：

所述第一流量传感器连接所述分流器及所述电磁阀，所述第一流量传感器用于感测所述干路的流量信息，所述下位机用于根据所述流量信息控制所述电磁阀的开度；所述分流器用于将干路的冷却水进行分流以供所述支路使用；

所述第一比例阀连接所述分流器及所述第二流量传感器，所述第二比例阀连接所述分流器及所述第三流量传感器，所述第二流量传感器与所述第三流量传感器汇合后连接于所述自动控温腔体的进水口，所诉第一单向阀连接所述自动控温腔体及所述集流器，所述冷却水自所述自动控温腔体流出后进入所述集流器以进行回流；

所述工控机用于发送指令以控制准分子激光器的重复频率，并将所述重复频率信息通过RS485协议传输给所述下位机；所述下位机用于根据所述重复频率信息计算所述重复频率对应的流量增量，并相应地控制所述第一比例阀及所述第二比例阀的流量，进而以所述重复频率为前反馈自动控制所述自动温控腔体的温度维持在目标温度。

进一步的，所恒温控制系统还包括节流阀、手动控温腔体及第三单向阀，所述节流阀连接所述分流器及所述手动控温腔体，所述第三单向阀连接所述集流器及所述手动控温腔体；所述下位机用于根据所述手动控温腔体的流量与温度之间的曲线来控制所述节流阀的开度，进而使所述手动控温腔体工作在设定温度下。

进一步的，所述第一比例阀的量程L₁大于所述第二比例阀的量程L₂，其中L₂＝(0.2～0.3)L₁。

进一步的，所述恒温控制系统还包括溢流阀，所述溢流阀连接所述分流器及所述集流器。

进一步的，所述恒温控制系统还包括第二单向阀，所述第二单向阀连接所述自动控温腔体及所述集流器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，采用本发明提供的适用于准分子激光器的恒温控制系统，其同时采用手动控温及自动控温两种方式，自动控温采用了激光器的重复频率作为前反馈，使得温度稳定性强、波动范围小，调节时间短，抗干扰能力强，控制精度高。此外，温度的稳定有利于准分子激光器的出光性能。

附图说明

图1是本发明较佳实施方式提供的适用于准分子激光器的恒温控制系统的架构示意图。

图2是图1中的恒温控制系统的自动控温回路的控制结构框图。

图3是图2中的自动控温回路的传递函数图。

图4是图1中的恒温控制系统涉及到的算法流程图。

图5是图2中的副控制器的控制流程图。

图6是图1中的恒温控制系统的流量调节流程图。

图7是图2中的主控制器的控制流程图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-电磁阀，2-第一流量传感器，3-第一温度传感器，4-第一压力传感器，5-分流器，61-第一比例阀，62-第二比例阀，63-节流阀，71-第二流量传感器，72-第三流量传感器，8a-自动控温腔体，8b-手动控温腔体，91-第一单向阀，92-第二单向阀，93-第三单向阀，10-集流器，11-溢流阀，12-工控机，13-下位机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1至图4，本发明较佳实施方式提供的适用于准分子激光器的恒温控制系统，其采用自动控温及手动控温两种方式，其中手动控温回路根据温度控制曲线手动调节流量以实现温度的粗略控制。自动控温回路由单片机采用前馈-串联控制方法实现温度的高精度控制，使得温度稳定性强、波动范围小，调节时间短，抗干扰能力强。

所述恒温控制系统包括干路部分及支路部分，其中所述自动控温回路及所述手动控温回路设置在所述支路部分。所述恒温控制系统包括电磁阀1、第一流量传感器2、第一温度传感器3、第一压力传感器4、分流器5、第一比例阀61、第二比例阀62、节流阀63、第二流量传感器71、第三流量传感器72、自动控温腔体8a、手动控温腔体8b、第一单向阀91、第二单向阀92、第三单向阀93、集流器10、溢流阀11、工控机12及下位机13。

所述第一流量传感器2与所述电池阀1及所述分流器5相连通，所述第一温度传感器3及所述第一压力传感器4设置在所述第一流量传感器2及所述分流器5之间的管路上。所述电磁阀1由所述下位机13控制开与关，进而实现所述恒温控制系统的供水的开与关。所述第一流量传感器2用于测量所述恒温控制系统的干路流量，当所述下位机12通过所述第一流量传感器2监测到所述干路的水总量不足时，所述下位机12将报警信号通过RS485通讯协议传递给所述工控机13，所述工控机13接收到所述报警信号后作出相应的应急处理。

本实施方式中，所述第一温度传感器3用于检测所述干路的冷却水的温度，并将所述温度信息传输给所述下位机12，所述下位机12可以根据所述温度信息控制所述电磁阀1的开度。所述第一压力传感器4是用于检测所述干路的冷却水的压力，并将所述压力信息传输给所述下位机12，所述下位机12可以根据所述压力信息控制所述电磁阀1的开度。冷却水依次通过所述电磁阀1及所述第一流量传感器2到达所述分流器5，所述分流器5用于将所述干路的冷却水分流以供各个支路使用。所述分流器5与所述第一比例阀61、所述第二比例阀62、所述节流阀63及所述溢流阀11相连通。

所述第一比例阀61及所述第二比例阀62分别与所述第二流量传感器71及所述第三流量传感器72相连通，同时，所述第二流量传感器62及所述第三流量传感器72汇合后连接于所述自动控温腔体8a的进水口，所述第一单向阀91及所述第二单向阀92均连接所述自动控温腔体8a及所述集流器10。冷却水自所述自动控温腔体8a出来后分别经所述第一单向阀91所述第二单向阀92进入所述集流器10，并经所述集流器10回水。所述下位机12采集所述第二流量传感器71及所述第三流量传感器72感测的流量信息，并根据采集到的所述流量信息及接收到的来自所述工控机13的准分子激光器的重复频率信息来控制所述第一比例阀61及所述第二比例阀62的开度，进而实现所述自动控温腔体8a工作在预定的目标温度下。本实施方式中，所述第一比例阀61的量程L₁大于所述第二比例阀62的量程L₂，其中L₂＝(0.2～0.3)L₁，所述第一比例阀61的流量小于自身流量L₁的10％时，其处于非线性区域；所述第一比例阀61、所述第二比例阀62、所述第二流量传感器71、所述第三流量传感器72、所述自动控温腔体8a、所述第一单向阀91及所述第二单向阀92组成所述自动控温回路；所述自动控温腔体8a为所述准分子激光器的一部分。

所述自动控温回路采用前馈-串级结构形式控制所述自动控温腔体8a的温度，以保证所述准分子激光器工作在预定的目标温度下。本实施方式中，所述下位机13包括有前馈控制器、副控制器及主控制器。所述自动控温回路的内环以所述第二流量传感器71及所述第二流量传感器72检测到的流量为反馈值来控制冷却水的流量；外环以安装在所述自动控温腔体8a上的温度传感器感测到的温度数据为反馈值来对温度进行控制。由于准分子激光器的每一脉冲产生的能量基本是恒定的，所述准分子激光器的重复频率控制单位时间内的脉冲数，而所述准分子激光器的重复频率是由所述工控机13发送的指令控制的，故所述下位机12可以通过RS485协议与所述工控机13进行通讯以实时获得所述准分子激光器的重复频率，进而所述下位机12通过计算可以获得所述重复频率对所述自动控温腔体8a的温度变化产生的影响以获得所需流量的增量，所述下位机12根据所述计算结果提前控制所述第一比例阀61及所述第二比例阀62的开度以进行流量调节，减小了时滞及超调量。

所述自动控温回路的传递函数为：

$\begin{array}{c}{G}_1\left(s\right)=\frac{Y_1\left(s\right)}{R_1\left(s\right)}=\frac{G_m\left(s\right)G_x\left(s\right)G_c\left(s\right)}{1+G_m\left(s\right)G_x\left(s\right)G_c\left(s\right)H_m\left(s\right)}+\frac{T_d\left(s\right)G_f\left(s\right)G_x\left(s\right)G_c\left(s\right)}{1+G_m\left(s\right)G_x\left(s\right)G_c\left(s\right)H_m\left(s\right)}\\ +\frac{T_d\left(s\right)G_d\left(s\right)}{1+G_m\left(s\right)(G_x\left(s\right)G_c\left(s\right)H_m\left(s\right)}\end{array}$

Y₁(s)是目标腔体的实际温度；R₁(s)是目标腔体(自动控温腔体8a)的设定温度；H_m(s)是温度传感器的传递函数；G_m(s)是主控制器的传递函数，G_x(s)是副回路(所述副控制器、所述第一比例阀61、所述第二比例阀62、所述第二流量传感器71及所述第二流量传感器72组成的回路)的传递函数，G_c(s)是自动控温腔体的传递函数，T_d是准分子激光器的重复频率，G_d(s)是重复频率对自动控温腔体的温度影响的传递函数，G_f(s)是前馈控制的传递函数。

温度控制回路的传递函数一般可以看作为两阶形式：

$G_c\left(s\right)=\frac{K}{T_1{s}^2+T_2=s+1}$

准分子激光器的重复频率对目标腔体温度的影响传递函数为：

$G_d\left(s\right)=\frac{T_{3}s+1}{T_4{s}^2+T_{5}s+1}$

$G_f\left(s\right)=-\frac{G_d\left(s\right)}{G_x\left(s\right)G_c\left(s\right)}$

其中：

$G_d=\frac{2s+14.5}{25s^2+303s+558}$

$G_c=\frac{41023}{25s^2+303s+558}$

经化简，所述自动控温回路的传递函数即为：

$G_1\left(s\right)=\frac{Y_1\left(s\right)}{R_1\left(s\right)}=\frac{G_m\left(s\right)G_x\left(s\right)G_c\left(s\right)}{1+G_m\left(s\right)G_x\left(s\right)G_c\left(s\right)H_m\left(s\right)}$

本实施方式中，所述自动控温回路以所述准分子激光器的重复频率为前馈，可以使得所述准分子激光器的重复频率T_d对系统温度的影响降到最小，起到抑制扰动的作用。

请参阅图5、图6及图7，工作时，所述自动控温回路的控温方法包括以下步骤：

S1，所述下位机12通过RS485通讯协议自所述工控机13获取所述的自动控温腔体8a的目标温度值(设定的温度)。

S2，初始化所述主控制器及所述副控制器，即将目标温度值输入到所述主控制器，初始流量输入到所述副控制器。

S3，所述主控制器开始工作。

S301，所述下位机12获取主回路的输出值y。具体的，所述下位机12通过温度传感器采集所述自动控温腔体8a的温度。

S302，计算预先设定的目标温度与所述自动控温腔体8a的腔体温度之间的偏差值E＝T_set-y，其中，E为腔体温度的偏差值，T_set为设定的目标温度值，y为温度传感器检测到的自动控温腔体8a的温度。

S303，所述主控制器根据PID算法计算出所述副控制器的输入值u。其中，u为所述主控制器的输出值，即为所述副控制器的输入值，K_p为比例系数，T_i为积分时间常数，K_d为微分时间常数值。

S4，所述副控制器开始工作，调节所述第一比例阀61和所述第二比例阀62的流量之和为所述副控制器的输入值。

S401，获取快速回路(副回路)的流量设定值。具体地，从所述主控制器的输出获取所述快速回路的流量输入值u。

S402，测量所述快速回路的输出值。具体地，所述下位机12读取所述第二流量传感器71及所述第三流量传感器72的流量值并进行求和，即为所述快速回路的输出值y_k。

S403，计算所述快速回路的输入与输出之间的偏差值E_k，即输入与所述第一比例阀61和所述第二比例阀62输出的流量之和的偏差值。具体地，E_k＝u-y_k，其中，E_k为输入与比例阀输出的流量偏差值，u为所述主控制器的输出值，即为所述副控制器的输入值，y_k为所述第二流量传感器71及所述第三流量传感器72检测的流量之和。

S404，所述副控制器根据PID算法计算出其输出值，其中，W_c为所述副控制器的输出值，K_p为比例系数，T_i为积分时间常数，K_d为微分时间常数，E_k为比例阀输出的流量偏差值。

S405，所述下位机12通过RS485通讯协议自所述工控机12获取所述准分子激光器的重复频率T_d。

S406，计算重复频率T_d对应流量的增量W_d＝T_dG_f。

S407，计算并输出最终的流量之和，W＝W_d+W_c。

S4071，判断W-W₂₀＞W₀是否成立，其中W₀(W₀＝0.1L₁)为所述第一比例阀61的理想输出流量，所述W₂₀(W₂₀＝0.5L₂)为所述第二比例阀62的理想输出流量。

S40711，如果W-W₂₀＞W₀成立，则所述下位机12控制所述第一比例阀61的流量为W₁＝W-W₂₀。

S40712，检测所述第二流量传感器71的感测值W’(即所述第一比例阀61的实际输出流量)。

S40713，所述下位机12控制所述第二比例阀62的输出流量为W₂＝W-W’。

S40714，如果W-W₂₀＞W₀不成立，则所述下位机12控制所述第一比例阀61的输出流量为W₁＝0。

S40715，所述下位机12控制所述第二比例阀62的输出流量为W₂＝W。

S5，所述副控制器输出是否稳定。所述副控制器重复执行一次S401、S402、S403步骤，所述快速回路的输入与输出之间的偏差值E_k与给定值ε对比，是否满足E_k≤ε。

S501，不满足E_k≤ε，则继续执行S404～S408，直至满足E_k≤ε。。

S502，满足E_k≤ε，检测是否有停止命令，如果有，则停止。没有则重复S3。

S6，是否结束程序，所述下位机12检测是否收到所述工控机13发送的结束指令。

S601，如果有结束指令，则停止一切程序。

S602，如果没有结束指令，则重复S3～S6。

所述手动控温回路包括节流阀63、手动控温腔体8b及第三单向阀93，所述节流阀63连接所述分流器5及所述手动控温腔体8b，所述第三单向阀93连接所述手动控温腔体8b及所述集流器10。所述下位机13根据所述手动腔体8b的流量与温度之间的曲线来控制所述节流阀63的开度，进而使所述手动控温腔体8b工作在设定温度下。

所述溢流阀11连接所述分流器5及所述集流器10，其用于防止某一支路流量改变时影响各路温度控制的稳定性，使被控回路的压力维持恒定，实现稳压的作用。

采用本发明提供的适用于准分子激光器的恒温控制系统，其同时采用手动控温及自动控温两种方式，自动控温采用了激光器的重复频率作为前反馈，使得温度稳定性强、波动范围小，调节时间短，抗干扰能力强，控制精度高。此外，温度的稳定有利于提高准分子激光器的出光性能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种适用于准分子激光器的恒温控制系统，其包括干路及支路，所述恒温控制系统还包括设置在所述干路上的电磁阀、第一流量传感器、分流器及集流器、设置在所述支路上的第一比例阀、第二比例阀、第二流量传感器、第三流量传感器、自动控温腔体及第一单向阀、用于采集所述第一流量传感器、所述第二流量传感器及所述第三流量传感器的流量数据的下位机及与所述下位机通讯的工控机，其特征在于：

所述第一流量传感器连接所述分流器及所述电磁阀，所述第一流量传感器用于感测所述干路的流量信息，所述下位机用于根据所述流量信息控制所述电磁阀的开度；所述分流器用于将干路的冷却水进行分流以供所述支路使用；

所述第一比例阀连接所述分流器及所述第二流量传感器，所述第二比例阀连接所述分流器及所述第三流量传感器，所述第二流量传感器与所述第三流量传感器汇合后连接于所述自动控温腔体的进水口，所诉第一单向阀连接所述自动控温腔体及所述集流器，所述冷却水自所述自动控温腔体流出后进入所述集流器以进行回流；

所述工控机用于发送指令以控制准分子激光器的重复频率，并将所述重复频率信息通过RS485协议传输给所述下位机；所述下位机用于根据所述重复频率信息计算所述重复频率对应的流量增量，并相应地控制所述第一比例阀及所述第二比例阀的流量，进而以所述重复频率为前反馈自动控制所述自动温控腔体的温度维持在目标温度。

2.如权利要求1所述的适用于准分子激光器的恒温控制系统，其特征在于：所恒温控制系统还包括节流阀、手动控温腔体及第三单向阀，所述节流阀连接所述分流器及所述手动控温腔体，所述第三单向阀连接所述集流器及所述手动控温腔体；所述下位机用于根据所述手动控温腔体的流量与温度之间的曲线来控制所述节流阀的开度，进而使所述手动控温腔体工作在设定温度下。

3.如权利要求1所述的适用于准分子激光器的恒温控制系统，其特征在于：所述第一比例阀的量程L₁大于所述第二比例阀的量程L₂，其中L₂＝(0.2～0.3)L₁。

4.如权利要求1所述的适用于准分子激光器的恒温控制系统，其特征在于：所述恒温控制系统还包括溢流阀，所述溢流阀连接所述分流器及所述集流器。

5.如权利要求1所述的适用于准分子激光器的恒温控制系统，其特征在于：所述恒温控制系统还包括第二单向阀，所述第二单向阀连接所述自动控温腔体及所述集流器。