CN110870039B - 等离子体功率输送系统的周期间控制系统及其操作方法 - Google Patents

等离子体功率输送系统的周期间控制系统及其操作方法 Download PDF

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Abstract

一种发生器产生输出，例如输送的功率、电压、电流、正向功率等，其遵循预定的输出对时间的规定模式，其中，通过基于在过去的一个或多个重复周期中进行的测量来控制模式的各部分而以重复周期重复该模式。可变阻抗匹配网络可以控制呈现给射频发生器的阻抗，同时发生器产生的输出遵循规定输出对时间变化的模式，其中，通过基于在过去的一个或多个重复周期取得的测量结果控制所述模式的部分期间的匹配中可变阻抗元件，所述模式以重复周期重复。

Description

等离子体功率输送系统的周期间控制系统及其操作方法
相关申请的交叉引用
本专利条约合作(PCT)申请与2017年7月7日提交的题为“INTER-PERIODCONTROLSYSTEM FOR PLASMA POWER DELIVERYSYSTEM AND METHOD OF OPERATINGTHESAME”的美国专利申请62/529963相关并主张其优先权，出于所有目的，通过引用在此将其全部内容并入。
技术领域
本公开的各方面涉及用于控制功率输送系统，尤其是用于控制等离子体功率输送系统的改进的方法和系统。
背景技术
等离子体处理系统用于通过诸如化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)的工艺在基底上沉积薄膜，以及使用蚀刻工艺从基底上去除薄膜。通常通过将射频(RF)或直流(DC)发生器耦合到充满低压注入等离子体腔的气体的等离子体腔来创建等离子体。通常，发生器将RF功率传送到等离子体腔中的天线，并且在天线处传送的功率会点燃并维持等离子体。在一些情况下，RF发生器被耦合到阻抗匹配网络，所述网络可以使等离子体阻抗与所需阻抗匹配，通常为50Ω，在发生器输出处。直流功率通常经由一个或多个电极而被耦合到腔室。单独的发生器或发生器与装备的其他件的组合(例如阻抗匹配网络)，耦合到相同等离子体、线缆等的其他发生器，构成等离子体功率递送系统。
通常需要调制输送到等离子体系统的功率。大多数调制方案是重复的，即，相同的调制波形以波形重复率重复。相关的波形重复周期等于一除以波形重复率。使用传统控制方案遵循规定调制波形的能力要求来自控制器以及最终来自测量系统的高的带宽。很多等离子体系统以不同的频率向等离子体施加功率。等离子体负载的非线性特性创建调制间产物，这些调制间产物会干扰发生器的测量系统。因此，有时使用窄带测量系统来限制这种干扰是有利的。在许多应用中，输送到等离子负载的功率不是唯一受控制的参数。例如，在RF功率输送系统中，可以通过控制发生器输出的频率或通过控制发生器与等离子体负载之间的可变阻抗匹配网络来控制由等离子体负载提供给发生器的阻抗。在一些情况下，发生器源阻抗也可能受控制。根据这些各种问题来跟踪和控制功率提出了越来越大的控制挑战。
考虑到这些观察以及其他，构想了本公开的各方面。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种功率输送系统，包括：发生器，其产生输出，所述输出遵循规定的输出对时间的模式，其中，所述模式通过以下来以一重复周期重复：基于针对所述模式的部分在过去一个或多个重复周期所进行的测量来控制所述模式的相同的部分；以及周期间控制器，其比较针对给定设定点在过去一个或多个周期的输出的测量值，并在所述设定点使用过去的测量值来生成当前误差信号和控制器输出。
根据本发明的第二方面，提供了一种功率输送系统，包括：与存储器通信的控制系统，所述控制系统用于产生遵循输出对时间的规定的模式的输出，且比较针对给定设定点在过去一个或多个周期的输出的测量值，并在所述设定点使用过去的测量值来生成当前误差信号和控制器输出，其中，所述模式通过以下来以一重复周期重复：基于针对所述模式的部分在过去一个或多个重复周期所进行的测量来控制所述模式的相同的部分，其中，通过基于存储在所述存储器中的所述输出的测量结果控制所述规定模式的重复来使所述规定模式以重复周期重复，存储在所述存储器中的所述输出是从输出对时间的所述规定模式的一个或多个先前重复取得的。
根据一个实施例，一种发生器产生输出，例如输送的功率、电压、电流、正向功率等，其遵循预定的输出对时间的规定模式，其中，通过基于在过去的一个或多个重复周期中进行的测量来控制模式的各部分而以重复周期重复该模式。在一个示例中，功率输送系统包括产生重复输出模式的发生器，并且控制元件基于当前时间周期之前的时间周期进行的对重复模式的值的测量来控制重复模式。所述控制元件可以还基于在当前周期之前的周期进行的对重复模式的测量与当前周期期间重复模式的值的测量的组合来控制重复输出模式。重复的输出模式可以遵循输出对时间的规定模式，其中，所述规定模式以重复周期重复，其中，在当前周期之前的周期内进行的对重复模式值的测量在过去一个或多个重复周期中发生。
根据又一个实施例，可变阻抗匹配网络控制呈现给RF发生器的阻抗，同时发生器产生输出，例如输送的功率、电压、电流、正向功率等，其遵循输出对时间的规定模式，其中，通过基于在过去一个或多个重复周期进行的测量，控制在模式的各个部分中的匹配项中的可变阻抗元素，从而以重复周期重复所述模式。在各种可能的实施例中，发生器可以将输送的功率、电压、电流、正向功率等提供给等离子体系统，以点燃和维持等离子体。
根据又一个实施例，发生器产生输出，所述输出遵循预定的输出对时间的模式，其中该模式通过基于过去一个或多个重复周期所进行的测量来控制模式的各部分而以重复周期重复。将该控制器与周期内控制器相结合，所述周期内控制器基于过去小于重复周期进行的测量来计算控制输出。
根据又一个实施例，可变阻抗匹配网络控制呈现给RF发生器的阻抗，同时发生器产生输出，例如输送的功率、电压、电流、正向功率等，其遵循输出对时间的规定模式，其中，通过基于在过去一个或多个重复周期进行的测量，控制在模式的各个部分中的匹配项中的可变阻抗元素，从而以重复周期重复所述模式。并且将该控制器与周期内控制器相结合，所述周期内控制器基于过去小于重复周期取得的测量结果来计算对匹配中的可变阻抗元素的控制。
根据另一实施例，发生器产生输出，所述输出遵循预定的输出对时间的模式，其中通过基于过去一个或多个重复周期进行的测量来控制模式的各部分，同时调整另一参数(例如发生器输出频率或包含在发生器或耦合在发生器与等离子体之间的可变阻抗匹配网络中的可变阻抗元素)，而以一重复周期重复该模式，这些参数基于过去一个或多个重复周期所获得的测量值，其中，由控制系统确定并使用控制输入(例如功率控制和发生器的频率)与控制输出(例如提供给发生器的输出功率和阻抗)之间的相关性。
根据又一个实施例，发生器产生输出，所述输出遵循预定的输出对时间的模式，其中，所述模式通过以下来以一重复周期重复：基于针对模式的部分在过去一个或多个重复周期所进行的测量来控制模式的相同的部分；并且通过对控制输入进行扰动针对模式中其他部分的这样的测量，确定对扰动的响应并使用对扰动的响应来补偿波形中相邻或紧邻定位的时间周期之间的耦合。
附图说明
如附图中所示，根据对那些技术的特定实施例的以下描述，本公开的技术的各种特征和优点将变得显而易见。应该注意，附图不一定是按比例的；而是，重点放在说明技术概念的原理上。同样，在附图中，相同的附图标记可以指不同视图中的相同部分。附图仅描绘了本公开的典型实施例，并且因此，不应被视为对范围的限制。
图1A示出了可用于控制等离子体功率输送系统的简单的模拟周期内控制系统，并且图1B示出了可用于控制等离子体功率输送系统的简单的数字周期内控制系统。
图2A示出了相对较慢的周期内控制系统对周期输入的响应，并且图2B示出了相对快速的周期内控制系统对周期输入的响应。
图3A和图3B示出了根据本公开的实施例的可以在等离子体功率输送系统中实现的示例性周期间控制器的框图。
图4A-图4D示出了示例性周期间控制器对周期性输入的响应。
图5示出了根据本公开的一个实施例的示例性周期间和周期内组合控制器的框图，所述控制器可以在等离子体功率输送系统中实现。
图6A示出了示例纯周期间控制器的作为频率的函数的环路增益。
图6B示出了用于生成图6A的环路增益的周期间控制器的环路增益的奈奎斯特图。
图6C示出了用于周期控制器产生图6A的环路增益的、作为频率的函数的闭环响应。
图6D示出了针对纯周期间控制器的、在输入波形的谐波处或附近的、作为频率的函数闭环响应。
图7A示出了作为频率的函数的示例性的组合的周期间和周期内控制器的环路增益与，其中，针对周期间部分的加权为0.1，针对周期内部分的加权为0.9。
图7B示出了与图7A有关的环路增益的奈奎斯特图。
图7C示出了与图7A相关的示例组合控制器的作为频率的函数的闭环响应。
图7D示出了针对与图7A有关的组合的周期间和周期内控制器的、在输入波形的谐波处或附近的作为频率的函数的闭环响应。
图8A示出了作为频率的函数的示例性的组合的周期间和周期内控制器的环路增益，其中，针对周期间部分的加权为0.01，针对周期内部分的加权为0.99。
图8B示出了与图8A有关的组合控制器的环路增益的奈奎斯特图。
图8C示出了与图8A相关的组合控制器的作为频率的函数的闭环响应。
图8D示出了针对与图8A有关的相同的组合的周期间和周期内控制器的，在输入波形的谐波处或附近的作为频率的函数的闭环响应。
图9示出了根据本公开的一个实施例的组合的周期间和周期内控制器的多输入多输出版本的框图。
具体实施方式
本公开的实施例提供了一种等离子体功率输送系统，所述等离子体功率输送系统产生输出，例如输送的功率、电压、电流和正向功率，所述输出遵循规定输出对时间的模式，其中通过根据过去一个或多个重复周期(而不是当前周期)内进行的测量而控制模式的多个部分，所述模式以重复周期重复。与常规控制器相比，这种周期间控制器可以利用较低的带宽测量和控制系统来更准确地再现输出。在各种情况下，包括在存在等离子体生成的混合和互调制结果的情况下，由周期间控制器提供的益处可能是有利的。在另外的实施例中，周期间控制器可以与常规周期内控制器组合。在另外的实施例中，可以基于过去的一个或多个重复周期取得的测量结果，将诸如发生器输出频率的参数与主输出一起进行调整，其中，控制输入(例如，功率控制和发生器频率)与控制输出(例如，提供给发生器的输出功率和阻抗)之间的相关性由控制系统确定并使用。根在另外的实施例中，发生器产生输出，所述输出遵循预定的输出对时间的模式，其中，所述模式通过以下来以一重复周期重复：基于在过去一个或多个重复周期所取得的针对模式的部分的测量结果来控制模式的相同的部分；并且通过对控制输入进行扰动针对模式中其他部分的这样的测量，确定对扰动的响应并使用对扰动的响应来补偿波形中相邻或紧邻定位的时间周期之间的耦合。
尽管主要参考用于发生器的控制器进行了描述，但是本公开的各方面适用于开关模式电源及其控制器，其可以在eV源应用中使用，例如向基底提供偏压作为整体功率传输系统的一部分，以及其他基底偏置方案。本文中讨论的控制器和控制方案也可以用于控制阻抗匹配网络的可变阻抗元素(例如真空可变电容器或开关可变电抗元件)。在这样的情况下，本公开的各方面可以用于或可以不用于作为整体功率输送系统的一部分的对到阻抗匹配网络的RF供应的控制。控制器可以驻留在功率输送系统的任何部分中(例如，在发生器或匹配网络中)，并且可以或可以不从功率输送系统的其他部分接收信息并控制功率输送系统的其他部分。例如，驻留在发生器中的控制器可以利用仅从发生器，仅从匹配件或从发生器和匹配两者获得的信息来控制作为功率输送系统的一部分的发生器和匹配。本文讨论的控制器和控制方案还可以用在具有或不具有等离子体功率输送环境中的功率的其他系统中。
图1A(现有技术)示出了可用于控制等离子体功率输送系统的简单的模拟周期内控制系统，并且图1B(现有技术)示出了可用于控制等离子体功率输送系统的简单的数字周期内控制系统。在图1A中，输入101与输出106之间的差异产生误差信号102，控制器103使用该误差信号102产生到设备105的控制输入104。在该图中，控制器是增益为k的简单积分器。在实际实现方式中，控制输入104c可以是功率放大器的驱动电平，而设备105P可以是功率放大器。为了说明该控制器与所公开的周期间控制器之间的性能差异，设备105P是单位增益块，即y＝c。根据这些假设，环路增益在k rad/s或k/(2π)Hz具有单位增益，系统阶跃响应的时间常数为1/k s，并且系统脉冲响应的积分在1/k s内达到63.2％(1-1/e)。在图1B中，输入151以1/Ts的采样率被采样并且被采样器157数字化。(在一些应用中，输入已经是数字数据流，并且系统中不存在采样器157。)输出156被采样器159采样并数字化，并且输入与输出之间的差产生误差信号152，控制器153使用该误差信号152产生控制输入154，所述控制输入154被数模转换器158转换成模拟控制信号，所述模拟控制信号被馈送到设备155。对于图1A，为了说明该控制器和所公开的周期间控制器之间的性能差异，设备105P是单位增益块。关于k与单位增益频率与响应时间之间的关系的相同陈述对于图1的模拟控制器相同，假设k远小于2π/Ts的话。
图2A(现有技术)示出了诸如图1A或图1B所示的简单周期内控制器对具有周期Tp205的周期性输入的响应200。在该示例中，一组不同的设定点(例如，设定点功率为1，然后为2，随后为5，斜变到3)定义了输入的一个周期。输出202跟随输入201，具有可见的不准确性(其中，输出与输入设定点不匹配)。此图的闭环响应时间常数为10μs。给定点A，203，处的输出可以通过将系统的时移时间反向脉冲响应乘以输入并进行积分来获得。单元204的归一化时移时间反向脉冲响应表明，点A 203的输出受到非常近的过去的严重影响(在点A前一个时间常数或10μs以内)，并且几乎完全不受发生在点A之前的10个时间常数之前的事件影响。为了适应脉冲中变化的设定点，常规控制器必须非常快。如图2B中所示(现有技术)，使控制器速度变快提高了输出精确地跟随输入的能力。此图的闭环响应时间常数为5μs。响应250显示输出252更紧密跟随输入251。归一化的时移时间反向脉冲响应254显示，点A 253现在受到在非常近的过去的输入的更大影响。
在这些常规的周期内控制器中，误差控制基于相对于设定点的电流输出(在周期内)的测量值。因此，例如，参考图2A，将在时间1.5ms处的输出的测量值与在同一时间的设定点值进行比较以生成误差信号。换句话说，将设定值与当前周期期间的测量值进行比较，以生成针对常规周期内控制器的误差信号。相反，周期间控制器比较针对给定设定点在过去一个或多个周期的输出的测量值，并在设定点使用过去的测量值来生成当前误差信号和控制器输出。再次参考图2A，例如，在时间1.5ms(设定点为3)，设定点为3的在时间0.94ms处的测量值(这是0.56ms的一个波形重复周期，或者是先前脉冲中与时间1.5ms相关的那部分)将被控制器用来产生误差和输出，这与1.5ms处的间脉冲内的测量值不同。值得注意的是，周期间控制器不需要那么快，因为它依赖于过去一个周期的测量值，而不是脉冲中紧邻的值。
在一些示例中，将脉冲(例如，周期Tp上的脉冲)划分为多个时间周期，并且将前一个脉冲的相同时间周期中的对应(相同)输出值用于误差信号。再次参考上面的示例，即使用第一脉冲的时间0.94ms处的测量值进行后续第二脉冲的时间1.5ms处的纠错，所述时间周期将包含某个范围内的0.56ms的特定值。在一个示例中，脉冲通过其被划分的时间周期使得任何给定的时间周期不包括不同的设定点，倾斜的设定点转变除外。
在各种实施方式中，周期间脉冲信息被存储在某种形式的存储器中，使得控制器可以访问该周期间脉冲信息并将其用于后续脉冲的错误反馈。复杂的脉冲(例如具有倾斜的设定点过渡)以及其他不同设定点可能会受益于脉冲的相对较小的时间周期细分，因此可能需要相对较大和更快的存储器。在特定示例中，具有100ms与10μs之间的周期Tp的脉冲可以被细分为1024个时间片，并且存储针对每个片的输出值用于与后续脉冲的相同时间片中的测量值进行比较。
在一些应用中，不生成错误信号。在使用周期间控制方案的阻抗匹配应用中，关于过去呈现给发生器的一个或多个周期的阻抗信息Tp 205可以用于调整当前时间的匹配网络内的可变阻抗元素。该信息可用于计算对可变阻抗匹配元件的调整，而无需先生成误差信号。在阻抗匹配应用中，设定点(例如101、151、303、351、501)通常是恒定的，但是负载阻抗存在周期性的干扰，必须与所需的输入阻抗匹配。例如，这种周期性扰动可能是由于按照预定的输出模式相对于时间的方式将功率输送到等离子负载而引起的，其中该模式以重复周期重复。在这种情况下，可以将来自例如提供规定功率模式的电源的同步信号提供给匹配网络，以帮助匹配网络与扰动的重复波形同步。
图3A示出了根据本公开的一个实施例的可以在等离子体功率输送系统中实现的周期间控制器300的一个示例的框图。图3A示出了根据本公开的另一个实施例的可以在等离子体功率输送系统中实现的周期间控制器350的替代示例实现方式的框图。本文描述的周期间控制器的一些实施方式可以被认为是多输入多输出(MIMO)控制器。控制器或更一般的控制元件可以以硬件和软件以及其各种可能的组合来实现。控制元件可以与发生器或其他设备集成在一起，或者可以是单独的部件。在一些应用中，周期间控制器可能驻留在与被控制的装备的不同的件中。作为示例，连接到阻抗匹配网络的控制器可以驻留在发生器中，但是控制阻抗匹配网络中的可变阻抗元素。在这样的应用中，来自耦合器的正向和反射信号可以从驻留在发生器中的耦合器获得，经过模拟滤波、在模数转换器中数字化，并经过处理以提取通过匹配由微处理器提供给发生器的阻抗运行软件程序或运行在例如FPGA中的数字逻辑电路。测量值可以通过微处理器或驻留在FPGA中的可重新配置数字电路存储在存储器中。包含在不同时间的阻抗测量样本的存储器可以使用微处理器中运行的软件或FPGA进行处理。该软件或FPGA过去可以使用一个或多个波形重复周期的样本来实施周期间控制方案。为了实现这样的方案，还可以使用关于匹配中可变阻抗元素的过去值的信息。控制器然后可以将控制信号发送到匹配，以改变匹配中的可变阻抗元素。图3A将周期间控制器(提供交错的方案)实现为N个控制器，每个控制器以输入的重复周期Tp运行。方框301示出了第一个这样的控制器，而方框302示出了第N个这样的控制器。输入303由模数转换器304以1/Ts的采样率采样并数字化。(输入可能已经作为数据流存在，在这种情况下，不使用转换器304。)采样的输入继而被开关305切换或路由到控制器，从而每个控制器以1/Tp的速率接收更新的输入。控制器的输出通过开关306路由到公共控制输入c。控制输入由数模转换器307转换为模拟信号，并且被应用于设备P 308的控制输入。每个控制器的输出y 309由采样器(控制器301的313)以1/Tp的速率采样。
每个控制器通过从采样输出中减去输入来创建误差函数(对于控制器301为310)。(由于采样的输出延迟了波形周期Tp，因此实现了周期间控制器。)误差函数被集成(对于控制器301为311)，产生输出(对于控制器301为312)。调节控制器的数量N和采样周期Ts，使得NTs＝Tp。为了适应输入的重复周期Tp可以改变几个采样周期的情况，可以使用额外的控制器。例如，可能有N+3个控制器来处理可以改变三个采样周期的Tp。当由于小于最大Tp而没有更新额外的控制部分时，最后更新的控制器的状态可以被复制到额外的控制部分。
图3B示出了根据本公开的实施例的周期间控制器350的替代实施方式。输入351由模数转换器352以1/Ts的采样率采样并数字化。(输入可能已经作为数据流存在，在这种情况下，不使用转换器352。)输出358由模数转换器359采样并数字化。(输出可以是从输出的测量结果得出的数字数据流，在这种情况下，可能不是如图所示实现模数转换器。)通过从输出中减去输入来获得误差函数353。控制器354根据输入的一个周期TP之前的控制输入到设备c 355的值，和误差函数e 353，来生成到设备c 355，的控制输入。如下所示，这与常规的周期内控制器明显不同。设备的控制输入通过数模转换器356转换为模拟信号，并且被应用到设备357。对于控制器300，可以提供处理如下情况：输入的重复周期Tp可以改变几个采样周期的情况。在这种情况下，允许N基于适合于输入Tp的先前周期的采样周期Ts的数量而变化。
图4A-4D示出了可以在根据本公开的一个实施例的等离子体功率输送系统中实现的周期间控制器对周期性控制输入的响应。在图4A和4B中，示出了输出402对周期性输入401的响应400。如在响应400中所示，输出缓慢收敛到输入(图4A)，但是在输入的大约30个周期(图4B)之后，输出404以几乎不可察觉的误差跟随输入403。图4C示出了响应450上的点A 451和影响点A的点。注意，对于周期间控制器，点A 451仍然受到过去5ms的输入的显著影响。因此，即使输出的每个部分都以5毫秒量级的时间常数接近输入，在输入几个周期之后，输出也会跟随输入而几乎没有察觉到的误差。对于常规的周期内控制器，即使使用5μs的时间常数，输出也不会以这种精度跟随输入。
图5示出了根据本公开的一个实施例的示例性周期间和周期内组合控制器500的框图，所述控制器可以在等离子体功率输送系统中实现。输入501由模数转换器502以1/Ts的采样率采样并数字化。(输入可能已经作为数据流存在，在这种情况下，不使用转换器502。)输出509由模数转换器510采样并数字化。(输出可以是从输出的测量结果得出的数字数据流，在这种情况下，可能不是如图所示实现模数转换器。)通过从输出中减去输入来获得误差函数503。控制器504，根据输入的一个周期TP之前以及一个采样周期Ts之前的控制输入到设备c 506的值，和误差函数e 353来生成到设备c 355的控制输入。选择N和Ts以满足Tp＝NTs。控制输入c 506是一值的加权平均值，所述值基于一个采样周期Ts之前和一个输入周期Tp之前的值。在公式505中所示的序列(采样时间)域中，可能更清楚地说明了该加权。在504和505中，We是介于0和1之间的实数，并且Wa＝1–We。如果We＝1，则所述控制器是纯周期间控制器，如果We＝0，则所控制器是常规周期内控制器。到设备c 506的控制输入通过数模转换器507转换为模拟信号，并且被应用到设备508。可以提供处理如下情况：输入的重复周期Tp可以改变几个采样周期的情况。在这种情况下，允许N基于适合于输入Tp的先前周期的采样周期Ts的数量而变化。在这种情况下，如果接近重复结束的部分最近未被更新，并非复制先前样本的状态，可以更改权重以运行纯周期内控制器(We＝0)直到开始下一个输入周期的时间。该示例性的周期间和周期内组合控制器500具有额外的优势，即它可以轻松地从使用周期性输入进行操作过渡到使用非重复输入501进行操作。
图6A、图6B、图6C和图6D示出了可以在根据本公开的一个实施例的等离子体功率输送系统中实现的示例性周期间控制器(例如300、350或500(其中，We＝1))的特性。为了便于说明，在图6中，设备P 308、357或506是简单的单位增益块，采样周期Ts＝1μs，重复周期Tp＝1ms，因此N＝Tp/Ts＝1000，并且k(500中的ke)＝62.83。图6A中示出了周期间控制器的环路增益的波特图。环路增益与传统的周期内控制器非常不同。如对于增益k(500中的ke)＝62.83＝2π10可预期的那样，在10Hz处有一个第一增益交叉频率，但是增益的幅度在输入的谐波(1/Tp的倍数)处返回无穷大；周期间控制器的独特属性，允许其以前所未有的精度跟踪周期输入。图6B示出了环路增益的奈奎斯特图。为便于解释奈奎斯特图，环路增益的大小按log2(1+log2(1+·))缩放。此映射将0映射到0、1映射到1并且是单调递增的，因此我们仍然可以验证复平面中的点-1+j0没有被环绕。尽管波特图中有多个增益交叉点，但是奈奎斯特图表明系统是稳定的。图6C示出了系统的闭环响应的幅值和相位。图6D示出了仅在输入的谐波和距输入的谐波+/-1Hz处系统的闭环响应的幅值和相位。图6D示出了谐波处的增益是单位增益，这确认了将精确地跟随具有周期Tp的周期性输入。在图在6D中，具有正好0dB的增益和0相位(单位增益)的点正好在输入的谐波处，具有-0.04dB的增益和+/-5度的相位的点在输入的谐波的上下1Hz。
图7A、图7B、图7C和图7D示出了可以在根据本公开的一个实施例的等离子体功率输送系统中实现的We＝0.1的示例性组周期间控制器和周期内控制器500的特性。为了便于说明，在图7中，设备P 506是简单的单位增益块，采样周期Ts＝1μs，重复周期TP＝1ms，并且因此N＝Tp/Ts＝1000，Ke＝62.83，并且ka＝62830。周期间和周期内组合控制器的环路增益的波特图在图7A中示出。环路增益与传统的周期内控制器非常不同。在100Hz处有第一增益交叉频率，其在10Hz的针对We＝1的交叉频率与10kHz的针对We＝0的交叉之间。在输入的谐波处(1/Tp的倍数)，增益的大小恢复到较高的有限值；组合的周期间和周期内控制器的特有属性。图7B示出了环路增益的奈奎斯特图。为便于解释奈奎斯特图，环路增益的大小按log2(1+log2(1+·))缩放。此映射将0映射到0、1映射到1并且是单调递增的，因此我们仍然可以验证复平面中的点-1+j0没有被环绕。尽管波特图中有多个增益交叉点，但是奈奎斯特图表明系统是稳定的。图7C示出了系统的闭环响应的幅值和相位。图7D示出了仅在输入的谐波和距输入的谐波+/-1Hz处系统的闭环响应的幅值和相位。图7D示出了输入的前几个谐波处的增益接近于单位增益，这表明将以良好的精度跟随输入的前几个谐波分量。
图8A、图8B、图8C和图8D示出了可以在根据本公开的一个实施例的等离子体功率输送系统中实现的We＝0.01的示例性组周期间控制器和周期内控制器500的特性。在图8中，设备P 506是简单的单位增益块，采样周期Ts＝1μs，重复周期TP＝1ms，并且因此N＝Tp/Ts＝1000，Ke＝62.83，并且ka＝62830。周期间和周期内组合控制器的环路增益的波特图在图8A中示出。环路增益接近传统的周期内控制器的增益。在9.1kHz处有第一增益交叉频率，其在10Hz的针对We＝1的交叉频率与10kHz的针对We＝0的交叉之间。随着频率的增加，增益的幅值将返回高于单位值两倍的值。图8B示出了环路增益的奈奎斯特图。为便于解释奈奎斯特图，环路增益的大小按log2(1+log2(1+·))缩放。此映射将0映射到0、1映射到1并且是单调递增的，因此我们仍然可以验证复平面中的点-1+j0没有被环绕。尽管波特图中有多个增益交叉点，但是奈奎斯特图表明系统是稳定的。图8C示出了系统的闭环响应的幅值和相位。图7D示出了仅在输入的谐波和距输入的谐波+/-1Hz处系统的闭环响应的幅值和相位。图7D示出了输入的前几个谐波处的增益接近于单位增益，这表明将以良好的精度跟随输入的前几个谐波分量。该控制器以10kHz的增益交叉频率，接近周期内控制器的性能。
图9示出了根据本公开的一个实施例的示例性周期间和周期内组合控制器900的多输入多输出版本的框图，所述控制器可以在等离子体功率输送系统中实现。输入901由模数转换器902以1/Ts的采样率采样并数字化。(输入可能已经作为数据流存在，在这种情况下，不使用转换器902。)输入是多维的，并且例如可以包含用于输出功率和发生器源阻抗的输入。输出907由模数转换器909采样并数字化。(输出可以是从输出的测量结果得出的数字数据流，在这种情况下，可能不是如图所示实现模数转换器。)输出是多维的，并且可以例如包括对呈现给发生器的输出功率和阻抗的测量。输入901和输出907的维度不一定一致。这是因为输出的元素可能包含被最小化或最大化的某种事物的度量，因此不需要输入(例如，提供给发生器的负载阻抗与所需负载阻抗的失配)。而且，如果可以简单地设置值并且不需要相应的测量(例如，设置发生器源阻抗)，则输入的元素可能不需要相应的测量。输入901、控制输入904、扰动908和输出907的测量值被存储在存储器910中。控制器903根据存储在存储器中的、一个输入周期Tp之前和一个采样周期Ts之前的值来生成到设备的控制输入c904。选择N和Ts以满足Tp＝NTs。
除了计算输入到设备904的控制的值，控制器还可以生成扰动908，所述扰动被添加到所计算的控制中。添加到扰动908的设备的控制输入904通过数模转换器905而被转换为模拟信号，并应用于设备906。扰动908可用于提取控制输入904与输出907之间的相关性。例如，在904中对主要控制输出功率(例如，功率放大器的驱动电平)的控制元件进行扰动，并观察等离子负载对发生器产生的输出功率和阻抗的变化，并且然后对主要控制呈现给发生器的阻抗的控制元素(例如，发生器频率)进行扰动，并观察等离子负载呈现给发生器的输出功率和阻抗，这使得控制器可以提取控制输入904和输出907之间的相关性。如果输入被周期性地调制，则控制输入904和输出907之间的相关性也被调制(假设负载是非线性的，如大多数等离子体负载的情况一样)。周期间控制器可以将重复输入周期中每个特定时间周期的控制输入904和输出907相关联。例如，对于Tp＝1ms和Ts＝1μs例如，对于输入中的1000个时间周期中的每一个，控制器可以维持1000个矩阵904与907相关联。除了针对每个特定时间周期提取控制输入904的元素与输出907的元素之间的相关性之外，还可以提取不同时间周期之间的相关性。例如，控制器可以确定一个时间周期内控制输入元素的变化如何影响相继时间周期内的输出。
一个简单的示例说明了知晓这些相关性的好处。考虑关于如何在周期性输入的第7个时间周期内更新二维控制矢量(例如，驱动和频率)和二维输出(例如，输出功率和负载电阻)的决策。设第7个时间周期的输出的期望变化为：
Figure GDA0003564791490000141
假设通过扰动，可以估算出第7个时间周期中的输出与第6和第7个时间周期中的控制输入之间的相关性：
Figure GDA0003564791490000142
由此得出(大约)：
Figure GDA0003564791490000143
当针对7个时间周期的输入需要被调整时，己经进行了对第6时间周期的输入的更改，因此：
Figure GDA0003564791490000144
是已知的，并且因此：
Figure GDA0003564791490000151
这个简单的示例使用设备的两个输入(驱动器和频率)和两个输出(输出功率和负载电阻)。输出阻抗只是负载阻抗的一个组成部分。在实际应用中，重要的是负载阻抗，而不仅仅是负载阻抗的电阻部分。在这种情况下，必须使用第三个输入(例如，匹配网络中的可变电抗元件)，或者可以采用优化技术仅使用两个输入控制三个输出，而不是示例中的简单计算来找到最佳解决方案。
多输入多输出控制与周期间控制相结合，可在一个控制回路中控制多个参数。这避免了干扰控制回路的问题，所述问题通常对于同一等离子功率传输系统中的不同控制回路需要使用相差很大的速度。
周期间控制允许单个控制器更容易地控制向同一等离子体系统输送功率的多个发生器。周期内和周期内控制器的数据速率相同，这是因为输入到设备的控制输入以采样速率1/Ts更新。然而，周期内控制器需要来自更早的一个采样周期TS的信息来更新进入设备的当前控制输入，而周期间控制器需要来自更早的一个输入周期TP的信息以更新进入设备的控制输入。由于在大多数情况下，Tp比Ts长很多倍，因此在周期间控制器需要信息之前，获得来自控制器的和进入控制器的信息要容易得多。周期间控制器因此可以更容易地考虑不同发生器之间的相互作用，以改善对将功率输送到同一等离子体系统的所有发生器的整体控制。
在周期间控制器和周期间控制器及周期内控制器和混合控制器的给定示例中，控制器使用过去一个采样周期Ts或一个重复周期Tp的信号样本。当然，控制器也可以使用过去多个采样周期或重复周期的信号样本。

Claims (21)

1.一种功率输送系统，包括：
发生器，其产生输出，所述输出遵循规定的输出对时间的模式，其中，所述模式通过以下来以一重复周期重复：基于针对所述模式的部分在过去一个或多个重复周期所进行的测量来控制所述模式的相同的部分；以及
周期间控制器，其比较针对给定设定点在过去一个或多个周期的输出的测量值，并在所述设定点使用过去的测量值来生成当前误差信号和控制器输出。
2.根据权利要求1所述的功率输送系统，其中：所述周期间控制器还基于在当前周期之前的周期取得的对所述重复模式的测量结果与所述当前周期期间对所述重复模式的值的测量结果的组合来控制所述重复的输出模式。
3.根据权利要求1所述的功率输送系统，其中，所述重复的输出模式遵循输出对时间的规定模式，其中，所述规定模式以重复周期重复，并且其中，在当前周期之前的周期内取得的对所述重复模式的值的测量结果在过去的一个或多个重复周期中出现。
4.根据权利要求3所述的功率输送系统，还包括：接收多维输入并产生多维输出的设备，其中，在所述模式中的特定时间周期内到所述设备的控制输入的元素与在相同的特定时间周期内来自所述设备的输出的元素之间的相关性由所述周期间控制器确定并使用。
5.根据权利要求4所述的功率输送系统，其中，所述控制输入的元素与所述输出的元素之间的所述相关性是通过对所述控制输入进行扰动并观察对所述扰动的响应来确定的。
6.根据权利要求4所述的功率输送系统，其中，到所述设备的所述控制输入以及来自所述设备的所述输出是多维的，并且其中，在周期性模式中的特定时间周期和邻近所述特定时间周期的时间周期内的所述控制输入的元素与所述特定时间周期内来自所述设备的所述输出的元素之间的所述相关性由所述周期间控制器确定并使用。
7.根据权利要求6所述的功率输送系统，其中，所述控制输入的元素与所述输出的元素之间的所述相关性是通过对所述控制输入进行扰动并观察对所述扰动的响应来确定的。
8.根据权利要求1所述的功率输送系统，其中，所述发生器是单个射频发生器或直流发生器中的一个，并且所述输出是电压、电流和功率中的至少一个。
9.根据权利要求1所述的功率输送系统，其中，所述发生器包括多个射频发生器，或者多个直流发生器，或者射频发生器与直流发生器的组合，并且所述输出是输送到等离子体系统的电压、电流和功率中的至少一个。
10.根据权利要求4所述的功率输送系统，其中，所述输出的一个元素是电压、电流和功率中的一个或其组合，并且所述输出的另一元素是呈现给所述发生器的阻抗和所述发生器的源阻抗中的一个。
11.根据权利要求6所述的功率输送系统，其中，所述输出的一个元素是电压、电流和功率中的一个或其组合，并且所述输出的另一元素是呈现给所述发生器的阻抗和所述发生器的源阻抗中的一个。
12.一种功率输送系统，包括：
与存储器通信的控制系统，所述控制系统用于产生遵循输出对时间的规定的模式的输出，且比较针对给定设定点在过去一个或多个周期的输出的测量值，并在所述设定点使用过去的测量值来生成当前误差信号和控制器输出，
其中，所述模式通过以下来以一重复周期重复：基于针对所述模式的部分在过去一个或多个重复周期所进行的测量来控制所述模式的相同的部分，
其中，通过基于存储在所述存储器中的所述输出的测量结果控制所述规定模式的重复来使所述规定模式以重复周期重复，存储在所述存储器中的所述输出是从输出对时间的所述规定模式的一个或多个先前重复取得的。
13.根据权利要求12所述的功率输送系统，其中，所述控制系统将从一个或多个先前重复取得的测量结果与从当前重复取得的测量结果进行组合。
14.根据权利要求12所述的功率输送系统，其中，到所述功率输送系统的设备的控制输入以及所述功率输送系统的输出是多维的，其中，在相对于所述规定模式的所述重复的开始的一个时刻的所述控制输入的多个控制输入元素与在相对于所述重复周期的所述开始的同一时刻的所述输出的多个输出元素之间的相关性由所述控制系统确定并使用。
15.根据权利要求14所述的功率输送系统，其中，所述控制输入的所述控制输入元素与所述输出的所述输出元素之间的所述相关性是通过对所述控制输入进行扰动并测量对所述扰动的响应来确定的。
16.根据权利要求14所述的功率输送系统，其中，到所述设备的所述控制输入和所述输出是多维的，其中，在相对于所述重复周期的开始的一个时刻和邻近所述一个时刻的时刻的所述控制输入的多个控制输入元素与在相对于所述重复周期的所述开始的所述一个时刻的所述输出的多个输出元素之间的所述相关性由所述控制系统确定并使用。
17.根据权利要求16所述的功率输送系统，其中，所述控制输入的所述控制输入元素与所述输出的所述输出元素之间的所述相关性是通过对所述控制输入进行扰动并测量对所述扰动的响应来确定的。
18.根据权利要求12所述的功率输送系统，其中，所述功率输送系统包括单个射频(RF)发生器或直流(DC)发生器，并且所述输出的元素包括输送到等离子体系统的电压、电流和功率水平中的至少一个。
19.根据权利要求18所述的功率输送系统，还包括多个发生器，所述多个发生器包括RF发生器、DC发生器或RF发生器与DC发生器的组合，并且所述发生器的所述输出中的每个的元素包括电压、电流、和功率水平中的至少一个。
20.根据权利要求14所述的功率输送系统，其中，所述输出的所述输出元素中的一个包括电压、电流和功率中的至少一个，其中，所述输出的另一输出元素包括呈现给发生器的负载阻抗和所述发生器的源阻抗中的至少一个。
21.根据权利要求16所述的功率输送系统，其中，所述输出的一个输出元素包括电压、电流和功率水平中的至少一个，其中，所述输出的另一输出元素包括呈现给发生器的负载阻抗和所述发生器的源阻抗中的至少一个。
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