CN116931610A - 一种压力控制的快速响应方法及装置 - Google Patents

一种压力控制的快速响应方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种压力控制的快速响应方法及装置。所述快速响应方法包括：根据真空反应腔体内的目标压力，通过一个对应关系表获取相应的预设编码值；根据预设编码值，控制电机驱动阀板在相应的预设位置上；当阀板在相应的预设位置上时，采集真空反应腔体内的压力作为当前压力；根据当前压力与目标压力的压力差值得到相应的编码差值，由此控制电机驱动调整阀板的相应位置。本发明通过控制器先加载变化后压力对应的位置，在开环的情况下让阀板快速运动到预设位置；当阀板到预设位置后，读取当前压力，并与设定的工作压力做比较，形成压力环控制，保证压力控制精度，这样整个过程就省去了前面大部分行程的压力调节时间。

Description

一种压力控制的快速响应方法及装置
技术领域
本发明涉及真空设备领域，尤其涉及一种压力控制的快速响应方法及快速响应装置。
背景技术
目前，国内的半导体行业受国外影响而快速发展，关键零部件的国产化成为趋势，而调压蝶阀作为CVD及PECVD等设备的组成零部件，更是受到半导体产家的青睐。如图1所示，调压蝶阀受控于半导体设备控制系统，调压蝶阀包括阀体和阀板，还可包括控制器，一般半导体设备控制系统已经包括了控制器，因此，调压蝶阀可以没有控制器，而相应的控制部分集成在半导体设备控制系统的控制器中，即调压蝶阀和半导体设备控制系统共用一个控制器。半导体设备控制系统除了控制器外，还有电机、编码器。阀体安装在真空反应腔体的输出气路上，电机的转动位置通过编码器的编码值体现。控制器通过控制编码值，来控制电机驱动阀板的开合度以调节真空反应腔体内的压力。
CVD及PECVD等设备的组成零部件的这些半导体设备对于真空反应腔体内压力的精确控制及快速响应具有极高要求，所以调压蝶阀的控压性能是调压蝶阀能否使用的关键因素。市场上的调压蝶阀目前全部由国外的品牌提供，国内的电动调压蝶阀由于精度较差，响应较慢而不能满足半导体设备的需求。
发明内容
为解决传统调压蝶阀相应速度比较慢的技术问题，本发明提供一种压力控制的快速响应方法及快速响应装置，采用所述快速响应方法的调压蝶阀、半导体设备控制系统、计算机终端、计算机可读存储介质。
本发明采用以下技术方案实现：
一种压力控制的快速响应方法，其应用于半导体设备控制系统中用于调节真空反应腔体内的压力，所述半导体设备控制系统包括调压蝶阀、电机、编码器和控制器；所述调压蝶阀包括阀体和阀板，所述阀体安装在真空反应腔体的输出气路上，所述电机的转动位置通过所述编码器的编码值体现；所述控制器通过控制所述编码值，来控制所述电机驱动所述阀板的开合度以调节所述真空反应腔体内的压力；
其中，所述快速响应方法包括以下步骤：
步骤S1：根据所述真空反应腔体内的目标压力，通过一个对应关系表获取相应的预设编码值；其中，所述对应关系表表征：所述真空反应腔体内的每个压力下存在的相应开合度和编码值；
步骤S2：根据所述预设编码值，控制所述电机驱动所述阀板在相应的预设位置上；
步骤S3：当所述阀板在相应的预设位置上时，才采集所述真空反应腔体内的压力作为当前压力；
步骤S4：根据所述当前压力与所述目标压力的压力差值得到相应的编码差值，根据所述编码差值控制所述电机驱动调整所述阀板的相应位置。
作为上述方案的进一步改进，所述当前压力的采集方法包括以下步骤：
步骤S31：当所述阀板在相应的预设位置上时，才驱动小量程传感器采集所述真空反应腔体内的压力作为当前压力；
步骤S32：判断所述当前压力是否等于所述小量程传感器的最大检测限值；是则执行步骤S33后再执行步骤S4，否则直接执行步骤S4；
步骤S33：驱动大量程传感器采集所述真空反应腔体内的压力作为当前压力。
作为上述方案的进一步改进，在步骤S4中：所述压力差值通过PID压力调节器得到相应的编码差值。
作为上述方案的进一步改进，在步骤S1中，所述对应关系表的获取方法为：
所述调压蝶阀在接入所述半导体设备控制系统后，所述控制器进行自学习，以获取所述对应关系表。
进一步地，根据所述真空反应腔体内的每个实时压力下存在的相应开合度和编码值，实现所述控制器的实时自学习，以实时调整所述对应关系表。
本发明还提供一种压力控制的快速响应装置，其应用了上述任意压力控制的快速响应方法，所述快速响应装置包括：
预设编码值获取模块，其用于根据所述真空反应腔体内的目标压力，通过一个对应关系表获取相应的预设编码值；其中，所述对应关系表表征：所述真空反应腔体内的每个压力下存在的相应开合度和编码值；
预设位置执行模块，其用于根据所述预设编码值，控制所述电机驱动所述阀板在相应的预设位置上；
采集模块，其用于当所述阀板在相应的预设位置上时，才采集所述真空反应腔体内的压力作为当前压力；
调整模块，其用于根据所述当前压力与所述目标压力的压力差值得到相应的编码差值，根据所述编码差值控制所述电机驱动调整所述阀板的相应位置。
本发明还提供一种半导体设备控制系统，其用于控制调压蝶阀的阀板在相应阀体中的开合度，以调节所述真空反应腔体内的压力；所述半导体设备控制系统采用上述任意压力控制的快速响应方法去控制所述调压蝶阀。
本发明还提供一种调压蝶阀，其配合半导体设备控制系统用于调节所述真空反应腔体内的压力，所述半导体设备控制系统包括电机、编码器；所述电机的转动位置通过所述编码器的编码值体现；所述调压蝶阀包括：
阀体，其安装在真空反应腔体的输出气路上；
阀板，其通过控制相对所述阀体的开合度调节所述真空反应腔体内的压力；
控制器，其通过控制所述编码值，来控制所述电机驱动所述阀板的开合度以调节所述真空反应腔体内的压力；
其中，所述控制器执行上述任意压力控制的快速响应方法的步骤。
本发明还提供一种计算机终端，其包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时，执行上述任意压力控制的快速响应方法的步骤。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序在被处理器执行时，执行上述任意压力控制的快速响应方法的步骤。
当真空腔体内的压力发生变化时，本发明通过控制器先加载变化后压力对应的位置，在开环(控制器不读取两路压力传感器的输出以及电机编码器的输出)的情况下让阀板快速运动到预设位置；当阀板到预设位置后，控制器再读取两路压力传感器的数据，与设定的工作压力做比较，形成压力环控制(将实际压力与设定的工作压力差作为压力调节器的输入，通过PID计算出为了消除压力差阀板应该运动的位置，与编码器反馈的数据一起作为位置调节器的输入，经位置控制器处理从而控制阀板运动，改变阀板开口大小，从而实现真空腔体的压力调节)，保证压力控制精度，这样整个过程就省去了前面大部分行程的压力调节时间，主要时间消耗在最后的精确压力环调节环节，既保证了快速响应又保证了压力控制精度。
附图说明
图1为现有调压蝶阀的应用系统原理图。
图2为本发明的调压蝶阀的应用系统原理图。
图3为图2中针对调压蝶阀的压力控制的快速响应方法的流程图。
图4为图2中针对调压蝶阀的压力控制的快速响应装置的模块框图。
图5为图2中压力控制的快速响应方法采用的PID压力调节器的原理图。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本发明的压力控制的快速响应方法应用于半导体设备控制系统中用于调节真空反应腔体内的压力。真空反应腔体内的压力是会随着反应物的反应而实时发生变化，在一些特定的反应环节，相应维持一定的压力，甚至不同的反应阶段相应具备不同的压力，因此真空反应腔体内的压力调节做到快速响应是非常有必要的。请参阅图2，所述半导体设备控制系统包括调压蝶阀、电机、编码器和控制器。调压蝶阀位于真空反应腔体的下游，用于控制真空腔体内的压力。调压蝶阀除了包括阀体和阀板，也可包括控制器，可以将本发明的快速响应方法设计成软件之后，注入在调压蝶阀的控制器中，实现智能式调压蝶阀。在本实施例中，调压蝶阀就是一个简单的机械阀，受控于半导体设备控制系统，因此调压蝶阀为半导体设备控制系统的控制对象，相应的控制程序嵌入在半导体设备控制系统的控制器中。
阀体安装在真空反应腔体的输出气路上，电机的转动位置通过编码器的编码值体现。控制器通过控制编码值，来控制电机驱动阀板的开合度以调节真空反应腔体内的压力。
本发明的压力控制的快速响应方法在应用中，可以设置成软件的形式，如设计成独立的APP，或者被随时可调用的嵌入式软件，应用在计算机终端中(如本发明的半导体设备控制系统的控制器中)。计算机终端包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序。该计算机终端还可以是能够执行程序的智能手机、平板电脑、笔记本电脑等。处理器在一些实施例中可以是中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、控制器、微控制器、微处理器、或其他数据处理芯片。该处理器通常用于控制计算机设备的总体操作。本实施例中，处理器用于运行存储器中存储的程序代码或者处理数据。处理器执行程序时可执行本发明的压力控制的快速响应方法的步骤。
不论是非嵌入式还是嵌入式都可以归纳为相应的压力控制的快速响应装置。请参阅图3，所述快速响应装置包括预设编码值获取模块、预设位置执行模块、采集模块、调整模块。
请结合图4，所述快速响应方法包括以下步骤。
步骤S1：根据真空反应腔体内的目标压力，通过一个对应关系表获取相应的预设编码值。此步骤可由预设编码值获取模块执行。其中，对应关系表表征：真空反应腔体内的每个压力下存在的相应开合度和编码值。
对应关系表可以采用经验值，基于目前的深度学习理论，也可以在调压蝶阀接入半导体设备控制系统后，控制器对模型进行自学习而获取的对应关系表。根据目前的需求，模型可以采用简单的线性方程或者复杂的高次幂方程，然后基于深度学习理论，对已有的数据划分训练集和试验集对模型进行训练和验证，通过得到的模型，针对真空反应腔体内的每个压力，获得相应开合度和编码值。
真空反应腔体内反应物的影响，调压蝶阀是会受到寿命降低的影响，因此阀板的转动可能会存在一定的误差。因此建议：根据真空反应腔体内的每个实时压力下存在的相应开合度和编码值，实现控制器的实时自学习，以实时调整对应关系表。这样对应关系表就是一个动态的表，预设编码值也是一个动态的值，都是能反应调压蝶阀当前性能的动态参数。本发明与传统的真空反应腔体内的压力调节精度相比，本发明的真空反应腔体内的压力调节精度大大提高。
步骤S2：根据预设编码值，控制电机驱动阀板在相应的预设位置上。此步骤可由预设位置执行模块执行。
从中可以看出：调压蝶阀的调节起点是在与目标压力相对应的预设位置，而非传统的与当前压力相对应的位置上。
步骤S3：当阀板在相应的预设位置上时，才采集真空反应腔体内的压力作为当前压力。此步骤可由采集模块执行。在阀板在相应的预设位置上，一旦接收目标压力，系统就处于开路状态，直至阀板在相应的预设位置上时，才采集真空反应腔体内的压力。
当前压力的采集方法可包括以下步骤：
步骤S31：当阀板在相应的预设位置上时，驱动小量程传感器采集真空反应腔体内的压力作为当前压力；
步骤S32：判断当前压力是否等于小量程传感器的最大检测限值；是则执行步骤S33后再执行步骤S4，否则直接执行步骤S4；
步骤S33：驱动大量程传感器采集真空反应腔体内的压力作为当前压力。
1路压力传感器和2路压力传感器是将真空腔体内的实际压力实时传送到调压蝶阀的控制器中，然后与半导体设备控制系统设定的工作压力进行比较，当实际压力与工作压力相差超过设计的阈值时则调压蝶阀会控制阀板改变阀门的开口大小，实现将实际压力控制在设定的工作压力允许误差范围内。当然，为了提高压力的测量分辨率，提高控制精度，系统采用两路压力传感器，1路压力传感器为大量程的传感器，决定了系统的最高控制压力，即系统最高控制压力不能超过传感器的量程；2路压力传感器为小量程的传感器，决定了系统的最小分辨率，当真空腔体内的压力在小量程传感器测量范围内并出现微小波动时，小量程的传感器能够精确测量到并反馈到调压蝶阀的控制器，同时小量程的传感器也反应了系统的最小控制压力。
步骤S4：根据当前压力与目标压力的压力差值得到相应的编码差值，根据编码差值控制电机驱动调整阀板的相应位置。此步骤可由调整模块执行。
其中，所述压力差值通过PID压力调节器得到相应的编码差值。如图5所示，当前压力与目标压力的压力差值通过比例环节、积分环节、微分环节调整后输出相应的编码差值，电机即可通过这个编码差值正转(如编码差值为正数)或反转(如编码差值为负数)相应步数即可达到目标位置。
综上所述，为了实现快速响应，调压蝶阀在接入系统后需先进行自学习，以获取系统的压力与阀门的阀板开度之间的关系以及压力控制器的控制参数，将其保存在调压蝶阀的控制器中。当真空腔体内的压力发生变化时，控制器先加载变化后压力对应的位置，在开环(控制器不读取两路压力传感器的输出以及电机编码器的输出)的情况下让阀板快速运动到预设位置；当阀板到预设位置后，控制器再读取两路压力传感器的数据，与设定的工作压力做比较，形成压力环控制(将实际压力与设定的工作压力差作为压力调节器的输入，通过PID计算出为了消除压力差阀板应该运动的位置，与编码器反馈的数据一起作为位置调节器的输入，经位置控制器处理从而控制阀板运动，改变阀板开口大小，从而实现真空腔体的压力调节)，保证压力控制精度，这样整个过程就省去了前面大部分行程的压力调节时间，主要时间消耗在最后的精确压力环调节环节，既保证了快速响应又保证了压力控制精度。
实施例2
本实施例公开了一种半导体设备控制系统，半导体设备控制系统用于控制调压蝶阀的阀板在相应阀体中的开合度，以调节真空反应腔体内的压力。半导体设备控制系统采用实施例1中的压力控制的快速响应方法去控制所述调压蝶阀的阀板。
实施例3
本实施例公开了计算机终端，其包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序。处理器执行所述程序时，执行实施例1的压力控制的快速响应方法的步骤。当然在其他实施例中，实施例1的压力控制的快速响应方法设计成相应的计算机程序还可以存在计算机可读存储介质中，所述程序在被处理器执行时，执行实施例1的压力控制的快速响应方法的的步骤。
本发明的压力控制的快速响应方法在实现时可以采用嵌入式软件的形式，作为功能模块嵌入在现有的半导体设备控制系统的控制器中，也可以采用非嵌入式软件的形式，做成单独的软件以APP的方式进行推广。
不论是何种软件形式，都可以存储在计算机可读存储介质上进行销售推广，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，程序在被处理器执行时，执行压力控制的快速响应方法的步骤。
该计算机可读存储介质可以包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，SD或DX存储器等)、随机访问存储器(RAM)、静态随机访问存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、磁性存储器、磁盘、光盘等。在一些实施例中，存储介质可以是计算机设备的内部存储单元，例如该计算机设备的硬盘或内存。在另一些实施例中，存储介质也可以是计算机设备的外部存储设备，例如计算机设备上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。当然，存储介质还可以既包括计算机设备的内部存储单元也包括其外部存储设备。本实施例中，存储器通常用于存储安装于计算机设备的操作系统和各类应用软件等。此外，存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的各类数据。
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 (10)

1.一种压力控制的快速响应方法，其应用于半导体设备控制系统中用于调节真空反应腔体内的压力，所述半导体设备控制系统包括调压蝶阀、电机、编码器和控制器；所述调压蝶阀包括阀体和阀板，所述阀体安装在真空反应腔体的输出气路上，所述电机的转动位置通过所述编码器的编码值体现；所述控制器通过控制所述编码值，来控制所述电机驱动所述阀板的开合度以调节所述真空反应腔体内的压力；
其特征在于，所述快速响应方法包括以下步骤：
步骤S1：根据所述真空反应腔体内的目标压力，通过一个对应关系表获取相应的预设编码值；其中，所述对应关系表表征：所述真空反应腔体内的每个压力下存在的相应开合度和编码值；
步骤S2：根据所述预设编码值，控制所述电机驱动所述阀板在相应的预设位置上；
步骤S3：当所述阀板在相应的预设位置上时，才采集所述真空反应腔体内的压力作为当前压力；
步骤S4：根据所述当前压力与所述目标压力的压力差值得到相应的编码差值，根据所述编码差值控制所述电机驱动调整所述阀板的相应位置。
2.如权利要求1所述的压力控制的快速响应方法，其特征在于：所述当前压力的采集方法包括以下步骤：
步骤S31：当所述阀板在相应的预设位置上时，才驱动小量程传感器采集所述真空反应腔体内的压力作为当前压力；
步骤S32：判断所述当前压力是否等于所述小量程传感器的最大检测限值；是则执行步骤S33后再执行步骤S4，否则直接执行步骤S4；
步骤S33：驱动大量程传感器采集所述真空反应腔体内的压力作为当前压力。
3.如权利要求1所述的压力控制的快速响应方法，其特征在于：在步骤S4中：所述压力差值通过PID压力调节器得到相应的编码差值。
4.如权利要求1所述的压力控制的快速响应方法，其特征在于：在步骤S1中，所述对应关系表的获取方法为：
所述调压蝶阀在接入所述半导体设备控制系统后，所述控制器进行自学习，以获取所述对应关系表。
5.如权利要求4所述的压力控制的快速响应方法，其特征在于：根据所述真空反应腔体内的每个实时压力下存在的相应开合度和编码值，实现所述控制器的实时自学习，以实时调整所述对应关系表。
6.一种压力控制的快速响应装置，其应用了如权利要求1至5中任意一项所述的压力控制的快速响应方法，其特征在于，所述快速响应装置包括：
预设编码值获取模块，其用于根据所述真空反应腔体内的目标压力，通过一个对应关系表获取相应的预设编码值；其中，所述对应关系表表征：所述真空反应腔体内的每个压力下存在的相应开合度和编码值；
预设位置执行模块，其用于根据所述预设编码值，控制所述电机驱动所述阀板在相应的预设位置上；
采集模块，其用于当所述阀板在相应的预设位置上时，才采集所述真空反应腔体内的压力作为当前压力；
调整模块，其用于根据所述当前压力与所述目标压力的压力差值得到相应的编码差值，根据所述编码差值控制所述电机驱动调整所述阀板的相应位置。
7.一种半导体设备控制系统，其用于调节真空反应腔体内的压力，所述半导体设备控制系统包括调压蝶阀、电机、编码器和控制器；所述调压蝶阀包括阀体和阀板，所述阀体安装在真空反应腔体的输出气路上，所述电机的转动位置通过所述编码器的编码值体现；所述控制器通过控制所述编码值，来控制所述电机驱动所述阀板的开合度以调节所述真空反应腔体内的压力；其特征在于，所述控制器采用如权利要求1至5中任意一项所述的压力控制的快速响应方法去控制所述阀板。
8.一种调压蝶阀，其配合半导体设备控制系统用于调节所述真空反应腔体内的压力，所述半导体设备控制系统包括电机、编码器；所述电机的转动位置通过所述编码器的编码值体现；所述调压蝶阀包括：
阀体，其安装在真空反应腔体的输出气路上；
阀板，其通过控制相对所述阀体的开合度调节所述真空反应腔体内的压力；
控制器，其通过控制所述编码值，来控制所述电机驱动所述阀板的开合度以调节所述真空反应腔体内的压力；
其特征在于，所述控制器执行如权利要求1至5中任意一项所述的压力控制的快速响应方法的步骤。
9.一种计算机终端，其包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时，执行如权利要求1至5中任意一项所述的压力控制的快速响应方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序在被处理器执行时，执行如权利要求1至5中任意一项所述的压力控制的快速响应方法的步骤。
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