CN117134732B - 一种分数阶微积分模型的射频阻抗匹配装置及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种分数阶微积分模型的射频阻抗匹配装置及控制方法，所述装置包括传感器模块、分数阶控制器、驱动模块以及可变阻抗电路；本发明将分数阶电容和分数阶电感引入阻抗匹配网络，建立阻抗匹配网络的分数阶模型，相对于传统PID控制算法增加了积分项分数阶因子和微分项分数阶因子两个参数，能够有效抑制系统非线性因素和不确定干扰对系统性能的影响，由于建立了阻抗匹配网络的分数阶微积分模型，同时结合分数阶PID控制器的闭环控制方式，实现了匹配网络的输入阻抗与射频源内阻抗相等，使系统具有更高精度，更加快速地达到阻抗匹配，获得更好的动态稳态性能。

Description

一种分数阶微积分模型的射频阻抗匹配装置及控制方法
技术领域
本发明主要涉及自动化控制技术，具体涉及一种分数阶微积分模型的射频阻抗匹配装置及控制方法。
背景技术
现有技术中，射频（RF，Radio Frequency）发生装置，用于产生特定频率的射频电信号，可提供射频功率，应用于多种需要射频信号的场景中。射频发生装置与等离子腔室组合，将射频功率传输至等离子腔室，即可激发产生用于刻蚀、化学气相沉积等工艺的等离子体。但通常情况下，等离子体腔室的非线性负载阻抗与射频发生装置的恒定输出阻抗并不相等，在射频发生装置与等离子体腔室之间会存在比较严重的阻抗失衡，从而使得位于射频发生装置与等离子体腔室之间的射频传输线上存在较大的反射功率，造成射频发生装置产生的功率无法全部输送给等离子体腔室。
因此，传统技术中在射频发生装置与等离子体腔室之间设置一个射频阻抗匹配装置，用于调节电路中的阻抗，使得阻抗匹配。在实现过程中，发明人发现目前射频发生装置中阻抗匹配网络和控制阻抗匹配的传统控制器，主要存在以下问题：
（1）阻抗匹配网络中的电感电容本质是分数阶的，对于分数阶被控对象，采用的控制器必须是分数阶形式，而整数阶的电感和电容只是理论上存在，对电感和电容建立整数阶微积分模型不能准确地反映元件本质，如果使用整数阶模型来分析系统，可能得出错误的结论；（2）采用传统的控制器得到的调整量只是一个大概的调整趋势，并不是一个准确数值，比如说可能只是误差信号与预先设定的系数的乘积。所以，采用传统的控制器进行阻抗匹配时，需要耗费的时间较长，匹配速度慢，精确度不高。
因此，如何设计一种匹配速度快、匹配精度高的射频阻抗匹配装置及方法，是待解决的技术问题。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术的问题，提供一种分数阶微积分模型的射频阻抗匹配装置及控制方法。
第一方面，本申请实施例提供了一种分数阶微积分模型的射频阻抗匹配装置，包括传感器模块、分数阶控制器、驱动模块以及可变阻抗电路；
所述可变阻抗电路用于分别连接射频发生装置和等离子体腔室，所述传感器模块用于检测所述射频发生装置的射频输出阻抗和所述可变阻抗电路的当前阻抗，传输至所述分数阶控制器；
所述分数阶控制器分别连接所述传感器模块和所述驱动模块，用于根据所述射频输出阻抗和所述可变阻抗电路的当前阻抗，得到所述可变阻抗电路的当前误差阻抗，并基于分数阶PID控制算法，得出所述可变阻抗电路的阻抗调整量，根据所述阻抗调整量生成调整指令并发送至所述驱动模块；所述当前误差阻抗根据阻抗匹配时所述可变阻抗电路的目标阻抗与所述可变阻抗电路的当前阻抗的差得到；
所述驱动模块，用于根据所述调整指令调整所述可变阻抗电路的当前阻抗，以使所述射频输出阻抗与匹配网络输入阻抗匹配；
其中，所述可变阻抗电路包括第一分数阶电容、第二分数阶电容和分数阶电感，所述射频阻抗匹配装置的输入阻抗由公式（1）表示：
其中，，/>为第一分数阶电容的电容值，/>为第一分数阶电容的阶数，/>为第二分数阶电容的电容值，/>为第二分数阶电容的阶数，/>为分数阶电感的电感值，/>为分数阶电感值的阶数。
优选地，所述分数阶控制器包括误差计算单元、分数阶PID控制单元和指令生成单元；
所述误差计算单元连接所述传感器模块，用于接收所述传感器模块检测的所述射频输出阻抗和所述可变阻抗电路的当前阻抗，并将所述射频输出阻抗当作匹配网络的输入阻抗，代入预设的可变阻抗电路阻抗与所述匹配网络输入阻抗的函数关系式，得到阻抗匹配时所述可变阻抗电路的目标阻抗，并根据所述可变阻抗电路的目标阻抗和所述可变阻抗电路的当前阻抗之差，得到所述可变阻抗电路的当前误差阻抗；
分数阶PID控制单元连接所述误差计算单元，用于将所述可变阻抗电路的当前误差阻抗代入分数阶PID控制算法，得出所述可变阻抗电路的阻抗调整量；
指令生成单元分别连接所述分数阶PID控制单元和所述驱动模块，用于根据所述阻抗调整量生成调整指令并发送至所述驱动模块。
优选地，所述传感器模块用于检测所述射频发生装置的射频输出阻抗、所述第一分数阶电容的当前阻抗、第二分数阶电容的当前阻抗和分数阶电感的当前阻抗，传输至所述误差计算单元；
所述误差计算单元连接所述传感器模块，用于接收所述传感器模块检测的所述射频输出阻抗、所述第一分数阶电容的当前阻抗、第二分数阶电容的当前阻抗和分数阶电感的当前阻抗，并将所述射频输出阻抗当作匹配网络的输入阻抗并代入函数关系式（1），得到阻抗匹配时所述第一分数阶电容的目标阻抗、第二分数阶电容的目标阻抗和分数阶电感的目标阻抗，并分别根据所述第一分数阶电容的目标阻抗和所述第一分数阶电容的当前阻抗之差、所述第二分数阶电容的目标阻抗和所述第二分数阶电容的当前阻抗之差及所述分数阶电感的目标阻抗和所述分数阶电感的当前阻抗之差，得到所述第一分数阶电容的当前误差阻抗、所述第二分数阶电容的当前误差阻抗及所述分数阶电感的当前误差阻抗；
所述分数阶PID控制单元连接所述误差计算单元，用于分别将所述第一分数阶电容的当前误差阻抗、所述第二分数阶电容的当前误差阻抗和所述分数阶电感的当前误差阻抗代入分数阶PID控制算法，得出所述第一分数阶电容的阻抗调整量、所述第二分数阶电容的阻抗调整量及所述分数阶电感的阻抗调整量；
所述指令生成单元分别连接所述分数阶PID控制单元和所述驱动模块，用于根据所述第一分数阶电容的阻抗调整量、所述第二分数阶电容的阻抗调整量及所述分数阶电感的阻抗调整量生成调整指令并发送至所述驱动模块；
所述驱动模块，用于根据所述调整指令调整所述第一分数阶电容的当前阻抗、第二分数阶电容的当前阻抗和分数阶电感的当前阻抗，以使所述射频输出阻抗与匹配网络输入阻抗匹配。
优选地，所述分数阶控制器的传递函数由公式（2）表示：
（2）；
其中，表示比例，/>表示积分增益，/>表示微分增益，/>表示积分项分数阶因子，/>表示微分项分数阶因子。
优选地，所述积分项分数阶因子大于0，且微分项分数阶因子/>小于2。
优选地，所述第一分数阶电容的阶数满足，所述第二分数阶电容的阶数满足/>，所述分数阶电感的阶数满足/>。
第二方面，本申请实施例提供了一种分数阶微积分模型的射频阻抗匹配方法，应用于如第一方面所述的分数阶控制器中，包括：
接收传感器模块发送来的射频发生装置的射频输出阻抗和可变阻抗电路的当前阻抗；
根据所述射频输出阻抗和所述可变阻抗电路，得到所述可变阻抗电路的当前误差阻抗；所述当前误差阻抗根据阻抗匹配时所述可变阻抗电路的目标阻抗与所述可变阻抗电路的当前阻抗之差得到；
根据所述可变阻抗电路的当前误差阻抗，基于分数阶PID控制算法，得出所述可变阻抗电路的阻抗调整量；
根据所述阻抗调整量生成调整指令并发送至所述驱动模块；所述调整指令用于而控制驱动模块将所述可变阻抗电路的阻抗按所述阻抗调整量进行调整，以使所述射频输出阻抗与匹配网络输入阻抗匹配；
其中，所述可变阻抗电路包括第一分数阶电容、第二分数阶电容和分数阶电感；所述可变阻抗电路的当前阻抗包括所述第一分数阶电容的当前阻抗、第二分数阶电容的当前阻抗和分数阶电感的当前阻抗，所述可变阻抗电路的目标阻抗包括所述第一分数阶电容的目标阻抗、第二分数阶电容的目标阻抗和分数阶电感的目标阻抗。
优选地，所述根据所述射频输出阻抗和所述可变阻抗电路，得到所述可变阻抗电路的当前误差阻抗的步骤，包括：
将所述射频输出阻抗当作匹配网络输入阻抗，代入函数关系式（1）中，得到阻抗匹配时所述第一分数阶电容的目标阻抗、第二分数阶电容的目标阻抗和分数阶电感的目标阻抗；
根据所述第一分数阶电容的目标阻抗和所述第一分数阶电容的当前阻抗之差、所述第二分数阶电容的目标阻抗和所述第二分数阶电容的当前阻抗之差及所述分数阶电感的目标阻抗和所述分数阶电感的当前阻抗之差，得到所述第一分数阶电容的当前误差阻抗、所述第二分数阶电容的当前误差阻抗及所述分数阶电感的当前误差阻抗。
优选地，在所述接收传感器模块发送来的射频发生装置的射频输出阻抗和可变阻抗电路的当前阻抗的步骤之前，还包括：
根据各所述可变阻抗元件的拓扑关系，通过建模得到所述匹配网络输入阻抗与所述第一分数阶电容、所述第二分数阶电容和所述分数阶电感的函数关系式（1）。
优选地，所述分数阶PID控制算法的积分项分数阶因子大于0，且微分项分数阶因子小于2。
与现有技术相比，本发明提出了一种分数阶微积分模型的射频自动阻抗匹配装置，将分数阶电容和分数阶电感共同引入阻抗匹配网络，建立阻抗匹配网络的分数阶模型，相对于传统PID控制算法增加了积分项分数阶因子和微分项分数阶因子两个参数，能够有效抑制系统非线性因素和不确定干扰对系统性能的影响，由于建立了阻抗匹配网络的分数阶微积分模型，同时结合分数阶PID控制器的闭环控制方式，实现了匹配网络的输入阻抗与射频源内阻抗相等，使系统具有更高精度，更加快速地达到阻抗匹配，获得更好的动态稳态性能。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式。附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。
图1为现有技术的一种射频自动阻抗匹配器的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种分数阶微积分模型的射频自动阻抗匹配装置的结构框图；
图3为本申请实施例提供的一种分数阶微积分模型的射频自动阻抗匹配装置的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种分数阶控制器的微积分模型；
图5为本申请实施例提供的一种分数阶微积分模型的射频自动阻抗匹配方法的流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
参照图1，为现有技术的射频自动阻抗匹配器，其由射频传感器(RF Sensor)、控制器(DSP)和执行机构(如步进电机M1、M2和真空可变电容C1、C2以及电感L1)三部分组成，射频传感器位于匹配器前端，可以采集实时Rf传输线上的电压V和电流I信号并输出三个与电压V和电流I有关的数字信号到控制器。控制器根据射频传感器输出的三个数字信号就可以实现判断RF传输线上射频功率开关状态(RF ON/OFF)。当控制器判断RF传输线上有射频功率输入(RF ON状态)时，控制器会实时计算出射频匹配器输入端阻抗模值|Z|和相位θ并自动运行某种匹配控制算法，然后给出真空可变电容C1、C2的调整量；执行机构根据真空可变电容C1、C2的调整量驱动步进电机M1、M2转动，从而调整真空可变电容C1、C2的容值，通过不断调整，最终使得射频匹配器输入端阻抗与射频电源恒定输出阻抗达成共轭匹配。
但上述传统阻抗匹配装置也存在明显的缺陷，控制器得到的调整量只是一个大概的调整趋势，并不是一个准确数值，可能只是误差信号与预先设定的系数的乘积。所以，进行阻抗匹配时，需要耗费的时间较长，匹配速度慢，精确度不高。
基于此，本申请实施例提供一种分数阶微积分模型的射频自动阻抗匹配装置，下面结合附图进行说明。
参照图2，分数阶微积分模型的射频自动阻抗匹配装置包括传感器模块、分数阶控制器、驱动模块和可变阻抗电路。
其中，可变阻抗电路用于分别连接射频发生装置和等离子体腔室，传感器模块用于检测射频发生装置的射频输出阻抗和可变阻抗电路的当前阻抗，传输至分数阶控制器；分数阶控制器分别连接传感器模块和驱动模块，用于根据射频输出阻抗和可变阻抗电路的当前阻抗，得到可变阻抗电路的当前误差阻抗，并基于分数阶PID控制算法，得出可变阻抗电路的阻抗调整量，根据阻抗调整量生成调整指令并发送至驱动模块；当前误差阻抗根据阻抗匹配时可变阻抗电路的目标阻抗与可变阻抗电路的当前阻抗的差得到；驱动模块，用于根据调整指令调整可变阻抗电路的当前阻抗，以使射频输出阻抗与匹配网络输入阻抗匹配。
具体的，传感器模块根据其检测方式的不同，相应的设置方式不同。例如，传感器模块可以设置在射频发生装置与可变阻抗电路之间的射频传输线上；传感器模块可以通过第一检测端连接射频发生装置的输出端，通过第二检测端连接可变阻抗电路。传感器模块按照设定的检测周期，输出检测结果。
当时间到达检测时刻，传感器模块检测并输出射频输出阻抗和可变阻抗电路的当前阻抗至分数阶控制器。分数阶控制器根据射频输出阻抗和可变阻抗电路的当前阻抗，通过本领域的一些传统算法，计算得到可变阻抗电路的当前误差阻抗，将当前误差阻抗带入分数阶PID控制算法中，得出可变阻抗电路的阻抗调整量。分数阶控制器通过控制驱动模块，将可变阻抗电路的当前阻抗按阻抗调整量进行调整，调整后的可变阻抗电路的当前阻抗便会成为下一检测时刻到来时传感器模块检测输出的可变阻抗电路的当前阻抗。因为实际情况存在很多因素导致的控制误差，可变阻抗电路的当前阻抗按阻抗调整量进行调整后不会与其目标阻抗完全一致。因此需要循环以上方法，直到可变阻抗电路的当前误差阻抗满足一定条件，则确定当前状态下阻抗达到匹配。
参照图3，本申请一实施例还公开了分数阶控制器和可变阻抗电路的电路结构，具体限定了阻抗电路的结构，可变阻抗电路包括第一分数阶电容C1、第二分数阶电容C2和分数阶电感L，射频阻抗匹配装置的输入阻抗由公式（1）表示：
其中，，/>为第一分数阶电容的电容值，/>为第一分数阶电容的阶数，/>为第二分数阶电容的电容值，/>为第二分数阶电容的阶数，/>为分数阶电感的电感值，/>为分数阶电感值的阶数，优选地，第一分数阶电容的阶数满足/>，第二分数阶电容的阶数满足/>，分数阶电感的阶数满足/>。
进一步地，分数阶控制器包括误差计算单元、分数阶PID控制单元和指令生成单元。
其中，误差计算单元连接传感器模块，用于接收传感器模块检测的射频输出阻抗、第一分数阶电容的当前阻抗、第二分数阶电容的当前阻抗和分数阶电感的当前阻抗，并将射频输出阻抗当作匹配网络的输入阻抗并代入函数关系式（1），得到阻抗匹配时第一分数阶电容C1的目标阻抗、第二分数阶电容的目标阻抗和分数阶电感L的目标阻抗，并分别根据第一分数阶电容的目标阻抗和第一分数阶电容的当前阻抗之差、第二分数阶电容的目标阻抗和第二分数阶电容的当前阻抗之差及分数阶电感的目标阻抗和分数阶电感的当前阻抗之差，得到第一分数阶电容的当前误差阻抗、第二分数阶电容的当前误差阻抗及分数阶电感的当前误差阻抗；
分数阶PID控制单元连接误差计算单元，用于分别将第一分数阶电容的当前误差阻抗、第二分数阶电容的当前误差阻抗和分数阶电感的当前误差阻抗代入分数阶PID控制算法，得出第一分数阶电容的阻抗调整量、第二分数阶电容的阻抗调整量及分数阶电感的阻抗调整量；
指令生成单元分别连接分数阶PID控制单元和驱动模块，用于根据第一分数阶电容的阻抗调整量、第二分数阶电容的阻抗调整量及分数阶电感的阻抗调整量生成调整指令并发送至驱动模块；
驱动模块，用于根据调整指令调整第一分数阶电容的当前阻抗、第二分数阶电容的当前阻抗和分数阶电感的当前阻抗，以使射频输出阻抗与匹配网络输入阻抗匹配。
具体地，对于分数阶被控对象，采用的控制器必须是分数阶形式，本实施例的自动阻抗匹配装置的控制器采用如图4的模型实现分数阶控制，其传递函数由公式（2）表示：
（2）；
其中，表示比例，/>表示积分增益，/>表示微分增益，/>表示积分项分数阶因子，/>表示微分项分数阶因子。具体地，积分项分数阶因子/>大于0，且微分项分数阶因子/>小于2。
具体地，本实施例公开的分数阶控制器的性能跟上述五个参数、/>、/>、和/>的大小有关；其中，/>、/>和/>与整数阶PID控制器中的三个参数一致，它们在两种控制器中的作用也大致相同；而分数阶PID控制器中的另外两个参数/>和/>的大小则分别决定了控制器的积分环节和微分环节的强弱，其中，/>主要影响系统的稳态精度，主要影响系统的超调。故相比于整数阶PID控制，分数阶PID控制由于参数/>和/>的影响，可以获得更好的动态稳态性能，系统输出阻抗对输入阻抗扰动不敏感，能保持良好的动态和稳态性能，有效提高系统控制的鲁棒性。
参照图5，在本申请实施例的另一些实施方式中提供一种分数阶微积分模型的射频阻抗匹配方法，包括如下步骤：
S201：接收传感器模块发送来的射频发生装置的射频输出阻抗和可变阻抗电路的当前阻抗；
S202：根据射频输出阻抗和可变阻抗电路，得到可变阻抗电路的当前误差阻抗；当前误差阻抗根据阻抗匹配时可变阻抗电路的目标阻抗与可变阻抗电路的当前阻抗之差得到；
具体地，包括如下步骤：
将射频输出阻抗当作匹配网络输入阻抗，代入函数关系式（1）中，得到阻抗匹配时第一分数阶电容的目标阻抗、第二分数阶电容的目标阻抗和分数阶电感的目标阻抗；
根据第一分数阶电容的目标阻抗和第一分数阶电容的当前阻抗之差、第二分数阶电容的目标阻抗和第二分数阶电容的当前阻抗之差及分数阶电感的目标阻抗和分数阶电感的当前阻抗之差，得到第一分数阶电容的当前误差阻抗、第二分数阶电容的当前误差阻抗及分数阶电感的当前误差阻抗。
其中，关系式（1）可参见前述实施例的表述，在此不作赘述。
S203：根据可变阻抗电路的当前误差阻抗，基于分数阶PID控制算法，得出可变阻抗电路的阻抗调整量；
S204：根据阻抗调整量生成调整指令并发送至驱动模块；调整指令用于而控制驱动模块将可变阻抗电路的阻抗按阻抗调整量进行调整，以使射频输出阻抗与匹配网络输入阻抗匹配；
具体地，本实施例的可变阻抗电路包括第一分数阶电容C1、第二分数阶电容C2和分数阶电感L，可变阻抗电路的当前阻抗包括第一分数阶电容C1的当前阻抗、第二分数阶电容C2的当前阻抗和分数阶电感L的当前阻抗，可变阻抗电路的目标阻抗包括第一分数阶电容C1的目标阻抗、第二分数阶电容C2的目标阻抗和分数阶电感L的目标阻抗。
本实施例的射频阻抗匹配方法，在接收传感器模块发送来的射频发生装置的射频输出阻抗和可变阻抗电路的当前阻抗的步骤之前，需要根据可变阻抗元件的拓扑关系，通过建模得到匹配网络输入阻抗与第一分数阶电容、第二分数阶电容和分数阶电感的函数关系式（1）。同前述实施例，射频阻抗匹配装置的输入阻抗由公式（1）表示。
本实施例的分数阶PID控制算法的积分项分数阶因子大于0，且微分项分数阶因子小于2。
本实施例的自动阻抗匹配方法，相对于传统PID控制算法增加了积分项分数阶因子和微分项分数阶因子两个参数，能够有效抑制系统非线性因素和不确定干扰对系统性能的影响，由于建立了阻抗匹配网络的分数阶微积分模型，同时结合分数阶控制器的闭环控制方式，实现了匹配网络的输入阻抗与射频源内阻抗相等，使系统具有更高精度，更加快速地达到阻抗匹配，获得更好的动态稳态性能。
需要说明的是，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本申请的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种分数阶微积分模型的射频阻抗匹配装置，包括传感器模块、分数阶控制器、驱动模块以及可变阻抗电路；
所述可变阻抗电路用于分别连接射频发生装置和等离子体腔室，所述传感器模块用于检测所述射频发生装置的射频输出阻抗和所述可变阻抗电路的当前阻抗，传输至所述分数阶控制器；
所述分数阶控制器分别连接所述传感器模块和所述驱动模块，用于根据所述射频输出阻抗和所述可变阻抗电路的当前阻抗，得到所述可变阻抗电路的当前误差阻抗，并基于分数阶PID控制算法，得出所述可变阻抗电路的阻抗调整量，根据所述阻抗调整量生成调整指令并发送至所述驱动模块；所述当前误差阻抗根据阻抗匹配时所述可变阻抗电路的目标阻抗与所述可变阻抗电路的当前阻抗的差得到；
所述驱动模块，用于根据所述调整指令调整所述可变阻抗电路的当前阻抗，以使所述射频输出阻抗与匹配网络输入阻抗匹配；
其中，所述可变阻抗电路包括第一分数阶电容、第二分数阶电容和分数阶电感，所述射频阻抗匹配装置的输入阻抗由公式（1）表示：
（1）；
其中，，/>为第一分数阶电容的电容值，/>为第一分数阶电容的阶数，/>为第二分数阶电容的电容值，/>为第二分数阶电容的阶数，/>为分数阶电感的电感值，/>为分数阶电感值的阶数，/>为分数阶电感的阻抗，/>为复数变量。
2.根据权利要求1所述的射频阻抗匹配装置，其特征在于，所述分数阶控制器包括误差计算单元、分数阶PID控制单元和指令生成单元；
所述误差计算单元连接所述传感器模块，用于接收所述传感器模块检测的所述射频输出阻抗和所述可变阻抗电路的当前阻抗，并将所述射频输出阻抗当作匹配网络的输入阻抗，代入预设的可变阻抗电路阻抗与所述匹配网络输入阻抗的函数关系式，得到阻抗匹配时所述可变阻抗电路的目标阻抗，并根据所述可变阻抗电路的目标阻抗和所述可变阻抗电路的当前阻抗之差，得到所述可变阻抗电路的当前误差阻抗；
分数阶PID控制单元连接所述误差计算单元，用于将所述可变阻抗电路的当前误差阻抗代入分数阶PID控制算法，得出所述可变阻抗电路的阻抗调整量；
指令生成单元分别连接所述分数阶PID控制单元和所述驱动模块，用于根据所述阻抗调整量生成调整指令并发送至所述驱动模块。
3.根据权利要求2所述的射频阻抗匹配装置，其特征在于，所述传感器模块用于检测所述射频发生装置的射频输出阻抗、所述第一分数阶电容的当前阻抗、第二分数阶电容的当前阻抗和分数阶电感的当前阻抗，传输至所述误差计算单元；
所述误差计算单元连接所述传感器模块，用于接收所述传感器模块检测的所述射频输出阻抗、所述第一分数阶电容的当前阻抗、第二分数阶电容的当前阻抗和分数阶电感的当前阻抗，并将所述射频输出阻抗当作匹配网络的输入阻抗并代入所述公式（1），得到阻抗匹配时所述第一分数阶电容的目标阻抗、第二分数阶电容的目标阻抗和分数阶电感的目标阻抗，并分别根据所述第一分数阶电容的目标阻抗和所述第一分数阶电容的当前阻抗之差、所述第二分数阶电容的目标阻抗和所述第二分数阶电容的当前阻抗之差及所述分数阶电感的目标阻抗和所述分数阶电感的当前阻抗之差，得到所述第一分数阶电容的当前误差阻抗、所述第二分数阶电容的当前误差阻抗及所述分数阶电感的当前误差阻抗；
所述分数阶PID控制单元连接所述误差计算单元，用于分别将所述第一分数阶电容的当前误差阻抗、所述第二分数阶电容的当前误差阻抗和所述分数阶电感的当前误差阻抗代入分数阶PID控制算法，得出所述第一分数阶电容的阻抗调整量、所述第二分数阶电容的阻抗调整量及所述分数阶电感的阻抗调整量；
所述指令生成单元分别连接所述分数阶PID控制单元和所述驱动模块，用于根据所述第一分数阶电容的阻抗调整量、所述第二分数阶电容的阻抗调整量及所述分数阶电感的阻抗调整量生成调整指令并发送至所述驱动模块；
所述驱动模块，用于根据所述调整指令调整所述第一分数阶电容的当前阻抗、第二分数阶电容的当前阻抗和分数阶电感的当前阻抗，以使所述射频输出阻抗与匹配网络输入阻抗匹配。
4.根据权利要求3所述的射频阻抗匹配装置，其特征在于，所述分数阶控制器的传递函数由公式（2）表示：
（2）；
其中，表示比例，/>表示积分增益，/>表示微分增益，/>表示积分项分数阶因子，/>表示微分项分数阶因子，/>为复数变量。
5.根据权利要求4所述的射频阻抗匹配装置，其特征在于，所述积分项分数阶因子大于0，且微分项分数阶因子/>小于2。
6.根据权利要求1-5之一所述的射频阻抗匹配装置，其特征在于，所述第一分数阶电容的阶数满足，所述第二分数阶电容的阶数满足/>，所述分数阶电感的阶数满足/>。
7.一种分数阶微积分模型的射频阻抗匹配方法，应用于权利要求1所述的分数阶控制器中，其特征在于，包括：
接收传感器模块发送来的射频发生装置的射频输出阻抗和可变阻抗电路的当前阻抗；
根据所述射频输出阻抗和所述可变阻抗电路，得到所述可变阻抗电路的当前误差阻抗；所述当前误差阻抗根据阻抗匹配时所述可变阻抗电路的目标阻抗与所述可变阻抗电路的当前阻抗之差得到；
根据所述可变阻抗电路的当前误差阻抗，基于分数阶PID控制算法，得出所述可变阻抗电路的阻抗调整量；
根据所述阻抗调整量生成调整指令并发送至所述驱动模块；所述调整指令用于而控制驱动模块将所述可变阻抗电路的阻抗按所述阻抗调整量进行调整，以使所述射频输出阻抗与匹配网络输入阻抗匹配；
其中，所述可变阻抗电路包括第一分数阶电容、第二分数阶电容和分数阶电感；所述可变阻抗电路的当前阻抗包括所述第一分数阶电容的当前阻抗、第二分数阶电容的当前阻抗和分数阶电感的当前阻抗，所述可变阻抗电路的目标阻抗包括所述第一分数阶电容的目标阻抗、第二分数阶电容的目标阻抗和分数阶电感的目标阻抗。
8.根据权利要求7所述的射频阻抗匹配方法，其特征在于，所述根据所述射频输出阻抗和所述可变阻抗电路，得到所述可变阻抗电路的当前误差阻抗的步骤，包括：
将所述射频输出阻抗当作匹配网络输入阻抗，代入所述公式（1）中，得到阻抗匹配时所述第一分数阶电容的目标阻抗、第二分数阶电容的目标阻抗和分数阶电感的目标阻抗；
根据所述第一分数阶电容的目标阻抗和所述第一分数阶电容的当前阻抗之差、所述第二分数阶电容的目标阻抗和所述第二分数阶电容的当前阻抗之差及所述分数阶电感的目标阻抗和所述分数阶电感的当前阻抗之差，得到所述第一分数阶电容的当前误差阻抗、所述第二分数阶电容的当前误差阻抗及所述分数阶电感的当前误差阻抗。
9.根据权利要求8所述的射频阻抗匹配方法，其特征在于，在所述接收传感器模块发送来的射频发生装置的射频输出阻抗和可变阻抗电路的当前阻抗的步骤之前，还包括：
根据各所述可变阻抗元件的拓扑关系，通过建模得到所述匹配网络输入阻抗与所述第一分数阶电容、所述第二分数阶电容和所述分数阶电感的所述公式（1）。
10.根据权利要求8或9所述的射频阻抗匹配方法，其特征在于，所述分数阶PID控制算法的积分项分数阶因子大于0，且微分项分数阶因子小于2。
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