CN201733219U

CN201733219U - 基于dsp的数字化磁控溅射电源控制系统

Info

Publication number: CN201733219U
Application number: CN2010202382544U
Authority: CN
Inventors: 孙强; 陈桂涛; 姬军鹏; 胡田; 陈少磊; 张春明
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2020-06-28

Abstract

本实用新型公开了一种基于DSP的数字化磁控溅射电源控制系统，包括DSP芯片、移相全桥DC/DC变换器、直流斩波电路、数据采集模块、输出模式控制模块；DSP芯片包括事件管理器A、事件管理器B、ADC单元和GPIO接口；事件管理器A与移相全桥DC/DC变换器导线连接；事件管理器B与直流斩波电路导线连接；ADC单元与数据采集模块导线连接；GPIO接口与输出模式控制模块导线连接。其有益效果是，使用DSP快速数据处理的能力，实现了对电流的闭环控制，使输出电流的恒定，并且针对溅射过程中的异常放电引起的“打弧”现象，可以起到提前灭弧，随后即能自动恢复到正常运行状态，对溅射靶和电源有可靠的保护作用。

Description

基于DSP的数字化磁控溅射电源控制系统

技术领域

本实用新型属于电力电子控制技术领域，具体涉及一种基于DSP的数字化磁控溅射电源控制系统。

背景技术

磁控溅射离子镀膜技术，不同于传统的表面热处理，所要求的各种参数会随着膜层生长过程而变化，负载在大范围内不断变化。这就要求镀膜设备具有良好的可靠性和稳定性，以保证产品质量。而磁控靶极电源是磁控镀膜生产装置中的关键设备之一，它的性能优劣直接影响镀膜产品的产量和质量。目前，国内外研制的磁控溅射电源大部分采用的是模拟控制电路。采用模拟控制电路难以实现大范围参数调节、高稳流精度输出、快速的动态响应等功能，且易被干扰。随着 DSP 等数字处理器的出现，电力电子电路的数字控制得到了很大的发展。数字处理器能够瞬时的读取变换器的输出值，并快速地计算出控制值对变换器进行控制，另外由于数字控制可以采用灵活的控制策略，一些先进的控制方法应用于电力电子电路成为了可能。将数字控制技术应用到磁控溅射电源上，会进一步提升磁控溅射设备的系统性能。

在磁控溅射镀膜过程中，靶材的异常放电引起的“打弧”可能导致镀膜效果变差，烧毁保险丝，甚至电源。现有技术采用模拟控制的磁控溅射电源，都是从硬件电路上解决“打弧”现象，其控制方式单一，应用范围窄。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种基于DSP的数字化磁控溅射电源控制系统，以克服现有技术磁控溅射电源系统控制精度不高、抗干扰能力不强、不便于维护和后续开发的问题。

本实用新型所采用的技术方案是，一种基于DSP的数字化磁控溅射电源控制系统，包括DSP芯片、移相全桥DC/DC变换器、直流斩波电路、数据采集模块、输出模式控制模块；DSP芯片包括事件管理器A、事件管理器B、ADC单元和GPIO接口；事件管理器A与移相全桥DC/DC变换器导线连接；事件管理器B与直流斩波电路导线连接；ADC单元与数据采集模块导线连接；GPIO接口与输出模式控制模块导线连接。

其中，该系统还包括保护报警复位模块，保护报警复位模块同时与DSP芯片的捕获单元CAP、GPIO接口导线连接。

其中，该系统还包括远程上位机和操作方式控制模块；远程上位机与DSP芯片的SCI单元导线连接，操作方式控制模块与DSP芯片的GPIO接口导线连接。

其中，该系统还包括LED显示系统，LED显示系统与DSP芯片的GPIO接口导线连接。

本实用新型的有益效果是，使用DSP快速数据处理的能力，实现了对电流的闭环控制，使输出电流的恒定，并且针对溅射过程中的异常放电引起的“打弧”现象，可以起到提前灭弧，随后即能自动恢复到正常运行状态，对溅射靶和电源有可靠的保护作用。本实用新型控制系统将DSP技术应用到磁控溅射电源系统的控制，集成度高，控制精度高，所需外围电路少，便于维护和后续开发。并且实现了磁控溅射电源的全数字化控制，可靠性高、易扩展、系统监控维护方便，提高了电源的一致性，使在溅射、镀膜过程稳定、可靠，镀膜效率高、质量好。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图中，1. DSP芯片，2. 事件管理器A，3. 事件管理器B，4. ADC单元，5. SCI单元，6. GPIO接口，7. 捕获单元CAP，8. 移相全桥DC/DC变换器，9. 直流斩波电路，10. 数据采集模块，11. 远程上位机，12. LED显示系统，13. 输出模式控制模块，14. 操作方式控制模块，15. 保护报警复位模块。

具体实施方式

本实用新型提供了一种基于DSP的数字化磁控溅射电源控制系统，包括DSP芯片1、移相全桥DC/DC变换器8、直流斩波电路9、数据采集模块10、输出模式控制模块13、保护报警复位模块15、远程上位机11、操作方式控制模块14和LED显示系统12；DSP芯片包括事件管理器A2、事件管理器B3、ADC单元4、GPIO接口6、SCI单元5和捕获单元CAP7。

事件管理器A2与移相全桥DC/DC变换器8导线连接；事件管理器B3与直流斩波电路9导线连接；ADC单元4与数据采集模块10导线连接；GPIO接口6与输出模式控制模块13导线连接；保护报警复位模块15同时与捕获单元CAP7、GPIO接口6导线连接；远程上位机11与SCI单元5导线连接，操作方式控制模块14与GPIO接口6导线连接；LED显示系统12与GPIO接口6导线连接。

本实用新型的工作原理为：

配置ADC单元4的寄存器，设置输出电流采样为ADC通道1、输出电压采样为ADC通道2、电感电流采样为ADC通道3、频率给定采样为ADC通道4、占空比给定采样为ADC通道5、电流给定采样为ADC通道6；使用DSP芯片1定时器启动ADC单元4转换，当ADC单元4转换完成后，ADC单元4产生中断，此时在中断中读取各个通道结果寄存器的值，得到ADC单元4的采样值，分别为输出电流值、输出电压值、电感电流值、占空比调节值、频率调节值和电流给定值。

配置GPIO接口6为输入方式，外部转换开关通过输出模式控制模块13和操作方式控制模块14输入信号到GPIO接口6中，DSP芯片1识别高低电平，得到操作方式和输出模式。操作方式有远程控制和本地控制两种；输出模式有直流、单向脉冲、双向脉冲三种。

通过GPIO接口6得到输出模式信号，DSP芯片1识别其状态，以改变事件管理器B3的PWM波形的输出模式，从而控制直流斩波电路9的功率开关管的开通和关断，得到所需要的输出模式（直流、单向脉冲或双向脉冲）。

DSP芯片1接受操作方式、输出模式、输出电流、输出电压、电感电流、占空比调节、频率调节、电流给定参数，进行以下数据处理和运算：

将ADC单元4采集到的电流给定值

和电感电流

进行比较，并计算出误差值

；

将误差值e₀输入数字增量式PID控制算法：

其中，e₀是本次电流给定值和电感电流的差值，e₁是上次电流给定值和电感电流的差值，e₂是上上次电流给定值和电感电流的差值；，

，

， K_p是PID控制器的比例系数、T_i是PID控制器的积分系数、T_d是PID控制器的微分系数、T是ADC单元4的采样周期，由DSP芯片计算出Δμ为调整值1。

将ADC单元4采集到的输出电流值通过前馈控制算法计算得到调整值2。

再计算出调整值1和调整值2的差值，在事件管理器A2的上溢、下溢中断中将差值赋给事件管理器A2的比较寄存器，事件管理器A2输出PWM波形的占空比值，以控制移相全桥DC/DC变换器8的全桥逆变电路的功率开关管的开通和关断，进而控制电源系统的输出值，使电感电流恒定，不会在“打弧”时发生过流，达到了提前灭弧功能。同时根据输出模式、占空比调节、频率调节参数，通过事件管理器B3输出斩波PWM控制直流斩波电路9的功率开关管的开通和关断，达到控制磁控溅射电源系统的输出功率和输出模式（直流、单向脉冲或双向脉冲）。

本系统还实现了远程控制功能：利用SCI单元5实现基于MODBUS通信协议的数据通信系统，占空比调节、频率调节、电流给定参数可以通过远程上位机11输入，远程上位机11可以对本实用新型系统进行监控。通过GPIO接口6得到操作方式信号（本地控制或远程控制），DSP芯片1识别其状态，当操作方式为远程控制时，占空比调节、频率调节、电流给定将由远程上位机11输入，ADC单元4采样的占空比调节、频率调节、电流给定将会无效；当操作方式为本地控制时，占空比调节、频率调节、电流给定将由ADC单元4采样输入，远程上位机11输入的占空比调节、频率调节、电流给定将会无效。

同时，本系统还具有保护功能：DSP芯片1通过捕获单元CAP7采集保护信号，通过ADC单元4采集输出电流和输出电压，再由DSP芯片1做出故障判断和输出调整；当输出电流出现过流和输出电压出现过压时，DSP芯片1通过事件管理器A2和事件管理器B3输出相应PWM控制电源，DSP芯片1通过GPIO接口6输出报警信号，并停机；当GPIO接口6接受外部复位信号后，将复位系统，停止报警输出，实现实时保护，避免输出过流和过压对电源系统中硬件的烧毁。

此外，远程上位机11一方面能对电源的工作状态（输出电压、输出电流、占空比、频率参数、报警类型）进行显示，另一方面可以对电源启动、停止、复位进行控制。对于ADC单元4采样得到的输出电流、输出电压、占空比、频率还可以通过Microwire（三线式）串行接口传输给LED显示电路12，以显示当前系统的工作状态。Microwire（三线式）串行接口是利用DSP芯片的3个GPIO口实现。

Claims

1.一种基于DSP的数字化磁控溅射电源控制系统，其特征在于：包括DSP芯片（1）、移相全桥DC/DC变换器（8）、直流斩波电路（9）、数据采集模块（10）、输出模式控制模块（13）；所述的DSP芯片包括事件管理器A（2）、事件管理器B（3）、ADC单元（4）和GPIO接口（6）；事件管理器A（2）与移相全桥DC/DC变换器（8）导线连接；事件管理器B与直流斩波电路（9）导线连接；ADC单元（4）与数据采集模块（10）导线连接；GPIO接口（6）与输出模式控制模块（13）导线连接。

2.根据权利要求1所述的电源控制系统，其特征在于：还包括保护报警复位模块（15），保护报警复位模块（15）同时与DSP芯片（1）的捕获单元CAP（7）、GPIO接口（6）导线连接。

3. 根据权利要求1所述的电源控制系统，其特征在于：还包括远程上位机（11）和操作方式控制模块（14）；远程上位机（11）与DSP芯片（1）的SCI单元（5）导线连接，操作方式控制模块（14）与DSP芯片（1）的GPIO接口（6）导线连接。

4. 根据权利要求1所述的电源控制系统，其特征在于：还包括LED显示系统（12），LED显示系统（12）与DSP芯片（1）的GPIO接口（6）导线连接。