CN206359605U

CN206359605U - 一种基于sopc的电弧离子镀电源控制系统

Info

Publication number: CN206359605U
Application number: CN201621466589.5U
Authority: CN
Inventors: 林智慧; 陈桂涛; 陈绥阳
Original assignee: Xian Siyuan University
Current assignee: Xian Siyuan University
Priority date: 2016-12-29
Filing date: 2016-12-29
Publication date: 2017-07-28
Anticipated expiration: 2026-12-29

Abstract

本实用新型涉及一种基于SOPC的电弧离子镀电源控制系统，包括高频开关变换器、隔离与驱动电路、电压和电流霍尔传感器电路、电路启停逻辑电路和SOPC控制器：SOPC控制器包括FPGA芯片软核处理器Niosll CPU、Avalon总线和相应的IP核，其中，Niosll CPU和相应的IP核均连接在Avalon总线上，这些IP核结合相应的外部电路构成了闭环控制模块、AD转换及滤波模块、保护逻辑模块、移相PWM输出模块、IO接口模块、SCI接口模块、I²C接口模块、SPI接口模块。本实用新型降低系统设计风险，提高系统设计的灵活性和人机交互的有效性。

Description

一种基于SOPC的电弧离子镀电源控制系统

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，具体涉及一种基于SOPC技术的数字化电弧离子镀电源控制系统克服现有电弧离子镀电源输出精度不高、控制系统不便于维护和升级的问题；降低系统设计风险，提高系统设计的灵活性和人机交互的有效性。

背景技术

电弧离子镀(Arc Ion Plating)是将真空弧光放电用于蒸发源，通过在冷阴极表面上形成电弧斑点的弧光形式在基片上直接生产等离子体沉积的一种真空离子镀膜技术。如采用两个或两个以上电弧蒸发源则称为多弧离子镀。电弧离子镀可在不同材料上沉积具有不同性能的单金属、非金属、化合物及多元合金等膜层，被广泛应用于机械、电子、航空和航天等工业领域。该镀膜技术过程中控制电弧能量的关键设备是电弧离子镀电源，其对制备的膜层性能和生产效率起着至关重要的作用。电弧离子镀电源的输出为低电压大电流，为维持弧光放电的稳定进行并能满足在空载和短路之间切换的恶劣工作状况，因此对电流的控制精度，和动态响应要求较高，并要能适应大范围的负载变化产生的强烈干扰。此外电弧离子镀电源需要配合其他气体流量、气压和靶材位置等参数进行协同控制，所以需要良好的人机交互功能。

目前，电弧离子镀电源主要采用的是模拟集成芯片为核心的控制电路，采用模拟控制电路难以实现大范围参数调节，且具有控制精度不高、无法采用智能控制算法、设计灵活性差和难以实现良好的人际交互等缺点。随着数字化控制技术的发展，基于单片机或DSP(Digital signal processor)的控制技术可以在一定程度上克服模拟控制芯片的缺点。论文《新型电弧离子镀电源的设计与实现》(电力电子技术，2015年第49卷第一期，33-35页)采用的TI公司的型号为TMS320F2808DSP芯片为主控制芯片设计了电弧离子镀电源。DSP的芯片资源是按照电源通用控制功能设计的，设计灵活性差。在用于电弧离子镀电源时，一方面会有许多功能资源会无用造成浪费，而另一方面所需要的功能却无法有效实现，需要通过外部总线接口方式外扩功能芯片，增加了系统的复杂程度，并降低了系统的可靠性和保密程度。可编程片上系统(System on a Programmable chip,SOPC)是先进的嵌入式控制系统，不仅可以在一个芯片上完成整个系统的逻辑控制功能，而且还是可以根据具体控制对象的需求灵活配置资源和功能，与传统的控制方案最大的不同在于其运行高速、配置灵活、串并结构可修改、模块可重复使用等特点。采用现场可编程门阵列(Field ProgrammableGate Array,FPGA)是实现SOPC的一种方式，其具有强大的并行处理能力和丰富的可编程资源和能力。基于SOPC的电弧离子镀电源装置克服现有电弧离子镀电源输出精度不高、控制系统不便于维护和升级的问题；降低系统设计风险，提高系统设计的灵活性和人机交互的有效性。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术中的不足，提供一种基于SOPC的电弧离子镀电源控制系统，降低系统设计风险，提高系统设计的灵活性和人机交互的有效性。

为实现上述目的，本实用新型公开了如下技术方案：

一种基于SOPC的电弧离子镀电源控制系统，包括高频开关变换器、隔离与驱动电路、电压和电流霍尔传感器电路、电路启停逻辑电路和SOPC控制器：

SOPC控制器包括FPGA芯片软核处理器Niosll CPU、Avalon总线和相应的IP核，其中，Niosll CPU和相应的IP核均连接在Avalon总线上，这些IP核结合相应的外部电路构成了闭环控制模块、AD转换及滤波模块、保护逻辑模块、移相PWM输出模块、IO接口模块、SCI接口模块、I²C接口模块、SPI接口模块，隔离与驱动电路与高频开关变换器导线连接，直接调节高频开关变换器的运行状态，隔离与驱动电路通过电平转换与驱动接口模块与移项PWM输出模块连接，电平转换与驱动接口模块由74LS4245芯片完成3.3V到5V的转换和驱动能力的增强，电压和电流霍尔传感器电路与高频开关变换器和SOPC控制器导线连接，电路启停逻辑电路与高频开关变换器和SOPC控制器导线连接；

高频开关变换器的电压和电流经霍尔传感器电路检测出相应的电压和电流模拟信号后进入到AD转换及滤波模块，完成模拟量到数字量的转换并进行了数字滤波，得到的数据作为反馈量参与闭环控制模块的运算；电压和电流霍尔传感器电路得到的模拟量信号同时还送入保护逻辑模块，保护逻辑模块由滞环比较器电路和相应数字保护程序组成，以LM393或LM339芯片构成的滞环比较器将这些模拟量与设定的参考值进行比较，从而判断电路运行的异常状态，包括了过压、欠压、电弧异常放电波动、电弧短路放电判断功能，并转换成不同保护等级的保护信号，由数字保护程序实时调整电路的工作状态，从而保证制备的膜层无缺陷和电源自身的运行安全；电路启停逻辑电路与SOPC控制器中的IO接口模块连接。

进一步的，所述IO接口模块由挂在Avalon总线的PIO核和电平转换和驱动电路组成。

进一步的，该系统还包括键盘输入模块，该模块与SOPC控制器的SPI接口模块导线连接。

进一步的，该系统还包括LED显示模块，该模块与SOPC控制器的I²C接口模块导线连接。

进一步的，该系统还包括远程监控主机，该远程监控主机与SOPC控制器的SCI接口模块连接。

本实用新型公开的一种基于SOPC的电弧离子镀控制系统，具有以下有益效果：

(1)相比传统的模拟控制方案和其他单片机或DSP等数字化控制方案，本系统采用FPGA构建SOPC嵌入式系统，大幅度提升系统设计的灵活性。由软核处理器NiosII作为CPU,根据系统需要配置或者编写相应的IP核的架构模式，可以根据电弧离子镀的控制需求量身定制系统，并且在后期维护和升级中无需改动硬件。

(2)该FPGA构成的SOPC基于NiosII特有的Avalon从端口仲裁技术，并行处理速度快，可以快速的对电弧离子镀过程的电流波动进行高速的运算和响应，并且对保护信号能高速的捕获，提高了系统的动态响应，对电弧离子镀工艺过程的异常过流短路现象实时响应，抑制了瞬间过流导致的膜层缺陷，从而提高膜层的质量。

(3)SOPC中丰富的乘法器和存储器资源可以进行数字化智能控制算法，以及提高运算的精度，从而提升系统的输出精度，此外高精度的数字化移相PWM输出模块可以提升直流-直流变换器的控制精度，也在一定程度上提升系统的输出精度，这样就使电弧离子电源能精确的控制输出电流，维持稳定的弧放电过程。

(4)根据需求配置的LED显示、键盘输入和远程监控模块可以使得等离子弧电源具有良好的人机交互功能，大幅提升系统的智能化和友好性。

附图说明

图1为本实用新型电弧离子镀电源控制控制系统结构示意图。

其中：

1-高频开关变换器，2-隔离与驱动电路，3-电压和电流霍尔传感器电路，4-电路启停逻辑电路，5-SOPC控制器，6-远程监控主机，7-LED显示模块，8-键盘输入模块，9-NiosllCPU，10-Avalon总线，11-移相PWM输出模块，12-保护逻辑模块，13-AD转换及滤波模块，14-闭环控制模块，15-IO接口模块，16-SCI接口模块，17-I²C模块，18-SPI接口模块，19-电平转换与驱动接口模块，20-气体输入装置，21-待处理工件，22-基台，23-抽真空装置，24-真空腔室，25-弧源靶，26-电弧离子镀真空装置及其附属装置。

具体实施方式

下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的核心是提供一种基于SOPC的电弧离子镀电源控制系统，降低系统设计风险，提高系统设计的灵活性和人机交互的有效性。

请参见图1。

一种基于SOPC的电弧离子镀电源控制系统，包括高频开关变换器1、隔离与驱动电路2、电压和电流霍尔传感器电路3、电路启停逻辑电路4和SOPC控制器5：SOPC控制器5包括FPGA芯片软核处理器Niosll CPU、Avalon总线和相应的IP核，其中，Niosll CPU和相应的IP核均连接在Avalon总线上，这些IP核结合相应的外部电路构成了闭环控制模块14、AD转换及滤波模块13、保护逻辑模块12、移相PWM输出模块11、IO接口模块15、SCI接口模块16、I²C接口模块17、SPI接口模块18。隔离与驱动电路2与高频开关变换器1导线相连，直接调节高频开关变换器1的运行状态。隔离与驱动电路2与移相PWM输出模块11连接，移相PWM输出模块11生成合适的控制脉冲序列控制信号，由于该信号的电平和驱动能力都不足以满足隔离驱动电路的要求，故隔离与驱动电路2通过电平转换与驱动接口模块19与移相PWM模块相11连接。电平转换与驱动接口模块19可以由74LS4245芯片完成3.3V到5V的转换和驱动能力的增强。电压和电流霍尔传感器电路3与高频开关变换器1和SOPC控制器5导线连接，电路启停逻辑电路4与高频开关变换器1和SOPC控制器5导线连接。高频开关变换器1的电压和电流经电压和电流霍尔传感器电路3检测出相应的电压和电流模拟信号后进入到AD转换及滤波模块13，完成模拟量到数字量的转换并进行了数字滤波，得到的数据作为反馈量参与闭环控制模块的运算。电压和电流霍尔传感器电路3得到的模拟信号同时还送入保护逻辑模块12，保护逻辑模块12由滞环比较器电路和相应数字保护程序组成。由LM393或LM339等芯片构成的滞环比较器将这些模拟量与设定的参考值进行比较，从而判断电路运行的异常状态，包括了过压、欠压、电弧异常放电波动、电弧短路放电判断功能，并转换成不同保护等级的保护信号，由数字保护程序实时调整电路的工作状态，从而保证制备的膜层无缺陷和电源自身的运行安全。

电路启停逻辑电路4与SOPC控制器5中的IO接口模块15连接，电路的启停模块完成开机软启动功能和紧急停机和声光指示灯功能。

在本实用新型的一种实施例中，隔离与驱动电路2选用HCPL312芯片，或类似功能的M57962等驱动芯片，作用是将控制信号与主功率电路电器隔离和将控制信号进行功率放大以驱动主功率电路。

本实用新型中的电压霍尔传感器选用LEM公司的LV25-P电压传感器，电流霍尔传感器采用LEM公司的LA100-P。

在本实用新型的一种实施例中，所述保护逻辑模块12由挂在Avalon总线上的PIO核和相应的外部逻辑和比较电路组成，保护逻辑模块12中的PIO核去高速捕获这些脉冲的上升沿，来减少或封锁移相PWM信号的调节量，从快速的抑制异常的弧放电情况。

在本实用新型的一种实施例中，所述IO接口模块15由挂在Avalon总线的PIO核和电平转换和驱动电路组成。电平转换和驱动电路采用74HC245、74LVC4245或类似功能的芯片完成。

在本实用新型的一种实施例中，该系统还包括键盘输入模块8，该模块与SOPC控制器1的SPI接口模块18导线连接，主要完成用户期望的电源参数设置功能。

在本实用新型的一种实施例中，该系统还包括LED显示模块7，该模块与SOPC控制器1的I²C接口模块17导线连接，主要完成电源运行参数和状态的显示功能。

在本实用新型的一种实施例中，该系统还包括远程监控主机6，该远程监控主机6与SOPC控制器5的SCI接口模块16连接，可以通过远程监控主机6实时对电源运行状态的参数读取和参数设置。

本实用新型的SOPC中以软核处理器NiosⅡ作为CPU，相应的功能模块使用硬件设计语言(Verilog HDL或者VHDL)按照一定控制时序编写底层模块，再生成顶层原理图，并以IP核的形式挂接在Avalon总线上。所有的模块功能都是基于NiosII特有的Avalon从端口仲裁技术，当许多外设想要在同一时刻访问某个从端口时，是由从端口来裁决主外设的访问权。

本实用新型的高频开关变换器1输出的电压和电流经过由电压霍尔传感器和滤布电路构成电压和电流霍尔检测电路3进入到A/D转换及滤波模块13，完成模拟量到数字量的转换并进行了数字滤波，得到的数据作为反馈参量与闭环控制模块的运算。

图1中的高频开关变换器1的输出与电弧离子镀的真空装置相连接，高频开关变换器1的输出正极与地连接，输出负极与弧源靶25相连接，真空腔室24也与地相连接，抽真空装置23对真空腔室24进行抽真空，气体输入装置20则注入反应所需要的气体，待处理工件21为需要镀膜的待处理工件，待处理工件21挂装或者放置在基台22上。当电弧离子镀电源工作时，高频开关变换器1产生一定的直流输出，使得在弧源靶25上产生电弧放电，产生等离子体，将靶材蒸发并沉积到待处理工件21上。对于电弧离子镀电源而言，电弧离子镀电源及其处理装置则是它的负载。气体输入装置20的气体变化、抽真空装置23的抽真空程度、弧源靶25材料成分都会对电弧放电产生应用，在电弧离子镀电源输出表现为电流或电压的被动，从而需要良好的控制系统来保证电弧离子镀的镀膜加工效果。

实施过程中，本实用新型采用可编程的FPGA设计实现SOPC完成电弧离子镀电源的控制。SOPC由FPGA芯片中的软核处理器NiosII CPU,Avalon总线、和相应的IP核组成，这些都集成在一片FPGA中，其中NiosII CPU和相关IP核均连接在Avalon总线上。这些IP核与结合相应的外部电路构成了闭环控制模块14、移相PWM输出模块11、A/D转换及滤波模块13、保护逻辑模块12、SCI接口模块16，I²C接口模块17、SPI接口模块18。FPGA芯片可以是Cyclone系列相关芯片，本例中选择EP3C25Q240C8型号的FPGA芯片。

软核NiosII CPU和IP核连接在Avalon总线上，所有的模块功能都是基于NiosII特有的Avalon从端口仲裁技术，当许多外设想要在同一时刻访问某个从端口时，是由从端口来裁决主外设的访问权。

高频开关变换器输出的电压和电流由电压霍尔传感器和滤波电路构成的电压和电流霍尔检测电路3进入到A/D检测及滤波模块13，完成模拟量到数字量的转换并进行了数字滤波，得到的数据作为反馈量参与闭环控制模块的运算，本例中选择12位精度6通道同步采样500Ksps的ADS7864作为外扩的A/D转换芯片。

闭环控制模块14是将经过总线的到键盘输入模块所得到的电源运行参数设定值与经过A/D检测及滤波模块得到的反馈量相减，并采用相应的闭环控制算法进行计算，其中控制算法可以是数字PI控制、模糊控制，也可以是其他相关数字化智能算法。经过闭环控制算法得到输出信号是控制移相PWM的调节量，调节量为0～3.3V的4路PWM信号，该信号经过隔离与驱动电路模块PWM信号隔离和放大成可以驱动开关器件的驱动信号，并接到高频开关变换器1中控制其中的开关器件的开通时间，达到调节高频开关变换器输出电流的目的。

键盘输入、LED显示和远程监控主机都是由在SOPC中相应的通讯功能模块完成，分别对应的SPI核、SCI核和I²C核也都是连接在Avalon总线上。用户可以由键盘对电弧离子镀电源的输出参数、保护状态和一些闭环控制参数等进行设置。并可以从LED显示模块7上实时读取相应的电压和电流等电源运行参数。用户也可以通过远程监控主机完成键盘和LED的功能，这使得电弧离子镀电源在集成到成套电弧离子镀设备时与其他相关靶材，气体流量、抽真空设备等协同工作集中监控。

本实用新型提出的一种基于SOPC的电话离子镀电源控制系统，该系统电流精度控制高、动态响应快、系统集程度高，设计灵活，且具有良好的人机交互功能，可以有效的提升电弧离子镀膜质量，智能化程度和人机交互友好程度。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，而非对其限制；应当指出，尽管参照上述各实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改和替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种基于SOPC的电弧离子镀电源控制系统，其特征在于，包括高频开关变换器、隔离与驱动电路、电压和电流霍尔传感器电路、电路启停逻辑电路和SOPC控制器：

2.根据权利要求1所述的一种基于SOPC的电弧离子镀电源控制系统，其特征在于，所述IO接口模块由挂在Avalon总线的PIO核和电平转换和驱动电路组成。

3.根据权利要求1所述的一种基于SOPC的电弧离子镀电源控制系统，其特征在于，该系统还包括键盘输入模块，该模块与SOPC控制器的SPI接口模块导线连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于SOPC的电弧离子镀电源控制系统，其特征在于，该系统还包括LED显示模块，该模块与SOPC控制器的I²C接口模块导线连接。

5.根据权利要求1所述的一种基于SOPC的电弧离子镀电源控制系统，其特征在于，该系统还包括远程监控主机，该远程监控主机与SOPC控制器的SCI接口模块连接。