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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur adaptiven Regelung eines Induktionserwärmungs- oder Plasmaprozesses, sowie einen Regelkreis zur Durchführung des Verfahrens.
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Die induktive Erwärmung ist ein gängiges industrielles Verfahren, bei dem ein Werkstück in einer Spule, dem sogenannten Induktor, durch induzierte Ströme erhitzt wird. Dabei kommen Arbeitsfrequenzen (Anregungsfrequenz, Frequenz des Wechselsignals) im Bereich von einigen 10 kHz bis zu einigen MHz zum Einsatz. Die Induktoranordnung, die den eigentlichen Induktor sowie weitere Impedanzen, wie parallel geschaltete Kondensatoren, umfassen kann, ist oft vom eigentlichen Generator abgesetzt.
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Die Oberflächenbehandlung von Werkstücken mit Hilfe von Plasma ist ein anderes industrielles Verfahren, bei dem in einer Plasmakammer ein Plasma mit Gleichstrom oder mit einem hochfrequenten Wechselsignal mit einer Arbeitsfrequenz im Bereich von einigen 10 kHz bis in den GHz-Bereich erzeugt wird. In dieser Anmeldung sind Hochfrequenz-Plasmaprozesse im Frequenzbereich zwischen einigen 10 kHz und einigen 100 MHz gemeint.
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Plasmakammer und Induktor werden über weitere elektronische Bauteile, wie Spulen, Kondensatoren oder Transformatoren, an den Hochfrequenzgenerator angeschlossen. Diese weiteren Bauteile können Schwingkreise, Filter oder Impedanzanpassungsschaltungen darstellen.
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Dem Induktionserwärmungs- und dem Plasmaprozess ist das Problem gemein, dass die elektrische Lastimpedanz der Induktoranordnung beziehungsweise der Plasmakammer, die während des Prozesses auftreten, stark variiert. Bei der induktiven Erwärmung ändert sich die Lastimpedanz der Induktoranordnung, wenn das Werkstück in den Induktor eingeführt wird, und weiter, wenn sich die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Werkstücks durch die Erwärmung wandeln. Beim Plasmaprozess hängt die Lastimpedanz stark von den Zuständen in der Plasmakammer ab. Insbesondere gehen die Eigenschaften von Werkstück, Elektroden und Gasverhältnissen ein. Daher müssen der Hochfrequenzgenerator und eine möglicherweise vorhandene Impedanzanpassungsschaltung geregelt werden.
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Außerdem lassen sich bei Kenntnis der Lastimpedanz Rückschlüsse auf das erhitzte Werkstück beziehungsweise auf den Fortschritt des Plasmaprozesses und auf notwendige Wartungsmaßnahmen ziehen.
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Eine solche sich verändernde Lastimpedanz stellt einen Teil einer Regelstrecke dar. Dies bedeutet, dass die Regelstrecke sich in Abhängigkeit von der Lastimpedanz ändert. Eine Regleroptimierung setzt jedoch in der Regel voraus, dass die Regelstrecke bekannt ist.
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Regler werden im Allgemeinen so parametriert, dass sie möglichst bei allen Einsatzbedingungen ein akzeptables Regelverhalten besitzen. Dazu zählen zum Beispiel ausreichende Stabilität und Regelgeschwindigkeit. Wenn sich die Einsatzbedingungen jedoch ändern, müssen häufig Kompromisse eingegangen werden.
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Die
DE 10 2004 021 217 A1 beschreibt ein Verfahren zur Regelung eines Umrichters, der insbesondere zur Erzeugung von Wirkleistung für die induktive Erwärmung eingesetzt werden kann. An dem Umrichter ist ein Lastschwingkreis vorgesehen, wobei der Arbeitspunkt des Umrichters in Abhängigkeit von der Änderung der Resonanzfrequenz des Lastschwingkreises und mindestens einer weiteren Einflussgröße vorausberechnet wird.
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Die
DE 94 02 925 U1 offenbart eine Vorrichtung zur Erfassung und Regelung von Masseströmen, wie beispielsweise Plasmen und mit den Masseströmen korrelierten Größen. Die bekannte Vorrichtung weist übliche Elemente einer adaptiven Regelstrecke auf.
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Weiterhin beschreibt die
DE 42 30 899 A1 ein Vakuumtrockengerät, das beispielsweise mittels magnetischer Induktion zur Trocknung poröser Materialien eingesetzt werden kann. Dabei kann aus einem Verlauf einer Druck- und Temperaturkurve ein interner Signalprozessor der Vorrichtung die Energiezufuhr optimieren, bis ein isothermer Verlauf und damit die physikalisch kürzest mögliche Trocknungszeit erreicht ist. Hierzu wird die Heizleistung so verändert, dass die zu trocknenden Objekte immer eine konstante Temperatur aufweisen.
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Die
DD 250 224 A1 offenbart ein Verfahren zur adaptiven Schmelzentemperatursteuerung einer Metallschmelze in einem Induktionsofen. Ziel dieses Verfahrens ist die richtige Erfassung der Temperatur der Schmelze und einer verbleibenden Zeit bis zum Erreichen einer vorgegebenen Zieltemperatur. Das Verfahren der
DD 250 224 A1 geht dabei von einem mathematischen Modell des Schmelzprozesses aus, welches in der Lage ist, sich selbstständig an ein System anzupassen und Änderungen, beispielsweise der Materialart, zu erkennen.
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Aus der
DD 24 42 50 A1 ist ein adaptives Verfahren zur Blocktemperatursteuerung einer Induktionsheizung bekannt. In dem bekannten Verfahren werden mittels rekursiver Regression Koeffizienten einer dem Verfahren zugrunde liegenden Modellfunktion angepasst.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bereit zu stellen, mit dem eine schnelle und besonders genaue Regelung eines Induktionserwärmungs- oder Plasmaprozesses ermöglicht wird.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die Parametrierung des Reglers ist entscheidend für das Regelverhalten. Die Regelparameter wiederum hängen von der Regelstrecke und damit auch von der Lastimpedanz ab. Ändert sich also die Regelstrecke, zum Beispiel durch prozessbedingte Änderungen der Lastimpedanzparameter, müssen auch die Regler angepasst werden, um ein optimales Regelverhalten zu erzielen. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können Regelstreckenparameter ermittelt werden. Als Grundlage der Ermittlung, insbesondere der Berechnung, kann ein allgemeines mathematisches Modell eines Induktionserwärmungsgenerators oder Plasmagenerators und der Lastimpedanz dienen. Wenn demnach erkannt wird, dass sich die Regelstrecke verändert hat, so können ausgehend von den erkannten Änderungen der Regelstrecke auch die Parameter des mathematischen Modells verändert werden, so dass wiederum der Regler angepasst werden kann, um eine optimale Regelung der Regelstrecke zu ermöglichen oder Erkenntnisse über den Prozess zu gewinnen.
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Es kann ein Istwert ermittelt werden und dem Regler der Istwert am Ausgang der Regelstrecke, beziehungsweise eine korrespondierende Größe, sowie ein Sollwert zugeführt werden. Aufgrund eines Vergleichs des Istwerts mit dem Sollwert kann der Regler eine Reglerausgangsgröße ermitteln, die einem Steller zugeführt wird, der daraus eine Stellgröße ermittelt, die wiederum einem Stellglied der Reglerstrecke zugeführt werden kann. Dadurch kann der Sollwert durch den Istwert gut erreicht werden.
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Gemäß einer Verfahrensvariante kann vorgesehen sein, dass die Regelstrecke einen Wechselrichter umfasst und als Regelstreckenparameter mindestens die Wechselrichterausgangsspannung und/oder der Wechselrichterausgangsstrom ermittelt werden. Diese Größen können entweder direkt gemessen oder aufgrund der Messung anderer Größen ermittelt werden. Vorzugsweise werden interne Größen des Induktionsgenerators oder Plasmagenerators (= Leistungsversorgung) gemessen. Insbesondere können diese gemessenen oder ermittelten Werte als Eingangsgrößen für das mathematische Modell der Regelstrecke verwendet werden.
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Eine noch bessere Anpassung des mathematischen Modells kann erfolgen, wenn auch die zeitliche Ableitung der Wechselrichterausgangsspannung und/oder des Wechselrichterausgangsstroms ermittelt werden und bei der Anpassung des mathematischen Modells berücksichtigt werden.
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Besondere Vorteile ergeben sich, wenn das Bestimmen von Regelstreckenparametern, das Anpassen des mathematischen Modells anhand der Regelstreckenparameter, das Bestimmen von Reglerparametern anhand des angepassten Modells der Regelstrecke sowie das Anpassen des Reglers anhand der Reglerparameter mit einer Frequenz wiederholt werden, die zumindest 4 mal, besser 8 mal, noch besser 16 mal so hoch wie die Frequenz des durch einen Wechselrichter der Regelstrecke erzeugten Wechselsignals ist. Dadurch ist es möglich, insbesondere unter Einsatz schneller Digitaltechnik und schneller Analog-Digital-Wandler, Signale zeitlich so hoch auflösend zu ermitteln und weiter zu verarbeiten, dass die Reglerparameter innerhalb eines Bruchteils einer Halbwelle der Arbeitsfrequenz der Generatoren bestimmt werden können. Dadurch ergibt sich eine sehr genaue Regelung.
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Die Berechnungen werden besonders einfach, wenn die Abtastrate der Signale und/oder die Wiederholrate der Modellanpassung ein Vielfaches der Arbeitsfrequenz sind.
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Das Modell kann Induktivitäten, Kapazitäten und/oder Wirkwiderstände nachbilden, wie sie als Lastimpedanz und möglicherweise vorhandene weitere elektronische Bauteile real vorliegen. Die Werte der Induktivitäten, der Kapazitäten und/oder der Wirkwiderstände können berechnet werden. Außerdem können diese berechneten Werte angezeigt und/oder ausgegeben werden. Durch die Anpassung der Modellparameter erhält man Aussagen über die Werte der in diesem Modell benutzten Größen. Diese Ergebnisse können dann zur Prozessanalyse und Prozessführung genutzt werden. Zu den zu ermittelnden Größen können zum Beispiel im Fall von Schwingkreisumrichtern die Induktivitäts-, Kapazitäts- und Widerstandswerte des Schwingkreises zählen. Diese hängen neben der aktuellen Schwingkreisbestückung vom jeweiligen Prozess und vom aktuellen Prozesszustand ab.
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Wie oben bereits erwähnt, ist es für eine schnelle und akkurate Regelung vorteilhaft, wenn die Reglerparameter innerhalb eines Bruchteils der Dauer einer Halbwelle eines von einem Wechselrichter erzeugten Wechselsignals ermittelt werden.
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Besondere Vorteile ergeben sich weiterhin, wenn ausschließlich Signale von leicht erreichbaren Messstellen, insbesondere interne Signale eines Induktions- oder Plasmagenerators, erfasst werden, aus denen die Regelstreckenparameter ermittelt werden. Solche Signale werden häufig ohnehin schon gemessen, so dass diese verwertet werden können, um die Regelstrecke bzw. das Modell der Regelstrecke zu analysieren und anzupassen.
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Die Ermittlung von Reglerparametern kann deren Schätzung umfassen. Mit Hilfe von Parameterschätzverfahren können Parameter errechnet werden, die messtechnisch nicht oder nur sehr schwierig zu erfassen sind. Zu diesen Parametern zählen insbesondere die Lastimpedanzparameter. Diese Parameter können dann benutzt werden, um den Regler an die aktuelle Prozesssituation anzupassen und ein optimiertes Regelverhalten zu erhalten. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können Größen errechnet werden, die messtechnisch nicht oder nur mit erhöhtem Aufwand erfasst werden können. Auf diese Weise lassen sich mehr Informationen gewinnen als dies bisher der Fall war, oder aber die Informationen können auf günstigere Weise als bisher zur Verfügung gestellt werden. Dadurch wird auch die Auswertung von nicht zugänglichen Größen, wie beispielsweise dem Induktorstrom oder dem Strom durch die Plasmakammer, möglich, was eine Vielzahl von Überwachungsmöglichkeiten in der Prozessführung eröffnet.
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Unterschiede zwischen den im Modell errechneten und den gemessenen Größen stellen einen Fehler dar, der dazu benutzt werden kann, mit Hilfe eines Algorithmus zur Fehlerminimierung das Modell anzupassen und zu verfeinern. Dadurch erhält man zunehmend genauere Aussagen über die Größen der in dem Modell benutzten Parameter.
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Der Algorithmus zur Fehlerminimierung kann unterschiedliche Regelgeschwindigkeiten aufweisen. Während beispielsweise zu Beginn eines Prozesses die Regelgeschwindigkeit groß gewählt wird, kann im weiteren Verlauf die Regelgeschwindigkeit kleiner gewählt werden oder die Regelung gänzlich abgeschaltet werden. Dadurch erhält man im ersten Schritt ein passendes Modell des Prozesses, während man im weiteren Verlauf auch geringe Abweichungen von diesem Modell detektieren kann.
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Da es nicht mehr nötig ist, den Zustand der Lastimpedanz direkt am Induktor oder der Induktoranordnung, beziehungsweise der Plasmakammer, zu messen, was oft schwierig oder unmöglich ist, sondern nun die Eigenschaften der Lastimpedanz einfacher bestimmt werden können, ist es damit möglich, Prozessparameter zu beobachten. Beim Induktionsprozess können aus den für die Lastimpedanz relevanten Regelstreckenparametern zum Beispiel Rückschlüsse auf die Temperatur des Werkstücks, Veränderungen in der Position des Werkstücks oder der Materialeigenschaften des Werkstücks bestimmt werden. Auch zusätzliche Messungen, beispielsweise eine Temperaturmessung mittels Pyrometer, kann gegebenenfalls entfallen, wenn der Lastzustand aus den Regelstreckenparametern bestimmt werden kann. Beim Plasmaverfahren können der Fortschritt des Ätz- oder Beschichtungsprozesses oder der Zustand der Plasmakammer überwacht werden. Allgemein können Faktoren, die auf den Wert der Lastimpedanz einwirken, bestimmt werden.
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In den Rahmen der Erfindung fällt außerdem ein Regelkreis, umfassend eine Regelstrecke und einen zugeordneten Regler, sowie einen Auswerteeinrichtung, in der das erfindungsgemäße Verfahren implementiert ist. Beispielsweise können verschiedene Messwerte erfasst, digitalisiert und der Auswerteeinrichtung zugeführt werden. Die Auswerteeinrichtung kann als FPGA oder digitaler Signalprozessor ausgebildet sein. In dieser Auswerteeinrichtung werden die benötigten Rechnungen durchgeführt. Die Auswerteeinrichtung kann Tabellen haben, in denen Schätzwerte, insbesondere solche, die zu Anfang der Regelung verwendet werden sollen, sowie die Werte für die im Modell verwendeten Werte für die Lastimpedanz und die weiteren elektronischen Bauelemente abgelegt werden. Anfangsschätzwerte können abhängig von der Ausführung der Induktoranordnung, vom Werkstück oder von den Betriebsparametern der Plasmakammer gewählt werden.
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Die Messwerte können in der Auswerteeinheit gefiltert, fouriertransformiert oder abgeleitet werden.
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Die Ergebnisse dieser Rechnung werden dann benutzt, um optimierte Reglerparameter zu errechnen, mit welchen der Regler neu parametriert wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Regelkreis wird ein erheblich verbessertes Regelverhalten, insbesondere in Bezug auf die Regelgeschwindigkeit, erzielt. Die Prozessführung und Generatorüberwachung wird verbessert.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, sowie aus den Ansprüchen. Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.
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In der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Induktionserwärmungsanordnung;
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2 eine HF-Plasmaprozessanordnung;
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3 ein schematisches Blockdiagramm einer Regelung;
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4 ein Blockdiagramm einer Regelstrecke.
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Die 1 zeigt eine Induktionserwärmungsanordnung 40, die eine Leistungsversorgung 30 mit einem Wechselrichter 31 umfasst. An die Leistungsversorgung 30 ist über eine Induktivität 41 eine Induktoranordnung 42 angeschlossen. Der Induktor 43 weist eine Induktivität 33 und einen Wirkwiderstand 36 auf. Der Wirkwiderstand 36 ist kein separates Bauelement sondern stellt den variablen und vom Werkstück abhängigen Wirkstand des Induktors 43 dar. Die Induktoranordnung 42 weist weiterhin noch eine Parallelkapazität 34 auf.
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In der Leistungsversorgung 30 ist eine Spannungsmessstelle 47 vorgesehen, deren Messsignal an eine Auswerteeinrichtung 48 übergeben wird. Weiterhin ist eine externe Strommessstelle 49 vorgesehen, die jedoch auch intern in der Leistungsversorgung 30 angeordnet sein könnte. Eine weitere Messstelle 50 ist nach der Induktivität 41 angeordnet. Die Messsignale der Messstellen 47, 49, 50 werden an zugeordnete A/D-Wandler 51, 52, 53 der Auswerteeinheit 48 übergeben. Die Auswerteeinheit 48 kann in der Leistungsversorgung 30 integriert sein. In der Auswerteeinheit 48 kann eine Tabelle 54 vorhanden sein, in der Schätzwerte, die zu Anfang der Regelung verwendet werden sollen, sowie im Modell verwendete Werte für die Lastimpedanz und weitere elektronische Bauelemente abgelegt sein können.
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Die Auswerteeinrichtung 48 kann als digitaler Signalprozessor ausgebildet sein, der anhand des Modells 55 Berechnungen ausführen kann. Die Auswerteeinrichtung 48 steht weiterhin mit einer Anzeigeeinrichtung 21 in Verbindung, durch die ermittelte Regelstreckenparameter angezeigt werden können.
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Die 2 zeigt eine HF-Plasmaprozessanordnung 60, die eine Leistungsversorgung 30 mit einem Wechselrichter 31 umfasst. Die Leistungsversorgung 30 ist über eine Induktivität 41 und eine Kapazität 46 sowie einen Übertrager 61 mit einer Plasmakammer 62 verbunden. Die Lastimpedanz der Plasmakammer 62 ist in der 2 durch einen Serieschwingkreis 63 mit Induktivität 64 und Kapazität 65 sowie einem parallelen Wirkwiderstand 66 dargestellt. Das Modell der Lastimpedanz könnte jedoch auch komplizierter sein, insbesondere negative Wirkwiderstände oder nicht lineare, d. h. spannungs- oder stromabhängige Impedanzen aufweisen. Alle diese Impedanzen werden in der Auswerteeinheit 48 moduliert. Auch bei der HF-Plasmaprozessanordnung 60 der 2 sind eine interne Spannungsmessstelle 47, eine Strommessstelle 49 und eine weitere Messstelle 50 vorgesehen. Die Signale der Messstellen 47, 49, 50 werden in A/D-Wandlern 51 bis 53 digitalisiert. Die digitalisierten Signale werden in der Auswerteeinheit 48 weiterverarbeitet. Ermittelte Parameter können über die Anzeigeeinrichtung 21 angezeigt werden. Durch die Auswerteeinrichtung 48 können Parameter für die Impedanzen 41, 46, den Übertrager 61, der eine Streuinduktivität aufweisen kann, sowie die Bauelemente der Plasmakammer 62 ermittelt werden. Auch bei der Ausführungsform der 2 kann die Auswerteeinrichtung 48 in der Leistungsversorgung 30 angeordnet sein.
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Eine Regelung ist in den 1, 2 nicht dargestellt, wird jedoch anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Die dort beschriebene Regelung ist in den Anordnungen 40, 60 implementiert.
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In der 3 ist eine Regelung 10 gezeigt. Einem Regler 11 wird ein Sollwert w zugeführt. Dieser wird in einem Vergleichsglied 12 mit einer Rückführgröße r verglichen, wobei die Rückführgröße r von einer Messeinrichtung 13 stammt, die eine Regelgröße x am Ausgang einer Regelstrecke 14 misst. Die Regeldifferenz e wird einem Regelglied 15 zugeführt, welches eine Reglerausgangsgröße u ermittelt und diese einem Steller 16 zuführt. Der Steller 16 ist Bestandteil einer Stelleinrichtung 17, die weiterhin ein Stellglied 18 aufweist. Das Stellglied 18 ist bereits Bestandteil der Regelstrecke 14.
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Bei der vorliegenden Erfindung sind die Parameter der Regelstrecke 14 nicht konstant sondern veränderlich. Dies liegt insbesondere an dem sich ständig ändernden Wert der Lastimpedanz der Regelstrecke 14. Daher werden Größen der Regelstrecke 14 gemessen und einer Parameterschätzeinrichtung 19 zugeführt. Anhand der gemessenen Größen werden in der Parameterschätzeinrichtung 19 Regelstreckenparameter bestimmt. Diese können beispielsweise unmittelbar aus den Messwerten ermittelt werden, berechnet werden oder geschätzt werden, wobei die Schätzung auf den gemessenen Werten basiert. In der Parameterschätzeinrichtung 19 ist ein Modell 20 der Regelstrecke 14 abgelegt. Anhand der bestimmten Regelstreckenparameter wird das Modell 20 angepasst. Anhand des angepassten Modells werden Regelparameter bestimmt, die wiederum dem Regler 11 zugeführt werden, sodass der Regler 11 anhand der Reglerparameter angepasst werden kann. Aufgrund der in der Parameterschätzeinrichtung 19 ermittelten Regelstreckenparameter, die im Übrigen durch die Einrichtung 21 angezeigt werden können, können Rückschlüsse auf den zu regelnden Prozess gezogen werden. Beispielsweise können dadurch Informationen über eine Lastimpedanz, die Bestandteil der Regelstrecke 14 ist, getroffen werden. Wenn durch die Regelung 10 ein Induktionsprozess geregelt wird, kann beispielsweise die Temperatur des Induktors bzw. der Lastimpedanz ermittelt werden. Im Falle eines Plasmaprozesses kann beispielsweise die Position des Werkstücks innerhalb einer Plasmakammer ermittelt werden.
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In der 4 ist beispielhaft eine Regelstrecke 14 schematisch dargestellt. Die Regelstrecke 14 umfasst teilweise einen Generator bzw. eine Leistungsversorgung 30. Die Leistungsversorgung 30 umfasst einen Wechselrichter 31, an den in diesem einfachen Fall ein Schwingkreis 32 angeschlossen ist. Der Schwingkreis 32 umfasst die Induktivität 33 eines Induktors 43, den Wirkwiderstand 36 des Induktors 43 und einen Kondensator 34. Über den Induktor 43 kann eine Induktionserwärmung durchgeführt werden. Weiterhin ist in der Regelstrecke 14 ein Werkstück 35 vorgesehen, das die Lastimpedanz des Induktors 43, das heißt seine Induktivität 33 und seinen Wirkwiderstand 36, beeinflusst. Außerhalb der Regelstrecke 14 ist der Regler 11 angeordnet, der jedoch Bestandteil der Leistungsversorgung 30 sein kann.
