基于FP0-C14 PLC的自動(dòng)阻抗匹配器的研制

王登偉 ，夏 洋

(1.中國(guó)科學(xué)院微電子研究所，北京100029；2.中國(guó)科學(xué)院微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029)

等離子體射頻電源廣泛應(yīng)用于等離子體刻蝕、射頻濺射、RIE、ICP、PECVD等領(lǐng)域。由于負(fù)載（通常為等離子真空設(shè)備）的阻抗是隨工藝參數(shù)變化的，有必要采用自動(dòng)控制的方式進(jìn)行匹配，使系統(tǒng)中的電路處于匹配狀態(tài)。如此則可避免反射的發(fā)生，提高電源效能，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)等離子體電源的最大功率傳輸[1]。但是，目前阻抗匹配器大都是工作在人工模式，不能夠及時(shí)跟蹤負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種利用PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)阻抗匹配的方案。

1 自動(dòng)阻抗匹配原理

射頻電源的輸出阻抗通常與傳輸電纜的特征阻抗Z0相同，即50Ω。負(fù)載的阻抗可表示為：

式中：R為負(fù)載阻抗的實(shí)部，通常為2～5Ω之間，X為負(fù)載阻抗的虛部，較多情況為負(fù)數(shù)，即容性負(fù)載較常見(jiàn)。只有通過(guò)加入匹配網(wǎng)絡(luò)，才能實(shí)現(xiàn)負(fù)載阻抗與電纜的特征阻抗匹配，使得射頻電源的輸出功率全部加到負(fù)載上，無(wú)反射功率或者反射功率很小[2]。常用的匹配網(wǎng)絡(luò)有L形、T形、π形以及由它們組合而成的多級(jí)混合網(wǎng)絡(luò)，也有用雙調(diào)諧耦合回路構(gòu)成的匹配網(wǎng)絡(luò)[3]。本方案采用改進(jìn)型的L形匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。它是一種在手動(dòng)匹配器中被廣泛采用而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的匹配網(wǎng)絡(luò)。其中，可調(diào)電容C1只與負(fù)載阻抗的實(shí)部有關(guān)，而C2與負(fù)載阻抗的實(shí)部和虛部都有關(guān)系。在電感L為定值時(shí)，可調(diào)電容C1和C2只要分別滿足一定取值范圍，就可使得改進(jìn)型匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)等離子體真空設(shè)備進(jìn)行阻抗匹配[4]。

圖1 匹配器功能圖

阻抗匹配良好時(shí)，應(yīng)該滿足條件：

式中，矢量U表示傳輸線上的電壓，矢量I表示傳輸線上的電流。因?yàn)閆0=50Ω，不難看出，此時(shí)電壓信號(hào)與電流信號(hào)的相位差覫為零，他們幅度的比值A(chǔ)為50。如果想實(shí)現(xiàn)阻抗的自動(dòng)匹配，PLC可以通過(guò)兩個(gè)電機(jī)分別控制調(diào)節(jié)可變電容C1和C2的轉(zhuǎn)向來(lái)改變覫、A，因?yàn)橛I、A與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向之間存在特定的關(guān)系，PLC可根據(jù)采集到的覫、A數(shù)據(jù)控制C1和C2的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，當(dāng)覫=0、A=50時(shí)，阻抗匹配良好。在本系統(tǒng)中，采用了鑒相鑒幅的自動(dòng)匹配方法。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)阻抗匹配器共分主控模塊、功率取樣模塊、鑒相鑒幅模塊、電容器的調(diào)整和檢測(cè)模塊等四個(gè)模塊，見(jiàn)圖2。

圖2 匹配器結(jié)構(gòu)框圖

2.1 主控模塊

以微處理器為基礎(chǔ)的通用工業(yè)自動(dòng)控制裝置可編程控制器PLC具有體積小、功能強(qiáng)、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[5]。本系統(tǒng)選用松下公司FP0-C14 PLC，它有8個(gè)輸入觸點(diǎn)、6個(gè)輸出觸點(diǎn)。觸摸屏選用的是GT01型可編程智能操作面板，界面十分友好。PLC實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)，通過(guò)GT01觸摸屏以趨勢(shì)圖、棒圖等動(dòng)態(tài)圖表圖形和文字、數(shù)字的形式顯示，用來(lái)監(jiān)控前向功率Pf、反射功率 Pr、自偏壓、電容 C1位置、電容 C2位置、相位、幅度。簡(jiǎn)單、易用、功能強(qiáng)、性能穩(wěn)定。在計(jì)算機(jī)上完成對(duì)PLC的控制編程和對(duì)觸摸屏進(jìn)行人機(jī)界面組態(tài)編程后，用傳輸數(shù)據(jù)線將控制及組態(tài)軟件下載到PLC控制器和觸摸屏中，為設(shè)備運(yùn)行做好控制準(zhǔn)備。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)電氣連接調(diào)試完畢進(jìn)入運(yùn)行時(shí)，通過(guò)觸摸屏與PLC之間RS232C傳輸線的實(shí)時(shí)通訊功能可對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

整個(gè)控制系統(tǒng)分為自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制方式，可根據(jù)實(shí)際工作需要選擇自動(dòng)控制或手動(dòng)調(diào)試控制。

電源系統(tǒng)采用了專用電源模塊，分別提供24V、＋12 V、-12 V和5 V。

2.2 功率取樣模塊

該模塊包括前向功率Pf的采集和反射功率Pr的采集。雙向耦合器可以同時(shí)對(duì)兩個(gè)相反方向傳輸?shù)墓β市盘?hào)取樣，取樣得到的微弱信號(hào)通過(guò)兩個(gè)不同的采樣端口分別經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，傳到主控模塊。本模塊功率采集數(shù)據(jù)的分辨率達(dá)1/1024。

2.3 鑒相鑒幅模塊

鑒相鑒幅方法是通過(guò)檢測(cè)信號(hào)的幅值和相位判斷反射系數(shù)。最終通過(guò)調(diào)節(jié)可變電容，改變阻抗，實(shí)現(xiàn)把負(fù)載阻抗良好地匹配到傳輸線的特征阻抗50Ω。

本系統(tǒng)中采用了調(diào)諧檢波器。它的兩個(gè)輸出信號(hào)f1、f2分別和覫、A相關(guān)。PLC控制轉(zhuǎn)動(dòng)C1和C2過(guò)程中同時(shí)采集f1、f2數(shù)據(jù)。PLC根據(jù)采集到的 f1、f2數(shù)據(jù)控制電容 C1、C2的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，當(dāng) f1、f2均為零時(shí)，代表覫=0、A=50，此時(shí)阻抗自動(dòng)匹配良好。

2.4 電容器的調(diào)整和檢測(cè)模塊

自動(dòng)調(diào)整模式下，PLC根據(jù)當(dāng)前的相位和幅度的數(shù)值控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)可改變真空電容器C1、C2的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配控制。同時(shí)，通過(guò)齒輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)電位器。PLC通過(guò)檢測(cè)電位器上的電壓即可得到電容器的當(dāng)前位置，將位置檢測(cè)值作為反饋量，構(gòu)成電容位置調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。在程序中需對(duì)檢測(cè)到的位置信號(hào)進(jìn)行多點(diǎn)平均濾波。

手動(dòng)調(diào)整模式下，采用了編碼開(kāi)關(guān)和數(shù)字電位器MAX5128ELA，實(shí)現(xiàn)按檔逐級(jí)調(diào)整可調(diào)C1、C2，提高了精確度，簡(jiǎn)化了操作。

3 軟件控制系統(tǒng)

系統(tǒng)軟件主要包括PLC控制軟件和觸摸屏組態(tài)軟件兩部分。

PLC軟件用來(lái)完成整個(gè)設(shè)備的全部控制任務(wù)，其設(shè)計(jì)思想基于盡量簡(jiǎn)化硬件，以軟件代替硬件，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾性。松下FP0-C14 PLC采用FPWIN GR編程軟件，用梯形圖進(jìn)行編程。首先對(duì)硬件進(jìn)行初始化，然后采集、處理數(shù)據(jù)，并在GT01觸摸屏上顯示出來(lái)，圖3為設(shè)備PLC控制程序流程框圖。

圖3 PLC控制程序流程框圖

其中，入射功率、反射功率的數(shù)字化過(guò)程是非線性的，根據(jù)最小二乘法原則，使用二次曲線擬合散點(diǎn)連線，得到逼近解析表達(dá)式。散點(diǎn)連線見(jiàn)圖4。通過(guò)編程、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，修正二次項(xiàng)系數(shù)，再次調(diào)試修正，直至逼近實(shí)際功率數(shù)值。

GT01型觸摸屏采用GTWIN組態(tài)軟件進(jìn)行編程。觸摸屏共設(shè)置了4頁(yè)顯示內(nèi)容，可顯示入射功率、反射功率、自偏壓、C1位置、C2位置、幅度、和相位等數(shù)據(jù)。將PLC控制軟件和觸摸屏組態(tài)軟件下載后，上電啟動(dòng)，系統(tǒng)即可運(yùn)行。

圖4 實(shí)測(cè)值與二次擬合曲線

4 仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 仿真結(jié)果

采用的改進(jìn)型L阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)模型見(jiàn)圖5。其中，接地電容為C1，負(fù)載串聯(lián)的電容為C2，負(fù)載ZL可在（2.7～50）Ω±j(0～70)Ω 范圍內(nèi)變化，模型中，ZL取 30Ω-j45Ω。

圖5 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)模型

阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)仿真步驟如下：

①設(shè)定特征阻抗Z0=50Ω＋j0Ω，輸入信號(hào)頻率為13.56 MHz；

②令負(fù)載ZL=30Ω-j45Ω，在匹配網(wǎng)絡(luò)電路的Sm ith圓圖上確定起始點(diǎn)1；

③在ZL上串隔直電容C2，得到點(diǎn)2；

④再在C2上串聯(lián)電感L，得到點(diǎn)3；

⑤最后再并聯(lián)電容C1，得到點(diǎn)4。

通過(guò)適當(dāng)調(diào)整C1、C2，應(yīng)使點(diǎn)4位于50Ω＋j0Ω匹配點(diǎn)，此時(shí)阻抗匹配良好。若點(diǎn)4不能精確位于該點(diǎn)，則應(yīng)微調(diào)各元件參數(shù)。圖6為阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)電路的Sm ith圓圖。

5.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

通過(guò)樣機(jī)與等離子設(shè)備采用SE-3型太陽(yáng)能電池刻蝕機(jī)、SY-I型1 kW射頻電源的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，結(jié)果顯示：改變流量，使得氣壓在5～90 Pa之間變化時(shí)，自動(dòng)阻抗匹配器能自動(dòng)跟蹤負(fù)載阻抗的變化。當(dāng)功率在1 kW范圍內(nèi)變化時(shí)，自動(dòng)阻抗匹配器也能自動(dòng)跟蹤。

圖6 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)電路的Smith圓圖

匹配良好時(shí)，反射系數(shù)不大于0.2%，此時(shí)反射功率幾乎為零，說(shuō)明了匹配器可以把負(fù)載的阻抗匹配在傳輸線特征阻抗50Ω＋j0Ω匹配點(diǎn)附近，與仿真結(jié)果是一致的。

6 總結(jié)

PLC作為控制模塊，編程快捷、維護(hù)方便和抗干擾性強(qiáng)。采用鑒相鑒幅方法，構(gòu)建自動(dòng)阻抗匹配的閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)變化阻抗的實(shí)時(shí)跟蹤，與SE-3太陽(yáng)能刻蝕機(jī)聯(lián)機(jī)調(diào)試的成功和計(jì)算機(jī)仿真均證明了該設(shè)計(jì)方案的可行性和有效性，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

[1]Navigator DigitalMatching Networksbrochure[EB/OL].Advanced Energy Industries，Inc.2008.

[2]Harvey James Beaudry.ImpedanceMatching Network fo Plasma-generating Apparatus[P].Fremont，Calif.1969.7.

[3]何振亞，高頻阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[M]，北京:人民郵電出版社，1956.

[4]ImpedanceMatching[EB/OL].Advanced EnergyIndustries，Inc.2006.

[5]張素枝.基于PLC控制技術(shù)的電容測(cè)試分選機(jī)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備.2009，10(177):46-4