脈沖磁控濺射電源控制策略的研究

黃西平， 劉洋， 孫強(qiáng)， 陳桂濤

(西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

脈沖磁控濺射電源控制策略的研究

黃西平， 劉洋， 孫強(qiáng)， 陳桂濤

(西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

基于脈沖磁控濺射電源等離子體負(fù)載的特殊性及鍍膜過(guò)程對(duì)輸出電壓電流的控制需求，提出了一種PI控制電壓環(huán)與滑模變結(jié)構(gòu)控制電流環(huán)相結(jié)合的復(fù)合控制策略。文中建立了移相全橋變換器的平均狀態(tài)空間模型，重點(diǎn)對(duì)滑模變結(jié)構(gòu)電流控制方法進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，采用指數(shù)趨近律法削弱抖振，并對(duì)影響性能的參數(shù)進(jìn)行了研究。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所提出的控制方法克服了傳統(tǒng)方式下可能出現(xiàn)的起輝失敗、負(fù)載擾動(dòng)下電流波動(dòng)大等缺點(diǎn)，提高了起輝成功率，并且對(duì)負(fù)載擾動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制能力。

磁控濺射電源； 滑模變結(jié)構(gòu)控制； 移相全橋； 起輝過(guò)程

磁控濺射技術(shù)以其濺射沉積率高、膜層附著力好、致密度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于鎂鋁合金等金屬材料的表面處理中。磁控濺射工藝要求磁控濺射電源首先能快速產(chǎn)生一個(gè)恒定的等離子體,擊穿電壓為起輝電壓，一般在700～850 V左右；其次電源瞬間帶等離子體負(fù)載，電壓突降，電流呈指數(shù)上升[1]，此時(shí)電流控制不住就會(huì)引起大弧產(chǎn)生,使電源進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，造成起輝過(guò)程失敗，為保證電源安全可靠起輝，電源需具有快速無(wú)超調(diào)的恒流特性；為了生成高質(zhì)量的膜層，電源需保證在工藝環(huán)境和負(fù)載變化的情況下具有良好的穩(wěn)流特性。

目前對(duì)磁控濺射的濺射材料、濺射工藝和鍍膜系統(tǒng)研究較多，而對(duì)于磁控濺射電源控制策略的研究甚少。文獻(xiàn)[2]提出了一種變速積分和重復(fù)控制復(fù)合的控制方法用于直流磁控濺射電源來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并給出了電壓仿真波形。由于磁控濺射電源的負(fù)載為等離子體負(fù)載，對(duì)外呈現(xiàn)阻容性且阻性占主導(dǎo)成分，工作方式為正常起輝后帶載恒流控制[1]，因此與等離子弧焊切割電源在負(fù)載特性及控制需求上具有很多相似性。在對(duì)磁控濺射電源控制方式的研究上，可以借鑒弧焊切割電源的控制方式。

文獻(xiàn)[3]對(duì)電源采用電流電壓雙PI環(huán)切換控制，在弧焊電源中會(huì)存在空載到負(fù)載的來(lái)回切換，使得雙PI環(huán)切換控制的切換點(diǎn)設(shè)置比較困難。文獻(xiàn)[4]提出了基于SMC(Sliding Mode Control)的電壓環(huán)和基于PI的電流環(huán)相結(jié)合的綜合控制方式，解決了切割電源中電壓超調(diào)與快速電壓響應(yīng)的矛盾問(wèn)題。

基于此，本文提出了一種將PI控制電壓環(huán)與帶指數(shù)趨近律的滑模變結(jié)構(gòu)控制電流環(huán)相結(jié)合的復(fù)合控制策略。這種控制策略可以迅速建立起輝電壓，保證鍍膜時(shí)的恒流特性，且具有響應(yīng)速度快、超調(diào)小、對(duì)擾動(dòng)不敏感等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于脈沖磁控濺射電源。

1 系統(tǒng)及電源特性分析

本文采用的主電路拓?fù)淙鐖D1所示，為一臺(tái)6 kW脈沖磁控濺射電源樣機(jī)，其中前級(jí)高頻變換器部分采用移相全橋變換器，后級(jí)高頻脈沖變換器部分采用開環(huán)控制為不同工況實(shí)現(xiàn)直流、單極性脈沖、雙極性脈沖三種輸出[5]。

移相全橋DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)能量的控制，在工藝中為等離子體負(fù)載提供恒定的電流輸出，為電源控制的核心，也是本文的研究要點(diǎn)。圖2為移相全橋變換器控制模塊圖。電源起輝前，變換器空載工作在電壓環(huán)模式，可快速建立恒定起輝電壓，這個(gè)電壓有利于電源快速可靠地起輝；電源起輝后，變換器瞬間帶載，樣機(jī)試驗(yàn)中檢測(cè)電感電流上升到0.6 A，電源切換到電流環(huán)模式，電路通過(guò)滑模變結(jié)構(gòu)閉環(huán)控制快速輸出穩(wěn)定的連續(xù)可調(diào)的電流，圖2中uref、iref、uc、iL分別為給定電壓、給定電流、輸出電容電壓和輸出電感電流。

2 脈沖磁控濺射電源滑模變結(jié)構(gòu)控制

本文電壓環(huán)采用傳統(tǒng)的PI控制，能夠快速穩(wěn)定的建立起輝電壓；電流環(huán)采用滑模變結(jié)構(gòu)控制，能夠在電流迅速上升的同時(shí)形成快速無(wú)超調(diào)的穩(wěn)流，并在鍍膜過(guò)程中負(fù)載突變或外干擾下使電流保持恒定。

傳統(tǒng)的PI控制完全可以滿足該電源對(duì)電壓控制的需求，用PI控制電壓的方法在許多文獻(xiàn)中都有提及，本文不再贅述。

對(duì)于滑模變結(jié)構(gòu)控制，由于狀態(tài)軌跡到達(dá)滑模面后，很難嚴(yán)格按照滑模面向著平衡點(diǎn)滑動(dòng)，而在滑模面兩側(cè)來(lái)回穿越就會(huì)產(chǎn)生抖振，影響系統(tǒng)品質(zhì)。因此，為了削弱抖振，本文采用指數(shù)趨近律的方法來(lái)削弱抖振，從而改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)[6]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)時(shí)間短、無(wú)超調(diào)的良好動(dòng)態(tài)性能。

2.1 滑模變結(jié)構(gòu)控制基本原理

滑模變結(jié)構(gòu)控制與其它控制的不同之處在于系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”并不固定，而是可以根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)有目的的不斷變化，迫使系統(tǒng)按照預(yù)定的“滑動(dòng)模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運(yùn)動(dòng)。由于滑動(dòng)模態(tài)可以進(jìn)行設(shè)計(jì)且與對(duì)象參數(shù)及擾動(dòng)無(wú)關(guān)，這就使得滑模變結(jié)構(gòu)控制具有快速響應(yīng)、對(duì)參數(shù)變化及擾動(dòng)不靈敏、物理實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 移相全橋DC/DC變換器的滑模變結(jié)構(gòu)控制

滑?？刂破髟O(shè)計(jì)的第一步是根據(jù)期望控制量得出用狀態(tài)空間法描述的變換器模型。

分析前先做如下假設(shè)：①所有元器件均為理想器件；②考慮到阻容性負(fù)載建模復(fù)雜，而等離子體負(fù)載中阻性占主導(dǎo)成分，因此只考慮阻性負(fù)載。

圖1中，當(dāng)開關(guān)管S1、S4或S2、S3同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，其等效電路如圖3(a)所示；當(dāng)開關(guān)管S1、S4或S2、S3不同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，其等效電路如圖3(b)所示。

根據(jù)狀態(tài)空間平均法，移相全橋變換器的狀態(tài)空間方程為：

(1)

式中：d為占空比，n為變壓器原副邊匝比，t為時(shí)間。

本文的切換函數(shù)選取電感電流誤差與誤差積分的線性組合：

(2)

式中，k為待定系數(shù)。

則：

(3)

對(duì)于此系統(tǒng)，適宜使用常規(guī)的滑?？刂坡桑捎萌缦麻_關(guān)函數(shù)，即：

(4)

(5)

可得出存在條件：

(6)

由式(6)可以看出，k是一個(gè)相對(duì)較大的正數(shù)，應(yīng)合理選擇k值以滿足滑模面存在條件。傳統(tǒng)的SMC一般通過(guò)滯環(huán)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，但基于滯環(huán)調(diào)制SMC的電力電子變換器開關(guān)頻率不固定，尤其在輸入電壓和輸出負(fù)載變化時(shí)，開關(guān)頻率會(huì)出現(xiàn)劇烈變化，使變換器濾波器的設(shè)計(jì)難度加大，因此需采用脈沖寬度調(diào)制法固定開關(guān)頻率。

滑?？刂破髟O(shè)計(jì)的第二步是控制律的選擇，而采用PWM定頻時(shí)，需要對(duì)滑?？刂坡蛇M(jìn)行間接變換，從而用脈沖寬度調(diào)制代替滯環(huán)調(diào)制。

(7)

式(7)為等效滑?？刂坡?。

(8)

然而在實(shí)際應(yīng)用中，理想的滑模控制是不存在的，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)存在一定的延遲或慣性，導(dǎo)致在狀態(tài)滑動(dòng)時(shí)總伴有抖振產(chǎn)生。一般削弱抖振的方法有三種：連續(xù)化法、趨近律法和模糊理論或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論結(jié)合法等。連續(xù)化法通過(guò)將理想sgn(S)(繼電切換函數(shù))變?yōu)閟at(S)(飽和型特性函數(shù))來(lái)減小抖振，但同時(shí)也削弱了魯棒性，而其他控制結(jié)合法設(shè)計(jì)復(fù)雜 ，因此常用趨近率法。指數(shù)趨近律具有在遠(yuǎn)離滑模面時(shí)快速趨近，靠近滑模面時(shí)小速度趨近的優(yōu)點(diǎn)，在滑?？刂浦械玫搅藦V泛應(yīng)用。

指數(shù)趨近律為：

(9)

式中，ξ、δ為待定系數(shù)。

結(jié)合(3)和(9)可得：

(10)

則可計(jì)算出基于趨近律的滑模等效控制，

(11)

其中，deq連續(xù)且0

(12)

根據(jù)式(6)確定了k的取值。選取δ和ξ的原則是要與k共同滿足式(12)。為了保證在快速趨近的同時(shí)削弱抖振，應(yīng)在增大δ的同時(shí)減小ξ。輸出電流環(huán)SMC控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 控制策略仿真結(jié)果分析

采用Matlab/Simulink仿真軟件搭建磁控濺射電源仿真模型，仿真參數(shù)如表1所示。

本文針對(duì)6 kW脈沖磁控濺射電源樣機(jī)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究，起輝電壓700～850 V，輸出電流0～10 A連續(xù)可調(diào)，本文取k=10 000，ξ=0.01，δ=200。分別在起輝過(guò)程、給定突變和負(fù)載擾動(dòng)3種情況下，對(duì)比分析動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

1) 用仿真軟件模擬起輝過(guò)程。在4 ms時(shí)將電源從空載PI電壓環(huán)切換到帶載SMC電流環(huán)來(lái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)圖5)。

從圖5可以看出，在起輝過(guò)程中，采用滑模變結(jié)構(gòu)控制，能夠更快速、穩(wěn)定、無(wú)超調(diào)的控制電流，使起輝過(guò)程更加安全可靠。

2) 對(duì)給定電流突變進(jìn)行仿真分析。4 ms時(shí)對(duì)給定電流由10 A到8 A突變進(jìn)行仿真(見(jiàn)圖6)。從圖6可以看出，采用滑模變結(jié)構(gòu)控制，具有調(diào)節(jié)時(shí)間短、穩(wěn)態(tài)精度高的優(yōu)點(diǎn)。

3) 對(duì)負(fù)載突變進(jìn)行仿真分析。4 ms時(shí)對(duì)負(fù)載電阻100Ω到50Ω突變進(jìn)行仿真(見(jiàn)圖7)。

從圖7可以看出，新型控制策略具有更好的抑制負(fù)載擾動(dòng)能力，適用于等離子體阻容負(fù)載。

3.2 控制策略實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在6 kW磁控濺射電源樣機(jī)上對(duì)提出的控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，磁控濺射的濺射起輝過(guò)程如圖8所示。

圖9給出了負(fù)載變化時(shí)的電源輸出波形，實(shí)驗(yàn)中負(fù)載電阻由100Ω突降到50Ω，又由50Ω突增到100Ω。

圖8中，系統(tǒng)在空載時(shí)采用PI電壓環(huán)控制輸出電壓為850 V。起輝開始后瞬間帶等離子體負(fù)載，負(fù)載阻值從無(wú)窮大瞬間減小到幾乎短路狀態(tài)，此時(shí)使得輸出電流迅速達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，所設(shè)計(jì)的控制策略對(duì)起輝瞬間電流尖峰起到了明顯的抑制作用。

圖9中，加重負(fù)載或者減輕負(fù)載時(shí)，電源通過(guò)改變前級(jí)DC/DC變換器開關(guān)管的占空比來(lái)穩(wěn)定輸出，快速地跟蹤給定電流，實(shí)現(xiàn)電流恒定輸出。

4 結(jié) 論

本文研究了脈沖磁控濺射電源控制策略，提出了一種將PI控制電壓環(huán)和帶指數(shù)趨近律的滑模變結(jié)構(gòu)電流環(huán)相結(jié)合的復(fù)合控制策略；對(duì)新型控制策略進(jìn)行了仿真分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：該方法具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能，起輝成功率大，非線性負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng)，具有良好的運(yùn)用前景。

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(責(zé)任編輯 周蓓)

The research of control strategy for pulse magnetron sputtering power supply

HUANG Xiping， LIU Yang， SUN Qiang， CHEN Guitao

(Faculty of Automation and Information Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China)

This paper proposed a hybrid control strategy combining the PI control voltage-loop and the sliding mode variable structure control current-loop based on the particularity of plasma load of the pulsed magnetron sputtering power and the control requirements of the output voltage and current. The average state space model of the phase shifting full bridge converter was established. The control method of current-loop based on sliding mode variable structure was studied and designed, and exponential reaching law method was used to weaken chattering. Simulations and experiments indicated that the proposed control method can overcome the possible starter failure and big current volatility under load disturbances, and improve the starter success rate. It also has a strong restraining ability to disturbance of load.

magnetron sputtering power; sliding mode variable structure control; phase-shifted full-bridge; sputtering starter process

1006-4710(2015)04-0443-05

2014-11-26

陜西省工業(yè)攻關(guān)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011K09-05)。

黃西平，女，副教授，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)控制技術(shù)及開關(guān)電源等。E-mail：huangxp@xaut.edu.cn。

TP273+

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