黃西平， 劉洋， 孫強， 陳桂濤

(西安理工大學 自動化與信息工程學院,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， 陳桂濤

(西安理工大學 自動化與信息工程學院,陜西 西安 710048)

基于脈沖磁控濺射電源等離子體負載的特殊性及鍍膜過程對輸出電壓電流的控制需求，提出了一種PI控制電壓環(huán)與滑模變結構控制電流環(huán)相結合的復合控制策略。文中建立了移相全橋變換器的平均狀態(tài)空間模型，重點對滑模變結構電流控制方法進行了分析與設計，采用指數趨近律法削弱抖振，并對影響性能的參數進行了研究。仿真和實驗結果表明：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、負載擾動下電流波動大等缺點，提高了起輝成功率，并且對負載擾動具有很強的抑制能力。

磁控濺射電源； 滑模變結構控制； 移相全橋； 起輝過程

磁控濺射技術以其濺射沉積率高、膜層附著力好、致密度高等優(yōu)點，廣泛應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生一個恒定的等離子體,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載，電壓突降，電流呈指數上升[1]，此時電流控制不住就會引起大弧產生,使電源進入保護狀態(tài)，造成起輝過程失敗，為保證電源安全可靠起輝，電源需具有快速無超調的恒流特性；為了生成高質量的膜層，電源需保證在工藝環(huán)境和負載變化的情況下具有良好的穩(wěn)流特性。

目前對磁控濺射的濺射材料、濺射工藝和鍍膜系統(tǒng)研究較多，而對于磁控濺射電源控制策略的研究甚少。文獻[2]提出了一種變速積分和重復控制復合的控制方法用于直流磁控濺射電源來提高系統(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載為等離子體負載，對外呈現(xiàn)阻容性且阻性占主導成分，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載特性及控制需求上具有很多相似性。在對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[3]對電源采用電流電壓雙PI環(huán)切換控制，在弧焊電源中會存在空載到負載的來回切換，使得雙PI環(huán)切換控制的切換點設置比較困難。文獻[4]提出了基于SMC(Sliding Mode Control)的電壓環(huán)和基于PI的電流環(huán)相結合的綜合控制方式，解決了切割電源中電壓超調與快速電壓響應的矛盾問題。

基于此，本文提出了一種將PI控制電壓環(huán)與帶指數趨近律的滑模變結構控制電流環(huán)相結合的復合控制策略。這種控制策略可以迅速建立起輝電壓，保證鍍膜時的恒流特性，且具有響應速度快、超調小、對擾動不敏感等優(yōu)點，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撲如圖1所示，為一臺6 kW脈沖磁控濺射電源樣機，其中前級高頻變換器部分采用移相全橋變換器，后級高頻脈沖變換器部分采用開環(huán)控制為不同工況實現(xiàn)直流、單極性脈沖、雙極性脈沖三種輸出[5]。

移相全橋DC/DC變換器實現(xiàn)能量的控制，在工藝中為等離子體負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。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，樣機試驗中檢測電感電流上升到0.6 A，電源切換到電流環(huán)模式，電路通過滑模變結構閉環(huán)控制快速輸出穩(wěn)定的連續(xù)可調的電流，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構控制

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)采用滑模變結構控制，能夠在電流迅速上升的同時形成快速無超調的穩(wěn)流，并在鍍膜過程中負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電壓控制的需求，用PI控制電壓的方法在許多文獻中都有提及，本文不再贅述。

對于滑模變結構控制，由于狀態(tài)軌跡到達滑模面后，很難嚴格按照滑模面向著平衡點滑動，而在滑模面兩側來回穿越就會產生抖振，影響系統(tǒng)品質。因此，為了削弱抖振，本文采用指數趨近律的方法來削弱抖振，從而改善系統(tǒng)動態(tài)品質[6]，進而實現(xiàn)調節(jié)時間短、無超調的良好動態(tài)性能。

2.1 滑模變結構控制基本原理

滑模變結構控制與其它控制的不同之處在于系統(tǒng)的“結構”并不固定，而是可以根據系統(tǒng)當前的狀態(tài)有目的的不斷變化，迫使系統(tǒng)按照預定的“滑動模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運動。由于滑動模態(tài)可以進行設計且與對象參數及擾動無關，這就使得滑模變結構控制具有快速響應、對參數變化及擾動不靈敏、物理實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。

2.2 移相全橋DC/DC變換器的滑模變結構控制

滑?？刂破髟O計的第一步是根據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：①所有元器件均為理想器件；②考慮到阻容性負載建模復雜，而等離子體負載中阻性占主導成分，因此只考慮阻性負載。

圖1中，當開關管S1、S4或S2、S3同時導通時，其等效電路如圖3(a)所示；當開關管S1、S4或S2、S3不同時導通時，其等效電路如圖3(b)所示。

根據狀態(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為時間。

本文的切換函數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。

則：

(3)

對于此系統(tǒng)，適宜使用常規(guī)的滑模控制律，它采用如下開關函數，即：

(4)

(5)

可得出存在條件：

(6)

由式(6)可以看出，k是一個相對較大的正數，應合理選擇k值以滿足滑模面存在條件。傳統(tǒng)的SMC一般通過滯環(huán)控制來實現(xiàn)，但基于滯環(huán)調制SMC的電力電子變換器開關頻率不固定，尤其在輸入電壓和輸出負載變化時，開關頻率會出現(xiàn)劇烈變化，使變換器濾波器的設計難度加大，因此需采用脈沖寬度調制法固定開關頻率。

滑?？刂破髟O計的第二步是控制律的選擇，而采用PWM定頻時，需要對滑?？刂坡蛇M行間接變換，從而用脈沖寬度調制代替滯環(huán)調制。

(7)

式(7)為等效滑?？刂坡?。

(8)

然而在實際應用中，理想的滑?？刂剖遣淮嬖诘?，由于執(zhí)行機構存在一定的延遲或慣性，導致在狀態(tài)滑動時總伴有抖振產生。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網絡理論結合法等。連續(xù)化法通過將理想sgn(S)(繼電切換函數)變?yōu)閟at(S)(飽和型特性函數)來減小抖振，但同時也削弱了魯棒性，而其他控制結合法設計復雜 ，因此常用趨近率法。指數趨近律具有在遠離滑模面時快速趨近，靠近滑模面時小速度趨近的優(yōu)點，在滑?？刂浦械玫搅藦V泛應用。

指數趨近律為：

(9)

式中，ξ、δ為待定系數。

結合(3)和(9)可得：

(10)

則可計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削弱抖振，應在增大δ的同時減小ξ。輸出電流環(huán)SMC控制結構圖如圖4所示。

3 仿真及實驗結果分析

3.1 控制策略仿真結果分析

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

本文針對6 kW脈沖磁控濺射電源樣機進行了仿真和實驗研究，起輝電壓700～850 V，輸出電流0～10 A連續(xù)可調，本文取k=10 000，ξ=0.01，δ=200。分別在起輝過程、給定突變和負載擾動3種情況下，對比分析動態(tài)響應性能。

1) 用仿真軟件模擬起輝過程。在4 ms時將電源從空載PI電壓環(huán)切換到帶載SMC電流環(huán)來進行仿真實驗(見圖5)。

從圖5可以看出，在起輝過程中，采用滑模變結構控制，能夠更快速、穩(wěn)定、無超調的控制電流，使起輝過程更加安全可靠。

2) 對給定電流突變進行仿真分析。4 ms時對給定電流由10 A到8 A突變進行仿真(見圖6)。從圖6可以看出，采用滑模變結構控制，具有調節(jié)時間短、穩(wěn)態(tài)精度高的優(yōu)點。

3) 對負載突變進行仿真分析。4 ms時對負載電阻100Ω到50Ω突變進行仿真(見圖7)。

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

3.2 控制策略實驗結果分析

在6 kW磁控濺射電源樣機上對提出的控制策略進行驗證，磁控濺射的濺射起輝過程如圖8所示。

圖9給出了負載變化時的電源輸出波形，實驗中負載電阻由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載，負載阻值從無窮大瞬間減小到幾乎短路狀態(tài)，此時使得輸出電流迅速達到穩(wěn)態(tài)值，所設計的控制策略對起輝瞬間電流尖峰起到了明顯的抑制作用。

圖9中，加重負載或者減輕負載時，電源通過改變前級DC/DC變換器開關管的占空比來穩(wěn)定輸出，快速地跟蹤給定電流，實現(xiàn)電流恒定輸出。

4 結 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)和帶指數趨近律的滑模變結構電流環(huán)相結合的復合控制策略；對新型控制策略進行了仿真分析和實驗驗證。結果表明：該方法具有優(yōu)異的動態(tài)性能，起輝成功率大，非線性負載適應能力強，具有良好的運用前景。

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(責任編輯 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)攻關研究發(fā)展計劃資助項目(2011K09-05)。

黃西平，女，副教授，研究方向為先進控制技術及開關電源等。E-mail：huangxp@xaut.edu.cn。

TP273+

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