离子溅射用高频PWM电源及其控制系统设计
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摘要
为了使物体表面获得更良好的特性，长期以来人们不断地进行技术改进，在保持整体材料性能不受影响的前提下，改进表面和表面附近的性能。等离子溅射技术处理是一种改进物质表面性能的十分有前途的方法。
孪生溅射靶是利用此技术所开发的高新技术项目。它采用了先进的制造工艺，在原有设备的基础上极大地提高了化合物镀层的性能和处理的效率，与以往的工艺相比具有许多优点。目前德国和美国已经研制和开发出这项技术，在我国该技术尚处起步阶段。所以该项目有十分广阔的开发前景。
本论文针对高新技术项目—孪生溅射靶开发研制的一套高频放电电源及其控制系统进行了详细的论述。溅射技术广泛的应用于真空镀膜中，以孪生溅射靶作为真空镀膜机中的电极（被镀物质），是镀膜生产中的一种新工艺。它不仅可以提高镀层的性能，而且还能大大提高镀膜的速度。孪生溅射靶的应用为镀膜技术开辟了一个广泛的发展天地。
孪生溅射靶的工作过程十分复杂。从控制角度讲，它属于非线性的、时变的、数学模型未知的负载。本论文对其负载特性做了详细的研究并结合其实际运行情况给出了解决方案。系统以新型16位单片机80C196KC为控制核心，结合外围的控制电路，采用PWM软开关变换技术和PID控制技术，实现系统的电压和电流双闭环反馈控制。本论文对系统硬件的设计作了详细的论述，并给出了系统软件的设计思想和主要部分的流程以及系统各主要工作点的波形。其中重点论述了PWM逆变控制装置的实现，系统中干扰的抑制和消除措施以及高频PWM放电电源设计和调试中的若干实际问题。论文
的最后还对系统的改进提出了建议。
从实验室和现场运行的情况来看，本系统满足了设计技术要求，与国外同类产品相比成本有大幅度降低。
In order to make the object exterior to obtain the higher performance, the technology innovation had been constantly proceeded to improve the exterior performance for a long time, base on keeping the whole material performance no change. Ion sputtering technology is a promising way to improve the object exterior performance.
TwinMag which uses the Ion sputtering technology is a high technology project. It adopts the advanced manufacturing craft, which extremely improves the performance and handle efficiency of the compound coat base on the original equipment. TwinMag has many merits compared with the former craft. Now the technology had been explored by the American and Germany, but the first step in my country. So it has the very wide exploration prospect.
This paper describes the high frequency power supply and it’s control system that is developed for the high technology TwinMag(Twin Manetron). The sputtering technology comes into the art of vacuum coating widely. It is a new technology not only improves the performance of coat, but also raises the efficiency of coating. The application of TwinMag opens up a widest field for the coating technology.
The working process of TwinMag is very complex. In terms of cybernetics TwinMag is a non-linear, time-dependant load whose mathematics model is unknown. This paper acquires the blue print on the basis of studying the load characteristics and practical operating condition. The new 16-Bit single microprocessor chip as the core of the control system with other control circuits achieves
the feedback control of voltage and current in the control system by adopting the technology of direct current PWM soft－switch converter and PID control. This paper details the design and the debugging procedure of the hardware and software, and explains the main idea and flow charts of the software and several important wave’s shape of the hardware. The implement of interference suppression and some problems in design and debugging of high frequency power supply are discussed in detail in this paper. Finally some suggestions about how to improve the system are given in this paper.
The result of lab simulation and practical operating reveals that the power supply and it’s control system fulfills technology requirement, as well as the cost of this device largely descends than the foreign congeneric product.
孪生溅射靶是利用此技术所开发的高新技术项目。它采用了先进的制造工艺，在原有设备的基础上极大地提高了化合物镀层的性能和处理的效率，与以往的工艺相比具有许多优点。目前德国和美国已经研制和开发出这项技术，在我国该技术尚处起步阶段。所以该项目有十分广阔的开发前景。
本论文针对高新技术项目—孪生溅射靶开发研制的一套高频放电电源及其控制系统进行了详细的论述。溅射技术广泛的应用于真空镀膜中，以孪生溅射靶作为真空镀膜机中的电极（被镀物质），是镀膜生产中的一种新工艺。它不仅可以提高镀层的性能，而且还能大大提高镀膜的速度。孪生溅射靶的应用为镀膜技术开辟了一个广泛的发展天地。
孪生溅射靶的工作过程十分复杂。从控制角度讲，它属于非线性的、时变的、数学模型未知的负载。本论文对其负载特性做了详细的研究并结合其实际运行情况给出了解决方案。系统以新型16位单片机80C196KC为控制核心，结合外围的控制电路，采用PWM软开关变换技术和PID控制技术，实现系统的电压和电流双闭环反馈控制。本论文对系统硬件的设计作了详细的论述，并给出了系统软件的设计思想和主要部分的流程以及系统各主要工作点的波形。其中重点论述了PWM逆变控制装置的实现，系统中干扰的抑制和消除措施以及高频PWM放电电源设计和调试中的若干实际问题。论文
的最后还对系统的改进提出了建议。
从实验室和现场运行的情况来看，本系统满足了设计技术要求，与国外同类产品相比成本有大幅度降低。
In order to make the object exterior to obtain the higher performance, the technology innovation had been constantly proceeded to improve the exterior performance for a long time, base on keeping the whole material performance no change. Ion sputtering technology is a promising way to improve the object exterior performance.
TwinMag which uses the Ion sputtering technology is a high technology project. It adopts the advanced manufacturing craft, which extremely improves the performance and handle efficiency of the compound coat base on the original equipment. TwinMag has many merits compared with the former craft. Now the technology had been explored by the American and Germany, but the first step in my country. So it has the very wide exploration prospect.
This paper describes the high frequency power supply and it’s control system that is developed for the high technology TwinMag(Twin Manetron). The sputtering technology comes into the art of vacuum coating widely. It is a new technology not only improves the performance of coat, but also raises the efficiency of coating. The application of TwinMag opens up a widest field for the coating technology.
The working process of TwinMag is very complex. In terms of cybernetics TwinMag is a non-linear, time-dependant load whose mathematics model is unknown. This paper acquires the blue print on the basis of studying the load characteristics and practical operating condition. The new 16-Bit single microprocessor chip as the core of the control system with other control circuits achieves
the feedback control of voltage and current in the control system by adopting the technology of direct current PWM soft－switch converter and PID control. This paper details the design and the debugging procedure of the hardware and software, and explains the main idea and flow charts of the software and several important wave’s shape of the hardware. The implement of interference suppression and some problems in design and debugging of high frequency power supply are discussed in detail in this paper. Finally some suggestions about how to improve the system are given in this paper.
The result of lab simulation and practical operating reveals that the power supply and it’s control system fulfills technology requirement, as well as the cost of this device largely descends than the foreign congeneric product.
引文
杨津基. 气体放电. 北京: 科学出版社, 1983. 10. 125-347
董骐, 范敏殿. 非平衡磁控溅射及其应用. 真空科学技术, 1991, 16(1): 51-57
李云奇. 真空镀膜技术与设备. 东北工学院出版社, 1989. 80-131
冯允平. 高电压技术中的气体放电及其应. 水利电力出版社, 1989. 95-101
T.S.SUDARSHAN著, 范玉殿等译. 表面改性技术工程师指南. 北京: 清华大学出版社. 1992. 264-385
黄俊主编. 半导体变流技术. 机械工业出版社, 1980.7. 24-156
杨竟衡. 电气传动技术的发展趋势, 电气自动化, 1990.1. 45-77
Bose. Power Electronics and Motion Control-technology Status and Recent Trends, IEEE Trans. Industry Application, 1993.29(5): 25-138
王新生,王国桂. 交流直流伺服系统的发展与新控制技术应用. 电气传动自动化, 1996.18. 35-132
阮新波,严仰光. 脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关技术. 北京: 科学出版社, 1999. 24-130
张占松,蔡宣三. 开关电源的原理与设计. 北京: 电子工业出版社, 1999. 23-121
秦继荣, 沈安俊. 现代直流伺服控制技术及其系统设计. 北京: 机械工业出版社,1993. 33-176
张为左,白继彬. 电力电子技术发展新动向. 电力电子技术, 1996.4 33-89
Bimal K.Bose. Recent Advances in Power Electronics, IEEE Transactions on Power Electronics. 1992.1 36-44
瞿文龙,李发海,曹立宇等. 一种大功率晶体管的快速保护方法及其响应时间研究. 清华大学学报(自然科学报)电类, 1993,1: 44-46
瞿文龙,刘可等. 一种大容量IGBT的驱动和快速保护法. 清华大学学报, 1996.36: 94-99.
张青,康勇,陈坚. IGBT驱动模块EXB841剖析. 电气传动, 1994,1: 40-45
李克祥. 一种应用于80C196KB单片机控制伺服系统的数字测速方法, 电子技术应用, 1996.11: 33-36
满勇奎, 韩安荣, 吴成东. 通用变频器及其应用. 北京: 机械工业出版社, 1996.5. 86-135
何立民. MCS-51 系列单片机应用系统设计. 北京: 北京航天航空大学出版社. 1990.1. 54-112.
孙涵芳: Intel16位单片机. 北京: 北京航天航空大学出版社, 1996. 1-256
尤一鸣,傅景义,王俊省等编著: 单片机总线扩展技术. 北京: 北京航空航天大学出版社, 1993.11. 23-156
何为民. 低功耗单片机微机系统设计. 北京: 北京航空航天大学出版社, 1994,4. 33-134
张健华. 一种基于闭环响应的加权PID参数自整定方法. 自动化与仪器仪表, 1997.1: 24-28
韩曾晋. 自适应控制. 北京: 清华大学出版社, 1995. 24-134
陈伯时. 自动控制系统. 北京: 机械工业出版社, 1988. 1-273
苏彦民,李郁,吴旭等. 一种通用的全数字化晶闸管交流装置控制器. 电气传动自动化, 1995.3: 67-71
张字桐,宋高升. 电压型逆变器开环的不稳定性及其改善方法. 电子传动自动化, 1996.11: 78-86
宋文南,刘宝仁. 电力系统谐波分析. 北京: 中国电力出版社, 1995.11. 15-52, 130-145
赵荣林. 抑制谐波干扰的技术措施. 电气时代, 1998.9: 30-31.
Holtz J and Springob L. Reduced Homanonics PWM Controled Line-side Converter for Electric Drives. IEEE Trans. on IA, 1993, 4: 814-819.
苏开才,毛宗源. 现代功率电子技术. 北京: 国防工业出版社, 1995. 45-89
李旭春,林治强,常越,穆科明. 孪生靶溅射镀膜用高频PWM电源. 上海: 全国薄膜学术讨论会论文集, 1999: 267-271
王晓维,张学朋. 单片机及自组织模糊控制在可控硅磁控溅射靶极电源中的应用. 真空, 1998.1: 24-28
董骐, 范敏殿. 非平衡磁控溅射及其应用. 真空科学技术, 1991, 16(1): 51-57
李云奇. 真空镀膜技术与设备. 东北工学院出版社, 1989. 80-131
冯允平. 高电压技术中的气体放电及其应. 水利电力出版社, 1989. 95-101
T.S.SUDARSHAN著, 范玉殿等译. 表面改性技术工程师指南. 北京: 清华大学出版社. 1992. 264-385
黄俊主编. 半导体变流技术. 机械工业出版社, 1980.7. 24-156
杨竟衡. 电气传动技术的发展趋势, 电气自动化, 1990.1. 45-77
Bose. Power Electronics and Motion Control-technology Status and Recent Trends, IEEE Trans. Industry Application, 1993.29(5): 25-138
王新生,王国桂. 交流直流伺服系统的发展与新控制技术应用. 电气传动自动化, 1996.18. 35-132
阮新波,严仰光. 脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关技术. 北京: 科学出版社, 1999. 24-130
张占松,蔡宣三. 开关电源的原理与设计. 北京: 电子工业出版社, 1999. 23-121
秦继荣, 沈安俊. 现代直流伺服控制技术及其系统设计. 北京: 机械工业出版社,1993. 33-176
张为左,白继彬. 电力电子技术发展新动向. 电力电子技术, 1996.4 33-89
Bimal K.Bose. Recent Advances in Power Electronics, IEEE Transactions on Power Electronics. 1992.1 36-44
瞿文龙,李发海,曹立宇等. 一种大功率晶体管的快速保护方法及其响应时间研究. 清华大学学报(自然科学报)电类, 1993,1: 44-46
瞿文龙,刘可等. 一种大容量IGBT的驱动和快速保护法. 清华大学学报, 1996.36: 94-99.
张青,康勇,陈坚. IGBT驱动模块EXB841剖析. 电气传动, 1994,1: 40-45
李克祥. 一种应用于80C196KB单片机控制伺服系统的数字测速方法, 电子技术应用, 1996.11: 33-36
满勇奎, 韩安荣, 吴成东. 通用变频器及其应用. 北京: 机械工业出版社, 1996.5. 86-135
何立民. MCS-51 系列单片机应用系统设计. 北京: 北京航天航空大学出版社. 1990.1. 54-112.
孙涵芳: Intel16位单片机. 北京: 北京航天航空大学出版社, 1996. 1-256
尤一鸣,傅景义,王俊省等编著: 单片机总线扩展技术. 北京: 北京航空航天大学出版社, 1993.11. 23-156
何为民. 低功耗单片机微机系统设计. 北京: 北京航空航天大学出版社, 1994,4. 33-134
张健华. 一种基于闭环响应的加权PID参数自整定方法. 自动化与仪器仪表, 1997.1: 24-28
韩曾晋. 自适应控制. 北京: 清华大学出版社, 1995. 24-134
陈伯时. 自动控制系统. 北京: 机械工业出版社, 1988. 1-273
苏彦民,李郁,吴旭等. 一种通用的全数字化晶闸管交流装置控制器. 电气传动自动化, 1995.3: 67-71
张字桐,宋高升. 电压型逆变器开环的不稳定性及其改善方法. 电子传动自动化, 1996.11: 78-86
宋文南,刘宝仁. 电力系统谐波分析. 北京: 中国电力出版社, 1995.11. 15-52, 130-145
赵荣林. 抑制谐波干扰的技术措施. 电气时代, 1998.9: 30-31.
Holtz J and Springob L. Reduced Homanonics PWM Controled Line-side Converter for Electric Drives. IEEE Trans. on IA, 1993, 4: 814-819.
苏开才,毛宗源. 现代功率电子技术. 北京: 国防工业出版社, 1995. 45-89
李旭春,林治强,常越,穆科明. 孪生靶溅射镀膜用高频PWM电源. 上海: 全国薄膜学术讨论会论文集, 1999: 267-271
王晓维,张学朋. 单片机及自组织模糊控制在可控硅磁控溅射靶极电源中的应用. 真空, 1998.1: 24-28