（测试计量技术及仪器专业论文）脉冲电弧离子源自动控制系统研制.pdf

脉冲电弧离子源自动控制系统研制 学科：测试计量技术及仪器 研究生签字： 滋亚末 指导教师签字：羹叼专力 摘要 脉冲真空电弧离子镀膜技术因其不易形成液滴，具有高离化率、高离子能 量、高生产效率等优点，日益得到普遍重视及应用。目前脉冲电弧离子源自动 控制系统的研究与开发在国内尚属首次，课题以研究脉冲真空电弧离子源为基 础，着重基于p l c 来对脉冲电弧离子源自动控制系统进行研制。 脉冲电弧离子镀是把真空电弧放电用于电弧蒸发源的镀膜技术，采用辅助 触发电极法，即在阴极与阳极构成的主回路之间加入了引燃极、起弧1 、起弧 2 三级辅助电极，使他们之间产生级联放电，形成等离子体，并最终引发阴极 与阳极的主回路放电，形成镀膜的目的。课题采用单相和三相电压，电流变换器 为控制系统提供稳定的交流电流源，并通过升压和整流电路为以上四个回路的 放电电容进行充电。设计中采用可编程控制器p l c 来实现镀膜频率控制和回路 电压控制，满足了不同工艺和不同阴极材料对放电电压要求；同时，为了避免 由于控制电路出现故障而引起回路电压过大的现象，加入了过压保护电路，由 p l c 实时采集变换器的输出电压，当输出电压增大到设定上限值，p l c 将启动 保护电路自动切断变换器的输入电源，从而有效地提高了设备运行的安全性。 在引弧回路的设计中，课题采用了两级电容充电和双脉冲触发的引弧方式，由 p l c 程序设计镀膜周期，间隔1 0 m s 先后送出2 路高电平脉冲提供引弧触发， 满足了镀膜工艺精确性、可重复性要求，有效的防止了停弧和拉弧现象，使设 备的运行更为稳定。 将p l c 应用于脉冲电弧离子源控制，极大地提高了系统的可靠性和抗干扰 能力，同时也增强了镀膜工艺的精度，很好的提升了所镀膜的质量。实验表明， 该脉冲电弧离子源自动控制系统可将引弧回路的电压控制在8 0 0 v ：起弧1 回 路的电压控制在0 6 0 0 v 可调；起弧2 回路的电压控制在0 - 6 2 5 v 可调；主回 路电压控制在0 - 5 0 0 v 可调；放电频率为1 - 5 0 h z 可调；放电脉冲计数误差小 于5 ，各项参数均达到设计要求。 关键词：脉冲电弧；离子源；p l c ；自动控制系统 r e s e a r c ho nt h es e l f - c o n t r o ls y s t e mo ft h e p u l s e da r ci o ns o u r c e d i s c i p l i n e ：t e s t m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n d i n s t r u m e n t s t u d e ms i g n a t u r e ：5ie nx 1 nf f s u p e r v i s o rs i g n a t u r c ：h 叫9 厶j 吗 a b s t r a c t t h ep u l s e dv a c u u ma r cd e p o s i t i o n ( p v a d ) h a sb e i n gs t u d i e da n da p p l i e d w i d e l yi nr e c e n ty e a r s ，w h i c hi sc h a r a c t e r e dw i t hn ol i q u i dp a r t i d e ，h i g hi o n i z a t i o n ， h i g hi o ne n e r g ya n dh i g hp r o d u c t i v i t y , b u ti t ss e l f - c o n t r o ls y s t e mi ss t u d i e dr a r e l yi n d o m e s t i c i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i co fs t u d y i n gt h es o u r o e ，t h es e l f - c o n t r o ls y s t e m i sd e s i g n e du s i n gp l c t h ep u l s e da r ci o nt e c h n i q u ei sak i n do ft e c h n i g u et h a tu s e st h ev a c u u ma r c d i s c h a r g e ，t h ew o r k i n gp r i n c i p a lo ft h ep u l s e da r ci o ns o u r c ei sak i n do fc a t h o d e d i s c h a r g e t h es t a r t i n ga r cw h i c hl i e sb e t w e e n c a t h o d ea n da n o d ei nt h em a j o rl o o p ， i g n i t i o n1a n di g n i t i o n2d i s c h a r g e ss e p a r a t e l y , i nt h i sp r o c e s s ，t h ep l a s m ai s p r o d u c e da n dd r i v e st h em a j o rl o o pt od i s c h a r g ef i n a l l y t od ot h i s ，as i n g l e - p h a s e a n dat h r e e p h r a s el - ca l t e m a t i n g - c a r r e n tc o n v e r t e ri su s e df i r s t l yt os u p p l yt h e s t a b l ea l t e r n a t i n gc u r r e n ts o u r c ef o rt h ec o n t r o ls y s t e m ，t h e nt h ec h a r g i n gc a p a c i t o r s o ft h ef o u rl o o p s ，w h i c ha r er e f e r r e da b o v e ，a r ec h a r g e dt h r o u g hb o o s t e dc i r c u i t sa n d r e c t i f i e dc i r c u i t s d i f f e r e n tt e c h n o l o g l e sa n dc a t h o d em a t e r i a l sn e e dd i f f e r e n t c h a r g i n gv o l t a g e s ，p l ci su s e dt oc o n t r o lt h ef d mf r e q u e n c ya n dl o o pv o l t a g et o m c c tt h i sr e q u i r e m e n t ，t h ep r o t e c t i v ec i r c u i ti sd e s i g n e dt op r e v e n tt h eo v e rv o l t a g e t h ec u r r e n tt r a n s f o r m e r so u t p u tv o l t a g ew a sc o l l e c t e db yp l c ，w h e ni t sr i s et oa h i 曲e s tl i m i t e dl i n e ，p l cw i l l s t a r tt h ep r o t e c t i o nc u r r e n ta n dc u t - o f ft h e t r a n s f o r m e r si n p u tc u r r e n ta u t o m a t i c a l l y i nt h ei g n i t i o na r cl o o p ，t w oc h a r g i n g c i r c u i t sa n dd o u b l et r i g g e ra r eu s e d ，t h ep l c p r o g r a md e s i g n st h ef i l mc y c l e ，w h i c h s e n d st w op o s i t i v ep u l s e ss e p a r a t e l ye v e r yl o m s ，u s e da st h ei g n i t i o nt r i g g e r , t h e p r o c e s sp r e c i s i o na n di t sr e p e a t a b l ec h a r a c t e r sw e r es a t i s f i e d t h i sc a r la v o i df a i l u r e d i s c h a r g ea n ds t r e t c h i n gd i s c h a r g e ，t h u st h e i o ns o u r c ew o r k sm o r es t a b l y w i t ht h ea p p l yo fp l ct ot h ec o n t r o lo ft h e p u l s e da r c i o ns o u r c e ，t h er e l i a b i l i t y o fs y s t e m ，a n t i - d i s t u r b a n c ec h a r a c t e r s ，a sw e l la si t sf i l mp r o c e s sp r e c i s i o n ，w e r e i m p r o v e da sar e s u l t ，t h ef i l m sq u a l i t yi n c r e a s e sm u c hm o r eb e t t e r t h ee x p e r i m e n t r e s u l t ss h o wt h a t ，t h ei g n i t i o nv o l t a g ec a nb ec h a r g e dt o8 0 0 v , t h e v o l t a g eo f i g n i t i o n1c a nb er e g u l a t e df r o m0 vt o6 0 0 v , i g n i t i o n2c a nb er e g u l a t e df r o mo vt o 6 2 5 v , m a j o rl o o pv o l t a g ec a nb er e g u l a t e df r o m0 vt o5 0 0 v , t h ed i s c h a r g i n g f r e q u e n c yc a nb er e g u l a t e df r o m1t o5 0 h z ，t h ec o u n t i n ge r r o ro fp u l s ei sl e s st h a n 5 ，a l la b o v ep a r a m e t e r sm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：p u l s e da r c ；i o nd e p o s i t i o n ；p l c ；s e l f - c o n t r o ls y s t e m 1 绪论 1 1 课题研究的意义和发展现状 真空电弧离子镀是把真空电弧放电用于电弧蒸发源的镀膜技术。真空电弧 可被描述为：从负电极上由于其特有的电子发射机理能通过大电流的自持放电 【1 2 】。它作为物理气相沉积的一个重要分支，近年来在涂层刀具、机械零件表 面硬化、仿金装饰以及材料表面改性领域等得到了迅速发展和广泛应用，并逐 步向非晶硅薄膜、透明导电膜及类金刚石膜等领域渗透1 3 1 。 真空电弧放电，实际上是一系列的电弧事件。由于其快速地连续发生，以 至于给人运动电弧的印象。工作中，参与放电的导电介质是由高度离化的阴极 材料组成，这是从阴极斑点中强烈的金属蒸气发射所产生，非常高的功率密度 ( 达到1 0 1 1 w m 2 ) 形成小的熔池。每个阴极斑点产生高速的阴极材料喷射。离 子流相当于总的弧电流的7 1 0 ，蒸发材料具有高的离化率( 1 0 1 0 0 ) ，具 有动能范围( 2 0 1 0 0 e v ) 【4 5 】。在薄膜沉积过程中高的离化率是非常有利的， 因为许多离子辅助沉积的优点可以实现，特别是离子能量处在这个范围内，所 镀膜层具有很好的沉积均匀性【引。真空电弧离子镀膜的主要优点有：( 1 ) 适于 熔点高的金属镀膜吐( 2 ) 金属粒子的高离化率，最高可达1 0 0 t a 、9 】；( 3 ) 对 金属、合金及化合物有较高的沉积速率和良好的膜层均匀性：( 4 ) 在很宽的工 艺条件下沉积高品质膜。例如，在宽范围的反应气压和蒸气速度下，可得到增 强的结合力和密度的具有固定化学成分的反应膜；( 5 ) 利用电弧蒸发源，不需 要坩蜗( 熔池) ，也不需要制造任何辅助电离装置。因此结构简单，操作方便； ( 6 ) 在整个镀膜过程中，电弧蒸发源可以任意放置，也可以根据需要采用多 个电弧源同时工作，多源联合工作，方位任意，有利于形状复杂或体积大的工 件镀制，简化基片运动方式，并达到必要的均匀性1 1 0 】。在各蒸发源上放置不同 的阴极材料，可获得多种成分的膜层；( 7 ) 物理过程易于控制，可在低的基体 温度下沉积，低电压放电，设备维护方便。 但是，在真空电弧离子镀具有高离化率、高离子能量、高生产效率的所谓 “三高”优势的同时，也带来了一些问题。其中最明显的就是液滴污染问题。 阴极靶材在发射大量电子的同时，由于局部区域的严重过热，将导致部分熔化 金属液滴的发射。这些液滴如果混入膜层中，将使镀层附着力、均匀性等机械 性能大大降低【1 1 ”】。由于真空电弧离子镀存在的这种缺点，促使人们去寻求新 的方法。传统的方法主要是从两方面着手【悼1 8 】：一是减少液滴的发射，如采用 西安工业大学硕士学位论文 易散热阴极、磁控阴极等；二是控制液滴的运动而实现过滤，如采用过滤式真 空电弧离子镀方法。还有一种方法是用脉冲真空电弧放电取代连续真空电弧放 电，形成脉冲真空电弧离子镀。这种镀膜方法是二十世纪九十年代初发展起来 的一种真空电弧法，同一般真空电弧离子镀相比，它主要有两点不同：一是电 弧放电采用脉冲式：二是基底不需要加负偏压。从而使它既保留了一般真空电 弧离子镀的优点，又克服了一般真空电弧离子镀影响膜层质量的缺点。脉冲真 空电弧离子镀过程中，其放电是脉冲式的、间断的，在脉冲期间使用大电流， 提供足够的导电粒子，而平均电流又比较小，由于液滴有一个形成的过程，在 液滴未形成之前，脉冲就已经过去，从而大大减小了液滴出现的几率，并取得 了良好的效果【1 9 l 。脉冲真空电弧离子源除了具有较高的离化率外，采用该方法 镀制的薄膜面积较大，对于不同的基片，采用该方法镀制的薄膜具有较好的附 着力，厚度的连续性好、硬度高、电阻率高以及杂质含量低等优点。所有的这 些特征都使此方法在工业上应用具有非常广阔的发展前景 2 0 - “j 。 传统的脉冲电弧离子镀膜机镀膜过程效率不高，特别是在设备运行过程中 需要经常调整或改变系统的运行参数和设备的运行状态时尤为突出；同时，人 工调整会不可避免的带入人的消极影响因素，影响系统运行的稳定性和致 性，对于运行工艺要求比较复杂或设备间连锁关系比较强的场合，甚至会出现 误操作的现象，从而影响系统设备的运行状态，降低其使用效率。随着计算机 技术和自动化技术的迅速发展和应用水平的不断提高，实现镀膜机镀膜过程的 自动化是必然趋势。在以前的工作基础上，进行设计以p l c 为控制主体的脉冲 电弧离子镀膜机镀膜过程。 目前，真空镀膜设备的控制和操作主要依靠继电器控制和人= e 参与，其工 作的自动化程度不高。而且，在这种主要使用继电器的控制方式中，存在以下 问题1 4 9 j ：( 1 ) 、继电器接线复杂，触点数量有限：( 2 ) 、可维护性差，一旦继电器 的触点接触不良等原因引起设备故障时，故障原因很难排查：( 3 ) 、人工参与较 多，工艺的重复性不好；同时，在离子源控制系统中，晶闸管的门极触发信号、 电压比较功能、保护电路实现等均由电子电路来实现，由于电子元件和电路走 线空间的限制，频率的调节范围和调节精度受到一定的限制，当需要改变触发 频率时，需将电路中的相关元器件作相应的更换或调节，这对一般的操作人员 来说是较为困难的。因此如果能够进一步提高镀膜过程的自动化程度，以上所 面临的问题将会得到很大的改善。 随着微电子技术和计算机技术的发展，采用以可编程程序控制器( p l c ) 为主的微机自动控制系统已广泛应用于机械、冶金、化工、交通、电力等领域 中。可编程控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) 是以微处理机为基础，综合了计 2 西安工业大学硕士学位论文 算机技术、自动控制技术和通信技术等现代科技而发展起来的一种新型工业自 动控制装置，是将计算机技术应用于工业控制领域的新产品。早期的可编程控 制器主要用来代替继电器实现逻辑控制，因此称为可编程逻辑控制器 ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，简称p l c ，随着技术的发展，现代可编程 控制器的功能已经超过了逻辑控制的范围1 4 9 1 。 p l c 从诞生至今，仅有3 0 年的历史，但是得到了异常迅猛的发展，现已 成为现代工业控制的三大支柱( p l c 、机器人和o v c a m ) 之一，它的主要 特点有：( 1 ) 、可靠性高，由于p l c 采用了良好的综合设计，选用优质元器件， 采用隔离、滤波、屏蔽等抗干扰技术，采用先进的电源技术，采用实时监控和 故障诊断技术，因此它的环境适应性强，能在较为恶劣的环境下可靠的工作； ( z ) 、编程简单，p l c 最常用的编程语言是梯形图语言，梯形图与继电器原理图 相类似，这种编程语言形象直观，不需要专门的计算机知识。当工艺流程需要 改变时，可以现场改变程序，使用方便、灵活；( 3 ) 、体积小、结构紧凑、安装 维护方便。p l c 具有自诊断、故障报警、故障种类显示功能，便于操作和维护 人员检查，可以通过更换模块插件迅速排除故障，因此它与被控制对象的硬件 连接方式简单、接线少【3 0 _ 3 ”。根据以上的特点，可以将p l c 控制系统与脉冲 电弧离子镀膜机镀膜过程相结合，提高镀膜过程的自动化程度【艚】。 虽然p l c 的生产厂商很多，但由其构成的控制系统的组成基本相同。一个 完整的p l c 控制系统由硬件( 下位机) 和软件( 显示屏) 两部分构成。硬件是 指p l c 本身及其外围设备，它主要由c p u 、输入输出模块、电源模块、通讯 模块及外围设备等组成。软件是指管理p l c 的系统软件、p l c 的应用程序、 编程语言和编程支持工具软件等。 脉冲真空电弧离子镀膜设备的p l c 控制系统的下位机可以由脉冲离子源、 l - c 电压电流变换电路、变压器变换电路、整流电路、采样电路、晶闸管门极 触发电路、保护电路等系统组成。首先，根据脉冲电弧离子镀膜机镀膜过程要 求，在p l c 中编制出符合现场运行规范的控制程序，进行相应的自动调节和信 息反馈，并根据实际的控制要求给出几个重要参数的控制，如可调基准电压的 输出值、相应电路延迟时间值、镀膜频率值等。设定好这些控制参数后，通过 现场的开关控制装置和相应的模拟量发生电路将现场各种参数经输入接1 3 模 块( 模拟量数字量输入) 传入p l c 的中央处理器和内存中，c p u 将根据已编 制好的控制程序和采样的信号做出相应的反应，并将控制量通过输出接1 3 传入 现场执行装置，进行自动操作。这样就实现了脉冲真空镀膜机镀膜过程与p l c 自动控制系统在硬件上的结合。p l c 控制系统的上位机部分主要包括一个由2 4 个按键组成的控制开关和西门子厂家配套的t d 2 0 0 文本显示器，其主要作用是 西安工业大学硕士学位论文 对系统进行监控，它主要实现系统的监控、管理、动态设置参数等功能。 脉冲电弧离子镀膜机采用基于p l c 的控制系统，将取代传统继电器控制系 统，可以实现脉冲电弧离子镀膜机镀膜过程的自动控制，以此提高镀膜的效率 和性能。 1 2 课题研究的主要任务 脉冲电弧离子源的周期引燃是用高达几百伏到上千伏的峰值电压通过电 极间隙来完成。周期引燃是一个复杂的技术问题，特别是在难熔材料做阴极的 离子源中。为了获得工艺过程的稳定性，确保薄膜镀制的重复性，该离子源的 引燃系统必须满足至少9 5 的周期电弧引燃的可靠性。要成功地触发一个真空 电弧还必须考虑诸多的因素：如电极结构和两电极间的间隙、电极所用的材料、 电极的表面状态、真空间隙周围绝缘材料的存在与否、触发电压和波形等。针 对具体的实验装置而言，主要存在着如下几种触发方式瞄l ：、用脉冲激光法 对阴极表面的微小颗粒施加相当的能量来击穿真空间隙；、在真空间隙间引 入触发电极，通过触发电流来击穿真空间隙；、在电极之间旌加很高的电压 来引发电极电弧；、采用辅助触发电极法，即在真空间隙再附加一对或几对 触发电极，通过电极间的级联放电引发电弧；、用电流脉冲气化导电膜而引 发电弧。在设计中，采用了第4 种方法，即在阴极与阳极之间加入了引燃极、 起弧1 、起弧2 三级辅助电极，使他们之间产生级联放电，并最终引发电弧放 电。 1 - 阳极2 - 起弧极3 绝缘环4 起弧15 起弧26 - 阴极 图1 1 脉冲真空电弧离子源结构示意图 在对真空电弧离子源控制系统研制中，采用的离予源为西安工业学院光电 工程系自行研制的b 型脉冲离子源【矧，b 型脉冲电弧离子源主要由阴极、阳极、 4 西安工业大学硕士学位论文 起弧电极三部分组成( 见图1 1 ) 。阴极由被蒸发的材料制成，脉冲真空电弧离 子源可专门制作一个阳极，也可把真空室或基片夹作阳极。脉冲真空电弧离子 源的工作原理基于冷阴极真空电弧放电，脉冲真空电弧离子源阴极产生的真空 电弧放电使阴极材料蒸发并电离，形成等离子体，这些等离子体一方面在基片 ( 工件) 上形成膜层，另一方面维持电弧放电。冷阴极电弧放电的电子发射机 理主要是场致电子发射，而场致电子发射需要在阴极表面建立很强的电场，因 此，仅靠脉冲真空电弧离子源的阴极和阳极之间的电位差是不够的，需要引弧， 设计中采用了上述所述的第4 种引弧方式，即采用起弧电极，首先在起弧电极 和阴极之间产生小电流电弧放电，产生预电离，离子在阴极表面建立很强的电 场，产生场致电子发射，然后阴极与阳极两个主电极之间加上不很高的电压( 几 十伏到几百伏) ，使气体及蒸汽击穿形成电弧。 脉冲真空电弧离子源的工作过程是一种级联放电过程：当真空室抽真空到 2 1 0 0 p a 左右时，电容器c l 、c 2 、c 3 和c 4 充电，给可控硅接流器一个起弧信 号，在起弧电极与起弧极1 之间的电容c l 产生小电流放电，在阴极与阳极之 间出现导电层，使电容器c 2 、c 3 依次放电，然后电容器c 4 在阴极与阳极之间 放电，随着电容器c 1 储能的释放，当电容器供给的能量不足以维持放电时， 放电就熄灭，起弧信号是脉冲式的，以后的过程不断重复，产生脉冲放电。 基于以上离子源放电的工作原理，若维持离子源正常工作，必须依赖以下 四组回路电压： ( 1 ) 、起弧级与起弧1 之间的回路电压；( 2 ) 、起弧级与起弧2 之间的回路电压；( 3 ) 、起弧级与阴极之间的回路电压；( 4 ) 、主回路电压。因此 课题的总体设计思路就是为以上四组回路提供适当的电压；离子源控制系统总 体设计图基本可以分成两个部分，一部分是电容器充电电路，它包括了上述四 组回路中的( 2 ) 、( 3 ) 、( 4 ) 三组回路；另一部分是控制放电频率的晶闸管控制电路， 主要由上述的( 1 ) 回路构成；同时考虑离予源正常工作时的安全性和经济性，采 用p l c 可编程序控制器进行相关的离子源放电的四组回路电压设计。 1 2 1 本课题所要研制的重点内容 ( 1 ) 镀膜放电频率控制电路 在脉冲电弧离子镀膜过程中，膜层厚度的监控至关重要，它直接关系到所 镀膜层的光学性能、电学性能以及力学性能。针对脉冲离子镀膜的放电机理与 工作特点，对于给定的阴极材料，在主回路电压保持稳定的情况下，单次脉冲 放电所形成的膜层厚度基本不变，因此，可通过对脉冲放电的次数进行计数达 到监控膜厚的目的。 脉冲离子源的工作过程是一种级联放电的过程，其最终目的是要形成主回 5 西安工业大学硕士学位论文 路的放电，以此在阴极材料上形成“阴极斑点”，阴极斑点使阴极材料蒸发并 电离，形成金属等离予体。这些等离子体一方面维持着电弧放电，另一方面在 基片上形成镀层。采用p l c 可编程控制器进行软件程序设计，采用s 7 2 2 6 型 c p u 中的2 4 路输入量中的8 个输入量，每一个对应一个按键开关，使每一个按 键开关调用c p u 里面的一段程序，分别对应8 个放电频率( 1 2 5 h z 的离散型 频率) ，p l c 将2 路间隔9 m s 的宽度为l m s 的高电平脉冲触发信号先后送给起弧 级和起弧级1 回路中的二个晶闸管( 如图1 2 ) ；同时在主回路电路中，采用 l m z j l 0 5 型交流互感器对主回路电流的变化进行采样，将互感器的电流采集 信号送给p l c 的a d ( e m 2 3 5 ) 输入模块，进而由a d 模块送给p l c 的c p u ( s 7 2 2 6 ) ， 由c p u 通过s i m a t i ct d 2 0 0 液晶文本显示器来显示放电次数，也就是显示镀膜 次数，通过对放电次数控制来最终达到有效控制所镀膜厚的目的。离子源自动 控制系统硬件总体结构图如图1 2 所示。系统软件总体结构图如图1 3 所示。 系统控制主程序流程图如图1 4 所示。 图1 2 脉冲真空电弧离子源控制系统硬件整体结构图 ( 2 ) 提供具有一定功率的几组脉冲触发信号 在一个三相l - c 变换器和一个单相l - c 变换电路的基础上，将3 8 0 v 和 6 西安工业大学硕士学位论文 2 2 0 v 的交流电压源变换成稳流电流源，再通过变换器变换电路、整流电路及 采样电路，将变换器的输出电压定时采集输出给p l c 的开关量输入模块，通过 比较，当采样电压增大到设定值上限值，p l c 将通过晶体管型开关量输出模块 送出2 路高速脉冲触发信号，高速脉冲触发信号通过相应的外围电路( 1 路对 应5 路的他激推挽式变换器加一些弱电电路组成) 产生具有一定功率的同频率 高速脉冲信号，由这些脉冲信号送给与变压器原绕组相并联的晶闸管 ( v d i - v d 6 ) ，驱动晶闸管( v d i - v d 6 ) 使这些晶闸管导通，将变压器短路，从 而使电容充电过程结束，达到控制几路回路电压的目的；当离子源工作时电容 器放电，其端电压降到近似为零。为给离子源下次工作做准备，电容又要充电， 此时要求晶闸管触发信号消失，使变压器恢复正常工作。由此可见晶闸管触发 电路就是为晶闸管门极提供间断的触发信号，使变压器周期性工作，由p l c 的程序设计产生几组高速脉冲触发信号给晶闸管，达到设计要求，这样可以大 大提高设备运行精确性，稳定性，和经济性。 图1 3 控制系统软件总体结构图 ( 3 ) 保护电路的研制 正常工作时l - c 变换器的输出电压随负载z f 的变化而变化，当电压达到一 定值后晶闸管导通，负载为零。但是由于外界电磁干扰或控制电路本身出现问 题而使晶闸管没有及时导通时，负载z ，逐渐增大，当z ，趋于无穷( 即变压器空 载) 时，l c 交流变换器就成了串联谐振电路，此时电容电压u 。和电感电压u l 将会很大，一旦出现这种情况将会烧毁电容和电感，使电路无法正常工作。为 了避免这种情况发生，此处加入了保护电路，保护电路将实时采集变换器的输 出电压，当输出电压增大到设定上限值，保护电路自动切断变换器的输入电源， 起到保护作用，保证电路的正常工作。 从l - c 变换器输出端通过整流桥引出采样电压，送给p l c 的直流量a d ( e m 2 3 5 ) 模块，通过p l c 程序设计，进行数据比较分析，当采样电压超过设 定值的上限值时，p l c 送出直流量脉冲信号给继电器控制电路，从而切断主回 路输入电源，同时通过程序编程产生高速脉冲信号来触发与l - c 变换器输出相 7 西安工业大学硕士学位论文 并联的晶闸管( 如图1 2 v d i v d 6 ) ，使其导通，从而为变换器中储能电容提 供放电回路，当电容放电结束，晶闸管关断，整个电路恢复成断电状态，达到 保护电路目的。 图1 4 控制系统主程序流程图 1 2 2 脉冲电弧离子源自动控制系统的组成 基于以上离子源放电的工作原理，若维持离子源正常工作，必须依赖以下 四组回路电压：( 1 ) 、起弧级与起弧1 之间的回路电压：( 2 ) 、起弧级与起弧2 之间的回路电压；( 3 ) 、起弧级与阴极之间的回路电压；( 4 ) 、主回路电压。因 此课题的总体设计思路就是为以上四组回路提供适当的电压，同时考虑离子源 正常工作时的安全性和经济性。基于这种设计理念，形成了离子源自动控制系 统的总体设计图，如图1 2 所示。 离子源控制系统总体设计图基本可以分成两个部分，一部分是电容器充电 电路，它包括了上述四组回路中的( 2 ) 、( 3 ) 、( 4 ) 、三组回路：另一部分是控 制放电频率的晶闸管电路，主要由上述的( 1 ) 回路构成。下面就简要介绍这 两部分的组成情况及它们之间的相互关系。 1 ) 电容器充电电路 这部分电路基本有以下几个部分构成：电压电流变换电路、变压器变换电 路、采样电路、可调基准电压产生电路、电压比较电路、晶闸管控制电路以及 保护电路。 ( 1 ) 电压电流变换电路 电目电流变换电路的作用是为前述的( 2 ) 、( 3 ) 、( 4 ) - - 组回路提供稳定的充电 电流源。 设计中采用的是三相l - c 变换器和单项l - c 变换器，它们的工作原理完全 相同。采用此种变换器的目的是由于这种变换器结构简单，工作可靠，同时可 8 西安工业大学硕士学位论文 有效提高设备运行的经济性。它的主要特点是将电压源转换成稳定电流源，单 相l - c 变换器的结构如图1 5 。 m l l 厂面、 u 8 翻1 5 单项l - c 燹抉器结构不愿图 l - c 变换器可将2 2 0 v 交流电压源转换成i r 基本稳定的交流电流源。当负 载z ，增大时，其两端电压相应增加，同时保持了充电电流的稳流性。这样，和 传统的直接用变压器升压充电的方法相比，其充电时间更快，可使电容在较短 的时间内存储更多的能量。这种变换器的稳流原理及l l 、l 2 、c 的选择将在第 2 章中做出更详细的分析和计算。 ( 2 ) 变压器变换电路、整流电路及采样电路 变压器是根据电磁感应原理制成的电器设备，是一种静止的( 也就是说它 没有运动部分) 电机。它的主要作用是将一种交流电压变换成另一种或几种同 频交流电压。交流2 2 0 v 电压经l - c 交换器变换后，负载z ，上的压降在一定时 间内是有限的，它不能满足离子源各回路对电压的要求，需要升压。将图1 4 中的负载换成变压器，并适当选择变压器的变比和容量，即可使各回路的在一 定时间内达到需要的电压。经变压器变换后的电压仍是交流的，需通过整流电 路将交流电压转换成直流电压对电容器进行充电。此处采用全桥整流电路进行 整流，这种整流电路整流效率高、脉动系数小，可以充分满足设计的要求。电 容在充电过程中，其端电压u c 是按指数形式增加的。为了监控电容电压的变化， 引入了采样电路，通过采样电路和后续控制电路可以严格的控制电容器的充电 电压，以满足不同的镀膜工艺要求。 ( 3 ) 晶闸管门极触发电路 由前所述，当电容电压达到工艺要求的设定电压时，比较器的输出状态就 会发生变化，利用这个变化的信号启动晶闸管触发电路，使与变压器原绕组相 并联的晶闸管v d l v d 4 ，v d 5 v d 6 导通( 见图1 3 ) ，将变压器短路，从而使电 容充电过程结束。当离子源工作时电容器放电，其端电压降到近似为零。为给 离子源下次工作做准备，电容又要充电，此时要求晶闸管触发信号消失，使变 压器恢复正常工作。由此可见晶闸管触发电路就是为晶闸管门极提供间断的触 9 西安工业大学硕士学位论文 发信号，使变压器周期性工作，这样可以大大提高设备运行的经济性。 ( 4 ) 保护电路 要使l - c 变换器成为稳流源，则图1 4 中的电感l l 和电容c 满足串联谐 振条件，即。0 2 l i c = 1 。在图1 4 中，正常工作时l - c 变换器的输出电压随负载 z f 的变化而变化，当电压达到一定值后晶闸管导通，负载为零。但是由于外界 电磁干扰或控制电路本身出现问题而使晶闸管没有及时导通时，负载z f 逐渐 增大，当z f 趋于无穷( 即变压器空载) 时，l - c 交流变换器就成了串联谐振电 路，此时电容电压u c 和电感电压u l 将会很大，一旦出现这种情况将烧毁电容 和电感，使电路无法正常工作。为了避免这种情况发生，此处加入了保护电路， 保护电路将实时采集变换器的输出电压，当输出电压增大到设定上限值，保护 电路自动切断变换器的输入电源，起到保护作用，保证电路的正常工作。 2 ) 控制放电频率的晶闸管电路 脉冲离子源的放电频率是由接在起弧级与起弧1 之间的晶闸管控制的( 见 图1 1 ) 。当以一定的功率给晶闸管的门极提供触发信号时，晶闸管导通，电容 c 1 开始放电，由于各级间的级联放电，最终形成主回路放电，达到镀膜的目 的。不同的阴极材料和不同的工艺要求需要不同的放电频率，因此图1 1 中晶 闸管的门极触发频率应该是可调的，设计中将根据工艺的要求，使触发频率在 1 - 2 5 h z 之间可以自由调节。主要是由西门子公司提供的可编程控制器p l c 型 号为s 7 2 2 6 ，a d 模块型号为e m 2 3 5 ，t d 2 0 0 文本显示器，2 4 个按键开关构 成的p c b 印刷电路板以及外围一些弱电电路组成。 以上简单叙述了离子源自动控制系统的组成以及他们在系统中所起的作 用和相互关系。后续章节中将分别对他们进行详尽的论述。 1 3 本文的章节安捧 本文的章节安排如下： 1 绪论。交待课题研究的意义、发展状况以及课题的主要任务。 2 电压电流变换器的设计及变压器参数计算。 3 脉冲引弧电路设计。 4p l c 对采样、比较电路的控制。 5 晶闸管门极触发电路的研制。 6p l c 对保护电路的控制。 7 脉冲计数及膜厚控制。 8 显示系统部分设计。 9 控制系统调试及现场实验验证。 1 0 西安工业大学硕士学位论文 1 0 本课题的结论及发展展望。 附录a 机柜设计及元器件放置图。 附录b 接线端子表。 附录c p l c 程序。 1 1 2 电压电流变换器的设计及变压器参数计算 2 电压电流变换器的设计及变压器参数计算 稳定交流电流装置，可以采用不同的技术，本设计中采用结构简单、工作 可靠、发展较为完善的电感一电容变换装置，用来将电压源变换成稳定的电流 源。 2 1l - c 稳流电流源 单相电感电容稳流电流源电路结构如图2 1 所示。由于电感间存在互感， 每一线圈上的电压不但与本线圈的电流变化率有关，而且还与另一线圈上的 m l 1 i 西、 2 图2 1 单相l - c 交流稳流源 电流变化率有关，这对电路分析来说是非常不便的。所以在计算过程中采用耦 合电感的去耦等效原理【2 72 8 1 ，可将电路等效为图2 2 ： 图2 2 单相l - c 交流稳流源等效电路 由等效原理可知，图中壹。、壹2 的等效值分别为： e l j if t o m e 1 一j l l t o m 单相等效电路的方程式组为： 西安工业大学硕士学位论文 j i ，。l - 吖j c 面1 + jr 。m = 壹札 _ jr m k + _ j 。m + jr z ，+ j ic 石1 ：。 i i - lf l c 。0 化为矩阵形式即为： 由克莱姆法则可知： j 越lj t 枷 j 洲j 吐2 + z f 1 一l 川剖 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) j ：娶；j ，：堡 ；j c ：丝； dd d 式中口矩阵的主行列式， d 1 d r 带d 按克莱姆法则变换的行列式， 代入数据解得： ，：r 垡掣离生生一壹( 2 m j ( x ! l f + x c ) 2 一j ( x 2 一x c ) c r n x c ) 一z ，( x l l - x c ) j f 2 面万历面x z m 。+ 肛x n _ c 墨) 一z ，( x n - z 。) ( 2 5 )，( 盖+ z c ) 2 一j 僻2 一z c ) 伍l 一盖c ) 一z ，( x 工1 一z c ) 。 几2 面瓦两者焉隶矗丽壹 晓6 ， j ( z + z c ) 2 一j ( 五2 一工c ) 僻上l 一工c ) 一z f ( 1 一石c ) 一 式中j c - 一，越，；工z ：- j 越：；z 。一，去；置”一，n 柑； 要使电路成为稳流电流源，即j r 与z ，无关，则有： x l x c = 0 即鸣一去； 或2 厶c t l 1 n c 1 1 3 咭去。 西安工业大学硕士学位论文 2 1 1 电感一电容变换器的稳流原理 由图2 1 可以看出，当负载z ，改变时，例如，设z ，增加，则z ，和x 。并 联的等效阻抗增大。在串联电路中，各阻抗上的压降与阻抗值的大小有关。因 此，当z ，和盖。并联的等效阻抗增大时，z ，和c 两端的电压【，增大a 另外， 当z ，增大时，在极端情况下，z ，+ * 时，由于电路的厶、c 值满足2 l 。c 1 1 的谐振条件，因此，电路处于谐振状态。串联谐振时，电路中的电流达到最 大值，电容两端的电压u ，也达到最大值【2 9 1 ，当c 两端并接负载阻抗z ，时，z ， 增大，使电路趋于串联谐振状态，电路中的j 。增加，使磊、c 两端的电压u ， 增加。 由于上述两个因素，当z ，增大时，可使通过z ，的负载电流j r ，保持稳定； 反之，当z ，减小时，u ，相应减小，而，基本保持不变。从而达到了稳流的作 用。 2 1 2 线路的动力指标 在l c 变换器的设计中，存在三种优化方案【3 0 】：最小的电容器组容量；最 小的电抗器容量；最大的功率因数。设计中，将主要考虑第三种优化方案，即 最大功率因数。 在计算l c 变换器的动力( 效率和功率因数) 指标时，必须计算元件中的 有功损耗，耦合t 型l c 变换器的效率可按以下的近似公式计算【划： ，7 。害圣唑 ( 2 7 ) 。( 七丢一k 2 l + 1 ) 玎+ 式中：七：，电抗器绕组之间的变比，k a = 撕= = 7 i ： n 负载相对值，n 一三l ； 咄 。毽二生= 丝! + 2 n k 三+ n z q ： g q q 电抗器的品质因数，等于电抗器绕组的感抗和绕组电阻的比值，即 1 4 堕室三些查堂耍主兰垡丝塞一一一一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ 一 q 。丝。 将式( 2 7 ) 对以微分并等于零，则可以求负载的最佳值： 再，一一款刍一j 】 刍一七矗+ 1 ， 在n n ，。时，变换器的效率最高，为： 。毒毒 娌8 ) 根据上式给出，7 一一f ( k ：，q ) 的曲线，如图2 3 图2 3 叩。一f ( k 2 1 ，q ) 曲线 从图中可以看出，在电抗器品质因数的实数q ，2 0 时，变换器的效率很高，约 大于9 0 ，并且随七：，值得变化叩一值变化小。因此，取q ，2 0 ，这样就不会出 现低效率。 c o s 西 0 8 0 6 0 4 o 2 0 k 2 f 1二 n 殄彳 多7 圹 易 图2 4c o s l p ；f ( n 1 曲线 滞后 前 西安工业大学硕士学位论文 t 型变换器线路输入端的功率因数，可以计算为【3 0 】： c o s 西一 1 对于上式中的七：，取三个典型值：0 5 ，1 ，2 ，按照上式可画出c o s 妒对负载相 对值h 的关系曲线，如图2 4 。 由上式可以看到，当k ：，一1 时，c o s 妒= l ，并不随负载的改变而改变a 因此， 为保证电路的功率因数达到最大值，即七：。t 撕j 了百- 1 ，应选择工。一岛。 将工，。工2 ，并设z 。一x m ，带入式( 2 4 ) 一( 2 6 ) ，可得： j 一 坚 垒坚堡_ 壹 ( 2 9 ) 4 x l x c4 - z f ql x c 、j 2 葡兰爰壹 ： 堡! 生 壹 。4 x l xc + zf xl x c 、i ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 图2 5 呓2 f ( r ，疗) 曲线 圈2 6z 二r = 妒o ，n ) 曲线 在式( 2 t o )