用于找到全局最优值的频率调谐系统和方法 |
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| 申请号 | CN201380069333.3 | 申请日 | 2013-12-03 | 公开(公告)号 | CN104904323B | 公开(公告)日 | 2018-04-13 |
| 申请人 | 先进能源工业公司; | 发明人 | G·范齐尔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种发生器和用于调谐所述发生器的方法。所述方法包括将由所述发生器施加的功率的 频率 设定为当前最佳频率并且感测由所述发生器施加的所述功率的特性。基于所述功率的特性来确定当前最佳误差，并且在主要时间段内将所述功率的频率保持在所述当前最佳频率。然后将所述功率的频率改变为探测频率，并且在小于所述主要时间段的探测时间段内将所述频率保持在所述探测频率。如果所述探测频率下的误差小于所述当前最佳频率下的误差，则将所述当前最佳频率设定为所述探测频率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于对发生器进行调谐的方法，所述方法包括： |
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| 说明书全文 | 用于找到全局最优值的频率调谐系统和方法[0001] 相关申请的交叉引用 [0002] 本专利申请要求于2012年12月4日提交的标题为“能够找到全局最优值的秘密频率调谐算法”、并被转让给本申请的受让人的临时申请No.61/733397的优先权，并且由此通过引用的方式将该临时申请明确地并入本文中。 技术领域背景技术[0004] RF发生器中的频率调谐通常用于减小反射功率。在图1中示出了典型的装置。通常情况下(但并不总是)，匹配网络的一些类型用于将负载与发生器匹配。通过匹配网络(发生器的内部或如图1所示的外部)的正确设计，可以在发生器能够产生的频率范围内的一些频率下将负载的阻抗转换为接近于发生器的期望负载阻抗的值(在RF输出连接器处，通常为50Ω；或在发生器内部的有源设备处，通常为一些低复数阻抗，例如：8+j3Ω)。负载阻抗与期望阻抗的接近程度的量度可以采用多种形式，但其通常被表示为反射系数： [0005] [0006] 其中ρ为阻抗Z相对于期望阻抗Z0的反射系数，并且x*表示x的共轭复数。反射系数|ρ|的大小是表示阻抗Z与期望阻抗Z0的接近程度的非常方便的方式。Z和Z0两者通常都为复数。 [0007] 频率调谐算法和方法试图找到最优的操作频率。最优性通常被定义为反射系数的大小相对于期望阻抗最小时的频率。其它的量度可以是最小反射功率、最大输送功率、稳定操作等等。在非时变线性负载上，许多算法都可以很好地工作，而在时变和/或非线性负载上则需要特殊的技术来确保调谐算法的可靠操作。 [0008] 假设最优操作频率是负载反射系数大小处于其最小值时的频率，要注意的是，受控变量(频率)与误差之间的关系通常不是单调的，并且此外，最优操作点通常位于增益([误差变化]/[频率变化])为0的点。为增加挑战，还可能存在局部最小值，任何控制算法都可以陷于该局部最小值。图2A在顶部显示了负载反射系数图(史密斯圆图)上的负载反射系数的曲线图，并且图2B显示了被用作作为频率的函数的误差的负载反射系数的大小。该曲线图利用f0处的局部最小值来说明上述问题，f0处的局部最小值通过fa周围的高负载反射系数区域和(情况总是如此)全局最优频率fb处的误差函数的零斜率来与fb处的全局最优值分开。 [0009] 关于等离子体负载的两个常见的问题是：负载的非线性性质(负载阻抗是功率电平的函数)以及负载阻抗随时间变化(例如，由于化学成分、压力、气温等随时间变化)。等离子体(或类似等离子体的)负载所特有的另一问题是：如果至等离子体的输送功率在足够长的时间内下降至低于一些值，则等离子体可能熄灭。因此频率调谐算法不能停留在不能长时间输送足够的功率或者等离子体可能熄灭的频率下。 发明内容[0010] 在下文中将对附图中所示的本公开内容的说明性实施例进行总结。将在具体实施方式部分中对这些和其它实施例进行更充分地描述。然而，要理解的是，并不是要将本公开内容限制为该发明内容或具体实施方式中所述的形式。本领域技术人员可以认识到，如权利要求书中所述，存在落入本公开内容的精神和范围内的许多修改、等同物、以及替换结构。 [0011] 根据一方面，提供了用于对发生器进行调谐的方法。方法包括：将由发生器施加的功率的频率设定为当前最佳频率；以及感测由发生器施加的功率的特性。然后基于功率的特性来确定当前最佳误差，并且功率的频率在主要时间段内保持在当前最佳频率。将功率的频率改变为探测频率，并且功率的频率在小于主要时间段的探测时间段内保持在探测频率。如果探测频率下的误差小于当前最佳频率下的误差，则将当前最佳频率设定为探测频率。 [0012] 根据另一方面，提供了发生器。发生器可以包括用于响应于频率控制信号而产生频率的可控信号发生器、以及用于在所产生的频率下产生功率的功率放大器。发生器的输出线路耦合至功率放大器，并且传感器耦合至功率放大器以提供指示给予功率放大器的阻抗的输出信号。控制器响应于来自传感器的输出信号而向可控信号发生器提供频率控制信号，并且控制器包括处理器和非暂态有形计算机可读存储介质，该存储介质利用用于调整频率控制信号的处理器可读指令来进行编码。 附图说明[0013] 图1是示出通过匹配网络将功率输送至负载的发生器的系统示意图； [0014] 图2描绘了作为频率的函数的负载反射系数的一般行为； [0015] 图3描绘了覆有典型RF发生器的开环恒功率等值线的作为频率的函数的负载反射系数的一般行为； [0016] 图4描绘了覆有具有匹配源阻抗的典型RF发生器的开环恒功率等值线的作为频率的函数的负载反射系数的一般行为； [0017] 图5是描绘了结合本文中所公开的实施例可以遍历的示例性方法的流程图； [0018] 图6包括描绘了结合参考图5所述的方法可以探测的示例性频率和相应的误差值的曲线图； [0019] 图7是描绘发生器的实施例的示图； [0020] 图8是描绘图7中所示的平衡放大器的示例性实施例的示图； [0021] 图9是描绘可以用于实现图7中所描绘的控制器的控制系统的示图。 具体实施方式[0022] 词语“示例性”在本文中用于表示“用作示例、实例或说明”。本文中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为相对于其它实施例是优选的或有利的。 [0023] 本发明的实施例解决了在不熄灭等离子体负载的情况下找到调谐问题的全局最优值的问题。可以通过参考图2A和2B来理解所述问题。从图2A和2B可以清楚地看到，如果当前频率处于最小频率f0与负载反射系数为最高时的频率fa之间，则搜索负载反射系数的局部最小值的任何算法将向最小频率f0移动。当前频率将向并非期望的操作频率的局部最小值移动的这种情况非常普遍。具体而言，在等离子体系统中，没有点亮(点燃)等离子体的等离子体室与具有点亮的等离子体的室相比具有很不相同的表现。如果可以点燃等离子体的频率在f0与fa之间，则初始频率将在f0与fa之间。一旦点亮了等离子体，那么问题就变成了如何从f0与fa之间的频率开始找到全局最佳频率fb。不同于其它负载，简单地从f0到f1对频率进行扫描直到找到全局最优频率fb是不能选择的。问题在于当频率在fa附近时，几乎没有功率可以被输送至等离子体并且等离子体将极有可能熄灭。如果等离子体熄灭，那么将利用具有完全不同特性的未点亮的等离子体继续进行扫描，并且除非等离子体以某种方式在fb附近重新点燃，否则不会找到全局最优值fb。即使等离子以某种方式重新点燃并且因此成功进行扫描，在扫描期间允许等离子熄灭这一行为在大多数应用中也是不可接受的。 [0024] 为了理解所述问题，注意，对频率进行探测所花的时间通常不超过数十微秒，以免使等离子体熄灭。如果所探测的频率下的负载反射系数高并且在该频率处花费了超过数十微秒，则等离子体可能熄灭。与此同时，将发生器的功率控制系统调整至期望的功率电平所用的时间通常大约为数百微秒，因此出于所有实践的目的，在至功率放大器的功率控制输入处对负载的反射系数进行测量，所述功率控制输入与由负载阻抗所确定的实际功率相同。 [0025] 在现有技术中，已知的是，通过探测来编制频率和相关联的反射系数的图表以找到最佳操作频率。由于可能必须对每个候选频率进行多次访问直到在期望的功率电平下测量到负载反射系数，因此这种图表(例如，如US 7,839,223中所述，其通过引用并入本文中)的编制十分困难。之所以必须在正确的功率电平下测量负载反射系数是由于负载的非线性性质，并且这能够通过参考图3A和3B来理解。 [0026] 参考图3A和3B，如果发生器在700W、频率fa下进行操作并且利用对保持在当前设定的功率放大器的控制来探测频率空间，则发生器将在频率fc处找到明显的最佳反射系数。然而，如图3B所示，实际最佳操作频率为fb。更具危害性的是，如果发生器要将其操作频率改变为fc，则一旦控制系统将功率调整回期望的设定点(大概700W或更高)，负载反射系数可能高于原频率fa处的负载反射系数。此外，对于在fa、700W下进行操作的发生器，其意味着：发生器的设定点为700W并且当将功率施加到不匹配的负载阻抗中时发生器能够满足设定点；或者发生器的设定点高于700W，但发生器可以仅将700W传输至不匹配的负载中。在任一情况下，一旦将频率改变为fc，则发生器可能将仅能够输送比fa下可以传输的功率小的功率。如果频率改变为fc，这可能导致等离子体熄灭。因此可以得出如下结论：对于典型发生器，其中对于至功率放大器的固定控制输入，向除匹配负载(通常为50Ω)以外的阻抗输送最大功率，US 7,839,223中所述的过程是可取的。 [0027] 然而，当频率探测算法与具有与额定负载阻抗(通常为50Ω)匹配的源阻抗的功率放大器组合时，可以将算法简化。为理解其原因，参考图4。假设在频率fa、300W的功率电平下操作发生器。如果探测算法找到了反射系数低于fa处的反射系数的频率fprobe，这还表示如果发生器要简单地停留在该频率fprobe，那么来自发生器的输出功率将高于处于fa的功率，直到发生器的控制回路将功率调整回设定点。这是因为对于匹配的源阻抗发生器，如果至发生器的功率放大器的控制输入保持恒定并且负载反射系数减小，那么输出增大。因此，在发生器具有匹配的源阻抗的情况下，不需要进行相同频率的多次探测，每次调整至功率放大器的控制输入。由于发生器在新的频率下可以至少输送与在旧的频率下一样多的功率，因此当所探测的频率下的负载反射系数低于当前频率时，发生器可以仅在所探测的频率下切换到操作，而不是建立图表。 [0028] 为描述算法，对以下变量进行定义： [0029] fstart:起始频率 [0030] f0:最小频率 [0031] f1:最大频率 [0032] emain:当前最佳频率下的误差 [0033] fmain:当前最佳频率 [0034] tmain:发生器停留在当前最佳频率的时间 [0035] tprobe:发生器对频率进行探测所用的时间 [0036] fprobe:探测频率 [0037] 接下来参考图5，图5为描绘用于频率调谐的方法的流程图。在参考图5的同时也参考图6，图6包括描绘了结合参考图5所述的方法可以探测的示例性频率(和相关联的误差值)的曲线图。如图所示，将发生器的频率最初设定为起始频率fstart，频率fstart为可以点燃等离子体的频率(方框500)。然后确定误差(方框502)，并且将当前最佳频率(例如，fmain1)最初设定为起始频率(fstart)而将当前最佳频率下的误差(例如，emain1)最初设定为在方框502处所确定的误差。在若干实施例中，误差是给予发生器的阻抗与期望阻抗(例如，50Ω)的接近程度的量度。例如，可以按照负载反射系数的大小、电压驻波比、反射功率、以及最大输送功率的偏差来计算误差。并且在其它实施例中，误差可以是表示不稳定性的值。可以预见的是，可以计算或测量以及利用其它值来作为误差值。 [0038] 如图5中所示，然后发生器可以在切换至探测频率(例如，fprobe1)(方框506)之前在主要时间段tmain内停留在当前最佳频率(例如，fmain1)(方框504)，并且在探测时间段(tprobe)内保持在探测频率(方框508)。在一些实施例中，方框508处的探测时间段(tprobe)小于100微秒，并且在其它实施例中，探测时间段(tprobe)小于在方框504处发生器停留在当前最佳频率的时间(tmain)的10％。 [0039] 如果探测频率(例如，fprobe1)下的探测误差(例如，eprobe1)低于当前最佳误差(emain1)(方框510)，那么发生器将当前最佳频率(fmain)设定为探测频率(fprobe)(方框512)。然后在新的当前最佳频率(fmain)下确定当前最佳误差(emain)(方框502)并且然后重复该过程。如图所示，如果探测频率(例如，fprobe1)下的探测误差(例如，eprobe1)不小于当前最佳误差(例如，emain1)(方框510)，那么将发生器频率再次设定为当前最佳频率(例如，fmain1)(方框514)，并且任何重复该过程。图6描绘了示例性行为，其中在探测误差(在时间t3处的eprobe3)小于当前最佳误差之前尝试了(在时间t1和t2)两个探测频率(fprobe1和fprobe2)，并且然后在新的探测频率fprobe4下，误差在时间t4再次减小，新的探测频率fprobe4成为当前最佳频率并且通过随后的两次频率探测(fprobe5和fprobe6)而继续保持在当前最佳频率，所述随后的两次频率探测(fprobe5和fprobe6)产生大于当前最佳频率fprobe4下的误差(eprobe4)的相应误差(eprobe5和eprobe6)。 [0040] 探测频率的选取取决于应用，但是为了确保整个频率范围都被评估，初始扫描应该以足够小的频率步长覆盖发生器的整个频率范围，以确保不会由于跳过最小误差的区域而遗漏误差中的最小值。在进行初始扫描之后，可以对fmain周边的较小范围进行探测以使调谐精细化。可以重复对范围的精细化直到以足够的精确度确定了最佳操作频率。 [0041] 可以根据启动和停止调谐算法的情况来扩展调谐算法。例如，通常对误差的上下目标以及达到下目标的时间进行设定。然后调谐算法将试图在规定时间内到达下目标。算法在其达到下目标的情况下停止；并且如果超出了规定时间，算法在误差小于上目标的情况下停止。一旦停止了算法，通常在超出上目标时重新启动算法。如果算法无法达到上目标或下目标，则会向系统控制器发出错误和警告。 [0042] 接下来参考图7，图7为描绘发生器的示例性实施例的部件的方框图。如图所示，发生器包括一个或多个DC电源702，其接收AC功率并产生DC功率来为射频(RF)功率放大器704和控制器706供电。该实施例中的控制器706包括频率调谐部件708，其响应于来自传感器716的指示给予功率放大器704的阻抗的输出信号714而向信号发生器712提供频率控制信号710。作为响应，信号发生器712产生了对应于频率控制信号710的特定频率(例如，当前最佳频率(fmain)和探测频率(fprobe))，并且频率放大器704将信号发生器712的输出放大以在特定频率产生输出功率718。 [0043] 图8描绘了可以结合实现图7中所述的平衡放大器来使用的示例性平衡放大器。 [0044] 接下来参考图9，其描绘了可以用于实施参考图7所述的控制器706和用户接口的示例性控制系统900。但是图9中的部件仅为示例，并且不限制实施本公开内容的特定实施例的任何硬件、软件、固件、嵌入式逻辑部件、或两个或更多这种部件的组合的使用范围或功能。 [0045] 在该实施例中的控制系统900包括至少一个处理器901，列举两个非限制性示例，例如中央处理单元(CPU)或FPGA。控制系统900还可以包括存储器903和储存器908，两者互相通信、并且经由总线940与其它部件进行通信。总线940还可以将显示器932、一个或多个输入设备933(例如，其可以包括小键盘、键盘、鼠标、指示笔等等)、一个或多个输出设备934、一个或多个存储设备935、以及各种非暂态有形处理器可读存储介质936互相连接并且与处理器901、存储器903、和储存器908中的一个或多个连接。所有这些元件都可以直接或经由一个或多个接口或适配器来接口连接至总线940。例如，各种非暂态有形处理器可读存储介质936可以经由存储介质接口926与总线940接口连接。控制系统900可以具有任何适合的物理形式，包括但不限于：一个或多个集成电路(IC)、印刷电路板(PCB)、移动手持设备、膝上型或笔记型计算机、分布式计算机系统、计算网格、或服务器。 [0046] (多个)处理器901(或(多个)中央处理单元(CPU(s)))可以任选地包含用于指令、数据、或处理器地址的临时本地存储的高速缓冲存储器单元902。(多个)处理器901被配置为协助执行存储在至少一个非暂态有形处理器可读存储介质上的非暂态处理器可读指令。作为(多个)处理器901执行体现在一个或多个非暂态有形处理器可读存储介质(例如，存储器903、储存器908、存储设备935、和/或存储介质936(例如，只读存储器(ROM)))中的指令的结果，控制系统900可以提供功能。例如，实行参考图5所述的方法的一个或多个步骤的指令可以体现在一个或多个非暂态有形处理器可读存储介质中，并且(多个)处理器901可以执行所述指令。存储器903可以通过诸如网络接口920等的适合的接口来从一个或多个其它非暂态有形处理器可读存储介质(例如，(多个)大容量存储设备935、936)或从一个或多个其它来源读取指令。执行这种过程或步骤可以包括对存储在存储器903中的数据结构进行定义以及按软件指示来修改数据结构。 [0047] 信号输入部件950通常操作用于接收提供关于RF功率输出718的一个或多个方面的信息的信号(例如，数字和/或模拟信号)。例如，RF传感器716可以包括提供模拟电压信号的电压和/或电流传感器(例如，VI传感器、定向耦合器、简单的电压传感器、或电流换能器)，由信号输入部件950接收该模拟电压信号并将其转换为数字信号。 [0048] 信号输出部件960可以包括本领域的普通技术人员已知的数字模拟部件以产生频率控制信号710来控制由信号发生器712产生的信号的频率，信号发生器712可以由本领域技术人员已知的各种信号发生器中的任一种来实施。例如，频率控制信号710可以为变化的电压，以实现(经由信号发生器712)为调谐参考图5所述的发生器而做出的频率变化。 [0049] 存储器903可以包括各种部件(例如，非暂态有形处理器可读存储介质)，其包括但并不限于：随机存取存储器部件(例如，RAM 904)(例如，静态RAM“SRAM”、动态RAM“DRAM”等等)、只读部件(例如，ROM 905)、以及其任意组合。ROM 905可以用于将数据和指令单向传输至(多个)处理器901，并且RAM 904可以用于与(多个)处理器901双向传输数据和指令。ROM 905和RAM 904可以包括下文所述的任何适合的非暂态有形处理器可读存储介质。在一些实例中，ROM 905和RAM 904包括用于执行本文所述的方法的非暂态有形处理器可读存储介质。 [0050] 固定储存器908任选地通过存储控制单元907双向连接至(多个)处理器901。固定存储器908提供额外的数据存储容量并且还可以包括本文所述的任何适合的非暂态有形处理器可读介质。储存器908可以用于存储操作系统009、EXEC 910(可执行文件)、数据911、API应用912(应用程序)等等。通常，尽管并不总是，储存器908为比主储存器(例如，存储器903)慢的第二存储介质(例如硬盘)。储存器908还可以包括光盘驱动器、固态存储器设备(例如，基于闪存的系统)或上述的任何组合。在适当情况下，储存器908中的信息可以作为虚拟存储器并入存储器903中。 [0051] 在一个示例中，(多个)存储设备935可以经由存储设备接口925来与控制系统900可移除地接口连接(例如，经由外部端口连接器(未示出))。特别地，(多个)存储设备935和相关联的机器可读介质可以提供对控制系统900的机器可读指令、数据结构、程序模块、和/或其它数据的非易失性和/或易失性存储。在一个示例中，软件可以完全或部分地存在于(多个)存储介质935上的机器可读介质内。在另一个示例中，软件可以完全或部分地存在于(多个)处理器901内。 [0052] 总线940连接各种子系统。在本文中，在适当的情况下，对总线的引用可以包括提供常用功能的一个或多个数字信号线路。总线940可以是许多类型的总线结构中的任一种，所述总线结构包括但不限于使用多种总线架构中的任一种的存储器总线、存储器控制器、外围总线、局部总线、以及它们的任何组合。作为示例而非以限制的方式，这种架构包括工业标准架构(ISA)总线、增强型ISA(EISA)总线、微通道架构(MCA)总线、视频电子标准协会局部总线(VLB)、外围部件互连(PCI)总线、PCI-Express(PCI-X)总线、加速图形端口(AGP)总线、超传输(HTX)总线、串行高级技术附件(SATA)总线、以及它们的任何组合。 [0053] 控制系统900还可以包括输入设备933。在一个示例中，控制系统900的用户可以经由(多个)输入设备933将命令和/或其它信息输入到控制系统900中。(多个)输入设备933的示例包括但不限于触摸屏、字母-数字输入设备(例如，键盘)、指向设备(例如，鼠标或触摸板)、触摸板、控制杆、游戏手柄、音频输入设备(例如，麦克风、语音应答系统等)、光扫描器、视频或静止图像采集设备(例如，照相机)、以及它们的任何组合。(多个)输入设备933可以经由多种输入接口923(例如，输入接口923)中的任一种来接口连接至总线940，多种输入接口923包括但不限于串行接口、并行接口、游戏端口、USB、火线接口、雷电接口、或上述的任何组合。 [0054] 可以通过显示器932来显示信息和数据。显示器932的示例包括但不限于液晶显示器(LCD)、有机液晶显示器(OLED)、阴极射线管(CRT)、等离子体显示器、以及它们的任何组合。显示器932可以经由总线940接口连接至(多个)处理器901、存储器903、固定存储器908、以及诸如(多个)输入设备933等的其它设备。显示器932经由视频接口922连接到总线940，并且可以经由图形控制921来控制显示器932与总线940之间的数据的传输。 [0055] 另外或替代地，控制系统900可以提供由逻辑硬连接产生或者在其它情况下体现在电路中的功能，所述功能可以代替软件或与软件一起操作以执行参考图5所述的方法的一个或多个步骤。此外，在适当情况下，对非暂态有形处理器可读介质的引用可以包含存储用于执行的指令的电路(例如，IC)、体现用于执行的逻辑的电路、或两者。本公开内容包含硬件与软件结合的任何适合的组合。 [0056] 结合本文中所公开的实施例来描述的各种说明性逻辑块、模块、和电路可以利用被设计为执行本文所述的功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、特殊应用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立硬件部件、或它们的任何组合来实施或执行。通用处理器可以是微处理器，但是在替代方案中，处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器、或状态机。还可以将处理器实施为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、与DSP内核结合的一个或多个微处理器、或任何其它这种构造。 [0057] 提供公开的实施例的前述描述以使本领域的任何技术人员能够制作或使用本发明。对这些实施例的各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的，并且在不脱离本发明的精神或范围的情况下本文中定义的一般原理可以应用于其它实施例。因此，本发明并不是要限制于本文中所示的实施例，而是要符合与本文所述的原理和新颖特征相一致的最大范围。 |
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