CN1204685C - 射频匹配网络的模糊逻辑调谐 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于调谐射频阻抗匹配网络的方法，该网络具有接收射频功率的输入端和给射频负载加载功率的输出端，该匹配网络具有可变阻抗，所述方法包括以下步骤：分别产生根据阻抗相位误差和阻抗幅度误差而变化的相位误差信号和幅度误差信号；将上述信号分别加到模糊逻辑推论函数；根据至少一个模糊集将模糊逻辑规则分别加到上述信号上；根据上述信号分别产生模糊输出信号；并且根据模糊输出信号产生调谐元件控制信号，用以调节匹配网络的可变阻抗。本发明还涉及一种电网络，包括：射频发生器；接收射频信号的负载；匹配网络；模糊推论模块；以及控制器。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体发生装置，详细地说，涉及自动射频(RF)匹配网络，所述自动RF匹配网络使等离子体反应室或类似的非线性负载的阻抗与RF发生器或类似的RF源的恒定的输出阻抗(例如50欧姆)匹配。更详细地说，本发明涉及模糊逻辑技术，所述模糊逻辑技术能够同时利用与匹配网络相联系的相位误差信号和幅度误差信号来控制匹配网络内的两个或更多的可调谐元件。
背景技术
在典型的RF等离子体发生器配置中，高功率RF源产生预定频率，即13.56兆赫的RF波，沿着功率导管向等离子体室提供这种RF波。一般还以固定的已知阻抗，例如50欧姆提供RF功率。因为在RF功率源和等离子体室之间一般具有严重的阻抗失配，所以在这两者之间插入阻抗匹配网络。在等离子体室内具有非线性，这使得对于一种等离子体处理过程难于以一些固定的位置来简单地调整阻抗匹配网络。在匹配网络的输入端设置相位/幅度度误差检测器，所述相位/幅度度误差检测器产生表示阻抗误差的幅度和相位误差的两种(或更多种)误差信号。幅度误差是标称输入阻抗(一般是50欧姆)的幅度与实际输入阻抗的幅度之间的差值。相位误差是标称输入阻抗的相位(一般是零度)与实际输入阻抗的相位之间的差值。误差信号也指示幅度误差和相位误差的方向或符号(+或-)。
传统的匹配网络使用这两个误差信号来控制两个可变调谐元件：相位误差用来控制一个调谐元件，而幅度误差用来控制另一个调谐元件。相位/幅度度误差信号驱动与可变电容器或者也许是可变电感器的调谐铁心相联系的马达。当达到匹配状态时，误差信号降到低电平或零电平。
传统的系统在许多条件下在迅速达到匹配阻抗方面遇到困难。一个主要的问题是目前的结构没有注意到这样的事实，就是各调谐元件同时影响两种误差信号。因为这种影响，误差信号可能驱动一个或两个调谐元件离开匹配或调谐点。这延长了调谐过程，并导致缓慢而不可靠的调谐。因为相位/幅度度误差信号并不总是单独提供将匹配网络驱动到调谐点的足够信息，所以产生了另一个问题。这意味着匹配网络可能具有“迷失状态”(lost condition)，这时将不能达到阻抗匹配。第三个问题是由调谐元件的给定移动产生的误差信号随调谐元件的位置而改变。换句话说，如果调谐元件接近其量程的最小端，位置上10％的改变可能产生50％的误差信号幅度的改变，但如果调谐元件接近其量程的最大端，同样的10％的改变可能只产生5％的误差信号幅度的改变。这导致控制回路的稳定性随调谐元件的位置而改变。然而，在目前，甚至没有实际的系统将调谐元件(例如转子)的位置作为输入来跟踪。
解决所述第一个问题的交叉点方法以前曾被提出来，但是对于两个调谐元件中的每一个仍然只使用单个误差信号。另一个问题是这种方法需要硬性固定的阈限，而不是逐渐转变。
迷失恢复方法曾被建议用来解决上述第二个问题，即“迷失状态”问题，在这种方法中，系统检测到阻抗匹配已经无望，于是将调谐元件移到预定的“迷失恢复”位置，从所述位置出发，它可以调谐到匹配。这种方法在恢复阻抗匹配时耗费大量时间，还不能在调谐范围的每种负载下工作。
业界似乎没有认识到在其范围内的误差信号的非线性所导致的第三个问题。利用一种以上的误差信号来控制各调谐元件的必要性也没有被认识到，也没有建议组合多种误差信号来控制与阻抗匹配网络相联系的各调谐元件的任何过程。
在许多应用场合中采用模糊逻辑作为控制算法，模糊逻辑具有根据一套简单的原则，将复杂的多维处理简化为较直接的算法的优点。模糊逻辑基于Lotfi A.Zadeh教授在本世纪六十年代发明的数学分支—模糊集理论(Fuzzy Set Theory)。模糊逻辑通过利用最小量代码一将输入映射到输出，提供可靠、非线形、有效的控制方法。模糊逻辑和模糊控制的基础已经在数学和工程文献的许多处给出解释。模糊逻辑控制过程基本上可以用一些步骤或阶段来描述。首先，过程控制工程师建立一些重叠模糊集，比如“大、正”、“中、正”、“零”或小、“中、负”和“大、负”。在第一阶段，即“模糊化”阶段，一些清新的、离散的输入值被模糊化，也就是说，它们被转化为重叠模糊集内的适当程度的从属关系(membership)。然后，在规则应用阶段，规则用来定义输入变量和输出变量的关系。以“模糊推理函数”来提供这些规则，并且这些规则表示一种对于过程工程师很直观的关系。这可能是一系列IF-AND-THEN语句，或者可能由直接的表、网格或矩阵构成。输出或逆模糊化阶段将模糊变量转换为清新的输出值，所述输出值用作诸如可变电容器的动片等控制装置的控制值或信号。
以前没有人考虑采用模糊逻辑来控制阻抗匹配网络的调谐，以前也没有人认为模糊逻辑的应用可以解决上述三个问题。
发明内容
本发明的目的在于提供控制RF匹配网络的调谐的方案，所述方案避免调谐元件的单个变量控制、“迷失状态”和调谐范围内的非线性等问题，并且所述方案迅速、可靠、易于实施且易于调节。
根据本发明的一个方面，采用模糊逻辑方法来调配RF匹配网络，所述类型的RF匹配网络具有加载给定频率和给定阻抗的RF功率的输入端，以及将所述功率加载到诸如RF等离子体室的具有非恒定阻抗的RF负载的输出端。匹配网络具有相位-幅度误差检测器，后者提供分别相关于标称与实际输入相角之间的差值，即，ΔΦ以及标称与实际阻抗的差值ΔZ的相位误差信号和幅度误差信号，匹配网络至少具有第一可变阻抗和第二可变阻抗，所述第一可变阻抗包括用来改变其阻抗的驱动元件，第二可变阻抗包括用来改变其阻抗的驱动元件。模糊逻辑控制技术包括以下步骤：向模糊逻辑控制器提供相位误差和幅度误差信号，其中每一个误差信号具有幅度和方向。然后根据在一个或多个模糊集内的从属关系把所述误关信号各自加到模糊逻辑推理函数，所述模糊集可能是重叠的模糊集。每个误差信号的值，即大小和方向享有一个、两个或多个重叠模糊集的从属关系。根据所述第一和第二误差信号享有其从属关系的模糊集，把模糊逻辑规则加到相位误差和幅度误差信号。根据用于每个相位误差信号与幅度误差信号的模糊逻辑规则得到多个驱动信号值。所述驱动信号值根据误差信号享有其从属关系的各自的模糊推理函数而被加权。然后，加权后的驱动信号值被组合，产生第一可变阻抗装置驱动元件的输出驱动信号。类似的过程产生第二可变阻抗的输出驱动信号。根据模糊逻辑规则，相位误差信号和幅度误差信号联合使用，以获得每种所述输出驱动信号。
可以把模糊逻辑规则表示为N×M的驱动电流值矩阵，其中N是所述第一误差信号的模糊集的数量，而M是所述第二误差信号的模糊集的数量。这里，要得出各驱动电流值，存在应用第一误差信号和第二误差信号的给定的规则集。
根据本发明的另一方面，提供用来调谐RF匹配网络的模糊逻辑控制器，其中，匹配网络位于所加的给定频率和给定阻抗的RF功率的源与诸如RF等离子体室之类的具有非恒定阻抗的RF负载之间。如前所述，相位-幅度度误差检测器产生分别相关于输入阻抗中的相位误差和幅度误差的相位误差信号和幅度误差信号。匹配网络还至少包括具有用来改变其阻抗的驱动元件的第一可变阻抗以及具有用来改变其阻抗的驱动元件的第二可变阻抗。模糊逻辑控制器具有接收相位误差信号和幅度误差信号的值的输入端。控制器根据一些重叠模糊集将这些误差信号的值加到模糊逻辑推理函数。误差信号的值享有一个、两个或多个重叠模糊集的从属关系。将模糊逻辑规则加到相位误差信号和幅度误差信号，而所述规则取决于误差信号享有其从属关系的模糊集。根据用于误差信号享有其从属关系的每个模糊集的模糊逻辑规则得出驱动信号值。根据用于这些误差信号的值的各模糊推理函数，将驱动信号值加权。然后，加权后的驱动信号值被组合，以便产生第一可变阻抗装置驱动元件的输出驱动信号。根据用于相位误差信号和幅度误差信号中的每一种信号的另外的模糊逻辑规则，得出另外的驱动信号值。然后，根据另外的各自的模糊推理函数将这些另外的驱动信号加权，加权后的驱动信号值被组合，产生第二可变阻抗装置驱动元件的输出驱动信号。
模糊逻辑控制器迅速将调谐元件驱动到匹配阻抗状态，避免迷失状态问题。模糊逻辑控制器可以用硬件实现，或者基于诸如数字信号处理(DSP)或微处理器之类的编程装置。模糊逻辑控制器函数可在背景中操作，或者可采用分开的硬件装置，使DSP去完成诸如信号处理、马达控制、用户接口等其它功能。可以用分开的独立的PC来完成模糊逻辑调谐。
通过采用另外的输入可以获得性能上更进一步的增强。例如，可以把调谐元件位置用作把随位置而变的环路增益线性化的输入信号。这可以达到更高的总体环路增益和更快的调谐速度。迷失状态的减少或消除可通过利用附加的传感器如RF等离子体室内的电压和电流传感器、然后将检测到的电平用作模糊逻辑控制器的另外的输入信号来实现。
本发明的改进利用模糊逻辑来提供分析多种输入信号、并产生驱动多个调谐元件的信号的实际方法。在最小的系统中，模糊控制器输入可包括相位误差和幅度误差，模糊输出可包括所述调谐元件的驱动信号中的一种或两种都包括。
本发明可以很容易地扩展到对三个或更多可变调谐装置的控制。
从以下结合附图对最佳实施例进行的描述，本发明的目的、特征和优点将变得更为明显。
附图说明
图1是包括具有根据本发明的一个实施例的模糊逻辑控制系统的阻抗匹配网络的RF等离子体过程的系统方框图。
图2是所述实施例的匹配网络和控制系统的放大的示意图。
图3和4分别是关于阻抗幅度误差和相角误差的模糊集的模糊逻辑推理函数或从属关系函数的曲线图。
图5A和5B是根据本发明的实施例的第一与第二可变阻抗调谐驱动信号的模糊逻辑规则应用矩阵。
图6A和6B是根据本发明的另一个实施例的第一与第二可变阻抗调谐驱动信号的模糊逻辑规则应用矩阵。
图7说明可以用于本发明的另外的实施例的三维模糊逻辑规则应用矩阵。
具体实施方式
参考附图，从图1开始，RF等离子体处理系统10作为实施例示出。等离子体发生器12提供预定频率即13.56MHz的RF电功率。发生器12的输出端面跟着谐波/次谐波滤波器14，然后所述滤波器14之后跟着阻抗匹配网络16，所述阻抗匹配网络16通过电压/电流传感系统18向等离子体室20的输入端提供所述电功率。匹配网络16包括其输入端连接到相位/幅度传感器24的可控阻抗匹配单元22。所述传感器提供正比于阻抗匹配单元的标称输入阻抗相角和实际相角之间的差值(Φ-Φ0)的相位误差信号ΔΦ，还提供正比于标称输入阻抗和实际输入阻抗之间的差值(Z-Z0)的幅度误差信号ΔZ。
模糊逻辑控制器26具有：接收相位误差信号ΔΦ和接收幅度误差信号ΔZ的输入端；以及用于控制单元22内相应的第一和第二可变阻抗装置的相应的控制信号输出端CS1和CS2。任选的第三控制信号输出端XS3以虚线示出。附加的传感器28可以任选地向模糊逻辑控制器26提供另外的输入信号，例如相位误差变化的时间变率。模糊逻辑控制器可以是分开的单元，但也可以装入阻抗匹配网络16的外壳内。包括模糊逻辑规则矩阵和模糊逻辑推理函数算法的操作代码可以存储在控制器26的存储装置(未示出)内。所述存储装置可以是可编程只读存储器，比如E-PROM，能够存储下载程序代码，并提供代码修正以优化匹配网络16的调谐。也可能采用“固定匹配”结构，利用误差信号ΔΦ和ΔZ来控制等离子体发生器12的频率。
图2表示匹配网络单元22和模糊逻辑控制器26的细节，由此可以解释本发明的操作。匹配网络单元22包括多个用来进行调谐以便在RF发生器12的50欧姆和RF等离子体室20的未知阻抗之间建立阻抗匹配的可变阻抗装置。除了固定阻抗(未示出)，还可以有第一调谐电容器C1和第二电容器C2。也可以任选地有第三调谐电容器C3和/或可调电感器L。第一和第二调谐电容器各自分别具有调谐元件马达M1和M2。如果需要另外的调谐元件，第三调谐元件马达M3可以提供给第三电容器C3。马达(未示出)也可以提供给可调电感器L的调谐铁心。
此外，模糊逻辑控制器26对输入信号实行三种操作，所述输入信号这里以相位误差信号ΔΦ、阻抗幅度误差信号ΔZ和任何另外的误差信号，比如来自附加传感器28的误差信号的形式示出。所述各误差信号首先应用于模糊化阶段29，此时，所述各误差信号分别加到模糊推理函数30、32、34。这些函数这里以重叠的三角或梯形斜坡函数序列的形式示出，并给以简短的细节描述。然后，在规则评估阶段35，根据在模糊化阶段29中、所述各误差信号中每种信号都享有从属关系的模糊集来应用预定的规则。这些可表示为IF-AND-THEN逻辑误句，比如IF相位误差信号为大、负，AND IF幅度误差为中、正，THEN将大、正驱动信号用作CS1，将中、负驱动信号用作CS2。可对相位误差和幅度误差的模糊集从属关系的所有组合适用的规则可被看作为N×M的矩阵规则，其中N是相位误差的模糊集的数量，M是幅度误差的模糊集的数量。在逆模糊化阶段37，在规则评估阶段35得出的几个驱动信号值被转换为离散驱动信号值。
在模糊化阶段29，如图3和4所示，对于阻抗幅度误差ΔZ和相位误差ΔΦ分别采用斜坡形从属关系函数或模糊推理函数32和30。如图所示，这些都是重叠函数，因此各误差信号值部分是模糊集的成分，而部分又是重叠模糊集的成分。在图3所示的这个实施例中，幅度误差ΔZ具有正值，并具有35％的零误差的从属关系和75％的中、正误差的从属关系。同时，如图4所示，相位误差具有负值，并在零误差模糊集中享有25％的从属关系，在中、负模糊集中享腻5％的从属关系。这些从属关系值用于对根据模糊规则应用阶段35得出的各驱动信号值进行加权和组合。
在逆模糊化阶段37，根据条件：幅度误差为中、正，相位误差为中、负；幅度误差为中、正，相位误差为零；幅度误差为零，相位误差为中、负；以及幅度误差为零，相位误差为零(对于图3和4中的实施例)，将加权系数加到所得出的驱动信号值，这些值根据其各自的从属关系值被加权，并对各驱动信号CS1、XS2、XS3等进行组合。这导致很快将每个调谐装置调到调谐状态，并计及每个装置对相位误差和幅度误差信号的影响。每个调谐装置的移动量也取决于相位误差和幅度误差的大小和符号(正或负)。所以所述系统避免了上述现有技术的阻抗匹配网络的主要缺陷。
图5A和5B是给定阻抗匹配网络的典型模糊逻辑规则的矩阵。这里，网格中所用的符号表示加到第一调谐电容器(图5A)和第二调谐电容器(图5B)的马达电流的大小和方向。这些就是：PL-大、正；PM-中、正；Ze-零；NM-中、负；以及NL-大、负。在纵轴和横轴上的标签表示幅度误差和相位误差的模糊集，即NL-大、负；NM-中、负；Ze-零；PM-中、正；及PL-大、正。很显然，这些矩阵有些不对称或不平衡，因为它们必须计及如上所述的非线性、交叉和迷失状态的问题。这些矩阵可以由过程工程师从其中驱动电流值仅取决于一种误差信号的正交矩阵或对称矩阵开始很快得出。图6A和6B中示出一对正交矩阵。具体在说，在交叉和迷失状态可能发生的情况下，根据工程师的经验，并对矩阵作出直观的调整，工程是可以试一下对照合成负载修正的规则集。如果需要，对于每次迭代，通过获得调谐算法的结果，可以递增地改变所述矩阵。在合理的试验次数之内，过程工程师可以得出最佳的成对规则集矩阵，就象图5A和5B中的一样。
本发明的模糊逻辑调谐过程无须过分地寻找，也无须碰到上述的问题，就可以迅速获得良好的阻抗匹配。
在更复杂的环境下，也可能采用三个或更多变量的规则集。例如，图7说明显示沿其三个轴的误差信号变量的可能的规则矩阵，所述误差信号变量是幅度误差、相位误差和相位误差的变化的时间变率，当然，有许多其他可能性，输入变量的数量也不限于三个。为了计及随调谐元件位置改变的误差信号的差异，可以用输入信号的形式将调谐电容器C1、C2和C3的马达位置包括在模糊逻辑控制器中，也可能至少一些模糊集不重叠，或者变量享有三个或更多模糊集的从属关系，而不是象这里所示的重叠模糊集。
Claims (11)
1.一种用于调谐射频阻抗匹配网络(10)的方法，该网络具有接收射频功率的输入端和给射频负载(20)加载功率的输出端，该匹配网络具有可变阻抗，所述方法包括以下步骤：
分别产生根据阻抗相位误差和阻抗幅度误差而变化的相位误差信号(Δφ)和幅度误差信号(ΔZ)，阻抗相位误差和阻抗幅度误差各自表示跟可变负载阻抗的偏离；
将相位误差信号及幅度误差信号分别加到模糊逻辑推论函数，相位误差信号及幅度误差信号在至少一个模糊集中具有从属关系值；
根据所述至少一个模糊集将模糊逻辑规则分别加到相位误差信号及幅度误差信号上，相位误差信号及幅度误差信号在该模糊集享有从属关系；
根据相位误差信号和幅度误差信号分别产生模糊输出信号；并且
根据模糊输出信号产生一个或多个对应的调谐元件控制信号，用以调节匹配网络(10)的可变阻抗。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，产生控制信号的步骤包括对模糊输出信号进行加权的步骤。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，产生控制信号的步骤还包括分别组合加权后的模糊逻辑值以产生控制信号的步骤。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，逻辑规则包括一个模糊输出值的N×M矩阵，此处，N是相位误差信号(Δφ)的模糊集的数目，M是幅度误差信号(ΔZ)的模糊集的数目，而各模糊输出值对应于一个相位误差信号的预定集以及一个幅度误差信号的预定集。
5.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述至少一个模糊集分别包括多个模糊集，这些模糊集分别以下面的值为中心：零值、中正值、中负值、大正值和大负值。
6.一种电网络，包括：
一射频发生器(12)，用于产生射频信号，射频发生器具有源阻抗；
接收射频信号的负载(20)，射频信号给负载(20)供给驱动能量，该负载(20)具有可变的负载阻抗；
位于射频发生器(12)和负载(20)之间的匹配网络(16)，匹配网络(16)具有可变网络阻抗，该匹配网络(16)分别产生根据阻抗相位误差和阻抗幅度误差而变化的相位误差信号(Δφ)和幅度误差信号(ΔZ)，阻抗相位误差和阻抗幅度误差各自表示跟可变负载阻抗的偏离，该匹配网络(16)为匹配可变负载阻抗和源阻抗而改变网络阻抗；
一模糊推论模块，接收相位误差信号和幅度误差信号，并分别定出至少一个模糊集中随从属关系变化的从属关系值；以及
一控制器，用来接收模糊逻辑规则并根据所述相位和幅度误差信号享有从属关系的模糊集分别给相位误差信号和幅度误差信号施加模糊逻辑规则，以便产生一个或多个用来改变网络阻抗的对应的调谐元件控制信号，由此源阻抗和负载阻抗得以匹配。
7.根据权利要求6的网络，其特征在于，控制器还包括一个规则模块，其具有一组根据从属关系值而施加的规则分别施加到相位误差信号和幅度误差信号中各信号，该规则模块给每组规则至少产生一个模糊逻辑输出。
8.根据权利要求7的网络，其特征在于，控制器还包括去模糊模块(37)，去模糊模块(37)分别将模糊输出转换为控制信号。
9.根据权利要求6的网络，其特征在于，匹配网络(16)至少包括可变电容和可变电感之一。
10.根据权利要求6的网络，其特征在于，匹配网络还包括用来改变网络阻抗的电路。
11.根据权利要求6的网络，其特征在于，负载(20)是一种射频等离子腔。
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