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第十六期-PID参数对镀膜机温度控制

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  • 发布时间:2021-03-24
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【概要描述】镀膜机内的加热通常有两种方式。一种是加热丝式样,占用空间小,紧贴真空室壁安装,快速传热的有效距离比较短,红外辐射效应相对较弱,通常用于公转结构,热量可以不被阻扰的直接辐射到待镀基板背面。加热丝可以很方便的盘绕在真空室顶部,因此常被简称为上烘烤。其特点是基板表面的温度均匀性,与加热丝排布的几何方式,机器结构,以及PID参数密切相关。

第十六期-PID参数对镀膜机温度控制

【概要描述】镀膜机内的加热通常有两种方式。一种是加热丝式样,占用空间小,紧贴真空室壁安装,快速传热的有效距离比较短,红外辐射效应相对较弱,通常用于公转结构,热量可以不被阻扰的直接辐射到待镀基板背面。加热丝可以很方便的盘绕在真空室顶部,因此常被简称为上烘烤。其特点是基板表面的温度均匀性,与加热丝排布的几何方式,机器结构,以及PID参数密切相关。

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在第十五期内容中,小编对PID控制的基本概念进行了阐述,并以速率控制为例对PID的控制方法进行初步展示。本节重点讲解PID参数对镀膜机温度控制和镀膜工艺气体压力控制的影响。

一、 镀膜机温度控制

1.1 上烘烤和下烘烤

镀膜机内的加热通常有两种方式。一种是加热丝式样,占用空间小,紧贴真空室壁安装,快速传热的有效距离比较短,红外辐射效应相对较弱,通常用于公转结构,热量可以不被阻扰的直接辐射到待镀基板背面。加热丝可以很方便的盘绕在真空室顶部,因此常被简称为上烘烤。其特点是基板表面的温度均匀性,与加热丝排布的几何方式,机器结构,以及PID参数密切相关。

与此对应的另一种加热方式是下烘烤,以碘钨灯为代表。通常排布在真空室底部。快速导热的有限距离更长,红外辐射效应更强。通常用于公自转结构,热量可以自下而上直接辐射到待镀基板表面。相对上烘烤,下烘烤的特点是基板表面受热的均匀性,与卤素灯几何排布的关系相对没有那么紧密。

1.2 温度控制的特点

温度对象的特点是:时间常数大,滞后现象严重,反映在控制系统上,就是被控温度的变化滞后于调节器的输出。我们都知道热量的传递是需要一定的时间的,温度上升的快慢与其热容量的大小有关,通常温度的上升和下降和时间是一个指数曲线关系,而产生之后则与热量的传递过程相关,在这测温元件也是有一定的惯性的,也会在一定程度上导致滞后效应的。

当一台镀膜设备的硬件以及温度自动控制系统组成确定后,温度的特性也就确定了,这时温度的控制取决于PID参数。温度PID参数在工程中的整定就是针对温度的控制回路,给出一个保证过程控制最好的参数值。一般没有特殊要求镀膜机都是通过温控仪来自动整定PID参数,不用人工调整。

1.3 温度PID控制及典型参数

针对上烘烤,主要调节的参数有:设定温度、加热丝输出功率、比例参数(Process Gain)、积分时间(Integration time)和微分时间(Derivative time),就是我们工程中常用的PID。其中设定温度和加热丝输出功率根据工程实际情况而定,而P、I、D需要根据设定温度的高低做出适当的变化,调节顺序为P→I→D。本文从设定温度150℃来讲解PID调节方法,其他温度的调节方法与之相似。

    1.3.1 比例参数(P)调节

P参数的范围是0-100%。图中参数I为0s,D为0s,P参数分别设为25%、30%、50%。从图中可以看出:25%曲线升温缓慢,最终没有达到设定值;30%曲线升温速度一般,没有过冲现象,并且可以稳定在设定值上;50%曲线升温速度加快,但温度过冲10℃。

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P参数数值增大。会使系统的反馈作用加强,使升温速度增大,但是会逐渐增大过冲的幅度,产生误差。调节的方法为P参数由小到大调节,出现过冲时,P参数即可。

    1.3.2 积分时间(I)调节

I参数的范围是0-5000s。图中参数P30%,D为0s,I参数分别设置为500s、2000s、4000s。从图中可以看出:4000s曲线升温缓慢,没有过冲现象,并且温度保持平稳;2000s曲线升温变快,但误差增大,调节稳定时间变长;500s曲线升温迅速,过冲过大,调节稳定时间较长。

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I参数较大,升温缓慢,温度逐步稳定于设定值;当I参数较小时,升温迅速,但是会有不同大小的过冲。I参数应当由大到小进行调整,只需满足无稳态误差即可,并且I不可过小。

    1.3.3 微分时间(D)调节

D参数的范围为0-1000s。图中参数P为30%,I4000s,D参数分别设为5s、50s、200s。从图中可以看出:5s曲线升温时间较慢,后稳定于设定值;50s曲线升温加快,出现温度过冲以及震荡现象;200s曲线温度过冲更加严重,调节稳定时间较久。

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加热过程是具有滞后效应的,因此加入微分可提前预测变化趋势,做出调节。D参数从零开始逐渐增加,升温速度会加快,但随着数值的增加会出现过冲甚至是超温现象,所以D参数应由小到大调整,直至系统稳定快速即可,不可过大。

1.4 机器结构对温度PID控制的影响

温度的过冲除了与我们给定好的PID参数有关,还与镀膜机的机器结构有关。国泰真空镀膜机的上烘烤加热丝一般为下图所示装配,分多个区域控制各组加热丝的电压。加热丝的工作原理是温控仪给定一个初始输入功率(85%左右),五组加热丝根据设定温度,采用稳压调节方式,自动调节电压。PID采用自动整定,若自动整定不能满足工程需要,也可手动给定PID值。

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    国泰机器将百叶窗改为向上安装,被泵组优先抽走的则是真空室上方热气,从而使工件盘的温度不会由于过度堆积热量而过冲,使系统温度调节更加稳定。

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    反之,百叶窗的进气口如果向下安装,首先被泵组抽走的是真空室下方的冷气,而工件盘上方的热气会堆积在上方,若使用低温镀膜则会使温度过冲严重。

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    二、 镀膜机工艺气体压力控制

2.1 气体压力控制的特点

真空镀膜机中的压力控制环节是通过真空计对当下真空度的读取,并将真空度推送给压控仪对真空度进行判断,并使流量计通过控制磁控阀来控制进入真空室内的气体流量来进行压力控制。真空的控制与温度的控制相比反映时间较快,所以在压控的PID参数中一般不需要对微分(D)参数进行调节,D=0即可。

2.2 气体压力PID控制举例

小编利用国泰机对气体压力控制过程进行演示。以下是实验过程。真空室本底真空8×10-4Pa,目标压控真空为1.05×10-2Pa。

    2.2.1 参数1:P=150 I=0.5 D=0

通过下图中曲线可以看出,这组PID参数调节时间比较迅速,有一定的过冲但很快就调节至设定值并稳定下来,这组PID参数是我们常用的真空控制PID参数,在后文中此组参数将作为对比组。

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    2.2.2 参数2:P=500 I=0.5 D=0

在这组参数中,我们只将P参数增加到500,从图中可以看出系统调节的幅度变大,调节的时间很短,但启动调节的时间变长了。所以当真空的调节过程中出现启动时间长,并调节速度过快,且可能伴随较大的过冲的时候,我们就需要适当减小P参数。

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 2.2.3 参数3:P=20 I=0.5 D=0

在这组参数中,我们只将P 参数减小到20,从图中我们可以看出调节的启动时间没有太大的变化,而调节的幅度变小了,致使调节次数变多,并且由于调节幅度过小,而是真空度无法稳定在设定值。对于这种情况,我们就应该适当的增大P参数。

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    2.2.4 参数4:P=150 I=10 D=0

在这组参数中,我们只将I的参数增加到了10,从图中我们可以看出从开始调节到调节至稳定与设定值的时间变长了,说明I参数主要影响的是误差调节响应的快慢。若在使用压控过程中出现这种调节时间过长或者调节速度较慢的情况,应适当减小I值,提高系统反应速度。

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    2.2.5 参数5:P=150 I=0.1 D=0

在这组参数中,我们只将I参数减小到了0.1,从图中可以看出系统的调节时间变短了,系统变得更加灵敏,但也更不稳定,最终是没有稳定于我们的设定值的,所以说减小I参数会使我们的系统调节变快,响应更灵敏,不过带来的坏处就是若数值太小,灵敏度过高就很容易造成控制系统失控。

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2.3 压力控制小结

通过具体实例分析了真空镀膜机中的压力控制的PID参数是怎么影响控制系统的工作的,压控仪中的PI参数是协同工作的,理论上来讲,不同的P值都会对应一个I值使系统工作稳定。调节方法主要依靠掌握各个参数的调节规律来缓慢调节,毕竟PID的参数只有合适没有最优。

需要补充的是:1、工艺气体进气压力阀的实际压力大小会影响真空室压力控制效果。压力阀如果坏了,会导致工艺气体压力无法稳定。2、工艺气体压力会影响镀膜速率。气压不稳定,也会在一定程度上导致镀膜速率不稳定。3、很多设备有提前多少秒开始充工艺气体这一选项。这个时间必须结合当前设备PID的实际效果来设定。

三、 PID小结

无论速率,温度还是气压控制,其PID参数的调控,都可以参考以下口诀:

参数整定找最佳,从小到大顺序查;

先是比例后积分,最后再把微分加;

曲线振荡很频繁,比例度盘要放大;

曲线漂浮绕大湾,比例度盘往小扳;

曲线偏离回复慢,积分时间往下降;

曲线波动周期长,积分时间再加长;

曲线振荡频率快,先把微分降下来;

动差大来波动慢。微分时间应加长;

理想曲线两个波,前高后低四比一;

一看二调多分析,调节质量不会低。

实际镀膜调试中,不同机器的配置不同,工艺条件不同,PID参数不同直接照搬;工艺条件是个动态过程,所控制参数只需要稳定在一个可接受的范围内,PID参数只有合适。

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