Control no Lineal Robusto de una Máquina para Fabricación de Películas Delgadas

Abstract

ResumenEn este artículo se presenta un esquema de control para una máquina utilizada para fabricación de películas delgadas, con un motor de corriente directa sin escobillas, basada en el método de centrifugación. Se incluye el modelo no lineal del motor sin escobillas, que corresponde a una máquina síncrona trifásica, con los flujos del rotor y las corrientes en el estator, como las dinámicas eléctricas, además de la velocidad en el rotor, como la dinámica mecánica. El objetivo de control es la regulación de la velocidad del rotor. Se utilizó la técnica de control por bloques y así obtener una variedad deslizante. Se eligió la técnica de control por modos deslizantes para garantizar que la variedad elegida sea atractiva y obtener robustez en lazo cerrado. Para completar el esquema de control se incluye un observador para estimar los estados no medibles, en este caso, los flujos del rotor. Se implementó el esquema de control propuesto en la máquina para fabricación de películas delgadas, además de un controlador basado en un PID con ganancias programadas, lo anterior para realizar la comparación de ambas técnicas. El esquema de control por modos deslizantes propuesto presenta ventajas sobre el controlador PID, ya que se obtiene la regulación de la velocidad del rotor, sin error en estado estacionario, considerando variaciones paramétricas. Palabras Clave:Modos deslizantes, Sistema no lineal, Motor sin escobillas, Controlador PID. IntroducciónUna de las principales técnicas para la obtención de películas delgadas es el método de centrifugación o spin-coating, utilizado para depositar soluciones en sustratos planos, en general, hechos de vidrio. El procedimiento consta de cuatro partes: 1) depósito, 2) aceleración, 3) velocidad constante, y 4) evaporación. En la etapa de depósito, una cantidad determinada de una solución, compuesta de un material mezclado con solvente en una proporción conocida, se vierte en el centro del sustrato. De acuerdo a las necesidades del usuario, el sustrato puede tener diferentes dimensiones; se coloca en el centro de una base giratoria y se sujeta mediante algún adhesivo o una bomba de vacío, siendo el segundo método el más utilizado por su practicidad y seguridad (Tyona, 2013).En la etapa de depósito, el sustrato puede estar en reposo o girando con baja velocidad, típicamente 500 RPM. En la segunda etapa, aceleración, se incrementa la velocidad angular del sustrato hasta alcanzar la velocidad requerida. Una vez que se alcanza la velocidad requerida, inicia la etapa de velocidad constante, el usuario selecciona su duración. La velocidad angular puede alcanzar hasta las 10,000 RPM y debe ser controlada con alta precisión, sin variaciones, para lograr la uniformidad y calidad adecuada en la película y garantizar repetitividad en los resultados.Se pueden requerir varias etapas de aceleración y velocidad constante. La evaporación ocurre durante todo el proceso y se puede utilizar tratamiento térmico para retirar el exceso de solvente. Entonces, la máquina para spin coating, llamado spincoa...