硅芯炉速度控制系统设计方案探讨

2012-06-28畅行利

电子工业专用设备 2012年2期

吴斌，畅行利

(西安理工晶体科技有限公司，陕西西安710077)

对于硅芯炉设备来讲速度系统无疑是核心的部分，硅芯拉制的全过程其实是一个上下轴变速加旋转运动的过程。在拉制时，拉晶人员对于拉制速度的控制和判断是硅芯拉制的重点。要想把拉制速度控制好必须要求速度系统的精度和响应速度。同样判断好速度就要求速度系统反馈信号，速度快，精度高且稳定不受干扰。

现在的硅芯炉大都采用直流伺服系统加模拟调速作为速度控制系统的基础，例如GX-36系列硅芯炉。系统单元由直流伺服电机、PWM直流控制器、信号处理PCB板、PLC组成。如图1所示。

此速度系统中间环节较多，计算机接受操作指令后下达到PLC，通过PLC转换为模拟速度信号传递到速度控制板PCB，处理后再到PWM控制器最后才能到达执行机构，反馈的速度信号同样要经过这些环节才能到计算机画面显示。再次，由于速度系统的控制信号为模拟信号，中间处理环节多，容易受到高频电源以及外界的干扰，例如速度控制板PCB自身没有很好的屏蔽外壳，干扰很容易进入，在设备调试中多次显现此问题。硅芯炉完整的速度系统包含上轴慢速，上轴快速，下轴慢速，下轴快速，下轴旋转，每一个速度单元都有两块速度控制PCB导致电柜内部接线很繁杂，线之间的分布电容无法避免，PCB板之间，导线之间互相干扰，使得信号更加不稳定。

图1 直流伺服系统单元构成图

考虑到后期调试维护，模拟信号电路完全基于人为的调节，设备生产和出厂调试时间很长，长期使用后模拟电路本身的零漂和不稳定使得后期维护很麻烦，这样无形之中增加了周期和成本。

从上面看出以直流伺服加模拟调速为基础的速度控制系统不能很好地满足现有硅芯拉制工艺的要求，同时增加设备的周期和成本，为此提高硅芯设备速度系统精度和反应速度、稳定性是设计硅芯设备的主要方向。

1 方案

硅芯炉速度系统主要包含：上轴慢速，上轴快速，下轴慢速，下轴快速，下轴旋转。这5个单元有各自独立的执行机构和传动机构。由于直流电机速比比较小，不能兼顾设备各速度单元快慢速的范围，所以快慢速度单元分开来控制。这样设计，单元很多。在考虑方案时可以采取合并快慢速单元，例如将上轴慢速和上轴快速合并为一个上轴速度，兼顾两个速度范围，达到精简单元的目标。

考虑方案时以精简速度单元为目标，同时采用合理的速度控制模式来替换原来直流伺服加模拟调速的模式。参考现行的一些控制模式重点考虑了以下速度控制和控制模式。①步进电机系统。②以脉冲作为交流伺服控制方式。③以数字通讯为交流伺服控制方式。

1.1 步进电机系统

步进电机价格低廉，且体积小易于安装，无累计误差，开环控制简单。首先由于步进电机自身没有反馈信号，速度信号反馈需另外的传感器采集。步进电机低频性不好很容易出现低频震动，加速时准备时间长，一般步进电机从静止到工作速度需要200～400 ms，反映较慢。同时步进电机高速一般都是工作在300～600 r/min，而如果要达到合并快慢速的方式来考虑，硅芯炉的速比为1∶20 000，要求电机转速很高，且变化频繁。现在的步进电机大都使用脉冲来控制，速度变化频繁对于PLC脉冲的处理难度会加大，程序处理会比较复杂且效率不高。可以看出步进电机系统不适合速度范围大，速度变化快的拉制工艺。

1.2 以脉冲作为交流伺服的控制方式

交流伺服的速度比很大一般可以达1∶50 000符合整合速度单元的大速度比的要求。交流伺服一般都有很好的过载能力，其最大转矩为额定转矩的3倍，可用于克服电动瞬间的惯性力矩。且在额定速度范围内力矩基本保持不变。采用脉冲为控制信号，那么一套交流伺服就要一个独立脉冲源，我们现在使用的小型PLC一般只有3个脉冲源，如果按照整合快慢速后的速度系统单元数量来算就占满了这3个脉冲源，设备转盘控制等其他系统就没有脉冲源使用。这样就需要更换PLC，增加脉冲源。同时硅芯炉处于高频环境中，高频对脉冲的生成和传递都有干扰作用，肯定会影响到速度系统的稳定性。

1.3 以数字通讯作为交流伺服的控制方式

现在绝大部分的交流伺服控制器都带有通讯接口，可以直接和PLC的通讯口相连接，利用数字通讯的方式来传递速度指令，不需要什么特殊的硬件要求。且速度反馈信号可以通过数字通讯直接传到PLC，无需中间环节，且理论上可以在高频环境下稳定运行。

从以上分析看出方案三比较可行。

2 前期设计

为了进一步验证方案三我们选用三套同型号的交流伺服按照方案三构成上轴速度，下轴速度，下轴旋转。图2所示为交流伺服速度系统示意图。

图2 交流伺服速度系统

构建好速度系统结构，要进行各速度单元的机械传动机构的计算和设计以及伺服功能规划。具体过程如下：

(1)上轴速度：伺服电机连接减速部件，末端带动导轮做旋转运动。导轮上安装软轴做上下运动。

A）确定减速机构减速比和结构

伺服电机转速由减速机构减速后传递给传动轴做轴向位移运动。可以表示为：

式中：V电机为伺服电机转速；

x为减速机构的减速比；

K导轮周长；

V轴为轴向速度。

根据硅芯炉拉制工艺上轴V轴，Vmax=2000 mm/min，最小 Vmin=0.1 mm/min，K=200 mm，将值代入(1)式，则得：

式中：VH是上轴运动速度为Vmax时对应得伺服电机转速，VL是上轴运动速度为Vmin时对应得伺服电机转速。

由于伺服电机转速范围为0.1～5000 r。选取VH=2000 r/min，VL=0.1 r/min，得 x=200。确定减速比后，将减速机构分成两部分，因为上轴要求减速机构能够自锁。所以减速机构分为两部分1：10的星型减速器和1：20的蜗轮蜗杆减速。蜗轮蜗杆减速机可以自锁，满足了设备要求。

B)速度精度验证

硅芯拉晶工艺要求上轴速度精度为小数点后一位有效.例如0.2 mm/min，而且交流伺服电机转速的精度为0.1 r/m，再次引入式(1)：

式中：x上轴伺服电机转速；M上轴速度。

以上计算得出电机速度精度和上轴速度精度是吻合的，不会出现小数后面第二位，可见这个减速比完全满足上轴速度和伺服电机精度要求。

(2)下轴速度：伺服电机连接减速部件然后连接丝杠进行上下运动从而带动下轴运动。

A）确定减速比及其结构

伺服电机转速由减速机构减速后传递给传动轴做轴向位移运动。由以下公式可以表示电机转速与轴向速度的关系：

式中：V电机为伺服电机转速；x为减速机构减速比；P为丝杠螺距；V轴轴向速度。

根据硅芯炉拉制工艺下轴V轴，Vmax=200 mm/min，Vmin=0.01 mm/min，P=5 mm。将值代入(3)式，则得：

式中：VH是下轴运动速度为Vmax时对应得伺服电机转速，VL是下轴运动速度为Vmin时对应得伺服电机转速。

由于伺服电机转速范围为0.1～5000 r。选取VH=2000 r/min，VL=0.1 r/min，得 x=50。由于下轴负载较重，丝杠不能自锁。所以减速机构分为两部分1：5的星型减速器和1：10的蜗轮蜗杆减速。蜗轮蜗杆可以自锁，满足了设备要求。

B)速度精度验证

硅芯拉晶工艺要求下轴速度精度为小数点后二位有效.例如0.09 mm/min，而且交流伺服电机转速的精度为0.1 r/min，再次引入式(3)：

式中：x下轴伺服电机转速；M下轴速度。

以上计算看出下轴速度乘以10倍后，不会出现小数后第二位，可见这个减速比完全满足下轴速度精度和伺服电机精度要求。

（3）下轴旋转：旋转给电机带动涡轮蜗杆减速然后再通过皮带平行传递给下轴。

A）确定减速比及其结构

伺服电机转速由减速机构减速后通过皮带平行传递给传动轴做轴向位移运动。由以下公式可以表示电机转速与轴向速度的关系：

式中：V电机为伺服电机转速；

x减速机构减速比；

N皮带传递比；

V轴为轴向速度。

根据硅芯炉拉制工艺下轴旋转V轴，Vmax=30 r/min，Vmin=0.1 r/min，N=2，将值代入(5)式，则得：

式中：VH是下轴运动速度为Vmax时对应的伺服电机转速，VL是下轴运动速度为Vmin时对应的伺服电机转速。

由于伺服电机转速范围为0.1～5000 r。选取VH=600 r/m，VL=2 r/m，得x=40。同上下轴将减速机构分成两部分：1：20的蜗轮蜗杆和1：2的皮带。蜗轮蜗杆可以自锁，满足了设备要求。

B)速度精度验证

硅芯拉晶工艺要求下轴旋转速度精度为小数点后一位有效，例如0.1 r/min，而且交流伺服电机转速的精度为0.1 r/min，再次引入式(5)：

式中：x下轴旋转伺服电机转速；M下轴旋转速度。

以上计算看出下轴旋转速度乘以20倍后，不会出现小数后第二位，可见这个减速比完全满足下轴旋转速度精度和伺服电机精度要求。

（4）伺服功能规划。根据拉制硅芯的工艺特点，速度系统需要有紧急停止，上下限位和快慢速切换功能。原来这些功能的实现全部靠按钮和机械开关触点直接接线到PLC的I/O口，外部开关信号从PLC经过内部程序扫描，再由I/O传递到速度控制PCB，最后到PWM控制器来实现这些功能，响应很慢。尤其快慢速切换会出现延时现象。很不利于拉晶人员操作，容易导致料和籽晶碰线圈打火。

现在直接利用交流伺服控制器的I/O口，可以实现这些功能，将外部的按钮和触点信号直接连线到交流伺服控制器本身的I/O口，然后将交流伺服控制器I/O口按照提前规划好的功能需求，依次在伺服控制器面板上直接定义好即可。一旦外部信号进入伺服控制器，直接对按钮，触点对动作做出反应，反应速度很快，不会出现较长的延时现象，大大提高了设备的安全性。