交流伺服电机的多波形旋转控制系统研究

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摘要：为探索大直径单晶体生长系统的最佳旋转波形和控制参数．研制开发了晶体坩埚多波形旋转控制系统。主要部件采用
2 s$ I* }4 m. }0 h嵌入式单片机、交流伺服电机及D／A转换器等。提出了一种用D／A转换器实现交流伺服电机高精度调速的优化算法，提高
了控制精度。简化了编程方案。试验证明该系统性能可靠，工作稳定。现已正式投入使用。

- }6 \' V9 s- t: J! ]1 c( M, m1引言
随着微电子的不断发展，大体积高质量单晶体材料的优越
5 [7 j5 o2 r" U# x/ _性能愈来愈受到人们的晴来。尤其国防高科技装备。但大体积高
- y( k  F) b& B+ m  j  P质量单晶体材料的生产却是一个技术难题。理论研究发现，影响
单晶体生长的主要因素是热质对流。寻找最有控制规律。严格控
) x+ ~  z$ r( G6 Q$ O9 I8 q制热质对流，在单晶体生长过程中就显得尤为重要。为获得高质
) _/ g7 R& V$ z7 }量的单晶体，除了按晶体生长要求提供合适的温度场外，通常采
; \: c% W- F: \; O" r" A8 e用坩埚加速旋转技术来产生热质对流，以改变晶体生长界面前
- \, P1 t2 |0 m, `3 O5 K沿热量和质量传输条件，其工作示意图如图1所示。
2 i' S6 s! g& s: s
理论和实验研究表明，合适的坩埚旋转方式能较好地控制
晶体生长界面的形状。增强界面的稳定性．减小溶质边界层的
厚度，加快液相传质。允许晶体以较高的速度稳定生长。为了寻
求晶体生长最理想的旋转方式，基于交流伺服电机实现的多波
形旋转控制系统应运而生。它能够使交流伺服电机产生梯形
6 w- o1 J  a3 u. V- V: c6 r波，正弦波，三角波和矩形波等多种形式的旋转。从而使坩埚在
" \7 @, ]$ w. t3 T做缓慢平稳下移的同时，也做相应的旋转运动。它在一个周期

图2坩埚旋转控制规律图
为了进一步探索晶体生长质量与旋转波型的关系，寻求单晶
体生长的最佳旋转波形和参数。根据旋转规律和流体稳定性理论
要求，设计正、反转最大转速nt,112在l—600转份范围内可任意
3 z$ f& S1 c, s4 Y可调。升降速时间Tl可在l—100秒内任意可调。匀速运行时间
T2、T3可在肚_200秒内任意调节。正弦波的半周期T可在5-200
$ e- @3 ^, }6 f- E9 }秒内可调。除此之外，还要求在T1段上的速度变化为线性。
2硬件电路设计
2．1伺服电机的选择
% d) i; V1 S2 Z" l3 y/ b+ Z伺服电机有直流和交流之分。目前松下交流伺服电机系统
性价比较高。它有交流伺服驱动器和交流伺服电动机两部分组
( `2 s+ j- G1 |1 N6 X成，内设速度反馈和位置反馈。具有控制精度高，性能稳定，成本
8 V8 r# o1 o; m9 w+ q$ K% U5 d较低，调试维修方便等优点。它有三种控制方式：位置控制。速度
. v9 d( }, v( Q控制，转矩控制。由于本课题要求实现速度控制，故选择用速度
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埋头拉线ing

伺服电机有直流和交流两种