硅芯爐速度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案探討

吳 斌，暢行利

(西安理工晶體科技有限公司，陜西西安710077)

對(duì)于硅芯爐設(shè)備來(lái)講速度系統(tǒng)無(wú)疑是核心的部分，硅芯拉制的全過(guò)程其實(shí)是一個(gè)上下軸變速加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。在拉制時(shí)，拉晶人員對(duì)于拉制速度的控制和判斷是硅芯拉制的重點(diǎn)。要想把拉制速度控制好必須要求速度系統(tǒng)的精度和響應(yīng)速度。同樣判斷好速度就要求速度系統(tǒng)反饋信號(hào)，速度快，精度高且穩(wěn)定不受干擾。

現(xiàn)在的硅芯爐大都采用直流伺服系統(tǒng)加模擬調(diào)速作為速度控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，例如GX-36系列硅芯爐。系統(tǒng)單元由直流伺服電機(jī)、PWM直流控制器、信號(hào)處理PCB板、PLC組成。如圖1所示。

此速度系統(tǒng)中間環(huán)節(jié)較多，計(jì)算機(jī)接受操作指令后下達(dá)到PLC，通過(guò)PLC轉(zhuǎn)換為模擬速度信號(hào)傳遞到速度控制板PCB，處理后再到PWM控制器最后才能到達(dá)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，反饋的速度信號(hào)同樣要經(jīng)過(guò)這些環(huán)節(jié)才能到計(jì)算機(jī)畫(huà)面顯示。再次，由于速度系統(tǒng)的控制信號(hào)為模擬信號(hào)，中間處理環(huán)節(jié)多，容易受到高頻電源以及外界的干擾，例如速度控制板PCB自身沒(méi)有很好的屏蔽外殼，干擾很容易進(jìn)入，在設(shè)備調(diào)試中多次顯現(xiàn)此問(wèn)題。硅芯爐完整的速度系統(tǒng)包含上軸慢速，上軸快速，下軸慢速，下軸快速，下軸旋轉(zhuǎn)，每一個(gè)速度單元都有兩塊速度控制PCB導(dǎo)致電柜內(nèi)部接線很繁雜，線之間的分布電容無(wú)法避免，PCB板之間，導(dǎo)線之間互相干擾，使得信號(hào)更加不穩(wěn)定。

圖1 直流伺服系統(tǒng)單元構(gòu)成圖

考慮到后期調(diào)試維護(hù)，模擬信號(hào)電路完全基于人為的調(diào)節(jié)，設(shè)備生產(chǎn)和出廠調(diào)試時(shí)間很長(zhǎng)，長(zhǎng)期使用后模擬電路本身的零漂和不穩(wěn)定使得后期維護(hù)很麻煩，這樣無(wú)形之中增加了周期和成本。

從上面看出以直流伺服加模擬調(diào)速為基礎(chǔ)的速度控制系統(tǒng)不能很好地滿足現(xiàn)有硅芯拉制工藝的要求，同時(shí)增加設(shè)備的周期和成本，為此提高硅芯設(shè)備速度系統(tǒng)精度和反應(yīng)速度、穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)硅芯設(shè)備的主要方向。

1 方案

硅芯爐速度系統(tǒng)主要包含：上軸慢速，上軸快速，下軸慢速，下軸快速，下軸旋轉(zhuǎn)。這5個(gè)單元有各自獨(dú)立的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。由于直流電機(jī)速比比較小，不能兼顧設(shè)備各速度單元快慢速的范圍，所以快慢速度單元分開(kāi)來(lái)控制。這樣設(shè)計(jì)，單元很多。在考慮方案時(shí)可以采取合并快慢速單元，例如將上軸慢速和上軸快速合并為一個(gè)上軸速度，兼顧兩個(gè)速度范圍，達(dá)到精簡(jiǎn)單元的目標(biāo)。

考慮方案時(shí)以精簡(jiǎn)速度單元為目標(biāo)，同時(shí)采用合理的速度控制模式來(lái)替換原來(lái)直流伺服加模擬調(diào)速的模式。參考現(xiàn)行的一些控制模式重點(diǎn)考慮了以下速度控制和控制模式。①步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)。②以脈沖作為交流伺服控制方式。③以數(shù)字通訊為交流伺服控制方式。

1.1 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)

步進(jìn)電機(jī)價(jià)格低廉，且體積小易于安裝，無(wú)累計(jì)誤差，開(kāi)環(huán)控制簡(jiǎn)單。首先由于步進(jìn)電機(jī)自身沒(méi)有反饋信號(hào)，速度信號(hào)反饋需另外的傳感器采集。步進(jìn)電機(jī)低頻性不好很容易出現(xiàn)低頻震動(dòng)，加速時(shí)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，一般步進(jìn)電機(jī)從靜止到工作速度需要200～400 ms，反映較慢。同時(shí)步進(jìn)電機(jī)高速一般都是工作在300～600 r/min，而如果要達(dá)到合并快慢速的方式來(lái)考慮，硅芯爐的速比為1∶20 000，要求電機(jī)轉(zhuǎn)速很高，且變化頻繁?，F(xiàn)在的步進(jìn)電機(jī)大都使用脈沖來(lái)控制，速度變化頻繁對(duì)于PLC脈沖的處理難度會(huì)加大，程序處理會(huì)比較復(fù)雜且效率不高。可以看出步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)不適合速度范圍大，速度變化快的拉制工藝。

1.2 以脈沖作為交流伺服的控制方式

交流伺服的速度比很大一般可以達(dá)1∶50 000符合整合速度單元的大速度比的要求。交流伺服一般都有很好的過(guò)載能力，其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的3倍，可用于克服電動(dòng)瞬間的慣性力矩。且在額定速度范圍內(nèi)力矩基本保持不變。采用脈沖為控制信號(hào)，那么一套交流伺服就要一個(gè)獨(dú)立脈沖源，我們現(xiàn)在使用的小型PLC一般只有3個(gè)脈沖源，如果按照整合快慢速后的速度系統(tǒng)單元數(shù)量來(lái)算就占滿了這3個(gè)脈沖源，設(shè)備轉(zhuǎn)盤控制等其他系統(tǒng)就沒(méi)有脈沖源使用。這樣就需要更換PLC，增加脈沖源。同時(shí)硅芯爐處于高頻環(huán)境中，高頻對(duì)脈沖的生成和傳遞都有干擾作用，肯定會(huì)影響到速度系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.3 以數(shù)字通訊作為交流伺服的控制方式

現(xiàn)在絕大部分的交流伺服控制器都帶有通訊接口，可以直接和PLC的通訊口相連接，利用數(shù)字通訊的方式來(lái)傳遞速度指令，不需要什么特殊的硬件要求。且速度反饋信號(hào)可以通過(guò)數(shù)字通訊直接傳到PLC，無(wú)需中間環(huán)節(jié)，且理論上可以在高頻環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。

從以上分析看出方案三比較可行。

2 前期設(shè)計(jì)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證方案三我們選用三套同型號(hào)的交流伺服按照方案三構(gòu)成上軸速度，下軸速度，下軸旋轉(zhuǎn)。圖2所示為交流伺服速度系統(tǒng)示意圖。

圖2 交流伺服速度系統(tǒng)

構(gòu)建好速度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，要進(jìn)行各速度單元的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的計(jì)算和設(shè)計(jì)以及伺服功能規(guī)劃。具體過(guò)程如下：

(1)上軸速度：伺服電機(jī)連接減速部件，末端帶動(dòng)導(dǎo)輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)輪上安裝軟軸做上下運(yùn)動(dòng)。

A）確定減速機(jī)構(gòu)減速比和結(jié)構(gòu)

伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速由減速機(jī)構(gòu)減速后傳遞給傳動(dòng)軸做軸向位移運(yùn)動(dòng)。可以表示為：

式中：V電機(jī)為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速；

x為減速機(jī)構(gòu)的減速比；

K導(dǎo)輪周長(zhǎng)；

V軸為軸向速度。

根據(jù)硅芯爐拉制工藝上軸V軸，Vmax=2000 mm/min，最小 Vmin=0.1 mm/min，K=200 mm，將值代入(1)式，則得：

式中：VH是上軸運(yùn)動(dòng)速度為Vmax時(shí)對(duì)應(yīng)得伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，VL是上軸運(yùn)動(dòng)速度為Vmin時(shí)對(duì)應(yīng)得伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速。

由于伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為0.1～5000 r。選取VH=2000 r/min，VL=0.1 r/min，得 x=200。確定減速比后，將減速機(jī)構(gòu)分成兩部分，因?yàn)樯陷S要求減速機(jī)構(gòu)能夠自鎖。所以減速機(jī)構(gòu)分為兩部分1：10的星型減速器和1：20的蝸輪蝸桿減速。蝸輪蝸桿減速機(jī)可以自鎖，滿足了設(shè)備要求。

B)速度精度驗(yàn)證

硅芯拉晶工藝要求上軸速度精度為小數(shù)點(diǎn)后一位有效.例如0.2 mm/min，而且交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的精度為0.1 r/m，再次引入式(1)：

式中：x上軸伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速；M上軸速度。

以上計(jì)算得出電機(jī)速度精度和上軸速度精度是吻合的，不會(huì)出現(xiàn)小數(shù)后面第二位，可見(jiàn)這個(gè)減速比完全滿足上軸速度和伺服電機(jī)精度要求。

(2)下軸速度：伺服電機(jī)連接減速部件然后連接絲杠進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)下軸運(yùn)動(dòng)。

A） 確定減速比及其結(jié)構(gòu)

伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速由減速機(jī)構(gòu)減速后傳遞給傳動(dòng)軸做軸向位移運(yùn)動(dòng)。由以下公式可以表示電機(jī)轉(zhuǎn)速與軸向速度的關(guān)系：

式中：V電機(jī)為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速；x為減速機(jī)構(gòu)減速比；P為絲杠螺距；V軸軸向速度。

根據(jù)硅芯爐拉制工藝下軸V軸，Vmax=200 mm/min，Vmin=0.01 mm/min，P=5 mm。將值代入(3)式，則得：

式中：VH是下軸運(yùn)動(dòng)速度為Vmax時(shí)對(duì)應(yīng)得伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，VL是下軸運(yùn)動(dòng)速度為Vmin時(shí)對(duì)應(yīng)得伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速。

由于伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為0.1～5000 r。選取VH=2000 r/min，VL=0.1 r/min，得 x=50。由于下軸負(fù)載較重，絲杠不能自鎖。所以減速機(jī)構(gòu)分為兩部分1：5的星型減速器和1：10的蝸輪蝸桿減速。蝸輪蝸桿可以自鎖，滿足了設(shè)備要求。

B)速度精度驗(yàn)證

硅芯拉晶工藝要求下軸速度精度為小數(shù)點(diǎn)后二位有效.例如0.09 mm/min，而且交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的精度為0.1 r/min，再次引入式(3)：

式中：x下軸伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速；M下軸速度。

以上計(jì)算看出下軸速度乘以10倍后，不會(huì)出現(xiàn)小數(shù)后第二位，可見(jiàn)這個(gè)減速比完全滿足下軸速度精度和伺服電機(jī)精度要求。

（3）下軸旋轉(zhuǎn)：旋轉(zhuǎn)給電機(jī)帶動(dòng)渦輪蝸桿減速然后再通過(guò)皮帶平行傳遞給下軸。

A）確定減速比及其結(jié)構(gòu)

伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速由減速機(jī)構(gòu)減速后通過(guò)皮帶平行傳遞給傳動(dòng)軸做軸向位移運(yùn)動(dòng)。由以下公式可以表示電機(jī)轉(zhuǎn)速與軸向速度的關(guān)系：

式中：V電機(jī)為伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速；

x減速機(jī)構(gòu)減速比；

N皮帶傳遞比；

V軸為軸向速度。

根據(jù)硅芯爐拉制工藝下軸旋轉(zhuǎn)V軸，Vmax=30 r/min，Vmin=0.1 r/min，N=2，將值代入(5)式，則得：

式中：VH是下軸運(yùn)動(dòng)速度為Vmax時(shí)對(duì)應(yīng)的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速，VL是下軸運(yùn)動(dòng)速度為Vmin時(shí)對(duì)應(yīng)的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速。

由于伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為0.1～5000 r。選取VH=600 r/m，VL=2 r/m，得x=40。同上下軸將減速機(jī)構(gòu)分成兩部分：1：20的蝸輪蝸桿和1：2的皮帶。蝸輪蝸桿可以自鎖，滿足了設(shè)備要求。

B)速度精度驗(yàn)證

硅芯拉晶工藝要求下軸旋轉(zhuǎn)速度精度為小數(shù)點(diǎn)后一位有效，例如0.1 r/min，而且交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的精度為0.1 r/min，再次引入式(5)：

式中：x下軸旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速；M下軸旋轉(zhuǎn)速度。

以上計(jì)算看出下軸旋轉(zhuǎn)速度乘以20倍后，不會(huì)出現(xiàn)小數(shù)后第二位，可見(jiàn)這個(gè)減速比完全滿足下軸旋轉(zhuǎn)速度精度和伺服電機(jī)精度要求。

（4）伺服功能規(guī)劃。根據(jù)拉制硅芯的工藝特點(diǎn)，速度系統(tǒng)需要有緊急停止，上下限位和快慢速切換功能。原來(lái)這些功能的實(shí)現(xiàn)全部靠按鈕和機(jī)械開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)直接接線到PLC的I/O口，外部開(kāi)關(guān)信號(hào)從PLC經(jīng)過(guò)內(nèi)部程序掃描，再由I/O傳遞到速度控制PCB，最后到PWM控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能，響應(yīng)很慢。尤其快慢速切換會(huì)出現(xiàn)延時(shí)現(xiàn)象。很不利于拉晶人員操作，容易導(dǎo)致料和籽晶碰線圈打火。

現(xiàn)在直接利用交流伺服控制器的I/O口，可以實(shí)現(xiàn)這些功能，將外部的按鈕和觸點(diǎn)信號(hào)直接連線到交流伺服控制器本身的I/O口，然后將交流伺服控制器I/O口按照提前規(guī)劃好的功能需求，依次在伺服控制器面板上直接定義好即可。一旦外部信號(hào)進(jìn)入伺服控制器，直接對(duì)按鈕，觸點(diǎn)對(duì)動(dòng)作做出反應(yīng)，反應(yīng)速度很快，不會(huì)出現(xiàn)較長(zhǎng)的延時(shí)現(xiàn)象，大大提高了設(shè)備的安全性。

3 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱藴y(cè)試交流伺服系統(tǒng)加數(shù)字通訊的模式在模擬熱態(tài)環(huán)境下是否具有較好的速度精度、反應(yīng)和穩(wěn)定性。同時(shí)還要通過(guò)加載測(cè)試選擇的伺服是否滿足帶載要求。

將前期設(shè)計(jì)好的減速機(jī)構(gòu)安裝于硅芯爐設(shè)備。然后將PLC與上位機(jī)電腦連接。圖3所示為上位機(jī)實(shí)驗(yàn)畫(huà)面。

其中：SL上軸速度，CL下軸速度，RL下軸旋轉(zhuǎn)。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)準(zhǔn)備好后首先靜態(tài)（無(wú)高頻環(huán)境）測(cè)試了速度系統(tǒng)運(yùn)行動(dòng)作（上位機(jī)按鈕功能）和伺服規(guī)劃功能。靜態(tài)完畢后上下軸機(jī)構(gòu)都加載相當(dāng)量的負(fù)載，并開(kāi)啟高頻電源，進(jìn)行熱態(tài)測(cè)試。

圖3 上位機(jī)實(shí)驗(yàn)畫(huà)面

首先通過(guò)測(cè)試上軸速度（按照測(cè)試速度值測(cè)試×3的計(jì)長(zhǎng)范圍來(lái)計(jì)時(shí)）測(cè)試速度精度。得表格1。

表1 速度測(cè)試結(jié)果

取出181s最大值和最小值178 s。計(jì)算速度精度。偏差都在3%以內(nèi)。符合硅芯爐速度精度要求。

再進(jìn)行伺服電機(jī)快速力矩測(cè)試，考慮到上下運(yùn)動(dòng)時(shí)負(fù)載有變化，所以要在加載時(shí)反復(fù)上下運(yùn)動(dòng)測(cè)試。我們選取下軸測(cè)試（下軸有一定負(fù)載要求）采用最大速度200 mm/min。經(jīng)過(guò)對(duì)伺服控制器中轉(zhuǎn)矩參數(shù)的觀測(cè)，交流伺服的力矩特性配合1：50的減速比完全滿足力矩要求。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，沒(méi)有出現(xiàn)速度跳變，通訊中斷等情況，上位機(jī)和伺服窗口顯示正常。通過(guò)上位機(jī)測(cè)試到PLC收發(fā)數(shù)據(jù)幾乎沒(méi)有丟失。

4 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)方案的實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證，看出交流伺服系統(tǒng)完全可以滿足硅芯爐的技術(shù)規(guī)范，且比現(xiàn)有技術(shù)層次更高。從成本層面考慮由于采用交流伺服可以整合上軸快慢速和下軸快慢速，比原來(lái)的設(shè)備減少了2套減速機(jī)構(gòu)和2個(gè)控制器且取消了所用的PCB板。不但降低了經(jīng)濟(jì)成本且生產(chǎn)周期成本也大大縮短。調(diào)試周期也可以節(jié)省許多。

總之，交流伺服加數(shù)字通信的控制模式完全能夠滿足硅芯爐的技術(shù)規(guī)范。