硅芯爐速度控制系統設計方案探討

吳 斌，暢行利

(西安理工晶體科技有限公司，陜西西安710077)

對于硅芯爐設備來講速度系統無疑是核心的部分，硅芯拉制的全過程其實是一個上下軸變速加旋轉運動的過程。在拉制時，拉晶人員對于拉制速度的控制和判斷是硅芯拉制的重點。要想把拉制速度控制好必須要求速度系統的精度和響應速度。同樣判斷好速度就要求速度系統反饋信號，速度快，精度高且穩定不受干擾。

現在的硅芯爐大都采用直流伺服系統加模擬調速作為速度控制系統的基礎，例如GX-36系列硅芯爐。系統單元由直流伺服電機、PWM直流控制器、信號處理PCB板、PLC組成。如圖1所示。

此速度系統中間環節較多，計算機接受操作指令后下達到PLC，通過PLC轉換為模擬速度信號傳遞到速度控制板PCB，處理后再到PWM控制器最后才能到達執行機構，反饋的速度信號同樣要經過這些環節才能到計算機畫面顯示。再次，由于速度系統的控制信號為模擬信號，中間處理環節多，容易受到高頻電源以及外界的干擾，例如速度控制板PCB自身沒有很好的屏蔽外殼，干擾很容易進入，在設備調試中多次顯現此問題。硅芯爐完整的速度系統包含上軸慢速，上軸快速，下軸慢速，下軸快速，下軸旋轉，每一個速度單元都有兩塊速度控制PCB導致電柜內部接線很繁雜，線之間的分布電容無法避免，PCB板之間，導線之間互相干擾，使得信號更加不穩定。

圖1 直流伺服系統單元構成圖

考慮到后期調試維護，模擬信號電路完全基于人為的調節，設備生產和出廠調試時間很長，長期使用后模擬電路本身的零漂和不穩定使得后期維護很麻煩，這樣無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速為基礎的速度控制系統不能很好地滿足現有硅芯拉制工藝的要求，同時增加設備的周期和成本，為此提高硅芯設備速度系統精度和反應速度、穩定性是設計硅芯設備的主要方向。

1 方案

硅芯爐速度系統主要包含：上軸慢速，上軸快速，下軸慢速，下軸快速，下軸旋轉。這5個單元有各自獨立的執行機構和傳動機構。由于直流電機速比比較小，不能兼顧設備各速度單元快慢速的范圍，所以快慢速度單元分開來控制。這樣設計，單元很多。在考慮方案時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上軸速度，兼顧兩個速度范圍，達到精簡單元的目標。

考慮方案時以精簡速度單元為目標，同時采用合理的速度控制模式來替換原來直流伺服加模擬調速的模式。參考現行的一些控制模式重點考慮了以下速度控制和控制模式。①步進電機系統。②以脈沖作為交流伺服控制方式。③以數字通訊為交流伺服控制方式。

1.1 步進電機系統

步進電機價格低廉，且體積小易于安裝，無累計誤差，開環控制簡單。首先由于步進電機自身沒有反饋信號，速度信號反饋需另外的傳感器采集。步進電機低頻性不好很容易出現低頻震動，加速時準備時間長，一般步進電機從靜止到工作速度需要200～400 ms，反映較慢。同時步進電機高速一般都是工作在300～600 r/min，而如果要達到合并快慢速的方式來考慮，硅芯爐的速比為1∶20 000，要求電機轉速很高，且變化頻繁。現在的步進電機大都使用脈沖來控制，速度變化頻繁對于PLC脈沖的處理難度會加大，程序處理會比較復雜且效率不高。可以看出步進電機系統不適合速度范圍大，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載能力，其最大轉矩為額定轉矩的3倍，可用于克服電動瞬間的慣性力矩。且在額定速度范圍內力矩基本保持不變。采用脈沖為控制信號，那么一套交流伺服就要一個獨立脈沖源，我們現在使用的小型PLC一般只有3個脈沖源，如果按照整合快慢速后的速度系統單元數量來算就占滿了這3個脈沖源，設備轉盤控制等其他系統就沒有脈沖源使用。這樣就需要更換PLC，增加脈沖源。同時硅芯爐處于高頻環境中，高頻對脈沖的生成和傳遞都有干擾作用，肯定會影響到速度系統的穩定性。

1.3 以數字通訊作為交流伺服的控制方式

現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，利用數字通訊的方式來傳遞速度指令，不需要什么特殊的硬件要求。且速度反饋信號可以通過數字通訊直接傳到PLC，無需中間環節，且理論上可以在高頻環境下穩定運行。

從以上分析看出方案三比較可行。

2 前期設計

為了進一步驗證方案三我們選用三套同型號的交流伺服按照方案三構成上軸速度，下軸速度，下軸旋轉。圖2所示為交流伺服速度系統示意圖。

圖2 交流伺服速度系統

構建好速度系統結構，要進行各速度單元的機械傳動機構的計算和設計以及伺服功能規劃。具體過程如下：

(1)上軸速度：伺服電機連接減速部件，末端帶動導輪做旋轉運動。導輪上安裝軟軸做上下運動。

A）確定減速機構減速比和結構

伺服電機轉速由減速機構減速后傳遞給傳動軸做軸向位移運動。可以表示為：

式中：V電機為伺服電機轉速；

x為減速機構的減速比；

K導輪周長；

V軸為軸向速度。

根據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是上軸運動速度為Vmax時對應得伺服電機轉速，VL是上軸運動速度為Vmin時對應得伺服電機轉速。

由于伺服電機轉速范圍為0.1～5000 r。選取VH=2000 r/min，VL=0.1 r/min，得 x=200。確定減速比后，將減速機構分成兩部分，因為上軸要求減速機構能夠自鎖。所以減速機構分為兩部分1：10的星型減速器和1：20的蝸輪蝸桿減速。蝸輪蝸桿減速機可以自鎖，滿足了設備要求。

B)速度精度驗證

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

式中：x上軸伺服電機轉速；M上軸速度。

以上計算得出電機速度精度和上軸速度精度是吻合的，不會出現小數后面第二位，可見這個減速比完全滿足上軸速度和伺服電機精度要求。

(2)下軸速度：伺服電機連接減速部件然后連接絲杠進行上下運動從而帶動下軸運動。

A） 確定減速比及其結構

伺服電機轉速由減速機構減速后傳遞給傳動軸做軸向位移運動。由以下公式可以表示電機轉速與軸向速度的關系：

式中：V電機為伺服電機轉速；x為減速機構減速比；P為絲杠螺距；V軸軸向速度。

根據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是下軸運動速度為Vmax時對應得伺服電機轉速，VL是下軸運動速度為Vmin時對應得伺服電機轉速。

由于伺服電機轉速范圍為0.1～5000 r。選取VH=2000 r/min，VL=0.1 r/min，得 x=50。由于下軸負載較重，絲杠不能自鎖。所以減速機構分為兩部分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，滿足了設備要求。

B)速度精度驗證

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

式中：x下軸伺服電機轉速；M下軸速度。

以上計算看出下軸速度乘以10倍后，不會出現小數后第二位，可見這個減速比完全滿足下軸速度精度和伺服電機精度要求。

（3）下軸旋轉：旋轉給電機帶動渦輪蝸桿減速然后再通過皮帶平行傳遞給下軸。

A）確定減速比及其結構

伺服電機轉速由減速機構減速后通過皮帶平行傳遞給傳動軸做軸向位移運動。由以下公式可以表示電機轉速與軸向速度的關系：

式中：V電機為伺服電機轉速；

x減速機構減速比；

N皮帶傳遞比；

V軸為軸向速度。

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

式中：VH是下軸運動速度為Vmax時對應的伺服電機轉速，VL是下軸運動速度為Vmin時對應的伺服電機轉速。

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

B)速度精度驗證

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

式中：x下軸旋轉伺服電機轉速；M下軸旋轉速度。

以上計算看出下軸旋轉速度乘以20倍后，不會出現小數后第二位，可見這個減速比完全滿足下軸旋轉速度精度和伺服電機精度要求。

（4）伺服功能規劃。根據拉制硅芯的工藝特點，速度系統需要有緊急停止，上下限位和快慢速切換功能。原來這些功能的實現全部靠按鈕和機械開關觸點直接接線到PLC的I/O口，外部開關信號從PLC經過內部程序掃描，再由I/O傳遞到速度控制PCB，最后到PWM控制器來實現這些功能，響應很慢。尤其快慢速切換會出現延時現象。很不利于拉晶人員操作，容易導致料和籽晶碰線圈打火。

現在直接利用交流伺服控制器的I/O口，可以實現這些功能，將外部的按鈕和觸點信號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。一旦外部信號進入伺服控制器，直接對按鈕，觸點對動作做出反應，反應速度很快，不會出現較長的延時現象，大大提高了設備的安全性。

3 實驗與驗證

實驗目的是為了測試交流伺服系統加數字通訊的模式在模擬熱態環境下是否具有較好的速度精度、反應和穩定性。同時還要通過加載測試選擇的伺服是否滿足帶載要求。

將前期設計好的減速機構安裝于硅芯爐設備。然后將PLC與上位機電腦連接。圖3所示為上位機實驗畫面。

其中：SL上軸速度，CL下軸速度，RL下軸旋轉。

實驗平臺準備好后首先靜態（無高頻環境）測試了速度系統運行動作（上位機按鈕功能）和伺服規劃功能。靜態完畢后上下軸機構都加載相當量的負載，并開啟高頻電源，進行熱態測試。

圖3 上位機實驗畫面

首先通過測試上軸速度（按照測試速度值測試×3的計長范圍來計時）測試速度精度。得表格1。

表1 速度測試結果

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

再進行伺服電機快速力矩測試，考慮到上下運動時負載有變化，所以要在加載時反復上下運動測試。我們選取下軸測試（下軸有一定負載要求）采用最大速度200 mm/min。經過對伺服控制器中轉矩參數的觀測，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。

實驗過程中，沒有出現速度跳變，通訊中斷等情況，上位機和伺服窗口顯示正常。通過上位機測試到PLC收發數據幾乎沒有丟失。

4 結 論

經過系統方案的實驗與驗證，看出交流伺服系統完全可以滿足硅芯爐的技術規范，且比現有技術層次更高。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，比原來的設備減少了2套減速機構和2個控制器且取消了所用的PCB板。不但降低了經濟成本且生產周期成本也大大縮短。調試周期也可以節省許多。

總之，交流伺服加數字通信的控制模式完全能夠滿足硅芯爐的技術規范。