晶體生長(zhǎng)控制中的高精度控溫系統(tǒng)
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關(guān)鍵詞：晶體生長(zhǎng)；控溫；信號(hào)調(diào)理
High Precision Temperature Control System in the Crystal Growth Control
YANG Qi, YANG Xiaoling
(Physics and Information Engineering College, Fuzhou University,
Fuzh ou 350002, China)
Fuzh ou 350002, China)
Keywords: crystal growth; thermo?control; signal processing
1系統(tǒng)硬件組成
晶體生長(zhǎng)控溫系統(tǒng)如圖1所示，高精度溫度?變送器把檢測(cè)到的微弱溫差信號(hào)放大后經(jīng)A/D轉(zhuǎn) 換 ，由單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析處理，一方面由LED顯示現(xiàn)場(chǎng)采集溫度值，另一方面把 該采集信號(hào)與鍵盤設(shè)置的溫度值進(jìn)行比較，提取溫差量及溫差變化量，作為智能控制的輸入 參數(shù)。輸出量控制晶閘管驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)一步控制加熱棒的功率，達(dá)到控溫目的。由于晶體生 長(zhǎng)是在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)下進(jìn)行的，因此，整個(gè)載晶裝置由一可逆電機(jī)控制其旋轉(zhuǎn)過(guò)程。此外系統(tǒng)還 設(shè)計(jì)了微打接口及溫度越限聲光報(bào)警電路。
1.1高精度溫度變送器
系統(tǒng)選用Pt100作為溫度傳感器。它的溫度系數(shù)α=0.00385/℃，對(duì)于0.001℃ 的微小溫差變化，Pt100的電阻值變化約為0.385mΩ，如此小的電阻變化量經(jīng)電橋轉(zhuǎn) 換后，電信號(hào)最大也只能達(dá)到0.5～1μV，因此處理微伏級(jí)弱信號(hào)的接口調(diào)理方法， 包括高精度不平衡直流電橋，低截頻模擬濾波器，低噪聲、低漂移、高靈敏度直流放大器及 接地體等環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。
晶體生長(zhǎng)控溫系統(tǒng)如圖1所示，高精度溫度?變送器把檢測(cè)到的微弱溫差信號(hào)放大后經(jīng)A/D轉(zhuǎn) 換 ，由單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析處理，一方面由LED顯示現(xiàn)場(chǎng)采集溫度值，另一方面把 該采集信號(hào)與鍵盤設(shè)置的溫度值進(jìn)行比較，提取溫差量及溫差變化量，作為智能控制的輸入 參數(shù)。輸出量控制晶閘管驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)一步控制加熱棒的功率，達(dá)到控溫目的。由于晶體生 長(zhǎng)是在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)下進(jìn)行的，因此，整個(gè)載晶裝置由一可逆電機(jī)控制其旋轉(zhuǎn)過(guò)程。此外系統(tǒng)還 設(shè)計(jì)了微打接口及溫度越限聲光報(bào)警電路。
1.1高精度溫度變送器
系統(tǒng)選用Pt100作為溫度傳感器。它的溫度系數(shù)α=0.00385/℃，對(duì)于0.001℃ 的微小溫差變化，Pt100的電阻值變化約為0.385mΩ，如此小的電阻變化量經(jīng)電橋轉(zhuǎn) 換后，電信號(hào)最大也只能達(dá)到0.5～1μV，因此處理微伏級(jí)弱信號(hào)的接口調(diào)理方法， 包括高精度不平衡直流電橋，低截頻模擬濾波器，低噪聲、低漂移、高靈敏度直流放大器及 接地體等環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。
由圖2電路可知：
?
當(dāng)電橋平衡時(shí)有：R1R4=R2R3，RT=R1+ΔR 。代入上式并整理得：
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對(duì)于具體溫度測(cè)控系統(tǒng)，R2、R3、R4均為已知，VREF 為TL431的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，是一恒值，因此電橋的輸出電壓ΔV與ΔR成線性關(guān)系，即電橋輸出實(shí)現(xiàn)線性化。電阻R2、R3、R4均選溫度系數(shù)小且同方向變化的線繞精密電阻，這樣電橋輸出信號(hào)達(dá)到高穩(wěn)定度目的。
選擇AD524作為溫度變送器的放大電路，其增益可由外接電阻RG調(diào)整，RG的溫度效應(yīng)將 引起AD524放大倍數(shù)漂移或精密度等級(jí)下降，在高精度控溫系統(tǒng)中，必須對(duì)增益電阻的溫度 效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，具體設(shè)計(jì)方法見(jiàn)文獻(xiàn)［2］。
AD524放大的輸出信號(hào)經(jīng)其后接的二階低通濾波器濾除電源干擾，RC濾波器的通帶寬度設(shè)計(jì) 為1.4Hz，它適用于緩慢變化溫度信號(hào)的帶通要求，而對(duì)于高頻干擾信號(hào)，低通 濾波 器具有良好的抗干擾能力。此外，輸入信號(hào)采用雙絞屏蔽線連接，以降低外界電磁干擾，放 大器的輸入端采用緊密的對(duì)稱布局，降低接點(diǎn)熱偶效應(yīng)的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
1.2單片機(jī)系統(tǒng)及其接口
溫度變送電路的輸出信號(hào)，經(jīng)16位A/D轉(zhuǎn)換器AD976轉(zhuǎn)換和8031構(gòu)成的智能控制系統(tǒng)分析處理 后，由LED顯示現(xiàn)場(chǎng)溫度值，同時(shí)輸出信號(hào)控制晶閘管電路工作情況，從而控制槽中加熱棒 的工作，達(dá)到控溫的目的。晶閘管采用過(guò)零觸發(fā)方式，輸出功率采用PWM脈寬調(diào)節(jié)，避免負(fù) 載電流產(chǎn)生瞬態(tài)浪涌過(guò)程，減少射頻干擾及延長(zhǎng)晶閘管的使用壽命。
為使晶體生長(zhǎng)均勻，要求載晶裝置處于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，即要求其按正轉(zhuǎn)—?！崔D(zhuǎn)—?！D(zhuǎn) 規(guī)律不斷運(yùn)行，這一過(guò)程由圖3的可逆小電機(jī)及其控制電路實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)要求電機(jī)轉(zhuǎn)速較慢， 扭矩有較大的動(dòng)力，因此選用10瓦ND-30型可逆電機(jī)，其中C1為電機(jī)起動(dòng)電容，T1、T 2、R、C2、RW組成雙向晶閘管電機(jī)調(diào)速電路，當(dāng)8031使P1端輸出低電平、P2端輸出高 電平時(shí)，固態(tài)繼電器SSR1閉合，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)P1端輸出高電平、P2端輸出低電平時(shí)，SSR2閉 合，電機(jī)反轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速通過(guò)調(diào)節(jié)R?W控制雙向晶閘管T?1的導(dǎo)通角來(lái)實(shí)現(xiàn)；當(dāng)P1端及P2端均 輸出高電平時(shí)，可逆電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。?
?當(dāng)電橋平衡時(shí)有：R1R4=R2R3，RT=R1+ΔR 。代入上式并整理得：
?對(duì)于具體溫度測(cè)控系統(tǒng)，R2、R3、R4均為已知，VREF 為TL431的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，是一恒值，因此電橋的輸出電壓ΔV與ΔR成線性關(guān)系，即電橋輸出實(shí)現(xiàn)線性化。電阻R2、R3、R4均選溫度系數(shù)小且同方向變化的線繞精密電阻，這樣電橋輸出信號(hào)達(dá)到高穩(wěn)定度目的。
選擇AD524作為溫度變送器的放大電路，其增益可由外接電阻RG調(diào)整，RG的溫度效應(yīng)將 引起AD524放大倍數(shù)漂移或精密度等級(jí)下降，在高精度控溫系統(tǒng)中，必須對(duì)增益電阻的溫度 效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，具體設(shè)計(jì)方法見(jiàn)文獻(xiàn)［2］。
AD524放大的輸出信號(hào)經(jīng)其后接的二階低通濾波器濾除電源干擾，RC濾波器的通帶寬度設(shè)計(jì) 為1.4Hz，它適用于緩慢變化溫度信號(hào)的帶通要求，而對(duì)于高頻干擾信號(hào)，低通 濾波 器具有良好的抗干擾能力。此外，輸入信號(hào)采用雙絞屏蔽線連接，以降低外界電磁干擾，放 大器的輸入端采用緊密的對(duì)稱布局，降低接點(diǎn)熱偶效應(yīng)的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
1.2單片機(jī)系統(tǒng)及其接口
溫度變送電路的輸出信號(hào)，經(jīng)16位A/D轉(zhuǎn)換器AD976轉(zhuǎn)換和8031構(gòu)成的智能控制系統(tǒng)分析處理 后，由LED顯示現(xiàn)場(chǎng)溫度值，同時(shí)輸出信號(hào)控制晶閘管電路工作情況，從而控制槽中加熱棒 的工作，達(dá)到控溫的目的。晶閘管采用過(guò)零觸發(fā)方式，輸出功率采用PWM脈寬調(diào)節(jié)，避免負(fù) 載電流產(chǎn)生瞬態(tài)浪涌過(guò)程，減少射頻干擾及延長(zhǎng)晶閘管的使用壽命。
為使晶體生長(zhǎng)均勻，要求載晶裝置處于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中，即要求其按正轉(zhuǎn)—?！崔D(zhuǎn)—?！D(zhuǎn) 規(guī)律不斷運(yùn)行，這一過(guò)程由圖3的可逆小電機(jī)及其控制電路實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)要求電機(jī)轉(zhuǎn)速較慢， 扭矩有較大的動(dòng)力，因此選用10瓦ND-30型可逆電機(jī)，其中C1為電機(jī)起動(dòng)電容，T1、T 2、R、C2、RW組成雙向晶閘管電機(jī)調(diào)速電路，當(dāng)8031使P1端輸出低電平、P2端輸出高 電平時(shí)，固態(tài)繼電器SSR1閉合，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)P1端輸出高電平、P2端輸出低電平時(shí)，SSR2閉 合，電機(jī)反轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速通過(guò)調(diào)節(jié)R?W控制雙向晶閘管T?1的導(dǎo)通角來(lái)實(shí)現(xiàn)；當(dāng)P1端及P2端均 輸出高電平時(shí)，可逆電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。?
系統(tǒng)的軟件包括兩大部分：鍵盤管理系統(tǒng)和智能控制器。鍵盤管理系統(tǒng)提供的功能包括數(shù)據(jù) 設(shè)定、現(xiàn)場(chǎng)溫度顯示、時(shí)間顯示、重新啟動(dòng)、停止控制、數(shù)據(jù)打印等，提供一個(gè)人機(jī)交互的 簡(jiǎn)單界面。
智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，智能控制算法以及受控過(guò)程的輸出控制等，其原理框圖如 圖4所示。人工晶體生長(zhǎng)環(huán)境存在受控環(huán)境變化大，工藝曲線不確實(shí)，真實(shí)信號(hào)難采集等特 點(diǎn)，因此采用二級(jí)智能控制策略：一級(jí)為主控制級(jí)，也稱內(nèi)環(huán)控制，一級(jí)為參數(shù)校正控制級(jí) ，也稱外環(huán)控制。綜合數(shù)據(jù)庫(kù)為內(nèi)環(huán)和外環(huán)所共享，存貯了受控對(duì)象的先驗(yàn)知識(shí)、所要求的 品質(zhì)指標(biāo)、控制參數(shù)的先驗(yàn)值及系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的有關(guān)動(dòng)態(tài)值等，它為內(nèi)環(huán)和外環(huán)提供有效的 控制數(shù)據(jù)。?
智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，智能控制算法以及受控過(guò)程的輸出控制等，其原理框圖如 圖4所示。人工晶體生長(zhǎng)環(huán)境存在受控環(huán)境變化大，工藝曲線不確實(shí)，真實(shí)信號(hào)難采集等特 點(diǎn)，因此采用二級(jí)智能控制策略：一級(jí)為主控制級(jí)，也稱內(nèi)環(huán)控制，一級(jí)為參數(shù)校正控制級(jí) ，也稱外環(huán)控制。綜合數(shù)據(jù)庫(kù)為內(nèi)環(huán)和外環(huán)所共享，存貯了受控對(duì)象的先驗(yàn)知識(shí)、所要求的 品質(zhì)指標(biāo)、控制參數(shù)的先驗(yàn)值及系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的有關(guān)動(dòng)態(tài)值等，它為內(nèi)環(huán)和外環(huán)提供有效的 控制數(shù)據(jù)。?
內(nèi)環(huán)控制過(guò)程同時(shí)受到外環(huán)監(jiān)測(cè)，當(dāng)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，主控制級(jí)控制效果較好時(shí)，參數(shù)校正級(jí) 就無(wú)需調(diào)整主控制級(jí)的控制參數(shù)，一旦受控過(guò)程或用戶設(shè)定參數(shù)變化較大時(shí)，主控制級(jí)的控 制指標(biāo)達(dá)不到用戶要求時(shí)，參數(shù)校正級(jí)就要投入調(diào)整過(guò)程，通過(guò)調(diào)整主控制級(jí)的控制參數(shù)來(lái) 改善主控制級(jí)的性能。
參數(shù)校正級(jí)的核心也是一個(gè)智能控制器，其輸入?yún)?shù)是受控現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、用戶設(shè)定、內(nèi)環(huán)控制 情況等，受控對(duì)象是主控制級(jí)的控制參數(shù)，其變化范圍較小。輸入?yún)?shù)經(jīng)數(shù)據(jù)規(guī)范化處理后 ，作為參數(shù)校正推理系統(tǒng)的推理?xiàng)l件，根據(jù)參數(shù)校正的相應(yīng)規(guī)則，對(duì)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)中主控制級(jí) 的控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，這個(gè)參數(shù)調(diào)整過(guò)程也可多次進(jìn)行，直到主控制級(jí)的控制效果得到改善 ，參數(shù)校正才停止對(duì)主控制級(jí)控制參數(shù)的調(diào)整。參數(shù)校正控制采用的規(guī)則是IFTHEN 的形式，規(guī)則集也是按照“分類分層”的原理進(jìn)行構(gòu)造，其推理系統(tǒng)核心也 是啟發(fā)式子樹(shù)分離算法。推理系統(tǒng)的輸出決定內(nèi)環(huán)控制參數(shù)的調(diào)整情況，從而提高主控制級(jí) 的控制質(zhì)量。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主控制級(jí)的控制參數(shù)可動(dòng)態(tài)調(diào)整(由參數(shù)校正級(jí)來(lái)完成)，而 參數(shù)校正 級(jí)的控制參數(shù)不能動(dòng)態(tài)調(diào)整。?
參數(shù)校正級(jí)的核心也是一個(gè)智能控制器，其輸入?yún)?shù)是受控現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)、用戶設(shè)定、內(nèi)環(huán)控制 情況等，受控對(duì)象是主控制級(jí)的控制參數(shù)，其變化范圍較小。輸入?yún)?shù)經(jīng)數(shù)據(jù)規(guī)范化處理后 ，作為參數(shù)校正推理系統(tǒng)的推理?xiàng)l件，根據(jù)參數(shù)校正的相應(yīng)規(guī)則，對(duì)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)中主控制級(jí) 的控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，這個(gè)參數(shù)調(diào)整過(guò)程也可多次進(jìn)行，直到主控制級(jí)的控制效果得到改善 ，參數(shù)校正才停止對(duì)主控制級(jí)控制參數(shù)的調(diào)整。參數(shù)校正控制采用的規(guī)則是IFTHEN 的形式，規(guī)則集也是按照“分類分層”的原理進(jìn)行構(gòu)造，其推理系統(tǒng)核心也 是啟發(fā)式子樹(shù)分離算法。推理系統(tǒng)的輸出決定內(nèi)環(huán)控制參數(shù)的調(diào)整情況，從而提高主控制級(jí) 的控制質(zhì)量。系統(tǒng)設(shè)計(jì)主控制級(jí)的控制參數(shù)可動(dòng)態(tài)調(diào)整(由參數(shù)校正級(jí)來(lái)完成)，而 參數(shù)校正 級(jí)的控制參數(shù)不能動(dòng)態(tài)調(diào)整。?
本控溫系統(tǒng)經(jīng)多家單位投入使用，多年運(yùn)行表明控溫精度均達(dá)0.01℃，工作穩(wěn)定可靠 。表1是控溫過(guò)程的部分測(cè)試數(shù)據(jù)。
采用本控溫系統(tǒng)，不僅可提高控溫質(zhì)量，而且可以 實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)報(bào)警，參數(shù)制表，數(shù)據(jù)打印 ，資料存檔等功能，有效地提高了晶體生產(chǎn)的技術(shù)及管理水平.
采用本控溫系統(tǒng)，不僅可提高控溫質(zhì)量，而且可以 實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)報(bào)警，參數(shù)制表，數(shù)據(jù)打印 ，資料存檔等功能，有效地提高了晶體生產(chǎn)的技術(shù)及管理水平.
評(píng)論