CN111005063A - 一种高精度晶体生长粉料给定控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新材料技术领域，具体地来讲为一种高精度晶体生长粉料给定控制装置。该装置具有PWM调速电机，通过PWM调速电机的旋转轴承通过旋转摇臂连接一旋转‑直线运动轴承，通过旋转‑直线运动轴承带动直线运动定轴器上下运动使得振动往复活塞上下运动，所述振动往复活塞连接一振动杆，所述振动杆带动给料仓仓底的粉体给料筛网按照设定的振幅和频率振动向晶体生长炉内给料。通过对晶体生长原料供应机构进行精密的机械结构设计实现定量控制，通过实验分析，给料精度可达0.01克/秒，完全满足系统给料控制要求。
Description
技术领域
本发明属于新材料技术领域，具体地来讲为一种高精度晶体生长粉料给定控制装置。
背景技术
金红石单晶体因具有高的双折射率和化学稳定性，在制备光隔离器、光环形器、起偏器等器件中有不可替代的优势。像金红石等高温氧化物单晶体，传统上是使用传统焰熔法晶体生长炉生长的。
在传统的焰熔法晶体生长炉给料原料控制中，主要采用丝杠调节振幅和控制电机转速来调节振动频率相结合的方法，只能根据经验和对晶体生长形态的观察来大致调节给料量，无法实现高精度定量给料，满足不了晶体生长自动给料的精度要求。在实际晶体生长控制过程中，双参数协调控制，不但会增加系统的控制难度，而且使统机械构造更加复杂，导致系统体积过大、造价过高、维护成本高，不利于设备的批量化生产。通过近五年的晶体生长实验，发现在控制晶体生长速度的给料环节上，往往以限定频率，改变振幅为主，频率加振幅的控制模式不但造成了系统控制结构利用率的浪费，而且为给料系统自动控制控制模式的建模造成障碍。另外，在使用传统的晶体生长炉，由于诸多生长工艺参数没有精确的控制，对晶体生长速度，生长形态，以及整个生长室内的温度分布、组成分布只能通过人工观察，手动调节，导致所生长的晶体在结构完整性，比如位错密度高、应力大、不均匀等。系统会极大的增加控制晶体生长的劳动强度，由于在晶体生长过程中要实时观测晶体形态，调节原料给定速度，致使每名设备操作人员最多操作2部晶体生长炉，边观察边操作设备，而且往往会手忙脚乱，导致晶体“流淌”，极大的影响了晶体生长的成功率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种高精度晶体生长粉料给定控制装置，解决无法实现高精度定量给料，满足不了晶体生长自动给料的精度要求的问题。
本发明是这样实现的，
一种高精度晶体生长粉料给定控制装置，该装置包括：控制器支撑件，所述控制器支撑件内安装有PWM调速电机包括有PWM调速电机，所述PWM调速电机的旋转轴承通过旋转摇臂连接一旋转-直线运动轴承，通过旋转-直线运动轴承带动直线运动定轴器上下运动，所述直线运动定轴器的端部伸出控制器壳体，在直线运动定轴器的端部安装有振动位移调节头；在晶体生长炉的上方设置给料仓，在所述给料仓竖直向端部对应直线运动定轴器的下方安装有振动往复活塞，直线运动定轴器的上下运动触动振动往复活塞使得动振动往复活塞上下往复运动，所述振动往复活塞连接一振动杆，所述振动杆带动给料仓仓底的粉体给料筛网按照设定的振幅和频率振动向晶体生长炉内给料。
进一步地，所述粉体给料筛网沿给料仓内壁按照给定频率与振幅上下滑动。
进一步地，该装置采用可编程控制器，所述可编程控制器通过EM235模拟量模块连接的料量传感器采集的反馈信号确定给料量，根据控制要求采用内嵌控制算法将控制值送到PWM控制模块控制所述PWM调速电机。
进一步地，可编程控制器根据实际给料量与设定值之间的差值调节控制信号，当控制信号的差值大于一个步长时，按模糊控制的算法进行控制，当控制信号的差值小于一个步长时，采用连续控制算法进行控制。
进一步地，所述PWM调速电机输出的频率给定采用矢量控制模式，通过矢量坐标电路控制PWM调速电机定子电流的大小和相位，控制电动机转矩。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
本发明在生产实践基础上，通过对晶体生长原料供应机构进行精密的机械结构设计，增加了PWM高精度控制电机、可编程控制器、模拟量模块、人机界面和控制程序，通过1年多的给料控制实验积累了大量的实验数据，系统支持分别设定振幅为1mm、2mm、5mm时对应的频率给定80次/分钟至160次/分钟的所有给料量均可以定量控制，通过实验分析，给料精度可达0.01克/秒，完全满足系统给料控制要求。
本发明能够精确控制晶体生长的给料参数，保障生长室内的温度分布、组成分布和力学分布，能够生长出微观结构完整的高品质的高温下特别是熔体状态下具有分解倾向的高温氧化物单晶体，如钛酸锶、金红石等单晶体。
本装置不但使得晶体生长过程的全部工艺参数，包括晶体生长速度、燃料供应速度、原料供应速度均实现精确的数字控制，而且构成了闭环的自动控制系统，能够为晶体生长实现精确定量给料、增/减料提前估计、给料量自动控制控制功能。
附图说明
图1是本发明提供的装置机械结构示意图；
图2是本发明提供的PWM调速电机与旋转摇臂以及旋转-直线运动轴承结构示意图；
图3是电气控制原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1结合图2与图3所示，一种高精度晶体生长粉料给定控制装置，该装置包括：控制器支撑件，控制器支撑件通过一框架位于给料仓的上部，所述控制器支撑件内包括有PWM调速电机，PWM调速电机的旋转轴承1通过旋转摇臂2连接一旋转-直线运动轴承3，通过旋转-直线运动轴承3带动直线运动定轴器4上下运动，所述直线运动定轴器4的端部伸出控制器壳体，在直线运动定轴器的端部安装有振动位移调节头5；通过振动位移调节头5对运行的距离进行限位，在晶体生长炉的上方设置给料仓，在给料仓9竖直向端部对应直线运动定轴器的下方安装有振动往复活塞6，在活塞6运行的空间下方设置复位弹簧用于复位，直线运动定轴器4的上下运动触动在振动往复活塞上使得振动往复活塞下方运动后在弹簧作用下上下往复运动，所述振动往复活塞连接一振动杆7，所述振动杆带动给料仓仓底的粉体给料筛网8按照设定的振幅和频率振动向晶体生长炉内给料。筛网振动供料，供料量由筛网震动的频率和幅度控制，筛网震动的频率和幅度分别通过PWM步进电机驱动，步进电机通过程序供料量的自动调节和精确控制。
所述粉体给料筛网沿给料仓内壁按照给定频率与振幅上下滑动。
该装置采用可编程控制器，所述可编程控制器通过EM235模拟量模块连接的料量传感器采集的反馈信号确定给料量，根据控制要求采用内嵌控制算法将控制值送到PWM控制模块控制所述PWM调速电机。
PWM调速电机的额定电压为24V，负载转数为5.3转/分钟至160转/分钟，对应驱动转速—电流—转矩—功率—负载扭力对应关系如下表所示：
表1：调速电机参数对应表
通过可编程控制器设计输入电压为直流12V-24V，电机控制输出电压为输入电压的0-100％；输出功率为0.01-400W；额定电流8A，最大通过电流10A，待机状态下静态电流0.02A；最高输出频率13Khz，PWM脉宽调速范围为10％-100％；提供10A熔断器提供过电流保护，拥有反接电源保护、控制电压过压保护功能。
本发明中频率给定采用矢量控制模式，通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位，以达到对电动机在d、q、0坐标轴系中的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制电动机转矩的目的。通过控制各矢量的作用先后顺序和时间以及零矢量的作用时间，形成各种PWM，达到各种不同应用的控制目的。该模式相对于原来的振幅步进脉冲控制模式更为直观、简洁，计算速度和精度都比原有控制方式提高。即便在开环的状态下，也可以输出100％的额定转矩值，对于多拖动具有负荷平衡。
可编程控制器采用西门子PLC可编程控制器由S7-224CPU和EM235扩展模块混合控制，可编程控制器通过EM235模拟量模块反馈信号确定给料量，根据控制要求采用内嵌控制算法将控制值送到PWM控制模块，实时跟踪反馈定量供料。控制方式由手动和自动两种方式组成，自动控制模式由PLC来完成，即当自动控制模式发生故障时为保证系统正常运行，可以立即将控制模式切换到手动模式，便于操作人员处理紧急情况。
本发明把模糊控制与连续控制进行结合，使系统既具有模糊控制的智能性和自学习性的特点，又具有PID控制的稳定性和能够消除稳态误差的优势，同时在保证系统的控制精度的前提下，降低系统模糊矩阵的维数，简化模糊控制规则，减少算法对控制器系统资源的占有率，增强系统的稳定性和控制效率。算法在差值信号变化比较大的时候采用模糊控制，在差值变化比较小的时候采用连续控制，原因是由于模糊控制的控制动作的最小执行值就是一个步长，如果控制信号的偏差值小于一个步长，则控制器不发生动作，这就造成了在模糊控制中存在死区，由于死区的无法控制的特性，所以同PID控制方法相比，模糊控制的控制输出无法达到消除稳态误差的控制效果，而在模糊控制中缩小稳态误差的方法通常是采用增加策略矩阵的维数或是采用遗传算法等高级的控制算法，而这样就无形的增加了模糊控制器的运算负担。以至于小型的PLC根本无法完成对系统的控制。而本发明是把模糊控制和连续控制相结合，当差值大于一个步长时，按模糊控制的算法进行控制，当差值小于一个步长时，则采用连续控制算法进行控制，这样就可以在不用把模糊矩阵搞得太复杂的基础上就可以提高控制精度，并且降低了工程成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高精度晶体生长粉料给定控制装置，其特征在于，该装置包括：控制器支撑件，所述控制器支撑件内安装有PWM调速电机，所述PWM调速电机的旋转轴承通过旋转摇臂连接一旋转-直线运动轴承，通过旋转-直线运动轴承带动直线运动定轴器上下运动，所述直线运动定轴器的端部伸出控制器壳体，在直线运动定轴器的端部安装有振动位移调节头；在晶体生长炉的上方设置给料仓，在所述给料仓竖直向端部对应直线运动定轴器的下方安装有振动往复活塞，直线运动定轴器的上下运动触动振动往复活塞使得振动往复活塞上下往复运动，所述振动往复活塞连接一振动杆，所述振动杆带动给料仓仓底的粉体给料筛网按照设定的振幅和频率振动向晶体生长炉内给料。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述粉体给料筛网沿给料仓内壁按照给定频率与振幅上下滑动。
3.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置包括可编程控制器，所述可编程控制器通过EM235模拟量模块连接的料量传感器采集的反馈信号确定给料量，根据控制要求采用内嵌控制算法将控制值送到PWM控制模块控制所述PWM调速电机。
4.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，可编程控制器根据实际给料量与设定值之间的差值调节控制信号，当控制信号的差值大于一个步长时，按模糊控制的算法进行控制，当控制信号的差值小于一个步长时，采用连续控制算法进行控制。
5.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述PWM调速电机输出的频率给定采用矢量控制模式，通过矢量坐标电路控制PWM调速电机定子电流的大小和相位，控制电动机转矩。
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