臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)工作原理

臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)的工作原理與交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同:在定子上有兩個(gè)相空間位移90°電角度的勵(lì)磁繞組Wf和控制繞組WcoWf接一恒定交流電壓，利用施加到Wc上的交流電壓或相位的變化，達(dá)到控制電機(jī)運(yùn)行的目的。

臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)的功能，是精確地控制自動(dòng)化控制系統(tǒng)中機(jī)械元件速度、扭矩，準(zhǔn)確地控制機(jī)械元件的位置。

伺服電機(jī)有交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)兩種，臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)屬于交流伺服電機(jī)，與直流伺服電機(jī)比較，主要優(yōu)勢(shì)如下:

5.1、無電刷和換向器，因此工作可靠，對(duì)維護(hù)和保養(yǎng)要求低;

5.2、定子繞組散熱比較方便;

5.3、慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性;

5.4、適應(yīng)于高速大力矩工作狀態(tài);

5.5、同功率下有較小的體積和重量。

4.1、運(yùn)行穩(wěn)定;

4.2、可控性好;

4.3、響應(yīng)快速;

4.4、靈敏度高;

4.5、機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的非線性度指標(biāo)嚴(yán)格(要求分別小于10%~15%和小于15%~25%)等特點(diǎn);

臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)，又名，臺(tái)達(dá)伺服馬達(dá)，是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度的補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置，是可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)的電--機(jī)械轉(zhuǎn)換器，是在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的微特電機(jī)(又名:執(zhí)行電機(jī))。

它是由臺(tái)灣臺(tái)達(dá)獨(dú)立研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。

隨著世界能源供應(yīng)的日趨緊張，可再生能源光伏產(chǎn)品發(fā)展迅猛，據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)2005年全國太陽能電池產(chǎn)能為300MW，到 2007年已發(fā)展到1000MW，到2010年我國太陽能電池/組件產(chǎn)能將達(dá)到5000MW以上，顯示出對(duì)單晶和多晶硅有很大的市場(chǎng)需求，比原來的市場(chǎng)預(yù)期提前了10年以上，也預(yù)示出單晶硅爐的市場(chǎng)需求將成倍增長。單晶硅爐是半導(dǎo)體材料直拉法晶體專用設(shè)備，其硅單晶棒料經(jīng)切割等后續(xù)工藝處理成芯片被制作為二極管.太陽能電池.集成電路等半導(dǎo)體材料的主要器件。近幾年來由于國際能源危機(jī)及地球環(huán)境改善帶來對(duì)新能源，可再生能源的巨大需求，光伏產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)前所未有的增長，半導(dǎo)體硅材料的生產(chǎn)又進(jìn)入新的發(fā)展期，因此大力加速發(fā)展可再生能源.硅光伏產(chǎn)業(yè)及共基礎(chǔ)材料---高純半導(dǎo)體硅(單晶.多芯片)材料已成為當(dāng)務(wù)之急，而硅材料的生長離不開單晶硅爐和多晶硅爐的設(shè)備支持。

二、單晶硅爐的工藝流程簡介、技術(shù)需求及方案的分析

2-1、單晶硅爐的工藝流程簡介

單晶硅爐爐的組成組件可分成四部分

(1)爐體:包括石英坩堝，石墨坩堝，加熱及絕熱組件，爐壁

(2)晶棒及坩堝拉升旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu):包括籽晶夾頭，吊線及拉升旋轉(zhuǎn)組件

(3)氣氛壓力控制:包括氣體流量控制，真空系統(tǒng)及壓力控制閥

(4)控制系統(tǒng):包括偵測(cè)感應(yīng)器及電腦控制系統(tǒng)

加工工藝:

加料→熔化→縮頸生長→放肩生長→等徑生長→尾部生長

(1)加料:將多晶硅原料及雜質(zhì)放入石英坩堝內(nèi)，雜質(zhì)的種類依電阻的N或P型而定。雜質(zhì)種類有硼，磷，銻，砷。

(2)熔化:加完多晶硅原料于石英堝內(nèi)后，長晶爐必須關(guān)閉并抽成真空后充入高純氬氣使之維持一定壓力范圍內(nèi)，然后打開石墨加熱器電源，加熱至熔化溫度(1420℃)以上，將多晶硅原料熔化。

(3)縮頸生長:當(dāng)硅熔體的溫度穩(wěn)定之后，將籽晶慢慢浸入硅熔體中。由于籽晶與硅熔體場(chǎng)接觸時(shí)的熱應(yīng)力，會(huì)使籽晶產(chǎn)生位錯(cuò)，這些位錯(cuò)必須利用縮勁生長使之消失掉。縮頸生長是將籽晶快速向上提升，使長出的籽晶的直徑縮小到一定大小(4-6mm)由于位錯(cuò)線與生長軸成一個(gè)交角，只要縮頸夠長，位錯(cuò)便能長出晶體表面，產(chǎn)生零位錯(cuò)的晶體。

(4)放肩生長:長完細(xì)頸之后，須降低溫度與拉速，使得晶體的直徑漸漸增大到所需的大小。

(5)等徑生長:長完細(xì)頸和肩部之后，借著拉速與溫度的不斷調(diào)整，可使晶棒直徑維持在正負(fù)2mm之間，這段直徑固定的部分即稱為等徑部分。單晶硅片取自于等徑部分。

(6)尾部生長:在長完等徑部分之后，如果立刻將晶棒與液面分開，那么效應(yīng)力將使得晶棒出現(xiàn)位錯(cuò)與滑移線。于是為了避免此問題的發(fā)生，必須將晶棒的直徑慢慢縮小，直到成一尖點(diǎn)而與液面分開。這一過程稱之為尾部生長。長完的晶棒被升至上爐室冷卻一段時(shí)間后取出，即完成一次生長周期。單晶硅爐整機(jī)如下圖:

2-2、技術(shù)需求和方案分析

單晶硅爐上面共需要四個(gè)軸驅(qū)動(dòng)，其中2個(gè)使用的是伺服控制系統(tǒng)，另外2個(gè)使用的是直流驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn);該設(shè)備根據(jù)工藝需要，設(shè)備分為爐架、主爐室、副室、提拉旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，下隨動(dòng)機(jī)構(gòu)及液壓提升機(jī)構(gòu)、真空及氣路系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)、電加熱和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等諸多機(jī)構(gòu)。通過系統(tǒng)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高科技產(chǎn)品的集成。其次設(shè)備采用了許多較新的機(jī)構(gòu)。如上提拉旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，通過花鍵軸配繞絲輪結(jié)合電刷環(huán)，在很小的體積上實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定提拉和旋轉(zhuǎn)，滿足工藝需求且降低了設(shè)備高度，再有下隨動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)備采用精密滾珠絲杠配合坩堝的磁流體密封，運(yùn)動(dòng)保持部件置于真空室外，實(shí)現(xiàn)精密運(yùn)動(dòng)與真空密封的完美結(jié)合，使用穩(wěn)定可靠，還有液壓提升機(jī)構(gòu)對(duì)副室翻板閥的保持采用無自鎖，爐內(nèi)有漏硅等壓力驟增的緊急情況可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泄壓提高了設(shè)備的安全可靠性等等。在電器控制上設(shè)備采用可編程操作，代替了傳統(tǒng)的邏輯編程繼電器。電器控制系統(tǒng)由國產(chǎn)機(jī)大多采用的單片機(jī)，提升到IRCON和CCD工控自動(dòng)化控制三個(gè)類型，提高了設(shè)備的自動(dòng)化控制水平。

有控制方案中伺服控制系統(tǒng)存在如下問題:1、伺服控制器的編碼器輸出管角經(jīng)常性的損壞;2、伺服電機(jī)的輸出軸端經(jīng)常出現(xiàn)斷裂的情況;3、伺服控制器的輸入輸出點(diǎn)需要DC24V和DC12V的開關(guān)電源共計(jì)4個(gè);

原有伺服控制系統(tǒng)同臺(tái)達(dá)AB系列伺服控制系統(tǒng)的功能比較如下表:

通過原日系伺服系統(tǒng)所存在的問題以及臺(tái)達(dá)伺服同原有日系伺服的功能比較表客戶最終在伺服控制系統(tǒng)上面選擇了我們臺(tái)達(dá)AB系列伺服系統(tǒng)的控制方案即:2套伺服控制系統(tǒng)選用臺(tái)達(dá)AB系列伺服，型號(hào)為ASDA-0421AB;

三、臺(tái)達(dá)AB系列伺服的控制理論及主要特點(diǎn)

3-1、臺(tái)達(dá)AB系列伺服采用的是先進(jìn)強(qiáng)健式的控制理論(PDFF)如下圖

3-2、強(qiáng)健式控制理論的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):

1、在大范圍負(fù)載慣量變化,系統(tǒng)依然保有優(yōu)秀性能

2、對(duì)命令和干擾有不同的補(bǔ)償控制

3、穩(wěn)定性完全保證

4、阻尼剛性優(yōu)良, 低速轉(zhuǎn)動(dòng)特性優(yōu)良

缺點(diǎn):

1、控制參數(shù)需由繁復(fù)數(shù)學(xué)計(jì)算而得, 使用者無法自行調(diào)整

對(duì)策:依阻尼剛性的大小, 驅(qū)動(dòng)器內(nèi)含十組強(qiáng)健控制器, 供使用者選用

四、臺(tái)達(dá)AB系列伺服在單晶硅爐上使用方案的實(shí)施

4-1、單晶硅爐上位機(jī)控制系統(tǒng)與臺(tái)達(dá)AB系列伺服的連線

4-2、臺(tái)達(dá)伺服的調(diào)試

手動(dòng)調(diào)試:在整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械安裝和電器的連接完畢后，首先利用上位系統(tǒng)或臺(tái)達(dá)伺服所具有的手動(dòng)控制方式，同時(shí)將所有伺服的參數(shù)P0-02設(shè)置成14，讓機(jī)構(gòu)的X軸和Y軸進(jìn)行往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，在伺服的顯示屏上會(huì)顯示伺服在此機(jī)構(gòu)上面應(yīng)用的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL/JM，我們利用臺(tái)達(dá)伺服的軟件自動(dòng)增益調(diào)整功能中的靜態(tài)增益調(diào)整，將伺服顯示的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL/JM和我們通過調(diào)試計(jì)算出來的響應(yīng)頻寬B.W輸入的軟件中，在單晶硅爐項(xiàng)目中我們測(cè)試出伺服的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL/JM、響應(yīng)頻寬B.W是80，計(jì)算出來我們需要的參數(shù)，把這些參數(shù)手動(dòng)輸入的伺服控制器中，單晶硅爐即可正常運(yùn)行。

自動(dòng)調(diào)試:這種調(diào)試比手動(dòng)要簡單了，首先也要像手動(dòng)那樣先將轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL/JM測(cè)試出來，把這個(gè)值輸入到參數(shù)P1-37中，再把參數(shù)P2-31設(shè)置成64、P2-32設(shè)置成5，這樣單晶硅爐就可以正常運(yùn)行了。

手動(dòng)調(diào)整比自動(dòng)調(diào)整要精確的多，可以通過多次的加工測(cè)試來測(cè)試出一組最適合整個(gè)機(jī)構(gòu)的參數(shù);但是手動(dòng)調(diào)整的時(shí)間要比較長，花費(fèi)的工期也比較多，同時(shí)在成批量生產(chǎn)的過程中，伺服參數(shù)的輸入等也都非常的不方便;臺(tái)達(dá)AB系列伺服的高性能、整定時(shí)間短、在單晶硅爐應(yīng)用中的調(diào)頻參數(shù)比較寬等等，所以我們?cè)趩尉Ч锠t的正常應(yīng)用中使用自動(dòng)調(diào)整比較多一點(diǎn)。

4-3、ASDA伺服參數(shù)的說明

ASDA伺服在單晶硅爐系統(tǒng)應(yīng)用中需要更改的參數(shù)說明

P0-02:14

驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)的顯示;用來顯示機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

P1-01:2

控制模式及控制命令輸入源的設(shè)定

P1-37:11

伺服電機(jī)的負(fù)載慣量比;在自動(dòng)模式下用來設(shè)定伺服電機(jī)的負(fù)載慣量比

P1-44:12、P1-45:10

電子齒輪比的分子、分母;使伺服電機(jī)帶動(dòng)的滾珠絲杠等機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的距離與上位機(jī)要求的距離相同

P1-46:10128

檢出器輸出脈沖數(shù)設(shè)定: 脈沖數(shù)設(shè)定值范圍即為伺服電機(jī)一回轉(zhuǎn)的輸出單相脈沖數(shù)。

P2-00:125

位置控制增益;主要控制伺服位置環(huán)回路的應(yīng)答性

P2-04:5526

速度控制增益;主要控制伺服速度環(huán)回路的應(yīng)答性

P2-06:80

速度積分補(bǔ)償;控制伺服電機(jī)、機(jī)構(gòu)的固定偏差和整個(gè)機(jī)構(gòu)的抖動(dòng)

P2-25:3

共振抑制低通濾波;用來設(shè)定共振抑制低通濾波的時(shí)間常數(shù)

P2-26:14

外部干擾抵抗增益;用來增加對(duì)外力的抵抗能力并降低加減速的過沖現(xiàn)象

P2-31:64

自動(dòng)及簡易模式設(shè)定;在自動(dòng)模式時(shí)用來設(shè)定響應(yīng)的頻寬

P2-32:5

增益調(diào)整方式;設(shè)定伺服的調(diào)整模式為PDFF自動(dòng)模式即負(fù)載慣量比固定，伺服的響應(yīng)頻寬可調(diào)整

2007年，在全球范圍內(nèi)晶體硅產(chǎn)量中，電子級(jí)占接近55%，太陽能級(jí)占45%多。隨著太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，太陽能電池芯片對(duì)晶體硅需求量的增長速度遠(yuǎn)高于半導(dǎo)體晶體硅的發(fā)展(太陽能遞增速度2位數(shù)以上，半導(dǎo)體芯片5%左右)，不久的將來太陽能晶體硅的需求量將大幅度超過電子級(jí)晶體硅用量。當(dāng)前，晶體硅材料(包括多晶硅和單晶硅)是最主要的光伏材料，其市場(chǎng)占有率在90%以上，而且在今后相當(dāng)長的一段時(shí)期也依然是太陽能電池的主流材料。在世界范圍內(nèi)，太陽能級(jí)晶體硅生產(chǎn)與供應(yīng)已嚴(yán)重制約太陽能電池的發(fā)展，由此可以看到對(duì)應(yīng)生產(chǎn)晶體硅的設(shè)備單晶硅爐和多晶硅爐在最近幾年的市場(chǎng)必定是異?；鸨?，同時(shí)晶體硅爐設(shè)備的發(fā)展也是影響太陽能行業(yè)的重要發(fā)展方向之一;