CN201097169Y - 对软轴提拉速度进行高精度控制的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种对软轴提拉速度进行高精度控制的装置，包括驱动输入与脉宽控制器连接，脉宽控制器与电机连接，电机与谐波减速器连接，谐波减速器与蜗轮蜗杆连接，蜗轮蜗杆与卷丝轮连接，卷丝轮与钢丝轴连接，钢丝轴接入锗单晶炉籽晶提升机构；所述的驱动输入包括驱动输入信号经过二号电位器与一号电位器的两级修正，得到输入基准并接入脉宽控制器；所述的脉宽控制器采用双桥式电路。本实用新型从硬件方面采用了谐波减速器、无震动伺服机与脉宽直流控制器，实现了锗单晶生长过程对软轴提升速度(晶体生长速度)高精度的要求，完全符合现行锗单晶新工艺生长的需求。本实用新型结构简单，运行可靠、平稳，控制精度高。

Description

对软轴提拉速度进行高精度控制的装置

技术领域

本实用新型属于半导体电子专用设备技术领域，涉及一种对软轴提拉速度进行高精度控制的装置。

背景技术

锗是一种重要的稀散元素，早在50年代，锗就是制作晶体管的主要材料。近些年，锗以其独特的品性，不仅在生物技术、医药保健等方面受到普遍关注并得以应用，而且在信息产业、航空航天和国防军工等高技术领域也有广泛应用，锗材料是红外探测器、激光测距仪、热成像仪、红外扫描电镜的重要光学部件，在卫星、潜艇、导弹等军事装备上应用很广，它是电子信息产业和国防事业不可缺少的重要基础材料和战略物资，市场前景广阔。

锗元素的主要特性是其块状晶体结构，这种结构具有较高的载流子迁移率，与硅元素相比，电子与空穴在散射之前通过锗元素时流动地更远，据专业研究人员估计，锗元素的迁移率是硅元素的三倍。此外锗元素还可以探测到波长更长的光束，这样就使得它在光电探测器结合时要比硅元素容易一些。然而，由于锗元素的带隙要小于硅元素的带隙，这使得它的电流泄漏也较高，而这也正是深度亚微细粒设计中存在的最大障碍，现有的锗单晶生长技术中的提拉速度还停留在原来的0.Xmm/min数量级，制作出来的锗单晶还不理想，限制了锗单晶各种性能的应用，这个问题虽然可以通过使用纯度较高的绝缘体得到部分解决，但是根本上还是要通过新的生产设备来提高锗单晶的质量水平。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种对软轴提拉速度进行高精度控制的装置，从而将锗单晶生长过程中的提拉速度从原来的0.Xmm/min降到0.0Xmm/min的数量级。

本实用新型所采用的技术方案是，一种对软轴提拉速度进行高精度控制的装置，包括驱动输入模块，驱动输入模块与接有电源的脉宽控制器连接，脉宽控制器与电机连接，电机与谐波减速器连接，谐波减速器与蜗轮蜗杆连接，蜗轮蜗杆与卷丝轮连接，卷丝轮与钢丝轴连接，钢丝轴接入锗单晶炉；所述的驱动输入模块包括二号电位器，二号电位器与一号电位器连接，一号电位器的输出端接入脉宽控制器；所述的脉宽控制器采用双桥式电路，脉宽控制器的供电为直流电源，脉宽控制器又分为控制电路和测量电路，脉宽控制器的控制电路与电机的力矩机连接，脉宽控制器的测量电路与电机的测速机连接。

本实用新型的特点还在于，

其中的一号电位器和二号电位器选用精密丝绕电位器，阻值大小为10kΩ，分辨率为10Ω。

供给脉宽控制器的直流电源的导通率趋近于1。

电机选用伺服电机，谐波减速器选用1∶10000的传动比，蜗轮蜗杆选用1∶38的传动比。

本实用新型的有益效果是，实现了锗单晶生长过程中的提拉速度从原来的0.Xmm/min降到0.0Xmm/min的数量级，提高了锗单晶的质量，将使锗单晶产品的使用性能得到显著地提升。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的控制原理示意图；

图3是本实用新型的驱动输入模块工作原理示意图；

图4是PWM系统的电路原理图；

图5是PWM-M系统的主回路电路示意图。

图中，1、驱动输入模块，2、电源，3、脉宽控制器，4、力矩机，5、测速机，6、电机，7、谐波减速器，8、蜗轮蜗杆，9、卷丝轮，10、钢丝轴，11、一号电位器，12、二号电位器，13、驱动输入信号，14、输入基准。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

对于大型晶体生长设备，包括锗单晶的生长设备在内，如果采取的是垂直提拉生长方法，基本上采用的都是高强度的钢丝编制而成的钢丝绳软轴提拉机构，它可将回转运动灵活地传到不开敞的空间位置，从而节省大量空间。同丝杠传动机构相比，它不存在体积庞大、磨损，螺距误差及螺距累积误差以及相配螺母间隙等情况。本实用新型利用高性能、高精度的PWM与直流伺服电机，对钢丝软轴提拉机构进行提拉拖动，实现了高精度软轴提拉装置的控制，将锗单晶生长过程中的提拉速度从原来的0.Xmm/min降到0.0Xmm/min的数量级。

如图1所示，本实用新型的结构包括驱动输入模块1与脉宽控制器3连接，脉宽控制器3与电机6连接，电机6与谐波减速器7连接，谐波减速器7与蜗轮蜗杆8连接，蜗轮蜗杆8与卷丝轮9连接，卷丝轮9与钢丝轴10连接，钢丝轴10接入锗单晶炉。

电机6选用了性能良好的三洋伺服电机。直流伺服电动机，又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出，其主要特点是，当驱动输入信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

谐波减速器7选用1∶10000的传动比减速器，其高速轴、低速轴位于同一轴线上，传动时，啮合齿数多，即承受载荷的齿数多，那么，在材料和速比相同的情况下，其承载能力要大大超过其它传动，其传递的功率范围可为几瓦至几十千瓦。由于多齿啮合，一般情况下，谐波齿轮与相同精度的普通齿轮相比，其运动精度能提高四倍左右。齿的啮入、啮出是随着柔轮的柔性变形，逐渐进入和逐渐退出刚轮齿间的，啮合过程中齿面接触，滑移速度小，且无突然变化，所以，传动平稳，无冲击，无噪声。

蜗轮蜗杆8选用1∶38的传动比规格。

卷丝轮9采用的是滚动花键来传递扭矩，选用200毫米直径规格，同时承担支撑，由牵引螺纹螺母套实现平移，并保证卷绕的钢丝软轴始终在中心位置。卷轮的平移同时还带动一限位杆，来实现对软轴极限位置的限位功能，从而保护该提升机构不受损害。

电机6经过精密的谐波减速器7以及蜗轮蜗杆8的多级减速，与缠绕钢丝绳的卷丝轮相连，其总减速比为：

380000r/min∶200mm/min，即：电机转380000转，卷丝轮转一圈，对应钢丝轴上升200毫米。

那么，对应可算出：电机转1900转，卷丝轮转一圈，对应钢丝轴上升1毫米，即该系统的传动比为：

1900r∶1mm。...................................................(公式1)

这样，提高了电机工作需要的转速，充分利用了伺服机良好的高速性能。

如图2所示，驱动输入1的实现包括驱动输入信号13输入二号电位器12的输入端，经过二号电位器12的信号修正进入一号电位器11的输入端，一号电位器11再对信号进行二次精确修正，得到输入基准14，输入信号经过两级细分后，输入基准14接入脉宽控制器3。驱动输入信号13是±6V的模拟信号。脉宽控制器3由电源2提供直流电源，脉宽控制器3又分为控制电路和测量电路，脉宽控制器3的控制电路与电机6的力矩机4连接，及时发出转速指令，控制力矩机4转动，脉宽控制器3的测量电路与电机6的测速机5连接，及时向脉宽控制器3反馈力矩机4的转速信息。

如图3所示，本实用新型采用将驱动输入经过两级细分，使信号输入的精度得到了很大的提高。脉宽控制器3的驱动输入信号基准为±6V的模拟信号，通过改变驱动输入信号的极性，可以方便地实现电机的正、反转控制。将输入基准经过精密电位器的两级细分后，使驱动输入信号的分辨率、精度提高，一号电位器11用来做精确调整，二号电位器12则做粗略调整，使速度读数0.0XXmm/min的最后一位更加精确。

一号电位器11和二号电位器12均选用的是精密丝绕电位器，阻值大小为10kΩ，分辨率为10Ω。

假如：

驱动输入信号为：6000mv，对应提拉速度为1mm/min.

那么：

驱动输入信号为：600mv，对应提拉速度为0.1mm/min.

驱动输入信号为：60mv，对应提拉速度为0.01mm/min.

驱动输入信号为：6mv，对应提拉速度为0.001mm/min.

二号电位器12上电压与阻值的对应关系为：6000mv/10000Ω，

即：0.6mv/Ω

那么，由于受电位器分辨率为10Ω的限制，所以，驱动输入信号在二号电位器12输出级(动头端)最高只能区分6mv的输入。

但是，在实际对电位器操作时，不管顺时针还是逆时针拧，很难准确拧到合适点上，所以，将给定经过第二级细分，用一号电位器11来精确调整0.00Xmm/min的最后一位，使其更加精确。

本实用新型的脉宽控制器3采用的是目前比较流行的脉宽控制器-直流电机调速(PWM-M)，靠调整电机的电枢电压来调整电机转速，具有响应速度快，效率高，运行可靠，调速范围宽，噪音小，接线、安装简单等优点。从脉宽控制器3方面，提供合适的电枢电压，调整脉宽控制器生成的脉冲序列的脉宽，使脉冲序列的脉动尽可能减小，保证电机平稳运转，无震动。

脉宽控制器的基本工作原理是：利用大功率晶体管高频率的开关作用，将电源供给的直流电压转换成一定频率的方波电压，加到直流电机的电枢上。通过对方波脉冲宽度的控制，从而改变一个周期内的平均电压，最终达到调节电机转速的目的。

如图4所示，为PWM-M系统的工作原理。将图4a中的开关K，类似于晶体管的作用，周期地闭合、断开，开和关的周期是T。在图4b中的一个周期T内，闭合的时间为τ，断开的时间为T-τ。若外加电源的电压U是常数，则电源加到电机电枢上的电压波形将是一个方波系列，其幅值为U，宽度为τ，如图4b所示。在一个周期内，它的平均值U_a为：

$U_a=\frac{1}{T}{\∫}_0^{\mathrm{\τ}}\mathrm{udt}=\frac{\mathrm{\τ}}{T}U={\mathrm{\δ}}_{T}U$ ...........................(公式2)

式中的δ＝τ/T，称为导通率。当T不变时，只要连续地改变τ，从0到T，就可使电枢电压的平均值(即直流分量Ua)由0连续变化至U，从而连续地改变电机的转速。实际的PWM-M系统用大功率晶体管，其开关频率可以达到几十KHz，意味着控制周期在微秒数量级。

在实际使用时，由于电机绕组具有一定的感量，所以，如图4a所示，通常要外加一个续流二极管。当K断开时，由于电枢电感La产生反电势，此时，电机的电枢电流Ia可通过它形成回路而流通。

那么，为了保证电机更加平稳地运转，我们应供给电机电枢一合适的工作电压，如果电压太低，电机转速上不去，就造成工作范围不够，电压太高，控制器生成的脉冲就相对窄，引起脉冲序列脉动较大，不利于电机平稳运转。所以，所谓合适的工作电压，就是使电机在正常工作时，导通率δ尽可能趋近于1，减小脉冲序列的脉动频率，同时要保证足够的工作范围，从而保证电枢电压趋于稳定值，最终得到电机准确、均匀、平稳而无震动的运转。

图4a所示的电路只能实现电机单方向的速度调节。为使电机实现双向调速，实际采用的是桥式电路。

图5所示的桥式电路为本实用新型采用的PWM-M系统的主回路电气示意图。该桥式电路让脉宽控制器具有4象限再生功能，根据实际需要，方便的实现了电机正、反转的功能。

下面给出电枢电压的计算方法：

根据公式1算得传动比，可以得出钢丝轴的提拉速度与电机转速之间的关系为：

n＝1900*V............................................................(公式3)

直流伺服机的电枢电压与转速的关系为：

E＝Ke*n+I*R......................................................(公式4)

其中Ke(常数)为电机的电动势系数，n为电机瞬时转速，I为电枢绕组电流，R(常数)为电枢绕组的内阻。

依据拖动负载需要的负载转矩T

T＝KM*I............................................................(公式5)

其中为KM(常数)电机的转矩系数，I为电枢绕组电流。

依据公式5，得：I＝T/K_M………………………………(公式6)

将公式6代入公式4得：

E＝K_e*n+T*R/K_M…………………………………(公式7)

附表

速度(mm/min)	位置	行程(mm)	理论时间(min)	实际时间(min)
					0.05	1	0.05	1	59″48
0.05	2	0.1	2	2′01″36
					0.05	3	0.15	3	2′59″52
0.05	4	0.2	4	4′02″00
					0.05	5	0.25	5	4′59″26
0.05	6	0.05	1	59″55
					0.05	7	0.1	2	1′58″52
0.05	8	0.15	3	2′59″32
					0.05	9	0.2	4	3′59″48
0.05	10	0.25	5	5′01″18

公式7给出了电机电枢电压与转速的函数关系。依据电机实际需要的工作转速，以及要拖动的负载转矩，可以准确算出电机电枢需要的工作电压。

对本实用新型的实施例进行实际测试，用最小读数为1微米的千分表，与秒表配合对该装置的实施情况进行测试、检测，对0.050mm/min以及其它几个速度点进行多次数、多位置的测试表明，整个系统运行平稳、传动均匀，无爬行、抖动现象出现，有关速度精度以上表0.050mm/min的速度点为例，给出其实际测试数据。测试结果结果如上表所示，本实用新型完全满足锗单晶生长对提拉速度的要求。

综上所述，本实用新型利用了伺服系统中对驱动电机要求响应速度快、定位准确、转动惯量小的特点，选用了性能良好的伺服电机以及与之完美匹配的脉宽控制器，以及给脉宽控制器提供合适的电枢电压来减小脉冲序列的脉动频率，再加上两级电位器的修正，将驱动输入信号精度提高，实现了对软轴提拉速度更高一级精度的控制，满足了锗单晶生长新的要求。

Claims (6)

1、一种对软轴提拉速度进行高精度控制的装置，其特征在于：包括驱动输入模块(1)，驱动输入模块(1)与接有电源(2)的脉宽控制器(3)连接，脉宽控制器(3)与电机(6)连接，电机(6)与谐波减速器(7)连接，谐波减速器(7)与蜗轮蜗杆(8)连接，蜗轮蜗杆(8)与卷丝轮(9)连接，卷丝轮(9)与钢丝轴(10)连接，

所述的驱动输入模块(1)包括二号电位器(12)，二号电位器(12)与一号电位器(11)连接，一号电位器(11)的输出端与脉宽控制器(3)连接，所述的脉宽控制器(3)采用双桥式电路，脉宽控制器(3)又分为控制电路和测量电路，脉宽控制器(3)的控制电路与电机(6)的力矩机(4)连接，脉宽控制器(3)的测量电路与电机(6)的测速机(5)连接。

2、如权利要求1所述的对软轴提拉速度进行高精度控制的装置，其特征在于：所述的一号电位器(11)和二号电位器(12)选用精密丝绕电位器，阻值大小为10kΩ，分辨率为10Ω。

3、如权利要求1所述的对软轴提拉速度进行高精度控制的装置，其特征在于：所述的供给脉宽控制器(3)的直流电源(2)的导通率趋近于1。

4、如权利要求1所述的对软轴提拉速度进行高精度控制的装置，其特征在于：所述的电机(6)选用伺服电机。

5、如权利要求1所述的对软轴提拉速度进行高精度控制的装置，其特征在于：所述的谐波减速器(7)选用1∶10000的传动比。

6、如权利要求1所述的对软轴提拉速度进行高精度控制的装置，其特征在于：所述的蜗轮蜗杆(8)选用1∶38的传动比。

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