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)）。
特點(diǎn)
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)優(yōu)勢(shì)
5.1、無(wú)
電刷和
換向器，因此工作可靠，對(duì)維護(hù)和保養(yǎng)要求低；
5.3、
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。
臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)功能
臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)工作原理
臺(tái)達(dá)伺服電機(jī)應(yīng)用案例
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(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)能為300MW，到 2007年已發(fā)展到1000MW，到2010年我國(guó)太陽(yáng)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(lái)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(zhǎng)。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(yáng)能電池.集成電路等半導(dǎo)體材料的主要器件。近幾年來(lái)由于國(guó)際
能源危機(jī)及
地球環(huán)境改善帶來(lái)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(zhǎng)，
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(zhǎng)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(jiǎn)介、技術(shù)需求及方案的分析
2-1、單晶硅爐的工藝流程簡(jiǎn)介
（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：
（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(zhǎng)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(zhǎng)：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(zhǎng)使之消失掉。
縮頸生長(zhǎng)是將籽晶快速向上提升，使長(zhǎng)出的籽晶的直徑縮小到一定大?。?-6mm）由于
位錯(cuò)線與生長(zhǎng)軸成一個(gè)交角，只要縮頸夠長(zhǎng)，位錯(cuò)便能長(zhǎng)出
晶體表面，產(chǎn)生零位錯(cuò)的晶體。
（4）放肩生長(zhǎng)：長(zhǎng)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(zhǎng)：長(zhǎng)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(zhǎng)：在長(zhǎng)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(wèn)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(guò)程稱之為
尾部生長(zhǎng)。長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(guò)
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(wú)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(guó)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(wèn)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：
|
項(xiàng) 目
|
原有日系伺服
|
優(yōu)勢(shì)
|
臺(tái)達(dá)AB系列伺服
|
|
輸入電源
|
單相200V(400W以下)
|
<
|
單相200V(2KW以下)
|
|
單軸控制
|
無(wú)
|
<
|
點(diǎn)對(duì)點(diǎn)八點(diǎn)
|
|
分度功能
|
無(wú)
|
<
|
32度
|
|
自動(dòng)定位
|
無(wú)
|
<
|
|
|
DI INPUT
|
7點(diǎn)
|
<
|
8點(diǎn)
|
|
DO OUTPUT
|
4點(diǎn)
|
<
|
5點(diǎn)
|
|
通信
|
RS232
|
<
|
|
|
位置定位整定時(shí)間
|
3ms
|
<
|
1ms
|
|
數(shù)字輸入可程序化
|
NO
|
<
|
OK
|
|
速度回路頻率特性
|
450Hz
|
=
|
450Hz
|
|
DC24V
|
無(wú)
|
<
|
內(nèi)建
|
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(wú)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
|
線色
|
伺服CN1
|
上位機(jī)線編號(hào)
|
帶限位
|
不帶限位
|
|
黃
|
11
|
H951
|
√
|
√
|
|
橙色
|
9
|
H952
|
√
|
√
|
|
綠色
|
31
|
H953
|
√
|
|
|
藍(lán)色
|
10
|
H954
|
√
|
√
|
|
白色
|
21
|
H955
|
√
|
√
|
|
棕色
|
22
|
H956
|
√
|
√
|
|
紅色
|
42
|
H949
|
√
|
√
|
|
黑色
|
13
|
H950
|
√
|
√
|
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(guò)調(diào)試計(jì)算出來(lái)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(lái)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(jiǎn)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(lái)，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。
|
無(wú)計(jì)算機(jī)軟件時(shí)的PDFF 自動(dòng)增益調(diào)機(jī)步驟
|
手動(dòng)調(diào)整比自動(dòng)調(diào)整要精確的多，可以通過(guò)多次的加工測(cè)試來(lái)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(zhǎng)，花費(fèi)的工期也比較多，同時(shí)在成批量生產(chǎn)的過(guò)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(shuō)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(shuō)明
P0-02:14
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(lái)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
P2-26:14
外部干擾抵抗增益；用來(lái)增加對(duì)外力的抵抗能力并降低加減速的過(guò)沖現(xiàn)象
P2-31:64
自動(dòng)及簡(jiǎn)易模式設(shè)定；在自動(dòng)模式時(shí)用來(lái)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