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根据80C 196KC的单晶炉等径控制系统规划

时间:2019-02-22编辑: admin 点击率:

  根据80C 196KC的单晶炉等径控制系统规划

  1 导言

  直拉式单晶炉是以直拉法从熔化的多晶硅熔液中成长硅单晶的电子专用设备。而等径控制是单晶炉主动控制的中心。单晶直径在成长进程中可遭到温度、提拉速度与转速、坩埚盯梢速度与转速、维护气体的流速与温度等要素的影响。在疏忽一些搅扰要素影响情况下,单晶等径成长首要受温度和拉速影响。因而,炉内热场和成长速度的准确控制是单晶等径控制的要点,因为这种控制体系是一个缓慢时变,而且具搅扰严峻的非最小相位体系,用一般惯例外表控制手法来完结主动控径极为困难。本文从硬件和软件规划方面介绍了以80CI96单片机作为中心部件的单晶炉等径成长控制体系,此体系有效地完结了单晶炉的等径控制。

  2 等径控制的原理与办法

  2.1体系整体结构

  单晶等径成长控制整体结构如图l所示。体系首要由拉速控径单元和温度控径单元组成。每个单元都包含各自独立的数据收集、PID控制模块、参数设置、工艺曲线设置、电路控制输出、与上位机串行通讯等模块。在拉速控径单元中,直径丈量模块以模仿电压方式将现场直径量传至单片机;单片机经过本身集成的A/D转换器将模仿电压转化为控制体系可用的数字量;单片机结合现场收集的直径与用户设定的方针直径,依照现已编程固化的增量式PID控制算法计算出实时控制量;以此控制量经过DA电路和功放电路改动输出驱动直流电机,调理拉速与埚升速度,使直径逐渐安稳于用户设定的方针值。温度控制单元是为了确保单晶正常成长所需的极严厉的过冷度要求(如硅单晶成长过冷度l 240℃~0.5℃),选用了欧陆818P温度控制器。在温度校对控制单元中,输入误差信号是由晶升测速机测得的拉速与温校曲线的设定拉速相比较发生的,再由PID算法得到温度校对升温速率输出值,改动炉温到达控径的意图,一起也约束了拉速的大范围动摇与改动。温度校对首要是用来补偿因单晶长度改动而引起固液交界面热稳态发生改动的。

  
2.2体系控制算法

  体系选用依据增量式PID算法的控制办法,即拉速控径单元的拉速控制量和温度控径单元的升温速率量由增量式PID算法求得。增量式PID算法的输出量为 △Un=Kp[(en-en-1)+(T/Ti)en+(Td/T)(en-2en-1+en-2)]式中:en、en-1、en-2分别为第n次、n-1次和n-2次的误差值,Kp、Ti、Td分别为份额系数、积分系数和微分系数,T为采样周期。

  单片机每隔固定时刻T将现场收集信号与用户设定方针温度的差值带入增量式PID算法公式,由公式输出量决议拉速控径单元的拉速控制量和温度控径单元的升温速率量,后续扩大电路依据这两数值决议电机转速和加热功率。在实践运转上表现为,在晶体成长进程中,晶体的直径首要受晶升速度和熔体温度的改动而变大或变小,当晶升速度增大时,晶体直径变小,反之当晶升速度减小时,晶体直径变大。当熔体温度升高时,晶体直径变小,反之当熔体温度下降时,晶体直径变大,因而,晶体直径的主动控制就是经过控制晶升速度和加热器温度而完结。

  3 硬件规划

  3.1 80 C196KC单片机

  80C196KC是CHMOS高性能16单片机,内部的EPROM/ROM 为16K字节,内部RAM为488字节,都能够作为通用寄存器,别的还有24字节专用寄存器。2个PWM(脉宽调制)输出;一个外设业务效劳器PTS,大大降低了中止效劳的开支;2个定时器能够由外部供给时钟;可对一切HSO引脚一起寻址;10位的A/D转换器。80C196KC:片内集成的很多体系级功用单元为控制体系的开发供给了很大的便当。

  3.2硬件规划

  等径控制体系硬件框图如图2所示。硬件中心为Intel公司的16位单片机80C196KC。存储模块由三部分组成:RAM,为程序运转时中心变量和局部变量存储运用;ROM,为固化的程序和数据存储运用;带看门狗的串行EEPORM为芯片X5043,一方面存储重要的工艺曲线数据和PID控制算法参数,另一方面为避免程序死机,X5043具有看门狗功用,而且当程序死机重启时,X5043还保存有实时的工艺进程状况数据。本体系硬件还包含数据前端预处理模块,此模块对采样的模仿信号进行阻隔扩大滤波处理,以到达80C196KC:的AD采样信号要求。LCD模块为液晶驱动芯片sed13350驱动320*240的:DMF5008l的LCD。DA模块选用四路的DAC7615,以便控制体系功用扩大。整个硬件体系可完结的功用彻底满意等径控制的要求。

  
4 软件规划

  体系程序由初始化程序、AD采样子程序、键盘扫描子程序、PID控制子程序和中止子程序等部分组成。初始化首要完结热控制体系各部件的初始化和自检。键盘扫描和控制算法等子程序运用80C196KC丰厚的中止资源,在外部中止和定时器溢出中止子程序中完结上述作业。与上位机的串行通讯选用80C196KC自带的UART硬件传输中止,以满意数据双向传输的异步性和实时性要求。单片机等径控制程序流程如图3所示。

  

  上位机监控程序依据VB6.O环境开发。运用微软公司供给的MsComm控件有效地避免了直接调用Win32API形成的编程烦琐等坏处,以较少代码量完结本体系要求的全双工步通讯。用户可经过上位机程序完结工艺参数设定工艺数据保存和工艺进程监控等功用。

  5 结束语

  本规划的等径控制体系充分发挥了80C196KC单片机的特色,结合现有技能,大大降低了硬件电路的规划复杂度和本钱。该体系在中电集团第四十八研究所开发成功的CZ800-A型单晶炉上运转一年多时刻,能安稳主动控制成长需求的无错位单晶,具有控制精度高、控制界面友爱、安稳性高,抗搅扰能力强等长处。

(作者:谭何军,易臻希,成秋云 修改:xiaoyao)
 

  

   单晶炉多晶硅单片机

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