提拉旋转系统在蓝宝石晶体生长过程中的应用

提拉旋转系统在蓝宝石晶体生长过程中的应用
蓝宝石（Sapphire）是一种氧化铝（α-Al2O3）的单晶，自身的耐高法性能使其被广应用于军事、卫星、激光窗口等领域。

其结构独特、性能优异、热学性能好，也被应用在发光二极管的衬底材料。

近年来，随着现代科学技术的不断发展，对蓝宝石晶体材料的尺寸、质量不断的提出新的要求。

蓝宝石有很多的合成方法，主要有热交换法、泡生法、坩埚下降法及提拉法。

最具代表性的方法就是提拉法。

所以在提拉法中对蓝宝石晶体生长距离检测的要求很高。

需要精度很高的提拉旋转系统来生长出质量优良的蓝宝石晶体。

标签：提拉法；提拉控制器；蓝宝石
提拉旋转系统主要由控制系统、伺服放大器、伺服电机、减速器等组成，伺服放大器通过脉冲信号控制，它连接伺服电机及减速器后带动传动装置。

提拉控制器通过RS485通信方式接收上位机给定的提拉距离，根据伺服放大器、减速器及传动装置的轴距，通过单片机计算出单位时间内对应的距离，及通过驱动电路发出相应频率的脉冲信号给伺服放大器，伺服放大器驱动电机，然后经减速器到传动轴，来达到精密的提拉控制。

1 提拉法
提拉法是运用熔体的冷凝结晶驱动原理，将蓝宝石晶体的原料加热到熔点，使能形成液体，在固液界面处，经一个单晶的籽晶来接触液体表面，藉由熔体温度下降，将产生由液态转换成固态的相变化。

液体会慢慢凝固于籽晶上面，形成结构相同的晶体。

然后通过极其缓慢的速度向上提拉单晶籽晶，同时加以一定的速度的旋转，随之缓慢的提拉后，液态逐渐变成固态，最终生长成为蓝宝石晶体。

提拉法的优点在于其生长的周期短、速度快；生长过程中方便观察；温度梯度控制方便；可通过改变转速调节液流；晶体质量高。

根据技术要求，选择使用合适的单晶生长设备；其次是要掌握一整套单晶硅的制备工艺、技术，包括：（1）单晶硅系统内的热场设计，确保晶体生长有合理稳定的温度梯度；（2）单晶硅生长系统内的氢气气体系统设计；（3）单晶硅夹持技术系统的设计；（4）为了提高生产效率的连续加料系统的设计；（5）单晶硅制备工艺的过程控制。

2 系统组成
2.1 伺服放大器
伺服放大器具有两种控制模式，分别是位置控制和内部速度控制两种，因此，应用领域广泛，该新系列具有RS-232C或RS-422串行通讯功能，能够进行参数设置、试运行、状态显示监视等。

2.1.1 位置控制模式
最大1Mpps高速度脉冲串用于控制电机的速度和方向，并进行131072脉冲/rev分辨率的精确定位。

位置平滑功能提供适用于机器的两种不同模式选择，因此在位置指令突变时能够更平滑地启动/停止。

通过伺服放大器中的箱位电路施加转矩限制以防止电机在突然加减速或过载时产生的过电流损坏伺服放大器主电路中的晶体管。

此转矩限制值可通过参数设定为任意值。

2.1.2 内部速度控制模式
由参数组成的内部速度指令对伺服电机的转速和方向进行平滑控制。

另外，对于速度指令，它还具有进行加减速时的常数设定和停止时的伺服锁定功能。

2.2 伺服电机及减速器
伺服电机装有增量位置编码器，分辨率131072脉冲/转，以确保高精度定位。

2.3 控制系统
以单片机为核心，通过计算，根据频率的高低来选择用PWM方式或是定时器方式，加以控制脉冲电路来输出脉冲控制信号控制伺服放大器，通过光电隔离的RS485通信电路与上位机进行通迅。

同时还支持单键调整及即时自动调整功能，根据机器可以对伺服增益进行简单的自动调整。

通过Tough Drive功能、驱动记录器功能以及预防性保护支持功能，对机器的维护与检查提供强力的支持。

因为装备了USB通信接口，与安装MR Configurator2后的个人电脑连接后，能够进行数据设定和试运行以及增益调整等。

MELSERVO-JE系列的伺服电机采用拥有131072pulses/rev分辨率的增量式编码器，能够进行高精度的定位。

3 脉冲频率换算
通过RS485通信方式接收上位机传达的提拉和旋转的具体量值，根据传动装置的轴距，通过单片机换算出相应的脉冲频率。

假设提拉距离为0.1毫米/小时，传感装置的轴距为4.5毫米，减速器变比为80：1，伺服放大器变比为1：80，伺服的放大器的分辨率为131072个脉冲/圈。

这样伺服变比和减速器变比相互抵消，131072/4.5=29127，即29127个脉冲/毫米。

目标提拉距离为0.1毫米/小时，换算成频率为29127*0.1/3600=0.81Hz。

通过此频率可得到周期，用来做定时器的定时溢出初值，在定时器中对相应的脉冲引脚进行翻转控制。

4 软件控制
由上位机下达目标指令，通过RS485通信接收。

提拉和旋转的控制分为手动及自动，手动模式采用PWM方式，根据上位机给定的档位，做出一个PWM 频率表格，用查表法来选择PWM的频率，通过脉冲控制电路输出脉冲；自动模式由于周期比较长，PWM方式无法满足其需求，所以采用定时器方式，定时器采用16位模式，对于一个定时器一个周期仍无法达到时间要求时，需要跑完一个定时周期再继续重新赋定时器初值，然后等到再次溢出后对相应的脉冲引脚进行翻转。

5 操作流程及调压过程
操作流程图如图所示。

调压过程是在上位机软件中实现的，在“电压控制”框中设置“调节电压”增量数值（正整数为增加电压，负整数为减小电压），数值输入完成后在键盘上按向下箭头，这时光标下移电压设置完成；在“调节时间”中输入工艺要求的时间，数值输入完成后在键盘上按向下箭头，这时光标下移时间设置完成；在“电压控制”框中设置“快速调节”增量数值，数值输入完成后在键盘上按CTRL+Z为快速增加设定电压、按CTRL+X为快速减少设定电压，设定完成后观察“设定电压”数值是否改变，确认设置的数值无误后，按Ctrl+F1就可以开始调节电压了，同时在界面上可以看到调压曲线以及反馈的电压电流值，然后根据实际需要（温度，长晶速度）选择继续设置调节电压，直至长晶结束。

参考文献
[1]许承海，左洪波，孟松鹤.人工晶体学报，2006.
[2]三菱电机自动化（上海）有限公司.MR-E-KH003伺服放大器技术资料集[Z].2006.
[3]孙宇.交流伺服系统设计指南[M].机械工业出版社.
[4]冷劲松.哈尔滨工业大学学报，2007.
[5]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京，机械工业出版社，2009.
作者简介：周常龙（1987-），男，工程师，2010年毕业于东北农业大学电气工程及其自动化，在职，现从事晶体生长电源装置的设计与调试工作。