晶体生长控制中的高精度控温系统

High Precision Temperature Control System in the Crystal Growth Control

YANG Qi, YANG Xiaoling

(Physics and Information Engineering College, Fuzhou University,
Fuzh ou 350002, China)

　　Keywords: crystal growth; thermo?control; signal processing

1系统硬件组成
　　晶体生长控温系统如图1所示，高精度温度?变送器把检测到的微弱温差信号放大后经A/D转 换 ，由单片机系统进行数据采集和分析处理，一方面由LED显示现场采集温度值，另一方面把 该采集信号与键盘设置的温度值进行比较，提取温差量及温差变化量，作为智能控制的输入 参数。输出量控制晶闸管驱动电路，进一步控制加热棒的功率，达到控温目的。由于晶体生 长是在旋转运动下进行的，因此，整个载晶装置由一可逆电机控制其旋转过程。此外系统还 设计了微打接口及温度越限声光报警电路。
1.1高精度温度变送器
　　系统选用Pt100作为温度传感器。它的温度系数α=0.00385/℃，对于0.001℃ 的微小温差变化，Pt100的电阻值变化约为0.385mΩ，如此小的电阻变化量经电桥转 换后，电信号最大也只能达到0.5～1μV，因此处理微伏级弱信号的接口调理方法， 包括高精度不平衡直流电桥，低截频模拟滤波器，低噪声、低漂移、高灵敏度直流放大器及 接地体等环节的设计。

　　由图2电路可知：
　　
　　?
当电桥平衡时有：R1R4=R2R3，RT=R1+ΔR 。代入上式并整理得：
　　?
　　对于具体温度测控系统，R2、R3、R4均为已知，VREF 为TL431的内部基准电压，是一恒值，因此电桥的输出电压ΔV与ΔR成线性关系，即电桥输出实现线性化。电阻R2、R3、R4均选温度系数小且同方向变化的线绕精密电阻，这样电桥输出信号达到高稳定度目的。
　　选择AD524作为温度变送器的放大电路，其增益可由外接电阻RG调整，RG的温度效应将 引起AD524放大倍数漂移或精密度等级下降，在高精度控温系统中，必须对增益电阻的温度 效应进行补偿，具体设计方法见文献［2］。
　　AD524放大的输出信号经其后接的二阶低通滤波器滤除电源干扰，RC滤波器的通带宽度设计 为1.4Hz，它适用于缓慢变化温度信号的带通要求，而对于高频干扰信号，低通 滤波 器具有良好的抗干扰能力。此外，输入信号采用双绞屏蔽线连接，以降低外界电磁干扰，放 大器的输入端采用紧密的对称布局，降低接点热偶效应的影响，提高系统的稳定性。
1.2单片机系统及其接口
　　温度变送电路的输出信号，经16位A/D转换器AD976转换和8031构成的智能控制系统分析处理 后，由LED显示现场温度值，同时输出信号控制晶闸管电路工作情况，从而控制槽中加热棒 的工作，达到控温的目的。晶闸管采用过零触发方式，输出功率采用PWM脉宽调节，避免负 载电流产生瞬态浪涌过程，减少射频干扰及延长晶闸管的使用寿命。
　　为使晶体生长均匀，要求载晶装置处于旋转运动中，即要求其按正转—停—反转—停—正转 规律不断运行，这一过程由图3的可逆小电机及其控制电路实现，系统要求电机转速较慢， 扭矩有较大的动力，因此选用10瓦ND-30型可逆电机，其中C1为电机起动电容，T1、T 2、R、C2、RW组成双向晶闸管电机调速电路，当8031使P1端输出低电平、P2端输出高 电平时，固态继电器SSR1闭合，电机正转；当P1端输出高电平、P2端输出低电平时，SSR2闭 合，电机反转，其转速通过调节R?W控制双向晶闸管T?1的导通角来实现；当P1端及P2端均 输出高电平时，可逆电机停止转动。?

　　系统的软件包括两大部分：键盘管理系统和智能控制器。键盘管理系统提供的功能包括数据 设定、现场温度显示、时间显示、重新启动、停止控制、数据打印等，提供一个人机交互的 简单界面。
　　智能控制系统实现现场数据采集，智能控制算法以及受控过程的输出控制等，其原理框图如 图4所示。人工晶体生长环境存在受控环境变化大，工艺曲线不确实，真实信号难采集等特 点，因此采用二级智能控制策略：一级为主控制级，也称内环控制，一级为参数校正控制级 ，也称外环控制。综合数据库为内环和外环所共享，存贮了受控对象的先验知识、所要求的 品质指标、控制参数的先验值及系统运行过程的有关动态值等，它为内环和外环提供有效的 控制数据。?

　　内环控制过程同时受到外环监测，当环境相对稳定，主控制级控制效果较好时，参数校正级 就无需调整主控制级的控制参数，一旦受控过程或用户设定参数变化较大时，主控制级的控 制指标达不到用户要求时，参数校正级就要投入调整过程，通过调整主控制级的控制参数来 改善主控制级的性能。
　　参数校正级的核心也是一个智能控制器，其输入参数是受控现场数据、用户设定、内环控制 情况等，受控对象是主控制级的控制参数，其变化范围较小。输入参数经数据规范化处理后 ，作为参数校正推理系统的推理条件，根据参数校正的相应规则，对综合数据库中主控制级 的控制参数进行调整，这个参数调整过程也可多次进行，直到主控制级的控制效果得到改善 ，参数校正才停止对主控制级控制参数的调整。参数校正控制采用的规则是IFTHEN 的形式，规则集也是按照“分类分层”的原理进行构造，其推理系统核心也 是启发式子树分离算法。推理系统的输出决定内环控制参数的调整情况，从而提高主控制级 的控制质量。系统设计主控制级的控制参数可动态调整(由参数校正级来完成)，而 参数校正 级的控制参数不能动态调整。?

　　本控温系统经多家单位投入使用，多年运行表明控温精度均达0.01℃，工作稳定可靠 。表1是控温过程的部分测试数据。
　　采用本控温系统，不仅可提高控温质量，而且可以 实现温度自动报警，参数制表，数据打印 ，资料存档等功能，有效地提高了晶体生产的技术及管理水平。?