臺達AB系列伺服在單晶硅爐上的應用

中達電通股份有限公司 鞠鳳軍

摘要：本文主要介紹臺達AB系列伺服在單晶硅爐上使用方案的具體實施，晶體硅爐的簡單加工工藝介紹，以及臺達AB系列伺服的調試方法和調試流程；

　　關鍵詞：臺達AB系列伺服；單晶硅爐；加工工藝；

　　一、前言

　　隨著世界能源供應的日趨緊張，可再生能源光伏產品發展迅猛，據行業統計2005年全國太陽能電池產能為300MW，到 2007年已發展到1000MW，到2010年我國太陽能電池/組件產能將達到5000MW以上，顯示出對單晶和多晶硅有很大的市場需求，比原來的市場預期提前了10年以上，也預示出單晶硅爐的市場需求將成倍增長。單晶硅爐是半導體材料直拉法晶體專用設備，其硅單晶棒料經切割等后續工藝處理成芯片被制作為二極管.太陽能電池.集成電路等半導體材料的主要器件。近幾年來由于國際能源危機及地球環境改善帶來對新能源，可再生能源的巨大需求，光伏產業出現前所未有的增長，半導體硅材料的生產又進入新的發展期，因此大力加速發展可再生能源.硅光伏產業及共基礎材料---高純半導體硅（單晶.多芯片）材料已成為當務之急，而硅材料的生長離不開單晶硅爐和多晶硅爐的設備支持。

　　二、單晶硅爐的工藝流程簡介、技術需求及方案的分析

　　 2-1、單晶硅爐的工藝流程簡介

　　單晶硅爐爐的組成組件可分成四部分

　　（1）爐體：包括石英坩堝，石墨坩堝，加熱及絕熱組件，爐壁

　　（2）晶棒及坩堝拉升旋轉機構：包括籽晶夾頭，吊線及拉升旋轉組件

　　（3）氣氛壓力控制：包括氣體流量控制，真空系統及壓力控制閥

　　（4）控制系統：包括偵測感應器及電腦控制系統

　　加工工藝：

　　加料→熔化→縮頸生長→放肩生長→等徑生長→尾部生長

　　（1）加料：將多晶硅原料及雜質放入石英坩堝內，雜質的種類依電阻的N或P型而定。雜質種類有硼，磷，銻，砷。

　　（2）熔化：加完多晶硅原料于石英堝內后，長晶爐必須關閉并抽成真空后充入高純氬氣使之維持一定壓力范圍內，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：當硅熔體的溫度穩定之后，將籽晶慢慢浸入硅熔體中。由于籽晶與硅熔體場接觸時的熱應力，會使籽晶產生位錯，這些位錯必須利用縮勁生長使之消失掉。縮頸生長是將籽晶快速向上提升，使長出的籽晶的直徑縮小到一定大小（4-6mm）由于位錯線與生長軸成一個交角，只要縮頸夠長，位錯便能長出晶體表面，產生零位錯的晶體。

　　（4）放肩生長：長完細頸之后，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：長完細頸和肩部之后，借著拉速與溫度的不斷調整，可使晶棒直徑維持在正負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：在長完等徑部分之后，如果立刻將晶棒與液面分開，那么效應力將使得晶棒出現位錯與滑移線。于是為了避免此問題的發生，必須將晶棒的直徑慢慢縮小，直到成一尖點而與液面分開。這一過程稱之為尾部生長。長完的晶棒被升至上爐室冷卻一段時間后取出，即完成一次生長周期。單晶硅爐整機如下圖：

晶硅爐

　　 2-2、技術需求和方案分析

單晶硅爐上面共需要四個軸驅動，其中2個使用的是伺服控制系統，另外2個使用的是直流驅動裝置實現；該設備根據工藝需要，設備分為爐架、主爐室、副室、提拉旋轉機構，下隨動機構及液壓提升機構、真空及氣路系統、水冷系統、光學測量系統、電加熱和運動控制系統及計算機控制系統等諸多機構。通過系統優化，實現高科技產品的集成。其次設備采用了許多較新的機構。如上提拉旋轉機構，通過花鍵軸配繞絲輪結合電刷環，在很小的體積上實現了穩定提拉和旋轉，滿足工藝需求且降低了設備高度，再有下隨動機構設備采用精密滾珠絲杠配合坩堝的磁流體密封，運動保持部件置于真空室外，實現精密運動與真空密封的完美結合，使用穩定可靠，還有液壓提升機構對副室翻板閥的保持采用無自鎖，爐內有漏硅等壓力驟增的緊急情況可以實現自動泄壓提高了設備的安全可靠性等等。在電器控制上設備采用可編程操作，代替了傳統的邏輯編程繼電器。電器控制系統由國產機大多采用的單片機，提升到IRCON和CCD工控自動化控制三個類型，提高了設備的自動化控制水平。

有控制方案中伺服控制系統存在如下問題：1、伺服控制器的編碼器輸出管角經常性的損壞；2、伺服電機的輸出軸端經常出現斷裂的情況；3、伺服控制器的輸入輸出點需要DC24V和DC12V的開關電源共計4個；

原有伺服控制系統同臺達AB系列伺服控制系統的功能比較如下表：

通過原日系伺服系統所存在的問題以及臺達伺服同原有日系伺服的功能比較表客戶最終在伺服控制系統上面選擇了我們臺達AB系列伺服系統的控制方案即：2套伺服控制系統選用臺達AB系列伺服，型號為ASDA-0421AB；

　　三、臺達AB系列伺服的控制理論及主要特點

　　 3-1、臺達AB系列伺服采用的是先進強健式的控制理論(PDFF)如下圖

3-2、強健式控制理論的優缺點

優點：

　　 在大范圍負載慣量變化,系統依然保有優秀性能

　　 對命令和干擾有不同的補償控制

　　 穩定性完全保證

　　 阻尼剛性優良, 低速轉動特性優良

　　 超越量很小

　　缺點：

控制參數需由繁復數學計算而得, 使用者無法自行調整

　　對策：依阻尼剛性的大小, 驅動器內含十組強健控制器, 供使用者選用

　　四、臺達AB系列伺服在單晶硅爐上使用方案的實施

　　 4-1、單晶硅爐上位機控制系統與臺達AB系列伺服的連線

4-2、臺達伺服的調試

手動調試：在整個系統的機械安裝和電器的連接完畢后，首先利用上位系統或臺達伺服所具有的手動控制方式，同時將所有伺服的參數P0-02設置成14，讓機構的X軸和Y軸進行往復的運動，在伺服的顯示屏上會顯示伺服在此機構上面應用的轉動慣量JL/JM，我們利用臺達伺服的軟件自動增益調整功能中的靜態增益調整，將伺服顯示的轉動慣量JL/JM和我們通過調試計算出來的響應頻寬B.W輸入的軟件中，在單晶硅爐項目中我們測試出伺服的轉動慣量JL/JM、響應頻寬B.W是80，計算出來我們需要的參數，把這些參數手動輸入的伺服控制器中，單晶硅爐即可正常運行。

自動調試：這種調試比手動要簡單了，首先也要像手動那樣先將轉動慣量JL/JM測試出來，把這個值輸入到參數P1-37中，再把參數P2-31設置成64、P2-32設置成5，這樣單晶硅爐就可以正常運行了。

無計算機軟件時的PDFF 自動增益調機步驟

手動調整比自動調整要精確的多，可以通過多次的加工測試來測試出一組最適合整個機構的參數；但是手動調整的時間要比較長，花費的工期也比較多，同時在成批量生產的過程中，伺服參數的輸入等也都非常的不方便；臺達AB系列伺服的高性能、整定時間短、在單晶硅爐應用中的調頻參數比較寬等等，所以我們在單晶硅爐的正常應用中使用自動調整比較多一點。

　　4-3、ASDA伺服參數的說明

　　ASDA伺服在單晶硅爐系統應用中需要更改的參數說明

　　P0-02:14

　　驅動器的狀態的顯示；用來顯示機構的轉動慣量

　　P1-01:2

　　控制模式及控制命令輸入源的設定

　　P1-37:11

　　伺服電機的負載慣量比；在自動模式下用來設定伺服電機的負載慣量比

　　P1-44:12、P1-45:10

　　電子齒輪比的分子、分母；使伺服電機帶動的滾珠絲杠等機構運動的距離與上位機要求的距離相同

　　P1-46:10128

　　檢出器輸出脈沖數設定: 脈沖數設定值范圍即為伺服電機一回轉的輸出單相脈沖數。

　　P2-00:125

　　位置控制增益；主要控制伺服位置環回路的應答性

　　P2-04:5526

　　速度控制增益；主要控制伺服速度環回路的應答性

　　P2-06:80

　　速度積分補償；控制伺服電機、機構的固定偏差和整個機構的抖動

　　P2-25:3

　　共振抑制低通濾波；用來設定共振抑制低通濾波的時間常數

　　P2-26:14

　　外部干擾抵抗增益；用來增加對外力的抵抗能力并降低加減速的過沖現象

　　P2-31:64

　　自動及簡易模式設定；在自動模式時用來設定響應的頻寬

　　P2-32:5

　　增益調整方式；設定伺服的調整模式為PDFF自動模式即負載慣量比固定，伺服的響應頻寬可調整

　　五、結束語

　　2007年，在全球范圍內晶體硅產量中，電子級占接近55%，太陽能級占45%多。隨著太陽能光伏產業的迅猛發展，太陽能電池芯片對晶體硅需求量的增長速度遠高于半導體晶體硅的發展（太陽能遞增速度2位數以上，半導體芯片5%左右），不久的將來太陽能晶體硅的需求量將大幅度超過電子級晶體硅用量。當前，晶體硅材料（包括多晶硅和單晶硅）是最主要的光伏材料，其市場占有率在90%以上，而且在今后相當長的一段時期也依然是太陽能電池的主流材料。在世界范圍內，太陽能級晶體硅生產與供應已嚴重制約太陽能電池的發展，由此可以看到對應生產晶體硅的設備單晶硅爐和多晶硅爐在最近幾年的市場必定是異常火爆，同時晶體硅爐設備的發展也是影響太陽能行業的重要發展方向之一；