何雅琴， 耿浩然

(常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院， 江蘇 常州 213164)

晶體生長爐用大電流電源設(shè)計(jì)

何雅琴， 耿浩然

(常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院， 江蘇 常州 213164)

采用主從式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種晶體生長爐用大電流電源。每條支路分別為系統(tǒng)提供電流，通過匯流排把每條支路電流匯總后為晶體生長爐工作提供相應(yīng)電流。每條支路采用PID算法控制PWM模塊的輸出電壓，保證了每條支路輸出電流的一致性，符合電源并聯(lián)均流的要求。系統(tǒng)經(jīng)過測試，該電源每條支路輸出的電流穩(wěn)定可靠、誤差小，能夠滿足晶體生長爐工作對電源的要求。

晶體生長爐； 大電流； 并聯(lián)； 均流

0 引 言

隨著科技進(jìn)步，晶體在航空、軍事、新能源等不同的領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛[1]。由于自然界的天然晶體不能滿足人們的需求，人工晶體成為了必然的替代品。晶體生長爐專用于人工晶體的制造，其工作一般需要很大的電流，一般單一的電源很難滿足其需求。眾所周知，通過電源并聯(lián)可以獲得很大的電流，但電源串聯(lián)容易并聯(lián)難。如果直接將電源并聯(lián)，各個(gè)電源承受的負(fù)載不均衡，或?qū)е码娫吹倪^載或輕載運(yùn)行，影響電源的壽命。比較可行的方案是對并聯(lián)的電源采用電源均流技術(shù)。根據(jù)常州江南電力使用的晶體生長爐對電源的需求，本文設(shè)計(jì)了一種晶種晶體生長爐用大電流電源。

1 系統(tǒng)方案

晶體生長爐用大電流電源系統(tǒng)采用了主-從式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。主機(jī)部分完成電流、從機(jī)路數(shù)的設(shè)置以及與PC機(jī)的通信，并對匯流排的電壓進(jìn)行測量，把檢測的匯流排電壓發(fā)送給各路從機(jī)。各路從機(jī)根據(jù)主機(jī)的配置信息，計(jì)算每路從機(jī)所要提供的電流大小，如主機(jī)設(shè)置晶體生長爐所需工作電流為1 kA，共10路從機(jī)，則從機(jī)計(jì)算出自身所需提供的電流為100 A。

圖1 大電流電源系統(tǒng)方案圖

從機(jī)根據(jù)每路銅排電阻的大小(固定值)，可以計(jì)算出每路銅排電阻兩端的電壓，銅排電阻右端的電壓為匯流排的電壓，由主機(jī)負(fù)責(zé)采集并發(fā)送給每路從機(jī)，每路從機(jī)根據(jù)主機(jī)發(fā)送過來的匯流排電壓，可以計(jì)算出PWM模塊所需提供的電壓，從機(jī)通過輸出PWM信號控制PWM模塊輸出相應(yīng)電壓。為了保證每路電流輸出的穩(wěn)定性，每路從機(jī)對銅排電阻左端的電壓采用了PID控制。系統(tǒng)工作過程中，每路從機(jī)通過PID算法不斷調(diào)整PWM模塊的輸出電壓，以保證每一支路輸出電流一致。各個(gè)支路電流通過匯流排匯總后為晶體生長爐工作提供大電流。

2 硬件的實(shí)現(xiàn)

2.1 主機(jī)和從機(jī)的CPU模塊

主機(jī)和從機(jī)的CPU都采用了宏晶科技出品的增強(qiáng)型單片機(jī)STC12C5A60S2[2]，基于以下兩個(gè)因素考慮：主機(jī)需要和各路從機(jī)通信(RS-485)，同時(shí)也要與PC機(jī)通信，需要兩路獨(dú)立的串行通信口，STC12C5A60S2單片機(jī)正好有2個(gè)含獨(dú)立波特率的UART口[3-4]；從機(jī)需要輸出PWM信號控制PWM模塊輸出相應(yīng)的電壓，STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)含2路PWM輸出接口。同時(shí)該單片機(jī)還包含60 Kb 閃速程序存儲器，1 280B數(shù)據(jù)存儲器，4個(gè)16 bit定時(shí)/計(jì)數(shù)器，8通道10 bit A/D[5]。由于主機(jī)需要保存系統(tǒng)設(shè)置的參數(shù)，故擴(kuò)展了一片串行FLASH存儲器AT24C01芯片，主機(jī)通過模擬I2C時(shí)序操作該存儲器。從機(jī)則無需擴(kuò)展任何存儲單元。

2.2 A/D模塊

主機(jī)需要采集匯流排(銅排電阻右端)的電壓，從機(jī)需要采集銅排電阻左端的電壓，故主機(jī)和從機(jī)都需要實(shí)現(xiàn)A/D功能。雖然STC12C5A60S2單片機(jī)具有片內(nèi)A/D,但其轉(zhuǎn)換精度只有10 bit，所以主機(jī)和每路從機(jī)都擴(kuò)展了一片12 bit的串行A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS7818[6]。該芯片可以使用單一電源5 V供電，串行數(shù)據(jù)傳輸方式，高達(dá)500 kHz的采樣速率。ADS7818采用外部參考電壓工作方式，外部參考電壓接由高精度電壓模塊提供的2.5 V電壓，故A/D能夠測量的范圍為0～5 V(2.5 V×2)[7]，而匯流排和銅排電阻左端的電壓一般在20～30 V左右，因此需要對電壓信號進(jìn)行處理后才能夠進(jìn)行A/D,如圖2所示。ADS7818接口電路如圖3所示。

圖2 A/D前端電壓處理圖

2.3 PWM模塊

PWM模塊由從機(jī)控制，模塊采用了江南電力提供的軍用級PWM模塊，該模塊包含電壓輸入、輸出部分，PWM控制部分(見圖1)?？刂撇糠纸邮諒臋C(jī)發(fā)送的PWM信號，PWM模塊根據(jù)該信號不斷調(diào)整輸出電壓達(dá)到規(guī)定的值。每路PWM模塊電壓輸出部分和銅排電阻左端連接了一只高壓大電流整流二極管，防止電流反串造成相關(guān)芯片損壞。本系統(tǒng)所針對的晶體生長爐匯流排電壓一般固定在30 V，每路高精度銅排電阻(定制)為5 mΩ，因此，系統(tǒng)如果采用10路從機(jī)，只要控制每路PWM模塊提供的電壓為30.5 V，晶體生長爐就能獲得1 kA的工作電流。為了增加電流輸出冗余度，一般可以多增加兩條支路以達(dá)到減小每一路電流輸出，降低銅排電阻兩端電壓差的作用，這樣就可以選用電阻值較小的銅排電阻，在恒流輸出情況下可以節(jié)省能耗。

2.4 通信模塊

主機(jī)(2路RS-485通信)和客戶端電腦、主機(jī)和每一路從機(jī)之間(1路RS-485通信)都采用RS-485通信。每路從機(jī)地址分別采用撥碼開關(guān)設(shè)置。由于STC12C5A60S2單片機(jī)自帶的串行通信口都采用TTL電平，所以RS-485通信的實(shí)現(xiàn)采用了美國美信公司生產(chǎn)的MAX485芯片[8-9]，通過該芯片可以將TTL電平轉(zhuǎn)換成滿足RS-485通信的差分信號。該芯片采用單一電源5 V供電，單片機(jī)的串行輸出TXD和串行輸入RXD引腳分別連接該芯片的RO和DI引腳[10-11]，并通過一個(gè)單片機(jī)的I/O引腳的置1或清0來控制數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，并在MAX485芯片的A和B之間加一個(gè)100 Ω的匹配電阻。

2.5 人機(jī)接口

人機(jī)接口主要用于系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定，主要包括鍵盤和顯示器兩部分，鍵盤采用了4只獨(dú)立式按鈕實(shí)現(xiàn)。顯示器采用了4只數(shù)碼管，通過4片74LS164的高低位串聯(lián)實(shí)現(xiàn)了數(shù)碼管的靜態(tài)顯示[12]。

3 軟件的實(shí)現(xiàn)

3.1 主機(jī)部分軟件

主機(jī)部分主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的配置，與客戶端電腦、從機(jī)的通信以及采集匯流排的電壓，其工作流程如圖4所示。主機(jī)開機(jī)后首先進(jìn)行板級初始化，并從AT24C01中讀取系統(tǒng)配置參數(shù)，如果參數(shù)不符合系統(tǒng)運(yùn)行要求，則重新配置晶體生長爐工作電流，從機(jī)數(shù)量等參數(shù)，并把相關(guān)參數(shù)發(fā)送至各路從機(jī)。接著，主機(jī)開始采集匯流排端的電壓，并把電壓值發(fā)送至各路分機(jī)，分機(jī)結(jié)合該電壓和自身探測的銅排電阻左端電壓對PWM模塊的輸出電壓進(jìn)行PID控制，如果PC端請求主機(jī)發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)和參數(shù)，主機(jī)就把相關(guān)數(shù)據(jù)通過RS-485接口發(fā)送至PC機(jī)。

3.2 從機(jī)部分軟件

晶體生長爐用大電流電源系統(tǒng)的每一路從機(jī)的具體工作過程如圖5所示。

每路從機(jī)分別和主機(jī)通過RS-485總線通信，獲得系統(tǒng)配置信息，并根據(jù)晶體生長爐工作電流、從機(jī)數(shù)量，計(jì)算出每路從機(jī)自身需要提供的電流，并不斷獲得主機(jī)發(fā)送過來的匯流排電壓，從機(jī)結(jié)合每路銅排電阻大小，和自身檢測到的銅排電阻左端電壓，控制PWM模塊輸出合適的電壓，以此獲得每條支路需提供的電流。每路從機(jī)都通過PID算法控制PWM模塊輸出電壓，保證了輸出電壓的穩(wěn)定性，每條支路所提供電流之間的誤差也很小，能夠滿足電源并聯(lián)需要均流的要求。

3.3 PID算法的實(shí)現(xiàn)

PID控制及比例、積分、微分控制，該控制方式具備較強(qiáng)的魯棒性和準(zhǔn)確度，是目前工業(yè)生產(chǎn)過程控制使用較為廣泛的方法[13]。晶體生長爐用大電流電源，系統(tǒng)的每一路從機(jī)都實(shí)現(xiàn)了PID算法。如圖6所示，輸入值與輸出值的差值e(t)作為PID控制器的輸入，PID控制器對差值e(t)進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算后求和并輸出m(t)。在連續(xù)時(shí)間內(nèi)，PID算法表達(dá)式為[14]：

(1)

式中：kp為比例系數(shù)，ki為積分系數(shù)，kd為微分系數(shù)。

本系統(tǒng)采用C語言實(shí)現(xiàn)了增量式PID算法，為了簡化編程過程，對式(1)進(jìn)行了離散化，離散后的算法表達(dá)式為[15]：

Δm(k)=kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

(2)

式中的增量Δm(k)取決于最近3次的采樣量。離散化后的增量式PID算法很容易用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。為了方便數(shù)據(jù)計(jì)算和操作，定義了一個(gè)PID數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并依據(jù)式(2)計(jì)算出Δm(k)(元素sum_e)，把Δm(k)的值做為PWM模塊的控制依據(jù)。圖7為增量式PID算法的流程圖。

struct PID { //PID算法數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

float setpoint; // 設(shè)定目標(biāo)值

float e_0; // e[k]

float e_1; // e[k-1]

float e_2; // e[k-2]

float kp; // 比例常數(shù)

float ki; // 積分常數(shù)

float kd; // 微分常數(shù)

float sum_e; // 依據(jù)式(2)計(jì)算出//的偏差

};

struct PID spid;

4 結(jié) 語

設(shè)計(jì)了一種晶體生長爐用大電流電源，采用主從結(jié)構(gòu)，每路從機(jī)分別為晶體生長爐提供相應(yīng)的電流。從機(jī)通過增量式PID算法控制PWM模塊輸出相應(yīng)的電壓，從而保證每條支路輸出的電流滿足電源均流要求。該電源通過在江南電力公司測試和試用，能滿足晶體生長爐工作對電源的要求，千安級電流輸出穩(wěn)定性較高。

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Design of High-current Power Supply for Crystal Growth Furnace

HEYaqin，GENGHaoran

(Department of Information Engineering, Changzhou Institute of Mechatronic Technology, Changzhou 213164, Jiangsu, China)

A high-current power supply for crystal growth furnace is designed by using the master-slave structure. Each branch provides the current for system. It can provide operating current for the crystal growth furnace after the flow of each branch by bus bar. Each branch uses the PID algorithm to control the output voltage of the PWM module. This can ensure the consistency of the output current of each branch. It can meet the requirements of the parallel current sharing. The test shows that the output of each branch of the power supply is stable and reliable, and the error is small. It can meet the requirement of power supply for crystal growth furnace.

crystal growth furnace； high-current； parallel； sharing

2016-07-28

江蘇省青藍(lán)工程資助項(xiàng)目(蘇教師(2016)15號)；江蘇省高校優(yōu)秀中青年教師和校長境外研修計(jì)劃資助項(xiàng)目(蘇教師(2014)22號)

何雅琴(1981-)，女，江蘇常州人，碩士，講師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、人工智能。

Tel.13585343230; E-mail:winny_114@126.com

TN 86； TM 919

A

1006-7167(2017)04-0060-04