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中達電通股份有限公司 鞠鳳軍
摘要：本文主要介紹台達AB係列伺服在單晶矽爐上使用方案的具體實施，晶體矽爐的簡單加工工藝介紹，以及台達AB係列伺服的調試方法和調試流程；
關鍵詞：台達AB係列伺服；單晶矽爐；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矽有很大的市場需求，比原來的市場預期提前了10nianyishang，yeyushichudanjingguiludeshichangxuqiujiangchengbeizengchang。danjingguilushibandaoticailiaozhilafajingtizhuanyongshebei，qiguidanjingbangliaojingqiegedenghouxugongyichulichengxinpianbeizhizuoweierjiguan.太陽能電池.集ji成cheng電dian路lu等deng半ban導dao體ti材cai料liao的de主zhu要yao器qi件jian。近jin幾ji年nian來lai由you於yu國guo際ji能neng源yuan危wei機ji及ji地di球qiu環huan境jing改gai善shan帶dai來lai對dui新xin能neng源yuan，可ke再zai生sheng能neng源yuan的de巨ju大da需xu求qiu，光guang伏fu產chan業ye出chu現xian前qian所suo未wei有you的de增zeng長chang，半ban導dao體ti矽gui材cai料liao的de生sheng產chan又you進jin入ru新xin的de發fa展zhan期qi，因yin此ci大da力li加jia速su發fa展zhan可ke再zai生sheng能neng源yuan.矽光伏產業及共基礎材料---高純半導體矽（單晶.多芯片）材料已成為當務之急，而矽材料的生長離不開單晶矽爐和多晶矽爐的設備支持。
二、單晶矽爐的工藝流程簡介、技術需求及方案的分析
2-1、單晶矽爐的工藝流程簡介
單晶矽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）氣氛壓力控製：包括氣體流量控製，真空係統及壓力控製閥
（4）控製係統：包括偵測感應器及電腦控製係統
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：將多晶矽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(jia)完(wan)多(duo)晶(jing)矽(gui)原(yuan)料(liao)於(yu)石(shi)英(ying)堝(guo)內(nei)後(hou)，長(chang)晶(jing)爐(lu)必(bi)須(xu)關(guan)閉(bi)並(bing)抽(chou)成(cheng)真(zhen)空(kong)後(hou)充(chong)入(ru)高(gao)純(chun)氬(ya)氣(qi)使(shi)之(zhi)維(wei)持(chi)一(yi)定(ding)壓(ya)力(li)範(fan)圍(wei)內(nei)，然(ran)後(hou)打(da)開(kai)石(shi)墨(mo)加(jia)熱(re)器(qi)電(dian)源(yuan)，加(jia)熱(re)至(zhi)熔(rong)化(hua)溫(wen)度(du)（1420℃）以上，將多晶矽原料熔化。
（3）縮頸生長：當dang矽gui熔rong體ti的de溫wen度du穩wen定ding之zhi後hou，將jiang籽zi晶jing慢man慢man浸jin入ru矽gui熔rong體ti中zhong。由you於yu籽zi晶jing與yu矽gui熔rong體ti場chang接jie觸chu時shi的de熱re應ying力li，會hui使shi籽zi晶jing產chan生sheng位wei錯cuo，這zhe些xie位wei錯cuo必bi須xu利li用yong縮suo勁jin生sheng長chang使shi之zhi消xiao失shi掉diao。縮suo頸jing生sheng長chang是shi將jiang籽zi晶jing快kuai速su向xiang上shang提ti升sheng，使shi長chang出chu的de籽zi晶jing的de直zhi徑jing縮suo小xiao到dao一yi定ding大da小xiao（4-6mm）由於位錯線與生長軸成一個交角，隻要縮頸夠長，位錯便能長出晶體表麵，產生零位錯的晶體。
（4）放肩生長：長完細頸之後，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：長完細頸和肩部之後，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。單晶矽片取自於等徑部分。
（6）尾部生長：zaichangwandengjingbufenzhihou，ruguolikejiangjingbangyuyemianfenkai，namexiaoyinglijiangshidejingbangchuxianweicuoyuhuayixian。yushiweilebimianciwentidefasheng，bixujiangjingbangdezhijingmanmansuoxiao，zhidaochengyijiandianeryuyemianfenkai。zheyiguochengchengzhiweiweibushengchang。changwandejingbangbeishengzhishanglushilengqueyiduanshijianhouquchu，jiwanchengyicishengchangzhouqi。danjingguiluzhengjiruxiatu：
晶矽爐
2-2、技術需求和方案分析
單晶矽爐上麵共需要四個軸驅動，其中2個使用的是伺服控製係統，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、真空及氣路係統、水冷係統、光學測量係統、電(dian)加(jia)熱(re)和(he)運(yun)動(dong)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)及(ji)計(ji)算(suan)機(ji)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)等(deng)諸(zhu)多(duo)機(ji)構(gou)。通(tong)過(guo)係(xi)統(tong)優(you)化(hua)，實(shi)現(xian)高(gao)科(ke)技(ji)產(chan)品(pin)的(de)集(ji)成(cheng)。其(qi)次(ci)設(she)備(bei)采(cai)用(yong)了(le)許(xu)多(duo)較(jiao)新(xin)的(de)機(ji)構(gou)。如(ru)上(shang)提(ti)拉(la)旋(xuan)轉(zhuan)機(ji)構(gou)，通(tong)過(guo)花(hua)鍵(jian)軸(zhou)配(pei)繞(rao)絲(si)輪(lun)結(jie)合(he)電(dian)刷(shua)環(huan)，在(zai)很(hen)小(xiao)的(de)體(ti)積(ji)上(shang)實(shi)現(xian)了(le)穩(wen)定(ding)提(ti)拉(la)和(he)旋(xuan)轉(zhuan)，滿(man)足(zu)工(gong)藝(yi)需(xu)求(qiu)且(qie)降(jiang)低(di)了(le)設(she)備(bei)高(gao)度(du)，再(zai)有(you)下(xia)隨(sui)動(dong)機(ji)構(gou)設(she)備(bei)采(cai)用(yong)精(jing)密(mi)滾(gun)珠(zhu)絲(si)杠(gang)配(pei)合(he)坩(gan)堝(guo)的(de)磁(ci)流(liu)體(ti)密(mi)封(feng)，運(yun)動(dong)保(bao)持(chi)部(bu)件(jian)置(zhi)於(yu)真(zhen)空(kong)室(shi)外(wai)，實(shi)現(xian)精(jing)密(mi)運(yun)動(dong)與(yu)真(zhen)空(kong)密(mi)封(feng)的(de)完(wan)美(mei)結(jie)合(he)，使(shi)用(yong)穩(wen)定(ding)可(ke)靠(kao)，還(hai)有(you)液(ye)壓(ya)提(ti)升(sheng)機(ji)構(gou)對(dui)副(fu)室(shi)翻(fan)板(ban)閥(fa)的(de)保(bao)持(chi)采(cai)用(yong)無(wu)自(zi)鎖(suo)，爐(lu)內(nei)有(you)漏(lou)矽(gui)等(deng)壓(ya)力(li)驟(zhou)增(zeng)的(de)緊(jin)急(ji)情(qing)況(kuang)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)自(zi)動(dong)泄(xie)壓(ya)提(ti)高(gao)了(le)設(she)備(bei)的(de)安(an)全(quan)可(ke)靠(kao)性(xing)等(deng)等(deng)。在(zai)電(dian)器(qi)控(kong)製(zhi)上(shang)設(she)備(bei)采(cai)用(yong)可(ke)編(bian)程(cheng)操(cao)作(zuo)，代(dai)替(ti)了(le)傳(chuan)統(tong)的(de)邏(luo)輯(ji)編(bian)程(cheng)繼(ji)電(dian)器(qi)。電(dian)器(qi)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)由(you)國(guo)產(chan)機(ji)大(da)多(duo)采(cai)用(yong)的(de)單(dan)片(pian)機(ji)，提(ti)升(sheng)到(dao)IRCON和CCD工控自動化控製三個類型，提高了設備的自動化控製水平。
有控製方案中伺服控製係統存在如下問題：1、伺服控製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、伺服控製器的輸入輸出點需要DC24V和DC12V的開關電源共計4個；
原有伺服控製係統同台達AB係列伺服控製係統的功能比較如下表：
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項 目 |
原有日係伺服 |
優 勢 |
台達AB係列伺服 |
|
輸入電源 |
單相200V(400W以下) |
< |
單相200V(2KW以下) |
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單軸控製 |
無 |
< |
點對點八點 |
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分度功能 |
無 |
< |
32度 |
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自動定位 |
無 |
< |
8組定時器定位 |
|
DI INPUT |
7點 |
< |
8點 |
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DO OUTPUT |
4點 |
< |
5點 |
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通信 |
RS232 |
< |
MODBUS |
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位置定位整定時間 |
3ms |
< |
1ms |
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數字輸入可程序化 |
NO |
< |
OK |
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速度回路頻率特性 |
450Hz |
＝ |
450Hz |
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DC24V |
無 |
< |
內建 |
通過原日係伺服係統所存在的問題以及台達伺服同原有日係伺服的功能比較表客戶最終在伺服控製係統上麵選擇了我們台達AB係列伺服係統的控製方案即：2套伺服控製係統選用台達AB係列伺服，型號為ASDA-0421AB；
三、台達AB係列伺服的控製理論及主要特點
3-1、台達AB係列伺服采用的是先進強健式的控製理論(PDFF)如下圖
3-2、強健式控製理論的優缺點
優點：
 在大範圍負載慣量變化,係統依然保有優秀性能
 對命令和幹擾有不同的補償控製
 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：
控製參數需由繁複數學計算而得, 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製器, 供使用者選用
四、台達AB係列伺服在單晶矽爐上使用方案的實施
4-1、單晶矽爐上位機控製係統與台達AB係列伺服的連線
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線色 |
伺服CN1 |
上位機線編號 |
帶限位 |
不帶限位 |
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黃 |
11 |
H951 |
√ |
√ |
|
橙色 |
9 |
H952 |
√ |
√ |
|
綠色 |
31 |
H953 |
√ |
|
|
藍色 |
10 |
H954 |
√ |
√ |
|
白色 |
21 |
H955 |
√ |
√ |
|
棕色 |
22 |
H956 |
√ |
√ |
|
紅色 |
42 |
H949 |
√ |
√ |
|
黑色 |
13 |
H950 |
√ |
√ |
4-2、台達伺服的調試
手動調試：在整個係統的機械安裝和電器的連接完畢後，首先利用上位係統或台達伺服所具有的手動控製方式，同時將所有伺服的參數P0-02設置成14，讓機構的X軸和Y軸進行往複的運動，在伺服的顯示屏上會顯示伺服在此機構上麵應用的轉動慣量JL/JM，我們利用台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，在單晶矽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製器中，單晶矽爐即可正常運行。
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，這樣單晶矽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；台達AB係列伺服的高性能、整定時間短、在單晶矽爐應用中的調頻參數比較寬等等，所以我們在單晶矽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伺服在單晶矽爐係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
控製模式及控製命令輸入源的設定
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
檢出器輸出脈衝數設定: 脈衝數設定值範圍即為伺服電機一回轉的輸出單相脈衝數。
P2-00:125
位置控製增益；主要控製伺服位置環回路的應答性
P2-04:5526
速度控製增益；主要控製伺服速度環回路的應答性
P2-06:80
速度積分補償；控製伺服電機、機構的固定偏差和整個機構的抖動
P2-25:3
共振抑製低通濾波；用來設定共振抑製低通濾波的時間常數
P2-26:14
外部幹擾抵抗增益；用來增加對外力的抵抗能力並降低加減速的過衝現象
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，在全球範圍內晶體矽產量中，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矽需求量的增長速度遠高於半導體晶體矽的發展（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矽的需求量將大幅度超過電子級晶體矽用量。當前，晶體矽材料（包括多晶矽和單晶矽）是最主要的光伏材料，其市場占有率在90%以yi上shang，而er且qie在zai今jin後hou相xiang當dang長chang的de一yi段duan時shi期qi也ye依yi然ran是shi太tai陽yang能neng電dian池chi的de主zhu流liu材cai料liao。在zai世shi界jie範fan圍wei內nei，太tai陽yang能neng級ji晶jing體ti矽gui生sheng產chan與yu供gong應ying已yi嚴yan重zhong製zhi約yue太tai陽yang能neng電dian池chi的de發fa展zhan，由you此ci可ke以yi看kan到dao對dui應ying生sheng產chan晶jing體ti矽gui的de設she備bei單dan晶jing矽gui爐lu和he多duo晶jing矽gui爐lu在zai最zui近jin幾ji年nian的de市shi場chang必bi定ding是shi異yi常chang火huo爆bao，同tong時shi晶jing體ti矽gui爐lu設she備bei的de發fa展zhan也ye是shi影ying響xiang太tai陽yang能neng行xing業ye的de重zhong要yao發fa展zhan方fang向xiang之zhi一yi；
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