超导磁体励磁电流源控制器的设计与实现

摘要

单晶硅在众多领域特别是半导体行业有着广泛的应用。随着半导体集成电路器件对大直径、高品质单晶硅的要求越来越高，如何减少单晶硅中的氧、碳等杂志含量，提高其轴向和径向的均匀性成为学术界研究的热门话题。研究发现在晶体生长过程中加入磁场可以有效抑制硅熔体内产生的热对流，提高单晶硅品质。故本课题针对磁场控制系统及其系统中最重要的磁场电源进行研究。具体工作内容如下： 首先，针对电源控制算法进行研究，本文以新型的变结构数字控制器实现对开关电源的控制，解决开关电源的控制性能方面问题。对具有阻感性负载的Buck电路进行系统建模，在此基础上，针对传统滑模变结构控制器的抖振问题，结合模糊控制和滑模变结构控制的两种方法的优点设计了一种开关电源模糊滑模控制器。该模糊滑模控制器通过模糊化切换项系数来柔化控制信号，可以减轻传统滑模变结构控制的抖振问题。与传统开关电源相比具有更好的性能。建立了Matlab/Simulink仿真模型仿真验证了模糊滑模变结构算法的有效性，并且确定最佳模糊规则和变结构参数。 其次，设计了基于ARM+DSP的电源控制系统，包括ARM控制器相关的通信部分，触摸屏部分；DSP控制器的数字滤波部分、模糊滑模控制部分、PWM波产生部分等相关软硬件设计，构成数字化的控制器，实现超导电源在输出电流模式下的控制，验证了所设计算法的正确性。 最后，对单晶硅拉晶设备中磁场控制系统进行分析研究，该系统主要包括磁场电源控制部分和磁场位置控制部分。系统上位机显示采用MCGS触摸屏，主控采用西门子PLCS7-200驱动变频器对电动机实现方向和速度控制，确保磁场装置停止在设定位置，并且具有上下限位保护。

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1 绪论

1.1课题研究背景与意义

1.2 国内外发展现状

1.3 论文的主要工作

2.1 滑模控制的发展

2.2.1 滑动模态定义

2.2.2 滑模控制定义

2.2.3 滑动模态的存在性和到达条件

2.3 滑模变结构控制在DC-DC变换器中的分析方法

2.4 系统建模

2.5.1 切换函数的选取

2.5.2 控制律设计

2.5.3 滑模控制器稳定性分析

2.6.1 模糊控制器设计

2.6.2 模糊滑模控制器设计

2.7 仿真实验与仿真结果

2.8 本章小结

3.1 控制器总体设计

3.2 硬件设计

3.2.1 电流采集电路

3.2.2 AD转换电路

3.2.3 辅助电源设计

3.2.4 LED和按键电路设计

3.2.5 触摸屏显示电路设计

3.2.6 通信电路设计

3.3 软件设计

3.3.1 模糊滑模控制算法实现

3.3.2 模拟量AD采集程序设计

3.3.3 PWM产生部分

3.3.4 触摸屏软件设计

3.3.5 通信协议设计

3.4.1 实验平台

3.4.2 样机实验

3.5 本章小结

4.1 引言

4.2 磁场系统系统组成

4.3.1 MCGS触摸屏

4.3.2 PLC主控

4.4 系统软件设计

4.4.1 人机交互程序设计

4.4.2 PLC程序设计

4.5 本章小结

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文