单晶炉提拉速度控制系统

（1.湖南工程学院，湖南 湘潭 411101；
2.湘潭大学,湖南 湘潭 411105）

关键词：单晶炉; 提拉速度; 自调整模糊控制器

中图分类号：TP273+.2 文献标识码：A 文章编号：1003-353X(2003)03-0032-02

随着IT产业的迅速发展，生产集成电路所需要的半导体材料单晶硅急剧增长。单晶硅的提拉速度控制，是在硅结晶生长开始时，用低速提拉，生长过程中匀速提拉的办法制成的。提拉速度的控制性能将直接影响到晶体的质量。因此其速度的稳定性的控制显得相当重要，本文设计了一种混合式自调整模糊控制的单晶炉提拉速度控制系统，可达到很好的速度控制效果。

2 工艺要求[1]

单晶炉提拉工艺示意图如图1。提拉控制系统的驱动电机转速n经减速器、齿轮齿条减速后带动提拉杆上下运动。根据硅单晶工艺，要求提拉速度 V能在0.2～10.0 mm/h内无级调节,它相对于给定信号的线性精度 > ±2% 。驱动电机的转速变化范围n 为0.0833～4.167 r/min。在如此低速的情况下既保证系统具有宽调速范围，又要有良好的线性度、稳定度和精度。当提拉负载增大引起线速度为零时，提拉杆能保持其最后位置而不上下滑动，也就是说在整个调速范围内，当驱动电机堵转时，还必须能输出足够大的力矩。

3 混合式自调整模糊控制器原理与设计

3.1 混合式模糊PID控制原理[2]

在一般的模糊控制系统中，考虑到模糊控制器实现的简易性和快速性，通常采用二维模糊控制器 [3]的结构形式，该类控制器具有PD控制器的作用，可以获得良好的动态性能，但静态性能却不能令人满意。由线性控制理论可知，积分控制作用能消除稳态误差，因此，把积分控制引入FUZZY PD控制器，构成FUZZY PID混合控制器，可大大改善模糊控制器的稳态性能。

FUZZY PID混合模糊控制器控制的单晶炉提拉速度控制系统如图2所示。其核心部分FUZZY PID混合模糊控制器由一个常规积分控制器和一个二维模糊控制器并联而成。常规积分控制器输出 Ui和模糊控制器输出Uf 相叠加，作为混合模糊PID的总输出，即U=U i+Uf，可使系统成为无差模糊控制系统。

3.2 模糊控制器的自调整因子的设计

设误差E、误差变化EC及控制量 U的论域选取为{E}={EC}={U}=[-6，+6]，它们的模糊集均为 {NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，隶属函数采用对称三角形，则基于专家知识和经验，以及模糊推理建立控制规则，如表1所示。

模糊控制系统在不同的状态下，对控制规则中误差E及其变化EC的加权程度有不同的要求，须考虑对不同的误差等级引入不同的加权因子，以实现对模糊控制的自调整。带自调整因子的控制规则[4]可由下式表示：

式中 0≤α0≤αs≤1； α∈[α0，αs ]；c为误差变化EC的加权因子。

通过调整α值，可以改变对误差和误差变化的不同加权程度。该控制规则的特点式调整因子α在 α0至αs之间随着误差绝对值 E的大小呈线性变化。量化控制规则体现了按误差的大小自动调整误差对控制作用的权重，因为这种自动调整是在整个误差领域内进行的，所以称之为在全论域范围内带有自调整因子的模糊量化控制规则。该控制规则具有可优化、易于通过微机实时实现控制算法的特点。实现控制规则的软件流程如图3所示。

4 硬件实现 混合模糊PID控制器的硬件结构图如图4所示。采用INTEL196KC单片处理器，主要用来实现模糊控制算法和参数的自整定；数据存储器2732存储一些规则参数、控制参数及控制算法的结果；C (u)为混合模糊PID控制器的输出。 参考文献： [1]袁南儿，刘勤 .一种实用的单晶炉提拉速度控制系统[J]. 电气传动，2001，（4）. [2]任碧莹，余健明等.混合式自调整模糊控制在DC/DC变换器中的应用[J].电力电子技术，2001，35（6）：23~25. [3]尹征琦，朱劲.自适应张力控制[J].电气传动，2001，（6）. [4]王耀南.计算机智能信息处理技术[M].湖南:湖南大学出版社, 1999.

本文摘自《半导体技术》