周期双向脉冲控制单晶炉软轴提拉系统无序摆动方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN112760705A(43)申请公布日2021.05.07(21)申请号202011584097.7(22)申请日2020.12.28(71)申请人西安理工大学地址710048陕西省西安市碑林区金花南路5号(72)发明人任海鹏周子璇李洁(74)专利代理机构西安弘理专利事务所61214代理人戴媛(51)Int.Cl.C30B15/22(2006.01)C30B29/06(2006.01)权利要求书2页说明书4页附图6页(54)发明名称周期双向脉冲控制单晶炉软轴提拉系统无序摆动方法(57)摘要本发明公开了一种周期双向脉冲控制单晶炉软轴提拉系统无序摆动方法，步骤包括：步骤1、构建晶体生长软轴提拉系统的动力学模型；步骤2、设置针对软轴提拉系统的周期双向脉冲控制器，设计一个周期双向脉冲控制器，在一个旋转周期内等时间间隔对转速施加一个负脉冲和一个正脉冲，正负脉冲交替应用，使得软轴提拉系统的平均转速不变；步骤3、利用BF算法确定周期双向脉冲控制器的控制参数的选择范围。本发明的方法，可以抑制软轴系统在晶体生长中的无序摆动，使摆动处于周期一运动状态；无需状态反馈，控制器设置简单，控制间歇加入，不改变系统平均转速，对晶体生长工艺参数影响小。CN112760705ACN112760705A权利要求书1/2页1.一种周期双向脉冲控制单晶炉软轴提拉系统无序摆动方法，其特征在于，按照以下步骤具体实施：步骤1、构建晶体生长软轴提拉系统的动力学模型；步骤2、设置针对软轴提拉系统的周期双向脉冲控制器，设计一个周期双向脉冲控制器，在一个旋转周期内等时间间隔对转速施加一个负脉冲和一个正脉冲，正负脉冲交替应用，使得软轴提拉系统的平均转速不变；步骤3、利用BF算法确定周期双向脉冲控制器的控制参数的选择范围。2.根据权利要求1所述的周期双向脉冲控制单晶炉软轴提拉系统无序摆动方法，其特征在于：所述的步骤1中，根据软轴提拉系统的工作原理，将引晶阶段的系统化简为一个旋转摆，假设系统满足如下条件：1)相对于晶体转动，晶体提拉速度很慢，尤其是引晶阶段软轴提拉的速度非常缓慢，假设软轴的长度l不变；2)忽略软轴的质量，将籽晶和籽晶夹头简化为一个质量为m的质点；3)软轴提拉系统受到的外部扰动由本系统偏心造成，偏心距为r，该扰动的频率与本系统工作的旋转速度一致。3.根据权利要求2所述的周期双向脉冲控制单晶炉软轴提拉系统无序摆动方法，其特征在于：所述的步骤1中，基于软轴提拉系统的工作原理和假设，得到软轴提拉系统无量纲的数学模型如式(1)所示：其中，t是时间变量，x1和x2是软轴提拉系统的状态变量，x1是软轴相对于旋转中心垂线的摆动角度θ，x2是摆动角度的变化速度；Ω是晶体转动的无量纲转速，无量纲化外部扰动幅值和软轴提拉系统阻尼分别为A和c，这三个量为软轴提拉系统的参数。4.根据权利要求3所述的周期双向脉冲控制单晶炉软轴提拉系统无序摆动方法，其特征在于：所述的步骤2中，周期双向脉冲控制器由式(2)和式(3)所示的方程式表示：其中，双脉冲控制的周期表示为T＝2π/Ω，与晶体转动周期一致，由公式(3)可知，负脉冲在周期开始时施加，正脉冲在周期一半时施加，正负脉冲的持续时间都是Δ，正负脉冲幅值相同都是κ，n是表示第n个周期，定义P(t)＝Ω+F(t)为被控后的转速，并定义正的脉冲幅值为增加转速，负的脉冲幅值为降低转速，基于周期双向脉冲控制的软轴提拉系统，被控的软轴提拉系统的方程式转化为式(4)：2CN112760705A权利要求书2/2页5.根据权利要求4所述的周期双向脉冲控制单晶炉软轴提拉系统无序摆动方法，其特征在于：所述的步骤3中，确定控制参数的选择范围，具体过程是：3.1)设置未受控的软轴提拉系统处于无序摆动状态下的参数；3.2)遍历式(3)中周期双向脉冲控制器的参数空间(Δ，κ)，通过3‑4阶龙格库塔法进行式(4)的数值仿真，得到软轴提拉系统的状态轨迹，对该状态轨迹按照T＝2π/Ω间隔进行采样，记录采样点的状态(x1,x2)，该状态点即为软轴提拉系统轨迹在庞加莱截面穿越的点，根据在庞加莱截面上不同穿越点数判断软轴提拉系统运动状态，如果轨迹都在一个点穿越则对应式(4)的周期一运动状态，如果在两个点穿越则对应式(4)处于周期二状态，以此类推，得到由非周期一状态变为周期一状态的参数对；3.2.1)设置控制参数值Δ和κ遍历区间，取遍历区域起点参数，并记录此时软轴提拉系统轨迹在庞加莱截面上穿越的点数，记为P_last；3.2.2)按顺序采用下一组参数，计算此控制参数下软轴提拉系统轨迹在庞加莱截面上穿越的点数，记为P_present；3.2.3)如果P_present＝＝1并且P_last>1,记录当前的控制参数值Δ和κ；令