金剛石壓機(jī)智能控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)方案

　人造金剛石是一種重要的工業(yè)原材料，幾乎涉及國計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域。我國目前是金剛石生產(chǎn)和出口大國，產(chǎn)量約占世界產(chǎn)量的2/3。但是，國產(chǎn)金剛石工業(yè)產(chǎn)值卻只占世界工業(yè)產(chǎn)值的1/3，這主要是由于質(zhì)量不高所造成。生產(chǎn)人造金剛石的主要設(shè)備是壓機(jī)，從我國目前生產(chǎn)金剛石的設(shè)備來看，大部分生產(chǎn)廠家使用六面頂壓機(jī)，隨著國內(nèi)六面頂腔體的大型化和對(duì)這一技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，與國外在技術(shù)裝備上的差距在進(jìn)一步縮小。但是，國內(nèi)在壓機(jī)的控制水平上還相當(dāng)落后，阻礙了金剛石質(zhì)量的提高。因此，提高國內(nèi)金剛石壓機(jī)的控制水平成為當(dāng)務(wù)之急。
　　1 金剛石的合成工藝
　　人造金剛石是由石墨片、觸煤片在一定的壓力、溫度條件下生成所得。目前，金剛石生產(chǎn)工藝過程中一個(gè)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)是壓力的臺(tái)階型變化，即在金剛石合成初期，將壓力分成幾個(gè)壓力段，并在每個(gè)臺(tái)階壓力上保持一段時(shí)間。對(duì)于溫度控制， 目前廣泛采用的恒功率控制，該技術(shù)的最大弱點(diǎn)是：當(dāng)加熱時(shí)間足夠長時(shí)，石墨在催化劑中再結(jié)晶成片狀，不利于金剛石的生長。對(duì)于溫度的控制，我們可以通過對(duì)加熱電壓的間接控制來實(shí)現(xiàn)，且這種控制方法在實(shí)踐中也能達(dá)到很好的控制效果。
　　2.硬件設(shè)計(jì)方案
　　2.1 TMS320LF2407簡介
　　TMS320LF2407片內(nèi)集成有32k FLASH，1.5k字的數(shù)據(jù)／程序RAM，544字的雙口RAM （DARAM）和2k字的單口RAM（SARAM）；10個(gè)10位ADC外圍接口，CAN總線接口，4個(gè)通用定時(shí)器和一個(gè)看門狗計(jì)時(shí)器；運(yùn)算數(shù)率高，單個(gè)指令周期執(zhí)行時(shí)間僅為33ns；工作電壓為＋3.3V，工業(yè)級(jí)溫度范圍－40～＋8°C，特別適合于工業(yè)應(yīng)用。由此可以看出該DSP控制器將實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身，為控制系統(tǒng)提高實(shí)時(shí)性、實(shí)現(xiàn)小型化和低成本提供了一個(gè)理想的解決方案。另外，壓機(jī)的控制變量和所接的外設(shè)較多。選用DSP控制器，正好利用它的實(shí)時(shí)控制能力強(qiáng)和集成外設(shè)豐富的優(yōu)點(diǎn)，故選用TMS320LF2407作為控制和數(shù)字化處理的核心。
　　根據(jù)壓機(jī)所需要實(shí)現(xiàn)的功能，以TMS320LF2407為核心的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
　　
　　圖1 金剛石壓機(jī)控制系統(tǒng)原理圖
　　2.1 數(shù)據(jù)采集
　　該系統(tǒng)共有9路信號(hào)輸入，依次輸入DSP的ADIN0～ADIN8接口，分別為6路位移量、1路電壓量、1路壓力量、1路電流量。其中位移、電壓、壓力三個(gè)需反饋給處理器，從而構(gòu)成3個(gè)閉環(huán)控制，電流只是用作顯示。采樣過程中，需對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，根據(jù)要求我們選用二階有源濾波器，截至頻率為10Hz。
　　在控制系統(tǒng)中溫度控制可通過控制金剛石的加熱功率來實(shí)現(xiàn)，即 P＝U×I，在此我選用電壓控制方法－即控制金剛石的加熱電壓來間接控制溫度。金剛石加熱端電壓為0～6V，需進(jìn)行變壓、濾波，后轉(zhuǎn)換成0～3.3V信號(hào)輸入DSP的ADIO口，考慮到實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)干擾較多，在此濾波電路選用二階有源濾波，截至頻率為10Hz。同時(shí)選用TIL300芯片來實(shí)現(xiàn)光電隔離。
　　2.2 同步和觸發(fā)
　　壓機(jī)的溫度大小通過加熱電壓來間接控制，加熱電壓的大小通過串聯(lián)到220V工頻電路上的加熱晶閘管的導(dǎo)通角大小來嚴(yán)格控制。在此，采用數(shù)字觸發(fā)方式來觸發(fā)晶閘管的門級(jí)。所以必須使得觸發(fā)脈沖與晶閘管的陽極電壓保持嚴(yán)格的相位關(guān)系。該系統(tǒng)中，由于晶閘管與工頻電串聯(lián)，所以晶閘管的陽級(jí)的電壓就是工頻電壓，所以采用過零檢測(cè)的辦法，檢測(cè)工頻電的過零點(diǎn)，也就確定了晶閘管的陽極電壓過零點(diǎn)。然后在此過零點(diǎn)的基礎(chǔ)上，再根據(jù)計(jì)算得出的導(dǎo)通角大小來在合適的時(shí)間輸出門級(jí)觸發(fā)脈沖。通過過零檢測(cè)電路，在每次的交流電壓過零點(diǎn)處產(chǎn)生一次脈沖，也即確定一次晶閘管陽級(jí)電壓過零點(diǎn)，從而觸發(fā)DSP的INT1中斷。選用為50Hz工頻交流電，周期為20ms，所以10ms一個(gè)過零點(diǎn)，也即10ms一次脈沖觸發(fā)INT1中斷。觸發(fā)脈沖輸出信號(hào)由DSP的IO口，經(jīng)數(shù)據(jù)鎖存器產(chǎn)生，通過觸發(fā)電路電路驅(qū)動(dòng)晶閘管。觸發(fā)脈沖的寬度由控制器設(shè)定，考慮到控制系統(tǒng)為感性負(fù)載，觸發(fā)脈沖應(yīng)加大，在此設(shè)為1ms。