眾所周知，離子滲氮工藝對爐體內(nèi)壓強(qiáng)的控制要求比較高，因此本文設(shè)計(jì)了一種基于L298N芯片驅(qū)動直流電動機(jī)控制的氣體流量控制器，可用于控制反應(yīng)爐的抽氣氣體流量。那么我們先來了解離子滲氮理論吧：
1.離子滲氮理論
滲氮是強(qiáng)化金屬表面的一種化學(xué)熱處理方法，他是將金屬零件置于活性氮的介質(zhì)中，在一定溫度和保溫時間下，使氮元素滲入金屬表層，從而改變金屬層的化學(xué)成份，使之具有高的耐磨性、疲勞強(qiáng)度、抗蝕能力及抗燒傷性等，因而在工業(yè)上獲得廣泛應(yīng)用。
離子滲氮是在低溫等離子中進(jìn)行的，低氣壓氣體在電場作用下使之電離，產(chǎn)生高能離子和高能中性原子，這些高能粒子可以改善滲層組織結(jié)構(gòu)和促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)過程，加速滲氮層的形成。離子滲氮是在輝光放電中進(jìn)行，在離子滲氮過程中對爐體的壓強(qiáng)控制精度要求比較高，控制偏差幾十帕。根據(jù)帕邢定律：
其中：P為氣體壓強(qiáng);
d為平行板電極間距離;
V為陰極二次電子發(fā)射系數(shù);
B為斯托列夫常數(shù);
A是常數(shù)。
對式(1)求導(dǎo)，可得出擊穿電壓表達(dá)式(2)：
由式(2)可知，擊穿電壓V與氣體壓強(qiáng)和d有關(guān)，而一般實(shí)驗(yàn)中d是固定不變，因此離子滲氮對壓強(qiáng)控制極為重要。
2.系統(tǒng)流量與壓強(qiáng)測控框圖
流量計(jì)控制進(jìn)氣口的氣體流量，當(dāng)進(jìn)氣和抽氣流量平衡時，爐體壓強(qiáng)保持穩(wěn)定。由于爐體氣體泄露及其他干擾因素的影響，爐體壓強(qiáng)上下波動，系統(tǒng)偏離平衡態(tài)，嚴(yán)重時影響等離子工藝處理。我們采用普通直流電動機(jī)，通過L298N驅(qū)動直流電動機(jī)，由電動機(jī)通過減速桿帶動錐體轉(zhuǎn)動。當(dāng)錐體旋進(jìn)時，抽氣機(jī)單位時間內(nèi)抽出氣體減少;旋出時，抽出氣體增多，從而使?fàn)t體內(nèi)的壓強(qiáng)穩(wěn)定在所需的值。爐體壓強(qiáng)的變化通過壓強(qiáng)傳感器測出并通過變送器，將氣體流量控制器送至反饋電壓。抽氣口采用電動真空蝶閥價格昂貴，如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)流量與壓強(qiáng)測控框圖
3.L298N芯片介紹
L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接4.5～7V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為+2.5～46V。輸出電流可達(dá)2.5A，可驅(qū)動電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298可驅(qū)動2個電動機(jī)，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機(jī)，本實(shí)驗(yàn)裝置我們選用驅(qū)動一臺電動機(jī)。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。EnA，EnB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。圖2是L298N內(nèi)部功能模塊，表1是L298N功能邏輯圖。
圖2 L298N內(nèi)部功能模塊
In3，In4的邏輯圖與表1相同。由表1可知EnA為低電平時，輸入電平對電機(jī)控制起作用，當(dāng)EnA為高電平，輸入電平為一高一低，電機(jī)正或反轉(zhuǎn)。同為低電平電機(jī)停止，同為高電平電機(jī)剎停。
4.控制器原理
圖3是控制器原理圖，由3個虛線框圖組成：
圖3 控制器原理圖
下面是3個虛線框圖功能：
(1)虛線框圖1控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，U1A，U2A是比較器，VI來自爐體壓強(qiáng)傳感器的電壓。當(dāng)VI》VRBF1時，U1A輸出高電平，U2A輸出高電平經(jīng)反相器變?yōu)榈碗娖剑姍C(jī)正轉(zhuǎn)。同理VI《VRBF1時，電機(jī)反轉(zhuǎn)。電機(jī)正反轉(zhuǎn)可控制抽氣機(jī)抽出氣體的流量，從而改變爐體壓強(qiáng)。
(2)虛線框圖2中，U3A，U4A兩個比較器組成雙限比較器，當(dāng)VB《VI《VA時輸出低電平，當(dāng)VI》VA，VI《VB時輸出高電平。VA，VB是由爐體壓強(qiáng)轉(zhuǎn)感器轉(zhuǎn)換電壓的上下限，即反應(yīng)爐體壓強(qiáng)控制范圍。根據(jù)工藝要求，我們可自行規(guī)定VA，VB的值，只要爐體壓強(qiáng)在VA，VB所確定范圍之間電機(jī)停轉(zhuǎn)(注意VB《VRBF1《VA，如果不在這個范圍內(nèi)，系統(tǒng)不穩(wěn)定)。
(3)虛線框圖3是一個長延時電路。U5A是一個比較器，Rs1是采樣電阻，VRBF2是電機(jī)過流電壓。Rs1上電壓大于VREF2，電機(jī)過流，U5A輸出低電平。由上面可知，框圖1控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，框圖2控制爐體壓強(qiáng)的紋波大小。當(dāng)爐體壓強(qiáng)太小或太大時，電動機(jī)轉(zhuǎn)到兩端固定位置停止，根據(jù)直流電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方程：
其中：Ф為電機(jī)每極磁通量;
Ce為電動勢常數(shù);
N為電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù);
Ia為電樞電流;
Ra電樞回路電阻。
電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)N為0，電機(jī)的電流急劇增加，時間過長將會使電機(jī)燒壞。但電機(jī)起動時，電機(jī)中線圈中的電流也急劇變大，因此我們必須把這兩種狀態(tài)分開。長延時電路可把這兩種狀態(tài)區(qū)分出來。長延時電路工作原理：當(dāng)Rs1過流U5A產(chǎn)生一個負(fù)脈沖經(jīng)過微分后，脈沖觸發(fā)555的2腳，電路置位，3腳輸出高電平，由于放電端7腳開路，C1，R5及U6A組成積分器開始積分，電容C1上的充電電壓線性上升，延時運(yùn)放積分常數(shù)為100R5C1。當(dāng)C1上充電電壓，即6腳電壓超過2/3VCC，555電路復(fù)位，輸出低電平。電機(jī)啟動時間一般小于0.8s，C1充電時間一般為0.8～1s。U5A輸出電平與555的3腳輸出電平經(jīng)U7相或，如果U5A輸出低電平大于C1充電時間，U7在C1充電后輸出低電平由與門U8輸入到L298N的6腳ENA端使電機(jī)停止。如果U5A的輸出電平小于C1充電時間，6腳不動作電機(jī)的正常啟動。長延時電路吸收電機(jī)啟動過流電壓波形，從而使電機(jī)正常啟動。
小結(jié)
本文總結(jié)了基于L298N芯片對離子滲氮中壓強(qiáng)的控制設(shè)計(jì)方案，經(jīng)證明采用此控制器控制氣體流量，可降低生產(chǎn)成本，提高系統(tǒng)性價比，改善整個系統(tǒng)控制的控制動態(tài)性能和穩(wěn)定性能。
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