Ưu điểm:
- Máy có vùng nhiệt làm việc rộng.
- Có khả năng thay đổi kích thức tinh thể cần ni. - Có thể thay đổi tốc độ quay của tinh thể.
- Được tích hợp cơng nghệ IoT giúp kiểm sốt q trình hoạt động máy từ xa thông qua mạng internet.
- Máy được nhiên cứu và phát triển bởi nhóm nghiên cứu nên dễ dàng thay đổi cũng như cải tiến cơng nghệ của máy.
Nhược điểm:
- Độ chính xác nhiệt độ của máy chưa tốt.
- Chưa có hệ thống chân khơng và hệ thống khí gas trong vùng ni tinh thể, khiến cho quá trình ni gắp khó khăn.
- Nhiệt độ nung thấp: 0 800 C.
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÙNG GIA NHIỆT 2.1 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÙNG GIA NHIỆT
Về lị ni tinh thể kiểu Bridgman được chi ra làm 2 loại chính là Bridgman động và Bridgman tĩnh. Sự khác biệt của 2 phương pháp này là có hay khơng sự chuyển động của tinh thể trong vùng nhiệt. Đối với lị ni tinh thể kiểu Bridgman động lại được chi ra làm nhiều loại phụ thuộc vào số cuộn dây gia nhiệt được sử dụng.
Tuy phương thức khác nhau song nhiệm vụ của cả 2 phương pháp đều là điều chỉnh ổn định nhiệt độ trong lò nung: Ổn định nhiệt độ cho tất cả các điểm trong lò nung và tạo ra đường gradient trong lị nung được chính xác với đường gradient nhiệt lý tưởng. Do khác biệt trong điều khiển vị trí tinh thể thi có sự khác biệt về Gradient nhiệt của 2 loại Bridgman động và Bridgman tĩnh.
Hình 2.1 thể hiện gradient nhiệt độ chuẩn của lị ni tinh thể kiểu Bridgman động. qua hình ảnh có thể nhận thấy lị nung có 2 vùng nhiệt chính là vùng nóng và vùng lạnh, bên cạnh đó có thêm vùng chuyển giao giữa vùng nóng và nùng lạnh. Nhiệt độ trong vùng nóng và vùng lạnh theo Gradient nhiệt độ lý tưởng nhiệt độ tại 2 vùng này khơng được có sự thay đổi theo độ cao. Sự sai lệch nhiệt độ trong vùng nóng và lạnh đều sẽ làm ảnh hưởng xấu đến q trình nóng chảy và cũng như q trình kết tinh của tinh thể, qua đó làm giảm chất lượng của tinh thể.
Hình 2.1. Gradient nhiệt độ lý tưởng lị ni tinh thể kiểu Bridgman động (Nguồn Internet)
Hình 2.2 thể hiện gradient nhiệt độ chuẩn của lị ni tinh thể kiểu Bridgman tĩnh. Có thể dễ dành thấy được sự khác biêt giữa 2 đường gradient nhiệt của 2 phương pháp này. Đối với lị ni tinh thể kiểu Bridgman động, đường gradient nhiệt ổn định theo thời gian. Đối với đường Gradient nhiệt của lị ni tinh thể kiểu Bridgman tĩnh thì đường gradient nhiệt thay đổi theo thời gian. Bắt đầu với việc đồng nhất nhiệt độ, sau tạo vùng lạnh phát triển dàn từ phía dưới lên. Q trình dừng lại khi nhiệt độ đồng nhất với nhiệt độ thấp.
Hình 2.2 Gradient nhiệt độ lý tưởng lị ni tinh thể kiểu Bridgman tĩnh (Nguồn Internet)
Tuy phương pháp gia nhiệt khác nhau song cả 2 đều hướng đến việc giúp cho tinh thể hình thành từ phần mũi nhọn của ống và dần phát triển hết tinh thể. Trong phần này chúng tôi sẽ đánh giá các phương pháp gia nhiệt và phân tích tình hình thực tế của bài toán để lựa chọn được phương án thiết kế vùng gia nhiệt thích hợp.
2.1.1 Một số phương pháp điều khiển nhiệt
2.1.1.1 Lị ni tinh thể kiểu Bridgman tĩnh
Khái niệm: Lị ni tinh thể kiểu Bridgman tĩnh là lò nung sử dụng 2 nguồn nhiệt đặt ở 2 đầu của ống tinh thể. Một nguồn nhiệt được đặt phái dưới và 1 nguồn nhiệt được đặt phái trên. Tinh thể được nuôi sẽ được cố định trong vùng nhiệt mà không cần dịch
chuyển. Để thay đổi đường Gradient nhiệt thì nhiệt độ tại 2 vùng nhiệt được thay đổi, giúp cho vùng lạnh được hình thành và phát triển từ vùng nhiệt phía dưới. Q trình ni sẽ kết thúc khi tồn bộ lị nung đưa về nhiệt độ vùng lạnh, lúc này tinh thể đã hoàn thành và chuyển qua quá trình hạ nhiệt độ - vì lúc này nhiệt độ của tinh thể vẫn rất cao.
Ưu điểm: Đối với phương án này thì tinh thể khơng cần phải di chuyển nên sẽ giúp cho lị nung được giảm kích thước, bên cạnh đó, khi tinh thể khơng di chuyển trong q trình ni thì được giao động khơng xuất hiện, từ đó các phân tử khơng bị sai số khi hình thành tinh thể và từ đó chất lượng tinh thể sẽ được nâng cao. Quá trình điều chỉnh đường Gradient nhiệt linh hoạt có thể sử dụng để nuôi nhiều loại tinh thể khác nhau.
Nhược điểm: Phương pháp điều khiển đường gradient nhiệt phức tạp.
2.1.1.2 Lị ni tinh thể kiểu Bridgman động với 1 cuộn dây
Khái niệm: Lị ni tinh thể kiểu Bridgman động với 1 cuộn dây là lò nung chỉ sử dụng 1 cuộn dây để điều khiển cả vùng nóng và vùng lạnh. Việc thay đổi giá trị nhiệt độ được thực hiện bằng cách thay đổi khoảng cách quấn dây. Tại vùng nhiệt cao cuộn dây được quấn sát hơn, tại các vùng nhiệt thấp các vòng dây được quấn thưa hơn. Dựa vào lượng nhiệt sinh ra trên 1 đơn vị chiều dài thì lượng nhiệt sinh ra tại vùng nóng sẽ cao hơn và vùng lạnh sẽ thấp hơn.
Hình 2.3. Bố trí các cuộn dây lị ni tinh thể kiểu Bridgman với 1 cuộn dây (Nguồn Internet)
Nhược điểm: Với việc chỉ sử dụng 1 cuộn dây để điều khiển chung cho cả vùng nóng và lạnh nên việc điều chỉnh đường Gradient nhiệt bị hạn chế, thiếu linh hoạt. Lò nung chỉ có thể tạo được 1 số ít đường gradient nhiệt.
2.1.1.3 Lị ni tinh thể kiểu Bridgman động với 2 cuộn dây
Khái niệm: Lị ni tinh thể kiểu Bridgman động với 2 cuộn dây là lò nung được sử dụng 2 cuộn dây, trong đó: 1 cuộn dây điều khiển vùng nóng và 1 cuộn dây vùng lạnh. Điều đặc biệt của lò nung kiểu này là sẽ có 1 vùng trung gian ở đó khơng có quấn dây trở. Vùng này được xem là vùng chuyển tiếp cho vùng nóng và vùng lạnh.
Hình 2.4. Bố trí các cuộn dây lị ni tinh thể kiểu Bridgman với 2 cuộn dây (Nguồn Internet)
Ưu điểm: Với việc sử dụng 2 cuộn dây cho 2 vùng nhiệt thì việc điều chỉnh đường Gradient nhệt đã linh hoạt hơn loại lò chỉ sử dụng 1 cuộn dây.
Nhược điểm: Tuy việc điều chỉnh đường gradient nhiệt đã linh hoạt hơn song vẫn còn hạn chế.
2.1.1.4 Lị ni tinh thể kiểu Bridgman động với nhiều hơn 2 cuộn dây
Khái niệm: Lị ni tinh thể kiểu Bridgman động với 2 cuộn dây là lò nung được sử dụng nhiều hơn 2 cuộn dây trở. Việc tạo đường Gradient nhiệt được thực hiện dựa vào việc thay đổi nhiệt độ cài đặt của từng cuộn dây. Việc lị nung có càng nhiều cuộn dây thì
việc điều chỉnh đường Gradient nhiệt càng linh hoạt hơn
Ưu điểm: Việc điều chỉnh đường Gradient nhiệt linh hoạt, phù hợp cho việc nuôi nhiều loại tinh thể với nhiều quy trình ni khác nhau.
Nhược điểm: Việc có nhiều quận dây làm cho chiều dài của những cuộn dây ngắn từ đó làm giảm trở và làm tăng dòng được đặt lên cuộn dây. Và từ đó yêu cầu mạch điều khiển phải có khả năng chịu đựng tốt hơn
2.1.2 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế
Sau khi phân tích và đánh giá các phương pháp thiết kế vùng gia nhiệt của một số máy hiện có trên thị trường như trong phần trên, cũng như kết hợp vớii điều kiện thực tế của nhóm: Nhóm có nguồn nhân sự ít và chưa có nhiều kinh nghiệm trong thiết kế và chế tạo máy, đặc biệt là khi làm việc với một đề tài mới ở Việt Nam, thì phương án nhóm lựa chọn là phương pháp thiết kế lị ni tinh thể kiểu Bridgman với 5 vùng gia nhiệt, phương án này không quá phúc tạp như lị ni tinh thể kiểu Bridgman tĩnh và có thể linh hoạt trong điều chỉnh đường Gradient nhiệt trong lị nung. Hình 2.5 Bố trí các cuộn dây theo thiết kế.
Hình 2.5. Bố trí các cuộn dây trong lị nung
Để có thể tạo được đường Gradient nhiệt độ như hình trên, một phương pháp được sử dụng đó là việc sử dụng 5 cuộn dây để làm nóng từng phần của lị nung theo độ cao, những cuộn dây này được điều khiển độc lập thông qua một mạch cơng suất đóng ngắt
bởi IGBT. Và nhờ vậy khả năng điều chỉnh nhiệt theo các vị trí trong lị nung được linh hoạt hơn. Tuy có những thuận lợi như đã đề cập thì cũng đặt ra một số vấn đề lớn như: khi các cuộn dây trở ngắn hơn thì dịng qua nó sẽ được tăng lên làm q trình điều chỉnh khó khăn và khối bảo vệ cho mạch cơng suất cần được tính tốn chuẩn hơn, bên cạnh đó là việc sử dụng nhiều cuộn dây dẫn đến việc điều chỉnh hệ số PID sẽ khó khăn hơn và việc cố định các cuộn dây cũng gặp một số khó khăn nhất định.
2.2 Phương pháp điều khiển ổn đinh nhiệt độ
2.2.1 Một số phương pháp ổn định nhiệt độ phổ biến
2.2.1.1 Phướng pháp sử dụng thuật tốn PID
Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ ( PID- Proportional Integral Derivative) là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển (lý thuyết điều khiển tự động) tổng quát được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi. Bộ điều khiển PID sẽ tính tốn giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo (thông số biến đổi) và giá trị đặt (giá trị mong muốn). Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh giá trị điều khiển đầu vào. Trong trường hợp khơng có kiến thức cơ bản (mô hình tốn học) về hệ thống điều khiển thì bộ điều khiển PID là sẽ bộ điều khiển tốt nhất. Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt nhất, các thơng số PID sử dụng trong tính tốn phải điều chỉnh theo tính chất của hệ thống-trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống [27].
- Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID [27] là: I p D K G s K K s s Trong đó: KP là hệ số tỷ lệ. KI là hệ số Tích phân. KD là hệ số đạo hàm.
Khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân được cộng lại với nhau để tính tốn đầu ra của bộ điều khiển PID. Định nghĩa là đầu ra của bộ điều khiển, biểu thức cuối cùng của giải thuật PID [28] là: 0 1 t P D I de t u t K e t e d T T dt Trong đó:
- e t là tín hiệu đầu vào. - u t là tín hiệu đầu ra. - KP là hệ số khuếch đại. - TI là hằng số tích phân. - TDlà hằng số vi phân.
Sự tác động khi thay đổi một thông số và giữa ngun các thơng số cịn lại:
- Độ lợi tỉ lệ, giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ lệ càng lớn. Một giá trị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dẫn đến quá trình mất ổn định và dao động.
- Độ lợi tích phân, giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh. Đổi lại là độ vọt lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định.
- Độ lợi vi phân, giá trị càng lớn càng giảm độ vọt lố, nhưng lại làm chậm đáp ứng quá độ và có thể dẫn đến mất ổn định do khuếch đại nhiễu tín hiệu trong phép vi phân sai số
điều khiển của nó (độ lợi/dải tỉ lệ, độ lợi tích phân/reset, độ lợi vi phân/tốc độ) tới giá trị đáp ứng điều khiển tối ưu. Độ ổn định (dao động biên) là một yêu cầu căn bản, nhưng ngoài ra, các hệ thống khác nhau, có những hành vi khác nhau, những ứng dụng khác nhau có những yêu cầu khác nhau, vài yêu cầu lại mâu thuẫn với nhau. Hơn nữa, vài q trình có một mức độ phi tuyến nào đấy khiến các thông số làm việc tốt ở điều kiện đầy tải sẽ khơng làm việc khi q trình khởi động từ khơng tải; điều này có thể khắc phục bằng chương trình độ lợi (sử dụng các thông số khác nhau cho những khu vực hoạt động khác nhau). Các bộ điều khiển PID thường cung cấp các điều khiển có thể chấp nhận được thậm chí khơng cần điều chỉnh, nhưng kết quả nói chung có thể được cải thiện bằng cách điều chỉnh kỹ lưỡng, và kết quả có thể khơng chấp nhận được nếu điều chỉnh kém.
Hình 2.7. Hàm quá độ [27]
Trong điều khiển PID có 4 thơng số cần chú ý là Rise time, overshoot, setting time, S-S error. Những thơng số này có tác động qua lại với nhau nên việc hiệu chỉnh các thông số này không thể đưa các thơng số về mức thấp nhất. Trong q trình điều chỉnh việc lựa chọn 1 yếu tố và hiệu chỉnh những yếu tố còn lại để đạt được hàm quá độ phù hợp là điều bắt buôc.
- Rise time ( Thời gian tăng ): thời gian tăng của PID được xác định khi bắt đầu đến khi giá trị đạt 90% giá trị đặt.
- Overshoot ( Quá độ ) Mức độ vọt lố sau khi giá trị đạt được giá trị đặt.
- Setting time ( Thời gian ổn định) là khoảng thời gian để hệ thống đạt được độ sai số đã tính tốn.
- S-S error ( Sai số ) Độ sai số sau khi hệ thống đã ổn định.
Hình 2.8 cho thấy sự tác động khác nhau lên chất lượng tính hiệu cảu các giá trị PID, những yếu tố này được đánh giá về thời gian đạt giá trị lần đầu tiên, độ vọt lố, thời gian ổn định và sai số hệ thống.
Hình 2.8. Sự ảnh hưởng của các hệ số [27] - P (Proportional Controller) là bộ điều khiển tỉ lệ.
- PI ( Proportinal and Integral Controller) là bộ điều khiển tỉ lệ và tích phân. - (Proportional and Derivative (PD) Controller ) là bộ điều khiển đạo hàm. - PID (Proportional, Integral, and Derivative (PID) Controller) là bộ điều khiển
tỉ lệ – tích phân- đạo hàm (vi phân).
Có nhiều phương pháp khác nhau để điều chỉnh vòng lặp PID. Những phương pháp hữu hiệu nhất thường bao gồm những triển khai của vài dạng mơ hình xử lý, sau đó chọn P, I, và D dựa trên các thơng số của mơ hình động học. Các phương pháp điều chỉnh thủ công tương đối không hiệu quả lắm, đặc biệt nếu vịng lặp có thời gian đáp ứng được tính
bằng phút hoặc lâu hơn.
Lựa chọn phương pháp thích hợp sẽ phụ thuộc phần lớn vào việc có hay khơng vịng lặp có thể điều chỉnh "offline", và đáp ứng thời gian của hệ thống. Nếu hệ thống có thể thực hiện offline, phương pháp điều chỉnh tốt nhất thường bao gồm bắt hệ thống thay đổi đầu vào từng bước, tín hiệu đo lường đầu ra là một hàm thời gian, sử dụng đáp ứng này để xác định các thông số điều khiển.
Bảng 2.1. Phương pháp điều chỉnh PID [27]
Phương pháp Ưu điểm Khuyết điểm Điều chỉnh thủ công Khơng cần hiểu biết về tốn.
Phương pháp online.
u cầu nhân viên có kinh nghiệm.
Ziegler–Nichols Phương pháp chứng minh. Phương pháp online.
làm rối loạn quá trình, một số thử nghiệm và lỗi, phải điều chỉnh nhiều lần
Các công cụ phần mềm Điều chỉnh chắc chắn. Phương pháp online hoặc offline. Có thể bao gồm phân tích các van và cảm biến. Cho phép mô phỏng trước khi tải xuống để thực thi.
Giá cả cao, và phải huấn luyện.
Cohen-Coon xử lý các mơ hình tốt. Yêu cầu kiến thức toán học. Phương pháp offline. Chỉ tốt đối với các quá trình bậc một.
Ưu điểm: điều khiển với độ chính xác cao, tiết kiệm năng lượng tối đa, đảm bảo sự ổn định của hệ thống.
Nhược điểm: thuật tốn điều khiển phức tạp, địi hỏi người sử dụng có trình độ và kinh nghiệm. Độ chính xác bị ảnh hưởng bởi các yếu tố đầu vào. Khi các yếu tố đầu vào
thì sự ổn định sẽ bị thay đổi.