基于L298N芯片對離子滲氮中壓強的控制
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1 離子滲氮理論
滲氮是強化金屬表面的一種化學熱處理方法，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成份，使之具有高的耐磨性、疲勞強度、抗蝕能力及抗燒傷性等，因而在工業(yè)上獲得廣泛應用[1]。
離子滲氮是在低溫等離子中進行的，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)和促進化學反應過程，加速滲氮層的形成。離子滲氮是在輝光放電中進行，在離子滲氮過程中對爐體的壓強控制精度要求比較高，控制偏差幾十帕。根據(jù)帕邢定律[2]：
其中： p為氣體壓強；
d為平行板電極間距離；
γ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，可得出擊穿電壓表達式（2）：
由式（2）可知，擊穿電壓v與氣體壓強和d有關(guān)，而一般實驗中d是固定不變，因此離子滲氮對壓強控制極為重要。
2 系統(tǒng)流量與壓強測控框圖
流量計控制進氣口的氣體流量，當進氣和抽氣流量平衡時，爐體壓強保持穩(wěn)定。由于爐體氣體泄露及其他干擾因素的影響，爐體壓強上下波動，系統(tǒng)偏離平衡態(tài)，嚴重時影響等離子工藝處理。我們采用普通直流電動機，通過l298n驅(qū)動直流電動機，由電動機通過減速桿帶動錐體轉(zhuǎn)動。當錐體旋進時，抽氣機單位時間內(nèi)抽出氣體減少；旋出時，抽出氣體增多，從而使爐體內(nèi)的壓強穩(wěn)定在所需的值。爐體壓強的變化通過壓強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。
3 l298n芯片介紹
l298n可接受標準ttl邏輯電平信號vss，vss可接4．5～7 v電壓。4腳vs接電源電壓，vs電壓范圍vih為＋2．5～46
v。輸出電流可達2．5 a，可驅(qū)動電感性負載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨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，out1，out2和out3，out4之間可分別接電動機，本實驗裝置我們選用驅(qū)動一臺電動機。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)。ena，enb接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。表1是l298n功能邏輯圖。
in3，in4的邏輯圖與表1相同。由表1可知ena為低電平時，輸入電平對電機控制起作用，當ena為高電平，輸入電平為一高一低，電機正或反轉(zhuǎn)。同為低電平電機停止，同為高電平電機剎停。
4 控制器原理
圖3是控制器原理圖，由3個虛線框圖組成。
下面是3個虛線框圖功能：
（1）虛線框圖1控制電機正反轉(zhuǎn)，u1a，u2a是比較器，vi來自爐體壓強傳感器的電壓。當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?，電機正轉(zhuǎn)。同理vi＜vrbf1時，電機反轉(zhuǎn)。電機正反轉(zhuǎn)可控制抽氣機抽出氣體的流量，從而改變爐體壓強。
（2）虛線框圖2中，u3a，u4a兩個比較器組成雙
限比較器，當vb＜vi＜va時輸出低電平，當vi＞va，vi＜vb時輸出高電平。va，vb是由爐體壓強轉(zhuǎn)感器轉(zhuǎn)換電壓的上下限，即反應爐體壓強控制范圍。根據(jù)工藝要求，我們可自行規(guī)定va，vb的值，只要爐體壓強在va，vb所確定范圍之間電機停轉(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是電機過流電壓。rs1上電壓大于vref2，電機過流，u5a輸出低電平。由上面可知，框圖1控制電機正反轉(zhuǎn)，框圖2控制爐體壓強的紋波大小。當爐體壓強太小或太大時，電動機轉(zhuǎn)到兩端固定位置停止，根據(jù)直流電機穩(wěn)態(tài)運行方程[3]：
u＝ceфn＋raia
其中:ф為電機每極磁通量；
ce為電動勢常數(shù)；
n為電機轉(zhuǎn)數(shù)；
ia為電樞電流；
ra電樞回路電阻。
電機轉(zhuǎn)數(shù)n為0，電機的電流急劇增加，時間過長將會使電機燒壞。但電機起動時，電機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rs1過流u5a產(chǎn)生一個負脈沖經(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，延時運放積分常數(shù)為100r5c1。當c1上充電電壓，即6腳電壓超過2／3 vcc，555電路復位，輸出低電平。電機啟動時間一般小于0．8 s，c1充電時間一般為0．8～1 s。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端使電機停止。如果u5a的輸出電平小于c1充電時間，6腳不動作電機的正常啟動。長延時電路吸收電機啟動過流電壓波形，從而使電機正常啟動。
5 結(jié) 語
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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