人造金剛石是一種重要的工業(yè)原材料，幾乎涉及國計民生的各個領域。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備是壓機，從我國目前生產(chǎn)金剛石的設備來看，大部分生產(chǎn)廠家使用六面頂壓機，隨著國內(nèi)六面頂腔體的大型化和對這一技術的發(fā)展應用，與國外在技術裝備上的差距在進一步縮小。但是，國內(nèi)在壓機的控制水平上還相當落后，阻礙了金剛石質(zhì)量的提高。因此，提高國內(nèi)金剛石壓機的控制水平成為當務之急。
　　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)工藝過程中一個重要的技術環(huán)節(jié)是壓力的臺階型變化，即在金剛石合成初期，將壓力分成幾個壓力段，并在每個臺階壓力上保持一段時間。對于溫度控制， 目前廣泛采用的恒功率控制，該技術的最大弱點是：當加熱時間足夠長時，石墨在催化劑中再結晶成片狀，不利于金剛石的生長。對于溫度的控制，我們可以通過對加熱電壓的間接控制來實現(xiàn)，且這種控制方法在實踐中也能達到很好的控制效果。
　　2.硬件設計方案
　　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10位ADC外圍接口，CAN總線接口，4個通用定時器和一個看門狗計時器；運算數(shù)率高，單個指令周期執(zhí)行時間僅為33ns；工作電壓為＋3.3V，工業(yè)級溫度范圍－40～＋8°C，特別適合于工業(yè)應用。由此可以看出該DSP控制器將實時處理能力和控制器外設功能集于一身，為控制系統(tǒng)提高實時性、實現(xiàn)小型化和低成本提供了一個理想的解決方案。另外，壓機的控制變量和所接的外設較多。選用DSP控制器，正好利用它的實時控制能力強和集成外設豐富的優(yōu)點，故選用TMS320LF2407作為控制和數(shù)字化處理的核心。
　　根據(jù)壓機所需要實現(xiàn)的功能，以TMS320LF2407為核心的系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。
　　
　　圖1 金剛石壓機控制系統(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、壓力三個需反饋給處理器，從而構成3個閉環(huán)控制，電流只是用作顯示。采樣過程中，需對信號進行濾波，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，需進行變壓、濾波，后轉換成0～3.3V信號輸入DSP的ADIO口，考慮到實際工業(yè)現(xiàn)場干擾較多，在此濾波電路選用二階有源濾波，截至頻率為10Hz。同時選用TIL300芯片來實現(xiàn)光電隔離。
　　2.2 同步和觸發(fā)
　　壓機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通角大小來嚴格控制。在此，采用數(shù)字觸發(fā)方式來觸發(fā)晶閘管的門級。所以必須使得觸發(fā)脈沖與晶閘管的陽極電壓保持嚴格的相位關系。該系統(tǒng)中，由于晶閘管與工頻電串聯(lián)，所以晶閘管的陽級的電壓就是工頻電壓，所以采用過零檢測的辦法，檢測工頻電的過零點，也就確定了晶閘管的陽極電壓過零點。然后在此過零點的基礎上，再根據(jù)計算得出的導通角大小來在合適的時間輸出門級觸發(fā)脈沖。通過過零檢測電路，在每次的交流電壓過零點處產(chǎn)生一次脈沖，也即確定一次晶閘管陽級電壓過零點，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一個過零點，也即10ms一次脈沖觸發(fā)INT1中斷。觸發(fā)脈沖輸出信號由DSP的IO口，經(jīng)數(shù)據(jù)鎖存器產(chǎn)生，通過觸發(fā)電路電路驅動晶閘管。觸發(fā)脈沖的寬度由控制器設定，考慮到控制系統(tǒng)為感性負載，觸發(fā)脈沖應加大，在此設為1ms。