基于L298N芯片对离子渗氮中压强的控制设计方案

众所周知，离子渗氮工艺对炉体内压强的控制要求比较高，因此本文设计了一种基于L298N芯片驱动直流电动机控制的气体流量控制器，可用于控制反应炉的抽气气体流量。那么我们先来了解离子渗氮理论吧：

1.离子渗氮理论

渗氮是强化金属表面的一种化学热处理方法，他是将金属零件置于活性氮的介质中，在一定温度和保温时间下，使氮元素渗入金属表层，从而改变金属层的化学成份，使之具有高的耐磨性、疲劳强度、抗蚀能力及抗烧伤性等，因而在工业上获得广泛应用。

离子渗氮是在低温等离子中进行的，低气压气体在电场作用下使之电离，产生高能离子和高能中性原子，这些高能粒子可以改善渗层组织结构和促进化学反应过程，加速渗氮层的形成。离子渗氮是在辉光放电中进行，在离子渗氮过程中对炉体的压强控制精度要求比较高，控制偏差几十帕。根据帕邢定律：

其中：P为气体压强;

d为平行板电极间距离;

V为阴极二次电子发射系数;

B为斯托列夫常数;

A是常数。

对式（1）求导，可得出击穿电压表达式（2）：

由式（2）可知，击穿电压V与气体压强和d有关，而一般实验中d是固定不变，因此离子渗氮对压强控制极为重要。

2.系统流量与压强测控框图

流量计控制进气口的气体流量，当进气和抽气流量平衡时，炉体压强保持稳定。由于炉体气体泄露及其他干扰因素的影响，炉体压强上下波动，系统偏离平衡态，严重时影响等离子工艺处理。我们采用普通直流电动机，通过L298N驱动直流电动机，由电动机通过减速杆带动锥体转动。当锥体旋进时，抽气机单位时间内抽出气体减少;旋出时，抽出气体增多，从而使炉体内的压强稳定在所需的值。炉体压强的变化通过压强传感器测出并通过变送器，将气体流量控制器送至反馈电压。抽气口采用电动真空蝶阀价格昂贵，如图1所示。

图1 系统流量与压强测控框图

3.L298N芯片介绍

L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4.5～7V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为+2.5～46V。输出电流可达2.5A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。图2是L298N内部功能模块，表1是L298N功能逻辑图。

图2 L298N内部功能模块

In3，In4的逻辑图与表1相同。由表1可知EnA为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当EnA为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。

4.控制器原理

图3是控制器原理图，由3个虚线框图组成：

图3 控制器原理图

下面是3个虚线框图功能：

（1）虚线框图1控制电机正反转，U1A，U2A是比较器，VI来自炉体压强传感器的电压。当VI》VRBF1时，U1A输出高电平，U2A输出高电平经反相器变为低电平，电机正转。同理VI《VRBF1时，电机反转。电机正反转可控制抽气机抽出气体的流量，从而改变炉体压强。

（2）虚线框图2中，U3A，U4A两个比较器组成双限比较器，当VB《VI《VA时输出低电平，当VI》VA，VI《VB时输出高电平。VA，VB是由炉体压强转感器转换电压的上下限，即反应炉体压强控制范围。根据工艺要求，我们可自行规定VA，VB的值，只要炉体压强在VA，VB所确定范围之间电机停转（注意VB《VRBF1《VA，如果不在这个范围内，系统不稳定）。

（3）虚线框图3是一个长延时电路。U5A是一个比较器，Rs1是采样电阻，VRBF2是电机过流电压。Rs1上电压大于VREF2，电机过流，U5A输出低电平。由上面可知，框图1控制电机正反转，框图2控制炉体压强的纹波大小。当炉体压强太小或太大时，电动机转到两端固定位置停止，根据直流电机稳态运行方程：

其中：Ф为电机每极磁通量;

Ce为电动势常数;

N为电机转数;

Ia为电枢电流;

Ra电枢回路电阻。

电机转数N为0，电机的电流急剧增加，时间过长将会使电机烧坏。但电机起动时，电机中线圈中的电流也急剧变大，因此我们必须把这两种状态分开。长延时电路可把这两种状态区分出来。长延时电路工作原理：当Rs1过流U5A产生一个负脉冲经过微分后，脉冲触发555的2脚，电路置位，3脚输出高电平，由于放电端7脚开路，C1，R5及U6A组成积分器开始积分，电容C1上的充电电压线性上升，延时运放积分常数为100R5C1。当C1上充电电压，即6脚电压超过2/3VCC，555电路复位，输出低电平。电机启动时间一般小于0.8s，C1充电时间一般为0.8～1s。U5A输出电平与555的3脚输出电平经U7相或，如果U5A输出低电平大于C1充电时间，U7在C1充电后输出低电平由与门U8输入到L298N的6脚ENA端使电机停止。如果U5A的输出电平小于C1充电时间，6脚不动作电机的正常启动。长延时电路吸收电机启动过流电压波形，从而使电机正常启动。
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