太阳能硅片多线切割机张力系统控制机理研究及应用

摘要

太阳能硅片多线切割机是太阳能光伏产业链硅片生产流程中的关键设备，硅片加工质量的好坏将直接影响到后续的加工效率和成品率。多线切割以其高精度、高效率、低损耗的特点逐渐取代了传统的外圆和内圆切割成为硅棒切割加工的主要方式。多线切割是通过一根钢丝线的高速往复运动把磨料带入硅棒加工区域进行研磨切割，将待切割硅棒一次性同时切割成数百或数千片薄片的新型方法。太阳能硅片多线切割机的张力控制是关系到加工能否顺利进行和加工质量好坏的关键技术。钢丝线在切割过程中不允许断线，否则昂贵的硅棒将报废；钢丝线在切割过程中的抖动幅度和频度直接决定了硅片加工的质量；多线切割的工艺要求对于同一硅棒加工的不同阶段所要求的钢丝线张力也不相同。本文针对太阳能硅片多线切割机产品开发中的张力控制关键技术进行了深入全面的研究。
　　 (1)研究太阳能硅片多线切割机和工业领域张力控制的国内外研究状况，阐述数控多线切割技术的发展趋势；依据项目要求，介绍太阳能硅片多线切割机张力控制理论基础，指出课题研究重点和攻克的难点；论述课题来源与作者承担的科研任务以及本文主要研究内容。
　　 (2)分析多线切割机的张力产生机理，设计多线切割机的总体结构，从机械结构和控制结构两个方面阐述多线切割机的特征；研究多线切割机放线张力、收线张力和切割张力三个子系统之间的关系；应用虎克定律，质量守恒定律以及电机轴的运动方程，建立多线切割机张力系统的数学模型，给出控制系统的原理框图。
　　 (3)针对多线切割机的张力检测问题，提出基于观测器理论的张力检测新方法。通过多线切割机的数学模型得到张力估计值的误差方程，求出满足稳定性的参数条件，定义李亚普洛夫函数分析误差的收敛速度，通过加入补偿量提高误差的收敛速度，设计实现代数张力观测器，进一步通过引入符号函数提出改进的代数张力观测器，增强了张力估计的稳定性和可靠性，使用粒子群算法对补偿因子进行优化控制。仿真结果证明了该方法的可行性和正确性，该方法具有成本低，抗干扰性强，可靠性高的特点。
　　 (4)提出基于滑模控制、模糊滑模控制和无模型自适应模糊滑模控制的直接张力控制方法。首先设计滑模控制器，它包括一个速度滑模控制器和两个张力滑模控制器，根据速度和张力误差值定义积分滑模面，采用符号函数趋近律方法，利用李亚普洛夫函数证明算法的稳定性，使用模糊控制优化趋近律系数，利用双曲正切函数代替符号函数，进一步改善系统的动态性能，有效减少滑模控制固有的高频抖动现象，然后再设计无模型自适应模糊滑模控制算法，使得系统具有更好的鲁棒性。对三种算法进行仿真实验，证明了所提方法的正确性。
　　 (5)通过张力摆杆的受力分析建立运动方程，提出一种基于三轴同步的间接张力控制方法。以收放线电机和主电机为控制对象，定义三轴系统的跟踪误差和同步误差，引入相邻轴速度误差的概念，设计控制转矩满足电机的运动方程，使得相邻轴速度误差及其微分趋于零，实现三轴同步控制，采用李雅普诺夫函数证明算法的收敛性和稳定性，仿真结果表明该控制策略同步性高、稳定性好、收敛速度快。将该三轴算法推广到一般情况下，设计任意轴同步控制算法，通过李雅普诺夫函数证明该算法的收敛性和稳定性，在MATLAB中建立仿真模型，测试六轴的同步运动，检验算法的同步性能。
　　 (6)根据太阳能硅片多线切割机的技术指标，设计开发张力控制系统，以自主研发的XQ600A多线切割机产品为应用平台，验证本文所提的各种张力控制策略，通过实验结果和数据的对比分析，总结各种张力控制方法的特点。通过实际切割硅棒测试了XQ600A多线切割机，结果表明该机型具有切割精度高，稳定性好的特点。
　　 本课题成功开发一款XQ600A多线切割机产品，整机性能指标达到预期的设计目标，该机型已作为2011年新产品投入市场应用。本文研究的太阳能硅片多线切割机张力控制方法与核心技术，进一步丰富多线切割机张力控制的设计理论和技术体系，对数控多线切割机系列化装备的研制具有重要的参考价值和借鉴作用。