多線(xiàn)切割機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

朱宗樹(shù)，李清紅

(湖南紅太陽(yáng)光電科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410000)

隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，器件制造對(duì)硅單晶的表面質(zhì)量要求越來(lái)越高，硅片經(jīng)過(guò)切割、研磨和拋光后，加工損傷的程度和深度是硅材料切割的關(guān)鍵因素之一。內(nèi)圓切割機(jī)雖然有其優(yōu)越性，如技術(shù)成熟、刀片穩(wěn)定性好等，但近幾年對(duì)內(nèi)圓切割硅片的損傷及作用機(jī)理的研究認(rèn)為：一方面內(nèi)圓切割硅片的損傷層近表面的微裂紋使硅片強(qiáng)度大為降低；另一方面，相對(duì)于多線(xiàn)切割機(jī)切割而言，線(xiàn)的直徑一般小于170μm，而內(nèi)圓切割機(jī)刀片厚度大約為300μm，明顯大于多線(xiàn)切割機(jī)的切割線(xiàn)直徑，且多線(xiàn)切割機(jī)的生產(chǎn)效率是內(nèi)圓切割的10倍以上。因此，多線(xiàn)切割具有加工效率高，損耗小，適合大批量硅片加工等優(yōu)勢(shì)，在太陽(yáng)能電池及其半導(dǎo)體材料的切割上，得到了廣泛的應(yīng)用。

多線(xiàn)切割機(jī)是近十幾年來(lái)獲得迅速發(fā)展的一種硬脆材料切割設(shè)備，它包括使用游離磨料和固結(jié)磨料兩類(lèi)。根據(jù)鋸絲的運(yùn)動(dòng)方式和機(jī)床結(jié)構(gòu)，可分為往復(fù)式和單向多線(xiàn)切割機(jī)。目前在光電子工業(yè)中使用最為廣泛的是往復(fù)式多線(xiàn)切割機(jī)。多線(xiàn)切割機(jī)使用高硬度的碳化硅作為磨料，其典型磨料尺寸為20μm以下，能夠?qū)τ泊嗖牧线M(jìn)行精密、窄鋸縫切割，且可實(shí)現(xiàn)成形加工。隨著在大尺寸半導(dǎo)體和光電池薄片切割中的應(yīng)用和發(fā)展，多線(xiàn)切割機(jī)逐漸顯現(xiàn)出一系列無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)：加工表面損傷小、切割后的晶片翹曲度小、切片薄、片厚一致性好、切割硅錠尺寸大、效率高、省料、產(chǎn)量大等。目前，硅片的切割，大多采用多線(xiàn)切割機(jī)切割，隨著晶體直徑的增大，多線(xiàn)切割將完全替代內(nèi)圓切割。

1 多線(xiàn)切割機(jī)切割工藝

多線(xiàn)切割機(jī)的核心技術(shù)是在研磨漿配合下控制超細(xì)高強(qiáng)度切割線(xiàn)完成晶錠的切割。切割線(xiàn)相互平行的纏繞在導(dǎo)線(xiàn)輪上形成一個(gè)水平的切割線(xiàn)“網(wǎng)”。電機(jī)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)線(xiàn)輪使整個(gè)切割線(xiàn)網(wǎng)以5～25 m/s的速度運(yùn)動(dòng)。

切割線(xiàn)的速度、直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)都會(huì)在整個(gè)切割過(guò)程中根據(jù)硅錠的形狀進(jìn)行調(diào)整。在切割線(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，噴嘴會(huì)持續(xù)向切割線(xiàn)噴射含有懸浮碳化硅顆粒的研磨漿。

對(duì)于以硅片為基底的光伏電池來(lái)說(shuō)，晶體硅(c-Si)原料和切割成本在電池總成本中占據(jù)了最大的部分。光伏電池生產(chǎn)商可以通過(guò)在切片過(guò)程中節(jié)約硅原料來(lái)降低成本。降低切口損失可以達(dá)到這個(gè)效果，切口損失主要和切割線(xiàn)直徑有關(guān)，是切割過(guò)程本身所產(chǎn)生的原料損失。切割線(xiàn)直徑已經(jīng)從原來(lái)的180～160μm降低到了目前普遍使用的140～100μm。減小切割線(xiàn)直徑還可以在同樣的硅塊長(zhǎng)度下切割出更多的硅片，提升機(jī)臺(tái)產(chǎn)量。

讓硅片變得更薄同樣可以減少硅錠原料消耗。在過(guò)去的十多年中，光伏硅片的厚度從原來(lái)的330μm減小到現(xiàn)在普遍的180～220μm范圍內(nèi)。這個(gè)趨勢(shì)還將繼續(xù)，硅片厚度將變成100μm。減小硅片厚度帶來(lái)的效益是驚人的，從330μm到130μm，光伏電池制造商降低的總體硅錠原料消耗量多達(dá)60%。

在硅片切割工藝中存在多項(xiàng)挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在多線(xiàn)切割機(jī)的生產(chǎn)力上，也就是單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的硅片數(shù)量。生產(chǎn)力取決于以下幾項(xiàng)因素：

（1）切割線(xiàn)直徑。切割線(xiàn)直徑越細(xì)意味著切口損耗越小，同一塊硅錠可以生產(chǎn)更多的硅片；然而，切割線(xiàn)直徑越小越容易斷裂；

（2）荷載。每次切割的總面積，等于硅片面積乘以每次切割的硅錠數(shù)量再乘以每個(gè)硅錠所切割成的硅片數(shù)量；

（3）切割速度。切割機(jī)切割晶錠的速度，在很大程度上取決于切割線(xiàn)運(yùn)動(dòng)速度、電機(jī)功率和切割線(xiàn)拉力；

（4）易于維護(hù)性。多線(xiàn)切割機(jī)需要周期性的更換切割線(xiàn)和研磨漿，維護(hù)的速度越快，總體的生產(chǎn)力就越高。

生產(chǎn)商必須平衡這些相關(guān)的因素使生產(chǎn)力達(dá)到最大化。更高的切割速度和更大的荷載將會(huì)加大切割線(xiàn)的拉力，增加切割線(xiàn)斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。由于硅錠是在切割線(xiàn)網(wǎng)的作用下被一次性切割成多片硅片，只要有一條切割線(xiàn)斷裂，正處于切割狀態(tài)的硅錠便不得不丟棄。然而，使用更粗更牢固的切割線(xiàn)也并不可取，這會(huì)減少每次切割所生產(chǎn)的硅片數(shù)量，并增加硅原料的消耗量。

硅片厚度也是影響生產(chǎn)力的一個(gè)重要因素，因?yàn)樗P(guān)系到每個(gè)硅塊所生產(chǎn)出的硅片數(shù)量。硅片越薄，給多線(xiàn)切割機(jī)技術(shù)提出越高的挑戰(zhàn)，因?yàn)槠渖a(chǎn)過(guò)程要困難得多。除硅片的機(jī)械脆性外，如果不對(duì)多線(xiàn)切割機(jī)工藝精密控制，細(xì)微的裂紋和彎曲都會(huì)對(duì)產(chǎn)品良率產(chǎn)生負(fù)面影響。硅片越薄，多線(xiàn)切割機(jī)系統(tǒng)必須對(duì)切割線(xiàn)速度和壓力、以及切割冷卻液進(jìn)行更精密控制。

除硅片的厚度要求外，晶體硅光伏電池制造商都對(duì)硅片的質(zhì)量提出了極高的要求。硅片表面不能有損傷（細(xì)微裂紋、多線(xiàn)切割機(jī)印記），形貌缺陷（彎曲、凹凸、厚薄不均）要最小化。

2 多線(xiàn)切割機(jī)控制系統(tǒng)

多線(xiàn)切割機(jī)是復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，包含PLC控制系統(tǒng)、伺服控制器、變頻器及切割主輥電機(jī)、放線(xiàn)輥電機(jī)、放線(xiàn)張力控制電機(jī)、放線(xiàn)排線(xiàn)電機(jī)、收線(xiàn)輥電機(jī)、收線(xiàn)張力控制電機(jī)、收線(xiàn)排線(xiàn)電機(jī)、進(jìn)料電機(jī)、砂漿泵電機(jī)、砂漿攪拌電機(jī)等，在系統(tǒng)閉環(huán)控制下，多臺(tái)電機(jī)嚴(yán)格線(xiàn)速度同步、緊密配合、協(xié)同運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的正反向往復(fù)式高速切片。

3 設(shè)計(jì)依據(jù)

（1）多線(xiàn)切割機(jī)PLC控制系統(tǒng)技術(shù)要求；

（2）FRENIC 5000VG7S用戶(hù)手冊(cè)；

（3）MHT259a（FALDIC-α）用戶(hù)手冊(cè)；

（4）GRAPHIC OPERATION TERMINAL GT15 User's Manual；

（5）QCPU用戶(hù)手冊(cè)；

（6）IEC61000-3-2電流諧波發(fā)射；

（7）CE-101，25 Hz～10 kHz電源線(xiàn)傳導(dǎo)發(fā)射；

（8）CE-102，10 kHz～10 MHz電源線(xiàn)傳導(dǎo)發(fā)射；

（9）CE-106，10 kHz～40 GHz天線(xiàn)端子傳導(dǎo)發(fā)射；

（10）IEC61000-4-1抗擾度試驗(yàn)綜述；

（11）IEC61000-4-2靜電放電抗擾度試驗(yàn)；

（12）IEC61000-4-3輻射（射頻）電磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)；

（13）IEC61000-4-4電快速瞬變/脈沖群抗把度試驗(yàn)；

（14）IEC61000-4-5浪涌（沖擊）抗擾度試驗(yàn)。

4 系統(tǒng)硬件方案

4.1 系統(tǒng)硬件

控制系統(tǒng)硬件以PLC為核心，變頻器及伺服控制器為驅(qū)動(dòng)器，各類(lèi)電機(jī)為執(zhí)行部件，脈沖編碼器、溫度傳感器、位移傳感器、張力傳感器等為檢測(cè)反饋部件，采用觸摸屏作為人機(jī)界面（HMI）。系統(tǒng)采用集散式設(shè)計(jì)，將各速度控制、張力控制分布到各伺服控制器中，以降低各執(zhí)行件的耦合強(qiáng)度，獲得最快的響應(yīng)特性。控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)特點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)支持正反向往復(fù)切割工藝，收線(xiàn)與放線(xiàn)過(guò)程控制邏輯對(duì)稱(chēng)置換。

（2）大功率主輥電機(jī)采用PG矢量變頻控制，獲得穩(wěn)定的快速響應(yīng)的正反向運(yùn)行曲線(xiàn)。

（3）張力控制采用PG變頻轉(zhuǎn)矩控制，由于轉(zhuǎn)矩與電流直接相關(guān)，可以快速的響應(yīng)特性。

4.2 控制特性分析

由于張力控制效果直接影響多線(xiàn)切割機(jī)系統(tǒng)可靠性與切割率。因此，將張力控制作為系統(tǒng)控制的關(guān)鍵點(diǎn)。

4.2.1張力控制特性分析

為適應(yīng)張力雙向的調(diào)節(jié)要求，要求張力輥位于行程的中間零位。張力輥行程為±0.15 m，可補(bǔ)償鋼絲長(zhǎng)度為±0.3 m。

由于放線(xiàn)張力控制電機(jī)設(shè)定在限轉(zhuǎn)矩工作方式，該轉(zhuǎn)矩由勵(lì)磁電流與電樞電流決定。在穩(wěn)態(tài)下，鋼絲張力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與收放線(xiàn)電機(jī)提供的轉(zhuǎn)矩平衡，即：

收放線(xiàn)張力控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩等于鋼絲張力乘以2倍的力臂。

在瞬態(tài)情況下，變頻器勵(lì)磁電流與電樞電流為固定值輸出，給出的轉(zhuǎn)矩固定，如果鋼絲張力產(chǎn)生的力矩大于電機(jī)轉(zhuǎn)矩，張力電機(jī)擺輪向負(fù)方向運(yùn)動(dòng)；如果鋼絲張力產(chǎn)生的力矩小于電機(jī)轉(zhuǎn)矩，張力控制電機(jī)擺輪向正方向運(yùn)動(dòng)。

設(shè)備中采用的富士變頻器的電流響應(yīng)為：800 Hz（1.3 ms），轉(zhuǎn)矩控制精度為：±3%（帶PG），能夠滿(mǎn)足快速?gòu)埩刂频囊蟆?/p>

4.2.2張力控制電機(jī)轉(zhuǎn)速及角加速度分析

主輥與放線(xiàn)輥的線(xiàn)速度差恒定時(shí)，張力控制電機(jī)勻速運(yùn)行，并提供一定的轉(zhuǎn)矩來(lái)抵消鋼絲張力產(chǎn)生的力矩。

假定主輥與放線(xiàn)輥的線(xiàn)速度差為1 m/s，則要求張力輥的線(xiàn)速度在0.5 m/s，可跟蹤上主輥與放線(xiàn)輥的線(xiàn)速度差。計(jì)算可得張力電機(jī)轉(zhuǎn)速為：ω。

假定主輥與放線(xiàn)輥的線(xiàn)速度差為10 m/s，則要求張力輥的線(xiàn)速度在5 m/s，才能跟蹤上主輥與放線(xiàn)輥的線(xiàn)速度差。計(jì)算可得張力電機(jī)轉(zhuǎn)速為：10×ω。

主輥與放線(xiàn)輥的線(xiàn)速度差變化時(shí)，張力控制電機(jī)要有合適的角加速度來(lái)跟蹤鋼絲加速度。

張力控制電機(jī)及力臂總慣量為J，單位為kg·m2；張力控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩為(T+Tb)，單位為N·m，其中Tb為鋼絲張力產(chǎn)生的力矩；角加速度為β，單位為rad/s2；張力控制電機(jī)的角加速度與轉(zhuǎn)矩關(guān)系為：

張力控制電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩一方面抵消鋼絲張力產(chǎn)生的力矩，另一方面還產(chǎn)生張力控制電機(jī)的角加速度。角加速度是雙向的，依據(jù)實(shí)際情況，有這幾種模式：正轉(zhuǎn)加速、正轉(zhuǎn)減速、反轉(zhuǎn)加速、反轉(zhuǎn)減速。

跟蹤通過(guò)合理設(shè)置主輥與放線(xiàn)輥的線(xiàn)速度初始值及加速、減速參數(shù)、轉(zhuǎn)矩偏置參數(shù)、轉(zhuǎn)矩限制參數(shù)等，張力控制電機(jī)轉(zhuǎn)速可以補(bǔ)償主輥與放線(xiàn)輥的線(xiàn)速度失配，張力控制電機(jī)角加速度可以補(bǔ)償主輥與放線(xiàn)輥的線(xiàn)速差變化。

4.2.3張力控制電機(jī)的穩(wěn)態(tài)零位控制

在張力控制過(guò)程中，通過(guò)張力輥的正負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，調(diào)整鋼絲儲(chǔ)線(xiàn)量，以彌補(bǔ)主輥與放線(xiàn)輥的線(xiàn)速度差。因此，在穩(wěn)態(tài)下，要把張力輥控制在中間的零位，這樣可為雙向補(bǔ)償速度差留出足夠儲(chǔ)備。

設(shè)計(jì)通過(guò)調(diào)整收放線(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)張力控制電機(jī)回零位。收放線(xiàn)電機(jī)控制模型如圖2所示。

圖2 收放線(xiàn)電機(jī)控制模型

系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，外環(huán)跟蹤張力輪位置，內(nèi)環(huán)跟蹤控制主輥電機(jī)的線(xiàn)速度。外部張力環(huán)PID在PLC進(jìn)行運(yùn)算，內(nèi)部速度環(huán)PID在變頻器內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算。其中速度環(huán)PID為中速環(huán)，外部張力環(huán)PID為慢速環(huán)，變頻器內(nèi)部的轉(zhuǎn)矩環(huán)為快速環(huán)。

控制過(guò)程如下：

（1）啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)外部張力環(huán)PID被清零，依據(jù)用戶(hù)輸入的收線(xiàn)輪直徑及主輥線(xiàn)速度（電機(jī)轉(zhuǎn)速）換算得到收線(xiàn)輪初始線(xiàn)速度設(shè)定值。

（2）在內(nèi)部速度環(huán)PID的閉環(huán)調(diào)節(jié)下，收線(xiàn)輪轉(zhuǎn)速跟蹤主輥線(xiàn)速度。

（3）運(yùn)行過(guò)程中收線(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，收線(xiàn)輪線(xiàn)卷的半徑增加，線(xiàn)速度增加。導(dǎo)致收線(xiàn)輪線(xiàn)速度高于主輥線(xiàn)速度。

（4）導(dǎo)致收線(xiàn)輪線(xiàn)速度高于主輥線(xiàn)速度，鋼絲被拉緊，張力增加。

（5）張力增加，與給定張力形成誤差，在張力閉環(huán)控制過(guò)程中，張力電機(jī)控制張力臂上的導(dǎo)輪朝負(fù)方向發(fā)生偏移。

（6）在外部張力電機(jī)位置環(huán)PID作用下，張力輪位置朝負(fù)方向發(fā)生的偏移經(jīng)過(guò)比例積分，轉(zhuǎn)化為收線(xiàn)電機(jī)給定速度的修正參數(shù)。

（7）給定速度下降，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速適當(dāng)下降，使得線(xiàn)速度下降，最終使得張力輪回到零位。

（8）運(yùn)行過(guò)程中，收線(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨收線(xiàn)輪線(xiàn)卷的半徑增加而減小，維持線(xiàn)速度不變。

（9）運(yùn)行過(guò)程中，依據(jù)收線(xiàn)輪線(xiàn)卷的半徑增加周期性的修正收線(xiàn)電機(jī)給定速度。

4.2.4收放線(xiàn)電機(jī)控制性能分析

在給定張力臂行程前提下，分析不同線(xiàn)速度時(shí)，放線(xiàn)輥的線(xiàn)加速度要求如表1所示。

表1 線(xiàn)速度差與加速度關(guān)系

從表1中數(shù)據(jù)可以推斷出，只有主輥與放線(xiàn)輥的線(xiàn)速度差小于1 m時(shí)，通過(guò)閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)線(xiàn)速度同步才有可能。

放線(xiàn)輥電機(jī)功率P、轉(zhuǎn)速N和轉(zhuǎn)矩T滿(mǎn)足下式關(guān)系：

放線(xiàn)輥電機(jī)轉(zhuǎn)矩T、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、角加速度滿(mǎn)足下式關(guān)系：

電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、角加速度關(guān)系：

P=(2π/60)×N×(1/2)×J×β其中：P為電機(jī)額定功率，單位為W；T為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，單位為N·m；N為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，單位為r/min。J為總慣量，單位為kg·m2；β為角加速度，單位為rad/s2。

從電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速、角加速度關(guān)系可以看到，在給定轉(zhuǎn)速下，放線(xiàn)輥線(xiàn)加速度太大，將導(dǎo)致電機(jī)功率要求劇增，超出額定功率，不可實(shí)現(xiàn)。

5 系統(tǒng)軟件方案

5.1 系統(tǒng)控制功能

系統(tǒng)控制功能如表2所示。

表2 系統(tǒng)控制功能

5.2 系統(tǒng)控制模型

系統(tǒng)采用集散式控制結(jié)構(gòu)，以PLC作為集中控制的核心，完成收、放線(xiàn)的大閉環(huán)控制；以各變頻器、伺服控制器為控制核心，實(shí)現(xiàn)各獨(dú)立子環(huán)的閉環(huán)控制。該控制結(jié)構(gòu)最大限度地剝離了各控制環(huán)間的耦合關(guān)系。系統(tǒng)中，主要控制難點(diǎn)留給了收、放線(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。系統(tǒng)控制模型如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制模型

5.2.1系統(tǒng)信號(hào)流圖

通過(guò)分析系統(tǒng)運(yùn)行特性，發(fā)現(xiàn)多線(xiàn)切割機(jī)工作過(guò)程中雖然各部件緊密協(xié)調(diào)工作，尤其是在線(xiàn)速度方面同步控制，但是，從信號(hào)流圖角度分析，系統(tǒng)可以獨(dú)立分割為若干單向流圖、若干獨(dú)立子控制環(huán)、兩個(gè)復(fù)雜控制環(huán)。系統(tǒng)信號(hào)流圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)信號(hào)流圖

5.2.2單向信號(hào)流圖

系統(tǒng)包含下列單向信號(hào)流：

（1）主輥給定。PLC生成正反向切割工藝曲線(xiàn)，依據(jù)工藝向主輥電機(jī)變頻器給定速度信號(hào)；

（2）放排線(xiàn)電機(jī)速度給定；

（3）收排線(xiàn)電機(jī)速度給定；

（4）收線(xiàn)電機(jī)速度前饋給定；

（5）放線(xiàn)電機(jī)速度前饋給定。

5.2.3獨(dú)立子閉環(huán)

系統(tǒng)包含下列獨(dú)立子閉環(huán)：

（1）主輥電機(jī)速度環(huán)。主棍電機(jī)變頻器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)PG矢量變頻速度環(huán)控制，精確跟蹤給定速度變化。

（2）給料電機(jī)速度環(huán)。給料電機(jī)轉(zhuǎn)速比例跟蹤主棍電機(jī)轉(zhuǎn)速，給料電機(jī)伺服控制器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)速度環(huán)控制。

（3）砂漿流量環(huán)。砂漿泵電機(jī)可依據(jù)工藝要求，依據(jù)主棍電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量。砂漿泵電機(jī)也可獨(dú)立運(yùn)行。

（4）放線(xiàn)張力控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩環(huán)。放線(xiàn)張力控制電機(jī)變頻器內(nèi)部PG矢量變頻控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩限制。

（5）放線(xiàn)電機(jī)速度環(huán)。放線(xiàn)電機(jī)變頻器內(nèi)部PG矢量變頻速度環(huán)控制，精確跟蹤給定速度變化。

5.2.4復(fù)雜控制環(huán)

系統(tǒng)包含下列復(fù)雜控制環(huán)：

（1）放線(xiàn)張力控制電機(jī)張力大閉環(huán)。張力傳感器檢測(cè)到鋼絲張力，并與給定張力PID運(yùn)算，調(diào)整放線(xiàn)張力控制電機(jī)給定速度。該大閉環(huán)可視情況設(shè)置，理論上該控制環(huán)可由轉(zhuǎn)矩環(huán)代替。

（2）放線(xiàn)電機(jī)速度前饋給定與張力控制電機(jī)（零）位置大閉環(huán)。張力控制電機(jī)（零）位置偏差經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算，得到放線(xiàn)電機(jī)速度修正量，該分量與主棍電機(jī)轉(zhuǎn)速前饋信號(hào)相加后，作為放線(xiàn)電機(jī)的速度給定。該控制環(huán)內(nèi)部嵌套放線(xiàn)電機(jī)速度環(huán)、放線(xiàn)張力控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩環(huán)、放線(xiàn)張力控制電機(jī)速度環(huán)、放線(xiàn)張力控制電機(jī)張力環(huán)。

（3）收線(xiàn)張力控制電機(jī)張力大閉環(huán)。張力傳感器檢測(cè)到鋼絲張力，并與給定張力PID運(yùn)算，調(diào)整收線(xiàn)張力控制電機(jī)給定速度。該大閉環(huán)可視情況設(shè)置，理論上該控制環(huán)可由轉(zhuǎn)矩環(huán)代替。

（4）收線(xiàn)電機(jī)速度前饋給定與張力控制電機(jī)（零）位置大閉環(huán)。張力控制電機(jī)（零）位置偏差經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算，得到收線(xiàn)電機(jī)速度修正量，該分量與主棍電機(jī)轉(zhuǎn)速前饋信號(hào)相加后，作為收線(xiàn)電機(jī)的速度給定。該控制環(huán)內(nèi)部嵌套收線(xiàn)電機(jī)速度環(huán)、收線(xiàn)張力控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩環(huán)、收線(xiàn)張力控制電機(jī)速度環(huán)、收線(xiàn)張力控制電機(jī)張力環(huán)。

6 結(jié)束語(yǔ)

多線(xiàn)切割機(jī)以其效率高、工藝好、成本低的優(yōu)點(diǎn)將成為半導(dǎo)體材料切割的主流設(shè)備。但是，多線(xiàn)切割機(jī)在加工過(guò)程中各電機(jī)之間協(xié)調(diào)同步的復(fù)雜性對(duì)控制系統(tǒng)提出了很高的要求。本文分析了多線(xiàn)切割機(jī)的工作原理、組成結(jié)構(gòu)以及工作過(guò)程，提出了對(duì)機(jī)床控制系統(tǒng)的要求，建立了多線(xiàn)切割機(jī)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)模型，并根據(jù)伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理建立了伺服電機(jī)的理論模型。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種PID速度同步跟隨及張力力矩跟隨的控制方式構(gòu)建整個(gè)多線(xiàn)切割機(jī)控制系統(tǒng)。通過(guò)樣機(jī)驗(yàn)證，該系統(tǒng)得到了很好的控制效果，顯著提高了多線(xiàn)切割機(jī)的工作轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)穩(wěn)定性。