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0引 言

太陽能光伏發(fā)電是解決能源問題和降低碳排 放量的重要途徑。太陽能硅片目前常規(guī)的切割方 法主要有內(nèi)圓切割(ID saw)、電火花切割 (WEDM)和多線切割(Multi-wire SaW)。內(nèi)圓切割 效率低、損耗大、切片質(zhì)量差，不能滿足市場(chǎng)日益 增加的太陽能硅片需求；電火花切割切片質(zhì)量好， 但一次只能切割一片，效率較低，雖有多線電火花 切割的研究報(bào)告…，但還未產(chǎn)業(yè)化；多線切割機(jī)可 一次切割幾百甚至幾千片、切片質(zhì)量好已成為太 陽能硅片切割的主要裝備。 國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的研究成果多集中在中 小型多線切割機(jī)，大型多線切割機(jī)制造難度大、控 制系統(tǒng)復(fù)雜，全球市場(chǎng)被瑞士和日本幾個(gè)大型企 業(yè)壟斷。開發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型多線切割機(jī)， 降低生產(chǎn)成本是我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的迫切需 求。大型太陽能硅片多線切割機(jī)張力控制技術(shù)直 接影響切片質(zhì)量和效率，在高速運(yùn)行的系統(tǒng)下保 持張力恒定是其設(shè)計(jì)成敗的核心技術(shù)。本文分析 了國內(nèi)現(xiàn)有中小型多線切割機(jī)的不足，從機(jī)械機(jī) 構(gòu)和控制策略兩個(gè)方面提出大型太陽能硅片多線 切割機(jī)張力控制的改進(jìn)方法。

1大型多線切割機(jī)張力系統(tǒng)分析

大型多線切割機(jī)不是中小型多線切割機(jī)的簡單 放大，國產(chǎn)某款中型多線切割機(jī)和瑞士某公司生產(chǎn)的DS271大型多線切割機(jī)的 參數(shù)比較。 多線切割機(jī)的整個(gè)工作過程中張力必須保持恒 定，張力過大會(huì)引起斷線，張力過d,貝wl切割效率低 下。若張力波動(dòng)劇烈會(huì)使得加工出的太陽能硅片有 表面損傷(細(xì)微裂紋、線鋸印記)和形貌缺陷(彎曲、 凹凸、厚薄不均)，增加后續(xù)工作的難度。 小型多線切割機(jī)采用重錘保持張力恒定，張力等于重錘重量，只要重錘的質(zhì)量不發(fā)生變化，張力值 就不會(huì)變化。重錘由生產(chǎn)廠家配置，數(shù)量有限。在 切片速度和質(zhì)量要求較低的情況下(某些磁性材料 切割)，這種方式是允許的。由于張力的精確設(shè)置 必須跟金屬絲的線徑、系統(tǒng)走線速度以及工件臺(tái)的 運(yùn)動(dòng)速度相匹配，即使增加重錘的數(shù)量也無法滿足 張力精確設(shè)定的需求。改進(jìn)的方式是使用伺服電機(jī) 代替重錘。張力擺杠使用伺服電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩控制。張 力可在伺服電機(jī)允許的范圍內(nèi)任意設(shè)定，而且調(diào)節(jié) 方便。這是多線切割機(jī)張力控制的一次較大進(jìn)步， 中型多線切割機(jī)多采用這種方式。目前的中型多線切割機(jī)使用平行的張力擺桿， 這種方式的實(shí)際張力等于伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩值除以張 力擺桿長度再加上張力擺桿的重力，存在設(shè)置張力 與實(shí)際張力不符的問題，特別是當(dāng)張力擺桿偏移平 衡位置時(shí)，張力擺桿的重力垂直分量發(fā)生變化，進(jìn)而 會(huì)引起張力波動(dòng)。大型多線切割機(jī)改進(jìn)的方法是用 垂直的張力擺桿代替平行的張力擺桿，重新設(shè)計(jì)走 線系統(tǒng)，使得張力擺桿的重力對(duì)張力的影響最小。張力 控制對(duì)象包括主軸電機(jī)(2個(gè))、收放線輪電機(jī)和 張力電機(jī)(2個(gè))。張力控制目標(biāo)是保持系統(tǒng)線速 度一致，張力恒定，波動(dòng)幅度小。此處線速度一致 不表示主軸和收放線輪的線速度完全相等，實(shí)際 上，切割過程中隨著工件臺(tái)的下降，金剛石線切割 面會(huì)慢慢彎曲，與水平面形成一個(gè)夾角口，夾角口的形成一方面能增加張力的垂直分 量，提高切割效率，另一方面造成收放線輪的線速度 與主軸的線速度不相同。這時(shí)張力控制的目標(biāo)轉(zhuǎn)為 收放線輪跟隨主軸，保持張力擺桿波動(dòng)的幅度和頻 率最小。

2具有初始狀態(tài)的閉環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制

迭代學(xué)習(xí)控制是Arimoto S等舊1于1984年提出 的一種智能控制理論。開環(huán)迭代學(xué)習(xí)算法是指當(dāng)前 輸入M川(t)，僅是由上一次輸入u。(t)和上一次輸 出誤差e。(t)組合而成，并未使用當(dāng)前輸出誤差 e，加載曲線表明，系統(tǒng)的抗干擾能力較差。 雖然系統(tǒng)本身有閉環(huán)負(fù)反饋，但從迭代學(xué)習(xí)控制算 法上看，這相當(dāng)于一種開環(huán)控制。閉環(huán)控制能提高 系統(tǒng)的抗干擾能力，抑制系統(tǒng)內(nèi)部的不確定性和非 線性。所以，使用輸出誤差“新的”信息e㈧(t)構(gòu) 成閉環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制算法。迭代學(xué)習(xí)控制的初始條 件是指在每次迭代開始時(shí)，為保證控制系統(tǒng)的收斂 性，對(duì)系統(tǒng)迭代初始點(diǎn)的重復(fù)定位操作所限定的 條件首先設(shè)定系統(tǒng)期望線速度，兩個(gè)主軸的速度 與期望速度相同，收放線輪跟隨主軸速度，兩個(gè)張 力擺桿的偏移角度分別反應(yīng)收放線輪跟蹤主軸的 線速度誤差(考慮切割面與水平夾角)。同時(shí)在收 線側(cè)和放線側(cè)加裝張力傳感器，將張力的波動(dòng)幅 度和頻率傳給控制器。收放線輪半徑是實(shí)時(shí)變化 的，同時(shí)由于排線器的存在，使得機(jī)器工作時(shí)收放 線輪進(jìn)線口和出線口位置不同，對(duì)系統(tǒng)線速度有 非線性影響，該系統(tǒng)是典型的非線性時(shí)變系統(tǒng)。 干擾主要來自高速往返運(yùn)動(dòng)中換向瞬間的間隙和 粘滯摩擦系數(shù)變化

3試驗(yàn)

控制器采用日本安 川的MP2300，電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)均采用日本安川的 ∑V系列產(chǎn)品。張力傳感器采用用瑞士某公司 RMGZl21A，金剛石線直徑0．3mm，主軸運(yùn)行線速度 900m／min，張力設(shè)定值為30N。

3.1本文算法與傳統(tǒng)PID算法比較

為對(duì)比本文使用的控制算法，在相同條件下，使 用傳統(tǒng)PID控制算法進(jìn)行張力控制，誤差仍為張力 擺桿偏移垂直位置的角度。調(diào)整PID算法的3個(gè)參 數(shù)，使之達(dá)到張力擺桿波動(dòng)最小。記錄收線輪線速 度和收線側(cè)張力擺桿的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)(放線輪和放 線側(cè)的張力擺桿數(shù)據(jù)與之類似)。 具有初態(tài)閉環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制算法結(jié)果， 平均迭代次數(shù)為4。 線速度都有波動(dòng)，這是由于金剛石線切割面與水 平位置的夾角口造成，但閉環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制算法 的收線輪線速度波動(dòng)較小。PID控制下張力擺桿 的波動(dòng)范圍在-2，-4。，而在本文提出的控制算 法下，張力擺桿的波動(dòng)范圍在-1，-2。，明顯優(yōu)于 PID控制。

3．2試驗(yàn)樣機(jī)與瑞士Meyer Burger的DS271相 比較 對(duì)兩種機(jī)型分別做試驗(yàn)所用的參數(shù)見表2。從 表2可看出，試驗(yàn)樣機(jī)的最高線速度略低于DS271， 切片質(zhì)量相差較小，但切割前學(xué)習(xí)時(shí)間明顯優(yōu)于 DS271(注：學(xué)習(xí)時(shí)間是指正式切割前的機(jī)器低速運(yùn) 行，用于控制器調(diào)整更新當(dāng)前參數(shù))。DS271的學(xué)習(xí) 時(shí)間過長會(huì)造成效率低、昂貴的金剛石線浪費(fèi)的 現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

提出了具有初始狀態(tài)的閉環(huán)迭代學(xué)習(xí)張力控制 算法，為國產(chǎn)大型太陽能硅片多線切割機(jī)的張力控 制提供較好的解決方案。

1)分析了中小型多線切割機(jī)張力設(shè)定不精確 的原因，用垂直的張力擺桿代替水平張力擺桿，重新 設(shè)計(jì)走線系統(tǒng)，得到大型太陽能硅片張力控制系統(tǒng) 機(jī)械結(jié)構(gòu)；

2)綜合考慮大型多線切割機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和控 制器的運(yùn)算特點(diǎn)，提出具有初始條件的閉環(huán)迭代學(xué) 習(xí)張力控制算法，較好地解決了系統(tǒng)中存在的收放 線輪半徑變化和排線器出線位置不同等非線性時(shí)變 問題；

3)試驗(yàn)表明，該算法優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制，個(gè)別 指標(biāo)超過國外大型太陽能硅片多線切割機(jī)的性能指 標(biāo)，同時(shí)對(duì)需要張力控制的其他機(jī)械和工程具有參 考價(jià)值。

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