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上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；多线切割的上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。 【关键词】：多线切割机 张力控制 张力检测 模糊滑模控制 无模型自适应控制 多轴同步控制
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TP273
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 插图索引13-15
• 附表索引15-16
• 第1章 绪论16-31
• 1.1 课题研究背景及意义16-18
• 1.2 太阳能硅片多线切割机的研究现状18-20
• 1.2.1 国内外研究现状18-19
• 1.2.2 数控多线切割技术的发展趋势19-20
• 1.3 工业领域张力控制的研究现状20-26
• 1.3.1 国内外研究现状20-22
• 1.3.2 课题研究的理论基础22-26
• 1.4 课题的来源及论文主要研究内容26-31
• 1.4.1 课题来源与作者承担的科研任务26-28
• 1.4.2 本文的研究重点与难点28-29
• 1.4.3 论文主要研究内容29-31
• 第2章 太阳能硅片多线切割机张力系统的建模31-40
• 2.1 引言31
• 2.2 钢丝线张力的产生机理31-32
• 2.3 太阳能硅片多线切割机的总体结构32-35
• 2.3.1 太阳能硅片多线切割机的工作原理32
• 2.3.2 太阳能硅片多线切割机的机械结构32-33
• 2.3.3 太阳能硅片多线切割机的控制结构33-35
• 2.4 太阳能硅片多线切割机张力子系统之间的关系35
• 2.5 太阳能硅片多线切割机张力系统的等效模型35-38
• 2.6 本章小结38-40
• 第3章 太阳能硅片多线切割机的张力检测40-53
• 3.1 引言40
• 3.2 基于张力传感器的控制方案40
• 3.3 基于张力观测器的控制方案40-48
• 3.3.1 代数张力观测器的设计实现41-45
• 3.3.2 改进的代数张力观测器的设计实现45-46
• 3.3.3 基于粒子群算法的优化控制46-48
• 3.4 太阳能硅片多线切割机张力观测器的算法仿真48-52
• 3.5 本章小结52-53
• 第4章 太阳能硅片多线切割机的直接张力控制53-70
• 4.1 引言53
• 4.2 太阳能硅片多线切割机的直接张力控制模型53-54
• 4.3 太阳能硅片多线切割机的滑模控制器设计54-56
• 4.3.1 滑模函数s(x)的设计55
• 4.3.2 控制率u(x)的设计55-56
• 4.3.3 滑模控制抖振的产生及抑制56
• 4.4 太阳能硅片多线切割机的模糊滑模张力控制56-63
• 4.4.1 太阳能硅片多线切割机的滑模张力控制56-59
• 4.4.2 基于模糊控制的系数优化59-63
• 4.4.3 模糊滑模控制的实现模型63
• 4.5 太阳能硅片多线切割机的无模型自适应模糊滑模张力控制63-66
• 4.5.1 无模型自适应模糊滑模控制方法的提出63-65
• 4.5.2 无模型自适应模糊滑模控制的实现模型65-66
• 4.6 太阳能硅片多线切割机直接张力控制的算法仿真66-69
• 4.7 本章小结69-70
• 第5章 太阳能硅片多线切割机的间接张力控制70-86
• 5.1 引言70
• 5.2 太阳能硅片多线切割机的间接张力控制分析70-71
• 5.3 太阳能硅片多线切割机的三轴同步控制71-79
• 5.3.1 三轴同步控制方法的提出71-72
• 5.3.2 三轴同步控制方法的设计实现72-74
• 5.3.3 三轴同步算法的稳定性和收敛性证明74-76
• 5.3.4 太阳能硅片多线切割机的三轴同步算法仿真76-79
• 5.3.5 张力摆杆的位置补偿控制79
• 5.4 太阳能硅片多线切割机同步控制算法的推广79-84
• 5.4.1 任意轴同步控制方法的提出80
• 5.4.2 任意轴同步控制方法的设计实现80-81
• 5.4.3 任意轴同步算法的稳定性和收敛性证明81-83
• 5.4.4 六轴同步算法仿真83-84
• 5.5 本章小结84-86
• 第6章 XQ600A装备研制与张力控制策略验证86-107
• 6.1 引言86
• 6.2 XQ600A多线切割机设计开发86-93
• 6.2.1 XQ600A多线切割机的技术性能指标86-87
• 6.2.2 XQ600A多线切割机控制系统总体设计87-89
• 6.2.3 XQ600A多线切割机张力控制系统各功能模块设计89-91
• 6.2.4 XQ600A多线切割机其他设施91-93
• 6.3 XQ600A多线切割机张力控制策略验证93-104
• 6.3.1 XQ600A多线切割机张力控制策略的测试设备93-94
• 6.3.2 基于张力传感器和基于代数张力观测器的对比测试94-95
• 6.3.3 两种张力观测器的对比测试95-97
• 6.3.4 直接张力控制的对比测试97-100
• 6.3.5 三轴同步的间接张力控制测试100-103
• 6.3.6 XQ600A多线切割机张力控制策略的结果分析103-104
• 6.4 XQ600A多线切割机的实际运行工况104-106
• 6.5 本章小结106-107
• 总结与展望107-110
• 1. 本文主要研究成果107-108
• 2. 研究工作展望108-110
• 参考文献110-119
• 附录A 攻读博士期间发表的论文119-120
• 附录B 攻读博士期间获奖、科研及专利情况120-121
• 附录C XQ600A多线切割机产业化情况121-122
• 附录D XQ600A多线切割机科技成果鉴定意见122-125
• 附录E 部分仿真模型125-128
• 附录F XQ600A多线切割机检验报告128-133
• 致谢133

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