多線切割機控制系統的設計與研究

朱宗樹，李清紅

(湖南紅太陽光電科技有限公司，湖南 長沙410000)

隨著大規模集成電路的迅速發展，器件制造對硅單晶的表面質量要求越來越高，硅片經過切割、研磨和拋光后，加工損傷的程度和深度是硅材料切割的關鍵因素之一。內圓切割機雖然有其優越性，如技術成熟、刀片穩定性好等，但近幾年對內圓切割硅片的損傷及作用機理的研究認為：一方面內圓切割硅片的損傷層近表面的微裂紋使硅片強度大為降低；另一方面，相對于多線切割機切割而言，線的直徑一般小于170μm，而內圓切割機刀片厚度大約為300μm，明顯大于多線切割機的切割線直徑，且多線切割機的生產效率是內圓切割的10倍以上。因此，多線切割具有加工效率高，損耗小，適合大批量硅片加工等優勢，在太陽能電池及其半導體材料的切割上，得到了廣泛的應用。

多線切割機是近十幾年來獲得迅速發展的一種硬脆材料切割設備，它包括使用游離磨料和固結磨料兩類。根據鋸絲的運動方式和機床結構，可分為往復式和單向多線切割機。目前在光電子工業中使用最為廣泛的是往復式多線切割機。多線切割機使用高硬度的碳化硅作為磨料，其典型磨料尺寸為20μm以下，能夠對硬脆材料進行精密、窄鋸縫切割，且可實現成形加工。隨著在大尺寸半導體和光電池薄片切割中的應用和發展，多線切割機逐漸顯現出一系列無可比擬的優點：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、產量大等。目前，硅片的切割，大多采用多線切割機切割，隨著晶體直徑的增大，多線切割將完全替代內圓切割。

1 多線切割機切割工藝

多線切割機的核心技術是在研磨漿配合下控制超細高強度切割線完成晶錠的切割。切割線相互平行的纏繞在導線輪上形成一個水平的切割線“網”。電機驅動導線輪使整個切割線網以5～25 m/s的速度運動。

切割線的速度、直線運動或往復運動都會在整個切割過程中根據硅錠的形狀進行調整。在切割線運動過程中，噴嘴會持續向切割線噴射含有懸浮碳化硅顆粒的研磨漿。

對于以硅片為基底的光伏電池來說，晶體硅(c-Si)原料和切割成本在電池總成本中占據了最大的部分。光伏電池生產商可以通過在切片過程中節約硅原料來降低成本。降低切口損失可以達到這個效果，切口損失主要和切割線直徑有關，是切割過程本身所產生的原料損失。切割線直徑已經從原來的180～160μm降低到了目前普遍使用的140～100μm。減小切割線直徑還可以在同樣的硅塊長度下切割出更多的硅片，提升機臺產量。

讓硅片變得更薄同樣可以減少硅錠原料消耗。在過去的十多年中，光伏硅片的厚度從原來的330μm減小到現在普遍的180～220μm范圍內。這個趨勢還將繼續，硅片厚度將變成100μm。減小硅片厚度帶來的效益是驚人的，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60%。

在硅片切割工藝中存在多項挑戰，主要體現在多線切割機的生產力上，也就是單位時間內生產的硅片數量。生產力取決于以下幾項因素：

（1）切割線直徑。切割線直徑越細意味著切口損耗越小，同一塊硅錠可以生產更多的硅片；然而，切割線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量再乘以每個硅錠所切割成的硅片數量；

（3）切割速度。切割機切割晶錠的速度，在很大程度上取決于切割線運動速度、電機功率和切割線拉力；

（4）易于維護性。多線切割機需要周期性的更換切割線和研磨漿，維護的速度越快，總體的生產力就越高。

生產商必須平衡這些相關的因素使生產力達到最大化。更高的切割速度和更大的荷載將會加大切割線的拉力，增加切割線斷裂的風險。由于硅錠是在切割線網的作用下被一次性切割成多片硅片，只要有一條切割線斷裂，正處于切割狀態的硅錠便不得不丟棄。然而，使用更粗更牢固的切割線也并不可取，這會減少每次切割所生產的硅片數量，并增加硅原料的消耗量。

硅片厚度也是影響生產力的一個重要因素，因為它關系到每個硅塊所生產出的硅片數量。硅片越薄，給多線切割機技術提出越高的挑戰，因為其生產過程要困難得多。除硅片的機械脆性外，如果不對多線切割機工藝精密控制，細微的裂紋和彎曲都會對產品良率產生負面影響。硅片越薄，多線切割機系統必須對切割線速度和壓力、以及切割冷卻液進行更精密控制。

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

2 多線切割機控制系統

多線切割機是復雜的機電一體化系統，包含PLC控制系統、伺服控制器、變頻器及切割主輥電機、放線輥電機、放線張力控制電機、放線排線電機、收線輥電機、收線張力控制電機、收線排線電機、進料電機、砂漿泵電機、砂漿攪拌電機等，在系統閉環控制下，多臺電機嚴格線速度同步、緊密配合、協同運行，實現復雜的正反向往復式高速切片。

3 設計依據

（1）多線切割機PLC控制系統技術要求；

（2）FRENIC 5000VG7S用戶手冊；

（3）MHT259a（FALDIC-α）用戶手冊；

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

（5）QCPU用戶手冊；

（6）IEC61000-3-2電流諧波發射；

（7）CE-101，25 Hz～10 kHz電源線傳導發射；

（8）CE-102，10 kHz～10 MHz電源線傳導發射；

（9）CE-106，10 kHz～40 GHz天線端子傳導發射；

（10）IEC61000-4-1抗擾度試驗綜述；

（11）IEC61000-4-2靜電放電抗擾度試驗；

（12）IEC61000-4-3輻射（射頻）電磁場抗擾度試驗；

（13）IEC61000-4-4電快速瞬變/脈沖群抗把度試驗；

（14）IEC61000-4-5浪涌（沖擊）抗擾度試驗。

4 系統硬件方案

4.1 系統硬件

控制系統硬件以PLC為核心，變頻器及伺服控制器為驅動器，各類電機為執行部件，脈沖編碼器、溫度傳感器、位移傳感器、張力傳感器等為檢測反饋部件，采用觸摸屏作為人機界面（HMI）。系統采用集散式設計，將各速度控制、張力控制分布到各伺服控制器中，以降低各執行件的耦合強度，獲得最快的響應特性。控制系統框圖如圖1所示。

圖1 控制系統框圖

系統特點：

（1）系統支持正反向往復切割工藝，收線與放線過程控制邏輯對稱置換。

（2）大功率主輥電機采用PG矢量變頻控制，獲得穩定的快速響應的正反向運行曲線。

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

4.2 控制特性分析

由于張力控制效果直接影響多線切割機系統可靠性與切割率。因此，將張力控制作為系統控制的關鍵點。

4.2.1張力控制特性分析

為適應張力雙向的調節要求，要求張力輥位于行程的中間零位。張力輥行程為±0.15 m，可補償鋼絲長度為±0.3 m。

由于放線張力控制電機設定在限轉矩工作方式，該轉矩由勵磁電流與電樞電流決定。在穩態下，鋼絲張力產生的轉矩與收放線電機提供的轉矩平衡，即：

收放線張力控制電機轉矩等于鋼絲張力乘以2倍的力臂。

在瞬態情況下，變頻器勵磁電流與電樞電流為固定值輸出，給出的轉矩固定，如果鋼絲張力產生的力矩大于電機轉矩，張力電機擺輪向負方向運動；如果鋼絲張力產生的力矩小于電機轉矩，張力控制電機擺輪向正方向運動。

設備中采用的富士變頻器的電流響應為：800 Hz（1.3 ms），轉矩控制精度為：±3%（帶PG），能夠滿足快速張力控制的要求。

4.2.2張力控制電機轉速及角加速度分析

主輥與放線輥的線速度差恒定時，張力控制電機勻速運行，并提供一定的轉矩來抵消鋼絲張力產生的力矩。

假定主輥與放線輥的線速度差為1 m/s，則要求張力輥的線速度在0.5 m/s，可跟蹤上主輥與放線輥的線速度差。計算可得張力電機轉速為：ω。

假定主輥與放線輥的線速度差為10 m/s，則要求張力輥的線速度在5 m/s，才能跟蹤上主輥與放線輥的線速度差。計算可得張力電機轉速為：10×ω。

主輥與放線輥的線速度差變化時，張力控制電機要有合適的角加速度來跟蹤鋼絲加速度。

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

張力控制電機的輸出轉矩一方面抵消鋼絲張力產生的力矩，另一方面還產生張力控制電機的角加速度。角加速度是雙向的，依據實際情況，有這幾種模式：正轉加速、正轉減速、反轉加速、反轉減速。

跟蹤通過合理設置主輥與放線輥的線速度初始值及加速、減速參數、轉矩偏置參數、轉矩限制參數等，張力控制電機轉速可以補償主輥與放線輥的線速度失配，張力控制電機角加速度可以補償主輥與放線輥的線速差變化。

4.2.3張力控制電機的穩態零位控制

在張力控制過程中，通過張力輥的正負方向運動，調整鋼絲儲線量，以彌補主輥與放線輥的線速度差。因此，在穩態下，要把張力輥控制在中間的零位，這樣可為雙向補償速度差留出足夠儲備。

設計通過調整收放線電機轉速，實現張力控制電機回零位。收放線電機控制模型如圖2所示。

圖2 收放線電機控制模型

系統采用雙閉環控制，外環跟蹤張力輪位置，內環跟蹤控制主輥電機的線速度。外部張力環PID在PLC進行運算，內部速度環PID在變頻器內部進行運算。其中速度環PID為中速環，外部張力環PID為慢速環，變頻器內部的轉矩環為快速環。

控制過程如下：

（1）啟動運行時外部張力環PID被清零，依據用戶輸入的收線輪直徑及主輥線速度（電機轉速）換算得到收線輪初始線速度設定值。

（2）在內部速度環PID的閉環調節下，收線輪轉速跟蹤主輥線速度。

（3）運行過程中收線電機的轉速不變，收線輪線卷的半徑增加，線速度增加。導致收線輪線速度高于主輥線速度。

（4）導致收線輪線速度高于主輥線速度，鋼絲被拉緊，張力增加。

（5）張力增加，與給定張力形成誤差，在張力閉環控制過程中，張力電機控制張力臂上的導輪朝負方向發生偏移。

（6）在外部張力電機位置環PID作用下，張力輪位置朝負方向發生的偏移經過比例積分，轉化為收線電機給定速度的修正參數。

（7）給定速度下降，使得電機轉速適當下降，使得線速度下降，最終使得張力輪回到零位。

（8）運行過程中，收線電機的轉速隨收線輪線卷的半徑增加而減小，維持線速度不變。

（9）運行過程中，依據收線輪線卷的半徑增加周期性的修正收線電機給定速度。

4.2.4收放線電機控制性能分析

在給定張力臂行程前提下，分析不同線速度時，放線輥的線加速度要求如表1所示。

表1 線速度差與加速度關系

從表1中數據可以推斷出，只有主輥與放線輥的線速度差小于1 m時，通過閉環控制，實現線速度同步才有可能。

放線輥電機功率P、轉速N和轉矩T滿足下式關系：

放線輥電機轉矩T、轉動慣量、角加速度滿足下式關系：

電機功率、轉速、角加速度關系：

P=(2π/60)×N×(1/2)×J×β其中：P為電機額定功率，單位為W；T為電機額定轉矩，單位為N·m；N為電機額定轉速，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。

從電機功率、轉速、角加速度關系可以看到，在給定轉速下，放線輥線加速度太大，將導致電機功率要求劇增，超出額定功率，不可實現。

5 系統軟件方案

5.1 系統控制功能

系統控制功能如表2所示。

表2 系統控制功能

5.2 系統控制模型

系統采用集散式控制結構，以PLC作為集中控制的核心，完成收、放線的大閉環控制；以各變頻器、伺服控制器為控制核心，實現各獨立子環的閉環控制。該控制結構最大限度地剝離了各控制環間的耦合關系。系統中，主要控制難點留給了收、放線電機的轉速控制。系統控制模型如圖3所示。

圖3 系統控制模型

5.2.1系統信號流圖

通過分析系統運行特性，發現多線切割機工作過程中雖然各部件緊密協調工作，尤其是在線速度方面同步控制，但是，從信號流圖角度分析，系統可以獨立分割為若干單向流圖、若干獨立子控制環、兩個復雜控制環。系統信號流圖如圖4所示。

圖4 系統信號流圖

5.2.2單向信號流圖

系統包含下列單向信號流：

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

（2）放排線電機速度給定；

（3）收排線電機速度給定；

（4）收線電機速度前饋給定；

（5）放線電機速度前饋給定。

5.2.3獨立子閉環

系統包含下列獨立子閉環：

（1）主輥電機速度環。主棍電機變頻器內部實現PG矢量變頻速度環控制，精確跟蹤給定速度變化。

（2）給料電機速度環。給料電機轉速比例跟蹤主棍電機轉速，給料電機伺服控制器內部實現速度環控制。

（3）砂漿流量環。砂漿泵電機可依據工藝要求，依據主棍電機轉速調節流量。砂漿泵電機也可獨立運行。

（4）放線張力控制電機轉矩環。放線張力控制電機變頻器內部PG矢量變頻控制實現轉矩限制。

（5）放線電機速度環。放線電機變頻器內部PG矢量變頻速度環控制，精確跟蹤給定速度變化。

5.2.4復雜控制環

系統包含下列復雜控制環：

（1）放線張力控制電機張力大閉環。張力傳感器檢測到鋼絲張力，并與給定張力PID運算，調整放線張力控制電機給定速度。該大閉環可視情況設置，理論上該控制環可由轉矩環代替。

（2）放線電機速度前饋給定與張力控制電機（零）位置大閉環。張力控制電機（零）位置偏差經過PID運算，得到放線電機速度修正量，該分量與主棍電機轉速前饋信號相加后，作為放線電機的速度給定。該控制環內部嵌套放線電機速度環、放線張力控制電機轉矩環、放線張力控制電機速度環、放線張力控制電機張力環。

（3）收線張力控制電機張力大閉環。張力傳感器檢測到鋼絲張力，并與給定張力PID運算，調整收線張力控制電機給定速度。該大閉環可視情況設置，理論上該控制環可由轉矩環代替。

（4）收線電機速度前饋給定與張力控制電機（零）位置大閉環。張力控制電機（零）位置偏差經過PID運算，得到收線電機速度修正量，該分量與主棍電機轉速前饋信號相加后，作為收線電機的速度給定。該控制環內部嵌套收線電機速度環、收線張力控制電機轉矩環、收線張力控制電機速度環、收線張力控制電機張力環。

6 結束語

多線切割機以其效率高、工藝好、成本低的優點將成為半導體材料切割的主流設備。但是，多線切割機在加工過程中各電機之間協調同步的復雜性對控制系統提出了很高的要求。本文分析了多線切割機的工作原理、組成結構以及工作過程，提出了對機床控制系統的要求，建立了多線切割機控制系統基礎模型，并根據伺服電機的結構原理建立了伺服電機的理論模型。在此基礎上，設計了一種PID速度同步跟隨及張力力矩跟隨的控制方式構建整個多線切割機控制系統。通過樣機驗證，該系統得到了很好的控制效果，顯著提高了多線切割機的工作轉速和系統穩定性。