【摘要】
介绍台达DVP-20PM00D运动控制器电子齿轮同步功能，阐述高速多晶硅多线切割工作原理、工艺要求及相关控制程式概要。

【關鍵字】20PM运动控制器，电子齿轮，恒张力 增量式PID
【前言】
　随着晶片、磁性材料等新材料应用的不断发展，现这些基础材料已经广泛用于太阳能电池、下一代照明光源、纳米元器件等一系列高新技术领域里。针对这类新材料的切割与加工设备，目前主要依赖进口，其中控制器作为其核心技术，不同于一般的数控系统，因此成本过高。为了提高产品竞争力，现在国内某公司采用台达20PM运动控制器，利用其高速同步控制技术，以及多种同步控制方式，在高速多线切割机得到很好的应用。

【正文】
一、 设备外观


二、 设备工作原理
















线切割系统的磨削原理是使用自由研磨剂，而非固定的研磨剂，因此往复式切削系统比传统的单向切削系统具有一定的优势。对于同种材料来说，系统可以有更大的行程和线的移动速度，只有通过线的往复运动，才能达到理想的研磨效果。连续的供线系统和旧线回收系统，可以避免线的破损，还可促使线的张紧以保证切削线的刚性，这有利于保持切片精度，同时，最大限度的利用切削线可以有效降低消耗。

图1

　　主轴伺服主轴1:轴1伺服电机通过三角皮带轮带动3个套有切割线的滚筒，通过高速往复运动，对工件进行切割加工;
　　放线伺服从轴2:轴2进行切割线放线，跟随主轴保持速度同步;
　　排线伺服从轴2-1:轴2-1与放线伺服轴2进行绕线往复同步跟随，使切割线均匀绕在放线滚筒上;
　　
　　收线轮从轴3:轴3进行钢丝线收线，跟随主轴保持速度同步;
　　排线伺服从轴3-1:轴3-1与收线伺服轴3进行绕线往复同步跟随，使切割线均匀绕在收线滚筒上;
　　　　下料伺服轴4:轴4通过速度进给方式，进行下料进给;
　　恒定张力:35.0n~40.0n(最小设置单位:0.1n，误差±2n)，张力分辨率0.1，张力控制精度0.5n;
　　切割线往复走线:切割线往复走行速度平均400m/min(最大500m/min)，往复循环次数最大15次/min;
　　工件规格:适用于半导体材料如硅片、陶瓷、玻璃等其它硬脆材料的高速高精度多片切割加工，主要适用于3＂～6＂硅片的高速高精度多片切割加工，每次最大加工数量为400片。


二 工艺要求
最小切片厚度：0.15mm
钢丝运行速度：平均300m/min，最大400m/min。
主切割速度：最大1300r/min
切割张力值：22-25N
张力稳定度：0.5N
工作台速度：0.1-999.9mm/h


三 系统配置

















四 台达控制方案
在图1中的系统，在线实时调整从轴2、3的速度，从而与主轴1保持线速度同步。排线从轴2-1和3-1分别同步跟随从轴2、3的速度与位置，进行均匀往复绕线，

　　主轴伺服通过20PM单段速定位模式控制方式，精确的控制前进的速度及位置，，控制分辨率达到0.001%。使用20PM的单段速定位模式重复2个不同目标值的单段速定位实现正转多、反转少的连续运动达到钢丝从放线棍转移到收线棍的效果。
两个从轴伺服使用20PM的高速手摇轮模式，跟随主切割伺服运动程序中分别使用PI运算依据各自张力编码器的变化动态调整电子齿轮比以保持张力的稳定。
排线伺服使用20PM的正反凸轮模式跟随收线伺服做绕线运动
工作台伺服使用20PM的单段速模式实现慢速的定位运动







如上图分为五个程序，各PM都是EH2的从站，PM数据要先到EH2汇总后，才能传送到其他PM。程序中设定当参数数值发生变化时，才进行EH2和PM之间的数据交换。节省扫描时间和数据交换时间。EH2和PM只能进行“字”的交换，不能直接进行“位”的交换。













系统难点分析





本系统控制的主要难点主要在于张力的恒定控制，在高速运转过程中放卷的外径在不断变小，收卷的外径不断变大，需要动态的改变放卷和收卷的速度以保存张力恒定，这是常规收放卷控制都需要做到的。但是根据前面工艺介绍尤其特别的是在运行中到达一定长度需要高速放卷变收卷，收卷变放卷。在这个过程中下图张力摆臂必须不能有幅度变化。















实现这个主要用到20PM的高速电子齿轮模式，把主轴同步信号通过主轴的20PM分别输出到放线轴和收线轴的A0+,B0+,A0_,B0_,注意由于一个输出同时给两路20PM会驱动能力不够，这里把主轴的FP1+,FP1_,,RP1+,RP1接到放线伺服A0+,B0+,A0_,B0，把主轴的FP2+,FP2_,,RP2+,RP2接到收线伺服A0+,B0+,A0_,B0。
在程序中只需同步输出即可。
现场观察同步输出命令可三轴同时输出，同时到达，不会延迟一个脉波。过去曾经用过用一颗主轴伺服输出分频个放卷与收卷，发现实际滞后比较大。采用这种方法
同步信号可精确。同步信号一旦确定，放卷和收卷的电子齿轮比根据卷径确定后，无论高速低速，正向反向，都实现了张力摆臂的恒定。




关于如何确定放卷和收卷的电子齿轮比，因为放卷和收卷是一直在动态变化的，也是本程序控制一大要点，主要采取了PID的控制方法，由于在放线摆臂和收线摆臂分别接了反映摆臂位置的编码器，根据水平位置设定值与编码器的偏差适时调节
收放线的电子齿轮比。PID算法通过编程实现，采取增量式PID算法。

　　Δu(t) = Ae(t) + Be(t-1) + Ce(t-2)
　　
　　A = Kp(1+T/Ti+Td/T)
　　B = -Kp(1+2Td/T)
C = Kp Td /T

　u(t) = u(t-1) + Δu(t)

u(t);;;;; 控制器的输出值。
　　e(t);;;;; 控制器输入与设定值之间的误差。
　　Kp;;;;;;; 比例系数。
　　Ti;;;;;;; 积分时间常数。
　　Td;;;;;;; 微分时间常数。（有的地方用"Kd"表示）
　　T;;;;;;;; 调节周期。


由公式可以看出，如果控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定 A、B、C，只要使用前后三次测量的偏差值，就可以由上述求出控制量。
以下为20PM相应程序实现














由于PID算法完全自己编写所以具有很大的灵活性，可根据现场
条件加入滤波的选择，系统的动态过程加速，PID增量算法的饱和作用及其抑制等
保证张力快速稳定，从而实现核心控制的稳定。
(1) 滤波的选择
　　可以对输入加一个前置