太陽能電池測試分選設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐超凡，賈京英，王 娟，顏秀文

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長沙410111)

1 測試分選設(shè)備介紹

中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所開發(fā)的Y05-1/UM 型全自動(dòng)太陽能電池測試分選設(shè)備主要用于晶體硅太陽能電池的性能測試和自動(dòng)分選，總體構(gòu)成如圖1 所示。設(shè)備主要由上料臺、電池定位、電池流片、探針測試臺、模擬器、測試系統(tǒng)、電池分檔等幾大部分組成。各部分裝置通過機(jī)械、氣動(dòng)、電氣、控制的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電池片參數(shù)的準(zhǔn)確測試與自動(dòng)分類。

圖1 Y05-1/UM 型全自動(dòng)太陽能電池測試分選設(shè)備

設(shè)備基本工作流程：料盒傳送系統(tǒng)將裝滿電池片的料盒傳送至上料臺，上料臺的升降裝置將電池片頂至合適的位置，通過氣體懸浮分片裝置使盒內(nèi)電池片分離，取料滑臺將料盒頂部的電池抓住并放到傳送帶上，傳送帶上的電池片經(jīng)過位置校正后被準(zhǔn)確傳送至測試臺，測試探針壓住電池片柵線后啟動(dòng)太陽模擬器工作，測試系統(tǒng)通過探針引線將測試數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將處理后的數(shù)據(jù)高速傳遞給分選系統(tǒng)，分選系統(tǒng)接到指令后，根據(jù)用戶設(shè)置的分選規(guī)則，通過前后分料滑臺的真空抓手抓取已經(jīng)測試過的電池片并送至相應(yīng)的儲片盒內(nèi)，完成了一個(gè)周期內(nèi)單片晶體硅電池的測試分選。

2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成

全自動(dòng)化的太陽能電池生產(chǎn)線對設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性提出了很高的要求，對于測試分選設(shè)備來說，必須具備測試準(zhǔn)確、快速、碎片率低、性能穩(wěn)定、操作簡單等特點(diǎn)。2 個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)要求為：

●生產(chǎn)效率：≥1400 片/h

●碎片率：≤3‰（180～330 μm 硅片）

1 400 片/h 的生產(chǎn)率相當(dāng)于每片的分選時(shí)間為2.57 s，即在2.57 s 的時(shí)間內(nèi)分選機(jī)必須完成電池片上料、位置校正、傳送、測試、分檔等一系列的動(dòng)作，由于電池片的厚度僅為180～330 μm，在快速頻繁的動(dòng)作過程中容易破碎，如何在極短的時(shí)間內(nèi)（2.57 s）完成測試分選一系列復(fù)雜的動(dòng)作又保證碎片率≤3‰，對于測試分選設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了很高的要求。

運(yùn)動(dòng)控制的核心為運(yùn)動(dòng)控制器，目前，運(yùn)動(dòng)控制器按結(jié)構(gòu)可分為3 類，一是基于計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線的運(yùn)動(dòng)控制卡，它是利用工業(yè)計(jì)算機(jī)硬件和操作系統(tǒng), 并結(jié)合用戶開發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn), 具有高速的數(shù)據(jù)處理能力；二是基于PLC的運(yùn)動(dòng)控制器, 其優(yōu)點(diǎn)是硬件可靠、開發(fā)周期快、面向工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用；三是基于嵌入式芯片的運(yùn)動(dòng)控制卡, 這種控制卡采用高度集成的運(yùn)動(dòng)控制芯片DSP 或?qū)Ｓ玫倪\(yùn)動(dòng)控制芯片, 其優(yōu)點(diǎn)是可大幅度簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少外部元器件個(gè)數(shù)。

由于可編程控制器(PLC)具有高速的邏輯控制能力，極高的可靠性，方便的功能單元組合，簡便的系統(tǒng)維護(hù)等一系列優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所研發(fā)的Y05-1/UM 型全自動(dòng)太陽能電池測試分選設(shè)備同樣采用了PLC 作為控制核心，因此，其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用了PLC＋運(yùn)動(dòng)控制模塊的方式來搭建。該運(yùn)動(dòng)控制模塊具備1.5 ms 的超高響應(yīng)速度，即可進(jìn)行4 軸獨(dú)立的速度和位置控制，還具有多種直線和圓弧插補(bǔ)功能。能夠很好地滿足測試分選設(shè)備對運(yùn)動(dòng)控制的需求。

圖2 所示為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖。

圖2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)框

由圖可見，測試分選設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括電池升降控制、取料滑臺定位控制、橫向定位控制、縱向定位控制、前夾持定位控制、后夾持定位控制、上探針定位控制、下探針定位控制、前分料X 軸定位控制、前分料Y 軸定位控制、后分料X軸定位控制、后分料Y 軸定位控制、電池傳送定位控制和料盒傳送定位控制共14 個(gè)運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)。各運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)的控制原理和電池升降控制系統(tǒng)相同。

3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件界面

測試分選設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制包括電池升降、取料滑臺、橫向定位、縱向定位、前夾持、后夾持、上探針、下探針、前分料滑臺、后分料滑臺、電池傳送和料盒傳送共14 個(gè)運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)。在人機(jī)界面的設(shè)計(jì)上將其分為4 個(gè)板塊，分別是：

（1）取料板塊：包括電池升降和取料滑臺的控制和參數(shù)設(shè)定；

（2）傳送板塊：包括電池傳送、料盒傳送、橫向定位、縱向定位的控制和參數(shù)設(shè)定；

（3）測試板塊：包括前夾持、后夾持、上探針、下探針的控制和參數(shù)設(shè)定；

（4）分選板塊：包括前分料滑臺、后分料滑臺的控制和參數(shù)設(shè)定。

下面以分選相關(guān)界面為例簡單說明，分選機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)將測試完成的電池片按照設(shè)定的分選規(guī)則自動(dòng)傳送至對應(yīng)的儲片盒中的功能。分選動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)通過分料滑臺來完成，分料滑臺由橫向和縱向（X 軸和Y 軸）兩個(gè)獨(dú)立的電動(dòng)滑臺組合完成。通過兩個(gè)滑臺的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)分料定位的高精度控制。圖3 所示為前、后分料滑臺的硬件連接示意圖。

圖3 分料滑臺硬件組成

軟件設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）滑臺在手動(dòng)和自動(dòng)運(yùn)行時(shí)的速度設(shè)定和控制；

（2）當(dāng)前位置坐標(biāo)顯示和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的顯示，包括兩個(gè)軸各自的CW、CCW 和原點(diǎn)傳感器狀態(tài)的顯示；

（3）滑臺位置精確調(diào)整，包括兩個(gè)軸各自的JOG 運(yùn)動(dòng)控制和運(yùn)動(dòng)指示；

（4）起點(diǎn)位和32 個(gè)分料檔位的坐標(biāo)設(shè)定、存儲、功能測試；

（5）原點(diǎn)復(fù)歸的控制和顯示；

（6）開光量的控制和顯示。

圖4 所示為前、后分料滑臺的軟件界面。

圖4 運(yùn)動(dòng)控制軟件界面

4 PLC 運(yùn)動(dòng)控制程序

4.1 運(yùn)動(dòng)控制原理和流程

PLC 通過編制梯形圖程序?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制的方法和流程見圖5 所示。

①通過執(zhí)行PLC 的CPU 單元中存儲的梯形圖程序，向定位單元發(fā)出動(dòng)作指令。

②定位單元根據(jù)PLC 的指令，從自身存儲器中讀取動(dòng)作所必要的系統(tǒng)參數(shù)、速度參數(shù)和點(diǎn)參數(shù)后，按照這些信息向驅(qū)動(dòng)器發(fā)出脈沖。

③驅(qū)動(dòng)器接受定位單元的脈沖后，輸出信號，驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

④通過電機(jī)動(dòng)作，移動(dòng)對象物體，進(jìn)行定位。

⑤定為單元同步校驗(yàn)由驅(qū)動(dòng)單元發(fā)出的信號及由機(jī)械裝置的停止傳感器及限位開關(guān)等各種傳感器，校驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行的一系列動(dòng)作。

圖5 運(yùn)動(dòng)控制動(dòng)作流程

⑥CPU 單元通過讀取定位單元發(fā)出的信號，校驗(yàn)對象物體的動(dòng)作狀態(tài)

4.2 梯形圖程序編制

通過梯形圖編制運(yùn)動(dòng)控制的部分程序?yàn)椋?/p>

5 結(jié) 論

基于PLC＋運(yùn)動(dòng)控制模塊組成的太陽能電池測試分選設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)已在超過100 臺分選設(shè)備上采用，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過3年，實(shí)踐證明，該系統(tǒng)擁有運(yùn)行穩(wěn)定可靠、定位準(zhǔn)確、控制精度高、故障率低等優(yōu)點(diǎn)。

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