（机械电子工程专业论文）生箔机控制系统的设计与研究.pdf

摘要 在铜箔过程生产中，生箔机传动控制是极其重要的一环，良好的生箔机传动 控制系统可以保证铜箔产品的质量，提高生产效率。本文针对目前国内铜箔生产 设备的控制精度不高，尤其张力控制性能不好等问题进行研究，研发出一套适合 于铜箔生产的控制系统。 首先，通过对铜箔生产线工艺流程、生箔机原理、生产技术性能及工艺参数 进行详细分析，揭示出铜箔厚度、阴极辊速度及收卷辊速度之间的关系，重点探 讨铜箔张力的产生及张力控制对系统的影响，建立张力力学模型及恒张力控制数 学模型，为进行生箔机的控制系统的设计提供理论基础和系统控制依据。 其次，重点研究生箔机的张力控制策略。针对铜箔卷绕张力具有非线性、强 耦合、时变性、强扰动等特点，对铜箔卷绕张力进行动态分析，建立各种扰动量 与张力的数学关系，提出相关扰动补偿策略。其中针对铜箔收卷过程内松外紧的 问题，重点对生箔机的卷绕特性及动态张力模型进行研究，在实际工程中引入锥 度张力控制技术，并在通用锥度张力控制模型的基础上进行简化锥度控制模型， 结合恒张力控制原理建立锥度分段恒张力控制模型，提出生箔机系统张力间接控 制策略。为了实现生箔机张力间接控制策略，采用了一些控制算法。为防止p i d 运算的积分饱和，引入改进的积分分离p i d 控制技术，并在m a t l a b 环境中进 行仿真。在试验过程中表明间接张力控制系统的数学模型基本上能够反映张力控 制的动态过程，采用积分分离p i d 控制算法可以满足生箔机张力控制的性能要 求。然后，设计一套以p l c 为主控核心，以变频器和伺服驱动器为底层控制器， 以变频电机和伺服电机为执行元件，以触摸屏为人机界面的生箔机二级多机控制 系统，具有更好的开放性，自主性和灵活性。通过r s 4 8 5 通信实现对多机驱动 单元的远程控制，提高系统的集成度与可靠性。同时对实现生箔机控制系统控制 功能的软件设计。 最后，针对生在产调试中的一些动态参数调试及功能调试进行描述，重点介 绍p i d 参数整定方法与结果。采用扩充临界比例度法对张力p i d 参数进行整定， 缩短了调试时间、提高了系统精度。在完成张力控制系统的基础上，对张力的静 差率、波动性做了分析，结果表明该控制系统对铜箔生产的要求。 关键词：生箔机，p l c ，锥度张力控制，速度控制 a b s t r a c t t e n s i o nc o n t r o li sv e r yi m p o r t a n tp a r to fp r o c e s sc o n t r o li nt h ep r o c e s so fc o p p e r f o i lp r o d u c t i o n g o o dc r u d ef o i l e n g i n et r a n s m i s s i o nc o n t r o ls y s t e mi m p r o v e s p r o d u c t i o nq u a l i t ya n dp r o d u c t i v i t y o w i n gt ot h el o wc o n t r o la c c u r a c ya n dt h e i n f e r i o rt e n s i o nc o n t r o lp e r f o r m a n c eo ft h ec o p p e rf o i lp r o d u c t i o nd e v i c e ，as u i to f c o n t r o ls y s t e mt of i tc o p p e rf o i lp r o d u c t i o nw a sr e s e a r c h e d f i r s t l y , t h ec o p p e rf o i lp r o d u c t i o np r o c e s sf l o w , t h ec r u d ef o i le n g i n ep r i n c i p l e ， p r o d u c t i o nt e c h n i q u ep e r f o r m a n c ea n dt e c h n i c sp a r a m e t e rw e r ed e t a i l e d l ya n a l y s e d f o rr e v e a l i n gt h er e l a t i o no fc o p p e rf o i lp l y , c a t h o d er o l l e rv e l o c i t ya n dw i n d i n gr o l l e r v e l o c i t y t h ec o p p e rf o i lt e n s i o na r i s i n ga n dt h ei m p a c to ft e n s i o no nt h es y s t e mw e r e s t r o n g l yd i s c u s s e df o rs e t t i n gu pt e n s i o nm e c h a n i c sm o d e la n dm a t h e m a t i c a lm o d e lo f c o n s t a n tt e n s i o nc o n t r 0 1 t h o s ep r o v i d e dt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na n ds y s t e mc o n t r o l b a s i sf o rf u r t h e r d e s i g n i n gt h ec r u d ef o i le n g i n ec o n t r o ls y s t e m s e c o n d l y , t h et e n s i o nc o n t r o lo fc r u d ef o i le n g i n ew a sf o c u s e dt or e s e a r c h t h e d y n a m i ca n a l y s i so fc o p p e rf o i lw i n d i n gt e n s i o nw a sd o n e ，f o rw h i c hh a san o n - l i n e a r , s t r o n g c o u p l i n g ，t i m e v a r y i n g ，s t r o n gd i s t u r b a n c e s ，s u c ha sc h a r a c t e r i s t i c s m e a n w h i l e ， t h em a t hr e l a t i o n s h i pb e t w e e na l lk i n d so fd i s t u r b a n c ea n dt e n s i o nw a ss e tu pa n da l l k i n d so fd i s t u r b a n c ec o m p e n s a t i o ns t r a t e g yw a sp u tf o r w a r d t a r g e t e da tw i n d i n g c o p p e rf o i ll a y e r sl o o s ei n s i d ea n dt i g h to u t s i d ei nt h ea c t u a lc o p p e rf o i lp r o d u c t i o n ， w i n d i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dd y n a m i ct e n s i o nm o d e lo fc r u d ef o i le n g i n ew e r e f o c u s e do na n dt a p e rt e n s i o nc o n t r o l t e c h n o l o g yw a si n t r o d u c e di np r a c t i c a l e n g i n e e r i n gf o rp r e s e n t i n gi n d i r e c tt e n s i o nc o n t r o ls t r a t e g yo fs y s t e m b a s e do n g e n e r a lt a p e rt e n s i o nc o n t r o lm o d e lt a p e rc o n t r o lm o d e lw a ss i m p l i f i e d ，w h i c h c o m b i n e dw i t ht h ep r i n c i p l eo fc o n s t a n tt e n s i o nc o n t r 0 1 t h et a p e rs u b - m o d e l o f c o n s t a n tt e n s i o nc o n t r o lw a sf o u n d e d i no r d e rt oa c h i e v ei n d i r e c tt e n s i o nc o n t r o l s t r a t e g y , an u m b e r o fc o n t r o l a l g o r i t h m sw a su s e d t op r e v e n tt h ei n t e g r a l a c c u m u l a t i o no fp i dc o m p u t i n gr e s u l t ，t h ei n t e g r a ls e p a r a t e dp i dc o n t r o lt e c h n o l o g y w a su s e d ，w h i c hw a sv a l i d a t e di nm a t l a bs i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t i nt h ec o u r s eo f t h ee x p e r i m e n ts h o wt h a tt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fi n d i r e c tt e n s i o nc o n t r o ls y s t e m c a nb a s i c a l l yr e f l e c tt h ed y n a m i cp r o c e s so ft e n s i o nc o n t r o l ，t h ei n t e g r a l s e p a r a t i o n p i dc o n t r o la l g o r i t h mc a nm e e tt h et e n s i o nc o n t r o lp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s t h e n , as e to fc r u d ef o i le n g i n ec o n t r o ls y s t e m 研t hb e t t e r o p e n n e s s ，a u t o n o m ya n d f l e x i b i l i t yw a sd e s i g n e d ，i nw h i c hp l c a st h ec o n t r o lc o r e ，i n t e r v e r sa n ds e r v od r i v e r s a sb o r o m c o n t r o l l e r , f r e q u e n c yc o n v e r s i o nm o t o ra n d s e r v om o t o rf o rt h e i i i m p l e m e n t a t i o no fc o m p o n e n t s ，t o u c hp a n e l 硒h m i r s 4 8 5c o m m u n i c a t i o nw a s u s e dt oa c h i e v er e m o t ec o n t r o lt od r i v eu n i t s ，w h i c hi m p r o v e dt h es y s t e mi n t e g r a t i o n a n dr e l i a b i l i t y m e a n w h i l e ，t h es o f t w a r ed e s i g no fc r u d ef o i le n g i n ec o n t r o ls y s t e m w a si n t r o d u c e d ，i no r d e rt oa c h i e v ec o n t r o lf u n c t i o n s f i n a l l y , an u m b e ro fd y n a m i cp a r a m e t e r sd e b u g g i n ga n df u n c t i o n sd e b u g g i n g w e r ed e s c r i b e di nt h ep r o d u c t i o nd e b u g g i n g ，e s p a c i a l l yt h ep i dp a r a m e t e r st u n i n g m e t h o da n dr e s u l t s i nt h ep a p e r , t h ee x p a n dc r i t i c a lp r o p o r t i o nm e t h o dw a su s e dt o s e t t i n gt e n s i o n - t u n i n gp i dp a r a m e t e r s ，w h i c hs h o r t e n e dt h ed e b u gt i m ea n di m p r o v e d t h es y s t e ma c c u r a c y a f t e rt h ec o m p l e t i o no ft e n s i o nc o n t r o ls y s t e m ，s t a t i ce r r o rr a t i o a n dw a v ep r o p e r t yw e r ea n a l y s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o ls y s t e mi sm o r e a d a p t i v et ot h ec h a n g eo fc o p p e rf o i lr o l ld i a m e t e r k e y w o r d s ：c r u d ef o i le n g i n e ，p l c ，t a p e rt e n s i o nc o n t r o l ，v e l o c i t yc o n t r o l i i ! 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：纽日期逊刁 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 日期：塑拦习 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文研究的目的及意义 随着电子信息产业的迅速发展，多层印制电路板的层数越来越多，印制电路 也越来越密集和精细化，这就要求作为印制电路板导电材料的电解铜箔不但要越 来越薄，而且各项物理化学性能也越来越高。因此，适用于1 0 层以上多层印制电 路板的、以厚度1 2 u r n 为代表的超薄铜箔( 包括6 u m 和9 u m 铜箔) 将成为今后铜箔技 术研究的重点和市场需求的热点。 目前，国外尤其是日本已经能够批量生产1 2 u r n 超薄电解铜箔，而我国对此 研究则刚刚起步，在国外对中国封锁技术，国内该产品尚属空白的情况下，研究 和开发超薄铜箔成为当务之急。为此，抓紧对1 2 u r n 等超薄铜箔的研究和开发并 实现产业化，以使我国电解铜箔产品能够持续发展，适应电子信息产业发展需求。 基于国内p p c b 用电解铜箔工业发展现状和市场供需现状及趋势，我国p c b 用电解铜箔工业要想在以后立足国内外市场，就必须提高技术、生产高品质高档 铜箔( 1 2 u r n 以下的薄箔型铜箔) 。这样，才能适应市场的发展，才能提高竞争力。 江西铜箔集团分公司看到了目前p c b 用电解铜箔工业发展现状及趋势，决定投资 研发一套能够生产出高品质高档次( 5 u m - 3 5 u m ) 铜箔的高自动化电解铜箔生产 线，并且针对该公司目前铜箔生产线中生箔机在收卷过程中存在铜卷内松外紧， 甚至菊芯褶皱的情况进行研究并解决问题。 要生产出不同厚度的铜箔，尤其是生产极薄( 5 1 2 u m ) 的铜箔，且要保证厚 度均匀，除了要求有先进的工艺技术外，还必须配有先进高自动化的电控系统。 所以，对铜箔生产控制系统的研究是电解铜箔生产中的一个重要的课题。 在铜箔生产控制系统中，要实现控制铜箔厚度及其均匀，主要是通过对阴极 辊、收卷辊速度的控制，其实质是卷绕张力的控制。因此，对生箔机控制系统的 研究关键是对铜箔卷绕张力控制系统的研究。 本论文研究的目的是研究和解决相关问题，尤其解决在铜箔生产线的收卷过 程中的铜卷内松外紧甚至褶皱的问题，并建立一套能生产出5 3 5 u m 厚度且厚度 均匀的高档电解铜箔的生箔机控制系统。 本论文研究的主要是基于p l c 与变频器技术的生箔机控制系统。对该控制系 统的研究具有重要意义：一方面生箔机的总体控制方案以适应设备的结构、工作 原理为基础提出的，这些方案是在总结目前广泛使用的相似生产线或生产设备的 控制方案的基础上，取长补短提出的。为以后人们对生箔控制系统的进一步研究 武汉理工大学硕士学位论文 和应用提供了思想方法和理论依据，同时也为生箔控制系统及相似生产线或生产 设备的控制方案的迸一步设计开发和改进提供了新的思路。尤其是其中一些改进 的张力控制方法，给人们新的思考。p l c 与变频器的控制系统通过串行总线方式 连接成整体，它们之间以总线通信方式实现指令、信息和数据的共享与交互，提 高了控制系统的自主性和灵活性，该系统容易配以人机界面，实现人机交互。为 以后的生箔控制系统及相似生产线或生产设备的控制方案的更智能化设计提供 了可靠的技术支持。 另一方面基于p l c 与变频器技术的生箔控制系统的设计与应用，有利于改善 我国铜箔生产线的控制系统，为铜箔的生产提供了更先进的生产控制技术，有利 于提高铜箔的产品质量、提高生产效率，有利于促进铜箔产业的发展、提高国际 竞争力。同时，该系统的研究也丰富了控制技术理论，对于深入理解和掌握这种 生箔控制系统及相似生产线( 如薄膜生产线和造纸生产线) 或生产设备的控制系 统具有积极的现实指导意义。 1 2 论文研究目标及主要研究内容 本文力求结合铜箔生产线的生产工艺及控制要求，揭示铜箔的厚度、阴极辊 线速度、收卷辊线速度及张力之间的关系，提出张力控制方案和速度控制方案， 利用p l c 和变频器相结合的技术，设计出一套可靠性高、稳定性高、控制精度高、 灵活性强的高自动化与智能化生箔机控制系统。 本文主要是对生箔机控制系统进行研究，以其中的速度控制、铜箔厚度控制 及张力控制等关键控制技术为主线展开研究工作，具体内容如下： 第l 章，主要分析总结生箔机控制系统的发展状况及存在的问题。 第2 章，通过对铜箔生产线工艺流程、生箔机原理、生产技术性能及工艺参 数进行详细分析，揭示出铜箔厚度、阴极辊速度及收卷辊速度之间的关系，重点 探讨铜箔张力的产生及张力控制对系统的影响，建立张力力学模型及恒张力控制 数学模型，为进行生箔机的控制系统的设计提供理论基础和系统控制依据。 第3 章，重点研究生箔机的张力控制策略。针对铜箔卷绕张力具有非线性、 强耦合、时变性、强扰动等特点，对铜箔卷绕张力进行动态分析，建立各种扰动 量与张力的数学关系，提出相关扰动补偿策略。其中针对铜箔收卷过程内松外紧 的问题，重点对生箔机的卷绕特性及动态张力模型进行研究，在实际工程中引入 锥度张力控制技术，并在通用锥度张力控制模型的基础上进行简化锥度控制模 型，结合恒张力控制原理建立锥度分段恒张力控制模型，提出生箔机系统张力间 接控制策略。 第4 章，设计一套以p l c 为主控核心，以变频器和伺服驱动器为底层控制 器，以变频电机和伺服电机为执行元件，r s 4 8 5 为总线，以触摸屏为人机界面 2 武汉理工大学硕士学位论文 的生箔机二级多机控制系统，具有更好的开放性，自主性和灵活性。同时完成对 实现生箔机控制系统控制功能的触摸屏设计和软件设计。 第5 章，重点研究r s - 4 8 5 串行通信。通过r s 4 8 5 通信实现对多机驱动单 元的远程控制，提高系统的集成度与可靠性。 第6 章，进行试验调试与分析。针对生在产中的一些动态参数及功能进行调 试，重点介绍p i d 参数整定方法与结果。采用扩充临界比例度法对张力p i d 参 数进行整定，缩短了调试时间、提高了系统精度。在完成张力控制系统的基础上， 对张力的静差率、波动性做了分析，结果表明该控制系统对满足控制要求。 第7 章，总结本论文的研究成果，展望这项研究工作的发展方向及应用领域。 1 3 论文研究背景及发展现状 1 3 1 铜箔工业生产现状 广义上的铜箔是指厚度不大于0 1 5 m m 的纯铜及铜合金加工产品。印制电路 板用的导体一般都是制成薄箔状的精炼铜，即狭义上的铜箔。根据铜箔生产方法 的不同一般可分为电解铜箔与压延铜箔两类。压延铜箔大多数用作建筑装饰材 料：电解铜箔9 5 以上用于印制电路板基材的制造。 电解铜箔是通过专用电解机，在圆形阴极滚筒( 一般为一光亮不锈钢鼓形电极) 上，通过电解作用，使硫酸铜( c u s 0 4 ) 电解槽中的铜离子析出成型，其初产品亦 称为毛箔。紧贴阴极滚筒面的毛箔为箔的光面( 通常称为s 面) ；毛箔的另一面呈 凹凸形状的结晶组织结构，为箔的毛面( 通常称为m 面) 。毛面需要继续进行粗化 处理等加工工续。由于电解铜箔属柱状结晶组织结构，所以多用于刚性印制电路 板的生产制造【l 】。目前，电解铜箔技术主要用的是辊式连续生产技术。 从生产角度考察，日本是当前世界铜箔产量最大的国家，东南亚地区( 中国大 陆、中国台湾、马来西亚，但不包括日本) 次之，再次为欧洲与美国。世界范围 内生产规模与生产技术居前的几乎皆为日本公司或者由日资控股的美国公司，它 们分别是三井金属矿业株式会社、日本能源( 原日矿n i k k og o u l d ) 、古河电工 ( f u r u k u w a ) 、日本福田金属箔粉工业公司( f u k u d a ) 。 就需求量而言，由于我国p c b i 业迅猛发展而引发的对于覆铜箔基板材料 ( c c l ) 需求的大幅度攀升，使得东南亚地区成为当前世界上p c b 用铜箔需求量最 高的地区。按需求品种划分，目前市场上需求量最大的是1 8 u m 与3 5 u m 规格的铜 箔产品，但随着电子工业和多层印刷电路板技术的发展，更薄的铜箔( 1 2 u m 及 1 2 u r n 以下) 需求量在迅速增加。 就技术水平而言，美国掌握尖端技术、日本垄断生产技术。尖端铜箔产品的 研究开发能力以美国最强，如g o u l d 及y a t e s 公司都有相当一批研究开发人员，但 3 武汉理工大学硕士学位论文 是由于美国的这些铜箔企业都直接或者间接地为日本公司所控制，所以目前日本 公司在铜箔的批量生产及整理技术等方面都有相当的优势。 就产品发展方向而言，随着电子产品的小型化、多功能化以及s m t ( 表面组 装工艺) 的迅速发展，作为与印刷电路技术发展相适应的重要原材料，电解铜箔 势必向下述几个方面发展：1 ) 铜箔的薄箔化。下游产业对5 u m ，9 u m ，1 2 u r n 等规格 的铜箔需求量在增加。2 ) 铜箔m 面的低粗化。3 ) 铜箔性能多样化。发展低峰谷 铜箔、高温时高延伸性铜箔、双面处理铜箔、耐热铜箔等类型铜箔，以适应印制 电路板对铜箔性能提出的更高要求。 1 3 2 国外电解铜箔工业发展现状 目前国际上生产铜箔设备的有英国阿斯比诺公司，其直径2 7 0 0 m m 的生箔 机采用无缝旋压阴极辊，日本住友、日本不锈钢公司生产焊接阴极辊生箔机，目 前这两家公司几乎占领了8 5 以上的铜箔设备市场，这几家公司在设备生产技术 和生产线上的使用工艺已非常成熟。在后处理机的生产技术上，日本已达到 3 0 m m i n ，是当前世界上处理速度最高的机列。在导电结构上，日本己率先用了 导电油结构，而美国耶兹公司( 采用英国阿斯比诺设备) 仍采用碳刷结构。 国外电解铜箔制造商，主要是美国和日本的各大铜箔公司( 如美国的高尔德 箔公司、耶茨公司、奥林公司；日本的日矿公司、福田金属箔粉公司、三井金属 矿业公司、古河线路箔公司) 都相继开发了多项技术。这些技术包括：提高铜箔 抗热氧化变色( 锈蚀) 性能的表面处理技术，表面粗糙度( 峰谷度) 低、延展性 好的铜箔制造技术，宽度和长度上厚度均匀一致的铜箔生产技术等。均能生产出 厚度为5 1 0 5 u m 的铜箔产品1 2 j 。 国际上铜箔生产主要由日本控制。近几年日本各公司也都纷纷向海外发展， 如日本三井公司在台湾、马来西亚、法国、美国都有分厂；日矿( 日本能源) 公司 在美国、德国、菲律宾都有分厂；古河公司在美国、卢森堡、台湾有分厂；福田 公司在英国、中国设有分厂1 3 。 在日本p c b 业中，采用极薄铜箔( 1 2 u m 及1 2 u m 以下) 代替原采用的1 8 3 5 u m 铜 箔制作高密度多层板电路层的势头迅速的增加。日本在极薄铜箔的制造技术方面 也有很大的发展，日本三井金属矿业公司在全世界率先开发成功3 5 u m 的极薄铜 箔。在极薄铜箔技术方面，除了保证这种铜箔的性能、品质外，它的载体的制造 技术也是很重要的制造技术方面。在载体的种类上，日本铜箔制造厂家已在近期 开发薄膜型载体，以代替传统的金属( 多为铝箔或铜箔的载体) 载体，使得在应用 极薄铜箔制造p c b 更加方便，更加保证质量，提高产品合格率。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 3 我国电解铜箔工业发展现状 目前我国电解铜箔产业具有如下特点：1 ) 电解铜箔行业总体上还处于供不 应求的状态，但中低档铜箔已有供大于求的趋势。2 ) 中、低档电解铜箔的价格 基本稳定在4 0 0 0 0 - - 5 0 0 0 0 ：元吨，高档次、薄箔型铜箔的价格可达至u g o o o o 元吨以 上。3 ) 产品结构单一，新产品的研制与开发还跟不上印制电路板行业的发展需 要，薄箔型铜箔的供需矛盾犹为突出。4 ) 具有自主核心技术的电解铜箔企业少。 1 3 3 1 生产技术水平 2 0 世纪9 0 年代中后期，我国电解铜箔企业由于实施技术改造，加强与国外铜 箔企业交流与合作，或引进国外先进的铜箔生产技术与设备图纸，或全套引进国 外技术装备，或与国外企业合作经营，使电解铜箔在产量规模迅速扩大的同时， 技术水平和品种、质量有明显提高，部分企业已能生产1 8 u m 以下铜箔并进入国 际市场，1 2 u m 锂电池用电解铜箔等特殊性能铜箔也成功开发投入市场。但总体 而言，我国内资电解铜箔企业在生产技术上与国际先进水平差距较大，反映在品 种和质量方面的差距就更明显。这种差距主要表现在：1 ) 品种单一：只能从事 技术含量较低的常规电解铜箔生产，高附加值、高技术含量产品无法生产。2 ) 质量一致性差：由于受工艺人工控制、设备水平精度差等影响，其档次只能处于 中低档水平。3 ) 研发能力低下：目前只有少数企业进行模仿性产品开发，鲜有 中国企业在全球首先推出电解铜箔新品种。4 ) 开发投入不足：电解铜箔是技术 密集型产品，常规的开发投入难以满足新产品、新工艺的研发需求，长此以往， 使电解铜箔生产企业很难跟上国外同行的发展步伐，进而使企业缺乏发展后劲。 5 ) 国内装备配套能力不足：高档电解铜箔生产装置制造涉及到精密机械、自动 化、化学、电化学、材料学等学科，国内电解铜箔设备制造企业很难综合这些学 科的成就，造出符合电解铜箔生产企业需求的电解铜箔专有装置，导致我国高档 电解铜箔装置受制于人。6 ) 国外对高档电解铜箔技术出口采取封锁政策：发达 国家不但禁止高档电解铜箔工艺技术出口，而且禁止高档电解铜箔生产设备技术 出口，使我国本土企业依赖购买技术提升企业技术水平的梦想难以实现。7 ) 电 解铜箔倾销的压力：电解铜箔虽然为高技术产品，国外同行为遏制中国电解铜箔 产业的发展，经常采用低于成本价的倾销手段打击我国新兴电解铜箔产业，使我 国电解铜箔产业元气大伤。 目前，国内p c b 用铜箔的生产皆指电解铜箔的生产，其生产企业有近2 0 家， 其中以铜箔为其主打产品或者掌握相当水平生产技术、具备较大生产能力的生产 企业有1 4 家。国内电解铜箔生产技术水平最高的当属苏州福田金属有限公司，可 以批量生产1 2 u m 高档电解铜箔以及高温高延展性铜箔产品。根据已有文献资料 5 武汉理工大学硕士学位论文 的整理归纳，目前已有9 家企业掌握1 8 n m 铜箔技术。我国主要铜箔生产企业技术 水平如表1 1 所示。 表1 一l 我国主要铜箔生产企业技术水平 企业名称可达到的产品技术水平 技术来源 苏州福田金属有限公司1 2 u m 7 0 u m 高温高延展性铜箔日本福田 联合铜箔( 惠州) 有限公司 1 8 u m 美国y a t c s 合正铜箔( 惠阳) 有限公司 1 8 u m 台湾 招远余宅电子有限公司1 8 7 0 u m自行开发研制 本溪合金有限责任公司1s u m 5 0 u m自行开发研制 九江市电子材料厂 1 8 u m 安徽省铜陵市铜化集团公司18 u m 3 5 u r n美国g o u l d 铜箔厂 铁岭铜箔厂 1s u m 3 5 u r n美国c b i 上海金宝铜箔有限公司 1 8 u m美国m t i 但目前国内1 8um 及其以下厚度高档电解铜箔的产能和产量都远远满足不了 迅猛发展的覆铜板行业的需求，必须依靠进口来满足覆铜板企业和印制板行业的 生产，现状要求必须迅速发展我国的高档铜箔工业。 近几年一些国内企业在自主研发的基础上纷纷引进了国外成熟的技术及设 备，但是由于生产中的过程管理、质量控制、检测水平以及国产电解铜原料等方 面的局限性使得产品质量的稳定性不高，一般仅相当于美国i c p 标准中的i 级铜 箔，而目前高品质的c c l 往往使用i i 、i i i 级铜箔，所以产品的市场竞争力较弱， 产品综合性能有待进一步提高。 1 3 3 2 高技术含量 现有较大规模的电解铜箔生产企业大都发展于九十年代初、中期，这些企业 直接引进世界先进铜箔生产技术，起点都比较高，无形中已抬高了该产业后续进 人者的门槛。此外部分国内企业或者通过自主研究开发，或者通过引进先进技术 也已掌握了1 8 u r n 铜箔技术。但是目前大部分企业生产的高档铜箔的在品质的稳 定性及技术指标等方面与进口的同类型产品还有一定的差距，所以高品质、高档 次的1 2 u m 1 s u m 铜箔产品仍是下一轮发展的重点。其品质性能要求的高档次主要 表现在以下几个方面：1 ) 具有高温下的高延展性。2 ) 低粗糙度的新型铜箔。3 ) 高表面清洁度的铜箔。4 ) 高性能表面粗化处理铜箔。 1 3 3 3 强市场竞争力 目前，印制电路板电解铜箔的供需逐渐趋于平衡，2 0 1 0 年将出现生产能力大 于需求的局面。届时，如果国内的铜箔产品仍无法立足于国际铜箔市场、加大产 6 武汉理工大学硕士学位论文 品出口力度，则会导致国内铜箔市场的激烈竞争。 1 3 3 4 大生产能力 电解铜箔产业正处于市场成熟期，原有生产企业纷纷通过扩大生产能力和提 高产品档次来保证市场竞争力，所以在目前状态下要成功进人电解铜箔产业，必 须提高企业的进人起点，产品档次以1 2 u m 以下的薄箔型铜箔及高档次的1 8 u r n 产 品为主，设计生产能力以5 0 0 0 吨为宜。尤其是近年来随着电子工业的高速发展， 印制电路板用量越来越大，特别是多层电路板的发展更是日新月异。目前国际市 场对p c b 的需求每年以8 左右的速度递增。 1 3 4 国内外张力控制技术的发展概况 张力控制系统是现代工业中广泛应用的控制系统之一。在造纸、塑料、纺织 和轧制等工业中，对线状、带状及面状材料卷取张力的控制都是非常重要的。 早期的张力控制系统，一般都是以模拟器件为主，系统复杂，调试困难，可 设置选项少，系统的可靠性较差，在进行实时运算时的计算精度很低，使系统的 控制精度低，动态补偿效果差，系统的控制精度不高，不能满足产品日益增长的 高精度要求。随着电力电子技术，计算机实时控制技术，检测技术的发展，全自 动张力控制系统逐渐由模拟控制转向数字化控制，并从单纯的单机单路控制转向 一机多路控制，全面采用单板机、可编程序控制器( p l c ) 控制，目前以大规模集 成电路，彩色液晶显示，多层菜单操作为主。 近年来，张力控制系统结合了最新的电力电子技术，检测技术，数字控制技 术于一身，向着多功能，一体化，产品系列化的方向发展。相对来说，国外张力 控制系统设备不仅对于卷取过程中张力有严格精确的控制，而且对于初始建立张 力、抛尾过程张力都有较好的控制，并且有友好的人机界面，完善的功能，如缓 冲启动，防松卷功能、手动自动控制、模式选取、控制参数的保存和调用、自 诊断模式、多种通讯接口等，但是价格却相对昂贵。国内的张力控制系统基本停 留在手动随机、随时控制的水平上，有部分采用模拟检测、模拟放大控制输出的 产品，可控性和人机界面差，控制精度不高，迫切需要更新换代。 工业实际生产过程中的张力控制是一个大时变、非线性的系统，具有变参数、 变负载、强扰动等一系列特点1 4 j 。 国内学者自8 0 年代开始对张力控制技术展开研究。其主要针对具体设备或相 关研究课题的特点，采用模糊p i d 控制算法、自适应p i d 控制算法等1 5 儿酬。目前， 国外高速、高精度的张力控制系统在实时性、可靠性方面，己经达到产品化阶段。 但公开发表的资料对涉及核心技术的问题所谈甚少。许多涉及机电系统张力控制 的技术细节，例如控制算法、建模技术、滤波技术、补偿技术、扰动控制技术等 7 武汉理工大学硕士学位论文 方面内容，均作为核心技术保密。对机电系统张力控制问题我们缺乏详细的技术 资料和理论研究。 在s a k a m o t ot e t s u z o 的文章中提到，张力控制是一个大时变、非线性的系统， 具有多输入、多输出、强耦合、强扰动等一系列特点i | 丌。针对这些特点，现在采 用的主要有传统的p i d 控制算法、模糊控制算法【8 】【9 1 、神经网络控制算法【1 0 】以及 改进的p i d 算法【1 1 】【1 2 l 【1 3 】，比如基于免疫p i d 的控制算法【1 4 1 、基于遗传算法的p i d 控制算法【1 5 】等。对于开环张力控制系统，有一种解算式控制算法【1 6 】，这种算法 不需要张力传感器，根据张力与半径、转矩之间的关系，通过检测卷材的半径， 利用控制器的运算功能实现张力控制。另外，v a l e n z u e l am a n i b a l 在文章中提到 另一种无传感器的张力控制算法【1 7 1 ，不需要在卷材传动过程中添加额外的导辊， 且其精度高于间接速度控制方案，而价格则低于有张力传感器方案。 韩国昆山科技大学的l i n 等人用试验的方法证明系统启动时由解卷惯量引起 张力增加，采用用角速度来计算辊惯量，提出一种基于观测器反馈控制法来降低 张力增加量【1 8 】。张力观测器是基于辊的力矩平衡原理，包括加速力矩。通过仿 真和试验结果证明了这种张力控制器的有效性。美国卡耐基梅隆大学的m a t h u r 等人针对在张力控制方法设计中高速线生产时摩擦是一个重要的问题，使用一种 试验误差方法来确定库仑摩擦力的大小【1 9 】。 法国斯特拉斯堡第一大学的k n i t t e l 等人提出了一种h o o 鲁棒控制策略来解决 线张力和速度的耦合1 2 0 。用一种带有圆滑时序控制器的线性参数变化控制和不 同增益的h o o 鲁棒控制策略相结合来提高由于速度变化带来的扰动和半径及惯 量变化引起的系统的鲁棒性。 日本丰桥科技大学的i m 锄u r a 等人设计了一种碳纤维张力控制系统【2 。该系 统使用交流伺服电机作为执行件，采用了在芯模上使用力矩伺服控制和使用芯模 与夹辊部分的速差来进行张力控制的两种控制方法，使用了p i d 或i - p d 控制策略， 并用环爆破试验来检测张力控制的有效性。采用刚性芯模、缠绕层为1 层的试验 条件下，稳定状态时的张力波动率小于5 。 新加坡南洋理工大学的l u o 等人和哈尔滨工业大学的王春香 2 2 】采用了 b p ( b a c kp r o p a g a t i o n ) 网络学习算法，分别应用在金属膜涂层机张力控制和纤维张 力控制器上，实验结果表明控制效果良好。b p 网络由一个输入层，一个输出层 及若干隐含层组成。一个输入信号先前向传播到隐层节点，经过激励函数后，再 把隐节点的输出信息传播到输出节点，最后给出输出结果。在学习过程中，如果 在输出层不能得到期望的输出，则转入反向传播，将误差信号沿原来通路返回， 并通过修改各层神经元的权值，使得误差信号不断减小，最终达到要求，该方法 有效的减弱了张力控制系统中速度和张力之间的藕合作用。 8 武汉理工大学硕士学位论文 文献 2 3 】采用了模糊控制方法，其工作原理是采用张力传感器将测得的张力 信号转换成电信号，经过a d 转换成数字量后输入计算机，与事先设定的张力给 定值进行比较，所取得的偏差e 与偏差变化率e 再经过模糊控制器，即经过一套模 糊控制算法，获得所需的控制量u ，再经过d a 转换，控制变频器的输出电平， 以调节电机的转速，最终达到控制纺纱张力的目的。文献 2 4 】检测的不是张力， 而是检测放料辊轴直径d ，由特定的公式算出所要求的电源信号频率值，根据此 频率来控制变频器，进而调整电动机转速为恒定，从而保持纱线张力恒定。 文献 2 5 1 采用直流电机作为执行机构，在保持线速度和其它参数不变的情况 下，调节发电机的励磁电流来控制张力恒定。文献 2 6 1 分析了卷绕过程中影响卷 绕线速度变化的主要因素：卷径的变化和送料线速度的变化，采用了直接张力闭 环控制，将检测到的张力信号与给定张力信号比较后，经调节器产生脉宽调制信 号来控制伺服电机的转速，以维持线速度差恒定，从而也控制张力恒定。文献 2 7 】 介绍了直接张力控制法和间接张力控制法相结合的一种控制方法，在系统中使用 了张力传感器，同时为了提高控制精度，在电机基速以上，采用复合控制，在基 速以下采用最大力矩控制，这样就使磁通、电枢电流与卷径的比值( 或电枢电流、 磁通与卷径的比值) 保持恒定，从而保持张力恒定。文献 2 8 】介绍了速度控制和 张力控制的设计思想，速度控制是用检测末端电机线速度来控制收卷线速度，使 速度差恒定，张力控制采用的仍然是最大力矩控制法来实现恒张力控制。文献 2 9 介绍了一种张力控制系统，执行器件是磁粉制动器和磁粉离合器，控制思想 是通过检测角速度来计算卷径的变化，从而来改变制动器的励磁电流，达到控制 恒张力的目的。 总之，在张力控制系统的研究中，国内外学者主要针对张力控制系统做了两 个方向的研究工作，其中一个方向主要是对张力控制算法进行研究，主要是采用 些改进的p i d 控制算法，模糊控制算法、神经网络控制算法等。模糊控制算法无 需建立精确地数学模型，但容易产生振荡，稳态精度不高；神经网络控制算法可 以不依赖受控对象的数学模型，适用于任何不确定系统，且不需要先验知识，具 有自适应，自学习的能力以及适用于非线性系统的优点，但自学习过程较慢，易 于陷入局部极小点。模糊自适应控制算法对动态参数的变化有较好的适应性和鲁 棒性，但算法复杂，运算量大占用存储空间大，一般的工业控制计算机如p l c ， 其储存容量和计算速度都无法满足实时控制需要。改进的p i d 控制算法具有超调 小，稳态精度高等优点，但单一的p i d 参数对受控对象的动态参数变化的适应性 不好。另一个方向是对硬件传动控制系统设计及张力控制模型进行研究。采用的 执行机构主要有直流电动机、交流电动机、磁粉制动器及磁粉离合器等。磁粉制 动器一般用于低张力的小规模系统中，主要采用磁粉制动器和磁粉离合器进行转 9 武汉理工大学硕士学位论文 矩控制，这种控制方式具有运行可靠，控制简单的优点，同时也有运行发热量大、 磨损严重、控制精度差等缺点；直流电机控制方案由于其调速性能好，控制简单， 调速范围广，易于平滑调节，在部分张力控制系统中得以应用，但是传统的直流 调速控制方案因直流电机本身换向器和电刷的故障率较高，从而严重影响生产效 率；且力矩特性差、功率也受限制：交流电动机控制方案由于控制矢量控制技术 的提出和实现，使交流调速系统具有宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精 度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面 可以与直流电力拖动媲美。变频调速系统自身损耗小，工作效率高；电机总