吉 堅(jiān)，楊麗紅

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

鋰電池焊接預(yù)壓力閉環(huán)控制

吉 堅(jiān)，楊麗紅

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

上海某公司生產(chǎn)鋰電池自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)調(diào)試投產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)焊接質(zhì)量逐漸變差，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)焊接時(shí)的預(yù)壓力是引起焊接質(zhì)量變化的原因。為保證焊接時(shí)有穩(wěn)定的預(yù)壓力，對(duì)預(yù)壓力采用PID閉環(huán)控制。在控制系統(tǒng)安裝壓力傳感器，將壓力值傳送給PLC，PLC根據(jù)反饋值控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，以獲得合適的預(yù)壓力。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試后，電焊機(jī)獲得了穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。

鋰電池；PLC；PID閉環(huán)控制

在國(guó)家政策的推動(dòng)和市場(chǎng)的需求引導(dǎo)下，各大汽車(chē)公司相繼推出了混合動(dòng)力汽車(chē)電動(dòng)汽車(chē)，以此應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題。汽車(chē)的特點(diǎn)要求電池具有能量密度大、充放電快速、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，鋰電池首當(dāng)其沖，成為各大汽車(chē)廠商競(jìng)相研究的對(duì)象。

電池PACK的焊接作為鋰電池PACK的重要工序。鋰離子電池PACK從研發(fā)、制造到投入使用，核心技術(shù)有兩部分：(1)鋰電池PACK保護(hù)板的研發(fā)；(2)電池之間的串并聯(lián)，即焊接技術(shù)。不同鋰電池電芯的正負(fù)極通過(guò)搭接連接片的形式串、并聯(lián)，組成電池包為電動(dòng)類(lèi)產(chǎn)品提供能源。鋰電池PACK生產(chǎn)中焊接對(duì)象(即鋰電池電芯的正負(fù)極端蓋和鎳片)均為薄板構(gòu)件，焊接要求焊接熱量合適(焊接熱量不夠,連接不牢固容易形成虛焊，熱量過(guò)多,容易焊爆同樣影響外觀和強(qiáng)度)易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等。在類(lèi)似焊接要求中，常見(jiàn)的焊接方法有激光焊、電阻焊等。電阻焊接的方法是通過(guò)壓力使待焊件接觸而產(chǎn)生接觸電阻，電流通過(guò)產(chǎn)生焦耳熱融化待焊件完成焊接過(guò)程。電阻焊的特點(diǎn)是無(wú)須填充物、效率高、成本低、生產(chǎn)環(huán)保、便于集成，目前國(guó)內(nèi)外各種自動(dòng)化電阻焊接設(shè)備發(fā)展迅速，廣泛運(yùn)用于自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)中[1-2]。

1 電焊機(jī)原理及其運(yùn)動(dòng)方式

電阻點(diǎn)焊是利用電極壓力在待焊件以及電極棒之間產(chǎn)生接觸電阻，當(dāng)電流通過(guò)時(shí)產(chǎn)生焦耳熱，融化待焊金屬完成焊接過(guò)程[3]。由焦耳定律可知，焊接過(guò)程中的總焊接熱量為

Q=I2Rtw

(1)

式中，I為焊接電流平均有效值(A)，其數(shù)值范圍一般為幾千至幾萬(wàn)安培；R為焊接區(qū)總電阻的平均值(Ω)，其數(shù)值范圍一般為10～100；tw為通電焊接時(shí)間(s)，其數(shù)值范圍一般為幾至幾十個(gè)周波。

焊接電流和時(shí)間是產(chǎn)生熱量的直接因素，影響著焊接質(zhì)量。預(yù)壓力也是點(diǎn)焊時(shí)的重要參數(shù)，預(yù)壓力是在通電前對(duì)待焊件施加的壓力，其的作用是清除待焊件之間異物等，保持待焊件之間的緊密接觸從而產(chǎn)生接觸電阻R。預(yù)壓力過(guò)小，則電流密度大容易產(chǎn)生飛濺，焊點(diǎn)強(qiáng)度降低；預(yù)壓力過(guò)大，則R過(guò)小，產(chǎn)熱量Q過(guò)小，從而發(fā)生虛焊等不良現(xiàn)象。所以電焊的預(yù)壓力的控制較為重要。

自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)采用鋰電池的正負(fù)極同時(shí)點(diǎn)焊的方式，鋰電池的正負(fù)極相對(duì)于點(diǎn)焊頭分別有X、Y、Z的3個(gè)方向的自由度，即系統(tǒng)為共有6軸自由運(yùn)動(dòng)的伺服系統(tǒng)；文中將鋰電池正負(fù)極的Y向自由度結(jié)合到一起轉(zhuǎn)化為工裝夾具的Y向運(yùn)動(dòng)，即工裝的Y向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)鋰電池正負(fù)極相對(duì)于點(diǎn)焊頭的Y向運(yùn)動(dòng)，最終減少一個(gè)自由度，系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一個(gè)5軸聯(lián)動(dòng)的控制系統(tǒng)。圖1動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式簡(jiǎn)圖。

圖1 自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式

其中,X向運(yùn)動(dòng)為點(diǎn)焊頭的左右運(yùn)動(dòng)；Y向?yàn)閵A具的上下方向運(yùn)動(dòng)；Z向運(yùn)動(dòng)為點(diǎn)焊頭垂直于紙面方向的運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)系統(tǒng)主要由電機(jī)、聯(lián)軸器、滾珠絲桿、軸承等組成，由PLC控制伺服電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為各運(yùn)動(dòng)軸的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

2 電焊機(jī)預(yù)壓力閉環(huán)控制

自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)在位置控制模式下調(diào)試結(jié)束后已經(jīng)完成了全部控制要求，但在投入生產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)，隨著時(shí)間變化點(diǎn)焊質(zhì)量降低，需要重新調(diào)節(jié)預(yù)壓力參數(shù)或者焊接電流、焊接時(shí)間。經(jīng)實(shí)驗(yàn)預(yù)壓力和焊接質(zhì)量的關(guān)系由圖2可知。

圖2 實(shí)驗(yàn)擬合曲線(xiàn)

電極預(yù)壓力的變化對(duì)焊接質(zhì)量的影響總體趨勢(shì)為：隨著預(yù)壓力的增大焊點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度先增大后減小。結(jié)合實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，電極壓力較小時(shí)，電流密度過(guò)大發(fā)熱速度過(guò)快導(dǎo)致飛濺降低接頭強(qiáng)度；電極壓力過(guò)大將導(dǎo)致接觸電阻和電流密度減小，從而焊接熱量下降，出現(xiàn)虛焊同樣降低接頭強(qiáng)度[4-5]。因?qū)︻A(yù)壓力的時(shí)變問(wèn)題，將X軸預(yù)壓力作為控制對(duì)象，即對(duì)X軸的預(yù)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。

2.1 預(yù)壓力坐標(biāo)位

預(yù)壓力的閉環(huán)控制為目標(biāo)，首先采用仿真，模擬運(yùn)行預(yù)壓力的閉環(huán)控制系統(tǒng)，分析仿真結(jié)果，驗(yàn)證預(yù)壓力PID控制的可行性。由圖1可發(fā)現(xiàn)只有X軸有進(jìn)行壓力控制的需求，也即只有左/右X軸需要進(jìn)行壓力的閉環(huán)控制。左/右X軸在點(diǎn)焊過(guò)程中的位置定義和速度定義如圖3所示。

圖3 點(diǎn)焊過(guò)程位置定義和速度定義

圖3中原點(diǎn)坐標(biāo)為X軸搜索原點(diǎn)結(jié)束后定義的坐標(biāo)原點(diǎn)，PLC定義此處為絕對(duì)坐標(biāo)的零點(diǎn)；待機(jī)坐標(biāo)為等待點(diǎn)焊時(shí)的絕對(duì)坐標(biāo)；接觸坐標(biāo)為點(diǎn)焊頭剛好接觸到電芯時(shí)的絕對(duì)坐標(biāo)；點(diǎn)焊坐標(biāo)為點(diǎn)焊頭施加壓力后點(diǎn)焊頭加壓系統(tǒng)運(yùn)行的絕對(duì)坐標(biāo)；脫離坐標(biāo)為點(diǎn)焊過(guò)程中間某點(diǎn)點(diǎn)焊結(jié)束后X軸停留等待Y、Z軸到達(dá)下一點(diǎn)焊點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)。

2.2 PID控制原理

PID即比例-積分-微分，其是根據(jù)參考量和反饋量的差值在PID控制器中計(jì)算后輸出控制量給受控對(duì)象，從而達(dá)到輸出控制量跟隨目標(biāo)值的目的。事實(shí)上，控制系統(tǒng)并不需要記錄每一次采樣的偏差值，系統(tǒng)只需存儲(chǔ)當(dāng)前采樣偏差值、前一次采樣偏差值和前一項(xiàng)的積分項(xiàng)數(shù)值。據(jù)此，控制方程簡(jiǎn)化可得

MV(n)=kpev(n)+[Kiev(n)+M]+Kd(en-en-1)

(2)

式中，MV(n)為采樣時(shí)刻n的PID運(yùn)算輸出值；Kp為比例系數(shù)；ev(n)為采樣時(shí)刻的PID回路的偏差；Ki為PID回路的積分系數(shù)；Kd為PID回路的微分系數(shù)；M為PID回路輸出的初始值；en為采樣時(shí)刻n的PID回路的偏差；en-1為采樣時(shí)刻n-1的PID回路的偏差。

2.3 閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真

伺服系統(tǒng)中已包含位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的半閉環(huán)控制，故采用PID控制原理對(duì)壓力進(jìn)行全閉環(huán)控制的可行性仍需驗(yàn)證。而運(yùn)用仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性既可縮短開(kāi)發(fā)周期，又可以降低開(kāi)發(fā)成本，為設(shè)計(jì)方案的工程應(yīng)用實(shí)現(xiàn)做出理論驗(yàn)證，已經(jīng)成為現(xiàn)代輔助設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)[6]。因此使用Matlab中的Simulink 模塊對(duì)預(yù)壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。

Simulink 作為一種集成化的仿真環(huán)境，是Matlab的一個(gè)軟件擴(kuò)展。其使用圖形化的模塊模擬各種系統(tǒng)的復(fù)雜模型，這些模塊是組成系統(tǒng)的基本單元，使用時(shí)只需理解模塊的輸入、輸出和相關(guān)參數(shù)設(shè)置，而無(wú)須考察模塊的內(nèi)部功能實(shí)現(xiàn)方法[7]。下面將介紹控制系統(tǒng)的仿真和輸出結(jié)果。

(1)閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型。本研究的閉環(huán)控制系統(tǒng)主要包括參考量的指令輸入部分、PID運(yùn)算模塊、伺服模塊、絲桿傳動(dòng)模塊、彈簧加壓模塊、傳感器模塊等。圖5是Simulink 環(huán)境下控制系統(tǒng)的模型。圖中控制系統(tǒng)各個(gè)模塊的參數(shù)如伺服電機(jī)性能參數(shù)、電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、絲桿導(dǎo)程、彈簧的彈性系數(shù)等在前文中已經(jīng)介紹，在模型中設(shè)置即可；

圖4 閉環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型

(2)仿真結(jié)果。仿真模型建立完成以后，PID的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)仿真的核心內(nèi)容之一[8-9]。PID參數(shù)的整定方法較多有理論計(jì)算整定法和工程整定法。PID參數(shù)的整定原則是：增大比例系數(shù)將加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，但比例系數(shù)過(guò)大將導(dǎo)致超調(diào)量增大，系統(tǒng)振蕩加??；增大積分時(shí)間常數(shù)有利于減小超調(diào)和振蕩，積分時(shí)間常數(shù)過(guò)大將導(dǎo)致降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性；微分系數(shù)增大有利于加快響應(yīng)速度減小系統(tǒng)超調(diào)量，但微分系數(shù)過(guò)大將降低系統(tǒng)抵抗高頻干擾的能力[10-11]。本文運(yùn)用PID參數(shù)整定的原則對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，最后得出在Kp=1 000，Ki=10，Kd=1 000時(shí)得到了較理想的壓力和速度曲線(xiàn)。圖5為控制系統(tǒng)壓力和速度仿真曲線(xiàn)圖。

圖5 控制系統(tǒng)壓力和速度仿真曲線(xiàn)圖

圖5(a)為壓力曲線(xiàn)，圖5(b)為速度曲線(xiàn)。壓力曲線(xiàn)反映出系統(tǒng)響應(yīng)較快、振蕩較小，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好；速度曲線(xiàn)反映出系統(tǒng)在接到控制指令后速度快速上升之后開(kāi)始降低至零，速度曲線(xiàn)對(duì)時(shí)間軸的積分結(jié)果估算值也與實(shí)際情況較為接近。仿真結(jié)果顯示，壓力的PID控制可保證較好的預(yù)壓力，并能得到較好的結(jié)果。

2.4 預(yù)壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)

控制過(guò)程為控制器向被控對(duì)象輸出控制量，從而達(dá)到預(yù)設(shè)控制目的。由于機(jī)械誤差、控制器輸出累積誤差等因素的存在，預(yù)設(shè)控制量與實(shí)際量之間總是存在一定的差距。閉環(huán)系統(tǒng)就是根據(jù)控制系統(tǒng)輸出反饋進(jìn)行校正的控制方式，它是在測(cè)量出實(shí)際與計(jì)劃發(fā)生偏差時(shí)，按定額或標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行糾正的[12-14]。

PLC控制系統(tǒng)中使用壓力的閉環(huán)控制，就必須對(duì)壓力進(jìn)行模擬量處理，同時(shí)要求程控器具有較快的處理速度[15]。本控制系統(tǒng)中歐姆龍CP1H—XA40DT系列PLC除了具有以上所述需要的功能，還設(shè)有PID指令(PID)和帶自整定的PLC指令(PIDAT)。在自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)的預(yù)壓力參數(shù)閉環(huán)控制中，A/D轉(zhuǎn)換模塊將壓力反饋值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量給PLC，PLC將該反饋量與目標(biāo)量比較、計(jì)算并輸出新的數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換為模擬量控制壓力變化。

在壓力傳感器、A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，當(dāng)傳感器檢測(cè)的實(shí)際壓力值與設(shè)定壓力值之間存在差距時(shí)，PLC 根據(jù)偏差控制伺服驅(qū)動(dòng)器輸出正向或者反向脈沖列，電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，達(dá)到增加實(shí)際壓力或者減小實(shí)際壓力的目的，至此就構(gòu)成了以預(yù)壓力目標(biāo)值為設(shè)定值的由PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、壓力傳感器共同構(gòu)成的預(yù)壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)。

壓力傳感器安裝到電極棒的中心軸上，電極棒接觸到電芯產(chǎn)生壓力后，壓力傳感器檢測(cè)到壓力信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，和設(shè)定值進(jìn)行比較，送入CPU進(jìn)行運(yùn)算，控制器根據(jù)設(shè)定的PID參數(shù)給出控制器輸出信號(hào)；經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換為模擬量輸出信號(hào)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被控對(duì)象。

壓力的PID控制程序是針對(duì)X軸從接觸位置到點(diǎn)焊位置的進(jìn)給階段，其他位置之間的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)仍保持位置控制方式，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)矩控制方式下伺服系統(tǒng)不記錄當(dāng)前脈沖數(shù)，也即找不到絕對(duì)位置。絕對(duì)位置坐標(biāo)是X軸各個(gè)位置設(shè)置的基礎(chǔ)，因此除點(diǎn)焊位之外的其他位置仍然使用絕對(duì)坐標(biāo)作為控制目標(biāo)，而點(diǎn)焊位則使用壓力參考量作為控制目標(biāo)。圖6是X軸壓力PID控制程序的流程圖。

圖6 X軸壓力控制程序的流程圖

圖6中，壓力控制開(kāi)始之前檢測(cè)左右X軸是否均已到達(dá)接觸位，以此作為判斷標(biāo)準(zhǔn)將控制方式從位置控制轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩控制；將PLC輸出的壓力控制參考量與壓力傳感器的反饋量一同送入PID控制器進(jìn)行計(jì)算；輸出控制量送入D/A轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為電壓給伺服系統(tǒng)輸出壓力；壓力的測(cè)量值送入A/D轉(zhuǎn)換模塊中轉(zhuǎn)化為數(shù)字量給PID控制器；壓力達(dá)到設(shè)定參考量則預(yù)壓階段結(jié)束，控制方式切換為位置控制，X軸返回到脫離位。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要闡述了鋰電池電焊機(jī)的預(yù)壓力閉環(huán)控制，成功解決了焊接時(shí)預(yù)壓力不斷變化的問(wèn)題，較好地控制了焊接時(shí)的預(yù)壓力，鋰電池焊接的強(qiáng)度高并焊接強(qiáng)度穩(wěn)定，提高了整體的焊接質(zhì)量。本設(shè)計(jì)的控制方案焊接效率高，可同時(shí)焊接鋰電池的正負(fù)極，但其主要適用于焊點(diǎn)排列角度一致的鋰電池PACK，對(duì)于形狀獨(dú)特、具有多種焊接角度的PACK焊接難以運(yùn)用本文中研發(fā)的自動(dòng)點(diǎn)焊機(jī)。

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Closed Loop Control of Pre-force of Li-ion Battery Welding

JI Jian，YANG Lihong

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai200093, China)

The welding quality of Li-ion battery automatic spot welding machine produced by a company in Shanghai deteriorates after being put into operation. It is found that the pre-force of welding is the cause of the change of the welding quality. In order to guarantee the stability of pre-force during the welding, we adopt the method of PID closed-loop control. A force sensor installed in the control system transmits the force value to the PLC, and the PLC control the stepping motor according to the feedback value to obtain the appropriate pre-force. Tests show that the welding machine acquires a stable welding quality.

li-ion battery; PLC; PID closed-loop control

2016- 03- 28

吉堅(jiān)(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：工業(yè)控制。楊麗紅(1973-)，女，博士，碩士生導(dǎo)師。研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.02.038

TH39

A

1007-7820(2017)02-145-04