廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院 陳柏良 李 軍 張文輝

卷繞機(jī)控制系統(tǒng)與張力分析

廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院 陳柏良 李 軍 張文輝

為滿足某工出廠的具體要求，設(shè)計一套適用于該工廠的卷繞機(jī)控制系統(tǒng)，且能對張力問題進(jìn)行分析與解決。本文通過介紹卷繞機(jī)控制系統(tǒng)、張力系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)、張力的產(chǎn)生及影響因素，最終設(shè)計出本套卷繞機(jī)控制系統(tǒng)，并已滿足該工廠的需求。

卷繞機(jī)；控制系統(tǒng)；張力系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

1.概述

鋰電池卷繞機(jī)多種多樣，從生產(chǎn)的鋰電池產(chǎn)品形狀來分有方形卷繞機(jī)和圓形卷繞機(jī)；根據(jù)卷繞機(jī)的控制方式分為半自動卷繞機(jī)和全自動卷繞機(jī)；其中半自動鋰電池卷繞機(jī)的主要工作任務(wù)是將制作好的極片與絕緣但可以讓鋰離子通過的隔膜按照一定的規(guī)則卷繞成特定的形狀（一般分為圓形、方形）的電芯。根據(jù)使用的卷針多少分為單卷針型卷繞機(jī)和多卷針型卷繞機(jī)。

2.卷繞機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計

卷繞機(jī)控制系統(tǒng)由兩部分組成：主控制電路部分和輸入/輸出電路部分。主控制部分包括：電源電路，DSC（STM32F407）最小系統(tǒng)、ISP/實時監(jiān)控電路、J-LINK下載/監(jiān)控電路、使用SPI2的SD卡存儲電路，RS485-Modbus通信電路；輸入/輸出電路包括：編碼器輸入電路、通用輸入/輸出電路、拓展輸入/輸出電路、位置傳感器輸入電路、電機(jī)驅(qū)動電路，系統(tǒng)設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 卷繞機(jī)控制系統(tǒng)

3.張力控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

工藝與控制的流程如圖2所示，包括放卷機(jī)構(gòu)、張力檢測、控制器、收卷機(jī)構(gòu)等組成。

圖2 工藝與控制的流程

3.1 放卷機(jī)構(gòu)

放卷機(jī)構(gòu)，主要負(fù)責(zé)放料（隔膜）。卷繞機(jī)卷繞過程中，為了張力平衡，放卷機(jī)構(gòu)按照一定的規(guī)律將隔膜送出給后面的機(jī)構(gòu)，以達(dá)到張力恒定。

3.2 張力檢測

張力檢測，由擺臂和編碼器組成。擺臂位置不同，代表不同張力大小，而編碼器負(fù)責(zé)將擺臂位置信息反饋給控制器，控制器根據(jù)反饋量，調(diào)節(jié)張力大小，從而實現(xiàn)閉環(huán)控制。

3.3 控制器

控制器，主要負(fù)責(zé)算法運(yùn)算，并輸出控制量來調(diào)節(jié)張力。編碼器將其數(shù)值通過編碼器硬件電路傳入控制器，控制器根據(jù)編碼值進(jìn)行算法控制，控制到放卷機(jī)構(gòu)。

3.4 收卷機(jī)構(gòu)

收卷機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)對夾著極片的隔膜進(jìn)行卷繞?？刂破靼凑找欢ㄋ俣纫?guī)則，輸出PWM脈沖來控制收卷電機(jī)完成鋰電池電芯產(chǎn)品的工作。

4.張力的產(chǎn)生及影響因素

4.1 張力的產(chǎn)生

在鋰電池卷繞機(jī)電芯卷繞過程中，可以通過以下兩種方式產(chǎn)生力矩。第一種是在卷繞過程中，因為隔膜收卷線速度與隔膜放卷線速度之間存在速度差。如若隔膜放卷線速度小于隔膜收卷線速度，隔膜材料則會產(chǎn)生張力，速度差越大張力越大。另一種張力產(chǎn)生的原因是擺臂機(jī)構(gòu)與隔膜之間的摩擦。由于收卷機(jī)構(gòu)或者放卷機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)動作，必然造成擺臂機(jī)構(gòu)與隔膜之間產(chǎn)生摩擦力，擺臂機(jī)構(gòu)與卷繞機(jī)構(gòu)之間的隔膜材料也即形成張力。

4.2 張力的影響因素

在鋰電池卷繞機(jī)生產(chǎn)鋰電池過程中，存在各種擾動，造成卷繞機(jī)張力產(chǎn)生波動和變化，下面就列舉其中的三個因素：

（1）收卷卷針線速度對張力的影響。張力控制涉及到放卷機(jī)構(gòu)、收卷機(jī)構(gòu)、擺臂機(jī)構(gòu)(上面安裝了編碼器)，檢測裝置（擺臂機(jī)構(gòu)和編碼器）用于對擺臂的位置進(jìn)行反饋，主控制器DSC根據(jù)反饋值對放卷機(jī)構(gòu)進(jìn)行輸入控制，以期達(dá)到張力穩(wěn)定，張力系統(tǒng)簡化模型示意圖如圖3所示[1]。

圖3 張力系統(tǒng)簡化模型

圖3為鋰電池卷繞機(jī)的張力系統(tǒng)模型，r0為放卷機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸半徑，r隔膜帶料半徑（厚度隨時間變化），ω為放卷電機(jī)的角速度，V0為放卷機(jī)構(gòu)線速度，V1為收卷機(jī)構(gòu)線速度，Md為電機(jī)提供的力矩，Mf為摩擦力矩，T為隔膜張力大小。運(yùn)用力矩守恒可得張力系統(tǒng)動力學(xué)方程[2]：

可以得到：

式(4.2)中，張力大小是隨V0，r變化的非線性時變系統(tǒng)，而其中V0變化速率遠(yuǎn)大于r的變化速率，那么可以做近似處理，得出張力大小主要只跟V0相關(guān)，而V0是跟隨V1的，所以張力的穩(wěn)定取決于V1。

通過上面動力學(xué)分析，可得收卷卷針的速度是影響張力穩(wěn)定的一個重要因素，為了盡可能減少收卷卷針?biāo)俣葘埩Φ挠绊?，實現(xiàn)恒收卷線速度，需要采用變角速度方式，且這個角速度為正弦速度[3]，具體角速度表達(dá)式為：

（2）由于張力控制算法運(yùn)算以及張力更新放卷電機(jī)PWM都需要時間，導(dǎo)致DSC控制時有脈沖滯后問題，影響放卷電機(jī)的放卷效果。

（3）隔膜半徑變化。在卷繞過程中，放卷隔膜與收卷隔膜卷均隨時間變化其半徑發(fā)生變化，從而引起卷繞隔膜材料張力的變化。當(dāng)收卷電機(jī)制動力矩不變時，收卷直徑越大，張力越?。划?dāng)放卷電機(jī)制動力矩不變時，放卷直徑越小，張力越大。

5.總結(jié)

通過設(shè)計該卷繞機(jī)控制系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并分析張力的產(chǎn)生與影響因素完成了該工廠的實際需求。本文對卷繞機(jī)的張力問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析，雖然該分析是針對方形單卷針卷繞機(jī)進(jìn)行分析的，但該分析對大部分的類型卷繞機(jī)張力問題都具備一定的參考意義。

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陳柏良，廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院碩士研究生在讀。