基于C8051F020的電池極片軋制壓力控制器的設計

肖艷春，邵偉，馬學為，李琳琳

(河北工業大學，天津300130)

電池極片的軋制是指軋輥與電池極片之間產生摩擦力，把電池極片拉進旋轉的軋輥之間，電池極片受壓變形的過程。國內外主流設備均采用極片連續軋制的方式，即放卷、糾偏、切邊、滾壓和收卷的極片密實方式。電池極片主流機型應為輥徑800～1 000 mm，輥面寬度600～700 mm，最大軋制壓力2～3 MN，極片軋制速度大于12～15 m/min。

軋制壓力系統是在滾壓電池極片的過程中進行壓力的控制，控制合適的壓力把原來薄厚不均的電池極片變成薄厚均勻并且密度較高的極片。軋制壓力是指扎輥加于電池極片使之產生塑性變形的力，又可以說把軋件作用于軋輥上并通過壓下螺絲傳遞給機架的力稱為軋制力，即軋件加于軋輥的反作用力的垂直分量。

合理的軋制壓力對于極片的密實度有著重要的作用，電池極片經過合理的軋制壓力滾壓后，漿料顆粒間將發生相對移動，顆粒將填充空隙，使漿體的體積減小，迅速達到最緊密的堆積。目前，電池極片的設計往往是不對稱的正面和背面間隔涂布，這將導致極片的厚度突變而軋機軋制力不能及時響應，導致軋制后密度不均的現象。因此，科學合理的軋制壓力系統設計顯得尤為重要。

1 電池極軋制壓力系統的組成及工作原理

電池極片軋制壓力控制器的軋制壓力是由液壓系統提供的，其液壓系統原理圖如圖1所示。其控制的過程如下:按下軋輥升壓按鈕時，電液閥A打開，系統壓力開始變大;當按下軋輥泄壓按鈕時，電液閥B打開，系統壓力變小。

圖1 液壓系統原理示意圖

電磁閥的控制信號為交流220 V，如圖2所示。單片機系統的工作電壓為3.3 V，為了實現弱電控制強電的功能，采用繼電器輸出的方式。

圖2 液壓系統的電磁閥

2 電池極片軋制壓力系統硬件電路的設計

電池極片軋制壓力控制器的硬件電路由傳感器接口電路、繼電器控制電路、按鍵顯示電路、電源電路等組成。控制器的硬件系統結構圖如圖3所示。

圖3 軋制壓力系統硬件結構圖

2.1 傳感器接口電路

在電池極片軋制壓力控制器中，壓力傳感器的選型非常重要，直接影響到控制的精度。軋輥的壓力檢測不是直接測量軋輥的壓力，而是對液壓缸的壓強進行測量。液壓壓力傳感器的工作原理是壓力直接作用在膜片上，使膜片產生一個與介質壓力成正比的微位移，檢測傳感器的電子電路發生變化，輸出標準的壓力信號。

美國Schaevitz公司的傳感器是專門為軋鋼類型設備設計的，適用于惡劣的環境下。該傳感器提供900 Hz的超快反應頻率，同時保持了小于±0.20%滿量程輸出的精確度。內置的瞬變抑制器，以消除線路瞬變電壓的效果。抗疲勞壓力傳遞膜片，提高了可靠性，減少了由于長期加壓導致的性能下降。在該系統中，軋制壓力傳感器的安裝如圖4所示。

圖4 液壓壓力傳感器

根據控制要求，軋制壓力系統的硬件接口電路的設計需要滿足對壓力傳感器的0～20 mA輸入信號的采集需求。其接口電路如圖5所示，其接收電路和張力控制輸入電路一樣。

2.2 電磁閥控制電路

在電池極片軋制壓力控制器中，對于電磁閥的控制采用如圖6所示的繼電器輸出方式。選用ULN2003芯片驅動繼電器動作，其中LED是狀態指示燈，繼電器驅動電磁閥控制液壓系統的增壓和泄壓。

圖5 模擬量輸入電路

圖6 繼電器輸出電路

3 電池極片軋制壓力系統程序設計

電池極片軋制壓力控制主要的控制對象是電磁閥，通過控制電磁閥的通與斷完成液壓缸壓力的調整。控制策略是:當檢測到壓力減少，把增壓閥打開;當檢測壓力增大，把泄壓閥打開。其檢測輸入的信號為壓機壓力信號，壓機壓力信號為0～20 mA的電流信號。程序的設計分為手動程序設計和自動程序設計，在自動程序中，如果檢測壓力值過大，通過繼電器控制泄壓閥打開;如果檢測壓力值過小，通過繼電器控制增加閥打開。其流程圖如圖7所示。

圖7 電池極片軋制壓力系統程序流程圖

將模糊PID算法用于軋制壓力控制，控制結構圖如圖8所示，因而使得控制機制和策略易于接受與理解，設計簡單，便于應用，對電池極片質量的提高有著重要意義。

圖8 模糊PID控制器結構框圖

4 生產調試

檢驗控制器功能的實現和可靠性。軋制壓力系統在設備運行過程中保證系統具有恒定的壓力，通過壓力傳感器檢測實時壓力的大小。當傳感器檢測壓力過大時，控制器通過運算控制泄壓閥打開，使系統的軋制壓力變小，以達到設定的壓力;當傳感器檢測壓力過小時，控制器通過運算控制增壓閥打開，使系統的壓力增加，達到設定的壓力值。試驗結果表明:該控制系統能可靠地滿足設計和生產需要，壓力的最大值為3 000 kN，波動范圍為±4%。

5 結論

基于C8051F020的電池極片軋制壓力控制器基本滿足生產的需要，降低了成本。根據電池極片軋制壓力控制要求高、直接影響電池質量等特點，將模糊PID算法用于壓力的控制，對電池極片質量的改進有著重要的實際意義。

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