卷繞機控制系統與張力分析

廣東工業大學自動化學院 陳柏良 李 軍 張文輝

卷繞機控制系統與張力分析

廣東工業大學自動化學院 陳柏良 李 軍 張文輝

為滿足某工出廠的具體要求，設計一套適用于該工廠的卷繞機控制系統，且能對張力問題進行分析與解決。本文通過介紹卷繞機控制系統、張力系統控制結構、張力的產生及影響因素，最終設計出本套卷繞機控制系統，并已滿足該工廠的需求。

卷繞機；控制系統；張力系統控制結構

1.概述

鋰電池卷繞機多種多樣，從生產的鋰電池產品形狀來分有方形卷繞機和圓形卷繞機；根據卷繞機的控制方式分為半自動卷繞機和全自動卷繞機；其中半自動鋰電池卷繞機的主要工作任務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則卷繞成特定的形狀（一般分為圓形、方形）的電芯。根據使用的卷針多少分為單卷針型卷繞機和多卷針型卷繞機。

2.卷繞機控制系統的設計

卷繞機控制系統由兩部分組成：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、ISP/實時監控電路、J-LINK下載/監控電路、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、電機驅動電路，系統設計圖如圖1所示。

圖1 卷繞機控制系統

3.張力控制系統的結構

工藝與控制的流程如圖2所示，包括放卷機構、張力檢測、控制器、收卷機構等組成。

圖2 工藝與控制的流程

3.1 放卷機構

放卷機構，主要負責放料（隔膜）。卷繞機卷繞過程中，為了張力平衡，放卷機構按照一定的規律將隔膜送出給后面的機構，以達到張力恒定。

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，而編碼器負責將擺臂位置信息反饋給控制器，控制器根據反饋量，調節張力大小，從而實現閉環控制。

3.3 控制器

控制器，主要負責算法運算，并輸出控制量來調節張力。編碼器將其數值通過編碼器硬件電路傳入控制器，控制器根據編碼值進行算法控制，控制到放卷機構。

3.4 收卷機構

收卷機構，負責對夾著極片的隔膜進行卷繞。控制器按照一定速度規則，輸出PWM脈沖來控制收卷電機完成鋰電池電芯產品的工作。

4.張力的產生及影響因素

4.1 張力的產生

在鋰電池卷繞機電芯卷繞過程中，可以通過以下兩種方式產生力矩。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，隔膜材料則會產生張力，速度差越大張力越大。另一種張力產生的原因是擺臂機構與隔膜之間的摩擦。由于收卷機構或者放卷機構的旋轉動作，必然造成擺臂機構與隔膜之間產生摩擦力，擺臂機構與卷繞機構之間的隔膜材料也即形成張力。

4.2 張力的影響因素

在鋰電池卷繞機生產鋰電池過程中，存在各種擾動，造成卷繞機張力產生波動和變化，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構、收卷機構、擺臂機構(上面安裝了編碼器)，檢測裝置（擺臂機構和編碼器）用于對擺臂的位置進行反饋，主控制器DSC根據反饋值對放卷機構進行輸入控制，以期達到張力穩定，張力系統簡化模型示意圖如圖3所示[1]。

圖3 張力系統簡化模型

圖3為鋰電池卷繞機的張力系統模型，r0為放卷機構轉軸半徑，r隔膜帶料半徑（厚度隨時間變化），ω為放卷電機的角速度，V0為放卷機構線速度，V1為收卷機構線速度，Md為電機提供的力矩，Mf為摩擦力矩，T為隔膜張力大小。運用力矩守恒可得張力系統動力學方程[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，而其中V0變化速率遠大于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，而V0是跟隨V1的，所以張力的穩定取決于V1。

通過上面動力學分析，可得收卷卷針的速度是影響張力穩定的一個重要因素，為了盡可能減少收卷卷針速度對張力的影響，實現恒收卷線速度，需要采用變角速度方式，且這個角速度為正弦速度[3]，具體角速度表達式為：

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

（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生變化，從而引起卷繞隔膜材料張力的變化。當收卷電機制動力矩不變時，收卷直徑越大，張力越小；當放卷電機制動力矩不變時，放卷直徑越小，張力越大。

5.總結

通過設計該卷繞機控制系統、張力控制系統結構并分析張力的產生與影響因素完成了該工廠的實際需求。本文對卷繞機的張力問題進行了詳細的分析，雖然該分析是針對方形單卷針卷繞機進行分析的，但該分析對大部分的類型卷繞機張力問題都具備一定的參考意義。

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陳柏良，廣東工業大學自動化學院碩士研究生在讀。