锂电池卷绕机张力控制研究

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锂电池因其高性能、低成本、耐用、输出电压稳定、废弃后便于处理等优点得到广泛的使用。锂电池电芯卷绕是锂电池生产中极为重要的一个环节,而卷绕过程中的张力是锂电池电芯成型中的一个重要参数,直接影响整个电芯,乃至电池产品的质量,因此,张力控制是电芯卷绕工艺中的关键技术之一。在锂电池电芯卷绕过程中,适当和稳定的张力也能提高机械构件的使用寿命,提高设备的生命周期。  本课题围绕张力控制系统,提出了基于模糊PID的闭环控制。该系统由DSC主控制器、交流伺服电机、摆臂、实时反馈张力变化的编码器构成。其中交流伺服电机需要两个,一个是收卷交流伺服电机,另一个是放卷交流伺服电机。  对于上述的张力控制系统进行了组成介绍,分析了张力系统波动因素,建立主要元件张力数学模型,介绍了张力系统控制原理,设计出基于STM32F4为主控芯片的DSC控制器解决方案,围绕卷绕机张力控制部分进行研究。具体包括硬件电路设计、软件程序设计和张力系统控制算法设计三个部分。硬件电路方面,围绕张力控制,讲解了主控制电路、编码器输入电路、电机驱动控制电路。软件程序设计方面,介绍了主控芯片的集成开发环境IAR Embedded Workbench、基于CMSIS应用程序的构架,通信原理及程序设计,中断程序设计。另外,讲解了伺服电机加减速控制原理,设计了S曲线加减速控制方案。  因锂电池卷绕机张力系统为多输入、耦合非线性时变系统,基于精确数学模型的传统PID控制很难达到理想效果,而模糊控制具有不需精确数学模型的控制特点,更强的抗干扰性、对被控对象的适度变化的适应性。当前,有关锂电池卷绕机的张力控制主要采用传统PID控制方法,这导致锂电池卷绕机张力控制效果不良,特别是对于某些高精度的锂电池卷绕机,往往存在张力抖动、不稳等现象。因此,本文提出了基于模糊PID的控制张力闭环控制方案。通过对被控对象增加一定的延迟和惯性关节,使用PID和模糊PID分别进行MATLAB仿真验证了其优越性,该方案能够有效改善张力抖动、不稳等情况。
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