锂电池卷绕设备智能控制系统的设计与实现

论文摘要

锂电池以其特有的性能优势在各个领域得到普遍应用,我国的锂电池生产设备还处于相对落后的技术,在控制技术方面和国外有较大的差距,目前大部分的设备是以单纯的PLC控制,对于一些复杂的控制技术,PLC是无法实现的,而且PLC的价格十分昂贵。因此研究一套高性能、低成本的控制系统方案显得很有必要。本课题以锂电池卷绕设备的机械结构和电气控制入手,分析了该设备的功能需求,将整个控制系统分为IO控制模块,张力控制模块,卷绕控制模块,贴胶模块等子模块。采用PLC和DSP相结合的控制技术分别对控制系统的各个模块进行控制,其中PLC选择欧姆龙公司CP1H-XA系列产品,DSP控制器选择TI公司的32位定点高速数字信号处理器（DSP）芯片TMS320F2812作为主控制器。根据锂电池卷绕设备的功能需求,系统的工作模式如下:PLC通过串口将触摸屏设置的运行参数和指令发送到DSP控制模块,DSP控制模块收到参数和指令后,便开始对相应的子模块进行控制,子模块如果出现异常,将异常情况通过串口返回给PLC。通过DSP控制器的CAN总线实现现场设备组网功能,实现对设备运行状况的监视和控制。传统方型卷绕机采用恒定角速度的控制策略,使得料带线速度呈正弦曲线变化,无法实现料带的恒定张力控制。本文在传统张力控制系统的基础上,提出了恒定线速度、变角速度的控制策略;实现对方型锂电池卷绕机的恒定张力控制,从根本上解决锂电池电芯变形的难题,大大提高了锂电池的性能。目前,该方案设计的锂电池卷绕机已通过项目验收,所研制的DSP控制系统能够实现锂电池制作工艺的贴胶纸、全自动收放料、自动纠偏等功能,并且具有较高的效率和精度,系统运行情况良好。实现了单独使用PLC不能够达到的性能,同时也降低了开发成本和开发时间。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 锂电池设备发展与现状
• 1.2.1 锂电池设备行业的现状
• 1.2.2 锂电池设备生产工艺
• 1.2.3 设备控制方式的发展
• 1.3 课题研究意义及目的
• 1.4 课题研究内容
• 第二章 锂电池卷绕设备控制系统的总体方案设计
• 2.1 锂电池卷绕设备的工作原理及机械结构
• 2.1.1 锂电池卷绕机系统结构
• 2.1.2 锂电池卷绕设备的工作原理
• 2.2 控制系统的功能需求分析
• 2.2.1 设备功能需求
• 2.2.2 设备主要性能指标
• 2.3 卷绕机的总体控制系统方案
• 第三章 DSP/CPLD 控制系统的硬件设计
• 3.1 DSP/CPLD 控制系统硬件组成
• 3.2 DSP 控制器部分的设计
• 3.2.1 数字信号处理器
• 3.2.2 TMS320F2812 芯片简介
• 3.2.3 TMS320F2812 最小硬件系统
• 3.3 CPLD 部分设计概述
• 3.3.1 CPLD 复杂可编程逻辑器件简介
• 3.3.2 CPLD 内部功能模块设计
• 3.4 系统外围电路设计
• 3.4.1 电磁阀控制输出电路
• 3.4.2 直流电机控制输出电路
• 3.4.3 高速差分脉冲输出电路
• 3.4.4 张力传感器输入电路
• 3.4.5 正交编码输入电路
• 3.4.6 通信接口设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 锂电池卷绕设备系统软件设计
• 4.1 卷绕机系统软件结构
• 4.1.1 卷绕机工作流程
• 4.1.2 系统控制任务分配
• 4.2 PLC 与DSP 控制器之间通信
• 4.2.1 IO 命令交互
• 4.2.2 参数信息交互
• 4.3 DSP 控制器软件系统
• 4.3.1 DSP 开发工具CCS
• 4.3.2 DSP 控制器软件整体设计
• 4.3.3 主程序设计
• 4.3.4 DSP 中断程序设计
• 4.4 CAN 现场总线组网
• 4.4.1 CAN 总线概述
• 4.4.2 TMS320F2812 内嵌ECAN 模块
• 4.4.3 CAN 通信程序设计
• 4.4.4 CAN 通信应用层协议
• 第五章 系统恒定张力控制算法的实现
• 5.1 张力控制系统的分析
• 5.1.1 张力控制系统的结构
• 5.1.2 张力系统的动力学方程
• 5.2 方型卷针卷绕模型分析
• 5.2.1 卷绕动态模型分析
• 5.2.2 方型卷针变转速辨识简化模型
• 5.3 张力控制系统原理及其改进
• 5.4 算法实验小结
• 论文总结与展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢