I隨著新能源汽車以及數(shù)碼產(chǎn)品的不斷發(fā)展，便攜式充電設備和大容量的充電電池已經(jīng)成為未來發(fā)展趨勢，鋰離子電池具有能量存儲密度高和使用壽命長等特點，這使其成為了電池中的主流。鋰離子電池加工工藝主要分為三種：卷繞工藝、疊片工藝、切片工藝。研究發(fā)現(xiàn)：卷繞工藝的鋰電池生產(chǎn)效率高，但電池各方面性能都一般；疊片工藝的鋰電池加工工藝復雜，導致生產(chǎn)效率不高，但電池各方面性能都很好；切片工藝的鋰電池性能與疊片鋰電池性能基本一樣，但加工工藝比疊片鋰電池復雜很多，因此很少被使用。隨著自動化技術的發(fā)展，疊片鋰電池必將成為鋰電池的主流，張力控制是鋰電池疊片工藝中最關鍵的技術，張力過大時隔離膜容易產(chǎn)生變形甚至扯斷，張力過小時隔離膜容易出現(xiàn)褶皺、回縮，導致疊片時隔離膜疊偏，這種鋰電池在使用過程中容易爆炸。本論文提出了一種新的主動連續(xù)放卷技術以及主從同步控制技術，與以往的被動放卷技術相比，實現(xiàn)了高速連續(xù)主動放卷，同時在疊片機間歇性往復疊片過程中控制鋰電池疊片機系統(tǒng)張力處于穩(wěn)定狀態(tài)。主要結合鋰電池疊片機的工作原理，建立鋰電池疊片機的隔離膜張力控制數(shù)學模型，設計張力控制系統(tǒng)和糾偏控制系統(tǒng)的控制策略，建立了直線電機動力學數(shù)學模型和旋轉電機動力學數(shù)學模型，采用最小二乘參數(shù)辨識方法對直線電機和旋轉電機數(shù)學模型進行參數(shù)辨識，同時結合非對稱S曲線軌跡規(guī)劃方法對直線電機運行軌跡進行規(guī)劃。在解決鋰電池疊片機系統(tǒng)隔離膜糾偏問題上，放棄市面上常用的蛇形糾偏器，采用控制導料板前后運動實現(xiàn)快速糾偏的方案，并研制了自適應模糊控制算法減小糾偏誤差。結合數(shù)學模型、控制策略和控制算法對系統(tǒng)進行Matlab仿真驗證，仿真結果表明系統(tǒng)的設計具有可行性。為此搭建實驗平臺，結合經(jīng)典PID控制算法實現(xiàn)隔離膜變速主動放卷，在實驗初期遇到直線電機跟隨誤差大，導致系統(tǒng)數(shù)學模型不準確的問題，為此引入前饋控制算法和預測控制算法，并取得了良好的實驗效果。本研究將鋰電池疊片機疊片周期從1.1s/pec提高到了0.55s/pec,并且系統(tǒng)張力控制非常穩(wěn)定，隔離膜對齊度達到±0.15mm,CPK指標達到2.936,遠遠超過了現(xiàn)有的技術水平。最終的實驗結果表明，本研究設計的鋰電池疊片機張力控制系統(tǒng)和糾偏控制系統(tǒng)可行性高，隔離膜對齊度也完全滿足市場需求。關鍵詞：張力控制；糾偏控制；主動放卷；軌跡規(guī)劃；參數(shù)辨識mainstreaminthecell.Theprdividedintothreekinds:windingtechnology,lamitechnology.Thestudyfoundthattheproductionefficiencyoflithiumbatteryinwindingprocessishigh,buttheperformanceofthebatteriesaregenerally;Theproductionefficiencyisnothitechnology,thelaminationlithiumbatterywillbecomethemainstreamofthelithiumbattery.Tensioncontrolisthekeytechnologyintheprocessoflithiumtoexplodeintheprocessofusingwhenthelithiumbatteryisnotqualified.master-slavesynchronizationcontroltechnologytocontrolthetension,compawiththepreviouspassiveunwinding,highspeedcontinuousactiveunwindingisstableintheprocessoftheintermittentmachine.Themathematicalmodelobatterylaminationmachineisestablishedbasedontheworkingprincipleofthelithiumbatterylaminationmachine,dmodeloflinearmotordynamicsandthemathematicalmodelofrotarymotoridentifythemathematicalmthetrajectoryoflinearmotornon-symmetricalScurvetrajectoryplanning.InsolvingtheproblemofthewegiveupthecommonrectifyingdeviceofmarkettousetheprojectofcontrolwiththemathematicalMatlab/simulation,thesimulationresultsshowthatthedesialgorithmtoachievethetransmbeginningoftheexperiment,thefollowingerroroflinearmotorislarge,whichforwardcontrolalgorithmandprecontrolsystemandthedeviationofthecontrolsystemofthelithiumbatteKeywords:tensioncontrol,rectificationcontrol,activeplanning,parameteridenti I 1 1.1.1課題來源 1 1 21.2本文主要研究內容 6 8 82.3儲料軸部分幾何分析及數(shù)學推導 2.5初始料卷卷徑計算數(shù)學建模 20 212.8本章小結 3.1引言 3.2張力與糾偏控制系統(tǒng)選型 3.2.1控制器選型 233.2.2HMI產(chǎn)品選型 243.2.3伺服電機選型 243.3張力與糾偏控制系統(tǒng)方案設計 3.3.1張力與糾偏控制系統(tǒng)搭建 26 3.4本章小結 V 304.2.1旋轉伺服電機數(shù)學建模 4.2.2直線永磁同步電機數(shù)學建模 4.3伺服系統(tǒng)參數(shù)辨識 34.3.1疊片平臺軸參數(shù)辨識 334.3.2儲料軸參數(shù)辨識 4.4.1軌跡規(guī)劃 4.4.2疊片平臺仿真軌跡 4.4.3壓刀仿真軌跡 4.4.4儲料軸仿真軌跡 4.4.5張力擺桿波動仿真軌跡 4.5.1糾偏系統(tǒng)模糊控制分析 4.5.2糾偏模糊控制仿真 4.6本章小結 44.6本章小結 4 5.1引言 5.2鋰電池疊片機實驗平臺搭建 5.2.1鋰電池疊片機實驗平臺機械系統(tǒng)搭建 5.2.2鋰電池疊片機實驗平臺控制系統(tǒng)搭建 46 5.3.1優(yōu)化跟隨誤差前數(shù)據(jù)分析 5.3.2系統(tǒng)優(yōu)化設計 5.3.3優(yōu)化跟隨誤差后數(shù)據(jù)分析 5.4本章小結 1第1章緒論1.1課題背景及研究意義課題來源于深圳市某自動化公司科研項目，根據(jù)市場需求對鋰電池疊片機張力控制系統(tǒng)進行控制策略設計、控制算法設計，對鋰電池疊片機糾偏控制系統(tǒng)進行控制策略設計、控制算法設計。隨著便攜式移動充電設備、新能源汽車的發(fā)展，鋰離子電池以其重量輕、容量大、壽命長等優(yōu)點在全球范圍內得到普遍應用[1。大容量動力鋰離子電池以其優(yōu)越的性能成為動力電池的主要使用產(chǎn)品[2],主要在混合動力汽車應用較廣，比如特斯拉汽車、比亞迪汽車識移動機器人等3。動力鋰電池主要由隔離膜、陰極、陽極、電解液四部分組成[4-51,按成型工藝主要分為三種：切片鋰電池、疊片鋰電池和卷繞鋰電池。如圖1-1所示為切片鋰電池，由于隔離膜非常柔軟，在加工過程中難以保證隔離膜的對齊度，使電池質量下降，因此，在工業(yè)中很少使用該方案。如圖1-2所示為疊片鋰電池，從結構上看疊片工藝比切片工藝的鋰電池加工工藝簡單，因為隔離膜在整塊鋰電池當中為連續(xù)的，而且其性能與切片鋰電池幾乎一樣，在工業(yè)中常用疊片鋰電池替代切片鋰電池。如圖1-3所示為方形卷繞鋰電池，在整個電池中只有一張陰極極片和一張陽極極片，其加工工藝更為簡單，因此卷繞鋰電池目前被廣泛應用。在沒有出現(xiàn)疊片鋰電池之前幾乎都是用方形卷繞鋰電池，但隨著行業(yè)內的不斷研究，疊片鋰電池的優(yōu)越性能慢慢呈現(xiàn)。通過比較兩種工藝的鋰電池，可2將其性能比較總結如表1-1所示。卷繞鋰電池疊片鋰電池內阻內阻較大內阻較小高倍率放電容量密度較少密度低較多密度高能量密度密度低密度高電池形狀單一多變厚度控制控制復雜厚度控制容易適合領域常規(guī)電池高倍率電池、異形電池、動力電池根據(jù)上表可知疊片鋰電池的性能遠優(yōu)于卷繞鋰電池，因此疊片鋰電池的普及是將來的一大趨勢。如表1-2所示為卷繞鋰電池與疊片鋰電池的加工工藝比較，通過表中可知，解決疊片鋰電池的加工效率問題是推廣疊片鋰電池的必須表1-2卷繞鋰鬼池與疊片鋰電池加工工藝比較卷繞鋰電池疊片鋰電池分切分切方便，合格率高分切繁瑣，合格率低生產(chǎn)控制一個電池兩個極片，便于控制每個電池均有幾十個極片，控制復雜隔膜放卷連續(xù)放卷，張力控制穩(wěn)定周期性放卷，張力控制復雜點焊簡單，每個電池只需點焊兩次復雜，所有極片均需點焊，容易虛焊張力控制是鋰電池疊片工藝中最關鍵的技術，其穩(wěn)定性直接影響到鋰電池的性能，張力過大時隔離膜容易產(chǎn)生變形甚至扯斷，張力過小時隔離膜容易出現(xiàn)褶皺、回縮，導致糾偏傳感器無法正常糾偏，使隔離膜產(chǎn)生疊偏現(xiàn)象，嚴重影響鋰電池的性能，從而開展本課題的研究具有重要意義。最簡單的張力控制方案是采用重力塊和重力傳感器控制系統(tǒng)張力6,如圖1-4所示，該方法只適用于張力控制精度要求不高的場合，其主要缺陷是隔離膜在傳統(tǒng)疊片機張力控制方案都是采用直線電機進行恒力矩控制，如圖1-5所示。3為滿足各種不同的需求，也有采用旋轉電機或磁粉離合器配合張力擺桿控制系統(tǒng)張力I7-8,如圖1-6所示。這些方法均是通過檢測位置偏差，通過反饋進行系但都只適用于隔離膜低速運動的情況。在隔離膜高速運動過程中放卷電機無法通過PID快速調整，存在時滯現(xiàn)象，從而出現(xiàn)隔離膜張力不穩(wěn)定情況。膜帶動輥GG圖1-4重力塊張力控制系統(tǒng)動輥收卷膜帶膜帶圖1-6張力擺桿恒力矩張力控制系統(tǒng)隨著張力涉及領域的普及，人們從各個角度研究張力控制效果，韓國建國大學的ChangwooLee等人提出了一種先進錐送過程中的截面應力變化數(shù)學模型，同時設計了一種對輥結構，通過調整單棍角度控制料帶在傳送過程中的受力，采用被動張力擺桿控制系統(tǒng)張力，對卷繞制效果最好的詮釋，西安交通大學的學者為解決凹版印刷機張力控制問題，提出了一種基于主動擾動抑制控制的解耦張力控制算法，根據(jù)放卷系統(tǒng)建立了一套數(shù)學模型，同時結合仿真和實驗得出了解耦控制系統(tǒng)具有很好的抗反干擾能控制系統(tǒng)進行了設計，主要基于神經(jīng)網(wǎng)絡算法估計系統(tǒng)的不確定性，然后基于模型對張力系統(tǒng)進行了仿真與設計。經(jīng)典PID控制算法作為傳統(tǒng)控制算法，在張力控制技術中經(jīng)常被采用，哈爾濱理工大學的學者通過分析自動繞線機的工作原理以及張力波動影響因素，引入傳統(tǒng)PID和張力傳感器設計了一套反饋控制系統(tǒng)，在張力傳感器和PID算法的配合下，可以很穩(wěn)定的控制繞線機系統(tǒng)張力[12]。為滿足更復雜的系統(tǒng)需求，智能控制算法被引入張力控制，其中研究4最多的是模糊控制算法，Jong-ChanPark等人采用模糊自適應增益控制方法控制卷繞機系統(tǒng)張力13,青島大學和河北大學的研究員將模糊PID應用到了紗線纏繞機的張力控制系統(tǒng)中，通過仿真實驗驗證控制算法的可行性，最終結果表氣學院的將模糊PID控制算法中加入自學習算法，應用到張力控制技術當中，該方法可以自動調節(jié)PID參數(shù)，相比較傳統(tǒng)PID和模糊PID控制算法具有當系統(tǒng)張力控制穩(wěn)定之后，糾偏控制直接決定了鋰電池的質量，因此對糾偏方法進行研究顯得非常重要。目前解決糾偏問題主要從糾偏結構和控制算法過機構改進設計了雙平行導輥糾偏機構如圖偏機構191,該機構主要分為左右糾偏托輥組，當輸送機膠帶向其中一側發(fā)生跑偏時，通過機構運動轉換使膠帶向跑偏的反方向運動，實現(xiàn)糾偏，結合本機構特點，中煤國際集團南京設計研究院的主春奇等人優(yōu)化結構設計了一種錐形糾偏裝置I201,這兩種機構設計很巧妙，雖然糾偏性能很好，但只適用于張力要求不高的場合。導帶輥導帶輥糾偏輸入輥糾偏輸出輥傳感器糾偏電機壓輥輪隨著糾偏技術的發(fā)展，常見的智能控制方法也被引入進來改善糾偏效果，針對帶材在生產(chǎn)中存在的跑偏及普通控制系統(tǒng)性能較差問題，提出一種基于模糊和前饋控制的電動糾偏控制方法[231,通過與普通PID控制方法對比，得出添加前饋補償?shù)哪：刂扑惴芨纳葡到y(tǒng)的穩(wěn)態(tài)糾偏精度。針對復合材料纏繞技術中的跑偏問題，楊開平等人對布帶跑偏量的檢測問題進行深入研究，并引入5模糊PID糾偏控制算法[24,并進行仿真分析和實驗驗證，結果表明模糊PID控制算法完全能滿足布帶跑偏量的控制需求。本研究將采用單輸入多輸出控制方法，也就是主從同步控制，其應用領域廣，以混沌理論領域的應用最為廣泛，同時也可用于多個系統(tǒng)同步完成一個動作或者一項工作的研究，華南理工大學的學者通過線性誤差反饋控制研究了兩個非自主水平平臺的主從同步控制問題[251,通過證明一般的耦合同步矩陣推導出了適應系統(tǒng)的特殊矩陣。中央昆士蘭大學的KeDing通過采用時間延時反饋控制對兩個水平平臺的主從同步控制進行了仿真分析與研究[261,最終結果表明，時間延時反饋控制算法能夠改善系統(tǒng)性能。謝里夫理工大學的HassanSalarieh等人將主從同步技術延伸到多同步問題，通過線性輸出反饋控制策略設計了多同步程序算法[271。東北大學的學者對直線振動給料裝置的四偏心轉子引入自適應滑?？刂扑惴ǎㄟ^實驗驗證相位和速度同步控制的有效性[28]。自1845年CharlesWheastone發(fā)明了世界上第一臺直線電動機以來，引發(fā)了行業(yè)內許多研究人員對直線電機進行探索研究，同時將其應用到實際設備中。首先從理論出發(fā)西安交通大學的楊曉軍分析了機電耦合系統(tǒng)的機械振動模式，建立了直線電機的推力方程1291,臺灣大漢技術學院的AlbertW.-J.Hsue等人對旋轉電機和直線電機進行了動力學數(shù)學建模，同時比較滾珠絲杠傳動與直線電機驅動平臺，結果表明，直線電機比滾珠絲杠具有更好的輪廓定位精度[30]。河南理工大學的汪旭東等人對永磁同步直線電機進行了動力學數(shù)學建模，同時對永磁同步直線電機進行粒子群PID矢量控制31。在直線電機定位精度方面也有很多研究，臺灣成功大學的學者對直線電機驅動的機床的重復定位精度進行了研究，采用標準重復控制器進行位置補償，提高直線電機的重復定位精度32】。直線電機的運動需要進行軌跡規(guī)劃，軌跡規(guī)劃的合理性直接影響整個系統(tǒng)的振動，常用的軌跡規(guī)劃有三角形速度曲線，梯形速度曲線，對稱S形速度曲線，非對稱S形速度曲線。新加坡維斯塔斯技術研發(fā)有限公司的李懷忠等人對直線電機的速度非對稱S曲線軌跡進行了數(shù)學描述，根據(jù)常加加速度進行反向推導加速度曲線、速度曲線、位置曲線33,美國普渡大學的PeterH.Meck1副教授優(yōu)化了S曲線運行軌跡的最小殘差振動34]。法國一些研究人員考慮加加速度對高動態(tài)系統(tǒng)的振動的影響，通過優(yōu)化加加速度減小系統(tǒng)振動35,北京理工大學的梁贊等人運用命令平滑技術設計高速凸輪輪廓減小系統(tǒng)振動36]。直線電機在高速運動過程中，存在位置跟蹤誤差，前饋補償控制能很好的較小跟隨誤差371。前饋控制主要作用是預測信號的發(fā)展趨勢，在主軸與從軸同步運動過程中，常存在主軸同步周期超前于從軸，也就是說從軸存在時滯現(xiàn)象，6前饋控制可以對系統(tǒng)的時滯現(xiàn)象進行改善。韓國建國大學的HyunKyooKang等人對多層凹版打印系統(tǒng)進行數(shù)學建模，同時采用前饋控制減小寄存器誤差，提不平衡問題進行研究，結合自適應濾波器建立了傳統(tǒng)PID數(shù)學模型，將位置前出了如何選擇最優(yōu)前饋控制參數(shù)的規(guī)則，同時引入預補償改變控制器的時滯實同時基于模型預測控制對煉焦爐的氣體收集控制系統(tǒng)進行了設計，通過仿真驗本課題以鋰電池疊片機為研究對象，打破傳統(tǒng)隔離膜被動放卷方案，研發(fā)(1)根據(jù)鋰電池疊片機工作原理，建立隔離膜在運動過程中的運動學數(shù)學模型，其中包括疊片平臺部分隔離膜位移變化運動學模型，儲料軸部分隔離膜位移變化數(shù)學模型，張力擺臂的隔離膜長度與張力擺角度變化關系數(shù)學模型，初始卷徑計算數(shù)學模型，實時卷徑迭代數(shù)學模型以及張力擺臂的動力學數(shù)學模(2)為鋰電池疊片機張力控制和糾偏控制系統(tǒng)進行選型，主要包括控制器的選型，HMI觸摸屏的選型，伺服電機選型。結合選型對控制系統(tǒng)進行系統(tǒng)搭建，采用先進的EtherCAT通信技術實現(xiàn)信息的高速傳輸。為張力控制系統(tǒng)進行控制策略設計，主要設計了兩種控制策略，即電子凸輪控制方案和主從同步的實時控制方案，結合兩種控制方案的優(yōu)缺點，最終確定選用主從同步的實時控制方案。為糾偏控制系統(tǒng)設計了推導料板的方案，并結合糾偏傳感器設計了糾(3)基于已經(jīng)建立的數(shù)學模型和已經(jīng)設計好的控制策略，采用Matlab對系統(tǒng)進行仿真驗證。首先對直線電機和旋轉電機進行動力學數(shù)學建模，通過最小二乘參數(shù)辨識方法對直線電機動力學數(shù)學模型和旋轉電機動力學數(shù)學模型進行參數(shù)辨識，得到直線電機和旋轉電機的傳遞函數(shù)。對疊片平臺直線電機的運行軌跡進行非對稱S曲線軌跡規(guī)劃，對壓刀進行一次函數(shù)軌跡規(guī)劃。根據(jù)隔離膜運動學數(shù)學模型和伺服電機的傳遞函數(shù)仿真出儲料直線電機的運行軌跡，伺服電機在仿真過程中存在跟隨誤差，所有的跟隨誤差在數(shù)學模型的作用下最終7反饋到了張力擺桿上，從而通過仿真得出了張力擺桿的波動量，當波動量很小時，說明設計的張力控制系統(tǒng)方案可行性高。在解決糾偏問題上，設計了模糊控制算法，并搭建了Matlab/Simulink的模糊控制仿真系統(tǒng)，在階躍信號的激勵下，如果糾偏控制器能夠快速收斂并達到穩(wěn)定，說明模糊控制算法具有可行性。(4)在仿真結果的基礎上，搭建了鋰電池疊片機實驗平臺。通過實驗數(shù)據(jù)驗證系統(tǒng)設計的合理性，主要通過放卷軸的放卷速度波動量驗證主動連續(xù)放卷方案是否可行，通過張力擺桿的波動量驗證系統(tǒng)張力波動大小，通過測量疊片數(shù)據(jù)驗證糾偏控制方案的合理性。(5)實驗初期，系統(tǒng)的張力控制并不穩(wěn)定，隔離膜的對齊度也不理想，通過分析發(fā)現(xiàn)直線電機在高速運動過程中存在很大的跟隨誤差，為此，為系統(tǒng)加入了前饋補償控制和預測控制算法，通過優(yōu)化之后系統(tǒng)張力控制穩(wěn)定，隔離膜對齊度也達標，并且完成超過了預期水平。8第2章鋰電池疊片機張力控制系統(tǒng)數(shù)學建模本章首先對鋰電池疊片機的工作原理進行分析，然后建立整套隔離膜張力控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，包括隔離膜拉伸與回縮時的運動學數(shù)學模型、放卷時的卷徑迭代數(shù)學模型、初始卷徑計算數(shù)學模型、儲料軸儲料運動學數(shù)學模型、張力擺桿運動學數(shù)學模型、張力擺桿動力學數(shù)學模型等。鋰電池疊片機SolidWorks三維模型如圖2-1所示，其工作原理圖如圖2-2所示，其中鋰電池疊片平臺周期性往返運動，配合壓刀實現(xiàn)鋰電池Z形疊片，采用儲料軸儲存放卷軸放出的隔離膜和疊片平臺引起回縮的隔離膜，張力擺桿控制系統(tǒng)張力處于穩(wěn)定。通過分析可以知道，系統(tǒng)的張力波動主要受隔離膜的縮放影響，其縮放量與疊片平臺、壓刀、儲料軸、放卷軸等的運動有關，因此建立這幾部分的運動與隔離膜的運動數(shù)學關系是間接控制系統(tǒng)張力穩(wěn)定的關鍵。放卷軸圖2-1疊片平臺三維模型圖圖2-2鋰電池疊片機張力系統(tǒng)工作原理圖2.2隔離膜伸縮量數(shù)學建模疊片平臺和壓刀的劇烈運動對系統(tǒng)張力影響最大，因為疊片平臺和壓刀的運動是導致隔離膜回縮的關鍵，單獨將疊片平臺和壓刀部分拿出來分析。以疊片平臺的最左位置從B點運動到F點的半個周期運動為研究，建立疊片平臺和9壓刀與隔離膜長度變化的數(shù)學關系。疊片平臺最右位置從E點運動到A點為后半個周期，其數(shù)學建模理論與前半個周期類似。如圖2-3所示為疊片平臺和壓刀與隔離膜的幾何關系圖，定義m為B點相對于中心O點的位移，x為疊片平臺中心的位移，a為鋰電池的疊片寬度，e為固定輥中心O?到疊片平臺工作平面的距離，定棍O?,O?為1。由此可得m與x之間的關系：以下隔離膜的總長度圖2-4壓刀尺寸簡圖(1)壓刀的尺寸簡圖如圖2-4所示，當疊片平臺最右位置位于A點時，假設疊片平臺靜止不動，作輔助線如圖2-5所示，則O?N為一定常值：O?N=mmx+a。隔離膜長度計算如下：NP=e-h圖2-5疊片平臺處于最右位置簡圖圖2-6左壓刀壓下隔離膜簡圖(2)左壓刀最先開始運動，假設左壓力初始位置為左壓刀底平面與隔離膜相切的位置，垂直壓下隔離膜，其運動簡圖如圖2-6所示，設壓刀的運動位移為μ,壓刀壓下隔離膜期間，隔離膜的長度變化數(shù)學關系計算如下：B?P=a-(z-w)/2HO?=d?/2O?M=m-fB?M=e-μ(3)當壓刀運行到位后，疊片平臺開始向左運動，直到疊片平臺上的最右位置B點運動到C?點，其中C?點為壓刀的最右端點到原點的距離為f的點，如圖2-7所示。疊片平臺B點在B點與C?點之間運動時，建立隔離膜的長度變化數(shù)學關系，計算如下：ZGO?H=180°-∠ICB-∠CBIOM=m-f(4)疊片平臺繼續(xù)向左運動，B點從C?點運動到C點之間的運動簡圖如圖2-8所示，其中C點為隔離膜與定棍O?相切時，隔離膜的延長線與疊片平臺工作平面相交的點。疊片平臺B點在C?點與C點之間運動時，建立隔離膜的長度變化數(shù)學關系，計算如下：NC=e圖2-7B點向左運動到C?點簡圖圖2-8B點從C?點運動到C點簡圖點之間的運動簡圖如圖2-9所示，其中0點為疊片平臺工作位置中心線與疊片平臺工作平面的交點。疊片平臺B點在C點與O點之間運動時，建立隔離膜的長度變化數(shù)學關系，計算如下：(6)疊片平臺繼續(xù)向左運動，此時處于疊片平臺中心交界位置，實際情況下O?棍和O?棍之間總會存在間隙，本研究假設兩棍之間的間隙可以忽略不計，即n-d?/2≈0,所以，當疊片平臺上的B點在[-(n-d?/2),(n-d?/2)]區(qū)間內運動時，隔離膜的長度變化不做考慮，此時隔離膜的長度變化數(shù)學關系為：(7)疊片平臺繼續(xù)向左運動，B點從O點向D點運動期間的簡圖如圖2-10所示，其中D點為隔離膜與O?棍相切時的延長線與疊片平臺的工作平面相交的點。疊片平臺B點在O點與D點之間運動時，建立隔離膜的長度變化數(shù)學關系，計算如下：DK=h?+[b-(d?/2)·sinλ-h]/cosa(8)疊片平臺繼續(xù)向左運動，B點從D點運動到D?點的運動簡圖如圖2-11所示，D?點為左壓刀的最右端點到疊片平臺中心點的距離為f的點。疊片平臺B點在D點與D?點之間運動時，建立隔離膜的長度變化數(shù)學關系，計算如下：?=z+w+h+√[(z-w)/2]2大(一九)+92z+(z-w)/22+h2F?H=√o?N2+NF?2-(a,/2NF?=e-h(9)疊片平臺繼續(xù)向左運動，B點從D?點運動到F?點的運動簡圖如圖2-12所示，其中F?點為壓刀的傾角的延長線與O?輥相切時疊片平臺上B點對應的位置。疊片平臺B點在D?點與F?點之間運動時，建立隔離膜的長度變化數(shù)學關系，計算如下：式中NF?=e-h(10)疊片平臺繼續(xù)向左運動，B點從F?點運動到F點的運動簡圖如圖2-13所示，其中F點為疊片平臺上B點的最左極限位置。疊片平臺B點在F?點與F點之間運動時，建立隔離膜的長度變化數(shù)學關系，計算如下：NP=e-h圖2-14儲料輥運動簡圖2.3儲料軸部分幾何分析及數(shù)學推導隔離膜的伸縮依靠儲料軸來儲存，疊片平臺和壓刀引起的隔離膜長度變化在前面章節(jié)已經(jīng)求出。下面對儲料軸的運動進行分析，如圖2-14所示，設儲料軸的位移為y,隔離膜與圓棍的圓心包角為α。以O?、O?、O?三個點共線時O?作為儲料棍的零點O,從圖中的幾何位置觀察，儲料棍的位移與隔離膜的長度變化關系需要分兩段考慮：儲料棍O?從零點運動到與O?O?連線相切的位置之間的幾何關系；O?繼續(xù)向右運動時的幾何關系。在這段運行期間隔離膜的長度與儲料軸位置之間的關系為：式中：儲料軸的移動量y根據(jù)疊片平臺的往復運動引起的隔離膜伸縮變化和放卷軸的放卷量變化而變化，因此在儲料軸上產(chǎn)生的總膜長變化關系為：式中l(wèi)initial——疊片平臺位于初始位置時的隔離膜長度；Lroll——放卷軸放出的隔離膜長度；△l——隔離膜的運動增量：△l=-(l-initia);l——疊片平臺和壓刀引起的隔離膜長度變化；1——O?到O?之間的距離。2.4張力擺部分隔離膜長度分析如圖2-15所示為張力擺部分的幾何原理圖，其中棍O?和棍O?固定不動，O?O??O?為張力擺的中心線，張力擺的擺角β為張力擺中心線與水平線之間的夾角。規(guī)定以水平線為基準，當張力擺逆時針轉動一個角度時β為正角，當張力擺順時針轉動一個角度時β為負角，張力擺部分的隔離膜長度為點A至點F的膜長。已知O?、O10、O?1三點固定不動并且共線，根據(jù)該幾何關系對張力擺的角度變化與隔離膜長度變化建立數(shù)學關系。D當張力擺處于水平位置時，設∠AO?B=ZCO?D=γ,通過幾何關系可以建立以下關系式：將上式整理后得到角度γ的數(shù)學表達式：張力擺在理想情況下是靜止狀態(tài)，但在實際系統(tǒng)運行時，由于系統(tǒng)張力的波動，導致張力擺桿波動，張力擺部分的隔離膜長度變化與張力擺桿角度變化之間的關系為：ZCO?D=γ-βEO??=√O?0?2-(d?/2)22.5初始料卷卷徑計算數(shù)學建模在每一次換隔離膜料卷的時候，料卷卷徑都是未知的，因此需要對初始卷徑進行計算。本研究中初始卷徑計算原理為：首先將疊片平臺以及儲料輥調整到規(guī)定的初始位置，然后將張力輥偏轉一定角度并施加恒扭矩控制，通過控制放卷電機的正反轉使隔離膜張力處于穩(wěn)定，此時記錄放卷輥所處位置為位置G,在該基礎上，放卷輥繼續(xù)放卷或收卷真到張力擺桿達到水平位置，以及隔離膜張力恒定，此時記錄放卷軸的位置H,如圖2-16所示。張力擺桿轉過的角度已知，根據(jù)前面章節(jié)的數(shù)學模型可以計算出張力擺轉過的角度對應的隔離膜長度，同時結合放卷電機轉過的角度可以計算出初始卷徑。張力擺轉動一定角度引起的隔離膜的長度變化為：根據(jù)放卷軸初始位置與運動一定角度后的位置的幾何關系可知：從而可以推導出初始卷徑：2.6隔離膜放卷卷徑迭代數(shù)學建模隔離膜在放卷過程中，料卷卷徑是實時變化的，導致放卷速度也會發(fā)生變化，因此需要對卷徑迭代進行數(shù)學建模。如圖2-17所示為隔離膜料卷尺寸結構圖，do為料卷內徑，d為料卷外徑。如圖2-18所示為隔離膜攤平之后的隔離膜尺寸結構圖，其中隔離膜厚度為m,隔離膜長度為L。圖2-17料卷尺寸圖隔離膜料卷為攤平后的隔離膜緊密貼合圈繞而成，由此可知，隔離膜料卷圓環(huán)面積應該與隔離膜側面截面積相等，其關系為：化簡之后可以得到隔離膜料卷直徑d:在本研究中料卷上的隔離膜長度L是隨時間變化的，其變化關系為：式中L?——整卷隔離膜的初始長度：將上式化簡后，得到隔離膜料卷卷徑與時間之間的關系：根據(jù)圖2-17可以計算出放卷軸線速度與轉速之間的關系：若要保持張力處于恒定，則v?=V?,課題要求的放卷速度v?已知，可以推導出放卷軸轉速n的表達式為：2.7張力擺臂動力學分析張力擺桿主要用于控制整個隔離膜放卷系統(tǒng)的張力處于恒定，并通過絕對式編碼器檢測張力擺桿偏轉量，并通過偏轉量對放卷速度進行PID調節(jié)，因此，它是整個張力控制系統(tǒng)的關鍵部件。張力擺在運動時會受到動能的影響而使系統(tǒng)張力波動，因此需要對張力擺桿進行動力學數(shù)學建模，如圖2-19所示為張力擺桿的受力簡圖。張力擺由旋轉電機驅動，F(xiàn)為隔離膜張力，為保證隔離膜張力恒定，需要對旋轉電機施加驅動力，其驅動力大小主要受隔離膜張力和張力擺轉動慣量影響，為此建立其動力學數(shù)學模型。張力擺桿的總轉動慣量為：式中m?——擺桿質量；m?——擺桿上的過料棍質量。在恒張力控制系統(tǒng)中，電機驅動力與隔離膜張力和張力擺慣性力平衡，從而計算出張力擺驅動電機需要的驅動力矩：式中β——張力擺當前時刻的角加速度，在實際應用中可以通過伺服參數(shù)反饋由上式可知，在理想情況下張力擺角加速度為0,電機驅動力只與隔離膜張力大小有關系。本章主要對鋰電池疊片機張力控制系統(tǒng)進行數(shù)學建模，根據(jù)鋰電池疊片機的工作原理可知，隔離膜儲料軸的數(shù)學模型需要根據(jù)隔離膜伸縮量和放卷軸放卷量確定，因此首先建立了前半個周期疊片平臺和壓刀引起的隔離膜長度變化數(shù)學模型，然后推導儲料軸的運動學數(shù)學模型。為節(jié)省上料初期工作人員的工作量以及提高初始卷徑測量精度，制定了初始卷徑計算策略以及初始卷徑計算數(shù)學模型。在疊片過程中，隔離膜料卷卷徑會實時變化，在保證隔離膜勻速放卷的前提下，對卷徑迭代進行了數(shù)學推導，從而推導出了放卷軸的放卷速度。張力擺臂作為控制系統(tǒng)張力的關鍵部件，通過推導其動力學數(shù)學模型得出了張力擺桿的控制力矩。第3章鋰電池疊片機張力與糾偏控制系統(tǒng)設計鋰電池疊片機的控制系統(tǒng)相比鋰電池卷繞機更加復雜，因為卷繞機的隔離膜在傳輸過程中為單方向運動，張力波動相對較小。而鋰電池疊片機在疊片過程中疊片平臺為間歇性往復運動，導致隔離膜存在拉伸與回縮現(xiàn)象，從機械結構考慮，目前還沒有能解決該問題的方案，因此對鋰電池疊片機控制系統(tǒng)的設計顯得至關重要。本章主要根據(jù)客戶需求以及設計要求確定鋰電池疊片機的必要功能，同時根據(jù)功能需求設計控制系統(tǒng)。鋰電池疊片機控制系統(tǒng)主要包括運動控制模塊、I/O模塊、高速I/O模塊、外接觸摸屏模塊、復雜邏輯控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊等。張力與糾偏控制部分的運動控制是本研究的重點，因此需要對張力與糾偏控制系統(tǒng)制定控制策略。3.2張力與糾偏控制系統(tǒng)選型自動化工業(yè)中最常用的控制器是可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController),簡稱PLC。最主要的特點是使用方便、編程簡單，功能強、性價在工業(yè)中得到廣泛應用，因此，本設計以PLC作為控制器確定控制系統(tǒng)的方案設計。通過比較國內外的PLC性能、考慮成本以及實際需求等因素，最終確定選用匯川AM600中型PLC,其主要性能如表3-1所示。M600中型PLC性能參數(shù)性能參數(shù)性能參數(shù)主處理器Cortex-A8處理器定位運動控制32軸EtherCAT定位控制，4軸脈沖用戶程序容量凸輪運動控制16軸EtherCAT凸輪控制用戶數(shù)據(jù)容量插補運動控制基于EtherCAT可實現(xiàn)多組三軸插補標配總線通用以太網(wǎng)；串行通信內置高速輸入內置高速輸出匯川AM600中型PLC內置高速I/O,具有16通道200K高速輸入和8通道200K高速輸出，可支持4軸脈沖運動控制，基本上能夠滿足本設計需求。3.2.2HMI產(chǎn)品選型觸摸屏主要用于與用戶進行人機交互以及系統(tǒng)控制，通常包括裝備的運行狀態(tài)顯示、基本參數(shù)設置以及指令設置。本研究選用匯川IT5000系列HMI產(chǎn)品，該產(chǎn)品具有高性能、大容量、易使用、接口豐富等特點。結合其性價比，完全能滿足本設計需求。如圖3-1所示為IT5000系列觸摸屏的線路連接示意圖，PC機通過USB連接觸摸屏，通過InotouchEditor軟件對觸摸屏界面進行設計以及內存分配，同時觸摸屏通過RS485與PLC進行連接與通信。PC機PLCPC機PLCI/O模塊伺服電機的選型直接關系到搭建系統(tǒng)的成本以及后期量產(chǎn)設備的成本，同時，如果伺服電機選型不合理，后期將無法滿足設計需求，對系統(tǒng)的性能也會有決定性的影響。相反，如果伺服電機選型合理，不但可以降低設計成本，而且可以使系統(tǒng)的設計達到最優(yōu)化。本研究總共需要用到6個旋轉電機，分別為左壓刀電機、右壓刀電機、平臺升降電機、放卷電機、張力擺桿電機、糾偏電機等。左壓刀電機和右壓刀電機主要是實現(xiàn)疊片機在往返疊片過程中壓住隔離膜和極片的作用。在周期性疊片過程中鋰電池越疊越厚，導致疊片的工作平面周期性變化，為此采用升降電機使疊片時的工作平面始終不變。放卷電機主要用于隔離膜的勻速和變速主動放卷，張力擺桿電機主要是實現(xiàn)系統(tǒng)恒扭矩控制，控制系統(tǒng)張力恒定。當隔離膜傳送過程中出現(xiàn)偏斜時，引入糾偏電機，推動導旋轉電機的選擇需按照其選型原則以及根據(jù)實際情況確定，通過伺服電機選型原則和注意事項[42可知旋轉電機的選型主要考慮：轉子慣量、額定轉速、轉矩、加減速轉矩、連續(xù)時效負載轉矩等因素。本研究中的各個旋轉電機，根據(jù)不同的性能要求以及價格要求，選定了如下匯川技術股份有限公司的幾款旋轉電機，其性能參數(shù)如表3-2所示，其驅動器采用本款伺服電機配套的驅動器名稱型號額定轉轉動慣量瞬時最大電流Arms左壓刀電機右壓刀電機平臺升降電機放卷電機張力擺桿電機糾偏電機以上電機額定轉速均為3000r/min,最高轉速均為6000r/min。直線電機作為本系統(tǒng)設計的要點球其進行選型也是重中之重。本系統(tǒng)主要使用了兩個直線電機，即疊片平臺直線電機和儲料軸直線電機。疊片平臺直線電機主要用于拖動疊片平臺往返運動，實現(xiàn)鋰電池Z形疊片。儲料軸直線電機主要用于疊片過程中，實現(xiàn)膜帶的儲存與放料。結合公司的成本預算以及系統(tǒng)需求，本研究選擇采用東莞市智贏智能裝備有限公司提供的兩款直線電機型號，其性能參數(shù)如表3-3所示。表3-3鋰電池疊片機直線電機型號規(guī)格說明表名稱型號連續(xù)推力推力動子重量氣隙推力常數(shù)最大功率連續(xù)功率動子最高溫度疊片平臺直線電機15儲料直線電機從上表可以看出，所選擇的直線電機型號中，疊片平臺直線電機各方面性能均比儲料直線電機性能參數(shù)大，其主要原因是負載重量不一樣。疊片平臺直線電機負載質量大約是35kg,動子質量大約10kg,而儲料直線電機所帶的負載僅僅只有5kg,動子質量大約2kg,所以需要選擇性能參數(shù)更大的直線電機來拖動疊片平臺運動。3.3張力與糾偏控制系統(tǒng)方案設計通過前面章節(jié)確定本研究主要由AM600作為系統(tǒng)主控制器，通過觸摸屏與電池疊片機張力控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。較高的場合，需要用高速I/O滿足系統(tǒng)需求，在本研究中，高速I/O主要用于接收糾偏傳感器的反饋信號，通過與設定偏差比較確定糾偏量。左壓刀電機隔膜儲料直線電機疊片平臺直線電機其他傳感器左壓刀電機隔膜儲料直線電機疊片平臺直線電機I/O模塊模塊主控制器Y白臺Y白臺降電機觸摸屏糾偏電機張力擺桿電機放卷電機糾偏電機張力擺桿電機放卷電機右壓刀電機總線系統(tǒng)，具有高精度設備同步，高速度傳輸，適用于主站/從站、主站/主站之間的數(shù)據(jù)交互等特點。目前使用最多的通信協(xié)議是CAN總線技術，隨著控制器與驅動器、驅動器與驅動器之間的通訊，同時結合相應的算法實現(xiàn)主從同步控制。張力和糾偏控制是動力鋰電池疊片機的關鍵技術之一，在計算出系統(tǒng)的運動學模型基礎上，對系統(tǒng)進行高效高精度的控制是本課題的核心。只有在系統(tǒng)張力控制穩(wěn)定的前提下，糾偏傳感器才能正確檢測到隔離膜的偏移量，為此，首先對張力控制系統(tǒng)制定控制策略。小時隔離膜容易出現(xiàn)褶皺、回縮，導致鋰電池疊片過程中隔離膜產(chǎn)生疊偏現(xiàn)象。根據(jù)這些思路，規(guī)劃以下的兩種間接張力控制策略。如圖3-3所示為采用固定電子凸輪的控制策略框圖，放卷輥主動勻速放卷，依靠張力擺恒轉矩控制，同時保證整個系統(tǒng)的張力恒定，當張力擺出現(xiàn)偏移時，采用PID調整放卷速度，實現(xiàn)放卷輥主動變速放卷。放卷速度子凸輪曲線運動偏移量圖3-3電子凸輪控制策略框圖的同步周期拉長，這對運動控制是很不利的。時控制。如圖3-4所示為鋰電池疊片機實時動態(tài)規(guī)劃張力控制系統(tǒng)框圖，其中放卷張力擺達到平衡，實現(xiàn)恒轉矩控制。位置反饋位置反饋算運行軌跡圖3-4動態(tài)規(guī)劃控制策略框圖常用的糾偏機構是蛇形糾偏器，只適用于隔離膜慢速傳送和遠距離傳送系統(tǒng)的糾偏。然而，本系統(tǒng)的疊片平臺高速運動，蛇形糾偏器無法滿足系統(tǒng)需求，為此設計了推平板機構，當疊片平臺處的隔離膜出現(xiàn)偏差時，通過伺服電機推如圖3-5所示為糾偏控制策略框圖，設定固定的檢測值，當出現(xiàn)偏差時，糾偏傳感器的檢測值會波動，波動值與設定值進行比較可以計算出糾偏量，根據(jù)偏差量的多少控制糾偏伺服電機運動，進行糾偏控制。根據(jù)糾偏傳感器的工作原理可知，只有當張力控制穩(wěn)定時，糾偏傳感器才能正確的檢測到偏移量。糾偏檢測裝置圖3-5糾偏控制策略框圖本章針對設計需求以及系統(tǒng)需求為張力控制系統(tǒng)及糾偏控制系統(tǒng)的硬件部分進行了系統(tǒng)選型，主要包括控制器的選型、HMI的選型、各旋轉伺服電機的選型以及直線電機的選型。通過各方面的比較以及功能需求，控制器最終選用匯川AM600中型PLC,HMI觸摸屏選用IT5000系列的產(chǎn)品，旋轉電機也是選用匯川公司的一系列產(chǎn)品，直線電機選擇了東莞智贏公司的兩款直線電機，這些國產(chǎn)產(chǎn)品普遍具有價格低，功能全的特點，為后期考慮可以節(jié)省很多成本。在確定控制系統(tǒng)硬件選型之后進行了控制系統(tǒng)的框圖搭建，基于EtherCAT總線本章為系統(tǒng)設計了兩套張力控制策略，分別是電子凸輪控制策略和實時動態(tài)規(guī)劃控制策略，電子凸輪方案會使系統(tǒng)的同步周期拉長，而實時動態(tài)規(guī)劃方案能縮短系統(tǒng)的同步周期，同時可以實現(xiàn)復雜的控制算法，結合兩種控制策略的優(yōu)缺點，最終確定采用實時動態(tài)規(guī)劃控制策略。設計了糾偏控制策略，打破傳統(tǒng)糾偏方法，采用旋轉電機帶動絲桿推動導料板前后運動的糾偏方案，能滿足系統(tǒng)的高速糾偏需求。第4章鋰電池疊片機張力與糾偏控制系統(tǒng)仿真在數(shù)學模型已經(jīng)建立、控制策略已經(jīng)設計好的情況下需要對系統(tǒng)進行仿真驗證，本章采用Matlab對張力控制系統(tǒng)進行仿真驗證，首先建立直線電機和旋轉電機的動力學數(shù)學模型，將其等效為二階系統(tǒng)，采用最小二乘參數(shù)辨識方法對系統(tǒng)進行參數(shù)辨識，求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，通過對直線電機和旋轉電機進行軌跡規(guī)劃模擬現(xiàn)實系統(tǒng)的運行情況評估系統(tǒng)的可行性。通過Matlab/Simulink搭建模糊控制系統(tǒng)仿真框圖，在階躍信號的激勵下，觀察模糊糾偏控制算法的穩(wěn)定性。4.2伺服系統(tǒng)數(shù)學建模系統(tǒng)仿真是指通過計算機軟件模擬實際系統(tǒng)運行情況，從仿真結果推斷系統(tǒng)設計的可行性。本研究采用旋轉伺服電機和直線伺服電機驅動系統(tǒng)運行，為了得到與實際系統(tǒng)運行相似的效果，本研究需要推導出直線電機和旋轉電機的動力學數(shù)學模型，通過動力學數(shù)學模型求出直線電機和旋轉電機的傳遞函數(shù)，為后面的系統(tǒng)仿真做準備工作。交流伺服電機分為交流伺服同步電機和交流伺服異步電機，永磁同步電機是交流伺服同步電機的一種，其定子電流與繞線式同步電機基本相同，因為其輸入為對稱正弦交流電，所以也稱其為交流永磁同步電機。永磁同步電機按驅動電流的波形不同可以分為兩種：一種是無刷直流電機，采用方波電流驅動；另一種是永磁同步交流伺服電機，采用正弦波電流驅動。永磁同步電機的控制方式一般采用忽略鐵損時的d、q軸數(shù)學模型431,主要為永磁同步電機的d-q軸數(shù)學解析模型圖。忽略鐵損時，永磁同步電機的各狀態(tài)量之間的關系如下：電流關系式：式中ia、i?——d、q軸定子電流，穩(wěn)態(tài)時I?=√3I,(I,為相電流有效值)。磁鏈關系式：電壓關系式：式中Tm和T,——分別表示永磁轉矩和磁阻轉矩直線電機可以認為是旋轉電機沿徑向剖開，并展開成平面而成[441,如圖4-2稱電流時，便會在定子和動子之間的氣隙中產(chǎn)生磁場，當三相對稱電流隨時間變化時，動子和定子之間的磁場就會沿直線移動，從而帶動動子沿直線移動，動速度是一致的。同時結合光柵尺、細分盒的反饋，在驅動器和控制算法的作用下使直線電機實現(xiàn)位置、速度控制。根據(jù)直線永磁同步電機的工作原理，建立直線永磁同步電機的d、q軸數(shù)學模型如下：uμ,u?——分別為初級d軸和q軸電壓；La,L?——分別為d軸和q軸電感；ia,i?——分別為d軸和q軸電流；ψ,——永磁體勵磁基波磁鏈；R?——電樞繞組電阻；v,——動子速度；t——永磁體極距；p——微分算子，p=dldt。根據(jù)雙軸理論，可導出直線永磁同步電機電磁力公式如下：采用ia=0控制策略，則：根據(jù)物理定理，直線電機的動力學方程可以表述為：式中Fo——直線電機負載力；F,——直線電機推力；M——直線電機次級質量；x——直線電機直線位移。系統(tǒng)參數(shù)辨識是指通過物理論建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，然后通過實驗采集系統(tǒng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)，應用數(shù)學理論推導出輸入輸出與數(shù)學模型的關系，從而得到一個估計的數(shù)學模型，參數(shù)辨識方法一般應用于采用解析法無法得到系統(tǒng)數(shù)學模型的場合。系統(tǒng)參數(shù)辨識實質上是使辨識后得到的數(shù)學模型的輸入輸出關系與實際測量的系統(tǒng)輸入輸出關系誤差最小。實際上是一個找最優(yōu)解的問題，常用的算法有極大似然法、誤差預測估計法和最小二乘法等。最小二乘法是采用誤差估計方法使求得的數(shù)據(jù)與實際的數(shù)據(jù)的誤差平方和最小，在參數(shù)辨識方法里面使用最廣，而且其他的參數(shù)辨識方法一般都是從最小二乘方法中衍生出來的，很多在線參數(shù)辨識都可以采用最小二乘參數(shù)辨識方法。本研究主要以最小二乘方法為研究分別對疊片平臺直線電機和儲料直線電機進行離線參數(shù)辨識，求出其傳遞函數(shù)，為后面的仿真驗證做準備，其余各旋轉伺服參數(shù)辨識理論在文中省略。疊片平臺是由直線電機驅動其左右往返運動，前面建立的直線電機動力學參數(shù)模型較復雜，為便于設計需對模型進行進一步簡化，可將其近似等效為：式中K,——直線電機力常數(shù)；K.——反電動勢力常數(shù)；M——負載慣量。為簡化參數(shù)辨識，對上式進行簡化，得到以下直線電機參數(shù)模型：對上式進行Laplace變換，可以得出電流指令與位移直接的傳遞函數(shù)：式中t,B——待估計參數(shù)；x——直線電機的加速度；x——直線電機速度；i——速度和加速度對應時刻的電流辰在實際系統(tǒng)中，電流、速度、加速度這三個參數(shù)可以通過測量得到，在理想情況下只需要兩組參數(shù)就可以得到t和B,但每次測量都存在隨機誤差，則公式(4-18)可以表述為：N次測量之后，總測量誤差可以表述為：采用最小二乘估計算法來計算t和B,此時需要計算每次測量誤差的平方和上式分別對t和B求偏導數(shù)得：化簡和去括號之后整理得：解以上方程可得：通過采集伺服系統(tǒng)數(shù)據(jù)，經(jīng)Matlab仿真計算，得出疊片平臺的最終辨識模疊片過程中隔離膜會產(chǎn)生回縮以及需要提前儲存部分隔離膜，為此需要設計儲料軸控制膜帶的拉伸與回縮，本研究設計采用如圖4-3所示的儲料機構，考慮直線伺服具有高響應性，儲料輥采用直線伺服驅動，其運行軌跡通過數(shù)學模型建立，其傳遞函數(shù)與疊片平臺相同，但儲料軸與疊片平臺負載重量不一樣，從而其響應性也存在差異，為此需要對其進行參數(shù)辨識。與前面小結相似，通過采集伺服系統(tǒng)數(shù)據(jù)，經(jīng)Matlab仿真計算，得出儲料直線電機的最終辨識模型為：常用的直線電機軌跡規(guī)劃方法有三角形速度曲線如圖4-4所示、梯形速度曲線如圖4-5所示、對稱S形速度曲線如圖4-6所示以及非對稱S形速度曲線如圖4-7所示。00加速度圖4-4三角形速度曲線1500知識星球鋰電派圖4-5梯形速度曲線位移(mm)位移(mm)0圖4-6對稱S形速度曲線0時間(s)0時間(s)圖4-7非對稱S形速度曲線分析可知，三角形速度曲線與梯形速度曲線，其最大加速度小，但啟動瞬間加速度很大，會導致疊片平臺震動。對稱S形速度曲線與非對稱S形速度曲線其加速度平滑，但加速時間長，導致最大加速度過大。疊片平臺在高速往復運動時，系統(tǒng)沖擊很大，為避免疊片平臺整體機械系統(tǒng)受沖擊作用而產(chǎn)生振動，在本研究中，采用非對稱S曲線進行軌跡規(guī)劃，同時將疊片平臺直線電機的傳遞函數(shù)加入系統(tǒng)進行仿真，其仿真電機跟隨曲線如圖4-8疊片平臺運行軌跡仿真圖4-9疊片平臺仿真跟隨誤差曲線隔離膜的變化還與壓刀的運動有關，為了獲得精確的隔離膜變化曲線，需要對壓刀的軌跡進行規(guī)劃、該項目中左右壓刀為循環(huán)工作。由于壓刀位移非常小，采用勻速壓下的運動軌跡，如圖4-10所示。變化關系主要包括疊片平臺以及壓刀的運動引起的隔離膜變化和放卷軸放卷引起的隔離膜變化。其中疊片平臺、壓刀軌跡在前面小結均已規(guī)劃完成，放卷軸差跟隨曲線如圖4-12所示。0在理想情況下，張力擺桿處于平衡靜止狀態(tài)，在恒扭矩伺服電機作用下，維持系統(tǒng)張力處于恒定，但在實際情況中，疊片平臺和儲料軸伺服系統(tǒng)存在響應誤差，這些跟隨誤差使隔離膜長度變化的數(shù)學模型不準確，從而將誤差集中反映到了張力擺桿上，導致張力擺桿波動，其仿真擺桿波動曲線如圖4-13所示。0圖4-13識擺愣真疲動曲線圖通過曲線可以知道張力擺桿的波動范圍很小，在仿真過程中，主要受伺服系統(tǒng)的位置響應性影響。由此可以斷定該方案可行。4.5糾偏模糊控制推理與仿真糾偏控制方法分為很多種，主要以傳統(tǒng)PID控制方法為主，隨著計算機技術的發(fā)展，很多智能控制方法被研究出來。傳統(tǒng)的PID控制方法只適用于糾偏精度要求不高且疊片速度慢的場合，很多應用案例表明模糊控制方法比傳統(tǒng)PID控制方法具有更好的控制效果，且可以試用于高速場合。因此，本研究為糾偏控制方法設置了一階模糊控制算法。模糊控制系統(tǒng)主要由模糊控制器和控制對象組成，如圖4-14所示。由于模糊控制器對系統(tǒng)進行處理是基于模糊集合的方法，因此對輸入數(shù)據(jù)進行模糊化放在模糊控制器的第一步。模糊化后的數(shù)據(jù)需要進行模糊推理，采用模糊邏輯對系統(tǒng)進行推理，一般模糊化語言都是不可控的，需要采用一些算法將其轉化為可控量，清晰化處理就是將模糊量轉化為可控量，知識庫是由一些專家的經(jīng)驗組成的數(shù)據(jù)庫，一般包括數(shù)據(jù)庫和模糊控制規(guī)則庫兩部分。糾偏控制主要用于檢測鋰電池疊片機疊片過程中的隔離膜對齊度，當出現(xiàn)隔離膜偏離時，通過旋轉電機帶動絲桿，推動整個導料臺前后運動，實現(xiàn)隔離膜的糾偏控制。本研究主要采用基恩士品牌的LV-NH100數(shù)字式紅外線糾偏傳感頭作為檢測元件，采用基恩士品牌的LV-N11MN作為信號放大器，通過最大檢測數(shù)字與最小檢測數(shù)字比值確定糾偏量，其工作原理如圖4-15所示。糾偏傳感器圖4-15糾偏傳感器工作原理圖將糾偏傳感器設定值與檢測值之差轉換為位置信息作為系統(tǒng)偏差，采用一維模糊控制系統(tǒng)，將隔離膜的的偏差作為模糊控制器的輸入，其關系為：式中recmin——用隔離膜全部遮住紅外線糾偏傳感器時的觀測值；recm——拿開隔離膜之后紅外線糾偏傳感器的觀測值；x——隔離膜距離中心線的距離。在正常情況下隔離膜的邊緣線處于紅外線糾偏傳感器的正中心，通過檢測為了設計的方便，對以上誤差輸入量進行尺度變換，變換到要求的論域范圍。實際的輸入誤差為e,其變化范圍為[emin,emx],將其變化到要求的論域[emin,emax?],其變化關系為：式中獲得模糊輸入量后對輸入量進行模糊化處理，采用NB表示為負大，NM表示為負中，NS為負小，ZE為零，PS為正小，PM為正中，PB為正大，分別對偏差和糾偏電機速度大小進行如下模糊分割：隔離膜要求的對齊度為±0.25,但在設計過程中需要考慮偏差更大的情況，為此設定誤差的論域為[-0.5,+0.5],經(jīng)過尺度變換變化到設計的論域范圍[-6,+6],因此偏差的量化因子為Ke=12,其隸屬度函數(shù)圖如圖4-16所示。誤差隸屬度函數(shù)糾偏電機采用絲桿傳動，其傳動比為1:5,將糾偏電機最大速度設定為1rps基本可以滿足系統(tǒng)要求，因此實際糾偏電機速度輸出論域為[-1,+1],經(jīng)過尺度變換變化到設計的模糊論域范圍[-10,+10],輸出量的量化因子為Ku=0.1,其隸屬度函數(shù)圖如圖4-17所示。速度隸屬度函數(shù)吃模糊控制需要依靠規(guī)則庫才能獲得輸出，規(guī)則庫主要是通過總結專家的經(jīng)驗，并用適當?shù)恼Z言描述出來，從而獲得模糊控制規(guī)則，主要是由一系列“IF-THEN”等條件語句構成。為此，為糾偏系統(tǒng)建立模糊控制規(guī)則，一維模糊控制規(guī)則簡單，根據(jù)經(jīng)驗設定七條模糊控制規(guī)則。將上表的輸入與輸出之間的關系轉換為曲線圖形，如圖4-18所示。不難看出，當誤差達到最大時，輸出速度變化也是最大，反之，當誤差達到最小時，速度變化也是最小。圖4-18模糊推理系統(tǒng)輸入輸出關系圖模糊推理決定了模糊控制算法的復雜度，采用合適的模糊推理可以使系統(tǒng)控制更方便而且有效，常用的模糊推理方法有似然推理、模糊邏輯的Zedeh推理法、模糊邏輯的Mamdani推理法、模糊邏輯Sugeno推理。本研究采用Mamdani推理法中的極小-極大推理法，當輸入糾偏誤差的模糊量為E′,輸出量模糊集合表示為：式中最終的輸出采用加權平均法對輸出進行清晰化處理：4.5.2糾偏模糊控制仿真糾偏模糊控制仿真主要是基于前面小節(jié)的模糊控制算法以及糾偏電機的傳遞函數(shù)進行響應性分析，通過參數(shù)辨識方法得到糾偏電機的傳遞函數(shù)為：基于Matlab/Simulink搭建如圖4-19所示的仿真控制框圖，系統(tǒng)采樣頻率為1ms,基于模糊控制算法驗證糾偏機構的響應性。在階躍信號的激勵下，最終輸出響應曲線如圖4-20所示，糾偏電機在階躍信號作用下能夠很快的使系統(tǒng)穩(wěn)定并收斂，說明系統(tǒng)穩(wěn)定。圖4-20糾偏模糊控制響應曲線本章首先建立直線電機以及旋轉電機的動力學數(shù)學模型，采用最小二乘參數(shù)辨識方法對動力學數(shù)學模型進行系統(tǒng)參數(shù)辨識，求出伺服電機的傳遞函數(shù)，為仿真做準備。其次分析常用的軌跡規(guī)劃方法，選則合適的速度軌跡對疊片平臺以及壓刀進行軌跡規(guī)劃，根據(jù)實際工況規(guī)劃單個周期內的疊片平臺和壓刀軌跡，在放卷軸勻速放卷的前提下，結合疊片平臺和壓刀的軌跡對系統(tǒng)進行仿真，并得到儲料軸的運行軌跡。系統(tǒng)仿真時存在伺服跟隨誤差，所有的誤差通過數(shù)學模型傳遞到了張力擺桿上，從而得出張力擺桿的波動曲線，最后根據(jù)張力擺桿的波動范圍判斷張力控制方案的可行性。為糾偏控制設計模糊控制算法，結合Matlab/Simulink搭建糾偏模糊控制仿真系統(tǒng)，在階躍信號激勵作用下驗證了模糊控制算法的可行性。第5章鋰電池疊片機實驗研究在仿真結果證明系統(tǒng)設計可行的前提下，搭建鋰電池疊片機實驗平臺，對鋰電池疊片機進行實驗驗證是必須的途徑，同時通過實驗數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設計是本研究要求系統(tǒng)張力控制穩(wěn)定，其主要從張力擺臂的波動量反應，當波動量小時，表示系統(tǒng)張力控制穩(wěn)定，反之張力波動很大。放卷軸主要反映系統(tǒng)是否為主動連續(xù)放卷，當放卷軸速度波動大時，說明實際系統(tǒng)與設計背離，當放卷軸速度波動很小時，說明系統(tǒng)穩(wěn)定。系統(tǒng)是否可以量產(chǎn)主要取決于疊片機的疊片效果，當疊片機疊片效果顯著時，說明本系統(tǒng)已經(jīng)達到投產(chǎn)標準，反之還根據(jù)前面章節(jié)的系統(tǒng)選型，以及本系統(tǒng)的工作原理圖，搭建如圖5-1所示的實驗平臺。鋰電池疊片機實驗平臺主要包括放卷模塊、壓刀模塊、平臺升降模塊、糾偏模塊、張力擺模塊、儲料模塊、疊片模塊，本系統(tǒng)總共包括8個伺服軸，其中4個伺服軸用于鋰電池疊片機的系統(tǒng)張力控制，2個伺服軸用于配合部分機械機構壓住隔離膜和極片，1個伺服軸用于保證系統(tǒng)的工作平面恒定，1個伺服軸對鋰電池疊片機進行糾偏控制。疊片平臺和儲料軸是由直線電機驅動，需要配合放卷電機進行系統(tǒng)疊片工作，通過準確的數(shù)學模型間接控制系統(tǒng)張力處于穩(wěn)定。張力擺主要用于給膜帶施加張力，保證疊片過程中膜帶不會松弛。左右壓刀主要是通過機械凸輪實現(xiàn)將旋轉運動轉變?yōu)橹本€移動，從而保證工作平面的確定性?？紤]到直線電機需要往返運動，會導致輸電線磨損，采用如圖所示的坦克鏈對供電線進行保護。直線電機的運動根據(jù)光柵尺進行反饋控制，同時結合細分盒實現(xiàn)穩(wěn)定的驅動控制。糾偏傳感器采用支架的形式固定在工作臺上，基于鋰電池疊片機實驗平臺控制系統(tǒng)如圖5-2所示，以AM600中型PLC為核心，通過以太網(wǎng)與外界PC機連接進行程序讀寫，采用EtherCAT將各伺服驅動器串聯(lián)起來，同時將1號伺服軸的驅動器與PLC連起來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，PLC外接擴展I/O模塊，主要用于各種傳感器的數(shù)據(jù)傳遞，糾偏傳感器與PLC的高速I/O連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。系統(tǒng)采用三相四線制進行供電，從380伏的線電壓中獲取220伏的相電壓。為使線路布置清晰，便于調試，本系統(tǒng)均采用導線槽導線，部分臨近的線由于較短，本研究則直接從空中過線，但還是要保證線路清晰，為后期的維護做好前期工作。在以上實驗平臺的基礎上，將控制算法以及邏輯算法編寫好后寫入PLC控制器，對系統(tǒng)進行試驗驗證。在初次實驗時系統(tǒng)肯定很難達到理想情況，為此需要分析問題與解決問題。本實驗以張力擺桿的波動量、放卷軸放卷速度波動以及最終的疊片對齊為重要衡量指標，當這些指標達到合格要求時，表示實驗5.3.1優(yōu)化跟隨誤差前數(shù)據(jù)分析通過前面的仿真分析可以知道，伺服系統(tǒng)在控制過程中存在跟隨誤差，在理想情況下，當跟隨誤差一樣時，則系統(tǒng)的性能不受影響，但不同的伺服帶的負載不一樣，此時的響應誤差也會不一樣，為此需要采用先進的算法減小系統(tǒng)的誤差。首先需要觀測系統(tǒng)的跟隨誤差大小，主要以直線電機為研究重點，為此采集直線電機的位置參數(shù)進行數(shù)據(jù)分析。如圖5-3所示為疊片平臺的位移跟蹤曲--指令位置—實際位置0時間(s)圖5-3疊片平臺運行位移曲線圖5-3所示的疊片平臺運行軌跡中，實線為疊片平臺的跟隨曲線，虛線為疊片平臺的指令曲線，明顯可以看出指令曲線比跟隨曲線超前了多個同步周期。其跟隨誤差曲線如圖5-4所示，結合如圖5-5所示的疊片平臺速度曲線分析可知，直線電機的跟隨誤差根據(jù)直線電機速度增大而增大，其最大跟隨誤差達到19mm。而且其誤差曲線承一條很規(guī)則的拋物線形式。時間(s)圖5-4疊片平臺位移跟蹤誤差曲線20000時間(s)圖5-5疊片平臺速度曲線同理，采集儲料直線電機的位移跟隨曲線如圖5-6所示，從圖中可以看出，儲料直線電機一直處于[50,150]區(qū)間內運動，根據(jù)儲料輥部分的數(shù)學模型可知，直線電機在該區(qū)間內運動可以使隔離膜長度變化更加劇烈，有助于更多的吸收隔離膜。從曲線可以看出，儲料棍前期處于勻速儲料狀態(tài)，當疊片平臺運動時，儲料棍的變化承不規(guī)則的形狀，主要是受隔離膜伸縮時候變化影響。當疊片平臺往返運動一個周期時，儲料棍需要運行兩個周期，說明疊片平臺在往返過程中導致的隔離膜變化規(guī)律是一樣的。指令位置圖5-6儲料軸位移運行曲線如圖5-7所示，儲料直線電機的跟隨誤差曲線承不規(guī)則形狀，且最大跟隨誤差達到8.5mm左右。圖5-7儲料軸跟隨誤差曲線為進一步分析儲料直線電機的誤差變化規(guī)律，將儲料直線電機的速度曲線采集出來，如圖5-8所示。根據(jù)圖5-8與5-7進行對比可知，儲料直線電機的跟隨誤差曲線的形狀與儲料直線電機的速度曲線形狀相似，只是儲料直線電機的速度曲線變化更加劇烈，其中有部分原因也是數(shù)據(jù)采集的偏差導致。但由此基本可以確定，當直線電機速度越快時，跟隨誤差也會越大，由此可以分析導致該偏差的原因可能有兩點：第一，直線電機推力不夠，導致無法快速響應；第二，控制器的實時性不好，從發(fā)指令到伺服響應存在很大的時滯。時間(s)圖5-8儲料軸速度運行曲線張力擺桿主要用于實現(xiàn)鋰電池疊片機系統(tǒng)的恒定張力控制，采用恒扭矩伺服電機對系統(tǒng)進行張力控制，同時設置位置指令反饋進行放卷PID調節(jié)。為更進一步觀察系統(tǒng)的性能，采集張力擺臂的波動情況進行分析，如圖5-9所示。圖5-9張力擺角度變化曲線張力擺桿在整個系統(tǒng)中屬于被動機構，當系統(tǒng)張力出現(xiàn)波動時，擺桿就會根據(jù)張力波動大小形成等比例的波動。從圖5-9可以看出，當直線電機跟隨誤差很大時，系統(tǒng)張力波動也會很大，其波動偏差大小大約為0.3deg,而且其波動承周期性變化。這說明當系統(tǒng)跟隨性不好時，導致數(shù)學模型不準確。在張力控制不穩(wěn)定的情況下，隔離膜在傳送過程中會出現(xiàn)松弛導致糾偏傳感器檢測錯誤甚至無法檢測，從而反饋錯誤的信息，使得鋰電池疊片機疊片效果不好，如圖5-10所示。圖5-10所示的隔離膜Z形疊片效果是通過電子顯微鏡放大后的效果圖，從圖中可以明顯看出隔離膜的對齊度不好，存在嚴重的鋸齒形狀。為更進一步觀察隔離膜對齊度情況，對以上數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計與計算，將其對齊度情況表匯總如表5-1所示。表5-1系統(tǒng)性能優(yōu)化前隔離膜對齊度數(shù)據(jù)表隔離膜對齊度指標隔離膜對齊度隔離膜對齊度指標隔離膜對齊度0內，然而衡量對齊度的另一個指標CPK只有0.603,與要求的CPK>1.5存在差通過前面的分析可以知道，通過增大直線電機推力和更換更好的控制器可以優(yōu)化系統(tǒng)，然而這些假設都只是初步分析，如果更換這些設備肯定會增加很大的成本，而且更換裝備后能不能達到理想的效果還未可知。為此，本研究從控制算法方面找到突破點，常用改善系統(tǒng)跟隨性方法有兩種：第一種是改善直線電機的系統(tǒng)響應性；第二種是通過預測算法，將信號提前發(fā)送下去。直線電機響應性優(yōu)化直線電機常用的控制方式有位置環(huán)控制、速度環(huán)控制、電流環(huán)控制，其中電流環(huán)控制響應性最好，但電流環(huán)控制非常復雜，速度環(huán)控制其次，但本研究不適合速度環(huán)控制，本研究只適合位置環(huán)控制，因為本研究前面建立的都是系統(tǒng)的運動學模型。通過第一章引入的參考文獻可知，給直線電機加前饋可以優(yōu)化直線電機的跟隨性，其控制框圖如圖5-11所示。通過在原有的直線電機控制環(huán)節(jié)中增加前饋補償控制環(huán)節(jié)，從而提高系統(tǒng)的響應性。在實際應用中，驅動器內的參數(shù)一般都會調到保證系統(tǒng)穩(wěn)定的最優(yōu)值，因為前饋控制會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，一般前饋系數(shù)會調得很小。驅動器內一般設有調整前饋增益的系數(shù)，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下盡量加大前饋系數(shù)。預測控制算法優(yōu)化模型預測控制已經(jīng)在工業(yè)中得到廣泛的應用，它具有參數(shù)數(shù)目少以及能夠實現(xiàn)在線估計的優(yōu)點。模型預測控制算法已經(jīng)是很成熟的控制算法，本研究不做過多的理論推導，以下給出模型預測控制的矩陣形式，以及公式說明。將上式寫成矩陣向量的形式為：式中Yo——為當前時刻的輸入矩陣；△U——輸入增量矩陣；A——常數(shù)矩陣。以上模型預測控制可以根據(jù)當前時刻的輸入向后預測n步，并且可以在線估計，有助于改善系統(tǒng)性能。通過前面小結的系統(tǒng)優(yōu)化之后對實驗平臺進行實驗分析，如圖5-12所示為鋰電池疊片機系統(tǒng)優(yōu)化后的疊片平臺直線電機位置指令曲線。-------指令位置0—圖5-12優(yōu)化系統(tǒng)后疊片平臺直線電機位移曲線圖從圖中可以看出，經(jīng)過系統(tǒng)跟隨性優(yōu)化之后，疊片平臺的跟隨性有明顯好轉，已經(jīng)看不出像圖5-3所示的明顯跟隨誤差。不管系統(tǒng)優(yōu)化得多好，信號的滯后反正會存在，將指令位置與實際位置進行差分，得到如圖5-13所示的優(yōu)化3圖5-13系統(tǒng)優(yōu)化后疊片平臺直線電機跟隨誤差曲線從圖5-13的誤差曲線看出，系統(tǒng)的跟隨誤差由前面的1