（控制理论与控制工程专业论文）柔性薄膜涂敷装置运动控制系统研究与设计.pdf

武汉理工人学硕士学位论文 摘要 柔性材料加工是一类在纺织、造纸、印刷和薄膜材料等工业中常见的加工 类型，随着新技术和新工艺的发展，柔性材料的卷取控制在半导体制造、生物 医药和新能源等行业中的材料加工中的应用也愈来愈广泛。在燃料池膜电极连 续制造中，需要将催化剂定位涂敷在质子交换膜上，由于质子交换膜是柔性薄 膜，对柔性薄膜的收放卷定位控制成为加工过程的重要控制问题之一。 在柔性薄膜材料涂敷的运动控制装置中，采用永磁同步电机作为驱动装置。 机电系统的间隙特性和柔性材料的形变特性等因素所构成的非线性特性，使得 对事先标记好的柔性材料进行定位卷取的动态控制难度增加。 本文针对柔性材料的卷取位置控制问题，研究获得快速和准确控制方法。 由于薄膜是柔性材料，传统的对刚性材料的控制方法并不完全适用于本系统。 在对包含伺服电机和柔性薄膜的收放卷系统进行了详细的动力学分析的基础 上，得到各环节传递函数。针对系统柔性薄膜材料的非线性特性，设计模糊p i d 智能控制算法设计位置调节器。通过基于m a t l a b 仿真模型，分别建立柔性形 变模型的系统与无形变模型的系统；研究了模糊p i d 智能控制算法与传统p i d 控制算法对控制系统稳定性、稳态精度和动态快速响应的影响。通过仿真结果， 表明建立柔性形变模型和采用模糊控制算法的意义。 然后，对薄膜位置控制系统的硬件设计作了详细论述。系统以t i 公司的 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片为控制核心，设计了控制器的硬件电路部分；给出了转子位 置，三相绕组相电流，速度和负载位置等检测电路；并以s a n y o 公司的 r s l a l 0 a a 伺服驱动器，设计了交流永磁同步电机的驱动电路。 最后，对薄膜位置控制系统的软件设计作了详细论述。在系统软件设计中， 主要包括：初始化程序、检测子程序、a d c 中断服务子程序，调节控制程序， 驱动控制程序，网络通讯程序等。主要实现了系统的位置、速度、电流的检测 以及闭环控制等功能。 间隙和形变补偿是本文讨论的重点，但由于时间所限，只进行了初步探讨。 本文的完成，对薄膜同步位置控制系统的建模，仿真及传动机械间隙，柔性材 料形变的补偿控制打下了良好的基础。 关键词：柔性材料，形变模型，模糊p i d 控制 武汉理丁人学硕士学位论文 a b s t r a c t f l e x i b l em a t e r i a lp r o c e s s i n gi sak i n do fp r o c e s s i n g ，w h i c hi sw i d e l yu s e di nt h e t e x t i l e ，p a p e r , p r i n t i n ga n df i l mm a t e r i a lp r o c e s s i n gi n d u s t r i e s a st h ed e v e l o p m e n to f n e wt e c h n o l o g ya n dn e wp r o c e s s ，t h ec o a t i n gp r o c e s s i n go nf l e x i b l ef i l mm a t e r i a li s a l s om o r ew i d e l yu s e di nt h ea p p l i c a t i o n so fm a t e r i a lp r o c e s s i n gi nt h ef i e l d so f s e m i c o n d u c t o rm a n u f a c t u r i n g ，b i o m e d i c i n e ，n e we n e r g ya n ds oo n i nt h ec o n t i n u o u s m a n u f a c t u r i n go fm e m b r a n ee l e c t r o d ei nt h ef u e lc e l l ，t h ec a t a l y s ti sn e e d e dt ob e l o c a t e dc o a t i n go nt h ep r o t o ne x c h a n g em e m b r a n e a st h e p r o t o ne x c h a n g e m e m b r a n ei sf l e x i b l ef i l mm a t e r i a l ，p r e c i s ep o s i t i o n i n gc o n t r o lo fe l a s t i cm a t e r i a lr o l l i sb e c a m eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o n t r o lp r o b l e m si nt h ep r o c e s s i n g i nt h em o t i o nc o n t r o ld e v i c ew h i c hi sd e s i g n e df o rt h ec o a t i n gp r o c e s s i n go n f l e x i b l ef i l mm a t e r i a l ，ap e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o ri su s e da sd r i v ed e v i c e t h en o n - l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c sw h i c ha r e c o m p o s i t i o n so fg a pc h a r a c t e r i s t i co f e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e ma n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ff l e x i b l em a t e r i a lm a k ei t m o r ed i f f i c u l tt of i n i s hp r e c i s ed y n a m i cp o s i t i o n i n gc o n t r o lo fp r e - m a r k e de l a s t i c m a t e r i a lr o l l a c c o r d i n gt op o s i t i o n i n gc o n t r o lo fe l a s t i cm a t e r i a lr o l l ，t h er a p i da n da c c u r a t e m e t h o di ss t u d i e d a st h em e m b r a n ei se l a s t i cm a t e r i a l ，t h et r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d o ft h er i g i dm a t e r i a li sn o tf u l l ys u i t a b l et ot h es y s t e m t h ed e t a i l e dd y n a m i ca n a l y s i s i sm a d ef o rt h es y s t e m ；w eo b t a i nt h et r a n s f e rf u n c t i o n si ne a c hs e c t i o n a ne l a s t i c d e f o r m a t i o nm o d e li sp r e s e n t e df o rc o m p e n s a t i o ni nt h ec o n t r o ls y s t e m a ni m p r o v e d f u z z y p i dc o n t r o la l g o r i t h mi sd e s i g n e dt oe n h a n c et h es y s t e md y n a m i cp e r f o r m a n c e as i m u l a t i o nr e s e a r c ho nt h ep o s i t i o n i n gs y s t e mb a s e do nt h ee l a s t i cd e f o r m a t i o n m o d e li sp e r f o r m e d t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a te l a s t i c d e f o r m a t i o nm o d e lc a nw e l lr e f l e c tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe l a s t i cm a t e r i a l i nt h em o t i o n s y s t e m f u z z y p i da l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h es y s t e md y n a m i co v e r s h o o t a n di m p r o v et h ea c c u r a c yo ft h ec o n t r o ls y s t e m t h e nt h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mi sd i s s e r t a t e di nd e t a i l t h ec o n t r o l l e ro ft h es y s t e mi sb u i l tb yu s i n gt h et m s 3 2 0 l f 2 812 t h ed e s i g no f d e t a i lc i r c u i ti n c l u d e s ：t h ep o s i t i o no ft h er o t o r ，t h r e e - p h a s ew i n d i n g sp h a s ec u r r e n t ， s p e e da n dl o a dp o s i t i o nd e t e c t i o nc i r c u i t b e s i d e s ，t h ed r i v ec i r c u i to ft h es y s t e mi s i i 武汉理一1 ：人学硕士学位论文 d e s i g n e db yr s 1a 10 a a f i n a l l yt h es o f t w a r ed e s i g no ft h ed i g i t a lc o n t r o ls y s t e mi sd i s s e r t a t e di nd e t a i l n es o f t w a r eo ft h es y s t e mi n c l u d e s ：i n i t i a l i z a t i o np r o g r a mo fd s p d e t e c t i o n s u b r o u t i n e ，a d ci n t e r r u p ts e r v i c es u b r o u t i n e ，r e g u l a t i o nc o n t r o lp r o c e d u r e ，d r i v e r c o n t r o lp r o c e d u r e ，n e t w o r kc o m m u n i c a t i o np r o c e d u r ea n ds oo n t h em a i ng o a li s a c h i e v i n gt h es y s t e m sl o c a t i o n ，s p e e d ，c u r r e n td e t e c t i o na n dt h ec l o s e d - l o o pc o n t r o l f u n c t i o n s t h eb a c k l a s hc o m p e n s a t i o na n de l a s t i c c o m p e n s a t i o ni st h eo b j e c to ft h e r e s e a r c h b u tf o rt h el i m i to ft h et i m e ，t h ed i s c u s s i o n sw e r ec a r r i e do u tp r e l i m i n a r y t h ec o m p l e t i o no ft h i st h e s i s 1 a i dag o o df o u n d a t i o nf o rt r a n s m i s s i o nm a c h i n e r y b a c k l a s h ，e l a s t i cd e f o r m a t i o nc o m p e n s a t i o n ，t h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no ft h e m e m b r a n es y n c h r o n o u sp o s i t i o nc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：f l e x i b l em a t e r i a l ，e l a s t i cd e f o r m a t i o nm o d e l ，f u z z yc o n t r o l i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特，l , j ) j n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：至塑j 日 期：型! 年；因? 通 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：”导 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 本章主要阐述柔性材料运动控制系统研究与设计课题的研究背景和意义， 介绍促进中国汽车工业发展的新能源技术质子交换膜燃料电池技术；并介 绍了制备质子交换膜组件的关键技术柔性材料定位控制技术的基本原理和 发展概况；最后简述本课题研究的基本思路和主要内容。 1 1 课题背景 随着人类步入2 1 世纪，能源和环境问题成为人类社会进步与发展的重大威 胁。在近百年的时间里，世界各国的科学家，学者，专业技术人员和普通百姓 都从自身的角度出发，试图找到解决这一困扰人类发展的瓶颈问题的方法。而 现在中国汽车工业的发展也伴随着严重的能源和环境问题l l j 。 中国汽车工业协会最新发布的数据显示：在2 0 0 9 年，中国汽车业发生了具 有标志性意义的事件，销量跃居世界第一。2 0 0 9 年我国汽车产销突破1 3 6 0 万辆， 以4 6 的创纪录高速增长领跑全球汽车产业，乘用车产销也首次超过1 0 0 0 万辆， 与此同时，美国轻型汽车销量仅为1 0 4 3 万辆，我国己成为世界第一汽车生产和 消费国，这比原先预计的提前了5 年。同时，中国在全球汽车市场所占的比重， 也由上年的1 3 3 提高到2 0 以上，在世界汽车产业格局中的地位日益凸显。 与此同时，据国务院发展研究中心研究，中国的汽车尾气排放标准比发达 国家落后近1 0 年。2 0 0 4 年“两会”期间，一份由1 9 位政协委员联名提交的关 于出台有效措施，治理汽车污染建议案引起了有关方面的关注。该议案以大 量的调查数据和事实，突显了我国突飞猛进的汽车工业给环境所造成的灾难性 后果。在现今中国，汽车给我们的环境带来的污染已经到了触目惊心的地步。 有资料显示，中国的汽车尾气排放标准比大多数发达国家落后近1 0 年，并且执 行情况参差不齐。即使是达到排放标准的车辆，其排放的一氧化碳( c o ) 数量 也是欧洲车辆的2 倍左右，碳氢化合物( h c ) 和氮氧化物排放数量是欧洲车辆 的3 倍以上。与美国标准相比，中国汽车c o 排放量上限高出5 6 ，氮氧化物 高出3 2 ，h c 则高出3 倍以上。环境专家指出：我国各大城市污染正在从煤烟 武汉理丁大学硕士学位论文 污染向汽车尾气污染转化，对汽车尾气进行综合治理，环境保护已经成为我国 政府和人民的共识和全社会需要面对的难题。 为了应对存在的汽车尾气污染问题，我国正在开发新的清洁能源技术，以 期替代传统的能源技术。燃料电池作为新能源技术中的一种，今年来越来越受 到人们的重视。在交通领域，相较于传统的以汽油和柴油为动力的传统汽车， 以燃料电池为动力的汽车具有排放污染小，经济实用，节约能源的优点。 目前，在我国，主要应用的燃料电池按电解质划分为6 个大的种类【2 】，它们 分别是： 以碱性物质作为电解质，氢元素与氧元素作为反应物进行化学反应的碱性 燃料电池( a l k a l i n ef u e lc e l l ，简称为a f c ) ； 以磷酸水溶液作为电解质，氢元素为燃料进行化学反应的磷酸盐型燃料电 池( p h o s p h o r i ca c i df u e lc e l l ，简称为p a f c ) ； 以溶融碳酸锂为电解质，氢元素为燃料进行化学反应的溶融碳酸盐型燃料 电池( m o l t e nc a r b o n a t ef u e lc e l l ，简称为m c f c ) ； 以固体二氧化锆作为电解质，氢元素为燃料进行化学反应的固体氧化物型 燃料电池( s o l i do x i d ef u e lc e l l ，简称为s o f c ) ； 以苯胺基二胺作为电解质，氢元素为燃料进行化学反应的生物燃料电池( b i o f u e lc e l l ，简称为b e f c ) ； 以导电的固体高分子膜质子作为电池的电解质，氢元素为燃料进行化学反 应的质子交换膜燃料电池( p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l ，简称为 p e m f c ) 。 其中，碱性燃料电池受到c 0 2 中毒问题的困扰；磷酸盐型燃料电池存在c o 中毒问题；溶融碳酸盐型燃料电池很难解决隔板的防腐蚀问题；固体氧化物型 燃料电池对工作环境温度的要求严格；生物燃料电池目前尚处于试验开发阶段； 质子交换膜燃料电池工作温度较低，便于携带。终上所述，在现阶段的燃料电 池技术中，只有质子交换膜燃料电池利于大规模工业化的作为汽车工业清洁燃 料电源使用。 在质子交换膜燃料电池中，质子交换膜( 下文简称为薄膜) 的性能是决定 质子交换膜燃料电池性能的关键因素，目前在世界上实用最为广泛的质子交换 膜是美国杜邦公司生产的n 瓶o n 膜，这种薄膜具有质子电导率高、化学稳定性 好、机械强度高、可加工性好的优点，目前国内装配质子交换膜燃料电池所用 2 武汉理l 大学硕十学位论文 的薄膜主要依赖进口，所以n a t i o n 薄膜存在加工困难和成本费用高的缺点。 为了能够尽快的在我国推广使用质子交换膜燃料电池，在工业生产中，对 质子交换膜的制造提出了更高的要求。在质子交换膜涂敖加工的过程中，为了 降低成本，提高薄膜利用率需要对薄膜进行精确的位置控制，使薄膜在被加 工区域实际位置严格与设定位置相同( 误差小于给定误差值) ；同时，利用机械 自动化装置进行连续生产代替人工手工生产，提高生产效率。 在精密加工和制造领域，由于对控制目标的定位精度较高，所以定位跟踪 控制技术得到了广泛的应用和发展。定位跟踪控制技术的研究在国外已经有相 当长的一段时何了。图1 1 为典型的定位跟踪控制系统示意圈。 在上个世纪2 0 年代，德国的e r h a r d t + l e i m e r ( e + l ) 公司就开始致力于定位控 制系统的研究生产随着科学技术的不断进步，在现在，定位跟踪控制系统的 研究已经取得了许多突破性的进展：定位精度、响应速度、工作稳定性不断提 高：定位跟踪控制系统所能应用的场合越来越广：定位跟踪控制系统种类越来 越丰富，主要包括：红外线定位系统、超声波定位系统、c c d 定位系统等。同 时，在定位方式上，也逐步形成了对边定位、对中定位、对线定位、对比度定 位等多种不同的方式。 然而，国内对定位跟踪控制技术这方面的研究起步较晚，发展缓慢，生产 的产品无论是在精度还是在稳定性方面都和国外同类产品有一定的差距。目前 国内的定位跟踪控制系统使用的丰要是可见光传感器( 也称光电传感器) ，虽然 已经有对红外线传感器和c c d 传感器的研究，但应用到实际中去的并不多。在 定位跟踪方式上，以对边和对中同步居多，还不是很灵活。从应用上来看，很 多定位跟踪控制系统都是针对某一特定应用而设计的，没有很好的通用性。 l 图1 1 定位跟踪控制系统工作示意图 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 课题来源及意义 在质子交换膜自动化加工设备1 3 】研制方面，美国国家能源部研究实验室的 m i c h a e lu l s h 和h u y e nd i n h 与劳伦斯伯克力国家实验室的a d a mw e b e r 率先于 2 0 0 7 年开始这方面的基础研究工作，并且取得了一定的实验成果。而我国目前 加工质子交换膜仍然采用传统的手工制造方式。为了工业化加工生产的需要， 我国也在加紧研制质子交换膜自动化加工设备。本文为质子交换膜自动化加工 设备研制提供前期的理论参考和基础研究。 在进行质子交换膜工业自动化涂敷加工装置实验仿真研究的过程中发现， 由于实际控制系统中存在柔性形变、间隙等非线性因素，使控制效果大为降低， 这也是目f j 国际控制领域力求解决的重点问题之一。定位跟踪控制广泛应用于 造纸，机器人和新材料加工过程中，现代制造技术的发展和生产率的提高，要 求机械设备能够高速高精度作业。因此，研究柔性形变补偿问题也是为了满足 实际工程的需要而且采用控制算法补偿柔性形变是一种不需要额外投资的廉价 方法。现代机械正向微型、精高精度发展，预见研究柔性形变补偿具有重要的 理论价值和广泛的应用前景。本课题得到国家科技支撑计划( 2 0 0 9 b a f 4 0 8 0 3 ) 的资助。 在位置控制中，两个基本的问题是：定位控制问题和跟踪控制问题。定位 控制问题研究控制目标从起始位置移动到目标位置。因此，位置控制中，被控 对象运行到目标位置的过渡轨迹并不重要，只要求较小的超调量，较快的调节 时间，较小的最终位置误差，良好的稳定性。在跟踪控制中，控制目标为使运 动物体沿着期望的轨迹运动。在设计跟踪运动控制器时，所必须考虑的问题是： 根据跟踪误差和跟踪速度所要求的性能规范，系统所存在的非线性特性，系统 的时变特性和在控制算法实施时微处理器的应用。本文所研究的位置控制属于 这两种情况的结合定位跟踪控制。 在定位跟踪控制中，不确定性的主要来源是摩擦、机械间隙和物体形变f 4 】。 其中摩擦项包括静态摩擦、库仑摩擦和粘性摩擦力；形变与物体受力，运动速 度和弹性系数有关。在控制器设计时需要考虑间隙与形变补偿。建立能够预测 间隙与形变微观动态特性的模型是非常必要的。与间隙，形变和控制相关的文 献分布非常广泛，其主要思想在控制、摩擦学、润滑工程、弹性形变、一般工 业工程及其物理学期刊中都能见到。本文的主要目的是研究定位跟踪控制中的 4 武汉理工大学硕十学位论文 间隙与形变的模型建立和相应的补偿。针对间隙与形变模型的补偿偿控制策略 可以归结为以下几种方法：基于传统线性理论的p i d 控制补偿方法；自适应控 制补偿方法和基于智能控制理论的控制补偿方法。其中，智能控制理论补偿方 法包括：基于神经网络自适应控制补偿，基于模糊算法的控制补偿，基于遗传 算法的控制补偿。 1 3 本文所作的工作 全文共分为以下5 个部分： 首先，介绍柔性薄膜位置控制系统的整体结构和组成，根据系统设计要求， 设计控制系统的控制方案。分析和设计交流永磁同步电动机的等效数学模型， 柔性形变的等效数学模型，机械问隙的等效数学模型。 其次，介绍控制器的等效数学模型【5 j ( 包括电流环控制器、速度环控制器和 位置环控制器) 。设计控制位置跟踪控制系统的结构框图，在s i m u l i n k 中实现定 位控制仿真，通过与无间隙和形变模型系统的仿真结果比较，证明采用间隙和 形变模型补偿在系统中的重要性。通过与p i d 控制算法的仿真结果的比较，证 明f u z z y p i d 控制算法在位置跟踪控制中有更好的控制效果。 然后，通过仿真实验设计控制方案，应用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制芯 片，设计交流永磁同步电机控制器的硬件电路部分；给出伺服电机定子相电流， 伺服电机转子速度和薄膜位置等检测电路；并以s a n y o 公司的r s l a l o a a 伺 服驱动器，设计了交流永磁同步电机的驱动电路，详细介绍了驱动电路的内部 结构；并设计相应的接口电路，通讯电路和辅助控制电路。 接着，阐述交流永磁同步电机伺服控制系统的软件整体设计思想，并给出 各个部分的软件设计框图，其中包括：柔性形变补偿程序，电流p i 调节程序， 转速p i 调节程序，位置f u z z y p i d 调节程序，驱动控制程序，外部中断控制程 序，网络通讯程序，调试程序等。 最后，进行全文的总结与展望。对整篇文章进行总结，指出优点与不足之 处，提出需要完善的方面，并对进一步工作进行展望。 武汉理i ：大学硕七学位论文 第2 章柔性薄膜位置控制问题描述 在本章节中首先对质子交换膜燃料电池的基本工作原理进行了详细的介 绍，并由此引出膜电极组件的制各加工问题；其次针对此问题，详细的介绍 了现在世界上制备膜电极组件中的几种涂敷加工工艺综合这些涂敷加工工艺 的优点，设计本文的柔性薄膜涂敷加工位置控制系统的整体架构，并由此抽象出 柔性薄膜复合控制系统的物理模型：然后，根据索性薄膜复合控制系统的物理 模型，细化出本文所要详细讨论的薄膜涂敷装置位置控制系统，并由此抽象出 薄膜涂敷装置位置控制系统的基本结构：最后，以薄膜涂敷装置位置控制系统 基本结构模型为基础，设计薄膜涂敷装置位置控制系统的控制架 句， 2 1 膜电极组件涂敷加工工艺概述 质子交换膜燃料电池的基本工作原理如下图2 1 所示 一 7 图玉i 质子变挟膜燃料电池工作原理匣 向质子交换膜燃料电池1 6 1 中引入的氢气( h y d r o g e n ) 在阳极( a n o d e ) 的催化 剂层( c a t a l y s tl a y e r ) 表面被分解成质子( p r o t o n s ) 和电子( e l e c t r o n s ) 。具体的 化学反应方程为式2 1 ： 武汉理f 太学硕士学位论文 2 月，_ 4 爿+ + 和一( 2 - 1 ) 质子通过电解质薄膜( p r o t o ne x c h a n g em e m b r a n e ) ，电子通过外电路，在阴 极( c a t h o d e ) 的催化剂层( c a t a l y s tl a y e r ) 表面与氧气( o x y g e n ) 反应生成水。 具体的化学反应方程为式2 - 2 ： q + 4 e 一+ 4 h + _ 2 幔o ( 2 2 ) 电子不能通过电解质薄膜，只能通过外电路到达阴极，于是形成直流电源 ( t h es o u r c eo f d ce l e c t r i c i t y ) 。 在质子交换膜燃料电池中，将阳极，质子交换膜和阴极结合成夹层结构 ( s a n d w i e l ls t r t t c m r e ) 的元件称为膜电极组件( m e m b r a n ee l e c t r o d ea s s e m b l y ，简 称为m e a ) 。膜电极组件是质子交换膜燃料电池的核心部件质子交换膜燃料电 池的主要电化学反应都发生在膜电极组件中。所以，膜电极组件的性能直接决 定质子交换膜燃料电池的性能。 质子交换膜燃料电池的阳极主要由碳纸和催化剂组成。在具体的实物中， 在由石墨组成的碳纸上涂上一层铂金( p t ) 和碳粉( c ) 组成的催化剂。质子变 换膜燃料电池的阴极结构与阳极基本相同，只是阳极相时于阳极含有更多的催 化剂。质子交换膜的作用在于隔绝阴阳两侧电极，传导氢离子用以完成化学反 应，质子交换膜的厚度一般为毫米级。 下图2 - 2 为质子交换膜燃料电池中膜电极组件夹层结构的示意图。 c a t b e np a p e 图2 - 2 膜电极组件央层结构图 在膜电极组件的加工制造过程中，可以将膜电极组件的制各方法归纳为两 种方式：第一种方式先将催化剂涂敷在碳纸上制成质子交换膜燃料电池的电 极再通过热辊压的方式将质子交换膜燃料电池电极与质子交换膜结合形成膜 电极组件，这种方式被称为间接法( i n d i r e c td e p o s i t i o nm e t h o d ) ；第二种方式直 接将催化剂涂敷在质子交换膜上，然后进行加工处理形成膜电极组件，这种方 式被称为直接法( d i r e c td e p o s i t i o n m e t h o d ) 。根据中国科学院大连物理化学研究 所的文献资料，直接将催化剂涂敷在质子交换膜上，然后进行加工处理形成膜 武汉理工人学硕士学位论文 电极组件的方式将成为今后膜电极组件制备的主要发展方向。 下面将详细的介绍制备膜电极组件中的几种常用的涂敷加工工掣7 】【8 1 ，并分 析它们的优缺点，对常用的涂敷加工工艺进行改进和创新，引出本文所用的膜 电极组件涂敷加工工艺过程，使用本文的涂敷装置可以提高膜电极组件涂敷加 工的生产效率和膜电极组件成品的质量。 首先，介绍采用间接法进行膜电极组件制备的涂敷加工装置原理。其美国 专利号为：u s6 ，9 3 3 ，0 0 3b 2 。 间接法涂敷装置的工作原理：间接法涂敷装置为左右对称结构，两侧的催 化剂加料装置通过喷涂装置将催化剂喷涂在基板传输带上形成成型电极，中间 的辊子匀速的释放s p e 膜，成型电极与s p e 膜通过热辊印装置的挤压成型，最 终形成膜电极组件，经过挤压成型的基板传输带在清洁装置中进行清洁处理， 然后进行重复利用。 间接转印法涂敷装置的优缺点：间接转印法涂敷装置是最早使用的膜电极 组件涂敷加工装置，具有结构简单，技术成熟，生产效率高的优点。但是，由 于采用对称结构，同步定位控制困难，所以使用间接转印法涂敷装置制备的膜 电极组件对催化剂的利用率较低；采用热压技术，对膜电极组件的性能产生影 响，譬如，对电流密度，功率密度产生影响；间接转印法涂敷装置的工艺参数 ( 温度，压力和时间等) 控制困难。譬如，对热辊印装置的热温度和辊压力的 调节。 然后，介绍采用直接法进行膜电极组件制备的涂敷加工装置原理。其通用 电机公司专利号为：6 , 0 7 4 ，6 9 2 。 直接喷涂法涂敷装置的工作原理：直接喷涂法涂敷装置为上下对称结构， 在放卷辊轴和收卷辊轴上装有伺服电机，用于薄膜的驱动与定位；印有条纹的 薄膜首先通过薄膜膨胀池进行化学处理；然后，进入催化剂加料装置，通过喷 涂装置将催化剂喷涂在薄膜传输带上，上下喷涂装置同时进行喷涂工作；接着 由烘干装置进行催化剂干燥，干燥完毕后进行旋转切屑，最终形成膜电极组件， 成品膜电极组件在收卷辊轴上完成收集，切屑遗弃物分离处理。 8 武汉理t 大学硕十学位论文 z 1 0 图2 。3 直接喷涂法涂敷装置原理图 直接喷涂法涂敷装置的优缺点：直接喷涂法涂敷装置具有结构简单，定位 控制容易，工艺参数稳定，生产效率高的优点。但是，由于采用上下对称结构， 下部催化剂受重力影响，难以均匀的进行喷涂，所以使用直接喷涂法涂敷装置 制备的膜电极组件对催化剂的利用率较低。 接着，介绍直接凸版印刷法涂敷加工装置，其美国专利号为：u s6 , 9 6 7 ，0 3 8 b 2 。 直接凸版印刷法涂敷装置的工作原理：直接凸版印刷法涂敷装置为非对称 结构，在放卷辊轴和收卷辊轴上装有伺服电机，用于薄膜的驱动；催化剂通过 催化剂收卷辊轴添加到凸印鼓装置；然后，薄膜进入凸印鼓装置，通过凸印装 置将催化剂凸印在薄膜传输带上，需要进行多次的凸印；接着由烘干装置进行 催化剂干燥，干燥完毕后，最终形成膜电极组件，成品膜电极组件在收卷辊轴 上完成收集。 直接凸版印刷法涂敷装置的优缺点：直接凸版印刷法涂敷装置具有结构简 单，技术成熟，工艺参数稳定优点。但是，由于采用非对称结构，只能进行单 侧的涂敷，生产效率较低：需要将催化剂先涂敷在凸印鼓装置，所以使用直接 凸版印刷法涂敷装置制备的膜电极组件对催化剂的利用率较低。 最后，介绍直接合成法涂敷加工装置，图2 4 为直接合成法涂敷加工装置的 原理图，其美国专利号为：u s2 0 0 2 0 1 3 4 5 0 1a 1 。 直接合成法涂敷装置的工作原理：直接合成法涂敷装置为对称结构，在放 卷辊轴上装有伺服电机，用于薄膜的驱动；通过条纹成型装置在薄膜上形成涂 敷条纹；然后，进入催化剂加料装置，通过喷涂装置将催化剂喷涂在薄膜传输 带上；接着由烘干装置进行催化剂干燥，干燥完毕后，最终形成膜电极组件。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 4 直接合成法涂敷装置原理图 直接合成法涂敷装置的优缺点：直接合成法涂敷装置具有结构简单，工艺 参数稳定优点。但是，虽然采用对称结构，但是只能迸行单侧的涂敷，生产效 率较低：采用单侧伺服电机进行驱动，定位精度低，所以使用直接合成法涂敷 装置制备的膜电极组件对催化剂的利用率较低。 2 2 涂敷装置位置控制系统建模 在国家科技支撑计划( 2 0 0 9 b a f 4 0 8 0 3 ) 项目中，对膜电极组件制备涂敷加 工装置提出了具体的设计要求和性能指标： ( 1 ) 选择用于薄膜位置和速度检测的传感器； ( 2 ) 研究交流伺服电机特性与驱动器控制使用方法； ( 3 ) 选择m c u 模块，设计嵌入式运动控制器； ( 4 ) 基于传统与现代控制理论设计控制算法，并对其进行仿真； ( 5 ) 薄膜催化剂涂敷纵向对齐偏移精度： 1 0 0 0 h 。 针对上述专利资料提供的方法，结合具体的设计要求和性能指标，本文依 据直接合成法涂敷装置的原型，提出改进的直接合成法涂敷装置，改进直接合 成法涂敷装置如下图2 5 所示。 改进的直接合成法涂敷装置的工作原理： 改进的直接合成法涂敷装置为对称结构，在放卷辊轴和收卷辊轴上都装有 1 0 武汉理：= 人学硕十学位论文 伺服电机，用于薄膜的驱动和定位；碳布通过放卷辊轴放出；然后，进入催化 剂加料装置，通过喷涂装置将催化剂喷涂在薄膜传输带上；接着由烘干装置进 行催化剂干燥，干燥完毕后，形成单面膜电极组件，单面膜电极组件之间的间 距由位置传感器4 定位，放卷辊轴伺服电机控制；接着，薄膜传输带进行反面 的催化剂喷涂和干燥，要求正反两面的对齐误差为0 1 m m ，通过位置传感器1 0 和1 3 完成定位，收卷辊轴伺服电机控制；整个系统的张力由调节辊轴7 进行控 制。 改进的直接合成法涂敷装置的优点： 改进的直接合成法涂敷装置结构简单，工艺参数稳定，采用对称结构，进 行两次单侧涂敷，可以按照工艺要求进行催化剂喷涂；采用双侧伺服电机进行 驱动，定位精度高，所以使用改进的直接合成法涂敷装置制备的膜电极组件对 催化剂的利用率较高。 9 i 图2 5 改进的直接合成法涂敷装置原理图 在改进的直接合成法涂敷装置加工过程中，突出的问题是对柔性薄膜的定 位控制问题。特别是在进行薄膜传输带进行反面的催化剂喷涂时，要求正反两 面的对齐误差为0 1 m m 。为了研究的方便，本文对改进的直接合成法涂敷装置 模型进行了简化，提出了如图2 8 所示柔性材料涂敷运动控制系统。 在图2 - 6 中，m 为交流永磁同步电机；r 1 为收卷滚轴；r 2 为放卷滚轴：p 为薄膜上涂敷的催化剂条纹。 本系统的任务是控制薄膜的卷绕运动和静止位置，在薄膜表面涂敷有几何 尺寸要求的催化剂层。在连续生产过程中，为获得精确控制目标条纹的位置， 武汉理工人学硕士学位论文 除了对涂敷喷头进行控制( y 方向运动) ，还须对柔性薄膜材料进行动态卷取控 制和定位控制( x 方向运动) 。本文讨论柔性薄膜材料的位置控制问题。 为了达到对薄膜上涂敷的催化剂条纹位置进行控制的目的，必须对薄膜上 涂敷的催化剂条纹位置进行检测，催化剂条纹的间距必须大于检测装置的测量 范围，用以区分两次临近的催化剂条纹。 分析图2 8 所示的运动系统，可以得到系统的数学模型【9 j 【1 0 l 。为了突出主要 问题，本文中忽略电动机铁心的饱和，涡流和磁滞损耗，静态阻力等因素，主 要讨论柔性材料形变和传动装置间隙以及机械滞后对系统的影响。 图2 - 6 柔性材料涂敷运动控制系统 如图2 7 所示，催化剂条纹的间距设定为4 0 m m ，催化剂条纹的宽度为3 0 m m ， 而位置传感器的检测范围为2 0 m m ，则满足催化剂条纹间距大于检测装置测量范 围的设计要求。 卜勰皿叫 催化剂涂层 寸 羔iii _ l l - _ 一二竺襁 f i ； i l k j 血皿一一 图2 7 催化剂涂敷运动检测示意图 位置光电传感器【1 1 】【1 2 】的输出电压范围为直流0 5 v ，当催化剂涂层连续通过 传感器的感应区域时，形成如下图2 8 的位置检测信号。 1 2 武汉理+ r 大学硕十学位论文 图2 - 8 催化剂涂敷运动检测信号 2 3 涂敷装置位置控制系统设计 根据上述物理模型的分析和实验机械装置的要求，下面将简要的介绍薄膜 涂敷装置位置控制系统各部件的组成，更加详细的内容将在以后的章节中介绍。 在本节中，首先，介绍被控对象i i 习( 质子交换薄膜) ；然后，介绍驱动装置 【1 4 1 ( 永磁同步电机和同步齿带) ；接着，介绍控制器( 位置控制器，速度控制 器，电流控制器和p w m 驱动控制器) ；再接着，介绍检测装置1 1 6 1 ( 位置检测装 置，速度检测装置和电流检测装置) ；最后，介绍信号给定装置1 1 7 j ( 位置信号给 定上位机) 。 涂敷装置位置控制系统结构框图如图2 9 所示。 图2 9 涂敷装置位置控制系统结构框图 在本实验装置中，质子交换薄膜采用美国杜邦公司生产的n a t i o n 膜，具体型 号为n 1 1 5 ，标准厚度为1 2 7 a m ，标准厚度为2 5 0 9 m 2 ，标准温度为2 3 c 。 永磁同步电机采用s a n y o 公司的q 1 a a l 0 2 0 0 d 交流伺服电机，额定功率为 2 k w ，额定转速为3 0 0 0 r m i n ，额定转矩为6 3 7 n * m ，最大转矩为7 3 6n * m ，转矩 武汉理工大学硕士学位论文 常数为0 4 7n * m a ，电气时间常数为1 2 1 m s 。 伺服驱动器采用s a n y o 公司的r s l a l 0 a a 伺服电机驱动器，输入电流为 i o o a ，输入电压为2 0 0 v ，自带编码器接口。 伺服控制器为实验自行开发的运动控制卡w h s y - 0 1 ，运动控制卡以t i 公司 的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 型d s p 为控制芯片设计核心硬件电路，以i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 和 a m 2 9 l v 8 0 0 为存储器设计存储电路。 位置检测装置采用中川光电公司( m i d r i v e r ) 的光电边沿传感器r l k l 6 7 ， 检测范围为2 0 m m ，检测精度为0 0 1 m m ，响应时间为5 m s ，输出电压为模拟0 5 v 。 速度检测装置采用欧姆龙公司( o m r o n ) 的旋转编码器e 6 8 2 c ，供电电 源电压为直流5 v 2 4 v ，分辨率为2 0 0 0 p r ，最大转速为6 0 0 0 r m i n ，径向应力为 3 0 n ，轴向应力为2 0 n 。 电流检测装置采用中旭电子科技公司的霍尔闭环电流传感器h n c 5 0 l x ，额 定测量电流为5 0 a ，线性范围为0 7 5 a ，输出电压为4 v ，线性度小于0 2 5 ，零 电流失调小于0 0 3 v 。 位置信号给定上位机采用西门子公司( s i e m e n s ) 的可编程控制器c p u 3 1 3 c 2d p ，供电电源电压为直流2 4 v ，位指令处理时间为0 1 s ，定点数运算