锂电池叠片机张力与纠偏技术

I随着新能源汽车以及数码产品的不断发展，便携式充电设备和大容量的充电电池已经成为未来发展趋势，锂离子电池具有能量存储密度高和使用寿命长等特点，这使其成为了电池中的主流。锂离子电池加工工艺主要分为三种：卷绕工艺、叠片工艺、切片工艺。研究发现：卷绕工艺的锂电池生产效率高，但电池各方面性能都一般；叠片工艺的锂电池加工工艺复杂，导致生产效率不高，但电池各方面性能都很好；切片工艺的锂电池性能与叠片锂电池性能基本一样，但加工工艺比叠片锂电池复杂很多，因此很少被使用。随着自动化技术的发展，叠片锂电池必将成为锂电池的主流，张力控制是锂电池叠片工艺中最关键的技术，张力过大时隔离膜容易产生变形甚至扯断，张力过小时隔离膜容易出现褶皱、回缩，导致叠片时隔离膜叠偏，这种锂电池在使用过程中容易爆炸。本论文提出了一种新的主动连续放卷技术以及主从同步控制技术，与以往的被动放卷技术相比，实现了高速连续主动放卷，同时在叠片机间歇性往复叠片过程中控制锂电池叠片机系统张力处于稳定状态。主要结合锂电池叠片机的工作原理，建立锂电池叠片机的隔离膜张力控制数学模型，设计张力控制系统和纠偏控制系统的控制策略，建立了直线电机动力学数学模型和旋转电机动力学数学模型，采用最小二乘参数辨识方法对直线电机和旋转电机数学模型进行参数辨识，同时结合非对称S曲线轨迹规划方法对直线电机运行轨迹进行规划。在解决锂电池叠片机系统隔离膜纠偏问题上，放弃市面上常用的蛇形纠偏器，采用控制导料板前后运动实现快速纠偏的方案，并研制了自适应模糊控制算法减小纠偏误差。结合数学模型、控制策略和控制算法对系统进行Matlab仿真验证，仿真结果表明系统的设计具有可行性。为此搭建实验平台，结合经典PID控制算法实现隔离膜变速主动放卷，在实验初期遇到直线电机跟随误差大，导致系统数学模型不准确的问题，为此引入前馈控制算法和预测控制算法，并取得了良好的实验效果。本研究将锂电池叠片机叠片周期从1.1s/pec提高到了0.55s/pec,并且系统张力控制非常稳定，隔离膜对齐度达到±0.15mm,CPK指标达到2.936,远远超过了现有的技术水平。最终的实验结果表明，本研究设计的锂电池叠片机张力控制系统和纠偏控制系统可行性高，隔离膜对齐度也完全满足市场需求。关键词：张力控制；纠偏控制；主动放卷；轨迹规划；参数辨识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课题来源 1 1 21.2本文主要研究内容 6 8 82.3储料轴部分几何分析及数学推导 2.5初始料卷卷径计算数学建模 20 212.8本章小结 3.1引言 3.2张力与纠偏控制系统选型 3.2.1控制器选型 233.2.2HMI产品选型 243.2.3伺服电机选型 243.3张力与纠偏控制系统方案设计 3.3.1张力与纠偏控制系统搭建 26 3.4本章小结 V 304.2.1旋转伺服电机数学建模 4.2.2直线永磁同步电机数学建模 4.3伺服系统参数辨识 34.3.1叠片平台轴参数辨识 334.3.2储料轴参数辨识 4.4.1轨迹规划 4.4.2叠片平台仿真轨迹 4.4.3压刀仿真轨迹 4.4.4储料轴仿真轨迹 4.4.5张力摆杆波动仿真轨迹 4.5.1纠偏系统模糊控制分析 4.5.2纠偏模糊控制仿真 4.6本章小结 44.6本章小结 4 5.1引言 5.2锂电池叠片机实验平台搭建 5.2.1锂电池叠片机实验平台机械系统搭建 5.2.2锂电池叠片机实验平台控制系统搭建 46 5.3.1优化跟随误差前数据分析 5.3.2系统优化设计 5.3.3优化跟随误差后数据分析 5.4本章小结 1第1章绪论1.1课题背景及研究意义课题来源于深圳市某自动化公司科研项目，根据市场需求对锂电池叠片机张力控制系统进行控制策略设计、控制算法设计，对锂电池叠片机纠偏控制系统进行控制策略设计、控制算法设计。随着便携式移动充电设备、新能源汽车的发展，锂离子电池以其重量轻、容量大、寿命长等优点在全球范围内得到普遍应用[1。大容量动力锂离子电池以其优越的性能成为动力电池的主要使用产品[2],主要在混合动力汽车应用较广，比如特斯拉汽车、比亚迪汽车识移动机器人等3。动力锂电池主要由隔离膜、阴极、阳极、电解液四部分组成[4-51,按成型工艺主要分为三种：切片锂电池、叠片锂电池和卷绕锂电池。如图1-1所示为切片锂电池，由于隔离膜非常柔软，在加工过程中难以保证隔离膜的对齐度，使电池质量下降，因此，在工业中很少使用该方案。如图1-2所示为叠片锂电池，从结构上看叠片工艺比切片工艺的锂电池加工工艺简单，因为隔离膜在整块锂电池当中为连续的，而且其性能与切片锂电池几乎一样，在工业中常用叠片锂电池替代切片锂电池。如图1-3所示为方形卷绕锂电池，在整个电池中只有一张阴极极片和一张阳极极片，其加工工艺更为简单，因此卷绕锂电池目前被广泛应用。在没有出现叠片锂电池之前几乎都是用方形卷绕锂电池，但随着行业内的不断研究，叠片锂电池的优越性能慢慢呈现。通过比较两种工艺的锂电池，可2将其性能比较总结如表1-1所示。卷绕锂电池叠片锂电池内阻内阻较大内阻较小高倍率放电容量密度较少密度低较多密度高能量密度密度低密度高电池形状单一多变厚度控制控制复杂厚度控制容易适合领域常规电池高倍率电池、异形电池、动力电池根据上表可知叠片锂电池的性能远优于卷绕锂电池，因此叠片锂电池的普及是将来的一大趋势。如表1-2所示为卷绕锂电池与叠片锂电池的加工工艺比较，通过表中可知，解决叠片锂电池的加工效率问题是推广叠片锂电池的必须表1-2卷绕锂鬼池与叠片锂电池加工工艺比较卷绕锂电池叠片锂电池分切分切方便，合格率高分切繁琐，合格率低生产控制一个电池两个极片，便于控制每个电池均有几十个极片，控制复杂隔膜放卷连续放卷，张力控制稳定周期性放卷，张力控制复杂点焊简单，每个电池只需点焊两次复杂，所有极片均需点焊，容易虚焊张力控制是锂电池叠片工艺中最关键的技术，其稳定性直接影响到锂电池的性能，张力过大时隔离膜容易产生变形甚至扯断，张力过小时隔离膜容易出现褶皱、回缩，导致纠偏传感器无法正常纠偏，使隔离膜产生叠偏现象，严重影响锂电池的性能，从而开展本课题的研究具有重要意义。最简单的张力控制方案是采用重力块和重力传感器控制系统张力6,如图1-4所示，该方法只适用于张力控制精度要求不高的场合，其主要缺陷是隔离膜在传统叠片机张力控制方案都是采用直线电机进行恒力矩控制，如图1-5所示。3为满足各种不同的需求，也有采用旋转电机或磁粉离合器配合张力摆杆控制系统张力I7-8,如图1-6所示。这些方法均是通过检测位置偏差，通过反馈进行系但都只适用于隔离膜低速运动的情况。在隔离膜高速运动过程中放卷电机无法通过PID快速调整，存在时滞现象，从而出现隔离膜张力不稳定情况。膜带动辊GG图1-4重力块张力控制系统动辊收卷膜带膜带图1-6张力摆杆恒力矩张力控制系统随着张力涉及领域的普及，人们从各个角度研究张力控制效果，韩国建国大学的ChangwooLee等人提出了一种先进锥送过程中的截面应力变化数学模型，同时设计了一种对辊结构，通过调整单棍角度控制料带在传送过程中的受力，采用被动张力摆杆控制系统张力，对卷绕制效果最好的诠释，西安交通大学的学者为解决凹版印刷机张力控制问题，提出了一种基于主动扰动抑制控制的解耦张力控制算法，根据放卷系统建立了一套数学模型，同时结合仿真和实验得出了解耦控制系统具有很好的抗反干扰能控制系统进行了设计，主要基于神经网络算法估计系统的不确定性，然后基于模型对张力系统进行了仿真与设计。经典PID控制算法作为传统控制算法，在张力控制技术中经常被采用，哈尔滨理工大学的学者通过分析自动绕线机的工作原理以及张力波动影响因素，引入传统PID和张力传感器设计了一套反馈控制系统，在张力传感器和PID算法的配合下，可以很稳定的控制绕线机系统张力[12]。为满足更复杂的系统需求，智能控制算法被引入张力控制，其中研究4最多的是模糊控制算法，Jong-ChanPark等人采用模糊自适应增益控制方法控制卷绕机系统张力13,青岛大学和河北大学的研究员将模糊PID应用到了纱线缠绕机的张力控制系统中，通过仿真实验验证控制算法的可行性，最终结果表气学院的将模糊PID控制算法中加入自学习算法，应用到张力控制技术当中，该方法可以自动调节PID参数，相比较传统PID和模糊PID控制算法具有当系统张力控制稳定之后，纠偏控制直接决定了锂电池的质量，因此对纠偏方法进行研究显得非常重要。目前解决纠偏问题主要从纠偏结构和控制算法过机构改进设计了双平行导辊纠偏机构如图偏机构191,该机构主要分为左右纠偏托辊组，当输送机胶带向其中一侧发生跑偏时，通过机构运动转换使胶带向跑偏的反方向运动，实现纠偏，结合本机构特点，中煤国际集团南京设计研究院的主春奇等人优化结构设计了一种锥形纠偏装置I²01,这两种机构设计很巧妙，虽然纠偏性能很好，但只适用于张力要求不高的场合。导带辊导带辊纠偏输入辊纠偏输出辊传感器纠偏电机压辊轮随着纠偏技术的发展，常见的智能控制方法也被引入进来改善纠偏效果，针对带材在生产中存在的跑偏及普通控制系统性能较差问题，提出一种基于模糊和前馈控制的电动纠偏控制方法[231,通过与普通PID控制方法对比，得出添加前馈补偿的模糊控制算法能改善系统的稳态纠偏精度。针对复合材料缠绕技术中的跑偏问题，杨开平等人对布带跑偏量的检测问题进行深入研究，并引入5模糊PID纠偏控制算法[24,并进行仿真分析和实验验证，结果表明模糊PID控制算法完全能满足布带跑偏量的控制需求。本研究将采用单输入多输出控制方法，也就是主从同步控制，其应用领域广，以混沌理论领域的应用最为广泛，同时也可用于多个系统同步完成一个动作或者一项工作的研究，华南理工大学的学者通过线性误差反馈控制研究了两个非自主水平平台的主从同步控制问题[251,通过证明一般的耦合同步矩阵推导出了适应系统的特殊矩阵。中央昆士兰大学的KeDing通过采用时间延时反馈控制对两个水平平台的主从同步控制进行了仿真分析与研究[261,最终结果表明，时间延时反馈控制算法能够改善系统性能。谢里夫理工大学的HassanSalarieh等人将主从同步技术延伸到多同步问题，通过线性输出反馈控制策略设计了多同步程序算法[271。东北大学的学者对直线振动给料装置的四偏心转子引入自适应滑模控制算法，通过实验验证相位和速度同步控制的有效性[28]。自1845年CharlesWheastone发明了世界上第一台直线电动机以来，引发了行业内许多研究人员对直线电机进行探索研究，同时将其应用到实际设备中。首先从理论出发西安交通大学的杨晓军分析了机电耦合系统的机械振动模式，建立了直线电机的推力方程1291,台湾大汉技术学院的AlbertW.-J.Hsue等人对旋转电机和直线电机进行了动力学数学建模，同时比较滚珠丝杠传动与直线电机驱动平台，结果表明，直线电机比滚珠丝杠具有更好的轮廓定位精度[30]。河南理工大学的汪旭东等人对永磁同步直线电机进行了动力学数学建模，同时对永磁同步直线电机进行粒子群PID矢量控制³1。在直线电机定位精度方面也有很多研究，台湾成功大学的学者对直线电机驱动的机床的重复定位精度进行了研究，采用标准重复控制器进行位置补偿，提高直线电机的重复定位精度32】。直线电机的运动需要进行轨迹规划，轨迹规划的合理性直接影响整个系统的振动，常用的轨迹规划有三角形速度曲线，梯形速度曲线，对称S形速度曲线，非对称S形速度曲线。新加坡维斯塔斯技术研发有限公司的李怀忠等人对直线电机的速度非对称S曲线轨迹进行了数学描述，根据常加加速度进行反向推导加速度曲线、速度曲线、位置曲线33,美国普渡大学的PeterH.Meck1副教授优化了S曲线运行轨迹的最小残差振动34]。法国一些研究人员考虑加加速度对高动态系统的振动的影响，通过优化加加速度减小系统振动35,北京理工大学的梁赞等人运用命令平滑技术设计高速凸轮轮廓减小系统振动36]。直线电机在高速运动过程中，存在位置跟踪误差，前馈补偿控制能很好的较小跟随误差371。前馈控制主要作用是预测信号的发展趋势，在主轴与从轴同步运动过程中，常存在主轴同步周期超前于从轴，也就是说从轴存在时滞现象，6前馈控制可以对系统的时滞现象进行改善。韩国建国大学的HyunKyooKang等人对多层凹版打印系统进行数学建模，同时采用前馈控制减小寄存器误差，提不平衡问题进行研究，结合自适应滤波器建立了传统PID数学模型，将位置前出了如何选择最优前馈控制参数的规则，同时引入预补偿改变控制器的时滞实同时基于模型预测控制对炼焦炉的气体收集控制系统进行了设计，通过仿真验本课题以锂电池叠片机为研究对象，打破传统隔离膜被动放卷方案，研发(1)根据锂电池叠片机工作原理，建立隔离膜在运动过程中的运动学数学模型，其中包括叠片平台部分隔离膜位移变化运动学模型，储料轴部分隔离膜位移变化数学模型，张力摆臂的隔离膜长度与张力摆角度变化关系数学模型，初始卷径计算数学模型，实时卷径迭代数学模型以及张力摆臂的动力学数学模(2)为锂电池叠片机张力控制和纠偏控制系统进行选型，主要包括控制器的选型，HMI触摸屏的选型，伺服电机选型。结合选型对控制系统进行系统搭建，采用先进的EtherCAT通信技术实现信息的高速传输。为张力控制系统进行控制策略设计，主要设计了两种控制策略，即电子凸轮控制方案和主从同步的实时控制方案，结合两种控制方案的优缺点，最终确定选用主从同步的实时控制方案。为纠偏控制系统设计了推导料板的方案，并结合纠偏传感器设计了纠(3)基于已经建立的数学模型和已经设计好的控制策略，采用Matlab对系统进行仿真验证。首先对直线电机和旋转电机进行动力学数学建模，通过最小二乘参数辨识方法对直线电机动力学数学模型和旋转电机动力学数学模型进行参数辨识，得到直线电机和旋转电机的传递函数。对叠片平台直线电机的运行轨迹进行非对称S曲线轨迹规划，对压刀进行一次函数轨迹规划。根据隔离膜运动学数学模型和伺服电机的传递函数仿真出储料直线电机的运行轨迹，伺服电机在仿真过程中存在跟随误差，所有的跟随误差在数学模型的作用下最终7反馈到了张力摆杆上，从而通过仿真得出了张力摆杆的波动量，当波动量很小时，说明设计的张力控制系统方案可行性高。在解决纠偏问题上，设计了模糊控制算法，并搭建了Matlab/Simulink的模糊控制仿真系统，在阶跃信号的激励下，如果纠偏控制器能够快速收敛并达到稳定，说明模糊控制算法具有可行性。(4)在仿真结果的基础上，搭建了锂电池叠片机实验平台。通过实验数据验证系统设计的合理性，主要通过放卷轴的放卷速度波动量验证主动连续放卷方案是否可行，通过张力摆杆的波动量验证系统张力波动大小，通过测量叠片数据验证纠偏控制方案的合理性。(5)实验初期，系统的张力控制并不稳定，隔离膜的对齐度也不理想，通过分析发现直线电机在高速运动过程中存在很大的跟随误差，为此，为系统加入了前馈补偿控制和预测控制算法，通过优化之后系统张力控制稳定，隔离膜对齐度也达标，并且完成超过了预期水平。8第2章锂电池叠片机张力控制系统数学建模本章首先对锂电池叠片机的工作原理进行分析，然后建立整套隔离膜张力控制系统的数学模型，包括隔离膜拉伸与回缩时的运动学数学模型、放卷时的卷径迭代数学模型、初始卷径计算数学模型、储料轴储料运动学数学模型、张力摆杆运动学数学模型、张力摆杆动力学数学模型等。锂电池叠片机SolidWorks三维模型如图2-1所示，其工作原理图如图2-2所示，其中锂电池叠片平台周期性往返运动，配合压刀实现锂电池Z形叠片，采用储料轴储存放卷轴放出的隔离膜和叠片平台引起回缩的隔离膜，张力摆杆控制系统张力处于稳定。通过分析可以知道，系统的张力波动主要受隔离膜的缩放影响，其缩放量与叠片平台、压刀、储料轴、放卷轴等的运动有关，因此建立这几部分的运动与隔离膜的运动数学关系是间接控制系统张力稳定的关键。放卷轴图2-1叠片平台三维模型图图2-2锂电池叠片机张力系统工作原理图2.2隔离膜伸缩量数学建模叠片平台和压刀的剧烈运动对系统张力影响最大，因为叠片平台和压刀的运动是导致隔离膜回缩的关键，单独将叠片平台和压刀部分拿出来分析。以叠片平台的最左位置从B点运动到F点的半个周期运动为研究，建立叠片平台和9压刀与隔离膜长度变化的数学关系。叠片平台最右位置从E点运动到A点为后半个周期，其数学建模理论与前半个周期类似。如图2-3所示为叠片平台和压刀与隔离膜的几何关系图，定义m为B点相对于中心O点的位移，x为叠片平台中心的位移，a为锂电池的叠片宽度，e为固定辊中心O₄到叠片平台工作平面的距离，定棍O₂,O₃为1。由此可得m与x之间的关系：以下隔离膜的总长度图2-4压刀尺寸简图(1)压刀的尺寸简图如图2-4所示，当叠片平台最右位置位于A点时，假设叠片平台静止不动，作辅助线如图2-5所示，则O₁N为一定常值：O₁N=mmx+a。隔离膜长度计算如下：NP=e-h图2-5叠片平台处于最右位置简图图2-6左压刀压下隔离膜简图(2)左压刀最先开始运动，假设左压力初始位置为左压刀底平面与隔离膜相切的位置，垂直压下隔离膜，其运动简图如图2-6所示，设压刀的运动位移为μ,压刀压下隔离膜期间，隔离膜的长度变化数学关系计算如下：B₂P=a-(z-w)/2HO₁=d₁/2O₁M=m-fB₁M=e-μ(3)当压刀运行到位后，叠片平台开始向左运动，直到叠片平台上的最右位置B点运动到C₁点，其中C₁点为压刀的最右端点到原点的距离为f的点，如图2-7所示。叠片平台B点在B点与C₁点之间运动时，建立隔离膜的长度变化数学关系，计算如下：ZGO₁H=180°-∠ICB-∠CBIOM=m-f(4)叠片平台继续向左运动，B点从C₁点运动到C点之间的运动简图如图2-8所示，其中C点为隔离膜与定棍O₁相切时，隔离膜的延长线与叠片平台工作平面相交的点。叠片平台B点在C₁点与C点之间运动时，建立隔离膜的长度变化数学关系，计算如下：NC=e图2-7B点向左运动到C₁点简图图2-8B点从C₁点运动到C点简图点之间的运动简图如图2-9所示，其中0点为叠片平台工作位置中心线与叠片平台工作平面的交点。叠片平台B点在C点与O点之间运动时，建立隔离膜的长度变化数学关系，计算如下：(6)叠片平台继续向左运动，此时处于叠片平台中心交界位置，实际情况下O₂棍和O₃棍之间总会存在间隙，本研究假设两棍之间的间隙可以忽略不计，即n-d₂/2≈0,所以，当叠片平台上的B点在[-(n-d₂/2),(n-d₂/2)]区间内运动时，隔离膜的长度变化不做考虑，此时隔离膜的长度变化数学关系为：(7)叠片平台继续向左运动，B点从O点向D点运动期间的简图如图2-10所示，其中D点为隔离膜与O₄棍相切时的延长线与叠片平台的工作平面相交的点。叠片平台B点在O点与D点之间运动时，建立隔离膜的长度变化数学关系，计算如下：DK=h₁+[b-(d₂/2)·sinλ-h]/cosa(8)叠片平台继续向左运动，B点从D点运动到D₁点的运动简图如图2-11所示，D₁点为左压刀的最右端点到叠片平台中心点的距离为f的点。叠片平台B点在D点与D₁点之间运动时，建立隔离膜的长度变化数学关系，计算如下：₀=z+w+h+√[(z-w)/2]²大(一九)+92z+(z-w)/2²+h²F₂H=√o₄N²+NF₂²-(a,/2NF₂=e-h(9)叠片平台继续向左运动，B点从D₁点运动到F₁点的运动简图如图2-12所示，其中F₁点为压刀的倾角的延长线与O₄辊相切时叠片平台上B点对应的位置。叠片平台B点在D₁点与F₁点之间运动时，建立隔离膜的长度变化数学关系，计算如下：式中NF₂=e-h(10)叠片平台继续向左运动，B点从F₁点运动到F点的运动简图如图2-13所示，其中F点为叠片平台上B点的最左极限位置。叠片平台B点在F₁点与F点之间运动时，建立隔离膜的长度变化数学关系，计算如下：NP=e-h图2-14储料辊运动简图2.3储料轴部分几何分析及数学推导隔离膜的伸缩依靠储料轴来储存，叠片平台和压刀引起的隔离膜长度变化在前面章节已经求出。下面对储料轴的运动进行分析，如图2-14所示，设储料轴的位移为y,隔离膜与圆棍的圆心包角为α。以O₂、O₅、O₆三个点共线时O₅作为储料棍的零点O,从图中的几何位置观察，储料棍的位移与隔离膜的长度变化关系需要分两段考虑：储料棍O₄从零点运动到与O₂O₆连线相切的位置之间的几何关系；O₄继续向右运动时的几何关系。在这段运行期间隔离膜的长度与储料轴位置之间的关系为：式中：储料轴的移动量y根据叠片平台的往复运动引起的隔离膜伸缩变化和放卷轴的放卷量变化而变化，因此在储料轴上产生的总膜长变化关系为：式中linitial——叠片平台位于初始位置时的隔离膜长度；Lroll——放卷轴放出的隔离膜长度；△l——隔离膜的运动增量：△l=-(l-initia);l——叠片平台和压刀引起的隔离膜长度变化；1——O₆到O₂之间的距离。2.4张力摆部分隔离膜长度分析如图2-15所示为张力摆部分的几何原理图，其中棍O₇和棍O₁固定不动，O₉O₁₀O₈为张力摆的中心线，张力摆的摆角β为张力摆中心线与水平线之间的夹角。规定以水平线为基准，当张力摆逆时针转动一个角度时β为正角，当张力摆顺时针转动一个角度时β为负角，张力摆部分的隔离膜长度为点A至点F的膜长。已知O₇、O10、O₁1三点固定不动并且共线，根据该几何关系对张力摆的角度变化与隔离膜长度变化建立数学关系。D当张力摆处于水平位置时，设∠AO₇B=ZCO₈D=γ,通过几何关系可以建立以下关系式：将上式整理后得到角度γ的数学表达式：张力摆在理想情况下是静止状态，但在实际系统运行时，由于系统张力的波动，导致张力摆杆波动，张力摆部分的隔离膜长度变化与张力摆杆角度变化之间的关系为：ZCO₈D=γ-βEO₁₀=√O₈0₁²-(d₂/2)²2.5初始料卷卷径计算数学建模在每一次换隔离膜料卷的时候，料卷卷径都是未知的，因此需要对初始卷径进行计算。本研究中初始卷径计算原理为：首先将叠片平台以及储料辊调整到规定的初始位置，然后将张力辊偏转一定角度并施加恒扭矩控制，通过控制放卷电机的正反转使隔离膜张力处于稳定，此时记录放卷辊所处位置为位置G,在该基础上，放卷辊继续放卷或收卷真到张力摆杆达到水平位置，以及隔离膜张力恒定，此时记录放卷轴的位置H,如图2-16所示。张力摆杆转过的角度已知，根据前面章节的数学模型可以计算出张力摆转过的角度对应的隔离膜长度，同时结合放卷电机转过的角度可以计算出初始卷径。张力摆转动一定角度引起的隔离膜的长度变化为：根据放卷轴初始位置与运动一定角度后的位置的几何关系可知：从而可以推导出初始卷径：2.6隔离膜放卷卷径迭代数学建模隔离膜在放卷过程中，料卷卷径是实时变化的，导致放卷速度也会发生变化，因此需要对卷径迭代进行数学建模。如图2-17所示为隔离膜料卷尺寸结构图，do为料卷内径，d为料卷外径。如图2-18所示为隔离膜摊平之后的隔离膜尺寸结构图，其中隔离膜厚度为m,隔离膜长度为L。图2-17料卷尺寸图隔离膜料卷为摊平后的隔离膜紧密贴合圈绕而成，由此可知，隔离膜料卷圆环面积应该与隔离膜侧面截面积相等，其关系为：化简之后可以得到隔离膜料卷直径d:在本研究中料卷上的隔离膜长度L是随时间变化的，其变化关系为：式中L₀——整卷隔离膜的初始长度：将上式化简后，得到隔离膜料卷卷径与时间之间的关系：根据图2-17可以计算出放卷轴线速度与转速之间的关系：若要保持张力处于恒定，则v₁=V₂,课题要求的放卷速度v₂已知，可以推导出放卷轴转速n的表达式为：2.7张力摆臂动力学分析张力摆杆主要用于控制整个隔离膜放卷系统的张力处于恒定，并通过绝对式编码器检测张力摆杆偏转量，并通过偏转量对放卷速度进行PID调节，因此，它是整个张力控制系统的关键部件。张力摆在运动时会受到动能的影响而使系统张力波动，因此需要对张力摆杆进行动力学数学建模，如图2-19所示为张力摆杆的受力简图。张力摆由旋转电机驱动，F为隔离膜张力，为保证隔离膜张力恒定，需要对旋转电机施加驱动力，其驱动力大小主要受隔离膜张力和张力摆转动惯量影响，为此建立其动力学数学模型。张力摆杆的总转动惯量为：式中m₁——摆杆质量；m₂——摆杆上的过料棍质量。在恒张力控制系统中，电机驱动力与隔离膜张力和张力摆惯性力平衡，从而计算出张力摆驱动电机需要的驱动力矩：式中β——张力摆当前时刻的角加速度，在实际应用中可以通过伺服参数反馈由上式可知，在理想情况下张力摆角加速度为0,电机驱动力只与隔离膜张力大小有关系。本章主要对锂电池叠片机张力控制系统进行数学建模，根据锂电池叠片机的工作原理可知，隔离膜储料轴的数学模型需要根据隔离膜伸缩量和放卷轴放卷量确定，因此首先建立了前半个周期叠片平台和压刀引起的隔离膜长度变化数学模型，然后推导储料轴的运动学数学模型。为节省上料初期工作人员的工作量以及提高初始卷径测量精度，制定了初始卷径计算策略以及初始卷径计算数学模型。在叠片过程中，隔离膜料卷卷径会实时变化，在保证隔离膜匀速放卷的前提下，对卷径迭代进行了数学推导，从而推导出了放卷轴的放卷速度。张力摆臂作为控制系统张力的关键部件，通过推导其动力学数学模型得出了张力摆杆的控制力矩。第3章锂电池叠片机张力与纠偏控制系统设计锂电池叠片机的控制系统相比锂电池卷绕机更加复杂，因为卷绕机的隔离膜在传输过程中为单方向运动，张力波动相对较小。而锂电池叠片机在叠片过程中叠片平台为间歇性往复运动，导致隔离膜存在拉伸与回缩现象，从机械结构考虑，目前还没有能解决该问题的方案，因此对锂电池叠片机控制系统的设计显得至关重要。本章主要根据客户需求以及设计要求确定锂电池叠片机的必要功能，同时根据功能需求设计控制系统。锂电池叠片机控制系统主要包括运动控制模块、I/O模块、高速I/O模块、外接触摸屏模块、复杂逻辑控制模块和数据采集模块等。张力与纠偏控制部分的运动控制是本研究的重点，因此需要对张力与纠偏控制系统制定控制策略。3.2张力与纠偏控制系统选型自动化工业中最常用的控制器是可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController),简称PLC。最主要的特点是使用方便、编程简单，功能强、性价在工业中得到广泛应用，因此，本设计以PLC作为控制器确定控制系统的方案设计。通过比较国内外的PLC性能、考虑成本以及实际需求等因素，最终确定选用汇川AM600中型PLC,其主要性能如表3-1所示。M600中型PLC性能参数性能参数性能参数主处理器Cortex-A8处理器定位运动控制32轴EtherCAT定位控制，4轴脉冲用户程序容量凸轮运动控制16轴EtherCAT凸轮控制用户数据容量插补运动控制基于EtherCAT可实现多组三轴插补标配总线通用以太网；串行通信内置高速输入内置高速输出汇川AM600中型PLC内置高速I/O,具有16通道200K高速输入和8通道200K高速输出，可支持4轴脉冲运动控制，基本上能够满足本设计需求。3.2.2HMI产品选型触摸屏主要用于与用户进行人机交互以及系统控制，通常包括装备的运行状态显示、基本参数设置以及指令设置。本研究选用汇川IT5000系列HMI产品，该产品具有高性能、大容量、易使用、接口丰富等特点。结合其性价比，完全能满足本设计需求。如图3-1所示为IT5000系列触摸屏的线路连接示意图，PC机通过USB连接触摸屏，通过InotouchEditor软件对触摸屏界面进行设计以及内存分配，同时触摸屏通过RS485与PLC进行连接与通信。PC机PLCPC机PLCI/O模块伺服电机的选型直接关系到搭建系统的成本以及后期量产设备的成本，同时，如果伺服电机选型不合理，后期将无法满足设计需求，对系统的性能也会有决定性的影响。相反，如果伺服电机选型合理，不但可以降低设计成本，而且可以使系统的设计达到最优化。本研究总共需要用到6个旋转电机，分别为左压刀电机、右压刀电机、平台升降电机、放卷电机、张力摆杆电机、纠偏电机等。左压刀电机和右压刀电机主要是实现叠片机在往返叠片过程中压住隔离膜和极片的作用。在周期性叠片过程中锂电池越叠越厚，导致叠片的工作平面周期性变化，为此采用升降电机使叠片时的工作平面始终不变。放卷电机主要用于隔离膜的匀速和变速主动放卷，张力摆杆电机主要是实现系统恒扭矩控制，控制系统张力恒定。当隔离膜传送过程中出现偏斜时，引入纠偏电机，推动导旋转电机的选择需按照其选型原则以及根据实际情况确定，通过伺服电机选型原则和注意事项[42可知旋转电机的选型主要考虑：转子惯量、额定转速、转矩、加减速转矩、连续时效负载转矩等因素。本研究中的各个旋转电机，根据不同的性能要求以及价格要求，选定了如下汇川技术股份有限公司的几款旋转电机，其性能参数如表3-2所示，其驱动器采用本款伺服电机配套的驱动器名称型号额定转转动惯量瞬时最大电流Arms左压刀电机右压刀电机平台升降电机放卷电机张力摆杆电机纠偏电机以上电机额定转速均为3000r/min,最高转速均为6000r/min。直线电机作为本系统设计的要点球其进行选型也是重中之重。本系统主要使用了两个直线电机，即叠片平台直线电机和储料轴直线电机。叠片平台直线电机主要用于拖动叠片平台往返运动，实现锂电池Z形叠片。储料轴直线电机主要用于叠片过程中，实现膜带的储存与放料。结合公司的成本预算以及系统需求，本研究选择采用东莞市智赢智能装备有限公司提供的两款直线电机型号，其性能参数如表3-3所示。表3-3锂电池叠片机直线电机型号规格说明表名称型号连续推力推力动子重量气隙推力常数最大功率连续功率动子最高温度叠片平台直线电机15储料直线电机从上表可以看出，所选择的直线电机型号中，叠片平台直线电机各方面性能均比储料直线电机性能参数大，其主要原因是负载重量不一样。叠片平台直线电机负载质量大约是35kg,动子质量大约10kg,而储料直线电机所带的负载仅仅只有5kg,动子质量大约2kg,所以需要选择性能参数更大的直线电机来拖动叠片平台运动。3.3张力与纠偏控制系统方案设计通过前面章节确定本研究主要由AM600作为系统主控制器，通过触摸屏与电池叠片机张力控制系统的系统框图。较高的场合，需要用高速I/O满足系统需求，在本研究中，高速I/O主要用于接收纠偏传感器的反馈信号，通过与设定偏差比较确定纠偏量。左压刀电机隔膜储料直线电机叠片平台直线电机其他传感器左压刀电机隔膜储料直线电机叠片平台直线电机I/O模块模块主控制器Y白台Y白台降电机触摸屏纠偏电机张力摆杆电机放卷电机纠偏电机张力摆杆电机放卷电机右压刀电机总线系统，具有高精度设备同步，高速度传输，适用于主站/从站、主站/主站之间的数据交互等特点。目前使用最多的通信协议是CAN总线技术，随着控制器与驱动器、驱动器与驱动器之间的通讯，同时结合相应的算法实现主从同步控制。张力和纠偏控制是动力锂电池叠片机的关键技术之一，在计算出系统的运动学模型基础上，对系统进行高效高精度的控制是本课题的核心。只有在系统张力控制稳定的前提下，纠偏传感器才能正确检测到隔离膜的偏移量，为此，首先对张力控制系统制定控制策略。小时隔离膜容易出现褶皱、回缩，导致锂电池叠片过程中隔离膜产生叠偏现象。根据这些思路，规划以下的两种间接张力控制策略。如图3-3所示为采用固定电子凸轮的控制策略框图，放卷辊主动匀速放卷，依靠张力摆恒转矩控制，同时保证整个系统的张力恒定，当张力摆出现偏移时，采用PID调整放卷速度，实现放卷辊主动变速放卷。放卷速度子凸轮曲线运动偏移量图3-3电子凸轮控制策略框图的同步周期拉长，这对运动控制是很不利的。时控制。如图3-4所示为锂电池叠片机实时动态规划张力控制系统框图，其中放卷张力摆达到平衡，实现恒转矩控制。位置反馈位置反馈算运行轨迹图3-4动态规划控制策略框图常用的纠偏机构是蛇形纠偏器，只适用于隔离膜慢速传送和远距离传送系统的纠偏。然而，本系统的叠片平台高速运动，蛇形纠偏器无法满足系统需求，为此设计了推平板机构，当叠片平台处的隔离膜出现偏差时，通过伺服电机推如图3-5所示为纠偏控制策略框图，设定固定的检测值，当出现偏差时，纠偏传感器的检测值会波动，波动值与设定值进行比较可以计算出纠偏量，根据偏差量的多少控制纠偏伺服电机运动，进行纠偏控制。根据纠偏传感器的工作原理可知，只有当张力控制稳定时，纠偏传感器才能正确的检测到偏移量。纠偏检测装置图3-5纠偏控制策略框图本章针对设计需求以及系统需求为张力控制系统及纠偏控制系统的硬件部分进行了系统选型，主要包括控制器的选型、HMI的选型、各旋转伺服电机的选型以及直线电机的选型。通过各方面的比较以及功能需求，控制器最终选用汇川AM600中型PLC,HMI触摸屏选用IT5000系列的产品，旋转电机也是选用汇川公司的一系列产品，直线电机选择了东莞智赢公司的两款直线电机，这些国产产品普遍具有价格低，功能全的特点，为后期考虑可以节省很多成本。在确定控制系统硬件选型之后进行了控制系统的框图搭建，基于EtherCAT总线本章为系统设计了两套张力控制策略，分别是电子凸轮控制策略和实时动态规划控制策略，电子凸轮方案会使系统的同步周期拉长，而实时动态规划方案能缩短系统的同步周期，同时可以实现复杂的控制算法，结合两种控制策略的优缺点，最终确定采用实时动态规划控制策略。设计了纠偏控制策略，打破传统纠偏方法，采用旋转电机带动丝杆推动导料板前后运动的纠偏方案，能满足系统的高速纠偏需求。第4章锂电池叠片机张力与纠偏控制系统仿真在数学模型已经建立、控制策略已经设计好的情况下需要对系统进行仿真验证，本章采用Matlab对张力控制系统进行仿真验证，首先建立直线电机和旋转电机的动力学数学模型，将其等效为二阶系统，采用最小二乘参数辨识方法对系统进行参数辨识，求出系统的传递函数，通过对直线电机和旋转电机进行轨迹规划模拟现实系统的运行情况评估系统的可行性。通过Matlab/Simulink搭建模糊控制系统仿真框图，在阶跃信号的激励下，观察模糊纠偏控制算法的稳定性。4.2伺服系统数学建模系统仿真是指通过计算机软件模拟实际系统运行情况，从仿真结果推断系统设计的可行性。本研究采用旋转伺服电机和直线伺服电机驱动系统运行，为了得到与实际系统运行相似的效果，本研究需要推导出直线电机和旋转电机的动力学数学模型，通过动力学数学模型求出直线电机和旋转电机的传递函数，为后面的系统仿真做准备工作。交流伺服电机分为交流伺服同步电机和交流伺服异步电机，永磁同步电机是交流伺服同步电机的一种，其定子电流与绕线式同步电机基本相同，因为其输入为对称正弦交流电，所以也称其为交流永磁同步电机。永磁同步电机按驱动电流的波形不同可以分为两种：一种是无刷直流电机，采用方波电流驱动；另一种是永磁同步交流伺服电机，采用正弦波电流驱动。永磁同步电机的控制方式一般采用忽略铁损时的d、q轴数学模型431,主要为永磁同步电机的d-q轴数学解析模型图。忽略铁损时，永磁同步电机的各状态量之间的关系如下：电流关系式：式中ia、i₄——d、q轴定子电流，稳态时I₄=√3I,(I,为相电流有效值)。磁链关系式：电压关系式：式中Tm和T,——分别表示永磁转矩和磁阻转矩直线电机可以认为是旋转电机沿径向剖开，并展开成平面而成[441,如图4-2称电流时，便会在定子和动子之间的气隙中产生磁场，当三相对称电流随时间变化时，动子和定子之间的磁场就会沿直线移动，从而带动动子沿直线移动，动速度是一致的。同时结合光栅尺、细分盒的反馈，在驱动器和控制算法的作用下使直线电机实现位置、速度控制。根据直线永磁同步电机的工作原理，建立直线永磁同步电机的d、q轴数学模型如下：uμ,u₄——分别为初级d轴和q轴电压；La,L₄——分别为d轴和q轴电感；ia,i₄——分别为d轴和q轴电流；ψ,——永磁体励磁基波磁链；R₅——电枢绕组电阻；v,——动子速度；t——永磁体极距；p——微分算子，p=dldt。根据双轴理论，可导出直线永磁同步电机电磁力公式如下：采用ia=0控制策略，则：根据物理定理，直线电机的动力学方程可以表述为：式中Fo——直线电机负载力；F,——直线电机推力；M——直线电机次级质量；x——直线电机直线位移。系统参数辨识是指通过物理论建立系统的数学模型，然后通过实验采集系统的输入、输出数据，应用数学理论推导出输入输出与数学模型的关系，从而得到一个估计的数学模型，参数辨识方法一般应用于采用解析法无法得到系统数学模型的场合。系统参数辨识实质上是使辨识后得到的数学模型的输入输出关系与实际测量的系统输入输出关系误差最小。实际上是一个找最优解的问题，常用的算法有极大似然法、误差预测估计法和最小二乘法等。最小二乘法是采用误差估计方法使求得的数据与实际的数据的误差平方和最小，在参数辨识方法里面使用最广，而且其他的参数辨识方法一般都是从最小二乘方法中衍生出来的，很多在线参数辨识都可以采用最小二乘参数辨识方法。本研究主要以最小二乘方法为研究分别对叠片平台直线电机和储料直线电机进行离线参数辨识，求出其传递函数，为后面的仿真验证做准备，其余各旋转伺服参数辨识理论在文中省略。叠片平台是由直线电机驱动其左右往返运动，前面建立的直线电机动力学参数模型较复杂，为便于设计需对模型进行进一步简化，可将其近似等效为：式中K,——直线电机力常数；K.——反电动势力常数；M——负载惯量。为简化参数辨识，对上式进行简化，得到以下直线电机参数模型：对上式进行Laplace变换，可以得出电流指令与位移直接的传递函数：式中t,B——待估计参数；x——直线电机的加速度；x——直线电机速度；i——速度和加速度对应时刻的电流辰在实际系统中，电流、速度、加速度这三个参数可以通过测量得到，在理想情况下只需要两组参数就可以得到t和B,但每次测量都存在随机误差，则公式(4-18)可以表述为：N次测量之后，总测量误差可以表述为：采用最小二乘估计算法来计算t和B,此时需要计算每次测量误差的平方和上式分别对t和B求偏导数得：化简和去括号之后整理得：解以上方程可得：通过采集伺服系统数据，经Matlab仿真计算，得出叠片平台的最终辨识模叠片过程中隔离膜会产生回缩以及需要提前储存部分隔离膜，为此需要设计储料轴控制膜带的拉伸与回缩，本研究设计采用如图4-3所示的储料机构，考虑直线伺服具有高响应性，储料辊采用直线伺服驱动，其运行轨迹通过数学模型建立，其传递函数与叠片平台相同，但储料轴与叠片平台负载重量不一样，从而其响应性也存在差异，为此需要对其进行参数辨识。与前面小结相似，通过采集伺服系统数据，经Matlab仿真计算，得出储料直线电机的最终辨识模型为：常用的直线电机轨迹规划方法有三角形速度曲线如图4-4所示、梯形速度曲线如图4-5所示、对称S形速度曲线如图4-6所示以及非对称S形速度曲线如图4-7所示。00加速度图4-4三角形速度曲线1500知识星球锂电派图4-5梯形速度曲线位移(mm)位移(mm)0图4-6对称S形速度曲线0时间(s)0时间(s)图4-7非对称S形速度曲线分析可知，三角形速度曲线与梯形速度曲线，其最大加速度小，但启动瞬间加速度很大，会导致叠片平台震动。对称S形速度曲线与非对称S形速度曲线其加速度平滑，但加速时间长，导致最大加速度过大。叠片平台在高速往复运动时，系统冲击很大，为避免叠片平台整体机械系统受冲击作用而产生振动，在本研究中，采用非对称S曲线进行轨迹规划，同时将叠片平台直线电机的传递函数加入系统进行仿真，其仿真电机跟随曲线如图4-8叠片平台运行轨迹仿真图4-9叠片平台仿真跟随误差曲线隔离膜的变化还与压刀的运动有关，为了获得精确的隔离膜变化曲线，需要对压刀的轨迹进行规划、该项目中左右压刀为循环工作。由于压刀位移非常小，采用匀速压下的运动轨迹，如图4-10所示。变化关系主要包括叠片平台以及压刀的运动引起的隔离膜变化和放卷轴放卷引起的隔离膜变化。其中叠片平台、压刀轨迹在前面小结均已规划完成，放卷轴差跟随曲线如图4-12所示。0在理想情况下，张力摆杆处于平衡静止状态，在恒扭矩伺服电机作用下，维持系统张力处于恒定，但在实际情况中，叠片平台和储料轴伺服系统存在响应误差，这些跟随误差使隔离膜长度变化的数学模型不准确，从而将误差集中反映到了张力摆杆上，导致张力摆杆波动，其仿真摆杆波动曲线如图4-13所示。0图4-13识摆愣真疲动曲线图通过曲线可以知道张力摆杆的波动范围很小，在仿真过程中，主要受伺服系统的位置响应性影响。由此可以断定该方案可行。4.5纠偏模糊控制推理与仿真纠偏控制方法分为很多种，主要以传统PID控制方法为主，随着计算机技术的发展，很多智能控制方法被研究出来。传统的PID控制方法只适用于纠偏精度要求不高且叠片速度慢的场合，很多应用案例表明模糊控制方法比传统PID控制方法具有更好的控制效果，且可以试用于高速场合。因此，本研究为纠偏控制方法设置了一阶模糊控制算法。模糊控制系统主要由模糊控制器和控制对象组成，如图4-14所示。由于模糊控制器对系统进行处理是基于模糊集合的方法，因此对输入数据进行模糊化放在模糊控制器的第一步。模糊化后的数据需要进行模糊推理，采用模糊逻辑对系统进行推理，一般模糊化语言都是不可控的，需要采用一些算法将其转化为可控量，清晰化处理就是将模糊量转化为可控量，知识库是由一些专家的经验组成的数据库，一般包括数据库和模糊控制规则库两部分。纠偏控制主要用于检测锂电池叠片机叠片过程中的隔离膜对齐度，当出现隔离膜偏离时，通过旋转电机带动丝杆，推动整个导料台前后运动，实现隔离膜的纠偏控制。本研究主要采用基恩士品牌的LV-NH100数字式红外线纠偏传感头作为检测元件，采用基恩士品牌的LV-N11MN作为信号放大器，通过最大检测数字与最小检测数字比值确定纠偏量，其工作原理如图4-15所示。纠偏传感器图4-15纠偏传感器工作原理图将纠偏传感器设定值与检测值之差转换为位置信息作为系统偏差，采用一维模糊控制系统，将隔离膜的的偏差作为模糊控制器的输入，其关系为：式中recmin——用隔离膜全部遮住红外线纠偏传感器时的观测值；recm——拿开隔离膜之后红外线纠偏传感器的观测值；x——隔离膜距离中心线的距离。在正常情况下隔离膜的边缘线处于红外线纠偏传感器的正中心，通过检测为了设计的方便，对以上误差输入量进行尺度变换，变换到要求的论域范围。实际的输入误差为e,其变化范围为[emin,emx],将其变化到要求的论域[emin,emax₁],其变化关系为：式中获得模糊输入量后对输入量进行模糊化处理，采用NB表示为负大，NM表示为负中，NS为负小，ZE为零，PS为正小，PM为正中，PB为正大，分别对偏差和纠偏电机速度大小进行如下模糊分割：隔离膜要求的对齐度为±0.25,但在设计过程中需要考虑偏差更大的情况，为此设定误差的论域为[-0.5,+0.5],经过尺度变换变化到设计的论域范围[-6,+6],因此偏差的量化因子为Ke=12,其隶属度函数图如图4-16所示。误差隶属度函数纠偏电机采用丝杆传动，其传动比为1:5,将纠偏电机最大速度设定为1rps基本可以满足系统要求，因此实际纠偏电机速度输出论域为[-1,+1],经过尺度变换变化到设计的模糊论域范围[-10,+10],输出量的量化因子为Ku=0.1,其隶属度函数图如图4-17所示。速度隶属度函数吃模糊控制需要依靠规则库才能获得输出，规则库主要是通过总结专家的经验，并用适当的语言描述出来，从而获得模糊控制规则，主要是由一系列“IF-THEN”等条件语句构成。为此，为纠偏系统建立模糊控制规则，一维模糊控制规则简单，根据经验设定七条模糊控制规则。将上表的输入与输出之间的关系转换为曲线图形，如图4-18所示。不难看出，当误差达到最大时，输出速度变化也是最大，反之，当误差达到最小时，速度变化也是最小。图4-18模糊推理系统输入输出关系图模糊推理决定了模糊控制算法的复杂度，采用合适的模糊推理可以使系统控制更方便而且有效，常用的模糊推理方法有似然推理、模糊逻辑的Zedeh推理法、模糊逻辑的Mamdani推理法、模糊逻辑Sugeno推理。本研究采用Mamdani推理法中的极小-极大推理法，当输入纠偏误差的模糊量为E′,输出量模糊集合表示为：式中最终的输出采用加权平均法对输出进行清晰化处理：4.5.2纠偏模糊控制仿真纠偏模糊控制仿真主要是基于前面小节的模糊控制算法以及纠偏电机的传递函数进行响应性分析，通过参数辨识方法得到纠偏电机的传递函数为：基于Matlab/Simulink搭建如图4-19所示的仿真控制框图，系统采样频率为1ms,基于模糊控制算法验证纠偏机构的响应性。在阶跃信号的激励下，最终输出响应曲线如图4-20所示，纠偏电机在阶跃信号作用下能够很快的使系统稳定并收敛，说明系统稳定。图4-20纠偏模糊控制响应曲线本章首先建立直线电机以及旋转电机的动力学数学模型，采用最小二乘参数辨识方法对动力学数学模型进行系统参数辨识，求出伺服电机的传递函数，为仿真做准备。其次分析常用的轨迹规划方法，选则合适的速度轨迹对叠片平台以及压刀进行轨迹规划，根据实际工况规划单个周期内的叠片平台和压刀轨迹，在放卷轴匀速放卷的前提下，结合叠片平台和压刀的轨迹对系统进行仿真，并得到储料轴的运行轨迹。系统仿真时存在伺服跟随误差，所有的误差通过数学模型传递到了张力摆杆上，从而得出张力摆杆的波动曲线，最后根据张力摆杆的波动范围判断张力控制方案的可行性。为纠偏控制设计模糊控制算法，结合Matlab/Simulink搭建纠偏模糊控制仿真系统，在阶跃信号激励作用下验证了模糊控制算法的可行性。第5章锂电池叠片机实验研究在仿真结果证明系统设计可行的前提下，搭建锂电池叠片机实验平台，对锂电池叠片机进行实验验证是必须的途径，同时通过实验数据分析系统设计是本研究要求系统张力控制稳定，其主要从张力摆臂的波动量反应，当波动量小时，表示系统张力控制稳定，反之张力波动很大。放卷轴主要反映系统是否为主动连续放卷，当放卷轴速度波动大时，说明实际系统与设计背离，当放卷轴速度波动很小时，说明系统稳定。系统是否可以量产主要取决于叠片机的叠片效果，当叠片机叠片效果显著时，说明本系统已经达到投产标准，反之还根据前面章节的系统选型，以及本系统的工作原理图，搭建如图5-1所示的实验平台。锂电池叠片机实验平台主要包括放卷模块、压刀模块、平台升降模块、纠偏模块、张力摆模块、储料模块、叠片模块，本系统总共包括8个伺服轴，其中4个伺服轴用于锂电池叠片机的系统张力控制，2个伺服轴用于配合部分机械机构压住隔离膜和极片，1个伺服轴用于保证系统的工作平面恒定，1个伺服轴对锂电池叠片机进行纠偏控制。叠片平台和储料轴是由直线电机驱动，需要配合放卷电机进行系统叠片工作，通过准确的数学模型间接控制系统张力处于稳定。张力摆主要用于给膜带施加张力，保证叠片过程中膜带不会松弛。左右压刀主要是通过机械凸轮实现将旋转运动转变为直线移动，从而保证工作平面的确定性。考虑到直线电机需要往返运动，会导致输电线磨损，采用如图所示的坦克链对供电线进行保护。直线电机的运动根据光栅尺进行反馈控制，同时结合细分盒实现稳定的驱动控制。纠偏传感器采用支架的形式固定在工作台上，基于锂电池叠片机实验平台控制系统如图5-2所示，以AM600中型PLC为核心，通过以太网与外界PC机连接进行程序读写，采用EtherCAT将各伺服驱动器串联起来，同时将1号伺服轴的驱动器与PLC连起来实现数据的交互，PLC外接扩展I/O模块，主要用于各种传感器的数据传递，纠偏传感器与PLC的高速I/O连接，实现数据的高速传输。系统采用三相四线制进行供电，从380伏的线电压中获取220伏的相电压。为使线路布置清晰，便于调试，本系统均采用导线槽导线，部分临近的线由于较短，本研究则直接从空中过线，但还是要保证线路清晰，为后期的维护做好前期工作。在以上实验平台的基础上，将控制算法以及逻辑算法编写好后写入PLC控制器，对系统进行试验验证。在初次实验时系统肯定很难达到理想情况，为此需要分析问题与解决问题。本实验以张力摆杆的波动量、放卷轴放卷速度波动以及最终的叠片对齐为重要衡量指标，当这些指标达到合格要求时，表示实验5.3.1优化跟随误差前数据分析通过前面的仿真分析可以知道，伺服系统在控制过程中存在跟随误差，在理想情况下，当跟随误差一样时，则系统的性能不受影响，但不同的伺服带的负载不一样，此时的响应误差也会不一样，为此需要采用先进的算法减小系统的误差。首先需要观测系统的跟随误差大小，主要以直线电机为研究重点，为此采集直线电机的位置参数进行数据分析。如图5-3所示为叠片平台的位移跟踪曲--指令位置—实际位置0时间(s)图5-3叠片平台运行位移曲线图5-3所示的叠片平台运行轨迹中，实线为叠片平台的跟随曲线，虚线为叠片平台的指令曲线，明显可以看出指令曲线比跟随曲线超前了多个同步周期。其跟随误差曲线如图5-4所示，结合如图5-5所示的叠片平台速度曲线分析可知，直线电机的跟随误差根据直线电机速度增大而增大，其最大跟随误差达到19mm。而且其误差曲线承一条很规则的抛物线形式。时间(s)图5-4叠片平台位移跟踪误差曲线20000时间(s)图5-5叠片平台速度曲线同理，采集储料直线电机的位移跟随曲线如图5-6所示，从图中可以看出，储料直线电机一直处于[50,150]区间内运动，根据储料辊部分的数学模型可知，直线电机在该区间内运动可以使隔离膜长度变化更加剧烈，有助于更多的吸收隔离膜。从曲线可以看出，储料棍前期处于匀速储料状态，当叠片平台运动时，储料棍的变化承不规则的形状，主要是受隔离膜伸缩时候变化影响。当叠片平台往返运动一个周期时，储料棍需要运行两个周期，说明叠片平台在往返过程中导致的隔离膜变化规律是一样的。指令位置图5-6储料轴位移运行曲线如图5-7所示，储料直线电机的跟随误差曲线承不规则形状，且最大跟随误差达到8.5mm左右。图5-7储料轴跟随误差曲线为进一步分析储料直线电机的误差变化规律，将储料直线电机的速度曲线采集出来，如图5-8所示。根据图5-8与5-7进行对比可知，储料直线电机的跟随误差曲线的形状与储料直线电机的速度曲线形状相似，只是储料直线电机的速度曲线变化更加剧烈，其中有部分原因也是数据采集的偏差导致。但由此基本可以确定，当直线电机速度越快时，跟随误差也会越大，由此可以分析导致该偏差的原因可能有两点：第一，直线电机推力不够，导致无法快速响应；第二，控制器的实时性不好，从发指令到伺服响应存在很大的时滞。时间(s)图5-8储料轴速度运行曲线张力摆杆主要用于实现锂电池叠片机系统的恒定张力控制，采用恒扭矩伺服电机对系统进行张力控制，同时设置位置指令反馈进行放卷PID调节。为更进一步观察系统的性能，采集张力摆臂的波动情况进行分析，如图5-9所示。图5-9张力摆角度变化曲线张力摆杆在整个系统中属于被动机构，当系统张力出现波动时，摆杆就会根据张力波动大小形成等比例的波动。从图5-9可以看出，当直线电机跟随误差很大时，系统张力波动也会很大，其波动偏差大小大约为0.3deg,而且其波动承周期性变化。这说明当系统跟随性不好时，导致数学模型不准确。在张力控制不稳定的情况下，隔离膜在传送过程中会出现松弛导致纠偏传感器检测错误甚至无法检测，从而反馈错误的信息，使得锂电池叠片机叠片效果不好，如图5-10所示。图5-10所示的隔离膜Z形叠片效果是通过电子显微镜放大后的效果图，从图中可以明显看出隔离膜的对齐度不好，存在严重的锯齿形状。为更进一步观察隔离膜对齐度情况，对以上数据进行了统计与计算，将其对齐度情况表汇总如表5-1所示。表5-1系统性能优化前隔离膜对齐度数据表隔离膜对齐度指标隔离膜对齐度隔离膜对齐度指标隔离膜对齐度0内，然而衡量对齐度的另一个指标CPK只有0.603,与要求的CPK>1.5存在差通过前面的分析可以知道，通过增大直线电机推力和更换更好的控制器可以优化系统，然而这些假设都只是初步分析，如果更换这些设备肯定会增加很大的成本，而且更换装备后能不能达到理想的效果还未可知。为此，本研究从控制算法方面找到突破点，常用改善系统跟随性方法有两种：第一种是改善直线电机的系统响应性；第二种是通过预测算法，将信号提前发送下去。直线电机响应性优化直线电机常用的控制方式有位置环控制、速度环控制、电流环控制，其中电流环控制响应性最好，但电流环控制非常复杂，速度环控制其次，但本研究不适合速度环控制，本研究只适合位置环控制，因为本研究前面建立的都是系统的运动学模型。通过第一章引入的参考文献可知，给直线电机加前馈可以优化直线电机的跟随性，其控制框图如图5-11所示。通过在原有的直线电机控制环节中增加前馈补偿控制环节，从而提高系统的响应性。在实际应用中，驱动器内的参数一般都会调到保证系统稳定的最优值，因为前馈控制会使系统不稳定，一般前馈系数会调得很小。驱动器内一般设有调整前馈增益的系数，在保证系统稳定的前提下尽量加大前馈系数。预测控制算法优化模型预测控制已经在工业中得到广泛的应用，它具有参数数目少以及能够实现在线估计的优点。模型预测控制算法已经是很成熟的控制算法，本研究不做过多的理论推导，以下给出模型预测控制的矩阵形式，以及公式说明。将上式写成矩阵向量的形式为：式中Yo——为当前时刻的输入矩阵；△U——输入增量矩阵；A——常数矩阵。以上模型预测控制可以根据当前时刻的输入向后预测n步，并且可以在线估计，有助于改善系统性能。通过前面小结的系统优化之后对实验平台进行实验分析，如图5-12所示为锂电池叠片机系统优化后的叠片平台直线电机位置指令曲线。-------指令位置0—图5-12优化系统后叠片平台直线电机位移曲线图从图中可以看出，经过系统跟随性优化之后，叠片平台的跟随性有明显好转，已经看不出像图5-3所示的明显跟随误差。不管系统优化得多好，信号的滞后反正会存在，将指令位置与实际位置进行差分，得到如图5-13所示的优化3图5-13系统优化后叠片平台直线电机跟随误差曲线从图5-13的误差曲线看出，系统的跟随误差由前面的1