膜電極薄膜層合同步補(bǔ)償控制方法研究*

李 立，權(quán)建洲，陶 波

(1.華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074;2.空軍預(yù)警學(xué)院，武漢 430019）

0 引言

燃料電池是一種在清潔狀態(tài)下獲得直流電能的發(fā)電裝置，具有無污染、高效率、適用廣等優(yōu)點(diǎn)，在宇航、軍事、汽車等領(lǐng)域都有巨大的應(yīng)用前景［1］。燃料電池膜電極組件(MEA，Membrane Electrode Assembly）是實(shí)現(xiàn)燃料電池電化學(xué)反應(yīng)的核心組件，其性能好壞直接決定著燃料電池的性能［2］。

在MEA制備過程中，為避免氫氣和氧氣外漏，導(dǎo)致反應(yīng)離子減少，降低電能轉(zhuǎn)換效率降低，要求在SEAL膜層合時(shí)上下保護(hù)層的膜——SEAL膜和Nafion(高氟化離子交換樹脂）膜經(jīng)過一系列工藝處理得到的密封膜切口精密必須對(duì)準(zhǔn)。

多輥同步技術(shù)廣泛用于印刷、紡織等行業(yè)中。實(shí)現(xiàn)多對(duì)輥電機(jī)位置同步有機(jī)械總軸同步控制和電子軸同步控制兩種方式。其中電子軸同步控制通過使用先進(jìn)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所有單元伺服電機(jī)的協(xié)調(diào)同步運(yùn)行。相對(duì)于機(jī)械總軸方式，電子軸方式具有運(yùn)動(dòng)同步性能高、擴(kuò)展性高、維護(hù)性好、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)［3］。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)高精度的多電機(jī)位置同步，需要對(duì)輥軸間的同步誤差進(jìn)行補(bǔ)償。為此萬(wàn)鵬飛等［4］采用基于補(bǔ)償原理的模糊PID同步算法去實(shí)現(xiàn)凹印機(jī)套準(zhǔn)系統(tǒng)的多電機(jī)位置同步。于澤浩［3］基于電機(jī)間的同步誤差，為無軸傳動(dòng)印刷機(jī)設(shè)計(jì)了滑模變結(jié)構(gòu)控制器，以提高系統(tǒng)的跟蹤性能和魯棒性。

但是，目前大多數(shù)的補(bǔ)償方法均是通過讀取電機(jī)編碼器的方式來實(shí)現(xiàn)，即構(gòu)成半閉環(huán)補(bǔ)償。該補(bǔ)償方法只能實(shí)現(xiàn)電機(jī)自身的同步，由于摩擦力和薄膜張力的不同、材料的差異等因素的存在，難免會(huì)出現(xiàn)對(duì)輥打滑的現(xiàn)象，因而不能實(shí)現(xiàn)薄膜或紙張輸送的高精度同步。

本文針對(duì)此SEAL膜層合切口對(duì)中精度要求，提出了一種具有全閉環(huán)誤差補(bǔ)償功能的主從式同步控制方案，分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證該方案能夠較好地滿足設(shè)備的性能指標(biāo)要求。

1 SEAL層合封裝工藝介紹

SEAL層合設(shè)備的功能如圖1所示，其中SEAL膜和Nafion(高氟化離子交換樹脂）分別為兩類均有上下保護(hù)層的膜材料，經(jīng)過一系列工藝處理最終得到圖1所示結(jié)構(gòu)的五層復(fù)合膜。為實(shí)現(xiàn)上述功能，層合設(shè)備由進(jìn)給輸送單元、剝離單元、放料單元、沖裁單元、層合單元和收卷單元組成，其工藝流程圖如圖2所示。

圖1 SEAL層合示意圖

圖2 層合設(shè)備工藝流程

工作時(shí)，SEAL膜原料首先經(jīng)過沖裁單元的半切，再經(jīng)剝離單元將廢料及有切口的保護(hù)膜剝離，得到膜1，膜1經(jīng)進(jìn)給單元再與已剝離一層保護(hù)膜的Nafion膜初次層合得到膜2，膜2經(jīng)剝離單元?jiǎng)冸xNafion的另一層保護(hù)膜之后與另一邊經(jīng)相同工藝得到的膜1進(jìn)行二次層合，從而最終得到五層復(fù)合膜成品。

由于燃料電池依靠氧氣與氫氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能［5］，SEAL層作為MEA的上、下密封膜必須實(shí)現(xiàn)切口的精確對(duì)準(zhǔn)(切口對(duì)準(zhǔn)誤差應(yīng)小于0.2mm），否則將會(huì)造成Nafion膜層的氫氣和氧氣外漏，導(dǎo)致反應(yīng)離子減少，使得MEA產(chǎn)品的電能轉(zhuǎn)換效率降低。因此實(shí)現(xiàn)二次層合中上、下密封膜切口精密對(duì)準(zhǔn)是SEAL層合中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2 層合同步誤差補(bǔ)償控制

2.1 薄膜層合同步硬件系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)設(shè)備二次層合中上、下密封膜的切口精密對(duì)準(zhǔn)關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)多對(duì)輥精確位置同步。

由于SEAL設(shè)備層合處使用的薄膜，均具有切深度約為45μm且以49mm間距均勻分布的切口，因此可以利用薄膜的此種特性，使用高度傳感器，便可檢測(cè)出兩側(cè)薄膜傳輸?shù)奈恢貌?，即?gòu)成全閉環(huán)補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)薄膜傳輸?shù)木_位置同步。

基于上述分析，提出的SEAL設(shè)備二次層合系統(tǒng)的示意圖如圖3所示。圖中共三個(gè)對(duì)輥，其中兩個(gè)對(duì)輥用于薄膜的輸送，另外一個(gè)對(duì)輥用于薄膜的壓合。對(duì)輥由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)切口位置的精確補(bǔ)償，在設(shè)備中分別安裝了兩個(gè)高度傳感器，其將檢測(cè)到的薄膜同步誤差反饋給控制系統(tǒng)，控制再調(diào)整相應(yīng)伺服電機(jī)的速度以補(bǔ)償同步誤差，即構(gòu)成具有全閉環(huán)補(bǔ)償功能的多電機(jī)薄膜同步輸送系統(tǒng)。

圖3 二次層合系統(tǒng)示意圖

2.2 薄膜層合同步控制設(shè)計(jì)

考慮到工程實(shí)現(xiàn)的便捷性，本系統(tǒng)選用主從式的多電機(jī)位置同步控制模式［6］。其控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，對(duì)輥電機(jī)E1為主動(dòng)電機(jī)，接收經(jīng)過控制器處理的進(jìn)給指令以驅(qū)動(dòng)主對(duì)輥輸送壓合薄膜。從動(dòng)對(duì)輥電機(jī)E2、E3以E1的位置反饋指令作為命令指令，以驅(qū)動(dòng)對(duì)輥輸送薄膜。薄膜切口特征的高度差會(huì)觸發(fā)兩側(cè)的高度傳感器，根據(jù)高度傳感器觸發(fā)的時(shí)間差便可計(jì)算出兩側(cè)薄膜傳輸?shù)奈恢貌?，并將位置差反饋給控制系統(tǒng)。

從圖4中可以看出對(duì)輥電機(jī)E1、E2、E3轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如下:

其中k2=，k3=，d1、d2、d3分別是對(duì)輥電機(jī) E1、E2、E3的對(duì)輥直徑;k'一般等于0，只在需要補(bǔ)償位置誤差時(shí)才會(huì)等于某個(gè)數(shù)值。

圖4 主從式同步補(bǔ)償控制原理圖

對(duì)輥電機(jī)在勻速運(yùn)動(dòng)過程中，其實(shí)際速度是不定的，但是其在一段時(shí)間內(nèi)的平均速度很接近其命令速度，故在進(jìn)行相關(guān)計(jì)算時(shí)以對(duì)輥電機(jī)的命令速度代替其實(shí)際速度。

假定d1=d2=d3，由于正常運(yùn)行過程中k'=0，則由式(1）(2）可知正常運(yùn)行過程中w1=w2=w3。假設(shè)某周期內(nèi)對(duì)輥電機(jī)E3、E2側(cè)的高度傳感器觸發(fā)時(shí)刻分別為t1、t2，則薄膜輸送的位置差為:

其中 Δt=t2-t1。

假設(shè)系統(tǒng)在時(shí)間t內(nèi)完成薄膜同步誤差的補(bǔ)償，則時(shí)間t內(nèi)，由式(1）(2）可知對(duì)輥電機(jī)E3、E2的位置差為:

由于采用主從式同步結(jié)構(gòu)，主動(dòng)電機(jī)E1的位置反饋?zhàn)鳛閺膭?dòng)電機(jī)E2、E3的命令指令，因此當(dāng)電機(jī)E1遇到擾動(dòng)時(shí)，擾動(dòng)會(huì)同時(shí)反饋給電機(jī)E2、E3，進(jìn)而保證薄膜切口的對(duì)準(zhǔn)效果。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證上述誤差補(bǔ)償?shù)闹鲝氖轿恢猛娇刂品桨冈诒∧雍瞎に囍械挠行裕谌鐖D5所示的薄膜層合設(shè)備上按控制方案安裝相應(yīng)器材進(jìn)行了薄膜層合實(shí)驗(yàn)?？刂葡到y(tǒng)選用Turbo PMAC PCI實(shí)現(xiàn)多電機(jī)的同步控制。層合處電機(jī)選用3臺(tái)450W伺服電機(jī)。層合兩端薄膜的寬度為230mm。高度傳感器選用帶有觸發(fā)功能的基恩士傳感器。

圖5 SEAL層合設(shè)備

設(shè)定薄膜輸送速度為4mm/s，電機(jī)加速度為8mm/sec2，則傳感器檢測(cè)到兩端位置誤差的周期T=12.25s。

實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得的位置誤差數(shù)據(jù)如圖6、圖7所示。其中圖6為僅采用電機(jī)位置同步未加入位置誤差補(bǔ)償時(shí)傳感器所測(cè)的位置誤差，圖7為加入位置誤差補(bǔ)償之后傳感器所測(cè)的位置誤差。由圖6可以看出，盡管采用了電機(jī)位置同步，由于薄膜進(jìn)給過程中存在誤差的累積，隨著進(jìn)給量的增加，兩端薄膜的同步誤差呈增大趨勢(shì)，在運(yùn)動(dòng)至7個(gè)周期之后由0.02mm變?yōu)?.08mm;圖7中，由于位置同步補(bǔ)償?shù)募尤?，連續(xù)進(jìn)給過程中，薄膜的位置同步誤差始終在0.1mm左右波動(dòng)，在7個(gè)周期內(nèi)兩組數(shù)據(jù)的最大誤差僅為0.15mm。

圖6 未加入位置補(bǔ)償時(shí)所測(cè)同步誤差

對(duì)比圖6和圖7可知，加入位置誤差補(bǔ)償后，兩端薄膜輸送的位置誤差大幅降低，并達(dá)到設(shè)備工藝的要求。

圖7 加入位置補(bǔ)償時(shí)所測(cè)同步誤差

4 結(jié)束語(yǔ)

為滿足層合設(shè)備中上、下密封膜同步進(jìn)給與切口精密對(duì)準(zhǔn)的工藝要求，本文在無軸傳動(dòng)的基礎(chǔ)上，提出了一種利用高度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜位置同步誤差的全閉環(huán)補(bǔ)償?shù)闹鲝氖轿恢猛娇刂品椒ā２⑼ㄟ^實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明該補(bǔ)償控制方法可以實(shí)現(xiàn)薄膜輸送的精確位置同步，滿足薄膜層合的工藝要求。

［1］徐銀銅.燃料電池與汽車氫能技術(shù)［J］.實(shí)用汽車技術(shù)，2008(6）:4-5.

［2］李冰，林瑞，楊代軍.質(zhì)子交換膜燃料電池膜電極組件的制備［J］. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45(2）:75-79.

［3］于澤浩.無軸系統(tǒng)同步控制的研究［D］.沈陽(yáng):東北大學(xué)，2008.

［4］萬(wàn)鵬飛，王莉.基于模糊PID的凹印機(jī)套準(zhǔn)同步控制研究［J］. 包裝與食品機(jī)械，2008，26(6）:12-14.

［5］衣寶廉.燃料電池——原理·技術(shù)·應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［6］Francisco J，Perez-Pinal.Comparison of Multi-motor Synchronization Techniques［C］.The 30thAnnual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society，2004.