嵌入式鋰離子張力控制系統(tǒng)

摘要：鋰電池在生活中的使用越來越多，無論是電腦、手機(jī)等移動(dòng)終端設(shè)備電源還是汽車的大型電源，因?yàn)槠涔ぷ麟妷焊?、無污染、無記憶效應(yīng)壽命長的優(yōu)點(diǎn)，使其成為了我們生活中必不可缺的東西。電池卷繞機(jī)則作為鋰電池生產(chǎn)過程中的一個(gè)核心設(shè)備，其性能決定著鋰電池質(zhì)量的高低。本項(xiàng)目以提高鋰電池的質(zhì)量為目的，研究卷繞機(jī)在電池卷繞過程中的薄膜張力控制，提高卷繞機(jī)在卷繞過程中的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)采用以STM32系列的微處理器為控制核心，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PLC控制核心，降低成本，使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力以及對(duì)端口設(shè)備的控制能力更強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池卷繞機(jī)；嵌入式；張力控制；抗干擾；

1.張力同步控制

MCU為控制系統(tǒng)核心，其主要完成功能：1、根據(jù)設(shè)定工作參數(shù)（如工作模式、卷繞速度、卷繞圈數(shù)等）計(jì)算生成卷針卷繞運(yùn)動(dòng)軌跡曲線數(shù)據(jù)；2、采用前饋加自適應(yīng)PID反饋控制算法，實(shí)現(xiàn)放卷電機(jī)對(duì)收卷運(yùn)動(dòng)的同步跟蹤。存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)工作參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)及系統(tǒng)數(shù)據(jù)等。編碼器用于檢測張力檢測機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)轉(zhuǎn)角。數(shù)字量輸入用來檢測設(shè)備狀態(tài)信號(hào)、接收命令信號(hào)等。數(shù)字量輸出用于發(fā)出控制器狀態(tài)信號(hào)、步驟信號(hào)等。其他部分為配合MCU工作的輔助電路。編碼器通過檢測張力輥的位置，將任意時(shí)刻的位置和平衡位置相比較，再通過建模分析，得到隔膜表面的張力變化。

2.電池卷繞機(jī)張力同步控制器工作過程如下：

2.1.系統(tǒng)上電啟動(dòng)時(shí)，其他控制器將卷繞過程中需要的速度和圈數(shù)等參數(shù)通過RS485通訊口發(fā)送給張力同步控制器，張力同步控制器根據(jù)參數(shù)計(jì)算出卷繞運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，隨后將工作狀態(tài)信號(hào)置為隔膜預(yù)卷準(zhǔn)備好。

2.2.同步張力控制器接受到隔膜預(yù)卷命令后，按照隔膜預(yù)卷運(yùn)動(dòng)軌跡完成隔膜預(yù)卷動(dòng)作，然后根據(jù)工作模式將工作狀態(tài)信號(hào)置為正極預(yù)卷準(zhǔn)備好或負(fù)極預(yù)卷準(zhǔn)備好。

2.3.接收到正極或負(fù)極預(yù)卷命令后，按照正極或負(fù)極預(yù)卷運(yùn)動(dòng)軌跡完成該動(dòng)作，動(dòng)作完成后將工作狀態(tài)信號(hào)置為下一步對(duì)應(yīng)的負(fù)極或正極預(yù)卷準(zhǔn)備好。

2.4.控制器得到對(duì)應(yīng)負(fù)極或正極預(yù)卷命令后，按照負(fù)極或正極預(yù)卷運(yùn)動(dòng)軌跡完成負(fù)極或正極預(yù)卷動(dòng)作，動(dòng)作完成后將工作狀態(tài)信號(hào)置為總卷準(zhǔn)備好。

2.5. 同步張力控制器接受到總卷運(yùn)行命令，按照總卷運(yùn)動(dòng)軌跡完成總卷動(dòng)作，動(dòng)作完成后將工作狀態(tài)信號(hào)置為隔膜預(yù)卷準(zhǔn)備好，從而完成一個(gè)工作流程循環(huán)。

該控制器提供RS485通訊端口，采用Modbus-RTU協(xié)議與其他控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通過數(shù)字I/O端口指示狀態(tài)信息和接收命令。

3.張力分析

4.張力控制

5.系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

5.1.硬件抗干擾設(shè)計(jì)：對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的電磁電容進(jìn)行分析，在電子元器件以及電路設(shè)計(jì)上的布置進(jìn)行合理的考慮。

5.2.電源抗干擾設(shè)計(jì)：將處理器電源、通信電源以及外部端口的電源分隔開，互不影響，用DC-DC斬波處理得到不同的電壓等級(jí)供處理器和通訊接口使用，其他I/O口的電源則由外部提供，減少了因多個(gè)電源共同工作時(shí)的彼此電磁干擾。

5.3.信號(hào)傳輸抗干擾設(shè)計(jì)：使用高速光電耦合器PC817對(duì)光編碼器的輸出信號(hào)與微處理器系統(tǒng)進(jìn)行電氣隔離，將輸入信號(hào)和輸出信號(hào)隔離開。

5.4.軟件抗干擾設(shè)計(jì)

5.4.1. 本系統(tǒng)使用看門狗防止系統(tǒng)，在發(fā)生軟件問題和程序跑飛后，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)不能有效“喂狗”，則系統(tǒng)重新啟動(dòng)。

5.4.2.本系統(tǒng)采用鐵電存儲(chǔ)器（FRAM）作為外部存儲(chǔ)電路，在系統(tǒng)掉電時(shí)有現(xiàn)場保護(hù)和事件記錄的功能，使系統(tǒng)在斷電后能自恢復(fù)和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行情況可控可查詢。

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