基于STM32的動(dòng)力鋰離子電池極片軋機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋定宇,高 琳

(1.南陽理工學(xué)院，河南南陽 473000；2.鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州 450001)

0 引言

面對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境污染問題，在新能源制造業(yè)發(fā)展下，動(dòng)力鋰離子電池作為一種新型能源，在電動(dòng)車、電動(dòng)汽車、航空產(chǎn)品等行業(yè)應(yīng)用廣泛，動(dòng)力鋰離子電池需求不斷增長(zhǎng)[1-4]。在此背景下，動(dòng)力鋰離子電池制造裝備控制系統(tǒng)從可靠性與精度的提升到實(shí)現(xiàn)智能制造是必由之路，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)采用PLC作為主控制器，智能化程度較低，在EMC、處理能力、任務(wù)調(diào)度等方面不足[5-8]，所以提出設(shè)計(jì)一種基于STM32的動(dòng)力鋰離子電池極片軋機(jī)控制系統(tǒng)。通過軟硬件結(jié)合的方式提升系統(tǒng)的處理能力、EMC、任務(wù)調(diào)度能力，提升系統(tǒng)整體的智能化水平。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

動(dòng)力鋰離子電池極片軋機(jī)控制系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 動(dòng)力鋰離子電池極片軋機(jī)系統(tǒng)組成

其中，在放卷系統(tǒng)和收卷系統(tǒng)中，氣脹軸控制系統(tǒng)在需要安裝或者拆卸卷狀的極片時(shí)起作用，糾偏系統(tǒng)用于防止帶狀的極片在軋制與輸送過程中跑偏，張力系統(tǒng)防止帶狀的極片在傳送與軋制過程中撕裂或者脫落，切邊系統(tǒng)用于切去極片的毛邊；軋機(jī)系統(tǒng)中，間隙調(diào)整裝置用于調(diào)節(jié)輥壓間隙，輥壓速度系統(tǒng)控制軋輥輥壓速率，輥壓間隙和軋制壓力系統(tǒng)控制極片板型與厚度，開合系統(tǒng)方便軋輥拆裝。

控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，系統(tǒng)采用STM32f407系列芯片作為主控系統(tǒng)主MCU2，與STM32f103系列芯片控制的輸入子系統(tǒng)MCU1組成主從結(jié)構(gòu)[9-10]。其中，輸入子系統(tǒng)MCU1負(fù)責(zé)檢測(cè)開關(guān)量輸入信號(hào)和模擬量輸入信號(hào)；主控系統(tǒng)主MCU2負(fù)責(zé)開關(guān)量輸出、模擬量輸出以及與觸摸屏的通訊。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 動(dòng)力鋰離子電池極片軋機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)為系統(tǒng)的控制核心，擔(dān)負(fù)著協(xié)調(diào)子系統(tǒng)按照工藝需求進(jìn)行有序工作以及與各個(gè)子系統(tǒng)通訊的責(zé)任，通過將運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送到觸摸屏實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。硬件電路包括最小系統(tǒng)、電源模塊、USB接口模塊、JTAG程序下載模塊、RS232通訊模塊、IIC總線模塊等。

1.2 輸入子系統(tǒng)

輸入子系統(tǒng)作為系統(tǒng)的輔助子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)傳感器信號(hào)的采集，包括放卷光柵傳感器、放卷糾偏按鈕、放卷氣脹軸充氣按鈕、放卷氣脹軸放氣按鈕、開合接近開關(guān)、開合鑰匙開關(guān)、編碼器、張力傳感器、切邊按鈕、收卷光柵傳感器、收卷糾偏按鈕、收卷氣脹軸充氣按鈕、收卷氣脹軸放氣按鈕、收卷厚度測(cè)量?jī)x等；本系統(tǒng)輸入信號(hào)包括模擬量輸入信號(hào)和開關(guān)量輸入信號(hào)，開關(guān)量輸入電路采用光耦進(jìn)行隔離輸入，選用TLP2398高速光耦進(jìn)行高速輸入電路設(shè)計(jì)，其原理如圖3所示；模擬量輸入通道采用LM324放大器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，其原理如圖4所示。

圖3 開關(guān)量高速輸入電路

圖4 模擬量輸入電路

圖4中，0～10 V電壓信號(hào)經(jīng)過R5、R6和R8被轉(zhuǎn)換為0～3.3 V的電壓信號(hào)，而4～20 mA的電流信號(hào)經(jīng)過R5、R6和R8被轉(zhuǎn)換為0.66～3.3 V的電壓信號(hào)，D3、D4都是鉗位作用的二極管，使輸入到輸入子系統(tǒng)MCU1的信號(hào)電壓保持在0～3.3 V。

1.3 輸出子系統(tǒng)

根據(jù)主控系統(tǒng)發(fā)出的控制信號(hào)，在輸出子系統(tǒng)中進(jìn)行控制信號(hào)的輸出，從而完成對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)模塊進(jìn)行控制的工作，包括放卷切邊三相異步電機(jī)(左)、放卷切邊三相異步電機(jī)(右)、放卷伺服電機(jī)、放卷氣脹軸充氣電磁閥、放卷氣脹軸放氣電磁閥、放卷糾偏氣缸、輥壓間隙伺服電機(jī)(左)、輥壓間隙伺服電機(jī)(右)、輥壓變頻器、軋制液壓伺服電機(jī)、收卷切邊三相異步電機(jī)(左)、收卷切邊三相異步電機(jī)(右)、收卷伺服電機(jī)、收卷氣脹軸充氣電磁閥、收卷氣脹軸放氣電磁閥、收卷糾偏氣缸、警示燈等；輸出信號(hào)包括開關(guān)量輸出和模擬量輸出，其中開關(guān)量信號(hào)輸出采用光耦進(jìn)行隔離輸出，選用TLP2398高速光耦進(jìn)行高速輸出電路設(shè)計(jì)，其輸出電路如圖5所示，模擬量信號(hào)輸出電路如圖6所示。

圖5 開關(guān)量高速輸出電路

圖6 模擬量信號(hào)輸出電路

如圖6所示，采用LM324放大器對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大輸出，則偏置電流IB和失調(diào)電流IOS所造成的誤差E0，在AOUT1模擬量輸出電壓VAOUT=0時(shí)，假設(shè)進(jìn)入運(yùn)算放大器負(fù)極的電流為IN，進(jìn)入運(yùn)算放大器正極的電流為IP，運(yùn)算放大器正極VP電壓 ,誤差為E0，則可應(yīng)用疊加原理：

(1)

(2)

VAOUT=E0

(3)

可得：

(4)

則：

(5)

有：

(6)

可以消除IB對(duì)系統(tǒng)的誤差，有

(7)

所以，模擬量輸出電路可消除偏置電流對(duì)電路造成誤差干擾，提高模擬量信號(hào)輸出的精度。

1.4 人機(jī)交互

人機(jī)交互作為了解系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)最直接的方式[11-12]。系統(tǒng)采用MCGS組態(tài)屏觸摸屏，對(duì)運(yùn)行參數(shù)、運(yùn)行狀況信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，顯示效果圖如圖7所示。

圖7 MCGS顯示效果圖

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

鋰離子電池極片軋機(jī)控制系統(tǒng)通過管理子系統(tǒng)的運(yùn)行完成工藝需求，系統(tǒng)采用Free RTOS系統(tǒng)[13]，根據(jù)系統(tǒng)工藝制定了系統(tǒng)任務(wù)、定時(shí)器中斷和通訊任務(wù)3個(gè)模塊，定時(shí)器中斷模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)于正常運(yùn)行、放卷系統(tǒng)故障、軋機(jī)系統(tǒng)故障、收卷故障以及報(bào)警處理5大軋機(jī)狀態(tài)的切換，設(shè)置每隔10 m/s即產(chǎn)生1次中斷更改FLAG任務(wù)狀態(tài)的值，系統(tǒng)根據(jù)FLAG的值進(jìn)行任務(wù)狀態(tài)的切換，同時(shí)與觸摸屏完成數(shù)據(jù)的交互，系統(tǒng)任務(wù)狀態(tài)切換如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)任務(wù)狀態(tài)切換

系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)是鋰離子電池極片軋機(jī)控制系統(tǒng)的核心運(yùn)行模式，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括控制程序設(shè)計(jì)、人機(jī)界面2部分，同時(shí)通過控制程序與人機(jī)界面相互交互，以實(shí)現(xiàn)操作人員通過人機(jī)界面對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作并監(jiān)視設(shè)備工作狀態(tài)。系統(tǒng)的初始化自檢程序?yàn)橄到y(tǒng)初始化、運(yùn)行參數(shù)初始化配置；通訊程序模塊包括主從主控芯片IIC通訊程序[14-16]，主控系統(tǒng)主MCU2與MCGS通過RS232通訊程序；控制功能程序設(shè)計(jì)包括碾壓速度控制程序設(shè)計(jì)、軋制壓力控制程序設(shè)計(jì)、間隙調(diào)整控制程序設(shè)計(jì)、糾偏控制程序設(shè)計(jì)和張力控制程序設(shè)計(jì)；故障報(bào)警程序?qū)崿F(xiàn)了系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)故障報(bào)警。

3 測(cè)試與分析

對(duì)系統(tǒng)主控電路板進(jìn)行性能測(cè)試，包括高速I/O輸入輸出、232通訊、張力控制測(cè)試等，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖10(a)為主控系統(tǒng)主MCU2高速脈沖輸出測(cè)試實(shí)驗(yàn)，輸出脈沖頻率可達(dá)200 kHz；圖10(b)為輸入子系統(tǒng)MCU高速脈沖輸入實(shí)驗(yàn)，通過單片機(jī)的輸入捕獲功能，每隔1 s進(jìn)行一次輸入捕獲，將捕獲的脈沖高電平時(shí)間發(fā)送到串口調(diào)試助手進(jìn)行顯示，可滿足200 kHz的高速輸入要求；圖10(c)為主控系統(tǒng)主MCU與觸摸屏通過RS232進(jìn)行通訊的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)為通過發(fā)送Modbus報(bào)文，在示波器上進(jìn)行解析，實(shí)驗(yàn)證明RS232通訊接口可正確的發(fā)送報(bào)文；圖10(d)為張力實(shí)時(shí)測(cè)試曲線，張力傳感器為模擬量信號(hào)輸出，由圖可知在張力出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，可快速進(jìn)行調(diào)節(jié)張力，使張力穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。

模擬量輸出實(shí)驗(yàn)，由于STM32f407芯片為12位D/A輸出，本實(shí)驗(yàn)通過輸出0～4 096數(shù)，輸出電壓在0～10 V，用萬用表測(cè)試輸出電壓如表1所示。

由表1可知，模擬量輸出電壓最大誤差為0.04 V，可得最大引用誤差為0.17%，滿足系統(tǒng)0.5%誤差的要求。

模擬量輸入實(shí)驗(yàn)，通過測(cè)量輸入電壓與系統(tǒng)測(cè)試的輸入電壓進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

由表2可知，模擬量輸入電壓最大誤差為0.011 V，最大引用誤差為0.05%，滿足系統(tǒng)0.5%誤差的要求。

4 結(jié)束語

鋰離子電池極片軋機(jī)在制作鋰離子電池中占據(jù)重要的地位，設(shè)計(jì)一種基于STM32的鋰離子電池極片軋機(jī)控制系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)性好、可移植性的特性?？刂葡到y(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，將硬件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，易于進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展，軟件上采用FreeRTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度，提高系統(tǒng)工作效率。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)在30 m/min運(yùn)行速度下可平穩(wěn)運(yùn)行，而且軋制精度提高到±0.003 mm，相對(duì)于目前軋機(jī)軋制水平有了大幅度的提高。

表1 模擬輸出實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

(a)主控系統(tǒng)主MCU2輸出高速脈沖

(b)輸入子系統(tǒng)MCU1輸入捕獲

(c)RS232/USB通訊測(cè)試

(d)張力曲線圖10 測(cè)試結(jié)果

表2 模擬輸入實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果 V