嵌入式鋰離子張力控制系統

摘要：鋰電池在生活中的使用越來越多，無論是電腦、手機等移動終端設備電源還是汽車的大型電源，因為其工作電壓高、無污染、無記憶效應壽命長的優點，使其成為了我們生活中必不可缺的東西。電池卷繞機則作為鋰電池生產過程中的一個核心設備，其性能決定著鋰電池質量的高低。本項目以提高鋰電池的質量為目的，研究卷繞機在電池卷繞過程中的薄膜張力控制，提高卷繞機在卷繞過程中的穩定性。本系統采用以STM32系列的微處理器為控制核心，代替傳統的PLC控制核心，降低成本，使系統的數據處理能力以及對端口設備的控制能力更強。

關鍵詞：鋰離子電池卷繞機；嵌入式；張力控制；抗干擾；

1.張力同步控制

MCU為控制系統核心，其主要完成功能：1、根據設定工作參數（如工作模式、卷繞速度、卷繞圈數等）計算生成卷針卷繞運動軌跡曲線數據；2、采用前饋加自適應PID反饋控制算法，實現放卷電機對收卷運動的同步跟蹤。存儲器用于存儲工作參數、運行參數及系統數據等。編碼器用于檢測張力檢測機構的擺動轉角。數字量輸入用來檢測設備狀態信號、接收命令信號等。數字量輸出用于發出控制器狀態信號、步驟信號等。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.電池卷繞機張力同步控制器工作過程如下：

2.1.系統上電啟動時，其他控制器將卷繞過程中需要的速度和圈數等參數通過RS485通訊口發送給張力同步控制器，張力同步控制器根據參數計算出卷繞運動軌跡曲線，隨后將工作狀態信號置為隔膜預卷準備好。

2.2.同步張力控制器接受到隔膜預卷命令后，按照隔膜預卷運動軌跡完成隔膜預卷動作，然后根據工作模式將工作狀態信號置為正極預卷準備好或負極預卷準備好。

2.3.接收到正極或負極預卷命令后，按照正極或負極預卷運動軌跡完成該動作，動作完成后將工作狀態信號置為下一步對應的負極或正極預卷準備好。

2.4.控制器得到對應負極或正極預卷命令后，按照負極或正極預卷運動軌跡完成負極或正極預卷動作，動作完成后將工作狀態信號置為總卷準備好。

2.5. 同步張力控制器接受到總卷運行命令，按照總卷運動軌跡完成總卷動作，動作完成后將工作狀態信號置為隔膜預卷準備好，從而完成一個工作流程循環。

該控制器提供RS485通訊端口，采用Modbus-RTU協議與其他控制器進行數據交換。通過數字I/O端口指示狀態信息和接收命令。

3.張力分析

4.張力控制

5.系統的抗干擾設計

5.1.硬件抗干擾設計：對整個系統的電磁電容進行分析，在電子元器件以及電路設計上的布置進行合理的考慮。

5.2.電源抗干擾設計：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，減少了因多個電源共同工作時的彼此電磁干擾。

5.3.信號傳輸抗干擾設計：使用高速光電耦合器PC817對光編碼器的輸出信號與微處理器系統進行電氣隔離，將輸入信號和輸出信號隔離開。

5.4.軟件抗干擾設計

5.4.1. 本系統使用看門狗防止系統，在發生軟件問題和程序跑飛后，在設定的時間內不能有效“喂狗”，則系統重新啟動。

5.4.2.本系統采用鐵電存儲器（FRAM）作為外部存儲電路，在系統掉電時有現場保護和事件記錄的功能，使系統在斷電后能自恢復和實現系統運行情況可控可查詢。

參考文獻：

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