CN101841068B - 一种电池卷绕机控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池卷绕机控制系统，包括数字信号处理器、复杂可编程逻辑器件、张力检测计、数字/模拟转换器、放料电机驱动器、伺服电机编码器、伺服电机驱动器、步进电机驱动器；所述伺服电机编码器的输出耦合到复杂可编程逻辑器件的输入，所述复杂可编程逻辑器件的输出耦合到伺服电机驱动器、步进电机驱动器的输入，所述数字信号处理器与复杂可编程逻辑器件相连，所述张力检测计的输出耦合到所述数字信号处理器的输入，所述数字信号处理器的输出通过数字/模拟转换器耦合到放料电机驱动器的输入。本发明还公开了一种电池卷绕机控制方法。本发明成本低、控制效果好。

Description

一种电池卷绕机控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种电池卷绕机的控制系统，本发明还涉及一种电池卷绕机的控制方法。

背景技术

随着各种电子产品的发展，锂离子电池的需求量正在快速增长，因此对锂离子电池卷绕机的需求也在日益增长，特别是一种高性能、低成本的卷绕机设备。现在有的卷绕机基本上是采用可编程逻辑控制器PLC作为主控制器的，主要存在以下缺点：a、控制周期过长，通常需要几十毫秒甚至上百毫秒，导致对外部输入和控制器的响应不够及时；b、卷绕机的关键环节——极片的恒张力控制效果不太理想，由于PLC的运算速度比较慢且扫描周期长，导致设备无法采用比较复杂的算法来实现极片卷绕过程中的恒张力控制，从而严重影响了锂电池的质量；c、价格昂贵，PLC的单片价格一般是单片DSP、CPLD价格的20倍以上。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是为了克服以上的不足，提出了一种成本低、控制效果较好的电池卷绕机控制系统及控制方法。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种电池卷绕机控制系统，包括数字信号处理器、复杂可编程逻辑器件、张力检测计、数字/模拟转换器、放料电机驱动器、伺服电机编码器、伺服电机驱动器、步进电机驱动器；所述伺服电机编码器的输出耦合到复杂可编程逻辑器件的输入，所述复杂可编程逻辑器件的输出耦合到伺服电机驱动器、步进电机驱动器的输入，所述数字信号处理器与复杂可编程逻辑器件相连，所述张力检测计的输出耦合到所述数字信号处理器的输入，所述数字信号处理器的输出通过数字/模拟转换器耦合到放料电机驱动器的输入。

所述电池卷绕机控制系统还包括第一光电隔离模块、第二光电隔离模块、第三光电隔离模块、第四光电隔离模块、差分模块、反差分模块，所述第一光电隔离模块连接在张力检测计与数字信号处理器之间，所述第二光电隔离模块连接在数字信号处理器与数字/模拟转换器之间，所述复杂可编程逻辑器件输出依次通过第三光电隔离模块、差分模块与伺服电机驱动器、步进电机驱动器相连，所述伺服电机编码器输出依次通过反差分模块、第四光电隔离模块耦合到复杂可编程逻辑器件输入。

所述电池卷绕机控制系统还包括人机交互模块，所述人机交互模块与所述数字信号处理器相连。

所述电池卷绕机控制系统还包括按键模块，所述按键模块输出与所述数字信号处理器输入相耦合。

所述的电池卷绕机控制系统还包括输入接口、第五光电隔离模块、输出接口、继电器，所述输入接口的输出通过第五光电隔离模块与耦合到所述复杂可编程逻辑器件的输入，所述复杂可编程逻辑器件的输出通过所述继电器耦合到输出接口。

一种电池卷绕机的控制方法，包括如下步骤：初始化电池卷绕机的控制系统；判断人机交互模块是否设置了初始参数，如设置了则按照所述初始参数驱动步进电机、伺服电机工作，如没设置则按照控制系统的默认参数驱动步进电机、伺服电机工作；判断系统工作在手动状态模式还是自动状态模式，如工作在手动状态模式下则根据人机交互模块发出的控制命令控制驱动步进电机、伺服电机、放料电机工作，如工作在自动状态模式下则根据工艺流程执行相应控制操作。

每隔1ms接收人机交互模块发出的控制命令。

还包括如下步骤：判断按键模块是否发出急停命令，如果发出则立即停止电机和汽缸的动作。

本发明与现有技术对比的有益效果是：成本低廉：DSP、CPLD这两个主要的芯片价格与PLC的价格对比，大大地降低了价格。系统响应时间快：由于DSP具有较高的运算速度，且采用了1ms的定时中断对电机进行闭环控制，因此电池卷绕机的控制系统系统具有很好的快速性。

系统的控制精度高：由于DSP的运算能力比PLC大大提高了，而且可以采用1ms的定时中断对放料电机进行控制，因此系统的恒张力控制能够采用复杂的控制算法，通过前馈控制、参数自调整，大大提高了恒张力的控制精度，从而保证了电池卷绕结果的平整与均匀。

系统软件可维护性强：程序设计时采用了模块化的设计方法，将与底层硬件有关的程序分别单独存放在对应的文件中，而上层的应用程序只需简单地调用驱动程序即可，而不必了解驱动程序的实现方法。同时系统的部分外设运算与处理并没有交给DSP处理，而是由CPLD来完成的，因此节省了DSP的系统开支且简化了DSP的程序设计。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式的控制流程示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种电池卷绕机控制系统，包括数字信号处理器(DigitalSignal Processing，简称DSP)、复杂可编程逻辑器件(Complex ProgrammableLogic Device，简称CPLD)、张力检测计、数字(Digital)/模拟(Analog)转换器、放料电机驱动器、伺服电机编码器、伺服电机驱动器、步进电机驱动器。所述伺服电机编码器的输出耦合到复杂可编程逻辑器件的输入，所述复杂可编程逻辑器件的输出耦合到伺服电机驱动器、步进电机驱动器的输入，所述数字信号处理器与复杂可编程逻辑器件相连，所述张力检测计的输出耦合到所述数字信号处理器的输入，所述数字信号处理器的输出通过数字/模拟转换器耦合到放料电机驱动器的输入。

如图1所示，所述电池卷绕机控制系统还包括第一光电隔离模块、第二光电隔离模块、第三光电隔离模块、第四光电隔离模块、差分模块、反差分模块。所述第一光电隔离模块连接在张力检测计与数字信号处理器之间，所述第二光电隔离模块连接在数字信号处理器与数字/模拟转换器之间，所述复杂可编程逻辑器件输出依次通过第三光电隔离模块、差分模块与伺服电机驱动器、步进电机驱动器相连，所述伺服电机编码器输出依次通过反差分模块、第四光电隔离模块耦合到复杂可编程逻辑器件输入。光电隔离模块可以避免信号干扰。

如图1所示，所述电池卷绕机控制系统还包括人机交互模块，所述人机交互模块与所述数字信号处理器相连。

如图1所示，所述电池卷绕机控制系统还包括按键模块，所述按键模块输出与所述数字信号处理器输入相耦合。

如图1所示，所述电池卷绕机控制系统还包括输入接口、第五光电隔离模块、输出接口、继电器，所述输入接口的输出通过第五光电隔离模块与耦合到所述复杂可编程逻辑器件的输入，所述复杂可编程逻辑器件的输出通过所述继电器耦合到输出接口。

所述伺服电机编码器采集伺服电机的位置信号输出给复杂可编程逻辑器件，所述复杂可编程逻辑器件将所述位置信号转换格式并输出给数字信号处理器，所述数字信号处理器对所述位置信号进行处理发出伺服电机位置控制信号至复杂可编程逻辑器件，所述复杂可编程逻辑器件所述伺服电机位置控制信号进行格式转换并输出至伺服电机驱动器。所述数字信号处理器发出步进电机位置控制信号至复杂可编程逻辑器件，所述复杂可编程逻辑器件所述步进电机位置控制信号进行格式转换并输出至步进电机驱动器。所述张力检测计采集放料电机所放隔膜的张力并输出至数字信号处理器，所述数字信号处理器根据所述张力信号产生相应放料电机控制信号、经数字/模拟转换器转换为模拟信号驱动所述放料电机驱动器。

卷绕机控制系统需要控制的机械部件主要包括伺服电机、步进电机、放料电机。DSP拥有快速的运算速度、专用的电机控制模块，CPLD则可以实现DSP的IO扩展及简单外围设备的处理功能，因此采用DSP+CPLD方案在硬件上能够方便的实现系统的功能。

DSP选用的是德州仪器(TI)公司的TMS320F2812，它内部具有外部扩展模块(XINTF)，利用该外部扩展模块能够方便快速地实现与CPLD的数据交互。CPLD可以采用Verilog HDL语言进行编程，实现的功能主要有：1.接收DSP发送的并行数据(包括脉冲频率和个数)，将其转换为串行数据，再经过差分模块处理后得到相应的脉冲差分信号，用以驱动步进电机和伺服电机。2.接收伺服电机编码器的差分信号，将其进行四倍频处理以计算得到编码器的准确数据，通过DSP的并行数据总线传送给DSP。3.利用其输入输出(IO)引脚众多的特点，可以实现DSP的IO扩展功能，以达到卷绕机控制系统IO数量的要求。由于卷绕机控制系统的IO会输出信号控制汽缸动作，汽缸动作的工作电压是+24V，故利用继电器以达到弱电控制强电的效果；而IO的输入信号也是+24V工作电压的，其原始输入信号需要经过光电隔离之后才能输入到CPLD中。

DSP直接控制的放料电机是0～5V模拟电压控制的直流无刷电机，该模拟电压是利用DSP内部的外围设备接口(serial peripheral interface，简称SPI)对数字/模拟转换器进行控制得到的，其控制精度能够达到1mv，实现放料电机的高精度控制。张力检测计的输出信号是模拟电压，可以利用DSP内部的模数转换(AD模块)进行信号转换。在设备的操作过程中，人机交互模块采用EVIEW公司的MT4300TE系列触摸屏来实现，它是采用串行通信方式(serial communication interface，简称SCI)与DSP进行通信的，其通信波特率可达到115200，可以将触摸屏设置为人机工作模式以便DSP能够主动查询相关数据，这种简单可靠的通信方式为人机交互提供了可靠的保障，实现了友好的人机界面功能。

按键模块还包括“急停”、“复位”、“手动/自动”、“脚踏”、“启动”五个外部控制按钮。“急停”按钮是设备运行过程中出现故障或安全事故等情况才启用的按钮，它要求DSP做出最及时地响应，因此将其连接到DSP的外部中断接口(XINT)，只要该控制按钮生效时，DSP便能立刻响应该急停命令请求，做出相应的控制，立即停止电机和汽缸的动作以保证设备能够安全、可靠地生产。“复位”、“手动/自动”、“脚踏”、“启动”四个外部控制按钮，需要作为DSP的中断源，因此将其连接到DSP的输入捕捉模块(CAP)，以保证程序运行过程中能够捕捉到这些按钮的输入与否，从而做出相应的控制。

如图2所示，一种电池卷绕机的控制方法，包括如下步骤：

第一步：初始化电池卷绕机的控制系统。初始化包括硬件的初始化、有限状态机初始化和变量初始化。硬件的初始化包括：DSP的系统时钟、中断向量表、GPIO、AD模块、SCI模块、SPI模块、计时器、各中断屏蔽寄存器的初始化。有限状态机初始化是指：设定一个初始的状态，保证状态机的正常运转。变量初始化是指：按照实际需要为各个全局变量、数组、结构体、外围IO寄存器赋初值。

第二步：判断人机交互模块是否设置了初始参数，如设置了则按照所述初始参数驱动步进电机、伺服电机工作，如没设置则按照控制系统的默认参数驱动步进电机、伺服电机工作。

卷绕机的卷针转动速度、转动圈数等重要数据是通过人机交互模块来进行设置的，因此在初始化工作完成之后需要先提取出该参数值，以保证卷绕机的正确运行。如果是由于工人操作失误尚未进行参数设置就行自动卷绕时，则该系统会由DSP提供一个默认的参数值。人机交互模块与DSP的通信方式采用的是串行通信SCI，它的通信协议是EVIEW公司自定的一个协议，在获得原始的串行数据后，DSP需要按照协议的格式提取出目标数据才能进行相应操作。

第三步：判断电池卷绕机的控制系统工作在手动状态模式还是自动状态模式，如工作在手动状态模式下则根据人机交互模块发出的控制命令控制驱动步进电机、伺服电机、放料电机工作，如工作在自动状态模式下则根据工艺流程执行相应控制操作。

在手动操作过程中，正常情况下只需要对人机交互模块进行数据读取，根据人机交互模块发出的命令进行相应的电机或者汽缸动作。在手动状态下，主要完成的工作就是DSP与人机交互模块通信并提取出相应的控制命令，再根据该命令作出相应的动作即可。每隔1msDSP接收一次人机交互模块发出的控制命令。在自动操作流程中，控制的流程需要严格按照工艺流程来进行，因此采用基于有限状态机的方法来完成整个流程的执行。方法是在根据每道不同的工序为其定义一个状态，将整个动作流程人为划分为有限个状态，然后根据每个状态下得到的条件进行不同状态之间的切换。这种设计在改变操作流程时，能够方便直观地根据改动修改程序，从而大大提高了设备的调试过程的效率。卷绕设备的工艺流程是比较复杂的程序模块，而本发明对该部分采用了基于有限状态机的程序设计方法，使得程序的书写方式与实际操作流程能够一一对应上，因此其可维护性较强。

在本具体实施方式中，在自动状态模式下可以依次进行三次脚踏操作。第一次脚踏所需要执行的状态机包括：State1检查设备就绪情况→State2导入下层隔膜→State3准备好贴胶纸模块。第二次脚踏所需要执行的状态机包括：State4导入上层隔膜。第三次脚踏所需要执行的状态机包括：State5卷针第一次卷绕→State6卷针一次回原点→State7卷针固定平台右移→State8卷针以尾卷圈数卷绕隔膜→State9切断隔膜→State10贴胶纸→State11卷针二次回原点→State11卷针二次回原点→State12卸下完成卷绕的电池→State13卷针平台左移→State14卷针以首卷圈数卷绕隔膜。

如果在进行相应动作流程时出现了故障，则DSP通过读取相关的输入变量，根据状态机相对应的条件判断其出故障时，发送相关的报警信息到人机交互模块中，并且将人机交互模块(触摸屏)的画面显示跳转到报警信息画面，同时蜂鸣器发出报警以提醒操作人员机器运转出现不正常情况，并能根据报警信息快速、准确地找出报警的原因，最终予以解决。

上述电池卷绕机的控制方法还包括：判断按键模块是否发出急停命令，如果发出则立即停止电机和汽缸的动作。

外部中断主要是为了响应“急停”按钮而启用的。由于“急停”按钮需要DSP作出最快速的反应，及时地停止一切电机和汽缸等动作，以达到紧急情况下的安全生产功能，因此将该信号作为外部中断，并且拥有较高的中断优先级。

同时本发明还使用了SCI接收中断、AD中断、定时中断、输入捕获中断，这些中断的处理函数将做进一步描述。SCI接收中断是负责接收人机交互模块发送给DSP的数据的，在SCI接收中断中，可以打开其16级深度的FIFO功能，能够避免DSP频繁进入中断，减少DSP的占用率。

AD中断，利用AD模块对张力检测计进行模拟电压读取时，可以利用外部信号或者软件中断来启动AD转换功能，由于AD功能是由DSP主动发起的，因此不必靠外部信号来驱动，而是采用软件中断的方式，能够实现AD转换的灵活控制。

定时中断主要是为了实现放卷电机闭环控制的，由于这部分控制是设备的核心所在，对其控制的精度和快速性具有较高的要求，因此采用的是1ms的定时中断周期，保证电机在1ms内能够快速地得到调节。

输入捕获中断主要是为了响应“复位”、“手动/自动”、“脚踏”、“自动”四个外部按钮的，在设备由“手动”操作模式转换到“自动”操作模式时，需要一直等待“启动”按钮按下，才进行一系列的自动流程，否则设备处于一种“非激活”状态；在按下“复位”时，就将系统复位到原始状态，以便重新进行操作；在“手动/自动”按钮做出切换动作时，应当及时保存和恢复自动状态下的状态机的有效数据，以保证重新切换到自动状态下时，设备能够恢复到切换前的状态，并在原状态的基础上继续运行未完成的动作；在“脚踏”按钮被踏下时，DSP需要根据自动状态下的工艺流程进行相应的动作。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电池卷绕机控制系统，其特征在于：包括数字信号处理器、复杂可编程逻辑器件、张力检测计、数字/模拟转换器、放料电机驱动器、伺服电机编码器、伺服电机驱动器、步进电机驱动器；所述伺服电机编码器的输出耦合到复杂可编程逻辑器件的输入，所述复杂可编程逻辑器件的输出耦合到伺服电机驱动器、步进电机驱动器的输入，所述数字信号处理器与复杂可编程逻辑器件相连，所述张力检测计的输出耦合到所述数字信号处理器的输入，所述数字信号处理器的输出通过数字/模拟转换器耦合到放料电机驱动器的输入；

还包括第一光电隔离模块、第二光电隔离模块、第三光电隔离模块、第四光电隔离模块、差分模块、反差分模块，所述第一光电隔离模块连接在张力检测计与数字信号处理器之间，所述第二光电隔离模块连接在数字信号处理器与数字/模拟转换器之间，所述复杂可编程逻辑器件输出依次通过第三光电隔离模块、差分模块与伺服电机驱动器、步进电机驱动器相连，所述伺服电机编码器输出依次通过反差分模块、第四光电隔离模块耦合到复杂可编程逻辑器件输入；

还包括人机交互模块，所述人机交互模块与所述数字信号处理器相连；还包括按键模块，所述按键模块输出与所述数字信号处理器输入相耦合；

还包括输入接口、第五光电隔离模块、输出接口、继电器，所述输入接口的输出通过第五光电隔离模块与耦合到所述复杂可编程逻辑器件的输入，所述复杂可编程逻辑器件的输出通过所述继电器耦合到输出接口。

2.一种电池卷绕机的控制方法，其中电池卷绕机控制系统采用如权利要求1所述的控制系统，其特征在于包括如下步骤：

初始化电池卷绕机的控制系统：包括硬件的初始化、有限状态机初始化和变量初始化，硬件的初始化包括：数字信号处理器的系统时钟、中断向量表、通用输入/输出、模拟/数字转换模块、串行通信模块、外围设备接口模块、计时器、各中断屏蔽寄存器的初始化；有限状态机初始化包括：设定一个初始的状态，保证状态机的正常运转；变量初始化包括：按照实际需要为各个全局变量、数组、结构体、外围IO寄存器赋初值。

判断人机交互模块是否设置了初始参数，如设置了则按照所述初始参数驱动步进电机、伺服电机工作，如没设置则按照控制系统的默认参数驱动步进电机、伺服电机工作；

判断系统工作在手动状态模式还是自动状态模式，如工作在手动状态模式下则根据人机交互模块发出的控制命令控制驱动步进电机、伺服电机、放料电机工作，如工作在自动状态模式下则根据工艺流程执行相应控制操作。

3.根据权利要求2所述的电池卷绕机的控制方法，其特征在于：每隔1ms接收人机交互模块发出的控制命令。

4.根据权利要求2所述的电池卷绕机的控制方法，其特征在于：还包括如下步骤：判断按键模块是否发出急停命令，如果发出则立即停止电机和汽缸的动作。

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