CN110045660A - 一种数字化极片轧机集成控制器 - Google Patents

Abstract

本发明为一种数字化极片轧机集成控制器，包括供电单元、数据处理单元、电机调速单元和接口单元；所述供电单元用于将380V交流电和220V交流电转换为不同规格的直流电，给控制器中的其他三个单元提供稳定电源，所述数据处理单元采用双微控制芯片；所述电机调速单元运用多组耐高压的供电半导体，包括供电半导体驱动电路、供电半导体保护电路和供电半导体，所述供电半导体与极片轧机中的轧制电机、放卷电机、收卷电机、纠偏电机单向连接。该控制器解决了现有极片轧机控制系统将PLC、张力采集器、变频器、伺服驱动器等控制仪器拼凑在一起组成的控制系统兼容性差、硬件功能冗余、成本高、控制精度低、缺乏数据有效管理等问题。

Description

一种数字化极片轧机集成控制器

技术领域

本发明涉及工业生产设备的自动化控制领域，具体是专用于电池极片轧制设备的电池极片轧机专用控制器。

背景技术

目前，国内锂电池极片轧机的控制系统通常采用以PLC为核心的控制方式，其基本形式是由伺服驱动器、变频器、张力采集器、触摸屏等硬件设备通过导线连接组成，这种方式不仅在系统组成上冗余、繁琐，而且造成了硬件功能浪费，设备成本高的后果；此外，这种方式还存在系统前期组装工作量大，后期设备维护成本高，设备占用场地大等问题；而以嵌入式微处理器为核心的控制方式，并将各种控制功能集成在同一控制设备的这种电池极片轧机控制系统还处于起步阶段，国内相关的论文及专利相对较少且存在诸多不足。《电池极片轧制与分切设备的控制系统研究》一文中提出的极片轧机控制方案是以C8051F020单片机为控制核心，对锂电池极片轧机上的继电器、电磁阀等电控设备设计了相应的输入输出通道，并配合多台变频仪器实现了对锂电池极片轧机的控制；该文中的控制系统集成度还是偏低，还不能形成专门的电池极片轧机控制能力；要知道目前较普及的锂电池极片轧机的执行机构中最主要的就是三相异步电机、伺服电机、和步进电机，对于这三类电机的控制，该论文中的系统是依靠现有的变频器、磁粉制动器等相关调速设备与其控制系统的输入输出通道连接才达到控制目的，显然不能实现对极片轧制系统的一体化的集成控制能力；另一方面，该系统的数字化程度不高，选用的控制芯片的技术相对落后于当前的控制芯片，缺乏对高速信号快速运算处理的能力，而且采集到的极片轧机运行中的数据不够全面，不具备对系统运行数据有效管理和运用的功能。

发明内容

针对现有技术不足，本发明要解决的技术问题是，提供一种数字化的高集成度的电池极片轧机专用控制器，专门解决现有极片轧机控制系统将PLC、张力采集器、变频器、伺服驱动器等控制仪器拼凑在一起组成的控制系统兼容性差、硬件功能冗余、成本高、控制精度低、缺乏数据有效管理等问题。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是：设计一种数字化极片轧机集成控制器，包括供电单元、数据处理单元、电机调速单元和接口单元；其特征在于，所述供电单元用于将380V交流电和220V交流电转换为不同规格的直流电，给控制器中的其他三个单元提供稳定电源，所述数据处理单元采用双微控制芯片，用于对锂电池极片轧机中全部传感器和执行器进行实时监控，数据处理单元由ARM内核32位微处理芯片电路和FPGA微处理芯片电路组成；所述电机调速单元运用多组耐高压的供电半导体，通过数据处理单元中的FPGA微处理芯片电路控制供电半导体的导通时间，形成频率可控的交流电，实现控制器对轧制电机、放卷电机、收卷电机和纠偏电机这四台电机的同步转速调控，电机调速单元包括供电半导体驱动电路、供电半导体保护电路和供电半导体，所述供电半导体驱动电路将FPGA微处理芯片电路产生频率可变的高速脉冲波的电压放大，使供电半导体导通，所述供电半导体与极片轧机中的轧制电机、放卷电机、收卷电机、纠偏电机单向连接；

所述接口单元用来与锂电池极片轧机设备进行信息交互，接口单元与数据处理单元双向连接，包括总线接口、I/O输入输出接口、模拟输入输出接口和检测电路，所述检测电路与极片轧机中轧制电机、放卷电机、收卷电机、纠偏电机传动轴上的四个速度编码器单向连接，接收速度编码器检测到的四台电机的转速；所述I/O输入输出接口和模拟信号输入输出接口用来接收和控制锂电池极片轧机上传感器的信号和执行机构的动作，并将接收到的信号传送至所述数据处理单元；

所述ARM内核的位微处理芯片电路能够同时且高速处理控制器接收检测信号并驱动极片轧机中的执行机构工作，并将轧机运行过程产生的各种参数上传至PC端，确保轧机合理有序的工作；

所述FPGA微处理芯片电路用来产生规律的频率可变的高速脉冲波，使高速脉冲波的波形逼近供交流电动机转动的理想磁链正弦波的波形，完成对锂电池极片轧机中的多电机数字化控制功能。

所述供电半导体保护电路内集成了温度传感器、霍尔电流传感器和霍尔电压传感器。

供电单元包括缓冲电路、整流电路、保护电路、滤波电路、转换电路；缓冲电路、整流电路、保护电路、滤波电路、转换电路依次连接。

所述保护电路采用两个结构相同的分支电路和一个直流接触器构成，是用来保护控制器中的电子器件不受直流母线过压欠压、过流欠流带来的损害，每个分支电路均包括有LV25-P霍尔传感器，两个分支电路分别检测直流母线的电流和电压信号。

所述转换电路将滤波后的电压转换为数据处理单元所需的1.2V、3.3V、2.5V、正负5V直流电，电机调速单元所需的312V、537V、正负15V、正负5V直流电，其中供电半导体所需电源为537V直流电、312V直流电，供电半导体保护电路所需的正负15V、正负5V直流电；接口单元所需的正负24V、正负12V直流电。

所述ARM内核32位微处理芯片电路与所述FPGA微处理芯片电路通过FSMC的方式双向并行连接。

所述供电半导体保护电路包括供电半导体温度检测电路、供电半导体电流检测电路、供电半导体电压检测电路，能够检测所述供电半导体的温度和输出电压、电流的数值，并发送至所述ARM内核32位微处理芯片电路判断检测到的温度、电压、电流是否超出供电半导体的额定值，若超出，则ARM内核32位微处理芯片电路控制所述FPGA微处理芯片电路停止输出高速脉冲波，保护供电半导体不受损坏。

所述供电半导体选用德国英飞凌公司的PF75R12KT3型号IGBT模块；所述供电半导体驱动电路共由4组相同的电路组成，其中一路的电路结构是：PF75R12KT3型号IGBT模块中的单只IGBT管J1，其C、G、E引脚分别表示单只IGBT管J1的集电极、门极、发射极；驱动芯片U2的引脚Vin+与FPGA微处理芯片的一路脉冲输出引脚B1连接并将B1输出的脉冲信号放大，从驱动芯片U2的Vout引脚输出，再经过电阻R23、电阻R24的限流作用，使放大的信号符合供电半导体的导通电压和电流值；驱动芯片U2的引脚Vcc1接正5V电源，引脚Vin-、GND1、Vled-接地，引脚Vled+悬空；驱动芯片U2的reset、fault引脚与ARM内核32位微处理芯片的模数转化功能的PA2、PA3引脚连接，当供电半导体出现过流情况时，fault引脚输出信号至PA3引脚，ARM内核32位微处理芯片电路接收到过流信号后，向FPGA微处理芯片电路发出停止输出脉冲波的指令，防止供电半导体受损，当供电半导体上的电压正常时ARM内核32位微处理芯片引脚PA2向驱动芯片U2的reset引脚发送信号，使fault引脚复位；驱动芯片U2的VEE引脚接负5V电源，Vcc2、Vc引脚接正24V电源，这四个引脚为输出侧供电；DESAT引脚为过流故障检测引脚，通过电阻R22、电容C28和二极管D22连接到单只IGBT管J1的引脚C，VE引脚与J1的引脚E连接，DESAT、VE引脚与单只IGBT管J1构成了压降检测回路，检测单只IGBT管J1的过流情况；并联在正24V和负5V电源间的电容C24、C25、C26、C27和电阻R24二极管D21构成单只IGBT管J1导通的基准电压；并联在单只IGBT管J1的G、E引脚间的二极管D23、D24和电阻R25构成单只IGBT管J1的输入回路保护电路。

所述检测电路由四组相同的电路组成，分别检测四个电机的传动轴上的四个速度编码器的脉冲信号，其中一组电路的电路构成是：该电路包括三个高速光耦U40、U41、U42，J2表示速度编码器的连接端口；电阻R40、电阻R41、电阻R42的一端均连接+5V电源，另一端分别连接高速光耦U40、高速光耦U41、高速光耦U42的Anode引脚连接；电阻R43、电阻R44、电阻R45的一端分别连接+5V电源，另一端接在高速光耦U40、高速光耦U41、高速光耦U42的VOUT引脚上，电容C40、电容C41、电容C42一端分别接在电阻R43、电阻R44、电阻R45连接+5V电源的一端，另一端接地；速度编码器的连接端口J2的三个脉冲信号引脚A、B、Z分别连接高速光耦U40、高速光耦U41、高速光耦U42的Cathode引脚，然后分别从高速光耦U40、高速光耦U41、高速光耦U42的VOUT引脚输出至ARM内核32位微处理芯片的I/O信号输入功能的PB0、PB1、PB2引脚；其中ARM内核32位微处理芯片可通过PB0和PB1引脚输入的信号精确判断电机旋转角度和转动方向，通过PB2引脚输入的信号判断电机旋转圈数。

所述模拟输入输出接口与张力传感器、数据处理单元、电机调速单元构成了极片轧机张力闭环控制；

所述供电半导体保护电路和数据处理单元，构成了供电半导体保护闭环控制；

所述检测电路与轧制电机、放卷电机、收卷电机、数据处理单元、电机调速单元构成了极片轧机速度闭环控制；

纠偏电机和检测电路、数据处理单元、电机调速单元构成了极片轧机纠偏闭环控制；

所述极片轧机速度闭环控制、极片轧机纠偏闭环控制、供电半导体保护闭环控制、极片轧机张力闭环控制，共同集成在控制器中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)多技术融合，控制器功能全面：本发明将嵌入式技术、电力电子技术、交流传动技术、电机矢量数字控制技术、抗干扰技术综合运用在本发明的极片轧机控制器中，完善了控制器的功能；与现有产品相比，具有同时控制极片轧机关键器件：轧制电机、收卷电机、放卷电机、纠偏电机转速的能力，摆脱现有极片轧机控制器需配合其他仪器才能实现控制极片轧机的束缚；实现了一个控制器就能完全控制极片轧机。

2)数字芯片集成度高、控制精度提升：本控制器中加入了电压检测、温度检测、电流检测、信号放大、数字隔离等多种数字IC芯片和高集成度的ARM内核32位微控制芯片、FPGA(现场可编程门阵列)微处理芯片；数字IC芯片的使用，能够提高控制器数据处理速度，提高数字化程度和其内部电子元器件的集成度，增强控制器的稳定性；不同数字IC芯片集成了不同的物理信号(电压、电流、速度、温度、张力)检测功能，这些物理参数在控制器内形成不同闭环控制结构，控制器根据轧机在工作中反馈的不同物理量变化快速精准调整电机输出转速，使极片轧机稳定保持在设定的极片轧制速度。

3)一体化设计、减少差异性、使用便捷：本发明采用一体化设计理念，将极片轧机中所有传感器和执行器的控制仪器集成在一个控制器中，能够减少各个厂家在设计仪器工艺不同造成的检测参数存在误差的弊端，并且将控制器与极片轧机上所有的传感器和执行器的接线端口设置在同一区域，解决了各个厂家设计工艺不同，仪器接线位置不同意，导致现有极片轧机控制器需要和其他仪器用导线连接且接线区域不一致造成接线工作繁琐的问题，提高了使用便捷性。

4)专用性强、成本低；本控制器中所有电路都是根据极片轧机中传感器和执行器的额定电压额定功率件等参数设计相应电路，与现有极片轧机控制器中多数仪器是商购所得相比，商购仪器更是面向广泛市场的产物，因此存在功能冗余，价格高昂的缺点，本发明是根据极片轧机的工作需求设计相应控制电路而且控制器所需电子器件价格远低于商购仪器。

综上，本发明把极片轧机中的电机的驱动控制电路集成在同一个控制器中，能实现对轧机的所有设备的控制，不需要和电机驱动器共同组成一个控制系统实现对轧机的控制，集成度更高，用脉冲电压控制实现电机的驱动控制代替现有的以模拟电压控制电机，抗干扰能力强，同时可实时采集极片轧机运行中产生的多信息数据，体现控制器的数字化特征。

附图说明

图1是本发明一种数字化极片轧机集成控制器的结构框图；

图2是缓冲电路101的示意图；

图3是保护电路103的电压保护电路图；

图4是转换电路105的电源转换的转换结构框图；

图5是ARM内核32位微处理芯片与FPGA微处理芯片的双向并行连接图；

图6是供电半导体驱动电路301的电路图；

图7是供电半导体保护电路302的供电半导体电流检测电路图；

图8是检测电路404的电路图；

图中，供电单元1、数据处理单元2，电机调速单元3、接口单元4；

缓冲电路101、整流电路102、保护电路103、滤波电路104、转换电路105，ARM内核32位微处理芯片电路201、FPGA微处理芯片电路202、供电半导体驱动电路301、供电半导体保护电路302、供电半导体303、总线接口401、I/O输入输出接口402、模拟输入输出接口403、检测电路404。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。

本发明一种数字化的集成度高的电池极片轧机专用控制器，以嵌入式技术为核心，将多种控制技术集成在一个控制系统中，形成一台仅适用于电池极片轧机的控制器，使参与锂电池极片轧机工作的极片轧制速度、极片放卷收卷的张力、极片收卷的位置纠偏、极片轧制压力和极片收卷的厚度检测等被控物理量数据在一个控制器进行计算处理和存储，不需要其他仪器参与，能够独立控制极片轧机的专用型极片轧机控制器。

本发明是一种锂电池极片轧机的控制器，为描述方便起见，下面简称为控制器；

如图1所示，本发明数字化极片轧机集成控制器由四个单元组成，分别是：供电单元1、数据处理单元2、电机调速单元3、接口单元4；所述供电单元是整个控制器正常运行的基础，主要是将380V交流电和220V交流电转换为不同规格的直流电，给控制器中的其他三个单元提供稳定电源，供电单元1由缓冲电路101、整流电路102、保护电路103、滤波电路104、转换电路105组成；所述数据处理单元采用双微控制芯片的结构设计，能够提高数据处理和数据管理的能力，是控制器高效完成对锂电池极片轧机中全部传感器和执行器进行实时监控的保障，数据处理单元2由ARM内核32位微处理芯片电路201和FPGA微处理芯片电路202组成；所述电机调速单元3运用了多组耐高压的供电半导体，通过数据处理单元中的FPGA微处理芯片电路控制供电半导体的导通时间，形成频率可控的交流电，实现控制器对轧制电机、放卷电机、收卷电机和纠偏电机这四台电机的同步转速调控，电机调速单元3由供电半导体驱动电路301、供电半导体保护电路302、供电半导体303组成；所述接口单元4用来与锂电池极片轧机设备进行信息交互，由总线接口401、I/O输入输出接口402、模拟输入输出接口403、检测电路404组成；

进一步所述供电单元，集成了缓冲电路、整流电路、保护电路、滤波电路、转换电路；工业用380V交流电和普通220V交流电先通过所述缓冲电路，吸收电网侧的尖峰电压，缓解对整流电路的冲击；所述整流电路将接入到控制器的交流电变成电压较稳定的直流电，由于电网电压存在10％的波动，因此通过所述保护电路避免控制器内电子器件受损，所述保护电路是由电压传感器、运算放大器、光电耦合器集成的数字化电路，用来判断直流母线上过压过流情况并将故障信号送入数据处理单元，数字处理单元中的FPGA微处理芯片电路停止电机调速单元运行以避免控制器内电子器件受损；所述滤波电路将整流电路输出电压中的纹波去除，得到较纯净的电源，再通过转换电路，将直流电源分别转换成多种规格的直流电源；所述转换电路由多个数字IC电源转换芯片集成得到，可分别为控制器内的调速单元、I/O输入输出接口、模拟输入输出接口、各类数据采集芯片、微控制芯片等电子器件提供相应工作电源。

进一步所述数据处理单元中的双微控制芯片都是集成度极高的控制芯片，分别是基于ARM内核的32位微处理芯片和FPGA微处理芯片；所述基于ARM内核的32位微处理芯片采用了哈佛结构，拥有独立的指令总线和数据总线，全速USB接口、PTP协议的以太网接口和CAN2.0B，能够同时且高速处理所述控制器接收检测信号并驱动极片轧机中的执行机构工作，并将轧机运行过程产生的各种参数上传至PC端，确保轧机合理有序的工作；所述FPGA微处理芯片可根据软件手段更改芯片内数字逻辑单元组合，完成既定功能的复杂数字集成电路设计，是微控制芯片中集成度最高的一种，能够同时输入多路信号，且相比于其它微控制芯片最大的优点在于数据处理速度快；因此，用该芯片产生规律的频率可变的高速脉冲波，使高速脉冲波的波形逼近供交流电动机转动的理想磁链正弦波的波形，完成对锂电池极片轧机中的多电机数字化控制功能。

进一步所述电机调速单元由四组供电半导体驱动电路、供电半导体保护电路、供电半导体组成，每组对应控制一台电机的转速；所述FPGA微处理芯片电路产生规律的频率可变的高速脉冲波，经所述供电半导体驱动电路将高速脉冲波的电压值放大，使所述供电半导体被有规律的导通与断开，形成频率可调节的交流电，来驱动所述锂电池极片轧机中的轧制电机、收放卷电机、纠偏电机转动和加减速转动；所述供电半导体保护电路内集成了温度传感器、霍尔电流传感器和霍尔电压传感器，以多数据检测综合判断的角度，保护供电半导体不受损坏；所述供电半导体是一种耐高压、导通速率高的电力电子器件，是给所述轧制电机、收放卷电机、纠偏电机提供交流电的重要器件。

进一步所述接口单元，包括总线接口、I/O输入输出接口、模拟信号输入输出接口、检测电路；所述I/O输入输出接口和模拟信号输入输出接口，接收锂电池极片轧机上的传感器信号并传送至所述数据处理单元，所述数据处理单元再将控制信号发送到与接口单元和电机调速单元相连接的极片轧机上相关器件，使得所述接口单元、数据处理单元和电机调速单元三者之间建立数据信息传递链，形成极片轧制速度和极片收放卷张力双闭环控制。

所述缓冲电路101位于三相电源接入端，如图2所示，工厂三相电源经过空气开关接入所述缓冲电路101，三相U、V、W电线之间两两并联有压敏电阻，每个U、V、W电线同时连接一个电容器一端，电容器另一端接地，用以吸收从电网测带入控制器的尖峰电压，缓解对整流电路102的冲击；

所述整流电路102是由六个功率相同的整流二极管组成的全桥三相整流电路，将接入的交流电转换成有一定波动的直流电，该直流电的电压即供电单元1的直流母线电压，直流母线电压两端分别用P、N表示；该直流电所在电线即供电单元1的直流母线；

所述保护电路103采用两个结构相同的分支电路和一个直流接触器构成，是用来保护控制器中的电子器件不受直流母线过压欠压、过流欠流带来的损害，每个分支电路均包括有型号为LV25-P霍尔传感器，两个分支电路分别检测直流母线的电流和电压信号；其中一组电路如图3所示：型号为LV25-P霍尔传感器用U1表示，P、N两端串联电阻R10和电阻R11对直流母线电压分压来达到霍尔传感器U1的电压检测范围，与电阻R11并联的电阻R12将电流限定在霍尔传感器U1的电流检测范围内；直流母线上的电压信号从U1的IN引脚、OUT引脚进入，从M引脚输出至由电阻R13、电阻R14、电容C11、运算放大器LM324(图中用U2表示)组成的电压跟随电路，该电压跟随电路可去除霍尔传感器U1检测到的电压信号中的干扰信号，提升信号精确性；经过运算放大器U2处理的信号再从运算放大器U2的输出引脚输出，运算放大器的输出连接电阻R14再连接经过二极管D11、二极管D12组成的钳位保护电路，将电压值固定在ARM内核32位微处理芯片能够检测的0-3.3V电压范围内，最后输出信号至ARM内核32位微处理芯片的具有模数转化功能的PA0引脚，ARM内核32位微处理芯片根据检测到的信号判断电路是否出现过压欠压的情况，若出现则ARM内核32位微处理芯片电路201再发送控制信号至FPGA微处理芯片电路202，由FPGA微处理芯片电路202中断对供电半导体303的导通，起到过压欠压保护作用；同理，另一组检测电流的电路将测得的电流信号输出至ARM内核32位微处理芯片的具有模数转化功能的PA1引脚，ARM内核32位微处理芯片根据检测到的信号判断电路是否出现过流欠流的情况，若出现，则ARM处理器201发送信号至直流接触器的控制引脚，使接触器常闭触头打开，切断进线电源，起到过流欠流保护作用；所述直流接触器位于所述直流母线电压P端的直流母线上；

所述滤波电路104，由两组大功率电解电容和电阻串联而成，每组由三个大功率电解电容和一个电阻并联组成，该电路可将整流后有一定波动的直流电流净化成平缓稳定的直流电；

所述转换电路105如图4所示，将滤波后的稳定电压转换为数据处理单元2所需的1.2V、3.3V、2.5V、正负5V直流电，电机调速单元所需的312V、537V、正负15V、正负5V直流电，其中供电半导体303所需电源为537V直流电、312V直流电，供电半导体保护电路302所需的正负15V、正负5V直流电；接口单元4所需的正负24V、正负12V直流电。

所述ARM内核32位微处理芯片电路201与接口单元4双向连接，可处理和获取极片轧机中的传感器的信号和执行机构的信号；

所述ARM内核32位微处理芯片电路201和FPGA微处理芯片电路分别由意法半导体公司的STM32F407系列芯片及其最小系统电路和ALTERA公司的Cyclone IV E系列的EP4CE10F17C8芯片及其最小系统电路组成。

所述ARM内核32位微处理芯片电路201与所述FPGA微处理芯片电路202通过FSMC(可变静态存储控制器)的方式双向并行连接，控制所述FPGA微处理芯片电路202输出高速脉冲波至电机调速单元3中的供电半导体驱动电路301；所述FSMC的并行连接方式可使两个微处理芯片的数据传输速率最大化；所述FSMC双向并行连接方式如图5所示：所述ARM内核32位微处理芯片带有FSMC功能的引脚依次与FPGA微处理芯片的I/O引脚相连，其中PD5引脚的功能是用于在FPGA微处理芯片中写入数据，PD4引脚的功能是用于读取FPGA微处理芯片内的数据，PD7引脚的功能用于选择FPGA微处理芯片内存储数据的片区，PF0-5和PF12-13这8个引脚的功能是用来查找FPGA微处理芯片的数据地址，PD14-15、PD0-1、PE7-15、PD8-10这16个引脚的功能是用来并行传输数据，PF6-7引脚的功能是用来接受FPGA发送的中断信号数据；

所述FPGA微处理芯片电路202与所述电机调速单元3中的供电半导体驱动电路301单向连接，所述供电半导体驱动电路301将FPGA微处理芯片电路202产生频率可变的高速脉冲波的电压放大，使所述供电半导体303导通；所述供电半导体303与极片轧机中的轧制电机、放卷电机、收卷电机、纠偏电机单向连接，提供电机转动的高速脉冲波，进而驱动所述四个电机转动；

所述供电半导体303选用的是德国英飞凌公司的PF75R12KT3型号IGBT模块；

所述供电半导体驱动电路301共由4组相同的电路组成，其中一路具体如图6所示：驱动芯片选用Agilent公司生产的智能型IGBT驱动光耦芯片HCPL-316J为电路核心器件，该芯片在图中用U2表示，图中J1表示所述PF75R12KT3型号IGBT模块中的单只IGBT管，其C、G、E引脚分别表示单只IGBT管的集电极、门极、发射极；驱动芯片U2的引脚Vin+与FPGA微处理芯片的一路脉冲输出引脚B1连接并将B1输出的脉冲信号放大，从驱动芯片U2的Vout引脚输出，再经过电阻R23、电阻R24的限流作用，使放大的信号符合供电半导体303的导通电压和电流值；图6所示的引脚Vcc1接正5V电源，引脚Vin-、GND1、Vled-接地，引脚Vled+悬空，电阻R21和电容C21、C22、C23起电源输入保护作用；驱动芯片U2的reset、fault引脚与ARM内核32位微处理芯片的模数转化功能的PA2、PA3引脚连接，当供电半导体303出现过流情况时，fault引脚输出信号至PA3，ARM内核32位微处理芯片电路201接收到过流信号后，向FPGA微处理芯片电路202发出停止输出脉冲波的指令，防止供电半导体303受损，当供电半导体303上的电压正常时ARM内核32位微处理芯片引脚PA2向驱动芯片U2的reset引脚发送信号，使fault引脚复位；驱动芯片U2的VEE引脚接负5V电源，Vcc2、Vc引脚接正24V电源，这四个引脚为输出侧供电；DESAT引脚为过流故障检测引脚，通过电阻R22、电容C28和二极管D22连接到单只IGBT管J1的引脚C，VE引脚与J1的引脚E连接，DESAT、VE引脚与单只IGBT管J1构成了压降检测回路，检测单只IGBT管J1的过流情况；并联在正24V和负5V电源间的电容C24、C25、C26、C27和电阻R24二极管D21构成单只IGBT管J1导通的基准电压；并联在单只IGBT管J1的G、E引脚间的二极管D23、D24和电阻R25构成J1的输入回路保护电路；

所述供电半导体保护电路302与所述ARM内核32位微处理芯片电路201单向连接，所述供电半导体保护电路302包括供电半导体温度检测电路、供电半导体电流检测电路、供电半导体电压检测电路，能够检测所述供电半导体303的温度和输出电压、电流的数值，并发送至所述ARM内核32位微处理芯片电路201判断检测到的温度、电压、电流是否超出供电半导体303的额定值，若超出，则ARM内核32位微处理芯片电路201控制所述FPGA微处理芯片电路202停止输出高速脉冲波，保护供电半导体303不受损坏；此外，本发明ARM内核32位微处理芯片可根据所述供电半导体保护电路302检测到供电半导体303的输出电流，调节FPGA微处理芯片电路202输出的高速脉冲波频率，进而调节电机转速；进一步，由上述内容得到出所述供电半导体保护电路302和数据处理单元2，构成了供电半导体保护闭环控制。

进一步，所述温度检测电路由限流电阻和一个光电耦合器组成，供电半导体303中的过温报警输出引脚通过限流电阻接入光耦输入端，输出端连接ARM内核32位微处理芯片电路201；所述供电半导体保护电路302的供电半导体输出电压检测电路与所述图3电路相似，这里不再赘述；

所述供电半导体保护电路302的供电半导体电流检测电路，共由两组相同的电路组成，其中一路具体如图7所示：该电路主要由Allegro公司生产的电流霍尔传感器ACS712(图中用U30表示)和LM358集成运算放大器(图中用U31)组成；电流霍尔传感器U30的IP+、IP-引脚并联在串联于供电半导体303的U相电源输出端和直流母线电压N端的限流电阻R30两端，采集到的U相输出电流以电压的形式从电流霍尔传感器U30的VIOUT引脚输出至运算放大器U31的2+引脚，电阻R31、R32和2+、2-、OUT2引脚组成比列电路，对运算放大器U31的2+引脚输入的电压进行幅度调节和隔离，然后电压信号从运算放大器U31的OUT2引脚输出并进入1+引脚，电阻R33、R34、R35、R36和运算放大器U31的1+、1-、OUT1引脚及二极管D30、D31组成电平偏移电路，将运算放大器U31的1+引脚输入的正负变化的电压转变成ARM内核32位微处理芯片能够识别的0-3.3V电压，然后从运算放大器U31的OUT1引脚输出至ARM内核32位微处理芯片的模数转化功能的PA4引脚。

所述接口单元4与数据处理单元2双向连接；所述检测电路404与极片轧机中轧制电机、放卷电机、收卷电机、纠偏电机传动轴上的四个速度编码器单向连接，接收速度编码器检测到的四台电机的转速；

所述检测电路404与轧制电机、放卷电机、收卷电机、数据处理单元2、电机调速单元3构成了极片轧机速度闭环控制，纠偏电机和检测电路404、数据处理单元2、电机调速单元3构成了极片轧机纠偏闭环控制。

所述检测电路404由四组相同的电路组成，分别检测四个电机的传动轴上的四个速度编码器的脉冲信号，其中一组电路如图8所示：该电路主要由三个高速光耦组成，高速光耦选用Avago公司生产的6N137型高速光耦(图中用U40、U41、U42表示)，用来隔离速度编码器输出信号中的干扰信号，图中J2表示速度编码器的连接端口；电阻R40、R41、R42分别与5V电源和高速光耦U40、U41、U42的Anode引脚连接，为U40、U41、U42提供稳定的前级输入电源；电阻R43、R44、R45的一端分别连接+5V电源，另一端接在U40、U41、U42的VOUT引脚上，电容C40、C41、C42一端分别接在电阻R43、R44、R45连接+5V电源的一端，另一端接地，电阻R43、R44、R45和电容C40、C41、C42提供稳定的后级输出电源；J2的三个脉冲信号引脚A、B、Z分别连接U40、U41、U42的Cathode引脚，然后分别从U40、U41、U42的VOUT引脚输出至ARM内核32位微处理芯片的I/O信号输入功能的PB0、PB1、PB2引脚；其中ARM内核32位微处理芯片可通过PB0和PB1引脚输入的信号精确判断电机旋转角度和转动方向，通过PB2引脚输入的信号判断电机旋转圈数；

所述总线接口401包括RS232接口、RS485接口、高速USB接口、CAN总线接口、以太网接口；RS232接口和高速USB接口用于与微型计算机通讯；以太网接口用于构成多轧机设备互联的工业局域监控网络；RS485接口用于连接触摸显示器；CAN总线接口用于连接极片轧机液压伺服器，调节极片轧制力与极片轧制厚度。

所述总线接口401的相关电路在之前的专利中已申请，这里不再详细赘述；

所述I/O输入输出接口402用于连接极片大小剪裁机构的切刀电机和剪裁大小限位开关，控制生产极片的宽窄，连接收卷和放卷轴上的电磁阀，控制换料时气胀轴的充气与放气。

所述I/O输入输出接口402的相关电路在之前的专利中已申请，这里不再详细赘述；

所述模拟输入输出接口403与极片轧机上张力传感器和测厚传感器连接；所述ARM内核32位微处理芯片电路201根据张力传感器的电压值大小确定收卷电机轴上极片承受张力大小，然后与极片轧机的设定张力值对比，若当前张力值大小与设定值不匹配，则FPGA微处理芯片电路202改变其高速脉冲波输出频率，进一步通过所述电机调速单元3，将高速脉冲波输出至收卷电机控制收卷电机加速或减速，从而达到改变张力大小并修正当前张力值的目的；所述放卷电机的加速和减速的状态是检测电路404根据收卷电机轴上的速度编码器的当前转速和极片轧机设定速度(速度的设定通过ARM内核32位微处理芯片编程设定或通过与其连接的触摸屏输入)对比，然后FPGA微处理芯片电路202做出对收卷电机输出加减速的控制指令；进一步，由上述内容得出所述模拟输入输出接口403与张力传感器、数据处理单元2、电机调速单元3构成了极片轧机张力闭环控制。

所述模拟输入输出接口403的相关电路在之前的专利中已申请，这里不再详细赘述；

所述极片轧机速度闭环控制、极片轧机纠偏闭环控制、供电半导体保护闭环控制、极片轧机张力闭环控制，共同集成在本发明控制器中，有效减低不同厂家仪器设计工艺不同导致的数据检测误差，提高控制极片轧制速度的精度。

进一步，由上述内容可知，所述数据处理单元2将极片轧机工作过程中轧制电机、放卷电机、收卷电机、纠偏电机的转速，提供电机转动的电压电流、极片张力、极片偏移量、轧制厚度、轧制压力等电学信号、位移信号和力学信号数据实时存储在ARM内核32位微处理芯片中，为极片轧机的进一步优化设计提供全方面、系统性的数据支撑；同时将这些数据通过所述总线接口401的以太网接口上传至云计算服务器进行系统性管理与分类，可对这些数据做更深入的研究，有利于优化控制器的控制程序，提高极片轧机的控制精度和工作稳定性。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种数字化极片轧机集成控制器，包括供电单元、数据处理单元、电机调速单元和接口单元；其特征在于，所述供电单元用于将380V交流电和220V交流电转换为不同规格的直流电，给控制器中的其他三个单元提供稳定电源，所述数据处理单元采用双微控制芯片，用于对锂电池极片轧机中全部传感器和执行器进行实时监控，数据处理单元由ARM内核32位微处理芯片电路和FPGA微处理芯片电路组成；所述电机调速单元运用多组耐高压的供电半导体，通过数据处理单元中的FPGA微处理芯片电路控制供电半导体的导通时间，形成频率可控的交流电，实现控制器对轧制电机、放卷电机、收卷电机和纠偏电机这四台电机的同步转速调控，电机调速单元包括供电半导体驱动电路、供电半导体保护电路和供电半导体，所述供电半导体驱动电路将FPGA微处理芯片电路产生频率可变的高速脉冲波的电压放大，使供电半导体导通，所述供电半导体与极片轧机中的轧制电机、放卷电机、收卷电机、纠偏电机单向连接；

所述接口单元用来与锂电池极片轧机设备进行信息交互，接口单元与数据处理单元双向连接，包括总线接口、I/O输入输出接口、模拟输入输出接口和检测电路，所述检测电路与极片轧机中轧制电机、放卷电机、收卷电机、纠偏电机传动轴上的四个速度编码器单向连接，接收速度编码器检测到的四台电机的转速；所述I/O输入输出接口和模拟信号输入输出接口用来接收和控制锂电池极片轧机上传感器的信号和执行机构的动作，并将接收到的信号传送至所述数据处理单元；

所述ARM内核的位微处理芯片电路能够同时且高速处理控制器接收检测信号并驱动极片轧机中的执行机构工作，并将轧机运行过程产生的各种参数上传至PC端，确保轧机合理有序的工作；

所述FPGA微处理芯片电路用来产生规律的频率可变的高速脉冲波，使高速脉冲波的波形逼近供交流电动机转动的理想磁链正弦波的波形，完成对锂电池极片轧机中的多电机数字化控制功能。

2.根据权利要求1所述的数字化极片轧机集成控制器，其特征在于，所述供电半导体保护电路内集成了温度传感器、霍尔电流传感器和霍尔电压传感器。

3.根据权利要求1所述的数字化极片轧机集成控制器，其特征在于，供电单元包括缓冲电路、整流电路、保护电路、滤波电路、转换电路；缓冲电路、整流电路、保护电路、滤波电路、转换电路依次连接。

4.根据权利要求3所述的数字化极片轧机集成控制器，其特征在于，所述保护电路采用两个结构相同的分支电路和一个直流接触器构成，是用来保护控制器中的电子器件不受直流母线过压欠压、过流欠流带来的损害，每个分支电路均包括有LV25-P霍尔传感器，两个分支电路分别检测直流母线的电流和电压信号。

5.根据权利要求3所述的数字化极片轧机集成控制器，其特征在于，所述转换电路将滤波后的电压转换为数据处理单元所需的1.2V、3.3V、2.5V、正负5V直流电，电机调速单元所需的312V、537V、正负15V、正负5V直流电，其中供电半导体所需电源为537V直流电、312V直流电，供电半导体保护电路所需的正负15V、正负5V直流电；接口单元所需的正负24V、正负12V直流电。

6.根据权利要求1所述的数字化极片轧机集成控制器，其特征在于，所述ARM内核32位微处理芯片电路与所述FPGA微处理芯片电路通过FSMC的方式双向并行连接。

7.根据权利要求1所述的数字化极片轧机集成控制器，其特征在于，所述供电半导体保护电路包括供电半导体温度检测电路、供电半导体电流检测电路、供电半导体电压检测电路，能够检测所述供电半导体的温度和输出电压、电流的数值，并发送至所述ARM内核32位微处理芯片电路判断检测到的温度、电压、电流是否超出供电半导体的额定值，若超出，则ARM内核32位微处理芯片电路控制所述FPGA微处理芯片电路停止输出高速脉冲波，保护供电半导体不受损坏。

8.根据权利要求1所述的数字化极片轧机集成控制器，其特征在于，所述供电半导体选用德国英飞凌公司的PF75R12KT3型号IGBT模块；所述供电半导体驱动电路共由4组相同的电路组成，其中一路的电路结构是：PF75R12KT3型号IGBT模块中的单只IGBT管J1，其C、G、E引脚分别表示单只IGBT管J1的集电极、门极、发射极；驱动芯片U2的引脚Vin+与FPGA微处理芯片的一路脉冲输出引脚B1连接并将B1输出的脉冲信号放大，从驱动芯片U2的Vout引脚输出，再经过电阻R23、电阻R24的限流作用，使放大的信号符合供电半导体的导通电压和电流值；驱动芯片U2的引脚Vcc1接正5V电源，引脚Vin-、GND1、Vled-接地，引脚Vled+悬空；驱动芯片U2的reset、fault引脚与ARM内核32位微处理芯片的模数转化功能的PA2、PA3引脚连接，当供电半导体出现过流情况时，fault引脚输出信号至PA3引脚，ARM内核32位微处理芯片电路接收到过流信号后，向FPGA微处理芯片电路发出停止输出脉冲波的指令，防止供电半导体受损，当供电半导体上的电压正常时ARM内核32位微处理芯片引脚PA2向驱动芯片U2的reset引脚发送信号，使fault引脚复位；驱动芯片U2的VEE引脚接负5V电源，Vcc2、Vc引脚接正24V电源，这四个引脚为输出侧供电；DESAT引脚为过流故障检测引脚，通过电阻R22、电容C28和二极管D22连接到单只IGBT管J1的引脚C，VE引脚与J1的引脚E连接，DESAT、VE引脚与单只IGBT管J1构成了压降检测回路，检测单只IGBT管J1的过流情况；并联在正24V和负5V电源间的电容C24、C25、C26、C27和电阻R24二极管D21构成单只IGBT管J1导通的基准电压；并联在单只IGBT管J1的G、E引脚间的二极管D23、D24和电阻R25构成单只IGBT管J1的输入回路保护电路。

9.根据权利要求1所述的数字化极片轧机集成控制器，其特征在于，所述检测电路由四组相同的电路组成，分别检测四个电机的传动轴上的四个速度编码器的脉冲信号，其中一组电路的电路构成是：该电路包括三个高速光耦U40、U41、U42，J2表示速度编码器的连接端口；电阻R40、电阻R41、电阻R42的一端均连接+5V电源，另一端分别连接高速光耦U40、高速光耦U41、高速光耦U42的Anode引脚连接；电阻R43、电阻R44、电阻R45的一端分别连接+5V电源，另一端接在高速光耦U40、高速光耦U41、高速光耦U42的VOUT引脚上，电容C40、电容C41、电容C42一端分别接在电阻R43、电阻R44、电阻R45连接+5V电源的一端，另一端接地；速度编码器的连接端口J2的三个脉冲信号引脚A、B、Z分别连接高速光耦U40、高速光耦U41、高速光耦U42的Cathode引脚，然后分别从高速光耦U40、高速光耦U41、高速光耦U42的VOUT引脚输出至ARM内核32位微处理芯片的I/O信号输入功能的PB0、PB1、PB2引脚；其中ARM内核32位微处理芯片可通过PB0和PB1引脚输入的信号精确判断电机旋转角度和转动方向，通过PB2引脚输入的信号判断电机旋转圈数。

10.根据权利要求1所述的数字化极片轧机集成控制器，其特征在于，所述模拟输入输出接口与张力传感器、数据处理单元、电机调速单元构成了极片轧机张力闭环控制；

所述供电半导体保护电路和数据处理单元，构成了供电半导体保护闭环控制；

所述检测电路与轧制电机、放卷电机、收卷电机、数据处理单元、电机调速单元构成了极片轧机速度闭环控制；

纠偏电机和检测电路、数据处理单元、电机调速单元构成了极片轧机纠偏闭环控制；

所述极片轧机速度闭环控制、极片轧机纠偏闭环控制、供电半导体保护闭环控制、极片轧机张力闭环控制，共同集成在控制器中。