CN111099419B - 一种用于高速和宽幅电池极片设备的张力控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高速和宽幅电池极片设备的张力控制系统及方法，张力控制系统包括张力传感器、摆辊、摆辊气缸和夹送电机；所述张力传感器与夹送电机之间设置有反馈调节模块；所述反馈调节模块用于根据在张力传感器反馈的数值与夹送电机的速度之间搭建的力速度数学模型，利用张力传感器反馈的数值来调整夹送电机的速度，当张力传感器反馈的数值小于设定值时，夹送电机减速，当张力传感器反馈的数值大于设定值时，夹送电机加速。本发明通过控制逻辑的改进，减小了极片上的张力波动，减少加工、装配误差对张力波动的影响，控制精度更高，动态性能更好，有效减少张力波动引起的断带频率，节约调试人员的调试时间。

Description

一种用于高速和宽幅电池极片设备的张力控制系统及方法
技术领域
本发明涉及电池极片、造纸、薄膜行业等卷绕行业的张力控制，具体涉及一种用于高速和宽幅电池极片设备的张力控制系统及方法。
背景技术
现有的张力控制系统一般由张力传感器、摆辊装置、电位器、低摩擦气缸和电机组成。控制逻辑为：张力增大时，气缸压强减小，电机速度增大；张力减小时，气缸压强增大，电机速度减小。该控制逻辑采用的是张力闭环和速度闭环双闭环的方式，以摆辊装置的摆辊轴作为两个闭环的纽带将两个闭环控制联系在一起。
该控制逻辑的最终效果严重依赖摆辊轴的灵活程度、低摩擦气缸的摩擦力及摆辊的重量。张力环和速度环是顺序关系，且张力增大或减小到一定程度后，摆辊才会摆动，速度才会进行调整，造成调节不及时。该逻辑传递路径较长，中间以力为传递媒介，具有严重滞后性，动态响应性差，控制精度低。
随着电池行业向大规模发展，电池设备将向高速和宽幅两个方向发展，甚至这两方面会齐头并进。高速运行时，为保持设备的状态稳定，就要求控制的动态响应性要高；宽幅生产时，设备必然做的很大，轴的惯量和摩擦力都将增大。而传统张力控制逻辑的响应性和滞后性都将无法满足电池行业的新发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种用于高速和宽幅电池极片设备的张力控制系统及方法，在不增加原设备组成的情况下，通过控制逻辑的改进，减小了极片上的张力波动，减少加工、装配误差对张力波动的影响，控制精度更高，动态性能更好，有效减少张力波动引起的断带频率，节约调试人员的调试时间。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种用于高速和宽幅电池极片设备的张力控制系统，包括张力传感器、摆辊、摆辊气缸和夹送电机；所述张力传感器与夹送电机之间设置有反馈调节模块；所述反馈调节模块用于根据在张力传感器反馈的数值与夹送电机的速度之间搭建的力速度数学模型，利用张力传感器反馈的数值来调整夹送电机的速度，当张力传感器反馈的数值小于设定值时，夹送电机减速，当张力传感器反馈的数值大于设定值时，夹送电机加速。
进一步的，将所述摆辊等效为弹簧，摆辊上下摆动量作为极片长度变化量，根据胡克定律，所述张力传感器反馈的张力变化ΔF张与夹送电机的速度变化ΔV的力速度数学模型为：
Figure BDA0002339759390000021
其中，t为夹送电机速度调整的响应时间，k为摆辊弹簧化之后的刚度。
进一步的，根据摆辊平衡时的力平衡关系和胡克定律，摆辊轴的角度变化ΔA与摆辊气缸(2-5)的气压变化ΔP之间的数学模型为：
Figure BDA0002339759390000031
其中，L1为摆辊的摆臂长度，L2为摆辊气缸连接臂的长度，S为摆辊气缸的活塞面积，ΔA为电位器的数值变化量。
一种用于高速和宽幅电池极片设备的张力控制方法，其特征在于：所述张力控制方法是根据一个单独张力段内极片长度为定值的特性，根据在张力传感器反馈的数值与夹送电机的速度之间搭建的力速度数学模型，利用张力传感器反馈的数值来调整夹送电机的速度，当张力传感器反馈的数值小于设定值时，夹送电机减速；当张力传感器反馈的数值大于设定值时，夹送电机加速。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明利用张力段内极片长度为定长这一特点，摆辊的上下摆动量作为极片长度变化量，根据胡克定律，推导出张力变化和夹送钢辊转速之间的数学模型。本发明以张力传感器的反馈量来直接控制夹送钢辊的速度变化，使张力和速度之间直接建立闭环控制。摆辊装置不再直接参与到张力控制当中，其作用一方面对走带极片进行缓冲，另一方面为整个数模模型提供极片长度的变化数值。在进料端，当张力反馈数值上升时，夹送辊加快送料；当张力反馈数值下降时，夹送辊减慢送料；出料端时与之相反。
本发明在不改变原设备组成的前提下，通过改变控制逻辑来减小极片上的张力波动，不增加设备成本，可减少加工、装配误差对张力波动的影响，控制精度更高，动态性能更好，有效减少张力波动引起的断带频率，调试方便快捷，节约调试人员的调试时间。
附图说明
图1是本发明电池极片设备的构成示意图；
图2是本发明电池极片设备摆辊装置的结构示意图；
图中：1-1、上辊；1-2、下辊；1-3、张力辊；1-4、摆辊；1-5、过辊；1-6、夹送辊；2-1、摆辊轴；1-4、摆辊；2-3、摆辊摆臂；2-4、摆辊气缸连接臂；2-5、摆辊气缸；2-6、气缸支座。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图所示，本发明公开了一种用于高速和宽幅电池极片设备的张力控制系统，包括张力传感器、摆辊1-4、摆辊气缸2-5和夹送电机；张力传感器与夹送电机之间设置有反馈调节模块；反馈调节模块用于根据在张力传感器反馈的数值与夹送电机的速度之间搭建的力速度数学模型，利用张力传感器反馈的数值来调整夹送电机的速度，当张力传感器反馈的数值小于设定值时，夹送电机减速，当张力传感器反馈的数值大于设定值时，夹送电机加速。
将摆辊1-4等效为弹簧，摆辊1-4的上下摆动量作为极片长度变化量，根据胡克定律，张力传感器反馈的张力变化ΔF张与夹送电机的速度变化ΔV的力速度数学模型为：
Figure BDA0002339759390000041
其中，t为夹送电机速度调整的响应时间，k为摆辊弹簧化之后的刚度。
根据摆辊平衡时的力平衡关系和胡克定律，摆辊轴2-1的角度变化ΔA与摆辊气缸的气压变化ΔP之间的数学模型为：
Figure BDA0002339759390000051
其中，L1为摆辊的摆臂长度，L2为摆辊气缸连接臂的长度，S为摆辊气缸的活塞面积，ΔA为电位器的数值变化量。
本发明还公开了一种用于高速和宽幅电池极片设备的张力控制方法，根据一个单独张力段内极片长度为定值的特性，根据在张力传感器反馈的数值与夹送电机的速度之间搭建的力速度数学模型，利用张力传感器反馈的数值来调整夹送电机的速度，当张力传感器反馈的数值小于设定值时，夹送电机减速；当张力传感器反馈的数值大于设定值时，夹送电机加速。
如图1所示的电池极片设备，摆辊1-4可等效为一个严格意义上的弹簧，摆辊1-4在上下浮动的过程当中完全按照等效弹簧的力量变化来调整摆辊气缸的压强，当摆辊1-4向上摆动时，减少摆辊气缸的压强；当摆辊1-4向下摆动时，增加摆辊气缸的压强，使摆辊气缸始终处于悬空状态，能够对极片进行缓冲。摆辊1-4摆动过程中摆辊气缸压强的变化率即为该摆辊弹簧化之后的刚度，此刚度可根据实际调试当中需要随意调整。
如图1所示，当摆辊1-4在平衡位置时，夹送辊1-6和下辊1-2之间穿过的极片长度是一个定值L，当张力传感器反馈的数值比设定值大时，说明极片长度L在变短，摆辊1-4处于平衡位置下方，此时若想使极片上的张力恢复到原来的数值，夹送辊1-6必须加快送片的速度；反之亦然。
夹送辊1-6的速度增量ΔV：
Figure BDA0002339759390000061
公式(1)中：ΔV为夹送辊的速度增量，m/min；X为摆辊上下摆动的位移量，m；t为速度调整的响应时间，s。
如图2所示，无张力时，摆辊1-4处于平衡位置，气缸2-5必须提供一个基础气压F基。由于摆辊装置可视为严格意义的弹簧，根据力的平衡有：
2F张＝2F基+kX (2)
公式(2)中：F张为极片上的张力值，N；F基为摆辊平衡时的基准气压，MPa；k为摆辊装置的刚度，N/m。
则张力变化量为：
2ΔF张＝kX (3)
公式(3)中：ΔF张为极片上的张力变化值，N。
最后，公式(3)变化后可得：
Figure BDA0002339759390000062
夹送辊(1-6)的速度增量ΔV为：
Figure BDA0002339759390000063
根据图2所示结构，张力与气缸压强之间的平衡关系为：
(2F张+G)L1＝2PSL2 (6)
公式(6)中：G为摆辊的偏心重力，N；L1为摆辊的摆臂长度，m；P为摆辊气缸的压强，MPa；S为摆辊气缸的活塞面积，mm2；L2为摆辊气缸连接臂的长度，m。
由公式(6)变换可得：
Figure BDA0002339759390000071
则张力变化量ΔF张为：
Figure BDA0002339759390000072
公式(8)中：ΔP为摆辊气缸的压强变化值，MPa。
将公式(8)代入公式(3)中，可得：
Figure BDA0002339759390000073
在实际运行当中，摆辊1-4的上下移动量可用摆辊划过的弧线长度代替，于是有：
Figure BDA0002339759390000074
公式(10)中：ΔA为电位器的数值变化量。
上述描述为本发明可实施的技术方案，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做出的简单推演或替换，均落在本发明的保护范围中。

Claims (2)

1.一种用于高速和宽幅电池极片设备的张力控制系统，包括张力传感器、摆辊、摆辊气缸和夹送电机；其特征在于：所述张力传感器与夹送电机之间设置有反馈调节模块；所述反馈调节模块用于根据在张力传感器反馈的数值与夹送电机的速度之间搭建的力速度数学模型，利用张力传感器反馈的数值来调整夹送电机的速度，当张力传感器反馈的数值小于设定值时，夹送电机减速，当张力传感器反馈的数值大于设定值时，夹送电机加速；将所述摆辊等效为弹簧，摆辊上下摆动量作为极片长度变化量，根据胡克定律，所述张力传感器反馈的张力变化ΔF张与夹送电机的速度变化ΔV的力速度数学模型为：
Figure FDA0003426892630000011
其中，t为夹送电机速度调整的响应时间，k为摆辊弹簧化之后的刚度；
根据摆辊平衡时的力平衡关系和胡克定律，摆辊轴的角度变化ΔA与摆辊气缸(2-5)的气压变化ΔP之间的数学模型为：
Figure FDA0003426892630000012
其中，L1为摆辊的摆臂长度，L2为摆辊气缸连接臂的长度，S为摆辊气缸的活塞面积，ΔA为电位器的数值变化量。
2.一种用于高速和宽幅电池极片设备的张力控制方法，其特征在于：所述张力控制方法是根据一个单独张力段内极片长度为定值的特性，根据在张力传感器反馈的数值与夹送电机的速度之间搭建的力速度数学模型，利用张力传感器反馈的数值来调整夹送电机的速度，当张力传感器反馈的数值小于设定值时，夹送电机减速；
当张力传感器反馈的数值大于设定值时，夹送电机加速；将所述摆辊等效为弹簧，摆辊上下摆动量作为极片长度变化量，根据胡克定律，所述张力传感器反馈的张力变化ΔF张与夹送电机的速度变化ΔV的力速度数学模型为：
Figure FDA0003426892630000021
其中，t为夹送电机速度调整的响应时间，k为摆辊弹簧化之后的刚度；
根据摆辊平衡时的力平衡关系和胡克定律，摆辊轴的角度变化ΔA与摆辊气缸(2-5)的气压变化ΔP之间的数学模型为：
Figure FDA0003426892630000022
其中，L1为摆辊的摆臂长度，L2为摆辊气缸连接臂的长度，S为摆辊气缸的活塞面积，ΔA为电位器的数值变化量。
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