专利名称：一种方型卷绕机的恒线速度卷绕控制系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种方型卷绕机的卷绕控制系统，尤其涉及一种方型卷绕机的恒线速度卷绕控制系统及方法。
背景技术：
随着国家新能源行业的政策支持力度加大，锂电池行业又将迎来一次新的发展高峰，锂电池包括手机电池、笔记本电池及最新浮现在大众眼前的汽车动力电池等，而目前锂电池的关键工序电芯制造方式有两种，叠片式与卷绕式，各有各的优点，叠片式效果较好， 但是生产效率低，卷绕式生产效率高，但由于卷绕中张力波动非常大，难以控制，导致电池的质量难以保证；在方形卷绕机卷绕过程中，由于卷针是扁平状的，其卷绕角速度跟卷绕线速度不是一个线性关系，如果控制卷针勻角速度卷绕时，那么卷绕线速度就成周期性的变化，并且根据卷针的形状越不规则，那么卷绕线速度的变化波动就越大，所受的张力波动就越大，中间传送过程出现的抖动程度也越明显，从而影响电芯卷绕整齐度、变形度越严重， 从而严重影响了电池的质量和生产效率，因此，如何保持方形电池在卷绕中的张力一致，从而保证电池的质量，成为了行业内的一个关键技术难点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是需要控制方形卷绕机的卷绕转角值呈周期变化，从而达到恒线速度卷绕控制，保持方形卷绕机在卷绕过程中的张力一致，减小张力的波动。对此，本发明提供一种方型卷绕机的恒线速度卷绕控制系统，包括用于卷绕极片料带的卷针，和用于控制所述卷针转动的控制模块；
所述控制模块包括依次耦合的目标积分单元、离散采样单元、平滑处理单元、控制周期开关、保持单元、实际卷绕位移单元和微分输出单元；
所述目标积分单元采用积分算子对该系统设定的恒定卷绕线速度进行积分处理，输出卷绕位移量至所述离散采样单元；
所述离散采样单元对所述卷绕位移量进行离散采样；
所述平滑处理单元对离散采样后的卷绕位移量进行滤波平滑处理，输出卷绕位置值； 所述控制周期开关对所述卷绕位置值进行周期开关控制，输出相应的离散卷绕位置
值；
所述保持单元采用保持器，对控制周期开关输出的离散卷绕位置值进行寄存，输出卷绕转角值；
所述实际卷绕位移单元与平滑处理单元对应，采用滤波平滑处理的逆处理输出该系统的实际卷绕位移量；
所述微分输出单元采用微分算子输出该系统的实际卷绕线速度。其中，所述目标积分单元采用积分算子对该系统设定的恒定卷绕线速度进行积分处理；所述恒定卷绕线速度为该系统预先设定的恒定的卷绕线速度；所述离散采样单元用
3于对所述卷绕位移量进行离散采样；所述实际卷绕位移单元与所述平滑处理单元是对应单元，所述实际卷绕位移单元的处理与平滑滤波处理互为逆处理，所述逆处理为采用互逆的函数进行处理；所述控制周期开关对所述卷绕位置值进行周期开关的控制；所述卷绕转角值为卷绕过程中的卷绕角速度对应的值；所述实际卷绕线速度为该系统实际卷绕过程中的卷绕线速度；所述卷绕位移量为连续的卷绕位移量，即对所述恒定卷绕线速度进行积分后所得到的连续的卷绕位移数据；所述卷绕位置值亦为连续的数据，即对卷绕位移量进行离散采样后，通过滤波平滑处理而得到的位置数据。该系统在进行方型卷绕生产前，先通过低速卷绕至少一个电芯长度，所述低速卷绕的卷绕线速度为该系统在进行方型卷绕生产前，采样所采用的恒定卷绕线速度，从而快速得出方型卷绕的卷绕转角值与卷绕线速度的数学模型；所述平滑处理单元采用的处理函数可以为一阶函数，也可以为二阶或高阶函数；对所述平滑处理单元输出的卷绕位置值进行采样后，输入至保持单元，保持单元采用保持器进行寄存，输出卷绕转角值；在此基础上， 将卷绕转角值采用实际卷绕位移单元进行滤波平滑处理的逆处理，然后对所述实际卷绕位移单元输出的实际卷绕位移量采用微分输出单元进行微分算子的处理；输出该系统实际卷绕过程中的实际卷绕线速度。本发明在更换所述卷针的情况下，只需重新采样并建立卷绕转角值和实际卷绕线速度之间的关系即可，快速、方便。本发明对该系统预先设定了恒定卷绕线速度，并对所述恒定卷绕线速度进行积分处理，积分处理后输出卷绕位移量，即把系统设定的卷绕线速度转变为相应的位移量，采用平滑处理单元对采样后的卷绕位移量进行平滑滤波处理，将平滑滤波处理后的卷绕位置值采用控制周期开关进行控制其周期输出，并通过保持单元输出卷绕转角值，也就是说，本发明将设定的恒定卷绕线速度转化为与之一一对应的卷绕转角值，再通过与所述平滑处理单元互为逆处理的实际卷绕位移单元，即进行平滑滤波处理的逆处理之后进行微分输出处理，得到该系统的实际卷绕线速度，将卷绕转角值转化为与之一一对应的卷绕线速度，从而最终得到所述恒定卷绕线速度、卷绕转角值以及实际卷绕线速度的一一对应关系，建立相应的数据模型，在实际的方型卷绕过程中，只需根据所述数据模型来控制方形卷绕机的卷绕转角值呈周期变化，从而便能达到恒线速度卷绕控制，保持方形卷绕机在卷绕过程中的张力一致，减小张力的波动。所述目标积分单元输出的卷绕位移量为连续的数据量，倘若不设置离散采样单元，则平滑处理单元无法输入离散的位移值，平滑处理单元用于避免因为所述卷针的转速过快而导致电机响应不及时，同时实现去噪和防止变形，同样的，对所述的平滑处理单元输出的卷绕位置值进行离散采样，将离散采样后的数据输入至保持单元，大大降低了噪声和处理过程中的变形，输出与设定的恒定卷绕线速度一一对应的卷绕转角值，从而降低转化过程中噪声的加入以及处理的变形。目前行业内对方型卷绕机线速度控制的主要解决方案是采用机械凸轮的方法，期望达到线速度波动尽可能小的效果，但是这种方法成本高、效率低，比采用恒转速时的张力波动减少的幅度为50% ；经测试，采用本发明，比采用恒转速时的方型卷绕系统张力波动减少80%以上，也就是说，较之机械凸轮的方型卷绕方法，本发明的张力波动减少的幅度为 30%以上，大大减少了卷绕的波动，促进了恒线速度的卷绕控制，因为卷绕的波动变小了，因此可以大幅度加快卷绕速度，从而使生产的效率提高一倍以上。
与现有技术相比，本发明在进行方型卷绕生产前，先通过低速卷绕至少一个电芯长度，从而通过采样快速得出方型卷绕的卷绕转角与卷绕线速度的数学模型，得出所述恒定卷绕线速度、卷绕转角值以及实际卷绕线速度的关系，进而得到恒线速度卷绕时卷绕转角值的控制曲线；在进行实际的方型卷绕生产过程中，采用恒线速度卷绕时卷绕转角值的控制曲线，或采用卷绕转角值与实际卷绕线速度的关系来控制所述卷绕转角值呈周期变化，便能达到恒线速度卷绕控制，保持方形卷绕机在卷绕过程中的张力一致，该系统方型卷绕机卷绕整齐，大大减少了卷绕过程中的变形，提高了方型卷绕机卷绕的质量和生产效率， 本发明比采用恒转速时的方型卷绕系统张力波动减少80%以上，比机械凸轮的方型卷绕方法张力波动减少30%以上，大大减少了卷绕的波动，可以加快卷绕速度，从而使生产效率提高一倍以上。优选地，所述平滑处理单元对离散采样后的卷绕位移量进行差补和滤波平滑处理，输出卷绕位置值。进一步采用上述技术特征，所述平滑处理单元对离散采样后的卷绕位移量进行差补和滤波平滑处理，输出卷绕位置值，对对离散采样后的卷绕位移量进行差补和滤波平滑处理处理之后，能够消除卷绕位移量的尖峰，平缓其边缘，使得输出的卷绕位置值更为平滑、连续，也就是说尽可能消除引入的噪声和干扰，减小处理过程所引起的形变，非常有利于得出方型卷绕的卷绕转角值与实际卷绕线速度的数学模型，使得恒线速度卷绕时卷绕转角值的控制曲线更为平滑，所述数学模型更为合理，加之，本发明采用互为逆处理的平滑处理单元和实际卷绕位移单元，以及互为逆处理的目标积分单元和微分输出单元，从而使得所述恒定卷绕线速度与实际卷绕线速度几乎一致，因此可以快速、准确地得出方型卷绕的卷绕转角值与实际卷绕线速度的数学模型，得出所述恒定卷绕线速度、卷绕转角值以及实际卷绕线速度的对应关系，进而在方型卷绕的卷绕过程中，采用所述的数学模型，或采用所述对应关系便能控制方形卷绕机的卷绕转角值呈周期变化，从而达到恒线速度卷绕控制， 保持方形卷绕机在卷绕过程中的张力一致，本发明比采用恒转速时的方型卷绕系统张力波动减少80%以上，比机械凸轮的方型卷绕方法张力波动减少30%以上，方型卷绕机卷绕整齐，大大减少了卷绕过程中的变形，提高了方型卷绕机卷绕的质量和生产效率。优选地，所述离散采样单元采用所述控制周期开关的周期进行固定间隔时间采样。进一步采用上述的技术特征，本发明在进行方型卷绕生产前，先通过低速卷绕至少一个电芯长度，并采用固定间隔时间进行采样，即所采样的数据在时间轴上是平均分布的，因此更为有利于得出方型卷绕的卷绕转角值与实际卷绕线速度的数学模型，使得恒线速度卷绕时卷绕转角值的控制曲线更为平滑，便于实际的控制，加之，本发明采用互为逆处理的平滑处理单元和实际卷绕位移单元，以及互为逆处理的目标积分单元和微分输出单元，从而使得所述恒定卷绕线速度与实际卷绕线速度几乎一致，因此可以快速、准确地得出方型卷绕的卷绕转角值与实际卷绕线速度的数学模型，得出所述恒定卷绕线速度、卷绕转角值以及实际卷绕线速度的对应关系，进而在方型卷绕的卷绕过程中，采用所述的数学模型，或采用所述对应关系便能控制方形卷绕机的卷绕转角值呈周期变化，从而达到恒线速度卷绕控制，保持方形卷绕机在卷绕过程中的张力一致，本发明比采用恒转速时的方型卷绕系统张力波动减少80%以上，比机械凸轮的方型卷绕方法张力波动减少30%以上，方型卷绕机卷绕整齐，大大减少了卷绕过程中的变形，提高了方型卷绕机卷绕的质量和生产效率。优选地，所述卷针用于带动极片料带进行方型卷绕，所述卷针与支撑滚轮相连。进一步采用上述的技术特征，本发明的电气连接为极片料带通过支撑滚轮连接至卷针，所述控制模块用于控制所述卷针的转动，所述卷针用于带动极片料带的方型卷绕，通过支撑滚轮的连接，减少方型卷绕过程中，极片料带的抖动，更为有利于保持方形卷绕机在卷绕过程中的张力一致，保证受力均勻，从而达到恒线速度卷绕控制，本发明比采用恒转速时的方型卷绕系统张力波动减少80%以上，比机械凸轮的方型卷绕方法张力波动减少30% 以上，方型卷绕机卷绕整齐，大大减少了卷绕过程中的变形，提高了方型卷绕机卷绕的质量和生产效率。本发明还提供一种采用所述的方型卷绕机的恒线速度卷绕控制系统的方法，所述离散采样单元的离散采样周期为T，所述平滑处理单元采用的处理函数为
θ^ F^Xi) = F—ψ縦XtjjiJT)。其中，所述离散采样单元的离散采样周期为T，方型卷绕过程中使用的极片料带的料长设定为L，在同一个卷针上进行方型卷绕，卷绕过程中存在着一一映射的非线性函数
F，所述卷绕转角值Se (0，(9Ρ与卷绕位移量Xe ((TL)之间的关系为X= FW),没￡为滤波
平滑处理后的卷绕位置值；Vkef为给系统设定的恒定卷绕线速度，VMal为系统输出的实际卷绕线速度；1/S为目标积分单元中的积分算子，S为微分输出单元中的微分算子，函数F—1为函数F的逆函数，所述函数F—1为平滑处理单元的非线性函数；在更换了所述卷针的情况下，只需重新采样并建立卷绕转角值和实际卷绕线速度之间的关系即可，快速、方便。所述函数F为实际卷绕位移单元采用的函数，所述函数F—1为平滑处理单元采用的a数本发明的一个实施例中，采样时控制所述卷针卷绕至少一个电芯长度，并对卷绕位
置值^采样后的卷绕位移量λ进行采样后的一一对应关系，采样方式可以用固定间隔时间，也可以采用不定间隔时间两种，建立出二者之间的映射函数A = ^ )的数据表格如下表
权利要求
1.一种方型卷绕机的恒线速度卷绕控制系统，其特征在于，包括用于卷绕极片料带的卷针，和用于控制所述卷针转动的控制模块；所述控制模块包括依次耦合的目标积分单元、离散采样单元、平滑处理单元、控制周期开关、保持单元、实际卷绕位移单元和微分输出单元；所述目标积分单元采用积分算子对该系统设定的恒定卷绕线速度进行积分处理，输出卷绕位移量至所述离散采样单元；所述离散采样单元对所述卷绕位移量进行离散采样；所述平滑处理单元对离散采样后的卷绕位移量进行滤波平滑处理，输出卷绕位置值； 所述控制周期开关对所述卷绕位置值进行周期开关控制，输出相应的离散卷绕位置值；所述保持单元采用保持器，对控制周期开关输出的离散卷绕位置值进行寄存，输出卷绕转角值；所述实际卷绕位移单元与平滑处理单元对应，采用滤波平滑处理的逆处理输出该系统的实际卷绕位移量；所述微分输出单元采用微分算子输出该系统的实际卷绕线速度。
2.根据权利要求1所述的方型卷绕机的恒线速度卷绕控制系统，其特征在于，所述平滑处理单元对离散采样后的卷绕位移量进行差补和滤波平滑处理，输出卷绕位置值。
3.根据权利要求2所述的方型卷绕机的恒线速度卷绕控制系统，其特征在于，所述离散采样单元采用所述控制周期开关的周期进行固定间隔时间采样。
4.根据权利要求3所述的方型卷绕机的恒线速度卷绕控制系统，其特征在于，所述卷针用于带动极片料带进行方型卷绕，所述卷针与支撑滚轮相连。
5.—种采用如权利要求1、2、3或4所述的方型卷绕机的恒线速度卷绕控制系统的方法，其特征在于，所述离散采样单元的离散采样周期为T，所述平滑处理单元采用的处理函数为
6.根据权利要求5所述的方型卷绕机的恒线速度卷绕控制系统的方法，其特征在于， 所述保持单元采用的函数为(ih(s) = (i-e_TS)/s。
全文摘要
本发明提供一种方型卷绕机的恒线速度卷绕控制系统及方法，所述方型卷绕机的恒线速度卷绕控制系统包括用于卷绕的卷针，和用于控制所述卷针转动的控制模块；所述控制模块包括依次耦合的目标积分单元、离散采样单元、平滑处理单元、控制周期开关、保持单元、实际卷绕位移单元和微分输出单元；所述目标积分单元对设定的恒定卷绕线速度进行积分并输出卷绕位移量；所述离散采样单元用于进行离散采样；所述平滑处理单元用于进行滤波平滑处理，输出卷绕位置值；所述保持单元用于输出卷绕转角值；所述实际卷绕位移单元采用滤波平滑处理的逆处理输出实际卷绕位移量；所述微分输出单元输出该系统的实际卷绕线速度。
文档编号G05D15/01GK102361094SQ20111019285
公开日2012年2月22日 申请日期2011年7月11日 优先权日2011年7月11日
发明者冯庆枝, 张东南, 王立松, 胡敏 申请人:深圳市吉阳自动化科技有限公司