基于DSC的方形锂离子电池卷绕机嵌入式控制系统的设计与实现

摘要

锂离子电池具有体积小、容量高、质量轻、工作电压高、使用寿命长和无污染等性能优势，使其在各个领域内得到广泛的应用。作为锂离子电池生产的关键设备，锂离子电池卷绕机的性能决定了电池的质量与产量。目前我国的锂离子电池卷绕机在控制技术上落后于国外，大部分以PLC作为主要控制器，对于一些复杂的控制技术显得力不从心。另外，昂贵的PLC大大提高了锂离子电池卷绕机的控制成本。因此，高性能、低成本的锂离子电池卷绕机控制方案具有十分重大的研究价值。
　　本文通过对方形锂离子电池卷绕电芯工艺的分析和研究，提出来了基于数字信号控制器(DSC)的嵌入式控制系统控制方案。该方案主要由硬件设计、软件设计和张力控制算法设计三大部分组成。硬件设计充分考虑了系统的性能要求、可扩展性要求以及抗干扰能力。控制器采用了STMicroelectronics公司推出的基于ARMCortex-M4内核的高性能微处理器STM32F407VE作为主控制器。STM32F407VE不仅在运算能力上能媲美DSP，而且具有丰富的片内外设资源，能满足设备的控制资源需求。详细地介绍了控制系统所用到的硬件电路的实现方法，并对其工作原理进行分析说明。在PCB Layout的设计中参照PLC的布局，各功能模块具有明显的电气边界，在硬件设计上尽可能提高系统的稳定性。
　　软件设计方面，介绍了嵌入式控制系统的集成开发环境和上位机组态软件。设计了美观且实用的人机交互界面。分析了嵌入式控制系统的整体程序框架，并详细介绍了DSC与MCGS上位机之间的基于MODBUS协议的通讯实现方法和步进电机运动控制的实现方法。系统的程序结构采用类似PLC扫描周期的架构，严格按照获得输入、逻辑处理、输出更新、通讯处理的程序层次，在软件结构上提高了系统的可靠性。
　　在张力控制算法设计中，分析了卷绕过程中隔膜张力产生的原理，建立了卷绕机构的数学模型，通过仿真分析出卷绕过程中张力不恒定的主要原因。提出了间接张力负反馈控制和收卷速度前馈控制相结合的控制方法，针对调试的设备机械结构进行了大量的实验调试，并总结出具有一般通用性的数学模型。达到了较为理想的张力控制效果。
　　本文提出的基于DSC的嵌入式控制系统的锂离子电池卷绕机控制方案已通过项目验收。该方案不仅能极大地降低卷绕机设备的生产成本，而且设备运行可靠，在解决卷绕过程中隔膜张力不均匀的问题上有理想的表现。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文的研究内容及论文结构安排

第二章 锂离子电池生产工艺及其控制系统的整体设计

2．1 锂离子电池的组成结构、工作原理和生产工艺流程

2．1．1 锂离子电池的组成结构

2．1．2 锂离子电池的组成结构

2．1．3 锂离子电池的生产工艺流程

2．2 锂离子电池卷绕机的结构、生产工艺及工作流程

2．2．1 锂离子电池卷绕机的结构

2．2．2 锂离子电池卷绕机的生产工艺

2．2．3 锂离子电池卷绕机的工作流程

2．3 卷绕机嵌入式控制系统的功能需求和总体设计方案

2．3．1 卷绕机控制系统的功能需求

2．3．2 卷绕机嵌入式控制系统的总体设计方案

2．4 本章小结

第三章 卷绕机嵌入式控制系统的硬件设计

3．1 卷绕机控制系统的硬件构成及芯片选型

3．1．1 卷绕机控制系统的硬件构成

3．1．2 卷绕机控制系统的主要芯片选型

3．2 STM32F407VE最小系统电路

3．3 电源电路

3．4 RS485通讯接口电路

3．5 铁电存储器电路

3．6 D／A转换电路

3．7 编码器接口电路

3．8 步进电机控制接口电路

3．9 扩展I／O接口电路

3．9．1 扩展输出电路

3．9．2 扩展输入电路

3．10 本章小结

第四章 卷绕机嵌入式控制系统的软件设计

4．1 STM32F407软件开发环境介绍

4．1．1 RVMDK简介

4．1．2 STM32F4标准外设库结构

4．2 MCGS组态软件介绍及人机界面的程序设计

4．2．1 MCGS组态软件介绍

4．2．2 人机界面的程序设计

4．3 嵌入式控制系统程序架构设计

4．4 上下位机的通讯实现

4．4．1 MODBUS通讯协议简介

4．4．2 MODBUS通讯的软件设计

4．5 步进电机位置控制的程序设计

4．5．1 PWM+DMA步进电机控制模式

4．5．2 步进电机加减速曲线程序设计

4．6 本章小结

第五章 卷绕机控制系统的张力控制算法设计

5．1 隔膜张力波动的原理分析

5．2 张力控制算法的实现原理

5．2．1 间接张力负反馈控制

5．2．2 收卷速度前馈控制

5．3 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢