自学习卷绕装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电池、电容卷绕技术领域，涉及一种电池、电容卷绕控制方法及装置。
【背景技术】
[0002]电池、电容的制造过程中，需要将阳极箔、隔离膜以及阴极箔卷绕在一起构成电芯，其工艺的核心之一就是保持卷绕过程中材料放卷的线速度恒定，使前端放卷可以达到良好的张力控制效果。对于圆形卷针，随着卷绕长度的增加，卷绕半径越来越大，如果卷针转速恒定，线速度会越来越大；对于异形卷针，如果卷针转速恒定，卷绕半径的突变会导致线速度在一个周期内剧烈波动，卷绕速度提高时，张力难以控制。
[0003]中国发明专利CN101841069B公开了一种方形二次电池电芯卷绕控制方法，通过对已知几何形状的卷针进行数学建模，获得卷针处于每个位置下要得到恒定线速度的变转速模型。实际卷绕时，将该模型计算的输出作为前馈量，作为电机转速指令的主要来源；另夕卜，通过实时读取张力传感器的反馈和目标张力做PID，控制放卷电机运行。
[0004]中国发明专利CN 102437366B公开了一种电池卷绕装置及其卷绕控制方法，通过一个预先的试收卷步骤，在卷绕过程中，每卷绕一等份长度的转绕材料即采样一次伺服电机轴当前所在的角度位置信息，实际卷绕时，根据外部输入线速度信息和预存的角度位置信息计算伺服电机需要转动的目标位置。
[0005]然而，在上述现有技术中，存在以下问题:
[0006]通过标转速模型控制变速，需要预先获得卷针的几何形状数据，无法灵活适应各种异形卷针；另外，随着卷绕层数的增加，由于卷绕材料张力、弹性、弯折度等原因，实际卷绕的外形会出现变化，建模很难模拟这种形变，最终导致线速度波动。
[0007]此外，通过试收卷后的前馈控制，在试收卷时必需要准确获取一份等长卷绕材料时料长编码器和伺服电机轴的位置数据，如果异形卷针的卷绕半径变化剧烈，试收卷时线速度会剧烈变化，线速度高时难以采集到准确的一等份的数据，导致最终的线速度控制效果打折；另外，完全采用前馈控制，卷绕过程中由于插入了极片或者料厚不均匀导致的线速度误差无法消除，而且这些因素会导致实际卷绕过程和试收卷过程时的卷绕形状有区别，误差会累积，卷绕的长度越长，控制效果越差。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种能够避免复杂的数学建模，而且可以消除积累误差，控制效果精确的卷绕装置及方法。
[0009]为实现上述目的，本发明提供一种自学习卷绕装置，包括用于记录滚轮运动位置的滚轮编码器、用于记录卷针运动位置的卷针电机编码器、虚拟主轴、电子凸轮模块、凸轮表、卷绕控制模块和自学习模块；所述虚拟主轴与电子凸轮模块连接，所述电子凸轮模块和虚拟主轴分别与卷绕控制模块连接；所述卷针电机编码器和滚轮编码器均与自学习模块和卷绕控制模块连接，所述自学习模块和卷绕控制模块还与卷针电机连接；所述自学模块与凸轮表连接，所述凸轮表与电子凸轮模块连接。
[0010]其中，所述自学习模块包括电机驱动模块、卷针电机编码器计数器、滚轮编码器计数器、数据采集模块、数据缓冲区和数据处理模块；所述电机驱动模块与卷针电机连接；所述卷针电机编码器计数器与卷针电机编码器连接，所述滚轮编码器计数器与滚轮编码器连接；所述卷针电机编码器计数器和滚轮编码器计数器均与数据采集模块连接，所述数据采集模块与数据缓冲区连接，所述数据缓冲区与数据处理模块连接，所述数据处理模块与凸轮表连接。
[0011]其中，所述卷绕控制模块包括位置环、速度环、转矩环、差分模块及线速度补偿模块；所述位置环一方面与电子凸轮模块连接，另一方面与速度环连接；所述速度环与转矩环连接，转矩环与卷针电机连接；所述位置环和速度环还与卷针电机编码器连接；所述差分模块一方面与虚拟主轴连接，另一方面与线速度补偿模块连接，所述线速度补偿模块连接在速度环和转矩环之间。
[0012]其中，所述电子凸轮模块包括用于接收虚拟主轴的脉冲序列的主轴处理模块以及用于读取凸轮表数据并进行插值计算的凸轮表数据处理模块，所述主轴处理模块与凸轮表数据处理模块连接；所述主轴处理模块与虚拟主轴连接，所述凸轮表数据处理模块一方面与凸轮表连接，另一方面与卷绕控制模块连接。
[0013]此外，本发明提供一种自学习卷绕方法，该方法分两步执行:
[0014]第一步，自学习过程，自学习模块根据设定的转速驱动卷针电机运行一个卷绕周期，周期性采集卷针电机编码器与滚轮编码器的反馈数据，采集完成后，对数据做坐标变换，得到以滚轮为基准等间距排列的滚轮-卷针位置对应表，保存在凸轮表中；
[0015]第二步，卷绕执行过程，虚拟主轴模块根据设定的线速度生成虚拟主轴脉冲序列，驱动电子凸轮模块运行，电子凸轮模块按照第一步中得到的凸轮表输出位置指令到卷绕控制模块；卷绕控制模块完成电机驱动的三环运算，同时采集滚轮编码器反馈的线速度，与虚拟主轴差分得到的目标线速度做PI运算，其结果叠加到速度环输出中。
[0016]其中，自学习过程可分为如下步骤:
[0017]步骤一，电机驱动模块根据设定的目标地址和速度驱动卷针电机运行；
[0018]步骤二，卷针电机编码器计数器和滚轮编码器计数器在运行过程中实时获得卷针电机编码器和滚轮编码器的反馈位置；
[0019]步骤三，数据采集模块判断在判断符合采集条件时，将读到的同一时刻的两个计数器的值写入数据缓冲区；
[0020]步骤四，数据缓冲区写满后，由数据处理模块做坐标变换，结果写入凸轮表。
[0021]其中，在自学习过程的步骤三中，判断是否符合采集条件的方法如下:
[0022]先驱动卷针电机到卷绕初始位置，将卷针电机编码器和滚轮编码器计数器清零，然后计算采集间距:采集间距=卷针运行目标距离/采集点数；
[0023]以希望卷针运行的距离为目标地址，使卷针电机在以较慢的速度运行，在运行过程中不断读取卷针电机和滚轮编码器计数器，如果采集到卷针电机的增量大于等于采集间距，则将此时的卷针电机编码器和滚轮编码器数据保存到缓冲区的单元中；
[0024]重复读取和判断步骤，直到电机运行到达目标地址，此时所有缓冲区刚好填满。
[0025]其中，在自学习过程的步骤四中，对缓冲区中的数据做坐标变换的方法如下:
[0026]首先，计算滚轮数据点周期增量，滚轮总脉冲为X，凸轮表为N点，则滚轮数据点周期增量为X/N ；
[0027]然后，搜索缓冲区内数据点，以[X/N*n]为目标，其中η为凸轮表的下标；如果找到对应的卷针数据正好为[Χ/Ν*η]则把卷针数据直接填入电子凸轮表对应下标为η的单元；如不存在正好相等的数据，则读取小于[Χ/Ν*η]和大于[Χ/Ν*η]的两个数据点，根据两点的位置对卷针数据做线性插值，填入电子凸轮表。
[0028]其中，在卷绕执行过程中，由差分模块获取主轴脉冲序列，并根据滚轮几何信息计算出对应的目标线速度，线速度补偿模块采集滚轮编码器数据，根据滚轮几何信息计算出实际的线速度，目标线速度和实际线速度做PI运算，运算的结果叠加在凸轮驱动的速度环输出中。
[0029]本发明的有益效果是:本发明供的自学习卷绕装置，能够获得的凸轮曲线包含了整个卷绕过程中的形状、料厚等信息，可以适应任意形状的卷针，不需要对不同形状卷针进行复杂的数学建模；而且，本发明在卷绕过程中，在执行凸轮曲线的基础上，采集实际线速度与目标线速度做PI运算，可以调节料厚不均、中间插入极片等原因导致的线速度波动，消除累积误差。
【附图说明】
[0030]图1是现有电池电容卷绕装置的简化结构图；
[0031]图2是本发明的自学习卷绕方装置的结构方框图；
[0032]图3是本发明的自学习模块的结构方框图；
[0033]图4是本发明卷绕控制模块的结构方框图；
[0034]图5是本发明的自学习过程的流程图；
[0035]图6是采集到缓冲区中待处理数据的一个例子；
[0036]图7是图6中数据处理后得到的凸轮表。
[0037]主要元件符号说明如下: