CN102437366B - 一种电池卷绕装置及其卷绕控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于电池制造技术领域，提供了一种电池卷绕控制方法，包括下述步骤：步骤A，根据接收的线速度信息在每一个预设的时间周期内实时计算出当前需转绕的目标材料长度；步骤B，根据当前需转绕的目标材料长度，以及预存的每一等份长度的转绕材料与伺服电机轴的角度位置的对应关系信息，确定卷针需转动到的目标角度位置；步骤C，伺服驱动器根据确定的目标角度位置，实时控制伺服电机在预设的时间周期内带动卷针转动到相应的目标角度位置，以使转绕材料恒线速地卷绕于卷针上。本发明预先通过采样得到整个电池卷绕过程中的卷针转动的角度位置信息并保存，在实际卷绕时再计算出能实现恒线速转动的角速度，可提高恒线速卷绕效果。

Description

一种电池卷绕装置及其卷绕控制方法

技术领域

本发明属于电池制造技术领域，尤其涉及一种电池卷绕装置及其卷绕控制方法。

背景技术

电池制作过程中需要将电池阴极、阳极及隔离膜等多种不同材料一起卷绕成电池电芯，图1示出的是电池卷绕装置恒线速控制的主要部分：接编码器的滚轮11、编码器12、连接伺服电机14的轴的卷针13、伺服电机14、伺服驱动器15，缠绕在放卷装置(图中未示出)上的转绕材料通过滚轮11被卷针13收卷，伺服驱动器15用于驱动伺服电机14转动，伺服电机14带动卷针13转动，编码器12则用于对滚轮11的旋转圈数进行计数，以记录被收卷的转绕材料的长度。

为了达到好的卷绕效果，电池卷绕工艺需要进行恒张力控制，对方形卷针13来说，如果卷针13是恒角速度旋转，那么转绕材料的线速度会不恒定，当线速度很高而且不恒定的时候会使恒张力控制难度加大，于是对卷针13卷绕的恒线速控制成了电池卷绕技术中非常重要的部分。

目前的应用一般是由外部控制器根据卷针13的形状计算出能实现恒线速卷绕的各个位置所对应的角速度作为前馈变量，然后利用编码器12的信息作反馈对卷针速度进行修正，控制伺服驱动器15旋转，实现由外部控制器、伺服驱动器15、伺服电机14、卷针13、转绕材料组成的转绕***闭环控制。但是，一方面由于卷针3卷绕半径会随着转进材料的增加而变化，材料厚度不同变化也不同，导致前馈变量很难确定；另一方面，实际机器上为了达到其它性能要求，在接编码器12的滚轮11与卷针13之间还有若干个滚轮，而且材料具有一定的弹性，使得材料在卷针13上的速度不能及时反映到编码器2上，导致反馈之后影响控制效果。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题在于提供一种电池卷绕装置的卷绕控制方法，旨在避免前期计算卷针的形状，特别是电池种类更换导致的卷针形状变换所需要的大量计算，以及降低在转绕过程中材料转绕半径变化引起的控制难度，提高恒线速卷绕的效果。

本发明所要解决的第二个技术问题在于提供一种电池卷绕装置，旨在避免前期需计算卷针的形状，以及降低在转绕过程中材料转绕半径变化引起的控制难度，提高恒线速卷绕的效果。

为解决上述第一个技术问题，本发明是这样实现的，一种电池卷绕装置的卷绕控制方法，所述电池卷绕装置包括卷针、可带动所述卷针转动的伺服电机、伺服驱动器；所述控制方法包括下述步骤：

步骤A，接收外部控制器输入的线速度信息或者用户设定的线速度信息，并根据所述线速度信息在每一个预设的时间周期内实时计算出当前需转绕的目标材料长度；

步骤B，根据所述当前需转绕的目标材料长度，以及预存的每一等份长度的转绕材料与伺服电机轴的角度位置的对应关系信息，确定卷针需转动到的目标角度位置；

步骤C，伺服驱动器根据确定的目标角度位置，实时控制伺服电机在所述预设的时间周期内带动卷针转动到相应的目标角度位置，以使转绕材料恒线速地卷绕于卷针上；

在所述步骤A之前，所述方法还包括下述步骤：

步骤A01，预先将转绕材料试收卷于卷针上，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；

步骤A02，将步骤A01的采样结果进行存储。

进一步地，在所述步骤A01之后且在所述步骤A02之前，所述方法还包括下述步骤：

步骤A011，根据下述公式对步骤A01采样的第n等份材料对应的角度位置参数进行滤波处理：

α^* _n=(α_n-(N-1)／2+α_{n-(N-1)／2+1}+...+α_n+...+α_{n+(N-1)／2-1}+α_n+(N-1)／2)／N

设x=n-(N-1)／2，当x<0时，α_x=α_-x

其中，α*为滤波后的角度位置参数，α为采样的原始角度位置参数，N为滤波参数，N取奇数。

进一步地，在所述步骤B之后且在所述步骤C之前，所述方法还包括下述步骤：

步骤B1，对步骤B确定的角度位置参数进行相位补偿，再执行步骤C。

为解决上述第二个技术问题，本发明提供的电池卷绕装置，包括卷针、可带动所述卷针转动的伺服电机、伺服驱动器，还包括一卷针角度位置采样单元、一线速度设置单元、卷针角度位置确定单元；

所述卷针角度位置采样单元用于在预先将转绕材料试收卷于卷针的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，并将采样结果进行存储；

所述线速度设置单元用于接收外部控制器输入的线速度信息或者用户设定的线速度信息，并根据所述线速度信息在每一个预设的时间周期内实时计算出当前需转绕的目标材料长度；

所述卷针角度位置确定单元用于根据所述线速度设置单元计算得到的当前需转绕的目标材料长度，以及预存的每一等份长度的转绕材料与伺服电机轴的角度位置的对应关系信息，确定卷针需转动到的目标角度位置；

所述伺服驱动器用于根据所述卷针角度位置确定单元确定的目标角度位置，实时控制所述伺服电机在所述预设的时间周期内带动所述卷针转动到相应的目标角度位置，以使转绕材料恒线速地卷绕于所述卷针上。

进一步地，所述卷针角度位置采样单元还用于根据下述公式对所述卷针角度位置采样单元采样得到第n等份材料对应的角度位置参数的角度位置参数进行滤波处理：

α^* _n=(α_n-(N-1)／2+α_{n-(N-1)／2+1}+...+α_n+...+α_{n+(N-1)／2-1}+α_n+(N-1)／2)／N

设X＝n-(N-1)／2，当x<0时，α_x＝α_-x

其中，α*为滤波后的角度位置参数，α为采样的原始角度位置参数，N为滤波参数，N取奇数。

进一步地，所述卷针角度位置确定单元还用于对确定的目标角度位置参数进行相位补偿。

进一步地，所述卷针角度位置采样单元、线速度设置单元和卷针角度位置确定单元内置于所述伺服驱动器中。

本发明与现有技术相比，预先通过采样方式得到整个电池卷绕过程中的卷针转动的角度位置信息并保存，在实际卷绕过程中计算出能实现恒线速转动的每等份长度的转绕材料对应的角速度，实现相对可靠的开环控制。该方法可以大大减少前期对卷针的形状计算量并消除了卷绕过程中卷针卷绕半径加大导致前馈量误差，同时相位补偿的使用也有助于解决由于机器及材料原因导致反馈响应过低的问题，大大提高了恒线速卷绕效果。

附图说明

图1是现有技术提供的电池卷绕装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的电池卷绕装置的卷绕控制方法的实现流程图；

图3是本发明实施例提供的圆形卷针采样的卷针转动角度及卷绕每等份长度的转绕材料过程中卷针的角度位置变化曲线图；

图4是本发明实施例提供的方形卷针采样的卷针转动角度及卷绕每等份长度的转绕材料过程中卷针的角度位置变化曲线图；

图5是本发明实施例提供的方形卷针采样的转绕材料长度、卷针转动角度、及卷绕每等份长度的转绕材料过程中卷针的角速度变化曲线图；

图6是本发明实施例提供的对采样角度进行滤波前后的对比示意图；

图7是本发明实施例提供的对采样角度进行相位补偿前后的对比示意图；

图8A、8B是本发明实施例提供的电池卷绕装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，对于待转绕材料预先进行低速试收卷，通过采样方式得到试收卷过程中的卷针转动角度信息并保存，在实际卷绕过程中再实时计算出能实现恒线速转动对应的角速度。

本发明实施例需要的电池卷绕装置包括卷针、伺服电机、伺服驱动器，可由材料带动旋转的滚轮，连接滚轮的编码器，其中伺服电机可带动卷针转动，具体可将卷针连接至伺服电机轴上来实现。图2示出了本发明提供的上述电池卷绕装置的卷绕控制方法的实现流程，详述如下。

在步骤A中，接收外部控制器输入的线速度信息或者用户设定的线速度信息，并根据所述线速度信息在每一个预设的时间周期内实时计算出当前需转绕的目标材料长度。

本实施例中，可以由用户直接在伺服驱动器上设定期望的卷绕线速度信息，也可以通过外部控制器向伺服驱动器输入线速度信息，例如以输入脉冲的形式来输入线速度信息，通过脉冲的个数来表征线速度大小。伺服驱动器或其它控制器中预设有时间周期，此时间周期可最初固化进伺服驱动器中，相应的，此时间周期可以为一表征时间大小的比例参数k，其与上述脉冲数相对应的，k越大速度越快，也可以为一真正的时间参数t。

伺服驱动器接收到线速度信息后，在每一个预设的时间周期内实时计算出当前需转绕的目标材料长度。若当前输入脉冲数为p，当前需转绕的目标材料长度为k*p，(k为比例参数，)，若用户设定的线速度为v，当前需转绕的目标材料长度为∫vdt。

在步骤B中，根据所述当前需转绕的目标材料长度，以及预存的每一等份长度的转绕材料与伺服电机轴的角度位置的对应关系信息，确定卷针需转动到的目标角度位置。

上述预存的每一等份长度的转绕材料与伺服电机轴的角度位置的对应关系信息可以预先以表格形式存储，例如，将表格长度设为固定值，用户设置采样的材料长度，若采样的材料长度为L，表格长度为n，即每隔L／n长度采样一次电机轴角度信息。

现实中，可能存在这样一种情况，即需转绕的目标材料长度不一定是预存的每一等份材料长度的整数倍，此时还需进行一下简单的换算，例如，若当前目标转绕长度为L_x，，L_x为L_i与L_i+1之间的一个值(i为整数，L_i=i*ΔL)，那么当前目标角度位置α_x＝α_i+(L_x-L_i)／ΔL*(α_i+1-α_i)，其中α_i为第i等份长度的转绕材料所对应的角度位置，α_i+1为第i+1等份长度的转绕材料所对应的角度位置，ΔL为每一等份长度的转绕材料的长度。

步骤C，伺服驱动器根据确定的目标角度位置，实时控制伺服电机在所述预设的时间周期内带动卷针转动到相应的目标角度位置，以使转绕材料恒线速地卷绕于卷针上。

在整个卷绕过程中，随着卷针上收卷的材料越多，卷针需要转动越小的角度即可收卷同等份长度的材料。上述“每一等份长度的转绕材料与伺服电机轴的角度位置的对应关系信息”在正式收卷前就需先通过试收卷确定，不过并不意味着每次正式收卷前都需首先试收卷，对于完全相同的待转绕材料以及同形状的卷针，可最初进行一次试收卷，确定好上述“每一等份长度的转绕材料与伺服电机轴的角度位置的对应关系信息”并存储后，可以进行多批次的正式卷绕。

对于在上述步骤A之前的试收卷过程，包括下述步骤：

步骤A01，预先将转绕材料试收卷于卷针上，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。

步骤A02，将步骤A01的采样结果进行存储。

如果卷针为圆形，且忽略卷针因转绕材料的增加而导致的卷绕半径加大，如果卷针角速度恒定，即：dα(t)／dt=const；因为转绕材料长度与卷针卷绕角度成正比例关系，即：dL(α)／dα=const,那么dL(t)／dt=const，因此材料卷绕速度是恒定的。其中：α＝卷针旋转角度；L=转绕材料长度；Const=恒量；如果每隔ΔL采样一个α，那么数据曲线如图3所示。

如果卷针为方形，以缓慢的恒角速度旋转，滚轮和编码器就能很好的反应当前角度对应的转绕材料长度，每隔ΔL采样一个α，那么数据曲线如图4所示。将L对应的α保存到表格中，即L为索引，α为数据。要使转绕材料速度恒定，即L(t)=∫kdt，(k＝常量)，只需要在t时间计算出相应的L并查表得到相应的α，控制伺服电机带动卷针旋转到α位置即可，k决定目标速度的大小。

为避免速度过快启动与停止导致抖动以及对材料拉伸造成变形，只要调整k值达到缓慢启动与停止即可，那么卷针旋转角度α，角速度dα／dt,转绕材料长度L的时间曲线如图5所示。

在实际应用中，一方面，编码器可能会受干扰产生噪音；另一方面如果卷针扁度过大，要达到恒线速运转所要求的角速度变化率也会很大，对伺服电机的性能要很高，而且需要卷绕机械有非常强的刚性使卷针的速度在高速，频繁加减速的情况下还能跟上伺服电机的轴的速度，否则卷绕过程会产生抖动。为优化卷绕效果，该发明还引入可设置的滤波参数，在采样α的过程中加入滤波算法，即在所述步骤A01之后且所述步骤A02之前，所述方法还包括下述步骤：

步骤A011，对步骤A01采样的角度位置信息进行滤波处理。

因为该应用的特殊性，必须要保证滤波前后卷针的最大及最小速度在表中的位置不能改变，否则卷针旋转速度将产生相位偏移，因此这里选择算术平均滤波法，根据下述公式对步骤A01采样的第n等份材料对应的角度位置参数进行滤波处理：

α^* _n＝(α_n-(N-1)／2+α_{n-(N-1)／2+1}+...+α_n+...+α_{n+(N-1)／2-1}+α_n+(N-1)／2)／N

设x=n-(N-1)／2，当x<0时,α_x=α_-x

其中，α*为滤波后的角度位置参数，α为采样的原始角度位置参数，N为滤波参数，N取奇数。图6为滤波前dα／dL与滤波后dα*／dL曲线对比。

进一步地，考虑到可能存在的机械滞后反应，本发明予以增加一偏移参数α_offset来补偿，即，在所述步骤B之后且所述步骤C之前，所述方法还包括下述步骤：

步骤B1，对步骤B确定的角度位置参数进行相位补偿，再执行步骤C。

具体原理为将确定的角度位置参数提前一个相位，图7为偏移前dα*／dL与增加偏移后d(α*-α_offset)／dL曲线对比示意图。由于机械的滞后程度与角速度变化率d(dα*／dt)/dt成正比例关系，dα*／dt与线速度v(dL／dt)成正比例关系，所以实际应用可以给用户开放α_offset，让用户根据机械状况及速度调整具体数值。也可以给用户开放一个参数α_{offset_factor},伺服驱动器再根据线速度v计算出α_offset=α_{offset_factor}*V*V。

图8示出了本发明实施例提供的电池卷绕装置的结构示意图，为了便于描述，仅示出了与本实施例相关的部分。

参照图8，本发明实施例提供的电池卷绕装置至少包括卷针81、伺服电机82、卷针角度位置采样单元83、线速度设置单元84、卷针角度位置确定单元85、伺服驱动器86，其中伺服电机82可带动卷针81转动，实现将转让材料收卷于卷针81上，具体可讲卷针1连接于伺服电机82的轴上，还可以包括滚轮87和连接滚轮87的编码器88，转绕材料通过滚轮87被收卷，随着转绕材料的收进，滚轮87随之转动，编码器88用于对滚轮87的旋转圈数进行计数，以统计被收卷的转绕材料的长度。应当理解，具体实施时，还可以采用其他方式来统计被收卷的转绕材料的长度，并不局限于上述方式。

如上文所述，对一种全新的转绕材料进行收卷时，需先进行试收卷，以便统计每等份长度的转绕材料被收卷时卷针相应所需的转动角度信息。上述卷针角度位置采样单元83与伺服电机82的轴连接，用于在预先将转绕材料试收卷于卷针的过程中，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，并将采样结果进行存储。

线速度设置单元84接收外部控制器输入的线速度信息或者用户设定的线速度信息，并根据所述线速度信息在每一个预设的时间周期内实时计算出当前需转绕的目标材料长度。对于需转绕的目标材料长度不一定是预存的每一等份材料长度的整数倍的情况，具体参照上文所示的公式进行计算。

卷针角度位置确定单元85根据线速度设置单元84计算得到的当前需转绕的目标材料长度，以及预存的每一等份长度的转绕材料与伺服电机轴的角度位置的对应关系信息，确定卷针需转动到的目标角度位置。例如，对于第一等份长度的转绕材料，从预存的信息中找到与之对应的第一角度信息，对于第二等份长度的转绕材料，从预存的信息中找到与之对应的第二角度信息，依此类推。

伺服驱动器86根据所述卷针角度位置确定单元确定的目标角度位置，实时控制所述伺服电机在所述预设的时间周期内带动所述卷针转动到相应的目标角度位置，以使转绕材料恒线速地卷绕于所述卷针上。

进一步地，为优化卷绕效果，本发明在采样α的过程中加入滤波算法，上述卷针角度位置采样单元83还用于根据下述公式对所述卷针角度位置采样单元采样得到第n等份材料对应的角度位置参数的角度位置参数进行滤波处理：

α^* _n＝(α_n-(N-1)／2+α_{n-(N-1)／2+1}+...+α_n+...+α_{n+(N-1)／2-1}+α_n+(N-1)／2)／N

设X＝n-(N-1)／2，当x<0时,α_x=α_-x

其中，α*为滤波后的角度位置参数，α为采样的原始角度位置参数，N为滤波参数，N取奇数。

进一步地，为提高响应速度，避免出现机械滞后反应，本发明在确定目标角度位置后进一步加入偏移补偿，具体地，由卷针角度位置确定单元85对确定的目标角度位置参数进行相位补偿。原理如上文所述，此处不再赘述。

上述卷针角度位置采样单元83、线速度设置单元84和卷针角度位置确定单元85可以为软件单元，如图8A所示置于伺服驱动器86外，例如采用PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)实现，该PLC可以通过伺服驱动器86读取到伺服电机82的角度位置信息并记录转绕材料长度的编码器信息，也可以内置于伺服驱动器86之内，如图8B所示。

综上所述，本发明实施例预先通过采样方式得到整个电池卷绕过程中的卷针转动角度信息并保存，在实际卷绕过程中计算出能实现恒线速转动的每等份长度的转绕材料对应的角速度，实现相对可靠的开环控制。该方法可以大大减少前期对卷针的形状计算量并消除了卷绕过程中卷针卷绕半径加大导致前馈量误差，同时相位补偿的使用也有助于解决由于机器及材料原因导致反馈响应过低的问题，大大提高了恒线速卷绕效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电池卷绕装置的卷绕控制方法，所述电池卷绕装置包括卷针、可带动所述卷针转动的伺服电机、伺服驱动器；其特征在于，所述控制方法包括下述步骤：

步骤A，接收外部控制器输入的线速度信息或者用户设定的线速度信息，并根据所述线速度信息在每一个预设的时间周期内实时计算出当前需转绕的目标材料长度；

步骤B，根据所述当前需转绕的目标材料长度，以及预存的每一等份长度的转绕材料与伺服电机轴的角度位置的对应关系信息，确定卷针需转动到的目标角度位置；

步骤C，伺服驱动器根据确定的目标角度位置，实时控制伺服电机在所述预设的时间周期内带动卷针转动到相应的目标角度位置，以使转绕材料恒线速地卷绕于卷针上；

在所述步骤A之前，所述方法还包括下述步骤：

步骤A01，预先将转绕材料试收卷于卷针上，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；

步骤A02，将步骤A01的采样结果进行存储。

2.如权利要求1所述的电池卷绕装置的卷绕控制方法，其特征在于，在所述步骤A01之后且在所述步骤A02之前，所述方法还包括下述步骤：

步骤A011，根据下述公式对步骤A01采样的第n等份材料对应的角度位置参数进行滤波处理：

α^* _n=(α_n-(N-1)／2+α_{n-(N-1)／2+1}+...+α_n+...+α_{n+(N-1)／2-1}+α_n+(N-1)／2)／N

设x＝n-(N-1)／2，当x<0时,α_x＝α_-x

其中，α*为滤波后的角度位置参数，α为采样的原始角度位置参数，N为滤波参数，N取奇数。

3.如权利要求1所述的电池卷绕装置的卷绕控制方法，其特征在于，在所述步骤B之后且在所述步骤C之前，所述方法还包括下述步骤：

步骤B1，对步骤B确定的角度位置参数进行相位补偿，再执行步骤C。

4.一种电池卷绕装置，包括卷针、可带动所述卷针转动的伺服电机、伺服驱动器，其特征在于，还包括一卷针角度位置采样单元、一线速度设置单元、卷针角度位置确定单元；

所述卷针角度位置采样单元用于在预先将转绕材料试收卷于卷针的过程中，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，并将采样结果进行存储；

所述线速度设置单元用于接收外部控制器输入的线速度信息或者用户设定的线速度信息，并根据所述线速度信息在每一个预设的时间周期内实时计算出当前需转绕的目标材料长度；

所述卷针角度位置确定单元用于根据所述线速度设置单元计算得到的当前需转绕的目标材料长度，以及预存的每一等份长度的转绕材料与伺服电机轴的角度位置的对应关系信息，确定卷针需转动到的目标角度位置；

所述伺服驱动器用于根据所述卷针角度位置确定单元确定的目标角度位置，实时控制所述伺服电机在所述预设的时间周期内带动所述卷针转动到相应的目标角度位置，以使转绕材料恒线速地卷绕于所述卷针上。

5.如权利要求4所述的电池卷绕装置，其特征在于，所述卷针角度位置采样单元还用于根据下述公式对所述卷针角度位置采样单元采样得到第n等份材料对应的角度位置参数的角度位置参数进行滤波处理：

α^* _n=(α_n-(N-1)／2+α_{n-(N-1)／2+1}+...+α_n+...+α_{n+(N-1)／2-1}+α_n+(N-1)／2)／N

设x=n-(N-1)／2，当x<0时，α_x=α_-x

其中，α*为滤波后的角度位置参数，α为采样的原始角度位置参数，N为滤波参数，N取奇数。

6.如权利要求4所述的电池卷绕装置，其特征在于，所述卷针角度位置确定单元还用于对确定的目标角度位置参数进行相位补偿。

7.如权利要求4或6所述的电池卷绕装置，其特征在于，所述卷针角度位置采样单元、线速度设置单元和卷针角度位置确定单元内置于所述伺服驱动器中。

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