[发明专利]用于卷绕设备的恒张力控制器及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及自动控制器，特别是涉及具有从多个检测元件来的多个输入的控制器，尤其涉及用于卷绕设备的恒张力控制器及控制方法。

背景技术

锂离子电池是针对电子产品，如移动电话(以下简称“手机”)、笔记本电脑小型化和薄型化的趋势而发展起来的，锂离子电池芯体卷绕设备是锂离子电池生产中的关键设备，卷绕过程中张力控制的好坏直接决定锂离子电池成品的致密性的好坏和使用寿命的长短。

目前，国内外学者针对张力控制先后提出了自适应PID(比例-积分-微分)张力控制技术、模式分离PID控制算法、以及鲁棒(robustness)非线性张力控制等。而现有技术中电池卷绕设备的张力控制普遍以可编程逻辑控制器PLC(programmable logic control)为其技术实现载体，PLC主要适用于开关量逻辑控制，控制周期几十毫秒到上百毫秒，而电池卷绕过程收卷半径和放卷半径实时变化，控制对象本身为时变模型，PLC本身提供的简单PID编程指令，无法实现上述各种先进的控制算法，无法满足电池卷绕所要求的高速度、高精度控制要求。

现有技术的卷绕设备的张力控制器存在以下不足：

1、以PLC为技术载体的张力控制器主要适用于开关量逻辑控制，控制周期达几十毫秒到上百毫秒，无法对控制对象进行实时控制；

2、以PLC为技术载体的张力控制器本身提供的简单PID编程指令，无法实现上述各种先进的控制算法，无法满足电池卷绕所要求的高速度、高精度控制要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于避免上述现有技术的不足之处而提供一种用于卷绕设备的恒张力控制器及控制方法。

本发明主要应用在锂离子电池芯体卷绕设备上，同时也用于其它应用张力控制机电设备中，例如高速、高精密的线切割机床、IC制造设备、印刷设备和纤维缠绕设备等，恒张力控制技术，是这类工业设备的基础技术之一。

在具体应用中，可以将本发明作为卷绕设备的专用张力控制器，实现卷绕设备的恒张力控制。在大型生产线中，张力控制可能只是其中某个环节，可以利用张力控制器的串行接口或网络接口与大型生产线联网，将本发明作为大型生产线中某个或若干个张力控制子系统使用。

本发明解决所述技术问题可以通过采用以下技术方案来实现：提供一种用于卷绕设备的恒张力控制器，尤其是，包括通用工业CPU模块、FPGA主机板和MDI接口板、人机交互组件，所述通用工业CPU模块包括主CPU单元、显示模块接口、串行或网络接口、随机存储器RAM、外置存储器、显示设备、连接总线；所述FPGA主机板包含各可编程逻辑器件；所述MDI接口板包含可编程逻辑器件CPLD；所述通用工业CPU模块通过连接总线与FPGA主机板进行数据交换；所述MDI接口板通过RS485串行接口与FPGA主机板完成数据交换；

所述控制器通过运行在通用工业CPU模块内的系统软件，以及对可编程逻辑器件和可编程逻辑器件CPLD的硬件编程最终实现对工业设备在卷绕时的张力控制。

利用硬件描述语言VHDL将所述现场可编程门阵列FPGA在逻辑上分成outa高速I/O输出模块、ina高速I/O输入模块、s_da高速串行数/模转换模块、keyboardio键盘I/O管理模块、encoder编码器模块和ad高速串行模/数转换模块，以便对卷绕设备驱动控制信号、各种输入/输出信号、编码器反馈信号、极片位置反馈信号、张力反馈信号以及MDI接口板上的串行输入输出信号进行处理。

所述现场可编程门阵列FPGA的数量由自身的容量和需要实现的功能模块数决定，如果单块可编程门阵列FPGA容量较小，而需要实现的逻辑功能模块数量较多，在一块现场可编程门阵列FPGA不能实现，刚可以用两块或多块现场可编程门阵列FPGA上进行实现，而且在实际操作中，采用利用硬件描述语言VHDL将现场可编程门阵列FPGA进行逻辑划分。

用硬件描述语言将复杂可编程逻辑器件CPLD在逻辑上分成去抖动电路、扫描电路、编码电路、并串转换电路、分频电路、指示灯动电路、串并转换电路和串行通信控制电路，以便将来自人机交互组件的外部信息传送给FPGA主机板进行处理。

所述复杂可编程逻辑器件CPLD工作时各功能模块控制流程包括步骤：

a.复杂可编程逻辑器件CPLD获取外界信息，所述外界信息包括键盘按键的行列信息；

b.通过并串转换电路，将外界获取的信息通过485总线发送到现场可编程门阵列FPGA，再由该现场可编程门阵列FPGA将相应信息传送给通用工业CPU模块进行处理；