用于卷绕设备的恒张力控制器及控制方法技术

一种用于卷绕设备的恒张力控制器及控制方法，包括通用工业ＣＰＵ模块（１００）、ＦＰＧＡ主机板（１１０）和ＭＤＩ接口板（１０９）以及人机交互组件（１０８），尤其是，ＣＰＵ模块（１００）通过ＰＣ１０４总与主机板（１１０）进行数据交换；接口板（１０９）通过ＲＳ４８５串行接口与主机板（１１０）完成数据交换；系统通过运行在ＣＰＵ模块（１００）内的系统软件，以及对现场可编程门阵列ＦＰＧＡ（１１１）和复杂可编程逻辑器件ＣＰＬＤ（１１２）进行硬件编程，从而最终实现对工业设备在卷绕时的张力控制。使用本发明专利技术，极大地提高了系统的快速响应能力，提高系统的控制性能，具有强大的实时多任务处理能力，硬件结构简单，处理卷绕设备各类信息能力强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及自动控制器，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。
技术介绍
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，锂离子电池芯体巻绕设备是锂离子电池生产中的关键 设备，巻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 中电池巻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巻半径实时变化，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。现有技术的巻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
技术实现思路
本专利技术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巻绕设备的恒张力控制器及控制方法。本专利技术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，可以将本专利技术作为巻绕设备的专用张力控制器，实现巻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，将本专利技术作为大型生产线中某个或若干个张力控制子 系统使用。本专利技术解决所述技术问题可以通过釆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巻绕时的张力控制。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，以便对巻绕设备驱动控制 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；c.通用工业CPU模块根据处理结果，将操作面板上指示灯的驱动信息利用该现场可编 程门阵列FPGA1通过485总线发送给复杂可编程逻辑器件CPLD处理，由复杂可编 程逻辑器件CPLD内部的并串转换电路转化为并行驱动信号，用于驱动可处理72 个按键和/或22路指示灯控制信号。 本专利技术解决所述的技术问题，还可以进一步采用以下技术方案来实现， 一种巻绕设 备恒张力控制的方法，基于上述的巻绕设备的恒张力控制器，运行在所述工业CPU模块内 的系统软件包括人机界面模块、数据输入输出模块、张力控制模块、运动插补计算模块、 位置控制模块、电机驱动模块、参数设置模块、通用I/0接口模块、软PLC模块和实时诊 断模块，所述控制方法包括步骤A、 在所述人机界面模块上设置卷绕设备传动过程中所期望的张力数值；B、 将需要处理的卷绕设备的各类信号输入FPGA主机板上现场可编程门阵列FPGA对应的功能模块上；C、 卷绕设备将张力反馈信号和极片位置反馈信号传送给张力控制模块处理，同时张 力控制模块获取人机界面模块上的张力数值，张力控制模块根据各种巻绕设备特 定的张力控制模型，计算出放卷电机和收卷电机应该运行的速度，并将该速度指 令信号传递到运动插补计算模块中；D、 运动插补计算模块根据速度指令信号，以及指定的系统插补周期，插补计算每个 采样周期内放卷电机和收卷电机的位置和速度参数，将其传递至位置控制模块中；E、 位置控制模块一方面获取运动插补计算模块每个釆样周期的指令，另一方面实时 釆样电机自身的编码器信号，通过自身的控制算法，计算每个周期电机运行应有 的速度，将其作为指令信号发送到电机驱动模块中；F、 电机驱动模块产生电机驱动指令信号，实现电机转速的控制，从而完成对卷绕设 备的张力控制；G、 卷绕设备的一些位置开关实时反馈到通用1/0接口模块中，软PLC模块对其进行 管理并实现逻辑控制，同时将开关信息通过上层的数据输入输出模块传递到外部 数据库中，并在显示设备上显示其状态。步骤E中的控制算法为PID控制算法；巻绕设备驱动控制信号包括16位串行DAC芯 片的数/模转换信号，该驱动信号为系统提供高速模拟量电机转速控制信号；所述的系统 软件可以釆用c/cf+等语言编写。同现有技术相比较，本专利技术所采用的上述技术方案的有益效果在于1、 硬件结构简单，处理卷绕设备各类信息能力强；2、 系统釆用了 RTlinux作为搡作系统平台，利用RTlinux实时操作系统特性，可以 实现微秒级的定时中断，同PLC相比极大地提高了系统的快速响应能力，提高系 统的控制性能，具有强大的实时多任务处理能力；3、 在Rtlimix平台上釆用c/c+H吾言编写应用程序代码，可以灵活实现如模糊张力 控制、鲁棒张力控制等各种先进控制策略，克服了编写PLC程序需要受本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于卷绕设备的恒张力控制器（１０），其特征在于：　包括通用工业ＣＰＵ模块（１００）、ＦＰＧＡ主机板（１１０）和ＭＤＩ接口板（１０９）以及人机交互组件（１０８），所述通用工业ＣＰＵ模块（１００）包括主ＣＰＵ单元（１０１）、显示模块接 口（１０２）、串行或网络接口（１０３）、随机存储器ＲＡＭ（１０４）、外置存储器（１０５）和显示设备（１０６）、连接总线（１０７）；所述ＦＰＧＡ主机板（１１０）包含各现场可编程门阵列ＦＰＧＡ（１１１）；所述ＭＤＩ接口板（１０９）包含复杂可编程逻辑器件ＣＰＬＤ（１１２）；所述通用工业ＣＰＵ模块（１００）通过连接总线（１０７）与ＦＰＧＡ主机板（１１０）进行数据交换；所述ＭＤＩ接口板（１０９）通过ＲＳ４８５串行接口与ＦＰＧＡ主机板（１１０）完成数据交换；　所述控制器（１０）通过 运行在通用工业ＣＰＵ模块（１００）内的系统软件，以及对现场可编程门阵列ＦＰＧＡ（１１１）和复杂可编程逻辑器件ＣＰＬＤ（１１２）进行硬件连接方式编程，使其中大量的逻辑门连接成为符合要求的硬件电路，从而最终实现对工业设备在卷绕时的张力控制。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王立松，王强，阳如坤，
申请(专利权)人：深圳市先阳软件技术有限公司，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]