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基于DSP的锂电池卷绕机系统研究与实现

作　者: 胡庆华
导　师: 游林儒
学　校: 华南理工大学
专　业: 模式识别与智能系统
关键词: 锂电池卷绕机张力控制数字信号处理器(DSP) 有限状态机(FSM)
分类号: TP273.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着锂电池需求量的快速增长,以及对其性能要求的不断提高,锂电池卷绕设备的需求量与日俱增,同时对其生产性能的要求也在不断提高,因此研究一套高性能、低成本的卷绕机系统设计方案具有非常重大的实际意义。该系统的设计方案主要由硬件设计、软件设计、张力控制算法设计三个部分组成。在硬件设计方面,出于对控制性能、系统可扩展性、成本等方面的考虑,该系统采用了TI公司的32位定点高速数字信号处理器(DSP)芯片TMS320F2812作为系统的主控制器,并采用Altera公司的MAX II系列CLPD芯片EPM1270作为系统协控制器。在电路设计中,充分考虑了系统的抗干扰和稳定性要求,利用光耦隔离、区分模拟地与数字地、电路保护等技术,为系统的长期稳定工作打下了坚实的基础。在软件设计中,由于该系统需要严格按照工艺流程来实现对设备的控制,因此采用了基于有限状态机的编程方法,有效提高了程序的可读性、可移植性等;利用CPLD作为DSP的协控制器,完成部分底层驱动程序的设计,有效地减小了DSP的运行负荷,并降低了DSP的程序开发难度;在人机界面的设计中触摸屏采用的是Eview公司生产的内嵌CPU的工业嵌入式触摸屏,具有简单易用,稳定可靠等优点。在张力控制算法设计中,首先对系统进行了原理分析,并建立了相关的数学模型,通过MATLAB仿真对被控对象的特性有了清晰的认识,接着通过分析与比较直接张力控制和间接张力控制方法的实际效果,并对参数不断进行优化,最终设计出了效果较为满意的控制算法。最后,本文对卷绕机系统进行了综合性能测试,结果表明,它能够实现锂电池的自动卷绕工艺,具有较好的人机交互界面,并且能够实现较高的精度和生产效率,系统运行情况良好。在卷绕过程出现故障时,能够及时地提供准确的报警信息,并可以由操作人员通过触摸屏上的手动按纽解决相应的故障,从而提高了设备的故障解决效率,能够较好地满足工厂实际生产的需要。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-16
  1.1 课题背景  11-14
    1.1.1 锂离子电池概述  11-12
    1.1.2 锂电池产业现状  12-13
    1.1.3 锂电池卷绕机发展状况  13-14
  1.2 课题研究意义及目的  14
  1.3 课题研究内容及论文结构安排  14-16
第二章卷绕机控制系统方案设计  16-21
  2.1 锂电池制造工序  16
  2.2 卷绕机设备介绍  16-18
    2.2.1 卷绕机设备机械结构  16-17
    2.2.2 卷绕机工艺流程  17-18
  2.3 卷绕机控制系统设计方案  18-20
  2.4 本章小节  20-21
第三章卷绕机硬件系统的设计与实现  21-41
  3.1 卷绕机系统硬件组成  21-22
  3.2 DSP 控制系统设计  22-28
    3.2.1 DSP 的发展与应用  22
    3.2.2 DSP 的开发流程  22-25
    3.2.3 TMS320F2812 芯片简介  25-26
    3.2.4 F2812 最小系统设计  26-28
  3.3 CPLD 控制系统设计  28-35
    3.3.1 CPLD/FPGA 的应用与发展  28-30
    3.3.2 MAX II 系列CPLD 简介  30-31
    3.3.3 CPLD 系统功能模块  31-35
  3.4 电气开关量控制电路  35-36
  3.5 光电编码器信号接收电路  36-37
  3.6 高速脉冲输出电路  37
  3.7 模数（A/D）转换电路  37-38
  3.8 数模（D/A）转换电路  38-39
  3.9 通讯接口设计  39-40
  3.10 本章小节  40-41
第四章卷绕机系统软件设计与实现  41-59
  4.1 系统软件架构设计  41-42
  4.2 有限状态机的理论分析  42-44
  4.3 卷绕机的有限状态机的模型搭建  44-46
  4.4 系统中断处理函数  46-52
    4.4.1 F2812 的中断系统  46-48
    4.4.2 定时中断处理函数  48-49
    4.4.3 输入捕获中断处理函数  49-51
    4.4.4 SCI 中断处理函数  51-52
  4.5 人机界面设计  52-57
    4.5.1 人机界面概述  52-54
    4.5.2 Eview 嵌入式触摸屏简介  54-55
    4.5.3 触摸屏与DSP 的通信协议  55-57
  4.6 本章小节  57-59
第五章卷绕机系统中的张力控制算法  59-75
  5.1 张力控制的原理分析  59-60
  5.2 张力控制相关的数学模型  60-69
    5.2.1 卷绕过程动态模型分析  60-65
    5.2.2 卷针恒角速度模型  65-67
    5.2.3 卷针变角速度模型  67-68
    5.2.4 放卷电机模型  68-69
  5.3 张力控制算法研究与仿真  69-74
    5.3.1 PID 控制算法仿真  69-70
    5.3.2 数字PID 控制算法实现  70-72
    5.3.3 卷针恒角速度的直接张力控制  72-73
    5.3.4 卷针恒角速度的间接张力控制  73-74
  5.4 本章小节  74-75
第六章卷绕机性能综合测试与分析  75-80
  6.1 系统实验平台介绍  75-76
  6.2 张力控制效果测试  76-78
  6.3 卷绕芯体性能测试  78-79
  6.4 本章小节  79-80
总结与展望  80-81
参考文献  81-84
攻读硕士学位期间取得的研究成果  84-85
致谢  85

基于DSP的锂电池卷绕机系统研究与实现

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