基于C8051F020的电池极片轧制压力控制器的设计

肖艳春，邵伟，马学为，李琳琳

(河北工业大学，天津300130)

电池极片的轧制是指轧辊与电池极片之间产生摩擦力，把电池极片拉进旋转的轧辊之间，电池极片受压变形的过程。国内外主流设备均采用极片连续轧制的方式，即放卷、纠偏、切边、滚压和收卷的极片密实方式。电池极片主流机型应为辊径800～1 000 mm，辊面宽度600～700 mm，最大轧制压力2～3 MN，极片轧制速度大于12～15 m/min。

轧制压力系统是在滚压电池极片的过程中进行压力的控制，控制合适的压力把原来薄厚不均的电池极片变成薄厚均匀并且密度较高的极片。轧制压力是指扎辊加于电池极片使之产生塑性变形的力，又可以说把轧件作用于轧辊上并通过压下螺丝传递给机架的力称为轧制力，即轧件加于轧辊的反作用力的垂直分量。

合理的轧制压力对于极片的密实度有着重要的作用，电池极片经过合理的轧制压力滚压后，浆料颗粒间将发生相对移动，颗粒将填充空隙，使浆体的体积减小，迅速达到最紧密的堆积。目前，电池极片的设计往往是不对称的正面和背面间隔涂布，这将导致极片的厚度突变而轧机轧制力不能及时响应，导致轧制后密度不均的现象。因此，科学合理的轧制压力系统设计显得尤为重要。

1 电池极轧制压力系统的组成及工作原理

电池极片轧制压力控制器的轧制压力是由液压系统提供的，其液压系统原理图如图1所示。其控制的过程如下:按下轧辊升压按钮时，电液阀A打开，系统压力开始变大;当按下轧辊泄压按钮时，电液阀B打开，系统压力变小。

图1 液压系统原理示意图

电磁阀的控制信号为交流220 V，如图2所示。单片机系统的工作电压为3.3 V，为了实现弱电控制强电的功能，采用继电器输出的方式。

图2 液压系统的电磁阀

2 电池极片轧制压力系统硬件电路的设计

电池极片轧制压力控制器的硬件电路由传感器接口电路、继电器控制电路、按键显示电路、电源电路等组成。控制器的硬件系统结构图如图3所示。

图3 轧制压力系统硬件结构图

2.1 传感器接口电路

在电池极片轧制压力控制器中，压力传感器的选型非常重要，直接影响到控制的精度。轧辊的压力检测不是直接测量轧辊的压力，而是对液压缸的压强进行测量。液压压力传感器的工作原理是压力直接作用在膜片上，使膜片产生一个与介质压力成正比的微位移，检测传感器的电子电路发生变化，输出标准的压力信号。

美国Schaevitz公司的传感器是专门为轧钢类型设备设计的，适用于恶劣的环境下。该传感器提供900 Hz的超快反应频率，同时保持了小于±0.20%满量程输出的精确度。内置的瞬变抑制器，以消除线路瞬变电压的效果。抗疲劳压力传递膜片，提高了可靠性，减少了由于长期加压导致的性能下降。在该系统中，轧制压力传感器的安装如图4所示。

图4 液压压力传感器

根据控制要求，轧制压力系统的硬件接口电路的设计需要满足对压力传感器的0～20 mA输入信号的采集需求。其接口电路如图5所示，其接收电路和张力控制输入电路一样。

2.2 电磁阀控制电路

在电池极片轧制压力控制器中，对于电磁阀的控制采用如图6所示的继电器输出方式。选用ULN2003芯片驱动继电器动作，其中LED是状态指示灯，继电器驱动电磁阀控制液压系统的增压和泄压。

图5 模拟量输入电路

图6 继电器输出电路

3 电池极片轧制压力系统程序设计

电池极片轧制压力控制主要的控制对象是电磁阀，通过控制电磁阀的通与断完成液压缸压力的调整。控制策略是:当检测到压力减少，把增压阀打开;当检测压力增大，把泄压阀打开。其检测输入的信号为压机压力信号，压机压力信号为0～20 mA的电流信号。程序的设计分为手动程序设计和自动程序设计，在自动程序中，如果检测压力值过大，通过继电器控制泄压阀打开;如果检测压力值过小，通过继电器控制增加阀打开。其流程图如图7所示。

图7 电池极片轧制压力系统程序流程图

将模糊PID算法用于轧制压力控制，控制结构图如图8所示，因而使得控制机制和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用，对电池极片质量的提高有着重要意义。

图8 模糊PID控制器结构框图

4 生产调试

检验控制器功能的实现和可靠性。轧制压力系统在设备运行过程中保证系统具有恒定的压力，通过压力传感器检测实时压力的大小。当传感器检测压力过大时，控制器通过运算控制泄压阀打开，使系统的轧制压力变小，以达到设定的压力;当传感器检测压力过小时，控制器通过运算控制增压阀打开，使系统的压力增加，达到设定的压力值。试验结果表明:该控制系统能可靠地满足设计和生产需要，压力的最大值为3 000 kN，波动范围为±4%。

5 结论

基于C8051F020的电池极片轧制压力控制器基本满足生产的需要，降低了成本。根据电池极片轧制压力控制要求高、直接影响电池质量等特点，将模糊PID算法用于压力的控制，对电池极片质量的改进有着重要的实际意义。

［1］关玉明，朱博，肖艳春，等.干嵌法锌空电池生产线张力控制系统设计［J］.机械设计与制造，2009(8):226－228.

［2］赵东林.国内外锂离子动力电池极片制造专用设备的新进展［J］.新材料产业，2006(9):65－69.

［3］张迎新.C8051F系列SOC单片机原理及应用［M］.北京:国防工业出版社，2005:342.

［4］陈杰，王蔚.轧机辊间压力和轧制压力分布函数解析［J］.钢铁研究，2002(2):34 －36.

［5］唐前辉.轧机轧制过程轧制压力的确定及应力应变分析［D］.重庆:重庆大学，2006:6－18.

［6］毛义梅，罗海福，张晶.一种PID参数模糊自整定控制器的设计与仿真［J］.控制系统，2001，16(3):36 －38.

［7］肖艳军，王旭，陈宏，等.一种电池极片生产线纠偏控制器的设计［J］.机械设计与制造，2013(12):24－27.