【文章內(nèi)容簡介】 驅(qū)動器 PID控制 板 直流 電機 擺 臂 電位器 給定角度 反饋 角圖 12 擺臂 張力控制方式 廈門大學工程碩士學位論文 12 卷繞速度控制存在的問題。 薄膜電容卷繞機主要將兩條金屬化薄膜卷繞成圓柱型的芯子。生產(chǎn)流程： 1）、在金屬化膜首端用大電流將膜的金屬層燒掉，用內(nèi)封加熱頭將其熱封 ,此時卷針低速運轉(zhuǎn)。 2）、燒掉工藝要求圈數(shù)的金屬層后，卷針開始加速，以一個較高的速度運轉(zhuǎn)。 3）、芯子即將卷到設(shè)定的圈數(shù)時開始減速，達到圈數(shù)后低速運轉(zhuǎn)，同時用大電流燒掉設(shè)定圈數(shù)的金屬層。 4）、將外封加熱頭靠近芯子熱封完后，芯子生產(chǎn)完成，開始下一周期的生產(chǎn)。傳統(tǒng)的薄膜電容卷繞機卷繞時，以固定的圈數(shù)加速到最高轉(zhuǎn)速，然后以此轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)到一定圈數(shù)后，又以固定的圈數(shù)減速到一定的轉(zhuǎn)速。當芯子的直 徑不同時，金屬化膜的膜速不同；當卷針直徑、材料厚度變化時，金屬化膜的加速度也跟著變化。膜的高低速及加減速不能有效控制使得不同產(chǎn)品的卷繞一致性不好管控，且生產(chǎn)效率也得不到控制，更重要的是膜速的變化是放卷張力系統(tǒng)最大的擾動因素，沒有控制好膜速很難控制好張力，控制不好張力就生產(chǎn)不出優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。 課題的背景和意義 電子器件的三大原件是電阻、電容和電感，電容器 是電子線路中必不可少的基礎(chǔ)電力電子元器件，具有阻直流、通交流的特性，廣泛應(yīng)用在電源電路、信號電路中，發(fā)揮旁路、去耦、濾波、儲能、耦合、振蕩 /同步、時間常數(shù)等作用。電容器全球市場規(guī)模約 180 億美元，是三大被動元件中用途最廣泛、用量最大的一個。 電容器的應(yīng)用分為消費電子被動元件、新能源核心器件（包括工業(yè)類應(yīng)用）、儲能三重境界： 消費電子被動元件 —— 消費電子仍是電容器的最主要下游應(yīng)用，電容器在弱電領(lǐng)域起到旁路、濾波等功能，市場規(guī)模大約 100 億美元，占消費電子終端產(chǎn)廈門大學工程碩士學位論文 13 值的 1%（手機、 PC、平板、電視等消費電子終端市場規(guī)模 萬億美元），目前市場增長和格局都已經(jīng)比較平穩(wěn)； 新能源核心器件（包括工業(yè)類應(yīng)用） —— 電容器在工業(yè)類的應(yīng)用包括工業(yè)電源、照明、通信、變頻家電等，其中新能源應(yīng)用是目前增長最快的細分領(lǐng)域，電容器是逆變電路中的核心器件之一，可以吸收高脈沖電流、承受瞬時過電壓、并對輸出電壓平滑濾波等功能，在光伏逆變器、風電變流器、新能源車、伺服器、變頻器等廣泛應(yīng)用，單價高，在光伏逆變器成本中占比達到 8%左右。新能源應(yīng)用的興起使高壓薄膜電容、鋁 電解電容在大功率場合的應(yīng)用迅速提升，未來還將有望保持快速增長； 儲能 —— 電容器的儲能市場剛剛啟動，超級電容超大容量的特性使之可以直接作為儲能模塊，屬于物理儲能，具有充放電速度快、放電功率大、循環(huán)壽命長等優(yōu)勢，目前 EDLC 超級店已經(jīng)開始應(yīng)用在超級電容公交車、有軌電車上，未來混合超級電容能量密度進一步提升將有效提升超級電容的整體性能，并有望迅速擴大應(yīng)用場合。 整體來說，電容器的應(yīng)用正沿著消費電子被動元件 —— 新能源核心器件（包括工業(yè)類） —— 儲能（超級電容）的路徑前進，目前新能源應(yīng)用及其他工業(yè)類應(yīng)用處 于黃金發(fā)展期，而下一個超級市場 —— 儲能應(yīng)用市場也正在開啟。 新能源金屬 化膜電容卷 繞 機是一種高精度 、 全自動化的 機電 一體化設(shè)備 ，該設(shè)備是生產(chǎn)新能源金屬化膜 電容 的核心設(shè)備。 目前全球使用 的此種設(shè)備 ，精度較高 的主要是歐 洲 和日 本 的 設(shè)備 。 國內(nèi)企業(yè)主要是無錫先導生產(chǎn)的 LDW 380 自動卷繞機 和常州晟威公司生產(chǎn)的 180 系列的卷繞機。由于 國外技術(shù)的封鎖 ， 國內(nèi) 的企業(yè) 很 難買到高精度 、 高可靠性 的卷繞機， 此種 設(shè)備主要依賴臺灣 進口 和國內(nèi)生產(chǎn)。研制這種設(shè)備可以突破國外對中國的技術(shù)封鎖， 提高 中國企業(yè)在 世界 新能源領(lǐng)域 中 的 市場地位。 論文的結(jié)構(gòu) 本文主要研究的是新能源金屬化膜電容卷繞機的電控技術(shù)，主要包括卷繞機的張力控制系統(tǒng)和卷繞機構(gòu)的速度控制系統(tǒng)。該卷繞機的張力控制系統(tǒng)以交流伺服電機為驅(qū)動，以高精度電位器作為反饋檢測裝置，以 PLC主控。速度控制系統(tǒng)廈門大學工程碩士學位論文 14 同樣以交流伺服電機為驅(qū)動，以高反應(yīng)速度的接近開關(guān)加 4缺口碼盤為計數(shù)和速度反饋單元， PLC 主控。在此基礎(chǔ)上對控制系統(tǒng)進行數(shù)學建模。從理論上深層理解新能源電容卷繞機的張力控制內(nèi)涵，掌握張力控制的規(guī)律，摸索最優(yōu)的產(chǎn)品質(zhì)量和最快生產(chǎn)效率。 論文的結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章：緒論 主要介紹電容器行業(yè)的現(xiàn)狀 ，新能源金屬化膜電容卷繞機的研發(fā)背景和意義，最后介紹一下論文的機構(gòu)和章節(jié)中心內(nèi)容。 第二章： 建立該機 張力控制系統(tǒng)的 數(shù)學模型 ，討論傳統(tǒng) PID 張力控制方法和積分分離 PID 算法控制方法的優(yōu)劣， 分析卷繞 過程中張力值如何達到最優(yōu)以及其控制方法 。 第三章：分析 卷繞機 卷繞產(chǎn)品 的工藝 特點 ， 根據(jù) 張力控制系統(tǒng)的要求， 設(shè)計卷繞 機的速度控制曲線，并 設(shè)相關(guān) 形程序，實現(xiàn)速度曲線控制。 第四章：介紹實現(xiàn)張力控制系統(tǒng)和速度控制需要的各種執(zhí)行器件。 第五章：通過講解 PID 知識和 PLC 的 PID 指令，使用 PLC 實現(xiàn) PID 算法和實現(xiàn)最優(yōu)張力控制的相關(guān)知識。 第六章： 對 新能源金屬 化膜電容卷 繞 機控制 系統(tǒng)的 硬件進行設(shè)計，包括線路安全 設(shè)計和 人機 界面等設(shè)計 。 第七章：縱覽全文，對論文中的研究方法和取得進行進展進行匯總。 廈門大學工程碩士學位論文 15 第二章 張力控制數(shù)學模型 新能源電容卷繞機作為生產(chǎn)新能源電容的核心設(shè)備，其主要結(jié)構(gòu)包括張力控制系統(tǒng)、卷繞系統(tǒng)、電清潔系統(tǒng)、內(nèi)外封系統(tǒng)和人機界面系統(tǒng)。它的主要功能就是將兩張金屬化膜卷繞成一個素子，我們要求卷繞出來的所有素子具有高度的一致性，這就要求卷繞機的張力控制恒定。卷繞機的卷繞系統(tǒng)也是生產(chǎn)金屬化膜電容器的關(guān)鍵系統(tǒng)，它不但影響產(chǎn)品的質(zhì)量，同時也是高效率生產(chǎn)的關(guān)鍵。電清潔系統(tǒng)利用 大電流將金屬化膜上面的金屬層燃燒掉，它 主要保證兩張金屬化膜的 兩端 不會短路。內(nèi)外封系統(tǒng)利用電熱棒加熱 ， 控制兩張金屬化膜熱 封 成形。人機界面是人和機器交互的媒介，操 作者可以通過人機界面把各種參數(shù)設(shè)置進機臺，并通過人機界面操作控制機器，機器通過人機界面將所有信息顯示給操作者。 如圖 21 所示，新能源電容卷繞機每個素子的 生產(chǎn)過程都是通過兩個伺服電機牽引兩張金屬化膜， 電機 輸出的是 金屬 化膜 上面 的一個恒定張力，它由 電 位器采樣 ， 通過張力控制系統(tǒng)控制。 如圖 假設(shè) 擺臂 處于豎直位置，氣缸 對 擺臂的壓力為 F，力臂為 L， 薄膜導輪上的壓力 位 f，力臂為 l， 則金屬化膜上的 靜態(tài) 張力 為 ： 圖 21 卷繞機結(jié)構(gòu)簡圖 金屬 化 膜 電位器 氣缸 導輪 電容 素子 廈門大學工程碩士學位論文 16 2fl = FL (1) f = FL/2l (2) 卷繞 素子的 卷繞 系統(tǒng)也是一個伺服電機 通過 帶動 卷針， 對金屬化膜進行卷繞，它主要通過控制 電機的 轉(zhuǎn)速來 實現(xiàn)金屬 化膜的膜速 控制。 在 整個 生產(chǎn)周期，金屬化膜 的 膜速 經(jīng)歷 了低速 、勻加速、 高速 、 勻減速等過程 ， 穩(wěn)定的膜速控制是 生產(chǎn)高質(zhì)量金屬化膜素子 的 重要保證。 傳統(tǒng) PID 控制模式下的放 卷系統(tǒng)受力分析和數(shù)學模型 如圖 22 是放 卷張力 控制 系統(tǒng)簡化 以后的 模型 ，角度傳感器（電位器）固定在擺臂上，當擺臂在豎直方向時，電位器輸出 0V 電壓，當擺臂左右擺動時，電位器輸出對應(yīng)的 ﹢ 的電壓。電位器的電壓信號被控制器采集，經(jīng)過運算輸出 010V 的電壓控制伺服電機，伺服電機處于扭力控制模式，不同的電壓輸出不同大小的扭力。為金屬化膜的線速度（ m/s） ,r 為卷芯的半徑 (m),R 為材料的半徑（ m） ,???為放卷盤的轉(zhuǎn)速。 放卷盤速度不變轉(zhuǎn)動時，按照相關(guān)公式有 ： ????????????????????????????????????????FR – T =βω (3) 因此，可以推導出靜止狀態(tài)下的公式： F = (T+βω )/R (4) 電位器 控 制 器 電 機 圖 22 放 卷張力 控制 系統(tǒng)簡化模型 V R r T 010V 電壓 W 廈門大學工程碩士學位論文 17 F 是金屬化膜上的張力， R 為薄膜材料的實時半徑， T 是伺服電機輸出的轉(zhuǎn)矩，β是材料轉(zhuǎn)盤的摩擦阻力系數(shù)，ω為材料轉(zhuǎn)盤的角速度。由公式（ 4）可知，只需要保持 T+βω和半徑 R的比值恒定，就可以保證薄膜張力的恒定。 新能源電容卷繞機在生產(chǎn)的過程中經(jīng)常要進行加減速，當材料轉(zhuǎn)盤在薄膜加減速或者受到干擾時，得到的動態(tài)平衡方程為： FR – T = βω + J (5) J為放卷材料盤加材料的轉(zhuǎn)動慣量。 由公式（ 3）、（ 4）、（ 5）可以得到： F = (T+βω +J dω /dt)/ (6) 由公式（ 6）可以看出，放卷材料盤加材料的轉(zhuǎn)動慣量 J、材料的角速度ω、加速度、以及材料的實時半徑 R 都對張力有影響，如此多的變量加大了張力控制系統(tǒng)的控制難度，給系統(tǒng)的設(shè)計帶來了巨大的難度。 金屬化膜線速度 對張力的影響 ????材料膜放卷一圈需要一定時間，且材料薄膜非常薄，故可以將材料的實時半徑 R在一定的時間內(nèi)看作定值， 我們采用控制變量法來研究薄膜速度變化的影響因素，首先假設(shè)轉(zhuǎn)動變量 J為固定值 用 dt 來代表時間的增加量， dl表示薄膜增加長度， dr代表材料半徑的增加量， H代表薄膜材料的厚度 ，薄膜材料的線速度為 ??則薄膜材料端面積增量為： ?????????????????????????ds = dl X h = 2π RdR = ?Hdt 則： dR/dt = vH/2π R (7) 根據(jù)角速度公式 ω = v/R,則有： dω /dt = dω /dR dR/dt =v/R^2 vH/2π R =(v^2 H)/(2π R^3)(8) 把公式（ 8）代入公式（ 5）可以得到： FR – T = J + β ??R (9) 公式（ 9）中 J = π Hρ ,其中ρ為占積率。代入公式（ 9）中可以得到： FR – T = π Hρ + β ??R = R+ β ??R (10) 廈門大學工程碩士學位論文 18 F = + β ?? (11) 從公式（ 11）可以看出， 當控制其他因素不變時，薄膜的線速度與張力之間成正比，薄膜線速度的變化同時帶動薄膜張力產(chǎn)生同樣的變化。 金屬化膜材料半徑 R 實時變化 對張力的影響 ???????新能源電容卷繞機在生產(chǎn)的過程中，材料盤的實時半徑隨著生產(chǎn)的進行不斷減小，直至用完后再換上新的材料。材料半徑 R的變化會導致薄膜上的張力也發(fā)生變化，隨著材料的消耗轉(zhuǎn)動慣量 J 也會逐漸變小。 如圖 22， J0代表電動機與轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動慣量， J(t)表示薄膜材料的轉(zhuǎn)動慣量 J(t) = J0 + (R4(t) – r4) (12) 其中： b 是薄膜材料的寬度，是薄膜材料的密度。將公式（ 12）代入公式（ 9）中可以得到： F = – (J0 + (R4(t) – r4))+ β ??????????? (13) 在上式中 b、和 H 為不變值，因此可得： F = – (J0 + K1(R4(t) – r4))+ β ??????????? (14) 上試中 K1=π bρ /2, K = H/2π 由公式（ 14）可以看出，薄膜的所收到的張力 F受到卷繞過程中薄膜材料半徑 R(t)和薄膜線速度 ?影響的同時，還與材料掛盤的轉(zhuǎn)動慣量 J0，以及材料的初始卷繞半徑、金屬化膜材料的密度有關(guān)。 金屬化膜材料張力擾動的分析 在生產(chǎn)過程中，金屬化膜材料半徑的實時變化和薄膜線速度所收到的干擾是影響張力控制的最主要因素，因此我們在設(shè)計新能源金屬化膜卷繞機的張力控制系統(tǒng)的時候，應(yīng)該重點考慮金屬化膜材料半徑的魯棒性以及克服線速度沖擊帶來的干擾。 將公式（ 14）進行變形，便可以得到薄膜張力的擾動方程式：