這篇文章基於MPC05運動控製器設計了一種自動包裝秤控製器。該控製器在包裝時伺服電機按照一定的規律跟隨主軸電機運動，控製係統采用經典的比例，積分，微分（PID）的控製算法來實現對伺服電機的控製，該控製器係統不僅包裝出來的產品長度一致性好，而且還可以在線修改袋長和包裝速度。

一、引言
隨著計算機電力電子技術的發展，各個國家機電一體化產品層出不窮。機床、汽車、家用電器、包裝秤械、紡織機械、印刷機械等許多門類產品每年都有新的進展。機電一體化技術已越來越受到各方麵的關注，它在改善提高工作效率、人民生活、節約能源、增強企業競爭力等方麵起著極大的作用。
在包裝行業中，絕大多數包裝秤采用PLC來實現對橫封電機的控製，該方案采用模擬量進行速度跟隨主軸運動，使用這種控製器包裝的產品一致性不是特別理想，更重要的是包裝速度很難提高到200袋/分鍾以上的包裝速度，這不符合企業提高工作效率的迫切要求。為此，我們基於MPC05運動控製器設計了一種包裝秤稱重控製器，該套係統具備包裝產品質量高和包裝效率高的兩個重要特點，並且還具有色標跟蹤功能。

二、自動包裝秤工作原理
如圖一所示為一包裝秤的示意圖。8縱封輥筒由異步電機帶動即主軸電機，9熱封輥筒、10冷封輥筒、12切刀由一個伺服電機帶動即從軸電機。從軸電機要跟隨主軸做跟隨運動。其工作原理是MPC05運動控製器接收主軸編碼器信號，根據主軸編碼器的脈衝數按照一定的運動規律驅動伺服電機跟隨主軸作相應的跟隨運動，該伺服電機通過鏈傳動同時帶動熱封輥筒、冷封輥筒、切刀運動。
熱封輥筒軸以1：4的減速比裝有一個編碼器，用作閉環控製。該編碼器的值與伺服電機理論上應該走的距離進行比較進行PID調節，使從軸伺服電機跟隨主軸電機做全閉環的位置跟隨。


三、包裝秤控製器的設計
控製係統的控製器采用FPGA+DSP的方案，圖二為包裝控製器的結構圖，FLASH用於存儲DSP程序，多餘的空間可以用來存儲配置程序或加工程序以及係統工藝參數和現場數據。NANDFLASH大規模板上存儲，用於存儲配置數據、加工數據等。控製器的核心是DSP和FPGA，DSP實現CPU功能，FPGA實現控製功能和IO功能。
該控製器的加工文件可以通過RS232下載，或通過U盤拷貝，接收主軸編碼器反饋的信號以及從軸編碼器反饋信號，輸出的脈衝方向信號接伺服電機驅動器，I/O口接停機信號或開機信號等。兩個串口，其中，串口A為PC機接口，采用鬆下伺服的數據傳輸協議通訊。串口B為人機界麵接口，采用標準的Modbus協議通訊。

四、自動控製程序的設計
由於縱封輥筒和橫封輥筒周長相等都為300mm，橫封輥筒有4根筋，所以橫封輥筒每轉一轉可以定量包裝4袋產品。如果包裝的袋長為300/4=75mm，則屬於同步跟隨，即橫封縱封輥筒包裝一袋所走的距離相等。如果包裝袋長大於75mm，則橫封輥筒在非齧合區應該做減速運動，然後再升速到與主軸同步，準備下一次齧合，如果袋長小於75mm，則橫封輥筒在非齧合區應該做升速運動，然後再降速到與主軸同步，準備下一次齧合。在齧合區需要橫封和縱封輥筒同步運動，否則當橫封輥筒速度高於縱封輥筒的速度時，將會出現扯膜現象；當橫封輥筒速度低於縱封輥筒的速度時，將會出現堆膜的現象，這些現象將會影響加工產品的質量，嚴重的情況還可能將包裝膜扯斷。如圖三所示為從軸電機運動的模型。

設A代表主軸，B代表從軸。首先計算出A、B的周期長度（周期長度是指包裝一個袋子所需的脈衝數）以及同步係數，然後將A的周期分成如圖三橫坐標所示的5段，再根據A的5段的長度和同步係數，計算出異步係數，最後計算出B對應的5段的長度，即同步段，升（降）速段、異步段，降（升）速段和同步段，其中在第一個同步段橫封輥筒兩齒齧合，在中間的升降速段為適合不同的袋長要求實現變袋長，最後的一段很短的同步段是為了使進入下一個齧合的同步段更為平穩（這裏長度的單位均為脈衝數）。
對從軸的位置控製采用比較成熟的經典的PID控製。PID控製具有原理簡單、使用方便、適應性好等優點。我們這裏采用的是增量式PID控製算法。增量式PID控製有很多優點：
（1）由於計算機輸出增量，所以誤動作時影響小，必要時可采用邏輯判斷的方法去掉；
（2）算式中不需要累加，控製增量的確定，僅與最近k次的采樣值有關，所以較容易通過加權處理而獲得比較好的控製效果。
PID控製器是一種線性調節器，它把設定值（各段從軸應該發的脈衝數）與實際輸出值（從軸編碼器值）相減，得到控製偏差，的比例係數（P）、積分係數（I）和微分係數（D）通過線性組合構成控製變量（伺服電機的脈衝頻率）。控製變量的增量的計算公式為：

式中，T為采樣周期，K為比例係數，加大比例係數K可以減小穩態誤差，但當K過大時，會使動態質量變差，導致包裝係統不穩定。TI為積分常數，TI越大積分作用越弱，積分環節的加入，能消除靜態誤差，使係統趨於穩定。TD為微分係數，微分控製的作用可以改善係統的動態特性，提高控製精度，但TD偏大或偏小時，都會使超調量增大，調節時間加長。
由於該係統采用恒定的采樣周期T，一旦確定了K、TI、TD這三個控製參數，就可以確定控製變量，我們已經在現場調試導出了這三個參數的值。

五、定量自動包裝秤控製器的功能
此自動包裝係統采用EasyView作為人機界麵，界麵友好豐富，適用於包裝秤操作現場工作。控製器中外圍設備和核心器件均采用工業級產品，保證了包裝秤使用過程中的安全穩定可靠性。簡單的基礎參數設置，可以分別設置包裝速度，包裝袋長、袋長參數、PID係數等參數。其中，對於固定的輥筒，袋長常數是一定的。如輥筒周長為300mm，該輥筒有四根筋，則袋長常數為75mm。
該包裝秤控製器可在線修改袋長和包裝速度，包裝速度範圍是20-200袋/分，包裝袋長範圍是40-160毫米。係統的從軸電機選用鬆下中慣量750瓦交流伺服電機，采用精確的伺服位置控製方式，傳動連續，定位準確，低速特性相當優良，在硬件上就保證了係統控製的精確度。所以該係統包裝出來的產品長度一致性好，誤差也很小，誤差範圍在±1mm以內。包裝速度高，精度好是該控製器係統的最大的特點。
一鍵設定色標跟蹤方式，對設定錯誤能自動監測。光標定位精度高，對光電眼要求低，降低廠家配套和維護成本。無論處於跟色狀態還是數控狀態定長，均能夠自動監測斷紙，斷紙自動停機。跟色包裝時采用模糊容錯技術，允許個別漏印色標，自動進行跟蹤補償。此外，該包裝係統還有自動計數的功能，所有工作參數自動記憶保存。

六、結束語
實用效果表明，這裏研製的自動定量包裝秤控製器可廣泛適用於各類液體、粘稠體、粉末及顆粒物料等相關行業產品的製袋充填包裝。目前該包裝係統已經成功用於包裝方便麵內包裝，袋裝洗發水，大米包裝，食品包裝等應用場合，運行穩定，包裝產品一致性很好。尤其對於方便麵內包裝，對包裝袋誤差的要求不是特別嚴格，而尤其要求200袋/分以上的包裝速度，使用該自動包裝秤控製器不僅減少了人力、物力，而且大大提高了生產率。
 

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