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這篇文章基于MPC05運動控制器設(shè)計了一種自動包裝秤控制器。該控制器在包裝時伺服電機按照一定的規(guī)律跟隨主軸電機運動，控制系統(tǒng)采用經(jīng)典的比例，積分，微分（PID）的控制算法來實現(xiàn)對伺服電機的控制，該控制器系統(tǒng)不僅包裝出來的產(chǎn)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(shù)的發(fā)展，各個國家機電一體化產(chǎn)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(chǎn)品每年都有新的進(jìn)展。機電一體化技術(shù)已越來越受到各方面的關(guān)注，它在改善提高工作效率、人民生活、節(jié)約能源、增強企業(yè)競爭力等方面起著極大的作用。
在包裝行業(yè)中，絕大多數(shù)包裝秤采用PLC來實現(xiàn)對橫封電機的控制，該方案采用模擬量進(jìn)行速度跟隨主軸運動，使用這種控制器包裝的產(chǎn)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/分鐘以上的包裝速度，這不符合企業(yè)提高工作效率的迫切要求。為此，我們基于MPC05運動控制器設(shè)計了一種包裝秤稱重控制器，該套系統(tǒng)具備包裝產(chǎn)品質(zhì)量高和包裝效率高的兩個重要特點，并且還具有色標(biāo)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運動控制器接收主軸編碼器信號，根據(jù)主軸編碼器的脈沖數(shù)按照一定的運動規(guī)律驅(qū)動伺服電機跟隨主軸作相應(yīng)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(huán)控制。該編碼器的值與伺服電機理論上應(yīng)該走的距離進(jìn)行比較進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，使從軸伺服電機跟隨主軸電機做全閉環(huán)的位置跟隨。


三、包裝秤控制器的設(shè)計
控制系統(tǒng)的控制器采用FPGA+DSP的方案，圖二為包裝控制器的結(jié)構(gòu)圖，F(xiàn)LASH用于存儲DSP程序，多余的空間可以用來存儲配置程序或加工程序以及系統(tǒng)工藝參數(shù)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)。NANDFLASH大規(guī)模板上存儲，用于存儲配置數(shù)據(jù)、加工數(shù)據(jù)等?？刂破鞯暮诵氖荄SP和FPGA，DSP實現(xiàn)CPU功能，F(xiàn)PGA實現(xiàn)控制功能和IO功能。
該控制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，輸出的脈沖方向信號接伺服電機驅(qū)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，采用松下伺服的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議通訊。串口B為人機界面接口，采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議通訊。

四、自動控制程序的設(shè)計
由于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(zhuǎn)一轉(zhuǎn)可以定量包裝4袋產(chǎn)品。如果包裝的袋長為300/4=75mm，則屬于同步跟隨，即橫封縱封輥筒包裝一袋所走的距離相等。如果包裝袋長大于75mm，則橫封輥筒在非嚙合區(qū)應(yīng)該做減速運動，然后再升速到與主軸同步，準(zhǔn)備下一次嚙合，如果袋長小于75mm，則橫封輥筒在非嚙合區(qū)應(yīng)該做升速運動，然后再降速到與主軸同步，準(zhǔn)備下一次嚙合。在嚙合區(qū)需要橫封和縱封輥筒同步運動，否則當(dāng)橫封輥筒速度高于縱封輥筒的速度時，將會出現(xiàn)扯膜現(xiàn)象；當(dāng)橫封輥筒速度低于縱封輥筒的速度時，將會出現(xiàn)堆膜的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象將會影響加工產(chǎn)品的質(zhì)量，嚴(yán)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(shè)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沖數(shù)）以及同步系數(shù)，然后將A的周期分成如圖三橫坐標(biāo)所示的5段，再根據(jù)A的5段的長度和同步系數(shù)，計算出異步系數(shù)，最后計算出B對應(yīng)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嚙合，在中間的升降速段為適合不同的袋長要求實現(xiàn)變袋長，最后的一段很短的同步段是為了使進(jìn)入下一個嚙合的同步段更為平穩(wěn)（這里長度的單位均為脈沖數(shù)）。
對從軸的位置控制采用比較成熟的經(jīng)典的PID控制。PID控制具有原理簡單、使用方便、適應(yīng)性好等優(yōu)點。我們這里采用的是增量式PID控制算法。增量式PID控制有很多優(yōu)點：
（1）由于計算機輸出增量，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，控制增量的確定，僅與最近k次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。
PID控制器是一種線性調(diào)節(jié)器，它把設(shè)定值（各段從軸應(yīng)該發(fā)的脈沖數(shù)）與實際輸出值（從軸編碼器值）相減，得到控制偏差，的比例系數(shù)（P）、積分系數(shù)（I）和微分系數(shù)（D）通過線性組合構(gòu)成控制變量（伺服電機的脈沖頻率）?？刂谱兞康脑隽康挠嬎愎綖椋?br />
式中，T為采樣周期，K為比例系數(shù)，加大比例系數(shù)K可以減小穩(wěn)態(tài)誤差，但當(dāng)K過大時，會使動態(tài)質(zhì)量變差，導(dǎo)致包裝系統(tǒng)不穩(wěn)定。TI為積分常數(shù)，TI越大積分作用越弱，積分環(huán)節(jié)的加入，能消除靜態(tài)誤差，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。TD為微分系數(shù)，微分控制的作用可以改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，提高控制精度，但TD偏大或偏小時，都會使超調(diào)量增大，調(diào)節(jié)時間加長。
由于該系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定了K、TI、TD這三個控制參數(shù)，就可以確定控制變量，我們已經(jīng)在現(xiàn)場調(diào)試導(dǎo)出了這三個參數(shù)的值。

五、定量自動包裝秤控制器的功能
此自動包裝系統(tǒng)采用EasyView作為人機界面，界面友好豐富，適用于包裝秤操作現(xiàn)場工作?？刂破髦型鈬O(shè)備和核心器件均采用工業(yè)級產(chǎn)品，保證了包裝秤使用過程中的安全穩(wěn)定可靠性。簡單的基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置，可以分別設(shè)置包裝速度，包裝袋長、袋長參數(shù)、PID系數(shù)等參數(shù)。其中，對于固定的輥筒，袋長常數(shù)是一定的。如輥筒周長為300mm，該輥筒有四根筋，則袋長常數(shù)為75mm。
該包裝秤控制器可在線修改袋長和包裝速度，包裝速度范圍是20-200袋/分，包裝袋長范圍是40-160毫米。系統(tǒng)的從軸電機選用松下中慣量750瓦交流伺服電機，采用精確的伺服位置控制方式，傳動連續(xù)，定位準(zhǔn)確，低速特性相當(dāng)優(yōu)良，在硬件上就保證了系統(tǒng)控制的精確度。所以該系統(tǒng)包裝出來的產(chǎn)品長度一致性好，誤差也很小，誤差范圍在±1mm以內(nèi)。包裝速度高，精度好是該控制器系統(tǒng)的最大的特點。
一鍵設(shè)定色標(biāo)跟蹤方式，對設(shè)定錯誤能自動監(jiān)測。光標(biāo)定位精度高，對光電眼要求低，降低廠家配套和維護(hù)成本。無論處于跟色狀態(tài)還是數(shù)控狀態(tài)定長，均能夠自動監(jiān)測斷紙，斷紙自動停機。跟色包裝時采用模糊容錯技術(shù)，允許個別漏印色標(biāo)，自動進(jìn)行跟蹤補償。此外，該包裝系統(tǒng)還有自動計數(shù)的功能，所有工作參數(shù)自動記憶保存。

六、結(jié)束語
實用效果表明，這里研制的自動定量包裝秤控制器可廣泛適用于各類液體、粘稠體、粉末及顆粒物料等相關(guān)行業(yè)產(chǎn)品的制袋充填包裝。目前該包裝系統(tǒng)已經(jīng)成功用于包裝方便面內(nèi)包裝，袋裝洗發(fā)水，大米包裝，食品包裝等應(yīng)用場合，運行穩(wěn)定，包裝產(chǎn)品一致性很好。尤其對于方便面內(nèi)包裝，對包裝袋誤差的要求不是特別嚴(yán)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制器不僅減少了人力、物力，而且大大提高了生產(chǎn)率。
 

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