CN104935220B - 一种atm循环机芯钞箱分钞机构的电机控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种ATM循环机芯钞箱分钞机构的电机控制系统及控制方法，它是一种控制作为ATM循环机芯钞箱分钞机构电机的空心杯电机的控制系统，根据检测到的电机转速，判断与期望的转速的差距，如果实际转速大于期望转速，则通过减少FPGA芯片产生的控制电机工作的PWM信号的占空比的方式对电机减速，如果实际转速小于期望转速，则通过增加FPGA芯片产生的控制电机工作的PWM信号的占空比的方式对电机增速。本发明中利用一个电机转速传感器实时测量电机的转速，通过与目标速度比较，对PWM信号的占空比进行设定，可以很快使电机的转速达到目标转速。

Description

一种ATM循环机芯钞箱分钞机构的电机控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，特别涉及一种用于ATM循环机芯钞箱分钞机构中的空心杯直流无刷电机的控制方法及控制系统。

背景技术

ATM循环机芯的钞箱分钞机构选用空心杯直流无刷电机作为动力，主要是基于结构安装空间限制考虑，根据经验数据和测算，钞票分离的可靠扭矩要求达到600mNm,能满足这种输出力矩步进电机安装尺寸上就达不到钞箱机构安装空间狭小的要求，所以必选择其他类型的电机，评估了普通的碳刷直流电机也达不到安装尺寸的要求。

空心杯电动机具有以下特点，节能特性：能量转换效率很高，其最大效率一般在70％以上，部分产品可达到90％以上(铁芯电动机一般在70％)；控制特性：起动、制动迅速，响应极快，机械时间常数小于28毫秒，部分产品可以达到10毫秒以内(铁芯电动机一般在100毫秒以上)；在推荐运行区域内的高速运转状态下，可以方便地对转速进行灵敏的调节；拖动特性：运行稳定性十分可靠，转速的波动很小，作为微型电动机其转速波动能够容易的控制在2％以内。

另外，空心杯电动机的能量密度大幅度提高，与同等功率的铁芯电动机相比，其重量、体积减轻1/3-1/2，所以说空心杯电机代表了电动机的发展方向。

空心杯直流无刷电机应用于ATM循环机芯钞箱分钞机构内，主要提供给钞票分离的动力。在实际的应用开发过程中，有不同档位速度运行要求，比如用于分离钞票动作的高速运行(入钞10圈/s,出钞8圈/s)，用于出钞或入钞前初始化动作的低速运行(1-2圈/s)，后者主要主要用来实现分钞机构内舌片对位和橡胶轮对位动作，由于电机实际运行过程中转子惯性的原因，往往会导致分离轴翼轮的光电检测有过冲的现象，即使控制上双桥驱动芯片使用刹车功能，只能减少翼轮过冲的行程，同时因为结构装配摩擦负载的差异性，过冲的角度量因为钞箱不同而不同，所以在这种情况下就不能有效的控制翼轮对位的精度。

发明内容

本发明的目的针对目前空心杯直流无刷电机应用于ATM循环机芯钞箱分钞机构内不能有效的控制翼轮对位的精度的不足，提供一种ATM循环机芯钞箱分钞机构的电机控制系统及控制方法。

本发明为达到其发明目的所采用的技术方案是：一种ATM循环机芯钞箱分钞机构的电机控制系统，包括PWM发生器，所述的PWM发生器产生PWM信号输入到H桥直流电机驱动器对电机进行驱动，还包括控制所述的PWM发生器产生的PWM的占空比的占空比控制器；所述的占空比控制器包括实时检测电机转速的电机转速传感器、目标转速设定模块、PWM占空比增减量设定模块、初始占空比设定模块，实时PWM占空比设定模块；所述的PWM占空比增减量设定模块中按顺序存储有所有的PWM发生器的PWM占空比的选项；所述的初始占空比设定模块设定所述的PWM发生器所产生的PWM信号的初始占空比；所述的电机转速传感器测量电机的实时转速；所述的目标转速设定模块设置电机的目标转速；所述的实时占空比设定模块通过比较实时转速与目标转速，若实时转速小于目标转速，则从所述的PWM占空比增减量设定模块选择较小的PWM占空比选项；否则从所述的PWM占空比增减量设定模块中选择较大的PWM占空比选项。

本发明中利用一个电机转速传感器实时测量电机的转速，通过与目标速度比较，对PWM信号的占空比进行设定，可以很快使电机的转速达到目标转速。

进一步的，上述的ATM循环机芯钞箱分钞机构的电机控制系统中：所述的电机转速传感器包括红外槽型传感器和栅格光栅码盘；所述的栅格光栅码盘与所述的电机输出轴同步转动，为72栅格光栅码盘，所述的红外槽型传感器输出是光栅码盘每个栅格所经历的时钟数。

这样只要计算红外槽型传感器两个上升沿之间的时钟数就可以获得电机转速，计算方便简洁。

进一步的，上述的ATM循环机芯钞箱分钞机构的电机控制系统中：所述的电机为空心杯直流无刷电机。

本发明还提供了一种ATM循环机芯钞箱分钞机构的电机控制方法，利用加入到电机H桥直流电机驱动器的PWM信号的占空比来实现对电机的控制，电机带动ATM循环机芯钞箱的分钞轮和分离轮旋转，在分钞轮上设置橡胶作为摩擦部摩擦钞票带动钞票进箱和出箱，与分离轮同轴舌片对进入到钞箱堆叠的钞票进行拍打，使进入到钞箱的钞票摆放整齐；利用固定在分离轴上的72栅格光栅码盘，配合槽型光电传感器检测分离轴的旋转对位情况，所述的72栅格光栅码盘的缺角和橡胶或舌片形成固定相位差，控制过程包括以下步骤：

当钞票从上部通道进入钞箱时，控制电机带动分离轴以低速转动1个无固定角度，使舌片刚好隐藏；然后电机以正常转速进入正式接钞阶段；

当钞票从钞箱出来进入上部通道时，控制电机带动分钞轴以低速转动1个无固定角度，使橡胶刚好正对钞箱内部当前钞票；然后电机以正常转速进入正式的出钞阶段。

进一步的，上述的的ATM循环机芯钞箱分钞机构的电机控制方法中：所述的舌片刚好隐藏、橡胶刚好正对钞箱内部当前钞票的动作通过72栅格光栅码盘检测来实现。

进一步的，上述的的ATM循环机芯钞箱分钞机构的电机控制方法中：对电机低转速或者正常转速的控制是通过改变PWM信号的占空比使电机转速趋于稳定的，包括以下步骤：

步骤A、设定一个初始的占空比的PWM信号，输入到H桥直流电机驱动器对电机进行驱动；

步骤B、检测电机的实时转速；

步骤C、比较电机的实时转速与目标转速，如果实时转速大于目标转速，则按照预定的步伐减小PWM信号的占空比，转向步骤B，如果实时转速小于目标转速，则按照预定的步伐增加PWM信号的占空比，转向步骤B。

进一步的，上述的的ATM循环机芯钞箱分钞机构的电机控制方法中：

所述的步骤B中检测电机实时转速是通过槽型光电传感器检测翼轮光栅，对光栅栅格进行计数来表示的，利用计算两个光栅的上升沿之间的采样时钟个数来表示电机转速的。

进一步的，上述的的ATM循环机芯钞箱分钞机构的电机控制方法中：在检测光栅的上升沿时，若超过设定时间，还未检测到光栅的上升沿，则结束本次检测，设定一个低速值为本次检测的电机实时转速。

进一步的，上述的的ATM循环机芯钞箱分钞机构的电机控制方法中：控制电机带动分离轴以低速转动1个无固定角度时的转速为走钞速度是1.4张钞票时的电机转速，电机以正常转速进入正式接钞阶段的走钞速度为每秒8张钞票时的电机转速；电机以正常转速进入正式的出钞阶段的走钞速度为每秒10张钞票时的电机转速。

下面对比附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。

附图说明

图1、本发明的系统框图。

图2、本发明实施例直流电机PWM脉宽调制控制系统框图。

图3、本发明分钞机构机械原理图。

图4、本发明实施例的PWM状态处理流程图(一)。

图5、本发明实施例的PWM状态处理流程图(二)。

图6、为使用了本发明的控制方法后电机转速的变化趋势图。

具体实施方式

实施例1，本实施例是一种对ATM机中循环机芯的电机进行控制的控制系统，如图1所示，本控制系统包括PWM发生器，PWM发生器产生PWM信号输入到H桥直流电机驱动器对电机进行驱动，还包括控制PWM发生器产生的PWM的占空比的占空比控制器；占空比控制器包括实时检测电机转速的电机转速传感器、目标转速设定模块、PWM占空比增减量设定模块、初始占空比设定模块，实时PWM占空比设定模块；其中除电机转速传感器外，其它模块可以采用一块FPGA芯片实现，在FPGA芯片中，通过接收作为电机转速传感器的光电传感器的实时电机转速，可以产生控制PWM发生器的PWM信号占空比，控制PWM发生器。

电机转速传感器如图2所示，它是由红外槽传感器2和72栅格光栅码盘1组成的整流速度反馈器，72栅格光栅码盘1与电机转速随动，电机工作时，它随着电机旋转，此时，红外槽传感器2将输出脉冲信号，两个脉冲信号上升沿或者下降沿之间的时间就是一个栅格的时间，本实施例中，可以用时钟个数来确定时间长短，如果两个脉冲信号上升沿之间的时钟个数多则表明转速较慢，如果两个脉冲信号上升沿之间的时钟个数少则表明转速较快。

本实施例的FPGA芯片中，PWM占空比增减量设定模块中按顺序存储有所有的PWM发生器的PWM占空比的选项；初始占空比设定模块设定PWM发生器所产生的PWM信号的初始占空比；电机转速传感器测量电机的实时转速；目标转速设定模块设置电机的目标转速；实时占空比设定模块通过比较实时转速与目标转速，若实时转速小于目标转速，则从PWM占空比增减量设定模块选择较小的PWM占空比选项；否则从PWM占空比增减量设定模块中选择较大的PWM占空比选项。

直流电机脉宽调制(PWM)技术是一种比较常用的技术，本实施例中采用PWM调节实现对空心杯电机恒定速度控制和不同档位速度的可调，硬件组成资源和功能如下：

1)、红外槽型传感器2和72栅格光栅码盘1组成速度反馈；

2)、FPGA采集红外光电跳变信号计算电机转速；

3)、FPGA输出2相逻辑控制信号驱动通用H桥型马达驱器件(A4950)；

4)、2相逻辑控制信号逻辑组合可实现马达正转、反转、停止、快速停止功能；如图2所示。

钞箱分钞电机采用高性能定制型空心杯直流电机，具有转换效率高，功率大，响应快等特点，高频率的PWM波形对直流电机工作的稳定起着极其重要作用，特别在负载变化量大的调速系统中体现的优越性极其明显，频率越高运行越平稳。根据电机厂商提供参数，为避免共振，电压调节驱动方式合理的PWM调制频率是在20K-25K之间，电机速度的调整实际是对PWM波形输出占空比的调节。

当电机负载发生变化时，系统通过检测单个光栅信号来计算电机当前转速值，同时与目标转速设定模块设置电机的目标转速进行比较，本实施例中，PWM占空比增减量设定模块设定2档增减量，也就是对应2个区间的偏差值，比较结果决定PWM占空比增减量输出，PID调节电机转速，从而达到迅速调整电机转速稳定工作在目标转速值范围内的目的。FPGA系统内部进程工作在并行的状态下，各子进程相互独立，FPGA内部功能模块框架如图1所示。

用于检测电机转速的光栅码盘安装于分钞机构的分离轴上，也就相当于码盘转速等同分钞转速，系统对于钞箱分钞转速要求可调节的范围为：5-11张/s,计算如下：

光栅码盘总共有72个镂空栅格，每个栅格停留时间，包括遮挡部分和不遮挡部分，t＝1/x*72其中，x表示分钞转速。

目标分钞转速周期值计算如下(典型值)：

1.4张/s----------1/1.39*72＝1/100(s)1个栅格周期T＝1/100(s)；

8张/s-----------1/8*72＝1/576(s)1个栅格周期T＝1/576(s)；

10张/s-----------1/10*72＝1/720(s)1个栅格周期T＝1/720(s)；

目标分钞转速计数值(典型值)：

以1M时钟采样频率来计算光栅码盘每个栅格(包括遮挡和不遮挡部分)计数值：

1.4张/s----------------1个栅格时钟计数值CNT_T＝1M/100≈9980(pps)；

8张/s------------------1个栅格时钟计数值CNT_T＝1M/576≈1736(pps)；

10张/s-----------------1个栅格时钟计数值CNT_T＝1M/720≈1388(pps)；

另外为了达到减少电机启动瞬间的PWM调制的振荡幅度，根据实际的调试效果，初始占空比设定模块设定设定每种转速初始PWM占空比常量值VAR_C。

PWM占空比增减量设定模块：根据转速的偏差值Q(Q＝测量值-目标值)，组建成多档位输出的PWM调制增减量多路选择器，档位细分越多，Q值越小，那么控制的转速越接近于目标值。

ATM循环机芯的分钞机构机械原理图如图3所示，

分钞轮3：通过摩擦钞票进、出钞箱的动力机构组件。

分离轮.4用于多张钞的分离结构组件，只容许1张钞票进入机构内的通道。

舌片6用于钞票进入钞箱堆叠的拍打组件；

72栅格光栅码盘1：固定在分离轴上，缺角和橡胶或舌片形成固定相位差，配合槽型红外槽传感器2检测分离轴的旋转对位情况；红外槽传感器2是光电传感器的一种。

橡胶5主要是摩擦钞票用。

这里分离轴3和分钞轴4共用分钞电机1个动力，并产生联动。

钞票从上部通道进入钞箱前准备动作：分离轴以低速1.4张/s，因为高速会过冲，采用低速转动1个无固定角度，舌片刚好隐藏，此时不影响第1张钞票顺利进入，舌片隐藏动作通过72栅格光栅码盘1来实现，然后电机以10张/s转速进入正式接钞阶段；

钞票从钞箱出来进入上部通道前准备动作：分钞轴以低速1.4张/s转动1个无固定角度，橡胶刚好正对钞箱内部当前钞票，这样便于有效分钞，橡胶对位动作通过翼轮光栅检测来实现，然后电机以8张/s转速进入正式的出钞阶段。

速度采集，PWM脉宽调制状态机处理流程如图4所示：

设定电机以正常转速(8张/s或10张/s)来实现2个前准备动作，会存在栅格光栅码盘对位有过冲现象，即使H桥直流电机驱动器使能刹车(快速停止)功能，实际调试发现过冲角度还是达到40℃以上，由于橡胶对位转动负载相对舌片隐藏转动负载要轻，所以橡胶对位过冲角度更大，这种情况就会导致前准备动作初始化失败。

为了避免过冲，降低电机转速，发现转速降到1.4张/s舌片隐藏动作转动一个小角度就停止，这时栅格光栅码盘的检测还没到位，检测分析造成这种现象的原因是转动负载瞬间增大导致电机堵转，这时FPGA内部用来实现“速度采集，PWM脉宽调制状态机”的功能模块由于检测不到光栅的边沿跳变，一直处在边沿检测状态，无法跳转到脉宽调制状态。

为了解决以上直流电机低速低占空比而导致的低功率输出的问题，“速度采集，脉宽调制状态机”处理方式可借鉴软件容错性处理思维，分别在2个等待状态st1和st2中加入延时处理手段，处理流程修改如图5所示。

在2个边沿检测等待状态等待时间超过5ms,立即转入st3状态输出最大脉宽调制的增量值，经过实际的调试验证，FPGA代码实现以上处理流程和处理算法完全可行，实际的调试效果(实现舌片隐藏和橡胶对位动作)也完全满足要求，经过检测，以上2个动作过程完全是通过超时处理方式完成，所以说，1.4张/s速度概念在这种情况下已经失去了转速的意义，对于分钞的2个重要恒定转速如8张/s和10张/s的控制，这种实时反馈+超时处理方式经过实际大批量测试验证，即使是转动负载变化量大的情况下，速度输出也很稳定可靠，接下来完善优化工作是根据实际的负载情况调整Q值区间增减量的等级输出如下图6所示，以及调整或者细化超时的参数值，以求达到PWM调制更及时，实际速度更接近目标速度，所以说，这是一种低成本，简单，可靠，实用性更强的控制方式。

Claims (9)

1.一种ATM循环机芯钞箱分钞机构的电机控制方法，利用加入到电机H桥直流电机驱动器的PWM信号的占空比来实现对电机的控制，电机带动ATM循环机芯钞箱的分钞轮和分离轮旋转，在分钞轮上设置橡胶作为摩擦部摩擦钞票带动钞票进箱和出箱，与分离轮同轴舌片对进入到钞箱堆叠的钞票进行拍打，使进入到钞箱的钞票摆放整齐；其特征在于：利用固定在分离轴上的72栅格光栅码盘，配合槽型光电传感器检测分离轴的旋转对位情况，所述的72栅格光栅码盘（1）的缺角和橡胶或舌片形成固定相位差，控制过程包括以下步骤：

当钞票从上部通道进入钞箱时，控制电机带动分离轴以低速转动1个无固定角度，使舌片刚好隐藏；然后电机以正常转速进入正式接钞阶段；

当钞票从钞箱出来进入上部通道时，控制电机带动分钞轴以低速转动1个无固定角度，使橡胶刚好正对钞箱内部当前钞票；然后电机以正常转速进入正式的出钞阶段。

2.根据权利要求1所述的ATM循环机芯钞箱分钞机构的电机控制方法，其特征在于：所述的舌片刚好隐藏、橡胶刚好正对钞箱内部当前钞票的动作通过72栅格光栅码盘检测来实现。

3.根据权利要求1所述的ATM循环机芯钞箱分钞机构的电机控制方法，其特征在于：对电机低转速或者正常转速的控制是通过改变PWM信号的占空比使电机转速趋于稳定的，包括以下步骤：

步骤A、设定一个初始的占空比的PWM信号，输入到H桥直流电机驱动器对电机进行驱动；

步骤B、检测电机的实时转速；

步骤C、比较电机的实时转速与目标转速，如果实时转速大于目标转速，则按照预定的步伐减小PWM信号的占空比，转向步骤B，如果实时转速小于目标转速，则按照预定的步伐增加PWM信号的占空比，转向步骤B。

4.根据权利要求3所述的ATM循环机芯钞箱分钞机构的电机控制方法，其特征在于：

所述的步骤B中检测电机实时转速是通过槽型光电传感器检测翼轮光栅，对光栅栅格进行计数来表示的，利用计算两个光栅的上升沿之间的采样时钟个数来表示电机转速的。

5.根据权利要求4所述的ATM循环机芯钞箱分钞机构的电机控制方法，其特征在于：在检测光栅的上升沿时，若超过设定时间，还未检测到光栅的上升沿，则结束本次检测，设定一个低速值为本次检测的电机实时转速。

6.根据权利要求3所述的ATM循环机芯钞箱分钞机构的电机控制方法，其特征在于：控制电机带动分离轴以低速转动1个无固定角度时的转速为走钞速度是每秒1.4张钞票时的电机转速，电机以正常转速进入正式接钞阶段的走钞速度为每秒8张钞票时的电机转速；电机以正常转速进入正式的出钞阶段的走钞速度为每秒10张钞票时的电机转速。

7.一种根据权利要求1所述的ATM循环机芯钞箱分钞机构的电机控制方法的系统，包括PWM发生器，所述的PWM发生器产生PWM信号输入到H桥直流电机驱动器对电机进行驱动，其特征在于：

还包括控制所述的PWM发生器产生的PWM的占空比的占空比控制器；

所述的占空比控制器包括实时检测电机转速的电机转速传感器、目标转速设定模块、PWM占空比增减量设定模块、初始占空比设定模块，实时PWM占空比设定模块；所述的目标转速设定模块、PWM占空比增减量设定模块、初始占空比设定模块，实时PWM占空比设定模块采用一块FPGA芯片实现，在FPGA芯片中，通过接收电机转速传感器的实时电机转速，产生控制PWM发生器的PWM信号占空比，控制PWM发生器；

所述的PWM占空比增减量设定模块中按顺序存储有所有的PWM发生器的PWM占空比的选项；

所述的初始占空比设定模块设定所述的PWM发生器所产生的PWM信号的初始占空比；

所述的电机转速传感器测量电机的实时转速；

所述的目标转速设定模块设置电机的目标转速；

所述的实时占空比设定模块通过比较实时转速与目标转速，若实时转速小于目标转速，则从所述的PWM占空比增减量设定模块选择较小的PWM占空比选项；否则从所述的PWM占空比增减量设定模块中选择较大的PWM占空比选项。

8.根据权利要求7所述的ATM循环机芯钞箱分钞机构的电机控制方法的系统，其特征在于：所述的电机转速传感器包括红外槽型传感器和栅格光栅码盘；所述的栅格光栅码盘与所述的电机输出轴同步转动，为72栅格光栅码盘，所述的红外槽型传感器输出是光栅码盘每个栅格所经历的时钟数。

9.根据权利要求7所述的ATM循环机芯钞箱分钞机构的电机控制方法的系统，其特征在于：所述的电机为空心杯直流无刷电机。