CN107493041A - 多路电机控制系统与控制方法及自助金融设备 - Google Patents

Abstract

一种多路电机控制系统及自助金融设备，系统包括ARM主控单元和FPGA单元；所述ARM主控单元通过片上主AXI接口与所述FPGA单元通信并进行控制参数配置及状态查询，且通过中断及相关状态寄存器获取电机动作执行结果；所述FPGA单元包括驱动各个电机实现开环控制的驱动控制器，以及控制相应的所述驱动控制器驱动相应的电机实现相互配合的闭环控制的组合控制器。提供了一个简化系统的设计架构，在此基础上可方便的增减电机个数，扩展方便；此方法在FPGA侧实现了相关电机的基本驱动，同时实现了更上层组合控制的应用功能，提升模块复用度；模块层次清晰，降低系统复杂度。

Description

多路电机控制系统与控制方法及自助金融设备

技术领域

本发明属于电机控制领域，尤其涉及一种多路电机控制系统与控制方法及自助金融设备。

背景技术

目前，自助金融机器内存在较多的电机，包括步进电机、直流无刷电机、直流有刷电机等，且每类电机的数量及各自具体功能均不同，若架构设计或模块划分不合理，将使设计及后期维护极为复杂。

如目前的控制结构中普遍都采用FPGA(Field－Programmable Gate Array)，现场可编程门阵列)进行接口和外设扩展，而一些常用通信接口如以太网、USB等接口等则需要采用ARM(Acorn RISC Machine)芯片进行扩展，为提高运算速度有些则采用一些并不十分适合电机控制的芯片等等，这些方式虽然在一定程度上能够解决问题，但这不仅增加了系统的复杂度，降低了可靠性，也使得硬件成本、开发维护成本增加许多。目前虽然有基于FPGA的电机控制算法提出，但也仅仅局限于算法层面，并没有对整个控制系统给出方案。而SoC(System on Chip，片上系统)-FPGA方面虽然有文献描述了其在电机控制方面的应用，但并没有提出对如何实现基于SoC-FPGA的单片控制可行的应用方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多路电机控制系统与控制方法，旨在解决目前的基于FPGA的电机控制系统架构不合理的问题。

一种多路电机控制系统，包括ARM主控单元和FPGA单元；

所述ARM主控单元通过片上主AXI(AXI(Advanced eXtensible Interface，总线协议)接口与所述FPGA单元通信并进行控制参数配置及状态查询，且通过中断及相关状态寄存器获取电机动作执行结果；

所述FPGA单元包括：用于与所述ARM主控单元通讯的从AXI接口，以及多个与所述从AXI接口通讯连接、用于驱动各个电机实现开环控制的驱动控制器，以及与所述从AXI接口和所述驱动控制器通讯连接、用于控制相应的所述驱动控制器驱动相应的电机实现相互配合的闭环控制的组合控制器。

进一步地，所述组合控制器包括：

第一寄存器单元，与所述从AXI接口通讯连接，用于相应电机的控制参数配置、动作控制及状态查询，以及发出控制相应电机相互配合工作的第二控制命令；

组合控制状态机，与所述第一寄存器单元、所述驱动控制器和传感器连接，根据所述第二控制命令以及所述传感器的检测信息控制相应电机相互配合工作。

进一步地，所述驱动控制器包括：

第二寄存器单元，与所述从AXI接口通讯连接，用于配置相应电机的运行参数并发出控制相应所述电机启停的第一控制命令；

接口切换单元，与所述第二寄存器单元和所述组合控制器连接，接收所述第一控制命令和所述组合控制器发出的第二控制命令，用于选择将所述第一控制命令或所述第二控制命令输出；及

电机驱动单元，与所述接口切换单元和所述电机连接，用于根据所述第一控制命令或所述第二控制命令控制所述电机工作。

进一步地，所述驱动控制器还包括运行异常检测单元，所述运行异常检测单元与检测所述电机状态的传感器以及所述电机驱动单元连接以获取运行信号，并将异常运行信号传输给所述第二寄存器单元和/或组合控制状态机。

此外，还提供了一种多路电机控制方法，所述方法基于一ARM主控单元以及与所述ARM主控单元通信的FPGA单元，所述方法包括：

所述FPGA单元接收ARM主控单元的命令，根据该命令对所述FPGA单元进行控制参数配置及状态查询；其中，包括驱动各个电机实现开环控制，以及驱动相应的电机实现相互配合的闭环控制的组合控制器；

所述ARM主控单元与所述FPGA单元通过中断及相关状态寄存器获取电机动作执行结果。

此外，还提供了一种自助金融设备，包括多个电机，以及上述的多路电机控制系统。

上述的多路电机控制系统与控制方法提供了一个简化系统的设计架构，在此基础上可方便的增减电机个数，扩展方便；此方法在FPGA侧实现了相关电机的基本驱动，同时实现了更上层组合控制的应用功能，提升模块复用度；模块层次清晰，降低系统复杂度。

附图说明

图1为本发明较佳实施例提供的多路电机控制系统的结构示意图；

图2为图1所示的多路电机控制系统中组合控制器的结构示意图；

图3为图1所示的多路电机控制系统中驱动控制器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明较佳实施例提供的多路电机控制系统的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：多路电机控制系统可应用于具有多个电机的自助金融设备，控制系统基于SoC-FPGA，包括ARM主控单元(PS侧)和FPGA单元(PL侧)。

ARM主控单元通过片上主AXI接口与FPGA单元通信并进行控制参数配置及状态查询，且通过中断及相关状态寄存器获取电机动作执行结果。具体地，ARM主控单元访问FPGA单元内寄存器，实现对FPGA单元各控制器的控制，并可通过中断及相关状态寄存器获取动作执行结果。

FPGA单元包括：用于与ARM主控单元通讯的从AXI接口、多个驱动控制器和至少一个组合控制器。AXI接口单元完成AXI总线到本地总线的转换。每个驱动控制器与从AXI接口通讯连接，PS侧可对其进行控制参数配置及状态查询，驱动控制器是一个应用环境无关的单元，即每个驱动控制器驱动各个电机(M)实现开环控制。组合控制器和从AXI接口和驱动控制器通讯连接，PS侧可对其进行控制参数配置及状态查询，组合控制器则是与应用环境相关，组合控制器用于控制相应的驱动控制器驱动相应的电机实现相互配合的闭环控制的组合控制器。

更具体地，驱动控制器主要完成外部电机控制时序及控制算法的实现，主动完成启动、停止等与外部应用环境无关的功能。因与外部环境无关，对于同一类电机而言，此模块是复用的。

组合控制器的功能则更加上层，组合的含义是指电机与传感器或其它电机组合，即与电机的应用环境有关，如完成钞门打开动作，钞门对应的电机转动，同时检测相关传感器，以达到控制钞门打开的目的。对于有些电机如通道电机，没有组合动作，因此不存在组合控制模块，相应的传感器1也不存在，故图中以虚线表示。由于各电机的应用场景不同，相应的组合控制器实现也不同。

请参与图2，在一个实施方式中，组合控制器包括第一寄存器单元和组合控制状态机。第一寄存器单元与从AXI接口通讯连接，用于相应电机的控制参数配置、动作控制及状态查询，以及发出控制相应电机相互配合工作的第二控制命令；组合控制状态机与第一寄存器单元、驱动控制器和传感器(第1类传感器)连接，根据第二控制命令以及传感器的检测信息控制相应电机相互配合工作。

第一寄存器单元可通过AXI接口访问，实现组合控制参数配置、动作控制及状态查询；组合控制状态机根据相关指令，实现对电机的组合控制。传感器用于监控运行状态及运行位置，异常运行信号指示组合控制器在发生异常时，应当立即停止电机。组合动作可能为控制某个机构达到指令位置，当组合动作正常完成或异常终止时，控制器上报中断到CPU(PS)通知指令执行结果。

请参与图3，在一个实施方式中，驱动控制器包括第二寄存器单元、接口切换单元以及电机驱动单元。

第二寄存器单元与从AXI接口通讯连接，用于配置相应电机的运行参数并发出控制相应电机启停的第一控制命令；接口切换单元与第二寄存器单元和组合控制器连接，接收第一控制命令和组合控制器发出的第二控制命令，用于选择将第一控制命令或第二控制命令输出；电机驱动单元与接口切换单元和电机连接，用于根据第一控制命令或第二控制命令控制电机工作。

对于不同类型的电机而言，驱动控制器的框架相当于一个通用模版，而如果对于同一类电机而言，如步进电机，则调用同一模块即可，如步进电机之间也有差异，只需要通过参数化进行差异配置即可。图3电机驱动单元主要完成外部电机控制时序及控制算法的实现，第二寄存器单元可直接控制电机参数配置及启动、停止等控制，同时电机驱动也受到组合控制器的控制，以完成开、关钞门等具体应用的动作，接口切换单元则完成指令的切换，接口切换单元就相当于一个切换开关，用于切换电机的单器件控制模式和组合控制模式，以使指令不发生混乱。

进一步地，驱动控制器还包括运行异常检测单元，运行异常检测单元与检测电机状态的传感器(第2类传感器)以及电机驱动单元连接以获取运行信号，并将异常运行信号传输给第二寄存器单元和/或组合控制状态机。

通常，如果电机时序已经产生，但电机确没有转，这就有问题了，因此电机驱动控制器内部同时集成了一个运行异常检测单元，主要功能是检测电机运行是否异常，如电机损坏，电机堵转等。外部的传感器为电机动作检测相关的传感器。由于此模块对于不同的电机而言也是可通用的，因此放入电机驱动控制器内，以使模块复用。同时由于有些电机不存在或不需要运行检测，可通道配置参数，不生成此模块即可。异常运行信号同时要输出给组合控制器，当产生异常时，组合控制器可能需要进行相应处理。

此外，还提供了一种一种多路电机控制方法，方法基于一ARM主控单元以及与ARM主控单元通信的FPGA单元，方法包括：

FPGA单元接收ARM主控单元的命令，根据该命令对FPGA单元进行控制参数配置及状态查询；其中，包括驱动各个电机实现开环控制，以及驱动相应的电机实现相互配合的闭环控制的组合控制器；

ARM主控单元与FPGA单元通过中断及相关状态寄存器获取电机动作执行结果。

上述的多路电机控制系统与控制方法提供了一个简化系统的设计架构，在此基础上可方便的增减电机个数，扩展方便；此方法在FPGA侧实现了相关电机的基本驱动，同时实现了更上层组合控制的应用功能，提升模块复用度；模块层次清晰，降低系统复杂度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多路电机控制系统，其特征在于，包括ARM主控单元和FPGA单元；

所述ARM主控单元通过片上主AXI接口与所述FPGA单元通信并进行控制参数配置及状态查询，且通过中断及相关状态寄存器获取电机动作执行结果；

所述FPGA单元包括：用于与所述ARM主控单元通讯的从AXI接口，以及多个与所述从AXI接口通讯连接、用于驱动各个电机实现开环控制的驱动控制器，以及与所述从AXI接口和所述驱动控制器通讯连接、用于控制相应的所述驱动控制器驱动相应的电机实现相互配合的闭环控制的组合控制器。

2.如权利要求1所述的多路电机控制系统，其特征在于，所述组合控制器包括：

第一寄存器单元，与所述从AXI接口通讯连接，用于相应电机的控制参数配置、动作控制及状态查询，以及发出控制相应电机相互配合工作的第二控制命令；

组合控制状态机，与所述第一寄存器单元、所述驱动控制器和传感器连接，根据所述第二控制命令以及所述传感器的检测信息控制相应电机相互配合工作。

3.如权利要求2所述的多路电机控制系统，其特征在于，所述驱动控制器包括：

第二寄存器单元，与所述从AXI接口通讯连接，用于配置相应电机的运行参数并发出控制相应所述电机启停的第一控制命令；

接口切换单元，与所述第二寄存器单元和所述组合控制器连接，接收所述第一控制命令和所述组合控制器发出的第二控制命令，用于选择将所述第一控制命令或所述第二控制命令输出；及

电机驱动单元，与所述接口切换单元和所述电机连接，用于根据所述第一控制命令或所述第二控制命令控制所述电机工作。

4.如权利要求3所述的多路电机控制系统，其特征在于，所述驱动控制器还包括运行异常检测单元，所述运行异常检测单元与检测所述电机状态的传感器以及所述电机驱动单元连接以获取运行信号，并将异常运行信号传输给所述第二寄存器单元和/或组合控制状态机。

5.一种多路电机控制方法，其特征在于，所述方法基于一ARM主控单元以及与所述ARM主控单元通信的FPGA单元，所述方法包括：

所述FPGA单元接收ARM主控单元的命令，根据该命令对所述FPGA单元进行控制参数配置及状态查询；其中，包括驱动各个电机实现开环控制，以及驱动相应的电机实现相互配合的闭环控制的组合控制器；

所述ARM主控单元与所述FPGA单元通过中断及相关状态寄存器获取电机动作执行结果。

6.一种自助金融设备，包括多个电机，其特征在于，还包括权利要求1至4任一项所述的多路电机控制系统。