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】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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】
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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I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I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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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I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。
[0018]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】
[0019]图1、本发明的系统框图。
[0020]图2、本发明实施例直流电机PWM脉宽调制控制系统框图。
[0021]图3、本发明分钞机构机械原理图。
[0022]图4、本发明实施例的PWM状态处理流程图(一)。
[0023]图5、本发明实施例的PWM状态处理流程图(二)。
[0024]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】
[0025]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P丽信号占空比，控制PWM发生器。
[0026]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I组成的整流速度反馈器，72栅格光栅码盘I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。
[0027]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。
[0028]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2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所不O
[0029]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。
[0030]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PW