電池供電割草機的控制方法
2023-12-06 19:02:31 3
專利名稱：電池供電割草機的控制方法
技術領域：
本發明涉及一種以電池供電的割草機，具體涉及一種對割草機電池用電量 進行控制的方法。
背景技術：
割草機根據使用對象分商用和家用兩種，商用機用於園林廣場、公路、運 動場、機場、大學等大、中型草坪，要求割草機具有壽命長、割草速率髙、質 量好等特點；家用機用於家庭割草，對院落草坪進行修整，有持續工作時間較 短、切割質量要求不髙等特點。
現有技術中，大部分的割草機都採用交流電源供電，因而不需要考慮供電 電源的控制問題。隨著電池技術的發展，方便使用的可充電式電池開始被應用 於割草機上，並呈現出快速發展的趨勢。目前直流割草機的工作組成方式主要 有兩種適於家用的電池直接拖動有刷直流電機和適於商用的電池通過換相器 拖動無刷直流電機。
在充電後的放電過程中，電池的工作電壓會隨著工作時間的延長而降低， 也會隨著工作電流的變化而變化，工作電流大時相對工作電壓低，工作電流小 時工作電壓髙，特別是在後期，電壓受電流的影響較大。而割草機的工作原理 是靠髙速旋轉的刀片將草割倒， 一般情況下，割草機要工作在一定的轉速下， 切割較輕鬆，感覺會比較好，轉速太髙是浪費，轉速太低，切割較為吃力，感 覺會不好也就是說在草況一定的情況下，割草機要工作在一定電壓下才比較 合理，電壓過髙形成浪費，電壓過低無法切割；換言之，當草況不同時就需要 切換合理的供電電壓。
由電池供電驅動的前述兩種電機，均存在上述電池供電電量分配的缺陷 在電池開始電量充裕的階段，電池電壓髙，電機轉速髙，割草感覺好，但消耗 的電流比較大；到電池電量的中段，電壓有所下降，電機轉速也下降，割草的 感覺一般，消耗電流稍微減少；到電池電量的後段，電池電壓下降，電機轉速降低，相比前兩個階段，電流會很小，此時割草的感覺就很差了。可見，目前 用於割草機上的電池電量控制方法均無法實現針對草況而切換供電電壓，因而
在商用機上，由於割草面積大、質量高而消耗電量大，且無法保持長時間、持 續的切割感覺，影響電池正常被使用的壽命(在後段電量時便需充電或更換) 及切割質量(切割均勻性差)；而在家用機上，作業面積不大，對切割質量也 一般，但前段消耗電量過大，而增加了電池的充放電次數，降低了電池的使用 周期，增加家用機的使用成本。
發明內容
本發明目的是提供一種電池供電割草機的控制方法，使用該方法可延長電 池使用壽命，提商切割質量，降低使用成本。
為達到上述目的，本發明採用的技術方案是 一種電池供電割草機的控制 方法，對電池的輸入電壓進行採樣，將採樣信號輸入脈寬調製裝置中，由脈寬 調製裝置調整輸出脈衝信號的佔空比，該信號經驅動電路放大後，控制串接於 電池與電機間電子開關的導通與關斷，由此控制電機的轉動速度；其中，在所 述脈寬調製裝置中預先設定輸入電壓和輸出脈衝信號的佔空比之間的關係，使 得輸入電壓較髙時，輸出脈衝信號佔空比較小；輸入電壓較低時，輸出脈衝信 號佔空比較大，從而使電機轉速保持在目標轉速的±2%變化範圍內。
脈寬調製裝置(PWM)的輸出脈衝信號是由一列佔空比不同的矩形脈衝構 成，先由PWM中的波形發生器產生等寬的脈衝波形，然後通過輸入的電壓反饋 信號(電壓採樣)調整其輸出脈衝信號的佔空比，輸出具有所需要脈寬的脈衝 信號。上述技術方案中，利用脈寬調製裝置調整輸出脈衝信號的佔空比，由脈 衝的高、低電平交替控制電子開關的導通與關斷，其中佔空比影響電子開關導 通或是關斷的延時時間，由於電機為慣性負載，在被切斷電源後還能隨慣性轉 動，由此實現對電機轉速的控制。使用時，當電池電量充裕時，採樣電壓比額 定值髙，PWM便將佔空比調小，縮短電子開關導通時間，進而電機通電旋轉的 時間縮短，由此降低輸出功率，減小對電量的消耗；當電池電量下降時，採樣 電壓小於額定值，PWM將佔空比調大，延長電子開關導通時間，也就延長了電 機通電旋轉的時間，提升輸出功率，維持割草機的正常切割。如此經過PWM的調整，使電機的輸出功率在電池電量髙或低時，均保持在預設輸出功率上下 2%範圍，保證割草機長時間在基本恆速的狀態下工作，延長電池的使用時間， 提髙切割的質量。其中，所述預先設定輸入電壓和輸出脈衝信號的佔空比之間 的關係，本領域技術人員可以採用多種現有技術實現，例如，採用單片機系統， 在單片機內設定多個預設輸入電壓點，對應每個預設點設定一個佔空比值，通 過查表方式確定兩者間的關係；或者，採用具有反向關係的比較器，根據輸電 壓值輸出對應佔空比的脈衝信號，等等通過對佔空比的控制，實現對輸出功 率的限制。
進一步的技術方案，所述脈寬調製裝置內設有檔位電路，通過檔位電路對 電阻分壓調節輸入所述脈寬調製裝置內的電壓值，使脈寬調製裝置調整輸出脈 衝信號的佔空比，進而調節輸出功率的大小。檔位電路的接入，通過電阻分壓， 改變輸入脈寬調製裝置(PWM)的電壓有效值，由此改變PWM的額定值， 使用者可根據正在切割的草況而選擇適當的額定值，從而改變佔空比，控制輸 出功率。當調至髙速檔位時，佔空比大，電機以大功率進行輸出，得最好的割 草感受；當調至較低檔位時，佔空比變小，電機輸出功率下降，割草感受下降， 但能獲得較大的割草面積，或者可適用草況較好的草坪使用。
另一種技術方案是，所述脈寬調製裝置為帶有程序的可編程晶片，同時對 電池輸出電流進行採樣，結合電池電壓採樣信號和電流採樣信號，由晶片內程 序根據輸入的採樣值自動調整輸出脈衝信號的佔空比，以調節輸出功率的大 小，進而改變電機轉速。
或者，所述脈寬調製裝置為帶有程序的可編程晶片，同時對電機轉速進行 採樣，結合電池電壓採樣信號和電機轉速採樣信號，由晶片內程序根據輸入的 採樣值自動調整輸出脈衝信號的佔空比，以調節輸出功率的大小，進而改變電 機轉速。
上述兩種方式均以預先存入晶片內的軟體自動調整輸出脈衝信號的佔空 比，從而實時適應測得的採樣信號(輸出電流或電機轉速)，自動調整電機輸 出功率，延長電池使用壽命。
由於上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點
1.本發明通過採樣輸入電壓，採樣值輸入脈寬調製裝置內進行比較，調整輸出脈衝信號的佔空比，從而控制串接於電池與電機間的電子開關的導通或 是斷開，進而控制電機的轉動速度，當電池電量充裕時，減小佔空比，降低輸 出功率，反之則增大輸出功率，穩定輸出功率在額定值附近，使電機在電池較 低電量時亦可正常工作，延長電池使用壽命，提高割草質量及切割面積；
2. 由於設置檔位電路，通過分壓電阻實現對輸入脈寬調製裝置的電壓高 低進行調整，改變額定值，使佔空比根據使用者需要而進行調節，當高檔位時 提髙輸出功率，提供良好的切割感受，適於草況較差的草坪，而在低檔位時則 降低輸出功率，適於草況較好或作業面積較大的草坪，使割草機更能符合使用 者的需要；
3. 脈寬調製裝置採用帶有程序的可編程晶片，根據實時測得的輸出電流 或是電機轉速信號，由軟體控制輸出脈衝信號的佔空比，自動調整電機輸出功 率，延長電池使用壽命。
圖1是本發明實施例一的電路結構示意圖； 圖2是本發明實施例二的電路結構示意圖； 圖3是本發明實施例三的電路結構示意圖； 圖4是本發明實施例四的電路結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述.-
實施例一一種電池供電割草機的控制方法，對電池的輸入電壓進行採樣， 將採樣信號輸入脈寬調製裝置中，由脈寬調製裝置調整輸出脈衝信號的佔空 比，該信號經驅動電路放大後，控制串接於電池與電機間電子開關的導通與關 斷，由此控制電機的轉動速度；當採樣信號超出脈寬調製裝置內額定值時，減 小輸出脈衝信號佔空比，輸出功率下降；當採樣信號低於脈寬調製裝置內額定 值時，增大輸出脈衝信號佔空比，輸出功率上升，從而使電機轉速保持在目標 轉速的±2%變化範圍內。
參見圖1所示，本實施例中的電機為無刷直流電機，圖中元件U2(LM7815)，R21， C21， C22構成了該電路的電源部分，自電池處引出電流，輸出15V的VCC 電壓給本電路相關部分供電；圖中Ul (MC33035)單片機及其周邊元器件構成 了脈寬調製裝置(PWM發生器)和無刷電機換相發生器，該晶片4， 5， 6腳接 收無刷電機的霍爾信號，根據霍爾信號輸出換相信號；根據ll腳輸入的電壓 信號進行PWM的佔空比調製，該11腳與檔位電路相連接，檔位電路由J2、R01、 R02、 R03、 C02構成；由19腳，20腳，21腳輸出對三個橋臂的下臂的驅動信 號，由l腳，2腳，24腳輸出對三個橋臂的上臂的驅動信號，該6個信號已經 是經過位置霍爾和PWM調製的換相信號；圖中Ull， U12， U13 (均為IR2103) 及周邊元器件構成驅動電路，用於加強PWM信號和換相信號(上述6個信號)， 驅動髙速電子開關圖中Q01 Q06組成高速電子開關，用於根據PWM輸出脈 衝信號和換相信號控制電子開關的通斷，進而控制電機的通電與否。
在實際應用中，由使用者根據草況調整割草機上與J2相連的檔位開關
① 當調至髙速檔位時，電池電壓以100%佔空比加在電機上，使電機以最 大功率進行輸出，從而得到最好的割草感受；
② 當調至中速檔位時，電池電壓被PWM調製部分調製，始終輸出在某一個 值附近，使電機在該草況下以中速旋轉，在兼顧割草感受的同時，獲得比較大 些的割草面積；
③ 當調至低速檔位時，電池電壓被PWM調製，使電機以更低的電壓工作， 在草況比較好割的情況下，獲得最大的割草面積。
由於在實際使用中，大多數情況下，草況都比較好割，因此在選用低速檔 的情況下，同樣的電機和電池，可以有效節省電池能量，獲得更大的割草面積。
實施例二本實施例的控制方法與實施例一相類似，不同點在於本實施 例中的脈寬調製裝置為帶有程序的可編程晶片，將對電池輸出電流的採樣值輸 入該晶片內，由晶片內程序根據輸入的採樣值自動調整輸出脈衝信號的佔空 比，進而調節輸出功率的大小，以調節電機轉速。
如圖2所示圖中元件U2 (LM7815), U3 (LM7805)及其周邊元件構成了 該電路的電源部分，輸出15V和5V的VCC電壓給本電路相關部分供電；圖中 U0(PIC16F72)單片機及其周邊元器件構成了 PWM發生器和無刷電機換相發生 器，該晶片利用軟體模式進行PWM調製和換相；電池電壓信號經過分壓後輸入單片機的2腳，工作電流信號經過U4 (LM324)放大後輸入單片機的3腳；電 機的位置霍爾信號輸入單片機的15, 16, 17腳，作為軟體進行換相的依據； 單片機的23, 24, 25, 26, 27， 28腳輸出了對三個橋臂的上下臂的驅動信號， 該信號是經過PWM調整的換相信號；圖中Ull, U12, U13 (均為IR2103)及周 邊元器件構成驅動電路，用於加強PWM及換相信號，驅動髙速電子開關；圖中 Q01 Q06 (P75NF75)組成髙速電子開關，用於根據PWM輸出脈衝信號控制電 子開關的通斷，進而控制電機的通電與否，對加在電機線圈上的電壓進行PWM
在實際應用中，由軟體根據輸入電壓，輸出電流的參數，自動調整輸出脈 衝信號的佔空比，以達到草況比較難割時，採用髙佔空比提髙割草感受，草況 比較好割時採用低佔空比，延長割草時間的目的。
實施例三一種電池供電割草機的控制方法，對電池的輸入電壓進行採樣， 將採樣信號輸入脈寬調製裝置中，由脈寬調製裝置調整輸出脈衝信號的佔空 比，該信號經驅動電路放大後，控制串接於電池與電機間電子開關的導通與關 斷，由此控制電機的轉動速度；當採樣信號超出脈寬調製裝置內額定值時，減 小輸出脈衝信號佔空比，輸出功率下降；當採樣信號低於脈寬調製裝置內額定 值時，增大輸出脈衝信號佔空比，輸出功率上升，從而使電機轉速保持在目標 轉速的±2%變化範圍內。
參見圖3所示，本實施例中的電機為有刷電機，圖中元件U1 (LM7815), Rl， CO, Cl構成了該電路的電源部分，輸出VCC電壓給本電路相關部分供電； 圖中U2C (LM339), R4， R5, R6, R7， R8和C3利用比較器原理構成簡單的三 角波發生器，在U2C的8腳形成三角波，該三角波的頻率由R4, R8和C3決定； 圖中U2D (LM339)是一個比較器，連接11腳的是U2C形成的三角波，連接10
腳的是由輸入電壓分壓形成的一個電壓值，當該電壓值髙於三角波電壓值時， 13腳輸出低電平，當該電壓低於三角波電壓值時，13腳輸出高電平；髙電平 輸出在整個周期中所佔時間即為佔空比；整個U2C， U2D及其相關部分構成了 PWM發生部分；圖中R9， R10, QOl， Q02構成驅動電路，用於加強PWM信號， 驅動髙速電子開關；圖中Q1， Q2， Q3 (P75NF75)並聯組成髙速電子開關，用 於根據PWM輸出脈衝信號控制電子開關的通斷，進而控制電機的通電與否；圖
8中Dl主要用於吸收電機的反峰電壓脈衝，防止電機的反峰脈衝損壞MOS管。
在本實施中，使用者根據草況調整割草機上與Jl相連的檔位開關，實現 對佔空比的調節。
實施例四本實施例的控制方法與實施例三相類似，不同點在於本實施 例中的所述脈寬調製裝置為帶有程序的可編程晶片，將對電機轉速的檢測值輸 入該晶片內，由晶片內程序根據輸入的檢測值自動調整輸出脈衝信號的佔空 比，進而調節電機轉速的大小。
如圖4所示，圖中元件U2(LM 7815), U3(LM7805)及其周邊元件構成了 該電路的電源部分，輸出15V和5V的VCC電壓給本電路相關部分供電；圖中 U0 (PIC16F72)， U4A (LM324), U4B (LM324)利用軟體形成了 PWM發生器，具 體的原理是PIC16F72為一個單片機，電池的電壓經過分壓後輸入該單片機2 腳，經過A/D轉換後，單片機在程序上對輸出的PWM進行調製28腳輸出經 過軟體算法調製後的PWM波；U4構成了電流放大電路，經過U4放大的信號輸 入給單片機的3腳，經過A/D轉換後，提供給算法作負載情況的判斷；圖中 R9， RIO， Q01, Q02構成驅動電路，用於加強PWM信號，驅動髙速電子開關； 圖中Ql, Q2， Q3並聯組成髙速電子開關，用於根據PWM輸出脈衝信號控制電 子開關的通斷，進而控制電機的通電與否；圖中Dl主要用於吸收電機的反峰 電壓脈衝，防止電機的反峰脈衝損壞MOS管。
權利要求
1. 一種電池供電割草機的控制方法，其特徵在於對電池的輸入電壓進行採樣，將採樣信號輸入脈寬調製裝置中，由脈寬調製裝置調整輸出脈衝信號的佔空比，該信號經驅動電路放大後，控制串接於電池與電機間電子開關的導通與關斷，由此控制電機的轉動速度；其中，在所述脈寬調製裝置中預先設定輸入電壓和輸出脈衝信號的佔空比之間的關係，使得輸入電壓較高時，輸出脈衝信號佔空比較小；輸入電壓較低時，輸出脈衝信號佔空比較大，從而使電機轉速保持在目標轉速的±2％變化範圍內。
2. 根據權利要求1所述的電池供電割草機的控制方法，其特徵在於所 述脈寬調製裝置內設有檔位電路，通過檔位電路對電阻分壓調節輸入所述脈寬 調製裝置內的電壓值，使脈寬調製裝置調整輸出脈衝信號的佔空比，以調節輸 出功率的大小，進而改變電機轉速。
3. 根據權利要求1所述的電池供電割草機的控制方法，其特徵在於所 述脈寬調製裝置為帶有程序的可編程晶片，同時對電池輸出電流進行採樣，結 合電池電壓採樣信號和電流採樣信號，由晶片內程序根據輸入的採樣值自動調 整輸出脈衝信號的佔空比，以調節輸出功率的大小，進而改變電機轉速。
4. 根據權利要求1所述的電池供電割草機的控制方法，其特徵在於所 述脈寬調製裝置為帶有程序的可編程晶片，同時對電機轉速進行採樣，結合電 池電壓採樣信號和電機轉速採樣信號，由晶片內程序根據輸入的採樣值自動調 整輸出脈衝信號的佔空比，以調節輸出功率的大小，進而改變電機轉速。
全文摘要
本發明公開了一種電池供電割草機的控制方法，其特徵在於對電池的輸入電壓進行採樣，將採樣信號輸入脈寬調製裝置中，由脈寬調製裝置調整輸出脈衝信號的佔空比，該信號經驅動電路放大後，控制串接於電池與電機間電子開關的導通與關斷，由此控制電機的轉動速度；其中，在所述脈寬調製裝置中預先設定輸入電壓和輸出脈衝信號的佔空比之間的關係，使得輸入電壓較高時，輸出脈衝信號佔空比較小；輸入電壓較低時，輸出脈衝信號佔空比較大，從而使電機轉速保持在目標轉速的±2％變化範圍內。本發明通過將輸入電壓採樣值輸入PWM後，調整其輸出脈衝信號的佔空比，實現對電機轉速的控制，穩定輸出功率，延長電池使用的壽命。
文檔編號H02P7/18GK101447757SQ20081024415
公開日2009年6月3日 申請日期2008年12月12日 優先權日2008年12月12日
發明者傑 楊 申請人:蘇州星恆電源有限公司