CN101447757A - 电池供电割草机的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池供电割草机的控制方法，其特征在于：对电池的输入电压进行采样，将采样信号输入脉宽调制装置中，由脉宽调制装置调整输出脉冲信号的占空比，该信号经驱动电路放大后，控制串接于电池与电机间电子开关的导通与关断，由此控制电机的转动速度；其中，在所述脉宽调制装置中预先设定输入电压和输出脉冲信号的占空比之间的关系，使得输入电压较高时，输出脉冲信号占空比较小；输入电压较低时，输出脉冲信号占空比较大，从而使电机转速保持在目标转速的±2％变化范围内。本发明通过将输入电压采样值输入PWM后，调整其输出脉冲信号的占空比，实现对电机转速的控制，稳定输出功率，延长电池使用的寿命。

Description

电池供电割草机的控制方法

技术领域

本发明涉及一种以电池供电的割草机，具体涉及一种对割草机电池用电量进行控制的方法。

背景技术

割草机根据使用对象分商用和家用两种，商用机用于园林广场、公路、运动场、机场、大学等大、中型草坪，要求割草机具有寿命长、割草速率高、质量好等特点；家用机用于家庭割草，对院落草坪进行修整，有持续工作时间较短、切割质量要求不高等特点。

现有技术中，大部分的割草机都采用交流电源供电，因而不需要考虑供电电源的控制问题。随着电池技术的发展，方便使用的可充电式电池开始被应用于割草机上，并呈现出快速发展的趋势。目前直流割草机的工作组成方式主要有两种：适于家用的电池直接拖动有刷直流电机和适于商用的电池通过换相器拖动无刷直流电机。

在充电后的放电过程中，电池的工作电压会随着工作时间的延长而降低，也会随着工作电流的变化而变化，工作电流大时相对工作电压低，工作电流小时工作电压高，特别是在后期，电压受电流的影响较大。而割草机的工作原理是靠高速旋转的刀片将草割倒，一般情况下，割草机要工作在一定的转速下，切割较轻松，感觉会比较好，转速太高是浪费，转速太低，切割较为吃力，感觉会不好；也就是说在草况一定的情况下，割草机要工作在一定电压下才比较合理，电压过高形成浪费，电压过低无法切割；换言之，当草况不同时就需要切换合理的供电电压。

由电池供电驱动的前述两种电机，均存在上述电池供电电量分配的缺陷：在电池开始电量充裕的阶段，电池电压高，电机转速高，割草感觉好，但消耗的电流比较大；到电池电量的中段，电压有所下降，电机转速也下降，割草的感觉一般，消耗电流稍微减少；到电池电量的后段，电池电压下降，电机转速降低，相比前两个阶段，电流会很小，此时割草的感觉就很差了。可见，目前用于割草机上的电池电量控制方法均无法实现针对草况而切换供电电压，因而在商用机上，由于割草面积大、质量高而消耗电量大，且无法保持长时间、持续的切割感觉，影响电池正常被使用的寿命(在后段电量时便需充电或更换)及切割质量(切割均匀性差)；而在家用机上，作业面积不大，对切割质量也一般，但前段消耗电量过大，而增加了电池的充放电次数，降低了电池的使用周期，增加家用机的使用成本。

发明内容

本发明目的是提供一种电池供电割草机的控制方法，使用该方法可延长电池使用寿命，提高切割质量，降低使用成本。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电池供电割草机的控制方法，对电池的输入电压进行采样，将采样信号输入脉宽调制装置中，由脉宽调制装置调整输出脉冲信号的占空比，该信号经驱动电路放大后，控制串接于电池与电机间电子开关的导通与关断，由此控制电机的转动速度；其中，在所述脉宽调制装置中预先设定输入电压和输出脉冲信号的占空比之间的关系，使得输入电压较高时，输出脉冲信号占空比较小；输入电压较低时，输出脉冲信号占空比较大，从而使电机转速保持在目标转速的±2％变化范围内。

脉宽调制装置(PWM)的输出脉冲信号是由一列占空比不同的矩形脉冲构成，先由PWM中的波形发生器产生等宽的脉冲波形，然后通过输入的电压反馈信号(电压采样)调整其输出脉冲信号的占空比，输出具有所需要脉宽的脉冲信号。上述技术方案中，利用脉宽调制装置调整输出脉冲信号的占空比，由脉冲的高、低电平交替控制电子开关的导通与关断，其中占空比影响电子开关导通或是关断的延时时间，由于电机为惯性负载，在被切断电源后还能随惯性转动，由此实现对电机转速的控制。使用时，当电池电量充裕时，采样电压比额定值高，PWM便将占空比调小，缩短电子开关导通时间，进而电机通电旋转的时间缩短，由此降低输出功率，减小对电量的消耗；当电池电量下降时，采样电压小于额定值，PWM将占空比调大，延长电子开关导通时间，也就延长了电机通电旋转的时间，提升输出功率，维持割草机的正常切割。如此经过PWM的调整，使电机的输出功率在电池电量高或低时，均保持在预设输出功率上下2％范围，保证割草机长时间在基本恒速的状态下工作，延长电池的使用时间，提高切割的质量。其中，所述预先设定输入电压和输出脉冲信号的占空比之间的关系，本领域技术人员可以采用多种现有技术实现，例如，采用单片机系统，在单片机内设定多个预设输入电压点，对应每个预设点设定一个占空比值，通过查表方式确定两者间的关系；或者，采用具有反向关系的比较器，根据输电压值输出对应占空比的脉冲信号，等等；通过对占空比的控制，实现对输出功率的限制。

进一步的技术方案，所述脉宽调制装置内设有档位电路，通过档位电路对电阻分压调节输入所述脉宽调制装置内的电压值，使脉宽调制装置调整输出脉冲信号的占空比，进而调节输出功率的大小。档位电路的接入，通过电阻分压，改变输入脉宽调制装置(PWM)的电压有效值，由此改变PWM的额定值，使用者可根据正在切割的草况而选择适当的额定值，从而改变占空比，控制输出功率。当调至高速档位时，占空比大，电机以大功率进行输出，得最好的割草感受；当调至较低档位时，占空比变小，电机输出功率下降，割草感受下降，但能获得较大的割草面积，或者可适用草况较好的草坪使用。

另一种技术方案是，所述脉宽调制装置为带有程序的可编程芯片，同时对电池输出电流进行采样，结合电池电压采样信号和电流采样信号，由芯片内程序根据输入的采样值自动调整输出脉冲信号的占空比，以调节输出功率的大小，进而改变电机转速。

或者，所述脉宽调制装置为带有程序的可编程芯片，同时对电机转速进行采样，结合电池电压采样信号和电机转速采样信号，由芯片内程序根据输入的采样值自动调整输出脉冲信号的占空比，以调节输出功率的大小，进而改变电机转速。

上述两种方式均以预先存入芯片内的软件自动调整输出脉冲信号的占空比，从而实时适应测得的采样信号(输出电流或电机转速)，自动调整电机输出功率，延长电池使用寿命。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明通过采样输入电压，采样值输入脉宽调制装置内进行比较，调整输出脉冲信号的占空比，从而控制串接于电池与电机间的电子开关的导通或是断开，进而控制电机的转动速度，当电池电量充裕时，减小占空比，降低输出功率，反之则增大输出功率，稳定输出功率在额定值附近，使电机在电池较低电量时亦可正常工作，延长电池使用寿命，提高割草质量及切割面积；

2.由于设置档位电路，通过分压电阻实现对输入脉宽调制装置的电压高低进行调整，改变额定值，使占空比根据使用者需要而进行调节，当高档位时提高输出功率，提供良好的切割感受，适于草况较差的草坪，而在低档位时则降低输出功率，适于草况较好或作业面积较大的草坪，使割草机更能符合使用者的需要；

3.脉宽调制装置采用带有程序的可编程芯片，根据实时测得的输出电流或是电机转速信号，由软件控制输出脉冲信号的占空比，自动调整电机输出功率，延长电池使用寿命。

附图说明

图1是本发明实施例一的电路结构示意图；

图2是本发明实施例二的电路结构示意图；

图3是本发明实施例三的电路结构示意图；

图4是本发明实施例四的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：一种电池供电割草机的控制方法，对电池的输入电压进行采样，将采样信号输入脉宽调制装置中，由脉宽调制装置调整输出脉冲信号的占空比，该信号经驱动电路放大后，控制串接于电池与电机间电子开关的导通与关断，由此控制电机的转动速度；当采样信号超出脉宽调制装置内额定值时，减小输出脉冲信号占空比，输出功率下降；当采样信号低于脉宽调制装置内额定值时，增大输出脉冲信号占空比，输出功率上升，从而使电机转速保持在目标转速的±2％变化范围内。

参见图1所示，本实施例中的电机为无刷直流电机，图中元件U2(LM7815)，R21，C21，C22构成了该电路的电源部分，自电池处引出电流，输出15V的VCC电压给本电路相关部分供电；图中U1(MC33035)单片机及其周边元器件构成了脉宽调制装置(PWM发生器)和无刷电机换相发生器，该芯片4，5，6脚接收无刷电机的霍尔信号，根据霍尔信号输出换相信号；根据11脚输入的电压信号进行PWM的占空比调制，该11脚与档位电路相连接，档位电路由J2、R01、R02、R03、C02构成；由19脚，20脚，21脚输出对三个桥臂的下臂的驱动信号，由1脚，2脚，24脚输出对三个桥臂的上臂的驱动信号，该6个信号已经是经过位置霍尔和PWM调制的换相信号；图中U11，U12，U13(均为IR2103)及周边元器件构成驱动电路，用于加强PWM信号和换相信号(上述6个信号)，驱动高速电子开关；图中Q01～Q06组成高速电子开关，用于根据PWM输出脉冲信号和换相信号控制电子开关的通断，进而控制电机的通电与否。

在实际应用中，由使用者根据草况调整割草机上与J2相连的档位开关：

①当调至高速档位时，电池电压以100％占空比加在电机上，使电机以最大功率进行输出，从而得到最好的割草感受；

②当调至中速档位时，电池电压被PWM调制部分调制，始终输出在某一个值附近，使电机在该草况下以中速旋转，在兼顾割草感受的同时，获得比较大些的割草面积；

③当调至低速档位时，电池电压被PWM调制，使电机以更低的电压工作，在草况比较好割的情况下，获得最大的割草面积。

由于在实际使用中，大多数情况下，草况都比较好割，因此在选用低速档的情况下，同样的电机和电池，可以有效节省电池能量，获得更大的割草面积。

实施例二：本实施例的控制方法与实施例一相类似，不同点在于：本实施例中的脉宽调制装置为带有程序的可编程芯片，将对电池输出电流的采样值输入该芯片内，由芯片内程序根据输入的采样值自动调整输出脉冲信号的占空比，进而调节输出功率的大小，以调节电机转速。

如图2所示：图中元件U2(LM7815)，U3(LM7805)及其周边元件构成了该电路的电源部分，输出15V和5V的VCC电压给本电路相关部分供电；图中UO(PIC16F72)单片机及其周边元器件构成了PWM发生器和无刷电机换相发生器，该芯片利用软件模式进行PWM调制和换相；电池电压信号经过分压后输入单片机的2脚，工作电流信号经过U4(LM324)放大后输入单片机的3脚；电机的位置霍尔信号输入单片机的15，16，17脚，作为软件进行换相的依据；单片机的23，24，25，26，27，28脚输出了对三个桥臂的上下臂的驱动信号，该信号是经过PWM调整的换相信号；图中U11，U12，U13(均为IR2103)及周边元器件构成驱动电路，用于加强PWM及换相信号，驱动高速电子开关；图中Q01～Q06(P75NF75)组成高速电子开关，用于根据PWM输出脉冲信号控制电子开关的通断，进而控制电机的通电与否，对加在电机线圈上的电压进行PWM调制。

在实际应用中，由软件根据输入电压，输出电流的参数，自动调整输出脉冲信号的占空比，以达到草况比较难割时，采用高占空比提高割草感受，草况比较好割时采用低占空比，延长割草时间的目的。

实施例三：一种电池供电割草机的控制方法，对电池的输入电压进行采样，将采样信号输入脉宽调制装置中，由脉宽调制装置调整输出脉冲信号的占空比，该信号经驱动电路放大后，控制串接于电池与电机间电子开关的导通与关断，由此控制电机的转动速度；当采样信号超出脉宽调制装置内额定值时，减小输出脉冲信号占空比，输出功率下降；当采样信号低于脉宽调制装置内额定值时，增大输出脉冲信号占空比，输出功率上升，从而使电机转速保持在目标转速的±2％变化范围内。

参见图3所示，本实施例中的电机为有刷电机，图中元件U1(LM7815)，R1，C0，C1构成了该电路的电源部分，输出VCC电压给本电路相关部分供电；图中U2C(LM339)，R4，R5，R6，R7，R8和C3利用比较器原理构成简单的三角波发生器，在U2C的8脚形成三角波，该三角波的频率由R4，R8和C3决定；图中U2D(LM339)是一个比较器，连接11脚的是U2C形成的三角波，连接10脚的是由输入电压分压形成的一个电压值，当该电压值高于三角波电压值时，13脚输出低电平，当该电压低于三角波电压值时，13脚输出高电平；高电平输出在整个周期中所占时间即为占空比；整个U2C，U2D及其相关部分构成了PWM发生部分；图中R9，R10，Q01，Q02构成驱动电路，用于加强PWM信号，驱动高速电子开关；图中Q1，Q2，Q3(P75NF75)并联组成高速电子开关，用于根据PWM输出脉冲信号控制电子开关的通断，进而控制电机的通电与否；图中D1主要用于吸收电机的反峰电压脉冲，防止电机的反峰脉冲损坏MOS管。

在本实施中，使用者根据草况调整割草机上与J1相连的档位开关，实现对占空比的调节。

实施例四：本实施例的控制方法与实施例三相类似，不同点在于：本实施例中的所述脉宽调制装置为带有程序的可编程芯片，将对电机转速的检测值输入该芯片内，由芯片内程序根据输入的检测值自动调整输出脉冲信号的占空比，进而调节电机转速的大小。

如图4所示，图中元件U2(LM7815)，U3(LM7805)及其周边元件构成了该电路的电源部分，输出15V和5V的VCC电压给本电路相关部分供电；图中UO(PIC16F72)，U4A(LM324)，U4B(LM324)利用软件形成了PWM发生器，具体的原理是：PIC16F72为一个单片机，电池的电压经过分压后输入该单片机2脚，经过A/D转换后，单片机在程序上对输出的PWM进行调制28脚输出经过软件算法调制后的PWM波；U4构成了电流放大电路，经过U4放大的信号输入给单片机的3脚，经过A/D转换后，提供给算法作负载情况的判断；图中R9，R10，Q01，Q02构成驱动电路，用于加强PWM信号，驱动高速电子开关；图中Q1，Q2，Q3并联组成高速电子开关，用于根据PWM输出脉冲信号控制电子开关的通断，进而控制电机的通电与否；图中D1主要用于吸收电机的反峰电压脉冲，防止电机的反峰脉冲损坏MOS管。

Claims (4)

1.一种电池供电割草机的控制方法，其特征在于：对电池的输入电压进行采样，将采样信号输入脉宽调制装置中，由脉宽调制装置调整输出脉冲信号的占空比，该信号经驱动电路放大后，控制串接于电池与电机间电子开关的导通与关断，由此控制电机的转动速度；其中，在所述脉宽调制装置中预先设定输入电压和输出脉冲信号的占空比之间的关系，使得输入电压较高时，输出脉冲信号占空比较小；输入电压较低时，输出脉冲信号占空比较大，从而使电机转速保持在目标转速的±2％变化范围内。

2.根据权利要求1所述的电池供电割草机的控制方法，其特征在于：所述脉宽调制装置内设有档位电路，通过档位电路对电阻分压调节输入所述脉宽调制装置内的电压值，使脉宽调制装置调整输出脉冲信号的占空比，以调节输出功率的大小，进而改变电机转速。

3.根据权利要求1所述的电池供电割草机的控制方法，其特征在于：所述脉宽调制装置为带有程序的可编程芯片，同时对电池输出电流进行采样，结合电池电压采样信号和电流采样信号，由芯片内程序根据输入的采样值自动调整输出脉冲信号的占空比，以调节输出功率的大小，进而改变电机转速。

4.根据权利要求1所述的电池供电割草机的控制方法，其特征在于：所述脉宽调制装置为带有程序的可编程芯片，同时对电机转速进行采样，结合电池电压采样信号和电机转速采样信号，由芯片内程序根据输入的采样值自动调整输出脉冲信号的占空比，以调节输出功率的大小，进而改变电机转速。

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