CN111373946B - 打草机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种打草机，包括：打草头、无刷电机、驱动电路、控制器、操作装置；其中，打草头包括线轴和头壳，线轴用于缠绕打草绳，头壳用于容纳线轴并形成有供打草绳穿过的穿线孔；打草机具有一个自动绕线模式，在自动绕线模式下，电机以恒定速度驱动线轴和头壳中的至少一个以述线轴和头壳相对转动从而将打草绳自动地缠绕至线轴，其中，至少在自动绕线模式下，控制器根据给定电压和/或电流输出控制信号以控制驱动电路使电机大致以恒定速度运行。本发明公开的打草机，在自动绕线模式下能够实现电机稳定低速、大扭矩的控制效果，绕线速度更稳定，有利于绕线作业。

Description

打草机

技术领域

本发明涉及一种打草机，具体涉及一种具有自动绕线模式的打草机。

背景技术

打草机是一种园林工具，用于对草坪进行修剪。打草机包括有打草头，打草头高速转动带动安装在其上的打草绳旋转实现对切割功能。

打草头包括有用于供打草绳缠绕的线轴，在进行打草作业时，打草绳由于磨损而逐渐被消耗。在进行一段时间的作业，用户需要更换新的打草绳，将打草绳缠绕到线轴上。传统的打草绳，用户需要去手动转动线轴以使打草绳缠绕到线轴，操作麻烦，缠绕速度慢，也由于人手在缠绕过程中接触打草头从而带来一定的风险。因此，自动绕线模式的打草机应运而生。具有自动绕线模式的打草机，能够将打草绳自动地缠绕至线轴。在自动绕线模式下，为了便于绕线，需要确保驱动线轴的电机维持稳定的低速状态，现有的打草机，由于受到打草头结构的限制，在自动绕线模式下，负载波动较大，不能维持稳定的低速状态。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有自动绕线模式且绕线速度稳定的打草机。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种打草机，包括：打草头；电机，用于驱动所述打草头转动以切割植被；驱动电路，与所述电机连接，以驱动所述电机输出动力；控制器，与所述驱动电路连接，输出控制信号以控制所述驱动电路；所述打草头包括线轴和头壳，所述线轴用于缠绕打草绳，所述头壳用于容纳所述线轴并形成有供所述打草绳穿过的穿线孔；所述打草机具有一个自动绕线模式，在所述自动绕线模式下，所述电机大致以恒定速度驱动所述线轴和所述头壳中的至少一个以使所述线轴和所述头壳相对转动从而将所述打草绳自动地缠绕至所述线轴，其中，至少在所述自动绕线模式下，所述控制器根据给定电压和/或电流输出控制信号以控制所述驱动电路使所述电机大致以恒定速度运行。

进一步地，在所述自动绕线模式下，所述电机大致以恒定速度驱动所述线轴和所述头壳中的至少一个时，所述线轴和所述头壳受到变化的阻力，所述给定电压和/或电流的幅值能够使所述控制器输出使所述线轴和所述头壳中的至少一个克服所述变化的阻力中最大阻力的控制信号。

进一步地，至少在所述自动绕线模式下，所述控制器根据给定电压输出控制信号以控制所述驱动电路使所述电机大致以恒定速度运行；所述控制器包括SVPWM模块和PWM生成模块，所述SVPWM模块的输出端与所述PWM生成模块的输入端连接，所述PWM的输出端与所述驱动电路连接，

进一步地，所述SVPWM模块包括电压矢量给定单元、矢量作用时间单元和矢量切换点单元；所述电压矢量给定单元与所述矢量作用时间单元的输入端连接，用于给定目标电压矢量，所述目标电压矢量的幅值与所述给定电压的幅值相等；所述矢量作用时间单元与所述矢量切换点单元连接，用于确定合成所述目标电压矢量的基本电压矢量和零矢量的作用时间；所述矢量切换点单元与所述PWM生成模块的输入端连接，用于确定矢量切换时间点。

进一步地，所述打草机由电源提供电能，所述给定电压与所述电源电压的比值的取值范围为：0.1～0.5。

进一步地，在所述自动绕线模式下，所述控制器根据所述给定电压和/或电流输出控制信号控制所述驱动电路以在所述电机内产生旋转磁场，所述线轴和所述头壳中的至少一个与所述旋转磁场同步转动。

进一步地，所述头壳和所述线轴中的至少一个绕中心轴线转动，所述线轴形成有第一倾斜面，所述头壳形成有第二倾斜面，所述第一倾斜面和所述第二倾斜面倾斜于所述中心轴线的法平面，在所述自动绕线模式下，所述第一倾斜面和所述第二倾斜面相互接触并相对滑动以使得所述线轴和所述头壳能够相对转动。

进一步地，所述打草机还具有一个切割模式，在所述切割模式下，所述线轴和所述头壳同步转动；所述控制器在所述切割模式时以第一控制模式控制所述驱动电路使所述电机以第一转速运转，所述控制器在所述自动绕线模式时以异于第一控制模式的第二控制模式控制所述驱动电路使所述电机以低于所述第一转速的第二转速运行。

进一步地，所述控制器在所述切割模式时使所述电机向第一方向转动；所述控制器在所述自动绕线模式时使所述电机向与所述第一方向相反的第二方向转动。

进一步地，所述第一转速和所述第二转速的比值的取值范围为大于等于10小于等于100。

本发明的有益之处在于在打草机处于自动绕线模式下，能够实现电机稳定低速、大扭矩的控制效果，电机转速不受负载波动影响而大致保持恒定转速，绕线速度更稳定，用户体验较佳。

附图说明

图1是一种作为实施例的打草机的示意图；

图2是图1中的局部结构示意图；

图3是图2中结构的剖视图；

图4是图2中结构的爆炸图；

图5是图2中结构的另一视角的爆炸图；

图6是图5中头壳的上盖的示意图；

图7是图5中线轴的示意图；

图8是图1中操作装置的示意图；

图9是一种实施方式的打草机的电路框图；

图10是图9中驱动电路的示意图；

图11是图9中控制器的内部框图；

图12是目标电压矢量与基本电压矢量关系的扇形图；

图13是控制驱动电路的开关元件动作的PWM信号波形图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

参照图1至图3，作为一种实施方式，打草机100包括打草头110、驱动装置120和操作装置130。

打草头110用于安装和收纳打草绳101，打草绳101的部分收纳在打草头110的内部，打草头101还有一部分伸出打草头110以用于在打草头110旋转时切割植被。操作装置130用于供用户操作以控制打草机100。驱动装置120能驱动打草头110绕一轴线110a转动，从而带动打草绳101转动切割植被。

参照图3，具体而言，驱动装置120包括电机121和驱动轴122。驱动轴122与电机121连接，由电机121驱动。驱动轴122止转连接至打草头110从而驱动打草头110转动。作为一种实施方式，电机121为电机121，更具体地，电机121为无刷电机901(图9)。

打草机100还包括第一壳体150、第二壳体160。第一壳体150的作用在于安装和容纳电机121。打草机100由电源供电，电源可以是直流电源，也可以是交流电源。在本实施方式中，供电电源为电池包170，电池包170作为能量来源至少为打草机100中电机121供电，第二壳体160用于可拆卸地适配电池包170。

第二壳体160内还容纳有电路板，该电路板电连接至电机121使电池包170为电机121供电并对电机121进行控制。连杆组件190连接第一壳体150和第二壳体160。操作装置130固定至连杆组件190。打草机100还包括供用户握持的辅助把手191，辅助把手191固定至连杆组件190。

打草绳101安装至打草头110。护罩180用于实现安全防护的作用，防止打草绳401对用户造成伤害。

参照图3至图5，打草头110包括线轴111和头壳112。

线轴111用于缠绕打草绳101并连至驱动轴122从而能被驱动轴122驱动绕轴线110a转动。

头壳112包括上盖112a和下盖112b。打草头110还包括：风扇112c。风扇112c形成有用于产生气流的扇叶。电机121能够驱动风扇112c转动以产生气流。

在图4和图5所示的方案中还设有一个作为阻尼装置的单向轴承140，单向轴承140的作用是使头壳112与电机121构成单向的转动连接。具体而言，设置有一个支承件152，该支承件152与电机121连接并能使驱动轴122穿过，其形成有一个凸台部152a(图5)以支承单向轴承140的内圈。单向轴承140并没有直接连接至头壳112而是设置在支承件152与风扇112c之间，使风扇112c相对支承件152仅能单向的相对转动，又由于风扇112c与头壳112构成止转连接，所以头壳112相对支承件152也仅能单向的转动。

上盖112a形成有第一连接齿112d，风扇112c形成有与第一连接齿112d的第二连接齿112e，第一连接齿112d与第二连接齿112e配合实现上盖112a和风扇112c的同步转动。第一连接齿112d与第二连接齿112e相互配合的导向作用能使头壳112能够相对于风扇112c沿轴线110a滑动，并且使风扇112c能随头壳112绕轴线110a转动，即风扇112c与头壳112构成止转连接。

打草机100还包括保护罩151。保护罩151固定至第一壳体150。保护罩151至少在轴线110a的径向上覆盖风扇112c的扇叶以起到防止草屑缠绕风扇112c。并且保护罩151改变了风扇112c的气流流动方向，使得风扇112c产生的气流能够沿轴线110a的径向向外吹出草屑。

驱动轴122直接驱动线轴111转动，头壳112相对线轴111既可以发生相对转动，也可以相对线轴111产生在轴向(即中心轴线110a的方向)相对滑动。

头壳112和线轴111中的至少一个绕中心轴110a线转动，线轴111形成有第一倾斜面，头壳112形成有第二倾斜面，第一倾斜面和第二倾斜面倾斜于所述中心轴线110a的法平面，在自动绕线模式下，第一倾斜面和第二倾斜面相互接触并相对滑动以使得线轴111和头壳112能够相对转动。

作为一种具体地实施方式，线轴111形成有绕中心轴线110a周向排布的多个第一啮合齿111a；头壳112形成有与所述多个第一啮合齿111a配合的多个第一配合齿112f；第一啮合齿111a形成有第一倾斜面，所述第一配合齿112f形成有第二倾斜面，第一倾斜面和所述第二倾斜面倾斜于中心轴线110a的法平面，在自动绕线模式下，第一倾斜面和第二倾斜面相互接触并相对滑动以使得线轴111和头壳112能够相对转动。

具体地，参照图4至图7，第一啮合齿111a形成于线轴111的上部，第一啮合齿111a为斜齿。第一配合齿112f形成于头壳112内，具体而言，第一配合齿112f形成于上盖112a。

由于第一啮合齿111a和第一配合齿112f采用斜面设计，使得第一啮合齿111a和第一配合齿112f仅能单向传动，在打草机100处于切割模式下，第一配合齿112f和第一啮合齿111a配合，使线轴111转动时能够带动头壳112同步转动，而在打草机100处于自动绕线模式下，线轴111和头壳112以相反的方向相对转动时，由于斜面而打滑使得线轴111和头壳112可以持续的相对转动。

作为可选地，线轴111下部形成有第二啮合齿111b，头壳112内形成有第二配合齿112g，具体而言，第二配合齿112g形成于下盖112b，第二啮合齿111b和第二配合齿112g形成有斜面。第二啮合齿111b和第二配合齿112g在头壳112处于相对于线轴111的第二轴向位置时能够构成配合，第二啮合齿111b和第二配合齿112g的传动面采用斜面的设计，由于传动面采用斜面设计，第二啮合齿111b和第二配合齿112g之间会出现打滑，所以在头壳112处于相对于线轴111的第二轴向位置时，头壳112并不能被线轴111完全带动，头壳112还是会相对线轴111转动。

通过上述结构，在电机121反转时，驱动轴122带动线轴111反转，而头壳112因为单向轴承140阻止其反转而使线轴111和头壳112产生相对运动，此时，因为线轴111和头壳112的接触面为斜面的原因，第一啮合齿111a和第一配合齿112f并不能彻底阻碍线轴111和头壳112的相对运动，所以此时线轴111和头壳112能连续的产生相对转动，从而使打草机可以执行自动绕线模式。但由于斜面的原因，第一啮合齿111a和第一配合齿112f虽不能彻底阻碍线轴111和头壳112的相对运动，但会使得线轴111和头壳112受到变化的阻力，该变化的阻力具体为一种波动的阻力。

打草头110还包括弹簧110b，弹簧110b在下盖112b和线轴111之间施加作用力使头壳112被偏压向与线轴111同步转动的轴向位置，即以上所介绍的头壳112处于相对于线轴111的第一轴向位置。

打草头110还包括第一接触件110c和第二接触件110d。弹簧110b设置在第一接触件110d和第二接触件110e之间。弹簧110b可以直接作用于第一接触件110c和第二接触件110d。第一接触件110c和第二接触件110d能够避免弹簧110b对线轴111和头壳112的磨损。第一接触件110d和第二接触件110e为金属件。

打草头110还包括敲击帽110e，敲击帽110e转动连接至下盖112b，敲击帽110e和下盖112b之间设有轴承110f，使敲击帽110e和下盖112b之间可以相对转动，同时，敲击帽110e和下盖112b在轴线110a的方向上是同步运动，也就是说改变敲击帽110e的位置，下盖112b也能随着一同运动，即头壳112会因为敲击敲击帽110e而改变轴向位置。

打草机100在执行切割模式时，用户敲击打草头110，敲击帽110e与地面接触促使头壳112滑动至使第一配合齿112f和第一啮合齿111a脱开配合的位置，从而使它们发生相对转动，更进一步地，敲击使头壳112滑动至相对于线轴111的第二轴向位置，从而使头壳112以较低的相对转速相对线轴111转动，从而使缠绕在线轴111上打草绳101释放一部分至头壳112之外，使打草机100执行一个放线模式。这样的好处在于，在电机121仍以切割模式下的转速转动时，头壳112和线轴111相对转动的速度得到控制，使用户能在每次敲击时不至于放出过量的打草绳101。

敲击帽110e在轴承110f的作用下能相对于下盖112b自由转动，减小打草头110的磨损。弹簧110b对头壳112施加作用力使头壳112相对于线轴111向下运动。上盖112a和线轴111之间设有用于减缓上盖112a和线轴111之间冲击的减震件110g。具体而言，减震件110g为橡胶垫圈。

参照图3，线轴111形成有用于固定打草绳101的内穿线孔111c。头壳112形成有使打草绳101从头壳112的内部穿出至头壳112外部的外穿线孔112h。在切割模式结束时，外穿线孔112h与内穿线孔111c在周向上自动对齐。或者在，打草头110未安装打草绳101，电机121停止时，外穿线孔112h与内穿线孔111c在周向上自动对齐。

线轴111形成有多个内穿线孔111c，内穿线孔111c的数量为偶数。多个内穿线孔111c在线轴111的轴线110a的周向上均匀分布。具体而言，第一啮合齿111a的数量与内穿线孔111c的数量对应。同样，第二啮合齿111b的数量与内穿线孔111c的数量对应。在本实施方式中，线轴111形成有6个内穿线孔111c。线轴111形成有6个第一啮合齿111a和6个第二啮合齿111b。

参照图7，线轴111形成有引导开口111d，以引导打草绳101进入内穿线孔111c，引导开口111d沿线轴111的转动轴线的径向逐渐扩大。引导开口111d在轴线110a的周向上的最大尺寸L1大于相连两个第一啮合齿在轴线110a的周向上的最大尺寸L2。

在割草机100执行切割模式时，第一啮合齿111a和第一配合齿112f的传动面的设置使得在电机121停止时，外穿线孔112h与内穿线孔111c在周向上自动对齐。这里所指的对齐是指穿过外穿线孔112h的打草绳101能被直接地导引进入内穿线孔111c。

线轴111的两端分别形成有第一法兰111e和第二法兰111f。线轴111的中部形成有分隔板111g。第一法兰111e和分隔板111g之间形成有用于缠绕并容纳打草绳101的第一缠绕部；第二法兰111f和分隔板111g之间形成有用于缠绕并容纳打草绳101的第二缠绕部。

在切割模式时，驱动轴122转动带动线轴111转动，线轴111带动上盖112a转动。由上盖112a带动风扇112c转动。单向轴承140的作用下，风扇112c能相对于第二壳体160沿第一方向(参考图2中箭头B所示的方向)转动。此时电机121正向转动带动线轴111、头壳112均沿第一方向转动。

在用户需要补充打草绳101时，用户可以将一根打草绳101的两端分别穿过头壳112的两个相对的外穿线孔112h，然后打草绳101的两端分别伸入至线轴111两个相对的内穿线孔111c。当然用户也可以将两根打草绳101分别插入至两个内穿线孔111c中。此时用户控制打草机100使打草机100执行自动绕线模式，电机121反向转动带动线轴111沿第一方向相反的第二方向转动，由于单向轴承140的止转作用，风扇112c和头壳112不能沿第二反向转动，而绕线轴111在驱动轴122的带动下能够相对于头壳112沿第二方向转动实现自动绕线。

其原因在于：头壳112与线轴111直接的第一啮合齿111a、第二啮合齿111b与第一配合齿110f、第二配合齿110g形成有倾斜于中心轴线110a的法平面的倾斜面，在电机121反转时第一啮合齿111a、第二啮合齿111b的斜面与第一配合齿110f、第二配合齿110g的斜面接触，由于斜面打滑，斜面并不能阻止线轴111和头壳112相对转动，线轴111能够相对于头壳112沿第二方向转动实现自动绕线。

在自动绕线模式下，在线轴111已经缠绕有足够多的打草绳101时，用户需要切断尚未缠绕的过长的打草绳101。打草机100还包括断线装置181(如图1)。断线装置181在自动绕线模式时自动地切断打草绳101。

断线装置181包括断线元件182，打草头110能相对于断线元件182转动。断线元件182固定至护罩180。使打草绳101在自动绕线模式时能被打草头110带动着经过断线元件182，打草绳101张紧后被断线元件182切断。在处于切割模式或者处于放线模式时，断线元件182能够将打草绳101打断，打草绳101的中部被打断，变为两段打草绳101。当然，可以直接在打草绳101绷紧在头壳112外侧时采用敲击的方式敲断打草绳101。

如图8所示，操作装置130包括：第一操作件131和第二操作件132。第一操作件131具有初始状态和第一预设操作状态。第二操作件132具有初始状态和第二预设操作状态。在第一操作件131和第二操作件132分别处于第一预设操作状态和第二预设操作状态时打草机100能启动自动绕线模式。操作装置130包括：第一复位组件133和第二复位组件134。第一复位组件133在用户不操作第一操作件131时使第一操作件131脱离第一预设状态。第二复位组件134在用户不操作第二操作件132时使第二操作件132脱离第二预设状态。用户不操作第二操作件132，而仅操作第一操作件131时，即在第二操作件132不处于第二预设操作状态时，操作第一操作件131使之移动到第一预设操作状态，此时打草机100处于切割模式。

参照图9，打草机100的运行还需依赖于由电路部件组成的电路系统900，作为一种实施方式，电机121选择无刷电机901，打草机100还包括驱动电路902、控制器903、电源电路904。无刷电机901、驱动电路902、控制器903、电源电路904和电源905电连接构成打草机100的电路系统900。其中，无刷电机901包括三相构成Y型连接的绕组，当然，也可以将三相绕组采用采用三角型连接。

无刷电机901输出动力驱动打草头110转动以切割植被。无刷电机901包括定子、转子、电机轴和绕组，转子包括磁性材料，例如永磁体、磁钢片等，转子与电机轴固定连接，使得转子得以驱动电机轴转动，电机轴与驱动轴122连接，电机轴在转子的驱动下带动驱动轴转动，从而驱动打草头转动。定子具有铁芯及绕设于定子铁芯上的定子绕组，定子绕组通电后产生磁场以带动转子转动。本实施方式中，所述无刷电机901具有三相绕组，分别为第一相绕组A、第二相绕组B、第三相绕组C。

驱动电路902电连接至无刷电机901，用以驱动无刷电机901。驱动电路902具体与无刷电机901的三相绕组电连接，驱动无刷电机901运转。驱动电路902具体包括有开关电路，开关电路用于根据所述控制器903的控制信号驱动无刷电机901运转。在本实施方式中，驱动电路902采用三相桥式电路，包括三个桥臂，每个桥臂上设有两个开关元件，从三个桥臂中位于同一桥臂上的两个功率管之间引出一条支路并分别连接到无刷直流电机的三相绕组。

参照图10，作为一种实施方式，驱动电路902包括开关元件VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6，开关元件VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6组成三相桥式电路，共有三个桥臂。其中VT1、VT3、VT5为上桥开关元件，VT2、VT4、VT6为下桥开关元件，各相桥式电路的上桥开关元件和下桥开关元件连接于同一绕组，例如，开关元件VT1和开关元件VT4与第一相绕组A连接组成第一桥臂，开关元件VT3和开关元件VT6与第二相绕组B连接组成第二桥臂，开关元件VT5和开关元件VT2与第三相绕组C连接组成第三桥臂。开关元件VT1～VT6可选用场效应管、IGBT晶体管等。各开关元件的栅极端分别与控制器903的控制信号输出端电性连接，各个开关元件的漏极或源极与无刷电机901的绕组电连接。开关元件VT1～VT6依据控制器903输出的控制信号改变接通状态，以一定的占空比导通所在的绕组电路，改变加载在无刷电机17的绕组上的电压状态，从而使相应的绕组有电流通过，驱动无刷电机901运转。需要说明的是，控制器903的控制信号可以通过控制开关元件VT1～VT6在占空比来控制无刷电机的电流或电压，从而控制无刷电机的转速。

为了使无刷电机901转动，驱动电路902具有多个驱动状态，在一个驱动状态下无刷电机901的定子绕组会产生一个磁场，现有技术中控制器903被配置为依据无刷电机901的转子转动位置输出相应的控制信号至驱动电路902以使驱动电路902切换驱动状态，从而改变加载在无刷电机901的绕组上的电压的状态，产生交变的磁场驱动转子转动，进而实现对无刷电机17的驱动。

控制器903电连接至驱动电路902，用以输出控制信号控制驱动电路903工作。在一些实施例中，控制器902可以采用专用的控制芯片(例如，MCU，微控制单元，Microcontroller Unit)。所述的控制器902能够控制整个机器的电路状态，实现各种电子功能，如电机软启动、电子制动等。

电源电路904主要用于调整来自电源905的电压以使控制器903获得合适的电源，电源905主要用于为整个打草机100供电，作为其中一种方案，电源905是一种反复充电的电池包170。

作为可选地，可以在控制器903和电源电路904之间设置一个物理开关906，其能被用户控制以导通或断开控制器903与电源电路904之间的电连接，从而使控制器903无法驱动无刷电机901。

物理开关906可以作为打草机100的主控开关，用于供用户操作以控制是否使无刷电机901启动。在一些实施方式中，物理开关906可以与操作装置130关联连接，物理开关906具体可以与操作装置130其中的一个操作件关联连接，作为一种实施方式，物理开关906与操作装置130的第一操作件131关联连接，可由第一操作件131触发，当用户操作第一操作件131时可触发物理开关906导通或关断。作为一种实施方式，在第一操作件131被操作而处于第一预设操作状态时，触发物理开关906导通，控制器903与电源电路904之间实现电连接，此时打草机100处于切割模式，控制器输出控制信号使无刷电机901以较高的转速正向转动，以进行打草作业。

所述打草机100还包括控制开关，用于使所述控制器903处于所述第一控制模式或所述第二控制模式。作为可选地，该控制开关为信号开关907，用户在操作该信号开关907时能使该信号开关发907出不同信号，控制器903可以根据信号开关907所发出的信号输出不同的控制模式使无刷电机901具有不同的转动状态。因此，信号开关907可以作为用户进行模式选择的操作件，以使用户能选择切割模式还是自动绕线模式。

在切割模式下，线轴111和头壳112同步转动，控制器903在切割模式时以第一控制模式控制驱动电路902使无刷电机901以第一转速运转，控制器903在自动绕线模式时以异于第一控制模式的第二控制模式控制驱动电路902使所述无刷电机901以低于第一转速的第二转速运行。控制器903在切割模式时使无刷电机901向第一方向转动；控制器903在自动绕线模式时使无刷电机901向与第一方向相反的第二方向转动。

具体而言，当用户选择切割模式时，信号开关907发出第一信号，此时用户再控制物理开关906使控制器903通电，控制器903根据接收到的第一信号，处于第一控制模式，输出控制信号至驱动电路902以使无刷电机901以较高的第一转速正向转动。当用户选择自动绕线模式时，信号开关907发出异于第一信号的第二信号，控制器903根据第二信号，处于第二控制模式，输出控制信号使无刷电机901以较低的第二转速反向转动，打草机100进入自动绕线模式，进行自动绕线。

在一些实施方式中，信号开关907可以与操作装置130关联连接，由操作装置130触发，信号开关907具体可以与操作装置130的第二操作件132关联连接，当用户操作第二操作件132时可触发信号开关907，信号开关907输出第一信号或第二信号。作为一种实施方式，在第二操作件132没有被操作而处于初始状态时，信号开关907输出第一信号，而在第二操作件132被操作而处于第二预设操作状态时，触发信号开关907输出第二信号，控制器903根据第二信号，处于第二控制模式，输出控制信号使无刷电机901以较低的转速反向转动，打草机100进入自动绕线模式。

当然，也可以采用两个物理开关或两个信号开关的方案，使它们分别实现模式切换和无刷电机901启动的控制。

对于转速的控制，可以通过改变控制器903在第一控制模式和第二控制模式输出至驱动电路902的控制信号的占空比来实现，控制器903可以在第一控制模式时输出占空比较高的控制信号使无刷电机901具有较高的第一转速，此时打草机100处于切割模式，进行打草作业，在第二控制模式时控制器903输出占空比较低的控制信号使无刷电机901具有较低的第二转速，此时打草机100处于自动绕线模式，进行自动绕线工作。

作为一种实施方式，第一转速和第二转速的比值的取值范围为大于等于10小于等于100。例如，第一转速为5800rpm，第二转速为100rpm，且第二转速的方向与第一转速的方向相反。

另外，为了实现绕线的自动停止，打草机100还包括检测装置908，检测装置908用于检测无刷电机901的电流，当绕线结束时，打草绳101会绷紧，无刷电机901的电流会突然增大，控制器903可以根据电流阈值或电流斜率的阈值判断是否绷紧从而使在执行自动绕线模式的无刷电机901停机。

另外，随着打草绳101的缠绕，无刷电机901的负载由于打草绳101质量的增加而变大，这使得无刷电机901的电流也会增大，因此也可以设置一个电流阈值来判断绕线是否完成。同样地，由于负载的增加，无刷电机901的转速也会下降，因此也可以设置一个转速的阈值或转速斜率的阈值作为是否绕线完成的标准，当转速下降较快时或转速下降到一定程度时，控制器903即判断完成自动绕线。

或者，也可采用位置传感器或光学传感器等判断打草绳的位置和状态从而结束自动绕线模式。

另外，根据同样的原理，为了防止在打草头中仍存储有打草绳101时，用户误操作启动自动绕线模式，可以使控制器903先反转启动自动绕线模式，如果此时出现负载较大的表征，比如电流较大或转速较低，则控制器903则判断当前情况不适合运行自动绕线模式，然后停止驱动无刷电机901，并采用声音或光信号等方式提示用户。

总之，控制器903可以根据无刷电机901的转速或电流判断无刷电机901的负载情况，从而判断何时绕线终止以及当前是否适于进行自动绕线。

现有技术的无刷电机901，通常还包括一个位置测算单元，用于检测或估算无刷电机901的转子的位置，控制器903根据转子的位置输出相应的控制信号至驱动电路902，改变导通的开关元件和导通的绕组，从而改变磁场方向，驱动转子持续转动。这样的控制方式，是根据转子位置来来控制导通绕组，从而改变磁场方向，带动转子持续转动。

在本发明中，打草机100在自动绕线模式下无刷电机901反向低速运行，且需保证无刷电机901产生的扭矩足以使得打草绳自动缠绕至线轴111上。

本发明的打草机100，由于头壳112和线轴111中的至少一个绕中心轴线110a转动，线轴111形成有第一倾斜面，头壳112形成有第二倾斜面，第一倾斜面和第二倾斜面倾斜于中心轴线110a的法平面。在自动绕线模式下，第一倾斜面和第二倾斜面相互接触并相对滑动以使得线轴111和头壳112能够相对转动。

也即是说，线轴111和头壳112之间的传动面采用斜面设计，该斜面使得线轴111和头壳112仅能单向传动，即在切割模式下，无刷电机901沿第一方向转动时，线轴111和头壳112能够同步转动，而在自动绕线模式下，无刷电机901沿与第一方向相反的第一方向转动时，由于斜面打滑，线轴111和头壳112能够相对转动。

具体地，线轴111形成有绕中心轴线110a周向排布的多个第一啮合齿111a；头壳112形成有与多个第一啮合齿111a配合的多个第一配合齿112f；第一啮合齿111a形成有第一倾斜面，第一配合齿112f形成有第二倾斜面，第一倾斜面和第二倾斜面倾斜于中心轴线110a的法平面。

按照这样的方式，由于倾斜面的设置，使得第一啮合齿111a和第一配合齿112f仅能单向传动，而在以相反的方向相对转动时，由于斜面而打滑，这样会使得在自动绕线模式下，线轴111相对头壳112转动所受到的阻力呈现一种波动状态，也即是说，在自动绕线模式下，线轴111相对头壳112转动所受到的变化的阻力，具体的是变化的阻力是一种波动的阻力，因而，电机负载波动较大。

具体地，在线轴111相对头壳112转动过程中，第一配合齿110f达到第一啮合齿111a的斜面的最高点位置时，线轴111相对头壳112转动所受到的阻力最大，而当第一配合齿110f越过第一啮合齿111a的斜面的最高点向最低点移动时，线轴111相对头壳112转动所受到的阻力突然减小到最小。

如果将上述采用现有技术的无刷电机的控制方式(根据转子的位置改变导通的开关，从而改变导通的绕组来改变磁场的方向，使得转子能够保持持续转动)应用到打草机100的自动绕线模式中，当线轴111相对头壳112转动受到的阻力最大时，负载电流增大，转子转速提高，而当线轴111跃过该阻力最大点后，线轴111相对头壳112转动受到的阻力突然减小，负载电流减小，转子转速又会降低。这样，会使得打草机100在自动绕线模式下，负载波动较大，转子转速波动较大，这样可能会损坏无刷电机901、线轴111和头壳112，且会导致绕线速度不稳定、绕线过程不顺畅，不利于绕线，且可能损害电机、线轴和头壳。

而本发明的打草机100能够在自动绕线模式下，实现稳定低速、大扭矩电机控制效果，绕线速度更稳定。

本发明的打草机100在自动绕线模式下，控制器903根据给定电压和/或电流输出控制信号以控制驱动电路902使电机121大致以恒定速度运行，电机121则大致以恒定速度驱动线轴111和头壳112中的至少一个以使线轴111和头壳121相对转动从而将打草绳101自动地缠绕至线轴111。电机121具体选择无刷电机903。

在所自动绕线模式下，电机121大致以恒定速度驱动线轴111和头壳112中的至少一个时，线轴111和头壳112受到变化的阻力，给定电压和/或电流的幅值能够使控制器903输出使线轴111和头壳112中的至少一个克服变化的阻力中最大阻力的控制信号。

如前所述，在本实施方式中，打草机100在自动绕线模式下，电机121驱动线轴111转动，线轴111相对头壳112转动时受到变化的阻力，具体地，线轴111相对头壳112转动时受到波动的阻力，而给定电压和/或电流的幅值能够使控制器903输出使线轴111克服所述变化的阻力中最大阻力的控制信号。

在其他一些实施方式中，在自动绕线模式下，电机121驱动头壳112转动，头壳112相对线轴111相对转动时受到变化的阻力，给定电压和/或电流的幅值能够使控制器903输出使头壳111克服所述变化的阻力中最大阻力的控制信号；在其他的一些实施方式中，电机121驱动头壳112和线轴111转动，头壳112和线轴111转速存在速度差，从而使得头壳112和线轴111产生相对转动，头壳112和线轴111相对转动时受到变化的阻力，给定电压和/或电流的幅值能够使控制器903输出使线轴111和头壳112中的至少一个克服变化的阻力中最大阻力的控制信号。

控制器903根据给定电压和/或电流输出控制信号控制驱动电路902以在电机121内产生旋转磁场，旋转的磁场能够驱动转子转动，转子与旋转磁场同步转动，这样，由转子驱动的线轴111和头壳112中的至少一个与旋转磁场同步转动，旋转磁场大致以恒定速度转速，从而使得电机121大致以恒定速度运行，进而线轴111和头壳112中的至少一个大致以恒定速度运行，这样打草绳101自动地缠绕至线轴111的速度也大致恒定，绕线速度更稳定。

作为一种实施方式，打草机100在自动绕线模式下，电机121驱动线轴111相对头壳112转动，控制器903根据给定电压输出控制信号以控制驱动电路902使无刷电机901大致以恒定速度运行，给定电压的幅值能够使控制器903输出使线轴111相对头壳112转动时能够克服变化的阻力中最大阻力的控制信号。

参照图11，作为一种实施方式，打草机100还包括SVPWM模块910，SVPWM模块910设置在控制器903中，SVPWM模块910根据给定的电压能够使控制器903输出使线轴111克服所述变化的阻力中最大阻力的控制信号。

控制器903还包括PWM生成模块920，所述SVPWM模块910的输出端与所述PWM生成模块920的输入端连接，所述PWM生成模块920与驱动电路902连接。SVPWM模块910用于产生带动转子转动的目标旋转磁场的PWM信号的参数，PWM生成模块920用于根据SVPWM模块910产生的PWM信号参数生成用于控制驱动电路902的PWM信号以控制驱动电路902使导通绕组产生目标旋转磁场，目标旋转磁场带动转子大致以恒定速度转动。

作为可选地，控制器903还包括功率驱动模块930，PWM生成模块920通过功率驱动模块930与驱动电路902连接，功率驱动模块930用于对PWM生成模块的PWM信号进行放大，以能够驱动驱动电路902的开关元件。

在本实施方式中，SVPWM模块910包括：电压矢量给定单元911，用于给定SVPWM需要合成的目标电压矢量；矢量时间作用单元912，其输入端与电压矢量给定单元911连接，其输出端与矢量切换点单元913连接，矢量时间作用单元912根据需要电压矢量给定单元911给定的目标电压矢量，生成基本电压矢量和零矢量的作用时间；矢量切换点单元913，其输入端与矢量时间作用单元912连接，输出端与PWM生成模块920连接，用于根据矢量时间作用单元912输出的基本电压矢量和零矢量的作用时间，确定PWM信号需要切换的时间点，矢量切换点单元913包括定时器。

PWM生成模块920根据SVPWM模块910输出的能够产生带动转子转动的目标旋转磁场的PWM信号的参数生成对应的PWM信号，所述PWM信号用于控制驱动电路902的开关元件，以导通相应绕组，产生与目标电压矢量对应的目标磁场。电压矢量给定单元911给定的目标电压矢量为一个沿逆时针或顺时针方向的旋转矢量，对应的目标磁场为一个沿逆时针或顺时针方向的旋转磁场。旋转磁场的转动方向与电机121在自动绕线模式下的转动方向有关。

在本实施方式中，打草机100在切割模式下，电机121正向转动，转子沿顺时针方向转动，那么在自动绕线模式下，电机121反向转动，转子沿逆时针方向转动，则目标磁场为沿逆时针方向转动的旋转磁场。

电压矢量给定单元911给定的目标电压矢量的幅值足以克服上述线轴111相对头壳112转动时受到的最大阻力，定子绕组产生的旋转磁场可以带动转子以恒定的转速持续转动，从而使得线轴111的绕线速度稳定，可以避免自动绕线模式下负载波动较大而损坏电机、线轴和头壳，以及造成绕线速度不稳定、绕线过程不顺畅的问题，不利于绕线。

在本实施方式中，线轴111的绕线速度与定子绕组产生的旋转磁场的旋转速度同步，二者转速相等或大致相等。电压矢量给定单元911给定的目标电压矢量的幅值与打草机100的供电电源的电源电压有关。在实际操作过程中，需要根据反复试验，确定给定的目标电压矢量的幅值以及目标电压矢量的幅值有关的电源电压，以使得定子绕组产生的旋转磁场足以带动转子克服最大阻力以恒定速度运行。在本实施方式中，电源采用电池包170。

作为一种实施方式，给定电压与电源电压的比值的取值范围为：0.1～0.5。具体地，目标电压矢量的幅值与电源电压的幅值比值的取值范围为：0.1～0.5，例如，以电池包170作为电源来说，目标电压矢量的幅值为电池包170的额定电压的10％～50％，例如，电池包170的额定电压为56V，目标电压矢量的幅值为可以为11V。在实际操作中，可以通过设定PWM信号的占空比来实现目标电压矢量的幅值。

下面对SVPWM模块910的原理进行详细说明。参照图12，为了方便描述，引入扇区的概念，将整个平面分为六个扇区，每个扇区包含两个基本电压矢量，电压矢量给定单元911给定的目标电压矢量U_s落在某个扇区，其由扇区边界的两个基本电压矢量u_i进行合成，基本电压矢量u_i为绕组的电压矢量。

电压矢量给定单元911给定的目标电压矢量为U_S为一个沿逆时针或顺时针方向的旋转矢量，其对应的目标磁场为一个沿逆时针或顺时针方向的旋转磁场。目标电压矢量U_s的幅值通过反复试验获得，其值的选择应使得线轴111相对头壳112转动时能够克服最大阻力以能保持大致以恒定速度持续转动。

由于无刷电机901的定子绕组空间上呈互差120°分布，可以定义目标电压矢量为

考虑到不同的变换，k可以取不同的值，如功率不变，电压电流幅值不变等。为了使合成的电压空间矢量在静止三相坐标轴上的投影和分矢量相等，将k值取为2/3，则目标电压矢量U_S可以表示为：

以图10的驱动电路902为例，三个桥臂的六个开关元件共可以形成8种开关模式，用S_A、S_B、S_C分别标记三个桥臂的状态，规定当上桥臂开关元件导通时桥臂状态为1，下桥臂开关元件导通时桥臂状态为0，这样驱动电路902具有八种开关模式，在八种开关模式中，有六种开关模式对应非零电压空间矢量u₁～u₆，矢量的幅值为

在空间上互差60°；有两种开关模式对应的电压矢量(u₀和u₇)的幅值为零，称为零矢量。当零矢量作用于电机时不形成磁链矢量；而当非零矢量作用于电机时，会在电机中形成相应的磁链矢量。

下面以开关状态(S_A、S_B、S_C)＝(1、0、0)为例，即开关VT₁、VT₂、VT₆导通，其余关断。各相绕组的状态变为B相和C相并连后再和A相串连的形式，易得相电压：

带入式

可得目标电压矢量

采用同样的方法可以获得不同开关状态S_AS_BS_C对应的基本电压矢量u_i和目标电压矢量U_S如下表1所示：

表1

矢量作用时间单元912用于根据电压矢量给定单元911给定的目标电压矢量计算获得基本矢量和零矢量作用的时间。继续参照图12，以目标电压矢量U_S位于第III扇区为例，目标电压矢量U_S与α的夹角为30°，与β的夹角为60°，以α、β轴为基准，将两个基本电压矢量u₄和u₆向α、β轴上投影，应当有：

α轴：

β轴：

其中，T_i为对应基本电压矢量u_i作用的时间(i＝0～7)，T为采样周期，通常为PWM的调制周期。且

求解上面两式可以得到u₄,u₆这两个基本电压矢量的作用时间可有下式计算获得：

通过上面的方法即可以确定合成目标电压矢量U_S的基本电压矢量u_i的作用时间，当需要合成的目标电压矢量U_S位于各个不同的扇区时都按照如上的运算。

通过对每个扇区基本矢量动作时间的求解不难发现它们都是一些基本时间的组合。所以定义几个基本的时间变量X、Y、Z。

通过计算可以得到在每个扇区内的基本电压矢量u_i的动作时间。设每个扇区的两个基本电压矢量u_i动作的时间为T₁,T₂。于是可以得到基本电压矢量u_i动作时间表如下表2所示，由此，矢量作用时间单元912基本电压矢量和零矢量作用的时间。

表2

无刷电机901按照SVPWM模块910调制后的控制信号工作。其工作原理是：当驱动电路902按照SVPWM模块调制后的控制信号输出某一基本电压矢量u_i时，形成磁链空间矢量ψ_s，ψ_s可表示为：

ψ_s＝ψ_s0+u_i×Δt,

其中，ψ_s0为初始磁链空间矢量；Δt为U_i的作用时间。当u_i为某一非零电压矢量(u₁～u₆)时，磁链空间矢量ψ_s从初始位置出发，沿对应的目标电压矢量U_S方向，以

为半径进行旋转运动，当u_i为一零电压矢量(u₀和u₇)时，ψ_s＝ψ_s0，磁链空间矢量的运动受到抑制。因此合理地选择六个非零矢量(u₁～u₆)的施加次序和作用时间，可使磁链空间矢量顺时针或逆时针旋转形成一定形状的磁链轨迹。在电机控制当中尽量使磁链轨迹逼近正多边形或圆形。同时，在两个非零矢量(u₀和u₇)之间按照一定的原则，比如开关次数最少，插入一个或多个零矢量并合理选择零矢量的作用时间，就能调节ψ_s的运动速度，从而调节旋转磁场的速度，从而带动线轴111相对头壳112旋转进行绕线。如果在切割模式下，无刷电机901的转子是顺时针高速转动，则在自动绕线模式下，无刷电机的转子是逆时针低速转动，通过SVPWM相应的控制磁链空间矢量ψ_s沿逆时针方向转动。

在实际的操作中，也可以直接给出合成目标电压矢量U_S的基本电压矢量u_i，基本电压矢量u_i能够合成所需的目标电压矢量U_S。具体地，给定的基本电压矢量u_i可以通过对应的绕组在一个周期内的导通时间或占空比来表征。

在作为一种实施方式，采用五段式的SVPWM，在每个PWM调制周期内，开关状态S_A、S_B、S_C有五种，且关于周期中心对称。需要在PWM周期的中间插入零矢量u₀和u₇，u₀和u₇具体采用哪一个根据旋转方向和开关动作次数最少的原则自行决定。例如在第Ⅲ扇区内，如果旋转方向为逆时针，则u₄先动作，u₆后动作以此类推，动作时间可以直接采用表2中的数据即可，然后选择零矢量即可使开关次数最少。

对于五段式PWM而言，零矢量作用的时间可以表示为：T₀/T₇＝T-T₁-T₂。根据上述的配置原则，PWM生成模块920生成的在每个扇区内驱动电路902的开关元件动作的示意图如图13所示。

控制器903还包括矢量切换点单元913，矢量切换点单元913包括定时器和/或比较器，定时器设置成连续增/减计数模式，其用于对计算得出的基本电压矢量和零矢量作用的时间进行定时以确定矢量切换点，矢量切换点对应于PWM信号的切换点。

通过上述方式，在打草机100的自动绕线模式下，通过对给定的目标电压矢量进行SVPWM调制，使得无刷电机901的转子以恒定的速度运行，转子转速与旋转磁场的转速同步，二者速度相等或大致相等。这样的好处在于，无需根据转子位置控制无刷电机901转子转动，可实现稳定低速、大扭矩电机控制效果，可以避免因线轴111相对头壳112低速反转时由于二者之间传动面的斜面设计造成线轴111所受阻力波动较大，从而导致的电机转速不稳定，绕线速度的不稳定，用户体验不佳等问题。本发明的打草机100在自动绕线模式下，电机转速恒定、绕线速度稳定，用户体验更好，有利于绕线作业，且可以避免电机、线轴和头壳由于负载波动带来电机转速不稳定，造成电机、线轴、头壳或打草绳损伤，有效保护电机、线轴、头壳和打草绳。

在其他的实施方式中，至少在自动绕线模式下，所述控制器903根据给定电流输出控制信号以控制所述驱动电路902使所述电机901大致以恒定速度运行，所述给定电流的幅值能够使控制器903输出使线轴111和头壳112中的至少一个克服变化的阻力中最大阻力的控制信号。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种打草机，包括：

打草头；

电机，用于驱动所述打草头转动以切割植被；

驱动电路，与所述电机连接，以驱动所述电机输出动力；

控制器，与所述驱动电路连接，输出控制信号以控制所述驱动电路；

所述打草头包括线轴和头壳，所述线轴用于缠绕打草绳，所述头壳用于容纳所述线轴并形成有供所述打草绳穿过的穿线孔；

所述打草机具有一个自动绕线模式，在所述自动绕线模式下，所述电机大致以恒定速度驱动所述线轴和所述头壳中的至少一个以使所述线轴和所述头壳相对转动从而将所述打草绳自动地缠绕至所述线轴；

其特征在于：至少在所述自动绕线模式下，所述控制器根据给定电压和/或电流输出控制信号以控制所述驱动电路使所述电机大致以恒定速度运行；

在所述自动绕线模式下，所述电机大致以恒定速度驱动所述线轴和所述头壳中的至少一个时，所述线轴和所述头壳受到变化的阻力，所述给定电压和/或电流的幅值能够使所述控制器输出使所述线轴和所述头壳中的至少一个克服所述变化的阻力中最大阻力的控制信号。

2.根据权利要求1所述的打草机，其特征在于：至少在所述自动绕线模式下，所述控制器根据给定电压输出控制信号以控制所述驱动电路使所述电机大致以恒定速度运行；所述控制器包括SVPWM模块和PWM生成模块，所述SVPWM模块的输出端与所述PWM生成模块的输入端连接，所述PWM的输出端与所述驱动电路连接。

3.根据权利要求2所述的打草机，其特征在于：所述SVPWM模块包括电压矢量给定单元、矢量作用时间单元和矢量切换点单元；所述电压矢量给定单元与所述矢量作用时间单元的输入端连接，用于给定目标电压矢量，所述目标电压矢量的幅值与所述给定电压的幅值相等；所述矢量作用时间单元与所述矢量切换点单元连接，用于确定合成所述目标电压矢量的基本电压矢量和零矢量的作用时间；所述矢量切换点单元与所述PWM生成模块的输入端连接，用于确定矢量切换时间点。

4.根据权利要求2所述的打草机，其特征在于：所述打草机由电源提供电能，所述给定电压与所述电源电压的比值的取值范围为0.1~0.5。

5.根据权利要求1所述的打草机，其特征在于：在所述自动绕线模式下，所述控制器根据所述给定电压和/或电流输出控制信号控制所述驱动电路以在所述电机内产生旋转磁场，所述线轴和所述头壳中的至少一个与所述旋转磁场同步转动。

6.根据权利要求1所述的打草机，其特征在于：所述头壳和所述线轴中的至少一个绕中心轴线转动，所述线轴形成有第一倾斜面，所述头壳形成有第二倾斜面，所述第一倾斜面和所述第二倾斜面倾斜于所述中心轴线的法平面，在所述自动绕线模式下，所述第一倾斜面和所述第二倾斜面相互接触并相对滑动以使得所述线轴和所述头壳能够相对转动。

7.根据权利要求1所述的打草机，其特征在于：所述打草机还具有一个切割模式，在所述切割模式下，所述线轴和所述头壳同步转动；所述控制器在所述切割模式时以第一控制模式控制所述驱动电路使所述电机以第一转速运转，所述控制器在所述自动绕线模式时以异于第一控制模式的第二控制模式控制所述驱动电路使所述电机以低于所述第一转速的第二转速运行。

8.根据权利要求7所述的打草机，其特征在于：所述控制器在所述切割模式时使所述电机向第一方向转动；所述控制器在所述自动绕线模式时使所述电机向与所述第一方向相反的第二方向转动。

9.根据权利要求8所述的打草机，其特征在于：所述第一转速和所述第二转速的比值的取值范围为大于等于10小于等于100。

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