DE19631555A1 - Elektrischer Rasenmäher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Rasenmäher und ins­ besondere auf einen kabellosen elektrischen Rasenmäher mit einem elektronischen Energiesteuerungssystem zur Maximierung der Wirksamkeit des Rasenmähers.

Infolge von Bedenken wegen Luftverschmutzung und anderen Faktoren, werden elektrische Rasenmäher immer populärer. Darüber hinaus werden wegen der Beeinträchtigungen und der Betriebsein­ schränkungen von über Kabel versorgten elektrischen Rasenmähern batteriebetriebene oder kabellose elektrische Rasenmäher bevorzugt. Der wesentliche Nachteil von kabellosen Rasenmähern besteht jedoch in der Betriebs zeit des Rasenmähers mit einer einzigen Batterieladung. Es ist daher ein kabelloser elektrischer Rasenmäher erwünscht, der die Möglichkeit bietet, eine typische Rasenabmessung mit einer einzigen Ladung vollständig mähen zu können. Zu diesem Zweck ist im allgemeinen eine Laufzeit von etwa einer Stunde erforderlich. Unglücklicherweise haben die meisten kabellosen Rasenmäher, entgegen der häufig behaupteten Betriebs­ verhalten, nur eine tatsächliche Laufzeit von etwa einer halben Stunde, was üblicherweise für die Durchführung der gewünschten Arbeit nicht ausreicht. Obwohl diese Schwierigkeit durch die Verwendung von größeren Batterien beseitigt werden könnte, verhindern die Kosten und die Gewichtsbelastungen durch größere Batterien deren Einsatz in nicht-kommerziellen Mähern. Daher sind die Größe und das Gewicht einer verwendbaren Batterie begrenzt. Die zur Zeit eingesetzten elektrischen Rasenmäher benutzen typischerweise einen 24 V-Bleiakkumulator mit einer Kapazität von etwa 20 Amperestunden. Für den Gebrauch steht jedoch nicht diese gesamte Energie zur Verfügung. Bei Bleiakkumulatoren kann bei nennenswerter Belastung des Motors eine Nutzung von bis zu 80% erreicht werden. Daher liefert ein 24 V-Bleiakkumulator, der eine Kapazität von 20 Amperestunden hat, maximal eine Energie von etwa 17 Amperestunden. Wenn darüber hinaus der aus der Batterie gezogene Strom steigt, reduziert sich die Wirksamkeit der Batterie sogar bis zu 50% oder weniger. Dieses Verhalten beeinträchtigt somit erheblich die gesamte zur Verfügung stehende Laufzeit des Rasenmähers bei normalen Betriebsbedingungen.

Um daher die Betriebsdauer eines kabellosen elektrischen Rasenmähers bei vorgegebener, zur Verfügung stehender Batterie­ energie wesentlich zu vergrößern, ist es erforderlich, den gesamten Wirkungsgrad des Rasenmähers zu betrachten, einschließ­ lich nicht nur des Wirkungsgrades des Motors, sondern auch der Batterie sowie der Wirksamkeit des Schneidblattes. Übliche Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines Rasenmähers bezogen sich im wesentlichen auf den Motor, indem man beispiels­ weise die Reibungsverluste durch teuere Lager reduzierte. Die Verbesserung des Wirkungsgrades mit diesen Ansätzen ist jedoch begrenzt, und im Hinblick auf die damit verbundenen Kosten von zweifelhaftem Wert. Im allgemeinen wird bei den Bemühungen, den Gesamtwirkungsgrad des Rasenmähers zu verbessern, der Einfluß der Schneidblattgeschwindigkeit übersehen.

Die meisten drehend angetriebenen Rasenmäher, seien sie mittels Verbrennungsmotors oder elektrisch angetrieben, drehen das Schneidblatt typischerweise mit einer Geschwindigkeit zwischen 3800 U/m und 4000 U/m. Diese Geschwindigkeit liefert gute Schneidergebnisse einschließlich für Fälle von Zerkleinerung und Beförderung in Grasaufnahmebehälter. Bei einer Leerlaufdrehzahl des Schneidblattes von 3800 U/m stellt jedoch die Schneidblatt­ geschwindigkeit den größten Beitrag Rum Gesamtwirkungsgrad des Rasenmähers dar. Dies hat seine Ursache darin, daß die vom Rasenmäher verbrauchte Gesamtleistung eine mit der dritten Potenz von der Schneidblattgeschwindigkeit abhängt. Obwohl daher die Betriebsergebnisse bei einem Betrieb mit diesen Schneidblatt­ geschwindigkeiten sehr gut sind, ist auch der Energieverbrauch sehr hoch.

Andererseits lassen sich gute Schnittergebnisse auch noch bei einer Schneidblattgeschwindigkeit von etwa 3000 U/m erreichen. Darüber hinaus wird für den Betrieb des Rasenmähers bei solchen Schneidblattgeschwindigkeiten wesentlich weniger Energie benötigt. So wird im Leerlauf bei einer Schneidblattgeschwindig­ keit von 3800 U/m etwa eine Leistung von 543 W verbraucht, jedoch bei einer Schneidblattgeschwindigkeit von 3000 U/m nur etwa 218 W. Somit läßt sich eine wesentliche Verbesserung des Gesamt­ wirkungsgrades dadurch erreichen, daß man die Drehzahl des Motors so steuert, daß die Geschwindigkeit des Schneidblattes begrenzt wird.

Es ist daher Hauptaufgabe der Erfindung, eine elektronische Steuerschaltung für einen kabellosen elektrischen Rasenmäher zu schaffen, die es ermöglicht, die dem Motor zugeführte Leistung so zu steuern, daß die Geschwindigkeit des Schneidblattes auf eine geringere als die maximale Betriebsgeschwindigkeit, nämlich 2800 U/m bis 3200 U/m geregelt wird. Die Geschwindigkeitsregelung eines Permanentmagnet-Gleichstrommotors wird durch Einstellen der dem Motor zugeführten Spannung in Abhängigkeit von verschiedenen Systemrückkopplungsvariablen bewirkt. Insbesondere überwacht die bevorzugte Steuerschaltung Batteriespannung, Batteriestrom und MOSFET-Spannung und leitet davon die Motorspannung ab, die erforderlich ist, um die gewünschte Motorgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Demgemäß wird auf kostengünstige Weise ein Geschwindigkeitsregelkreis geschaffen, ohne daß ein gesonderter Motorgeschwindigkeitswandler benötigt wird.

Außerdem liefert die erfindungsgemäße Steuerschaltung eine besondere Strombegrenzungsfunktion, um den Gesamtbetriebs­ wirkungsgrad des Systems weiter zu verbessern. Der von der Batterie gezogene Strom kann sich bei sehr hoher Last extrem erhöhen, wodurch die Wirksamkeit der Batterie erheblich abfällt. Es ist demgemäß bekannt, Strombegrenzer vorzusehen, die die Leistungszufuhr zum Motor unterbrechen, wenn der gezogene Strom einen vorbestimmten Wert überschreitet. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht jedoch darin, daß der Betrieb des Rasenmähers vollständig unterbrochen wird, was für den Benutzer unpraktisch und verwirrend ist und daher keine benutzerfreundliche Lösung darstellt.

Mittels der erfindungsgemäßen Steuerschaltung wird dieser Nachteil dadurch beseitigt, daß in einer anderen Weise auf das Auftreten eines hohen Belastungszustandes reagiert wird. Statt einfach die Leistungszufuhr zum Motor zu unterbrechen, wird erfindungsgemäß der maximale Strom, der vom Motor gezogen werden kann, dadurch begrenzt, daß die Motordrehgeschwindigkeit allmählich verringert wird. Wenn somit der Rasenmäher in einen sehr hohen Belastungszustand gelangt, wird die Geschwindigkeit des Motors allmählich verringert, da der Motorstrom unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts gehalten wird, statt das Ziehen von Strom bis zu einem hohen Wert zu gestatten. Diese Verringerung der Motorgeschwindigkeit ist für den Benutzer deutlich erkennbar und daher ein intuitiver Hinweis darauf, den Vorschub des Rasenmähers zu verlangsamen oder zeitweise zu unterbrechen, bis der Motor wieder mit normaler Geschwindigkeit läuft. Wenn jedoch der Zustand der hohen Last beibehalten bleibt und die Motorgeschwindigkeit unter einen vorbestimmten Wert sinkt, unterbricht die Steuerschaltung die Leistungszufuhr zum Motor vollständig. Wahlweise kann die Leistungszufuhr zum Motor auch unterbrochen werden, wenn der Zustand der hohen Belastung eine vorbestimmte Zeitspanne anhält.

Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels, das in den Figuren dargestellt ist.

Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen kabellosen elektrischen Rasenmäher.

Fig. 2 zeigt in einem Blockschaltbild eine Motorsteuerschal­ tung gemäß der Erfindung.

Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung der Motorsteuerschaltung gemäß der Erfindung.

Fig. 4 bis 8 zeigen in Fließdiagramm die programmierten Abläufe in der Steuerschaltung gemäß Fig. 3.

Fig. 9 zeigt in einem Diagramm eine Gegenüberstellung der Geschwindigkeit des Schneidblattes des erfindungs­ gemäßen Rasenmähers und der Geschwindigkeit des Schneidblattes eines üblichen, ungeregelten Rasenmä­ hers.

Fig. 10 zeigt in einem Diagramm einen Vergleich des Energiever­ brauchs eines erfindungsgemäßen Rasenmähers und eines bekannten Rasenmähers bei unterschiedlichen Lastzustän­ den.

In Fig. 1 ist ein kabelloser elektrischer Rasenmäher gezeigt, der eine erfindungsgemäße Steuereinrichtung enthalten kann. Der Rasenmäher 10 hat einen Chassis 12, auf dem unter einer Abdeckung 14 eine Batterie gehalten ist, die Leistung an einen Elektromotor liefert, so daß dieser ein unterhalb des Chassis 12 befindliches Schneidblatt um eine vertikale Achse dreht. Grasschnipsel werden in einen Aufnahmebehälter 15 befördert, der am hinteren Ende des Chassis 12 befestigt ist. An einem lösbar am Chassi 12 angebrach­ ten Griff 16 ist eine Ein/Aus-Schalteranordnung 18 zur Steuerung der Leistungszufuhr von der Batterie zum Motor über ein Kabel 17 angebracht. Die Schalteranordnung 18 enthält einen Betätigungs­ hebel 19, der zwei unterschiedliche Bewegungen ausführen muß, um den Schalter von seiner Aus-Stellung in die Ein-Stellung zu bringen. Ein derartiger Aufbau ist in der US-PS 4 044 532 beschrieben. Außerdem ist der Hebel 19 in Richtung der Aus­ stellung federbelastet, so daß die Leistungszufuhr zum Motor automatisch unterbrochen wird, wenn der Benutzer den Handgriff freigibt. Der dargestellte Rasenmäher kann auch eine elek­ tromechanische Verriegelung enthalten, wie sie in der US-PS 5 085 043 beschrieben ist. Die Verriegelung enthält einen "Schlüssel" 20, der in Fig. 1 in der eingesetzten Stellung gezeigt ist. In dieser Stellung ist ein Verriegelungsschalter innerhalb der Abdeckung 14 betätigt, so daß die Spannungsversorgungsschaltung aktiviert ist, um den Motor, gesteuert durch die Schalteranord­ nung 18 zu speisen.

Die erfindungsgemäße Motorsteuerschaltung gemäß Fig. 2 enthält eine Mikrosteuerung 52, die so programmiert ist, daß sie die Geschwindigkeit des Motors durch Steuerung des Tastverhältnisses eines impulsbreitenmodulierten Steuersignals steuert, das einer Treiberschaltung 54 zugeführt wird, die ihrerseits den Betrieb einer elektronischen Schalterschaltung 56 steuert. Die elek­ tronische Schalterschaltung 56 ist zusammen mit einem Stromsensor 58 in Reihe mit dem Motor über die Batterie geschaltet. Die elektronische Schalterschaltung 56 steuert die Zufuhr von Leistung zum Motor. Der Mikroprozessor 52 empfängt von einer Rückkopplungswandlerschaltung 60 verschiedene Rückkopplungs­ signale einschließlich Batteriespannung, FET-Spannung und Batteriestrom und gewinnt aus diesen Signale das gewünschte Tastverhältnis für die Steuersignale, die der Treiberschaltung 54 für den Betrieb des Motors und damit des Schneidblattes bei gewünschter Geschwindigkeit, im vorliegenden Fall 3000 U/m zugeführt werden.

In Fig. 3 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Schaltungsaufbaus der Motorsteuerschaltung 50 gemäß der Erfindung gezeigt. Wie ohne weiteres zu erkennen ist, sind andere Formen von Motorsteuerschaltungen geeignet, um die beschriebenen Steuerfunktionen auszuführen, etwa konventionelle Proportional- Integral (PI)- oder Proportional-Integral-Ableitungs (PID)-Steue­ rungen, die direkt die Motorgeschwindigkeit mittels eines Geschwindigkeitswandlers, etwa eines Tachogenerators, abtasten oder die indirekt die Motorgeschwindigkeit aus der Gegen-EMK des Motors ermitteln. Gegebenenfalls kann auch eine vollständig analoge Steuerung benutzt werden.

Die im bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendete Mikrosteuerung 52 enthält einen 4-Bit-Mikroprozessor mit eingebautem Analog/Digi­ tal-Wandler. Die Mikrosteuerung 52 wird von einer geregelten 5 V-Spannungsversorgung 64 gespeist, die über einen Ein/Aus- Schalter 62 mit der Batterie verbunden ist. Die tatsächliche Batteriespannung am Punkt 66 wird von einem Spannungstei­ lernetzwerk, das aus Widerständen R19 und R20 besteht, abgetastet und einem analogen Eingang 20 der Mikrosteuerung 52 zugeführt. Ein nicht gezeigter Permanentmagnet-Gleichstrommotor ist über den Ein/Aus-Schalter 62 direkt mit der Batterie verbunden. Die Aktivierung des Motors wird von einem Paar parallelgeschalteter MOSFET-Leistungstransistoren Q1 und Q2 gesteuert, die zusammen mit einem Stromgeberwiderstand R21 über die Anschlüsse der Batterie mit dem Motor in Reihe geschaltet sind. Die MOSFET- Spannung am Punkt 68 wird von einem anderen Spannungsteiler­ netzwerk aus Widerständen R17 und R18 ermittelt und an einen zusätzlichen Analogeingang 13 der Mikrosteuerung 52 gelegt. Vom Widerstand 21 wird ein Spannungssignal, das proportional dem Batteriestrom ist, an eine Verstärkerschaltung 70 gelegt, die das Spannungssignal verstärkt und über eine RC-Filterschaltung aus Widerstand R5 und Kondensator C4 und über die Leitung 72 an einen weiteren analogen Eingang 12 der Mikrosteuerung 52 gelegt. Die RC-Filterschaltung dient dazu, aus dem gelieferten Signal den pulsbreitenmodulierten (PWM)-Schaltfrequenzanteil auszufiltern.

Die Mikrosteuerung 52 ist so programmiert, daß sie etwa alle 20 Millisekunden die Batteriespannung, die MOSFET-Spannung und den Batteriestrom mißt. Diese Messungen erfolgen unter Verwendung des in der Mikrosteuerung 52 vorhandenen Analog/Digital-Wandlers. Man erkennt, daß dieser Meßschritt eine softwaregesteuerte Filterung der Eingangssignale umfassen kann. Das Tastverhältnis des pulsbreitenmodulierten (PWM)-Steuersignals wird gemäß der folgenden Berechnungen erhalten:

• 1. Berechnung der Motorspannung. Die Motorspannung ist gleich der Differenz zwischen der Batteriespannung und der MOSFET-Spannung.
• 2. Berechnung des Motorstroms. Der Motorstrom ist in diesem Fall nicht genau gleich dem Batteriestrom. Es wird jedoch angenommen, daß die aus der Batterie gezogenen Leistung gleich der vom Motor verbrauchten Leistung ist, d. h., für diese Berechnung wird unterstellt, daß in der Steuerelektronik keine Verluste auftreten. Daher gilt:
• 3. Berechnung des Anker-Spannungsabfalls. Der Anker- Spannungsabfall ist der Spannungsabfall über dem Motor infolge des Widerstandes der Ankerwicklung. Er ist daher gleich dem Ankerwiderstand. Er ist eine Konstante, die in den Speicher der Mikrosteuerung 52 einprogrammiert ist.
• 4. Berechnung der gewünschten Motorspannung. Die gewünsch­ te Motorspannung ist gleich der Bezugsgeschwindigkeits­ spannung plus dem Ankerspannungsabfall. Die Bezugsgeschwin­ digkeitsspannung ist die theoretische Motorspannung, die erforderlich wäre, um den Motor mit einer gewünschten Betriebsgeschwindigkeit, beispielsweise 3000 U/m, im Leerlauf zu drehen. Verschiedene Bezugsgeschwindigkeits­ spannungen sind ebenfalls in den Speicher der Mikrosteuerung 52 einprogrammiert.
• 5. Berechnung des erforderlichen Tastverhältnisses. Die zugeführte Motorspannung hängt vom Tastverhältnis der MOSFETs Q1 und Q2 und der Batteriespannung ab. Somit kann das gewünschte Tastverhältnis durch Division der gewünschten Motorspannung durch die Batteriespannung errechnet werden.

Das erhaltene, errechnete Tastverhältnissignal wird mit einer Modulationsfrequenz von 7,8 KHz von der Mikrosteuerung 52 auf eine Ausgangsleitung 74 gegeben. Dieses Ausgangssignal wird der Treiberschaltung 54 zugeführt, die Transistoren Q3, Q4 und Q5 enthält, die über eine Leitung 76 an eine geregelte 12 V-Spannungsversorgung aus Widerstand R10, Zener-Diode D4 und Kon­ densator C3 angeschlossen sind. Wird der Transistor Q5 vom Tastverhältnissteuersignal auf der Leitung 74 abgeschaltet, wird der Transistor Q3 ein- und der Transistor Q4 abgeschaltet, und die Leistungs-MOSFETs Q1 und Q2 werden eingeschaltet, wodurch der Motor aktiviert wird. Wenn andererseits der Widerstand Q5 vom Tastverhältnissteuersignal auf der Leitung 74 eingeschaltet wird, wird der Transistor Q3 aus- und der Transistor Q4 eingeschaltet, und die Leistungs-MOSFETs Q1 und Q2 werden ausgeschaltet, so daß die Leistungszufuhr zum Motor unterbrochen wird. Es sei erwähnt, daß der Transistor Q4 dazu dient, die Gate-Source-Kapazität der MOSFETs Q1 und Q2 zu entladen, um sicherzustellen, daß die MOSFETs Q1 und Q2 abgeschaltet werden. Entsprechend wird der Tast- oder Betriebszyklus der MOSFETs Q1 und Q2 von der Mikro­ steuerung 52 gesteuert, um die Geschwindigkeit des Motors über einen großen Bereich von Lastzuständen zu regeln, um Batterie­ energie zu sparen. Wenn beispielsweise der Rasenmäher über bereits geschnittenes Gras, Fahrwege oder Fußwege bewegt wird oder wenn er zur Drehung auf seine Hinterräder gekippt wird, so daß der Motor im wesentlichen entlasten ist, regelt die vorhande­ ne Steuerung die Geschwindigkeit des Motors auf einen niedrigeren Wert als die Maximalgeschwindigkeit, die im vorliegenden Fall 3000 U/m beträgt, um den Energieverbrauch des Motors zu reduzie­ ren. Selbst beim Schneiden mittlerer Grashöhen wird die Ge­ schwindigkeit des Motors und damit die Geschwindigkeit des Schneidblattes auf 3000 U/m geregelt. Auf diese Weise wird der Energieverbrauch auf ein Minimum, das zur Erzielung guter Schnittergebnisse erforderlich ist, begrenzt.

Unter gewissen Umständen, etwa wenn das Schneidblatt des Mähers plötzlich abbremst, weil es auf einen harten Gegenstand getroffen ist, kann der vom Motor gezogene Strom sehr schnell auf einen hohen Wert ansteigen. Um den Motor und die MOSFETs Q1 und Q2 zu schützen und zu verhindern, daß in diesem Zustand die Batterie zu viel Strom abgibt, weist die vorliegende Steuerschaltung 50 eine Stromabschaltschaltung auf. Das Batteriestrom-Rückkopplungs­ signal vom Ausgang der Verstärkerschaltung 70 wird auch über eine Zeitverzögerungsschaltung aus Widerstand R12 und Kondensator C5 dem negativen Eingang eines Vergleichsverstärkers 78 zugeführt. Die Größen von Widerstand R12 und Kondensator C5 werden so gewählt, daß sich eine verhältnismäßig kurze Zeitverzögerung von 20 Mikrosekunden ergibt. Der positive Eingang des Vergleichsver­ stärkers 78 ist an eine Widerstandsteilerschaltung aus Wider­ ständen R13 und R14 angeschlossen, die ein Schwellenwertspan­ nungssignal entsprechend etwa 100 A liefert. Wenn daher von der Verstärkerschaltung 70 festgestellt wird, daß das Batteriespan­ nungssignal über einen Wert ansteigt, der für mehr als 20 Mikrosekunden etwa 100 A entspricht, schaltet der Ausgang des Vergleichsverstärkers 78 von einem Hoch-Zustand in einen Niedrig- Zustand, wodurch der Transistor Q3 abgeschaltet, der Transistor Q4 eingeschaltet und die MOSFETs Q1 und Q2 abgeschaltet werden. Die Leistungszufuhr zum Motor ist daher unterbrochen, und eine mögliche Beschädigung der Steuerschaltung 50 wird vermieden.

In den Fließdiagrammen gemäß Fig. 4 bis 8 ist das Betriebs­ programm der Mikrosteuerung 52 dargestellt. Das Hauptprogramm gemäß Fig. 4 aktiviert die Steuerschaltung und initialisiert die Mikrosteuerung 52, wenn der Ein/Aus-Schalter eingeschaltet wird. Der Initialisierungsablauf, der in Fig. 5 gezeigt ist, umfaßt das Initialisieren aller Register, Zeitgeber und Interrupts und das Rückstellen der Fehlerschaltung. Dann wird die Batteriespan­ nung überprüft, um sicherzustellen, daß die Batterie für den Betrieb des Rasenmähers ausreichend aufgeladen ist. Im bevorzug­ ten Ausführungsbeispiel bedeutet dies eine Batteriespannung von mehr als 19,2 V. Wenn die Batterie ausreichend aufgeladen ist, geht das Programm zur Motorsteuerungsroutine gemäß Fig. 6 über.

Die Motorsteuerungsroutine berechnet den Arbeitszyklus bzw. das Tastverhältnis des den MOSFETs Q1 und Q2 zugeführten PWM-Steuer­ signals. Zu Beginn mißt die Mikrosteuerung 52 die ihren analogen Eingängen von der Rückkopplungswandlerschaltung 60 zugeführten verschiedenen Betriebsparameter, nämlich Batterie­ spannung und -strom und MOSFET-Spannung. Diese Analogsignale werden mit bekannten Verfahren in digitale Signale umgewandelt und gefiltert. Das Programm prüft dann erneut die Batteriespan­ nung, um sicherzustellen, daß diese sich weiterhin im geeigneten Betriebsbereich, nämlich oberhalb von 19,2 V befindet. Liegt die Batteriespannung unterhalb von 19,2 V, prüft das Programm, ob sich die Batteriespannung unterhalb einer vorgegebenen Fehler­ spannung, im vorliegenden Fall 16 V befindet. Ist dies der Fall, geht das Programm direkt auf eine Abschaltroutine über, die die MOSFETs Q1 und Q2 sofort abschaltet und den Motor deaktiviert. Befindet sich die Batteriespannung jedoch nicht unterhalb von 16 V, wird ein Abschaltzähler initiiert. Bleibt die Batteriespannung für 10 Sekunden unterhalb der minimalen Betriebsspannung von 19,2 V, wird die Abschaltroutine eingeleitet.

Wenn die Batterie richtig aufgeladen ist, durchläuft das Programm die vorstehend beschriebenen Schritte zur Berechnung der überwachten Parameter des Arbeitszyklus bzw. Tastverhältnisses des PWM-Steuersignals, das erforderlich ist, um die Geschwindig­ keit des Motors auf der gewünschten Bezugsgeschwindigkeit von 3000 U/m zu halten. Insbesondere berechnet die Mikrosteuerung im Schritt 1 die Motorspannung, im Schritt 2 den Motorstrom und im Schritt 3 den Spannungsabfall über dem Anker bzw. der Ankerwick­ lung des Motors. Im Schritt 4 überprüft die Mikrosteuerung, ob der Batteriestrom oberhalb einer vorbestimmten Stromgrenze liegt, die gewählt ist, um eine überhöhte Batterieentladung zu verhin­ dern. Dieser Schritt ist im Fließdiagramm als Geschwindigkeits­ rückführroutine bezeichnet und in Fig. 7 dargestellt. Die Geschwindigkeitsrückführroutine ist für hohe Lastzustände vorgesehen, etwa wenn der Rasenmäher auf sehr hohes Gras trifft. Derartige Zustände können eine erhebliche Erhöhung des vom Motor gezogenen Stroms verursachen. Wie vorstehend bereits erwähnt, nimmt die Wirksamkeit der Batterie erheblich ab, so daß die Gesamtlaufzeit des Mähers deutlich verringert wird, wenn der gezogene Strom hohe Werte erreicht. Es ist daher vom Standpunkt des Gesamtwirkungsgrades erwünscht, die Höhe des Batteriestroms zu begrenzen. Um dies zu erreichen, ist die Mikrosteuerung so programmiert, daß sie die gewünschte Motorspannung reduziert, damit der Batteriestrom eine vorgegebene maximale Grenze nicht übersteigt. Mit anderen Worten, bei Zuständen hoher Belastung kann die Motorgeschwindigkeit unter den gewünschten Wert von 3000 U/m fallen.

Wie in Fig. 7 gezeigt, prüft die Mikrosteuerung in der Ge­ schwindigkeitsrückführroutine zunächst, ob der Motorstrom größer als 50 A ist. Liegt der Motorstrom unterhalb von 50 A, wird die Motorgeschwindigkeit auf der gewünschten Bezugsgeschwindigkeit von 3000 U/m gehalten, und die Motorsteuerroutine geht zum Schritt 5 über. Wenn jedoch der Motorstrom größer als 50 A ist, prüft das Programm, ob der Motorstrom oberhalb von 60 A, dem im bevorzugten Ausführungsbeispiel maximal zulässigen Stromwert liegt. Infolge der Software-Filterung beim Analog/Digital- Umsetzvorgang, muß der Motorstrom für etwa eine halbe Sekunde oberhalb von 60 A liegen, bevor das Programm an dieser Stelle auf die Abschaltroutine überspringt.

Liegt der Motorstrom oberhalb von 50 A, jedoch unterhalb von 60 A, so errechnet die Mikrosteuerung eine gewünschte Motorge­ schwindigkeit, die für jedes Ampere Motorstrom über 50 A die Motorgeschwindigkeit um etwa 100 U/m verringert. Wenn beispiels­ weise der Motorstrom 52 A beträgt, wird die Motorgeschwindigkeit auf etwa 2800 U/m reduziert, während es bei einem Motorstrom von 54 A zu einer Verringerung auf etwa 2600 U/m usw. kommt. Ist die gewünschte Motorgeschwindigkeit eingeregelt, kehrt das Programm zum Schritt 5 der Motorsteuerroutine zurück, in dem die gewünsch­ te Motorspannung berechnet wird. Im Schritt 6 wird das Tast­ verhältnis für das PWM-Steuersignal errechnet.

Zurückkehrend zum Hauptprogramm erzeugt die Mikrosteuerung 52 das das neu errechnete Tastverhältnis aufweisende PWM-Steuersignal. Die Mikrosteuerung wiederholt diesen Steuervorgang etwa alle 20 Millisekunden.

In den vorstehend beschriebenen Fällen und wenn der Ein/Aus- Leistungsschalter geöffnet wird, geht die Mikrosteuerung von der Hauptsteuerroutine oder der Geschwindigkeitsrückführroutine in die Abschaltroutine gemäß Fig. 8 über. Beim Eintritt in die Abschaltroutine wird die Leistungszufuhr zum Motor sofort durch Abschalten der MOSFETs Q1 und Q2 unterbrochen. Die Mikrosteuerung liest dann ein erstes Mal die Batteriespannung ab, wartet 50 Millisekunden und nimmt eine zweite Ablesung der Batteriespannung vor, um danach die erste Ablesung von der zweiten zu subtrahie­ ren. Hat sich die Batteriespannung während der Zeitspanne von 50 Millisekunden um mehr als 1 V erhöht, kehrt die Mikrosteuerung zum Anfang des Hauptprogramms zurück. Im anderen Fall wird der Vorgang wiederholt. Dieser Ablauf hat den folgenden Zweck:

Tritt das Programm infolge eines Batterieausfalles oder eines Stromüberlastungszustandes in die Abschaltroutine ein, ist es erwünscht, sicherzustellen, daß der Benutzer den Hauptschalter abgeschaltet hat, bevor das System wieder in den normalen Betriebszustand zurückkehrt. Infolge der hohen Kapazität in der Steuerschaltung, insbesondere durch den Kondensator C10, bleibt die Steuerschaltung jedoch für mindestens 5 Sekunden aktiviert, nachdem der Hauptschalter geöffnet wurde. Die Steuerung kann daher nicht zuverlässig bestimmen, ob der Hauptschalter nur deshalb abgeschaltet wurde, weil ein sehr niedriges Batteriespan­ nungssignal ermittelt wurde. Darüber hinaus ist es unerwünscht, den Benutzer mehr als 5 Sekunden nach Abschalten des Haupt­ schalters infolge einer zeitweiligen Stromüberlastung warten zu lassen, bevor er den Rasenmäher wieder anlassen kann.

Es ist daher ein Steuervorgang erforderlich, der es der Mikro­ steuerung ermöglicht, während dieser Zeitspanne der Unbestimmt­ heit zuverlässig zu ermitteln, ob der Hauptschalter mindestens eine halbe Sekunde geöffnet war, bevor er wieder eingeschaltet wird. Dies wird in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel dadurch bewirkt, daß die Änderungsrate des Batteriespannungssignals überprüft wird. Insbesondere wenn wegen eines Stromüberlastungs­ zustandes in die Abschaltroutine eingetreten wurde und der Hauptschalter nicht geöffnet ist, bleibt die Batteriespannung entweder im wesentlichen konstant oder nimmt allmählich ab. Wenn jedoch der Hauptschalter für mindestens eine halbe Sekunde geöffnet wurde und dadurch der Batterie die Möglichkeit gegeben wird, sich teilweise zu erholen, steigt die Batteriespannung zeitweise mit einer Geschwindigkeit von mehr als 1 V pro 50 Millisekunden nach dem erneuten Schließen des Hauptschalters an. Bei diesem Zustand ermöglicht die Steuerschaltung dem Benutzer das Wiederanlassen des Rasenmähers. Wenn der Zustand, der zunächst den Stromüberlastungszustand verursacht hat, anhält, geht das Programm wieder zur Abschaltroutine über. Ist der Übergang zur Abschaltroutine dadurch verursacht, daß der Hauptschalter geöffnet wurde, entlädt sich allmählich die Schaltungskapazität, wodurch nie das Kriterium der ansteigenden Batteriespannung erfüllt wird, das erforderlich ist, um aus der Abschaltroutine auszusteigen, und das System schaltet einfach ab.

In Fig. 9 ist in einem Diagramm dies Geschwindigkeit über der verbrauchten Energie aufgetragen, wobei die Geschwindigkeit des Schneidblattes eines üblichen Rasenmähers der Geschwindigkeit des Schneidblattes eines erfindungsgemäßen Rasenmähers gegenüberge­ stellt ist. Man erkennt, daß ein üblicher Rasenmäher das Schneidblatt im Leerlauf mit etwa 3800 U/m bis 4000 U/m antreibt und die Geschwindigkeit des Schneidblattes allmählich auf etwa 3500 U/m abnimmt, wenn die Belastung des Rasenmähers zunimmt. Die Schneidblattgeschwindigkeit wird somit innerhalb eines optimalen Bereiches gehalten, indem sehr gute Schnittergebnisse erzielt werden. Der mit dem erfindungsgemäßen Energieorganisationssystem ausgestattete Rasenmäher regelt die Motorgeschwindigkeit derart, daß das Schneidblatt mit im wesentlichen konstanter Geschwindig­ keit, vorzugsweise innerhalb eines Bereiches von etwa 2800 U/m bis 3200 U/m dreht. Wenn darüber hinaus der Motor so stark belastet wird, daß sein Energieverbrauch sich etwa 1100 W nähert, wird die Geschwindigkeit des Schneidblattes allmählich unter die geregelte Geschwindigkeit verringert, um eine zu große Batterie­ entladung zu verhindern. Man erkennt somit, daß der erfindungs­ gemäße Rasenmäher die Schneidblattgeschwindigkeit auf einer Größe hält, die gute Schnittergebnisse bewirkt, ohne daß zuviel Leistung verbraucht wird. Daher kann mittels der Erfindung der Wirkungsgrad wesentlich erhöht werden, indem die Geschwindigkeit des Schneidblattes in den Bereich von etwa 2800 U/in bis 3200 U/m eingeregelt wird. Dieser Bereich der Schneidblattgeschwindigkeit führt zu guten Schnittergebnissen bei erheblich verringertem Leistungsverbrauch in einem großen Bereich von Lastzuständen, verglichen mit einem üblichen, ungeregelten Rasenmäher.

Dieses Ergebnis ist im Diagramm gemäß Fig. 10 verdeutlicht, das den Energieverbrauch eines Rasenmähers mit einer Steuerung gemäß der Erfindung und eines üblichen, ungesteuerten Rasenmähers bei unterschiedlichen Lastzuständen zeigt. Man erkennt, daß durch die Erfindung eine wesentliche Energieeinsparung erreicht und daher die Wirksamkeit im Betrieb über den gesamten Bereich der Lastzustände verbessert wird. Außerdem ist festzustellen, daß selbst bei mittleren Lastzuständen und im Leerlauf, die oft einen wesentlichen Teil der Betriebs zeit des Rasenmähers ausmachen, wesentliche Energieeinsparungen erzielt werden. Somit wird die Gesamtlaufzeit des Rasenmähers mit einer einzigen Batterieladung deutlich verlängert.

Claims (1)

1. Energiesteuersystem für ein kabelloses, batteriegetriebenes elektrisches Schneidgerät zum Schneiden von Gras o. ä. mit einem von einem Elektromotor angetriebenen Schneidwerkzeug, gekenn­ zeichnet durch eine Steuerung zur Überwachung des vom Elek­ tromotor gezogenen Batteriestroms und zur Erzeugung eines Antriebssignals für den Elektromotor, wobei das Antriebssignal im Fall einer überhöhten Last, die zu einem einen Schwellenwert überschreitenden, vom Motor gezogenen Batteriestrom führt, von der Steuerung modifiziert wird, so daß die Geschwindigkeit des Elektromotors verringert wird, bis die erhöhte Last nicht mehr wirkt, um so zu verhindern, daß der Motor während eines solchen Lastzustandes einen hohen Strom zieht, und durch eine Schalter­ schaltung, die in Abhängigkeit vom Antriebssignal dem Elek­ tromotor Leistung von der Batterie zuführt.