一种智能电动黑板擦、控制系统及其控制方法与流程

本发明属于黑板或石板的清洁装置技术领域，尤其涉及一种智能电动黑板擦、控制系统及其控制方法。

背景技术：

目前，业内常用的现有技术是这样的：

黑板擦作为一种重要的教学工具，其对粉笔字迹的擦拭和对粉尘的处理效果直接影响到教学质量和教学环境。由于教学场地相对封闭、人员相对集中，粉尘对人员的健康安全危害较大。而传统的黑板擦大多对粉尘处理不到位，部分改进型的黑板擦则需要人工定期维护，使用不够便利。

传统黑板擦大多仅依靠人力采用机械摩擦的方式擦拭粉尘，使其与黑板分离，由于可控性较差，不仅擦尘效果欠佳、效率低下，也不利于对粉尘的吸收处理，故发展有一定可控性的电动黑板擦逐渐成为一热点。而当下部分改进型的电动黑板擦，大多需要定期人工更换内部蓄电池或者通过外部充电器补充电能，不够便利。

综上所述，现有技术存在的问题是：

传统的黑板擦大多对粉尘处理不到位，不仅需要耗费的人工劳动强度较大，且擦尘效果欠佳、效率低下，也不利于对粉尘的吸收处理，部分改进型的黑板擦则需要人工定期维护，且需要定期人工更换内部蓄电池或者通过外部充电器补充电能，不够便利。

解决上述技术问题的难度：

如何在不改变传统擦拭方式的前提下通过其他途径有效除尘。

如何有效储尘以减少外部空间粉尘。

如何在不通过人工干涉的条件下保持该装置的持续运行。

解决上述技术问题的意义：

本发明通过高速旋转风机有效除尘，提高除尘效果，从而间接提高教学效果。

本发明通过风机和过滤除尘盒储尘，减少外部空间的粉尘量，净化教学环境；

本发明通过外转子式永磁发电机可在一定条件下自动为蓄电池充电，避免人工更换内部蓄电池或者通过外部充电器补充电能，提高了本发明使用的便利性。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种智能电动黑板擦、控制系统及其控制方法。

本发明是这样实现的，一种智能电动黑板擦控制系统，所述智能电动黑板擦控制系统包括：

发电单元，用于利用黑板擦与黑板间的机械摩擦水平运动通过凸起颗粒转化为外转子式永磁发电机转子的旋转运动，在外转子式永磁发电机内产生旋转磁场，使静止的定子绕组被磁场切割，产生交流感应电动势，当外接负载时，向负载提供电能。

电动单元，用于通过受控的永磁无刷直流电动机将电能转化为旋转机械能，带动同轴的吸尘风机定向高速旋转，将粉尘吸入储尘盒。

能量控制单元，将发电单元产生的交流电通过可控的整流单元转换为直流电，向负载供电。同时结合擦尘、储尘需要和相关参数检测结果，经电子开关单元控制能量流通路径。

检测指示单元，用于对发电整流后的电压、蓄电池电压、发电机转子转速、储尘盒内粉尘量进行检测，为能量控制提供依据，同时通过LED灯指示当前运行状态。

进一步，能量控制单元，包括蓄电池、可控整流单元、电子开关单元及电机驱动单元，发电单元产生的交流电通过可控整流单元转换为直流电，向负载供电并将部分电量通过蓄电池进行存储。同时结合擦尘、储尘需要和相关参数检测结果，经电子开关单元控制能量流通路径。经电机驱动单元控制电动单元的永磁无刷直流电动机的运行。

本发明的另一目的在于提供一种所述智能电动黑板擦控制系统的智能电动黑板擦控制方法，所述智能黑板擦控制方法包括：

步骤一，将黑板擦与黑板间的机械摩擦水平运动通过凸起颗粒转化为外转子式永磁发电机转子的旋转运动，在电机内产生旋转磁场，使静止的定子绕组被磁场切割，产生交流感应电动势。

步骤二，利用可控整流单元将产生的交流电转换为直流电，向为LED指示灯、吸尘风机、过滤器相关外接负载提供电能。

步骤三，对发电整流后的电压、蓄电池电压、发电机转子转速、储尘盒内粉尘量进行检测。并结合擦尘、储尘需要和相关参数检测结果，经电子开关单元控制能量流通路径。

步骤四，同时通过LED指示灯进行黑板擦当前运行状态指示。

进一步，步骤四中，所述黑板擦运行状态包括：非工作状态与工作状态。以外转子式永磁发电机转子的转速作为其是否工作的依据，当转速为零或者很小时，定义黑板擦处于非工作状态，进入省电休眠模式。反之，则处于工作模式。

所述省电休眠模式包括：当黑板处于省电休眠模式时，内部ECU处于省电休眠状态，控制开关K1、K2、K3断开，可控型整流整流器和电动机驱动器关闭，转速检测功能开启，为进入工作模式做准备。

所述工作模式包括：MCU不断检测整流器输出电压和蓄电池电压，根据检测结果驱动LED指示灯。

进一步，MCU不断检测整流器输出电压和蓄电池电压，根据检测结果驱动LED指示灯中，具体包括：

1)发电机向蓄电池和电动机同时供电模式：外转子式永磁发电机输出的电能经可控整流器后同时向蓄电池和电动机供电，对蓄电池充电和驱动吸尘风机工作，K1、K3闭合，K2断开，且蓄电池充电指示灯亮起。

2)发电机仅向电动机供电模式：外转子式永磁发电机输出的电能经可控整流器后仅向电动机供电，驱动吸尘风机工作，K3闭合，K1、K2断开，且蓄电池满电指示灯亮起。

3)蓄电池向电动机供电模式：若外转子式永磁发电机转子转速低，输出电压低，经可控整流后不能驱动电动机工作，由蓄电池向电动机提供电能，驱动吸尘风机工作，K2闭合，K1、K3断开，且蓄电池放电指示灯亮起。

本发明的另一目的在于提供一种电动黑板擦，设置有壳体，壳体内安装有外转子式永磁发电机。

外转子式永磁发电机通过导线连接可控型整流整流器。

可控型整流整流器通过开关组连接电动机驱动器及蓄电池。

电动机驱动器通过导线连接永磁无刷直流电动机。

永磁无刷直流电动机通过转子连接吸尘风机。

MCU芯片通过板线连接LED指示灯。

进一步，所述吸尘风机吸附粉尘储存在过滤器储尘盒，过滤器储尘盒的储尘传感开关通过导线连接MCU芯片(型号为STM32F103ZE)。

进一步，电动机驱动器通过开关组的K2连接蓄电池。电动机驱动器通过开关组的K3连接整流器。。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明针对粉尘污染，结合机电技术，采用永磁式发电机和蓄电池作为一次电源，驱动高速旋转吸尘风机，从而达到了除尘、净化教学环境的目的，实现教育安全，同时其无需更换电池或外部充电，依靠内部控制在擦拭黑板的过程中自动实现机电能量的转换和电能的补充，提高了其操作的便利性和智能性。

本发明将黑板擦在黑板上的水平摩擦移动转化为永磁发电机转子的旋转运动，在电磁感应的作用下产生电能，一方面对蓄电池进行充电，用于储能，另一方面向永磁直流电动机供电，带动吸尘风机高速旋转，在定向气流的作用下将含粉尘的空气吸至储尘盒，经过滤后在出风口排出清洁的无尘空气，不仅提高了对黑板上粉尘的擦拭效率，而且可将粉尘回收，同时便于机电能量控制和管理。此外，还可在外壳上通过显目的指示灯指示当前状态，便于观测，以便用户及时采取措施。

本发明还具备以下优点：

1)高效擦尘。

摒弃传统机械摩擦的擦尘方法，由永磁式电动机带动吸尘风机高速旋转，从而在相对封闭的空间内产生空间负压，有效吸取粉尘，使粉尘脱离黑板，达到减轻人工劳动强度、增强擦尘效果的目的。

2)自动储尘。

通过受控的高速旋转风机产生定向空气流，可将脱离黑板的粉尘定向吸入储尘盒，以防止粉尘飞散，在此过程中无需人工参与，实现自动储尘。

3)免充电。

结合用户的操作，通过自身内部处理将不易受控的机械动能转化为可控的电能，方便能量的存储和使用，同时采用节能型的永磁式电机，且集成有延时自动断电功能，能耗较低，故无需外部对其进行能量的补充，提高了使用便利性。

4)状态可观测，便于及时处理。

通过对相关参数的检测和可视化指示，用户可及时了解黑板擦的状态，以便及时采用措施进行处理，如当内部蓄电池缺电指示时，可通过快速擦拭黑板的方式进行充电，内部储尘盒已满时，及时提示用户倾倒粉尘。

随着机电技术及自动化技术的不断发展，本发明通过对相关电力电子器件的控制由电动机、蓄电池、发电机等装置实现机电能量的自动转化和存储，为黑板擦智能除尘、储尘提供了可行性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的智能电动黑板擦示意图。

图中：1、发电单元。2、电动单元。3、能量控制单元。4、检测指示单元。

图2是本发明实施例提供的智能电动黑板擦示意图。

图3是本发明实施例提供的智能电动黑板擦发电环节示意图。

图4是本发明实施例提供的智能电动黑板擦控制方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

传统的黑板擦大多对粉尘处理不到位，不仅擦尘效果欠佳、效率低下，也不利于对粉尘的吸收处理，部分改进型的黑板擦则需要人工定期维护，且需要定期人工更换内部蓄电池或者通过外部充电器补充电能，不够便利。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种智能电动黑板擦及其控制方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的智能电动黑板擦具体包括：

发电单元1：用于利用黑板擦与黑板间的机械摩擦水平运动通过凸起颗粒转化为外转子式永磁发电机转子的旋转运动，在电机内产生旋转磁场，使静止的定子绕组被磁场切割，产生交流感应电动势，当外接负载时，向负载提供电能。

电动单元2：用于通过受控的永磁无刷直流电动机将电能转化为旋转机械能，带动同轴的吸尘风机定向高速旋转，将粉尘吸入储尘盒。

能量控制单元3：包括蓄电池和各功率单元，并将发电单元产生的交流电通过可控的整流单元转换为直流电，向负载供电。同时结合擦尘、储尘需要和相关参数检测结果，经电子开关单元控制能量流通路径。

检测指示单元4：用于对发电整流后的电压、蓄电池电压、发电机转子转速、储尘盒内粉尘量进行检测，为能量控制提供依据，同时通过LED灯指示当前运行状态。

图2是本发明实施例提供的智能电动黑板擦，设置有壳体，壳体内安装有外转子式永磁发电机。

外转子式永磁发电机通过导线连接可控型整流整流器。

可控型整流整流器通过开关组连接电动机驱动器及蓄电池。

电动机驱动器通过导线连接永磁无刷直流电动机。

永磁无刷直流电动机通过转子连接吸尘风机。

MCU芯片通过板线连接LED指示灯。

进一步，所述吸尘风机吸附粉尘储存在过滤器储尘盒，所述过滤器储尘盒的储尘开关通过导线连接MCU芯片(型号为STM32F103ZE)。

进一步，电动机驱动器通过开关组的K2连接蓄电池。电动机驱动器通过开关组的K3连接整流器。

如图3所示，本发明实施例提供的发电单元具体包括：

当用户擦拭黑板时，将黑板擦与黑板间的机械摩擦水平运动通过凸起颗粒转化为外转子式永磁发电机转子的旋转运动，在电机内产生旋转磁场，导致其静止的定子绕组被磁场切割，产生交流感应电动势，当外接负载时，即向负载提供电能。

如图4所示，本发明实施例提供的智能黑板擦控制方法具体包括：

S101，用户擦拭黑板，黑板擦与黑板间的机械摩擦水平运动通过凸起颗粒转化为外转子式永磁发电机转子的旋转运动，在电机内产生旋转磁场，使静止的定子绕组被磁场切割，产生交流感应电动势。

S102，利用可控整流单元将产生的交流电转换为直流电，向为LED指示灯、吸尘风机、过滤器相关外接负载提供电能。

S103，对发电整流后的电压、蓄电池电压、发电机转子转速、储尘盒内粉尘量进行检测。并结合擦尘、储尘需要和相关参数检测结果，经电子开关单元控制能量流通路径。

S104，同时通过LED灯进行黑板当前运行状态指示，方便用户采取合适的措施进行处理。

步骤S104中，本发明实施例提供的黑板运行状态具体包括：

黑板运行状态包括非工作状态与工作状态。以发电机转子的转速作为其是否工作的依据，当转速为零或者很小时，定义其处于非工作状态，进入省电休眠模式。反之，则处于工作模式。

所述省电休眠模式：当黑板处于省电休眠模式时，内部ECU处于省电休眠状态，控制开关K1、K2、K3断开，整流器和电动机控制器及其他外设驱动关闭，转速检测功能开启，为进入工作模式做准备。

所述工作模式：ECU被唤醒，不断检测整流器输出电压和蓄电池电压，根据检测结果，包括以下三种：

1)发电机向蓄电池和电动机同时供电模式：发电机转子转速较高导致其输出电压较高，而此时蓄电池的检测电压较低，处于亏电状态，为防止蓄电池过放电，则发电机输出的电能经可控整流器后同时向蓄电池和电动机供电，以便对蓄电池充电和驱动吸尘风机工作，故K1、K3闭合，K2断开，且蓄电池充电指示灯亮起。

2)发电机仅向电动机供电模式：发电机转子转速较高导致输出电压较高，而此时蓄电池电压较高，处于满电状态，为防止蓄电池过充电过充电，则发电机输出的电能经可控整流器后仅向电动机供电，驱动吸尘风机工作，故K3闭合，K1、K2断开，且蓄电池满电指示灯。

3)蓄电池向电动机供电模式：发电机转子转速较低导致输出电压较低，经可控整流后不足以驱动电动机工作，而此时蓄电池储能较多，则由蓄电池向电动机提供电能，驱动吸尘风机工作，故K2闭合，K1、K3断开，且蓄电池放电指示灯亮起。

下面结合具体应用对本发明作进一步描述。

为便于使用，本发明智能黑板擦不设置人工操作开关或按钮，其以发电机转子的转速作为其是否工作的依据，即当转速为零或者很小时，定义其处于非工作状态，进入省电休眠模式。反之，则处于工作模式。

在省电休眠模式中，内部ECU处于省电休眠状态，断开控制开关K1、K2、K3，关闭整流器和电机动机控制器及其他外设驱动，节省电能消耗，但需保留转速检测功能，为进入工作模式做准备。

在工作模式中，ECU被唤醒，不断检测整流器输出电压和蓄电池电压，根据检测结果，又分以下三种工作模式：

1)发电机向蓄电池和电动机同时供电模式：此时，发电机转子转速较高导致其输出电压较高，而此时蓄电池的检测电压较低，处于亏电状态，为防止蓄电池过放电，则发电机输出的电能经可控整流器后同时向蓄电池和电动机供电，以便对蓄电池充电和驱动吸尘风机工作，故K1、K3闭合，K2断开，且蓄电池充电指示灯亮起。

2)发电机仅向电动机供电模式：此时，发电机转子转速较高导致输出电压较高，而此时蓄电池电压较高，处于满电状态，为防止蓄电池过充电过充电，则发电机输出的电能经可控整流器后仅向电动机供电，驱动吸尘风机工作，故K3闭合，K1、K2断开，且蓄电池满电指示灯。

3)蓄电池向电动机供电模式：此时，发电机转子转速较低导致输出电压较低，经可控整流后不足以驱动电动机工作，而此时蓄电池储能较多，则由蓄电池向电动机提供电能，驱动吸尘风机工作，故K2闭合，K1、K3断开，且蓄电池放电指示灯亮起。

基于以上各工作模式分析，当蓄电池亏电时，缺电指示灯亮起，用户可通过提高黑板擦拭速度实现对蓄电池的自动充电，防止蓄电池过放电。而当蓄电池满电时，其内部可自动断开充电电路，以防止蓄电池过充电。因此，可实现充电、保护智能化。

此外，当检测到储尘盒内粉尘已满时，能自动发出LED指示，以便用户及时将内部的粉尘清除，以保证使用的便利性。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案与技术效果做进一步说明。

实施例1

本发明的智能电动黑板擦需完成电动擦尘、储尘、内部能量自动管理等功能，主要包括发电单元、电动单元、能量管理单元、检测指示单元四部分。

发电单元：当用户擦拭黑板时，将黑板擦与黑板间的机械摩擦水平运动通过凸起颗粒转化为外转子式永磁发电机转子的旋转运动，在电机内产生旋转磁场，导致其静止的定子绕组被磁场切割，产生交流感应电动势，当外接负载时，即向负载提供电能(如图1所示)。

电动单元：通过受控的永磁无刷直流电动机将电能转化为旋转机械能，带动同轴的吸尘风机定向高速旋转，从而将粉尘吸入储尘盒。

能量管理单元：包括蓄电池和各功率模块，其将发电单元产生的交流电通过可控的整流单元转换为直流电，以便向负载供电。同时为防止蓄电池过充电、过放电，结合擦尘、储尘需要和相关参数检测结果，经电子开关单元控制能量流通路径。

检测、指示单元：对发电整流后的电压、蓄电池电压、发电机转子转速、储尘盒内粉尘量进行检测，为能量控制提供依据，同时通过LED灯进行指示，使用户了解当前运行状态，以便于采取合适的措施进行处理。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。