专利名称：带有能量控制系统的无绳式电动园圃除草机的制作方法
技术领域：
本发明涉及电动园圃除草机，特别涉及一种无绳式除草机，该除草机带有用于增加除草机效率的电子操作控制系统。
除其它因素以外，由于考虑到城市空气污染，因而电动除草机赢得了用户的欢迎。但是，由于有绳式电动除草机不方便及操作的限制，因而电池操作或无绳式电动除草机更受欢迎。然而，无绳式电动除草机主要缺点在于除草机依靠单一电池充电量所工作的时间。很明显，最理想的是电动除草机依靠单电池充电量就能具有完成割除一般尺寸草坪的能力。从这一实际出发，除草机通常需要大约一小时的工作时间。可惜常与所要求的除草机运转性能相矛盾的是，大多数无绳式除草机实际运转时间大约只在半个小时左右，而该时间常常不足以完成所希望的任务。
虽然无疑使用较大尺寸的电池会解决这一问题，但是与其相联系的费用和重量会阻碍大电池在非工业除草机上的使用。因此，能够使用的电池尺寸及重量便受到了限制。目前的无绳式电动除草机通常使用大约20安培时这一额定容量的24伏酸性铅蓄电池。但是，其中并非所有的能量都可以加以利用，例如，酸性铅蓄电池对于任何估计的载荷来说，只能发挥80‰的效率。因此，对于一个24伏额定容量为20安培时的酸性铅蓄电池，电池所发出的实际最大能量被限制在大约17安培左右。此外，当电池发出的电流值增加时，电池的效率甚至会降至50‰或更少。因此，这一现象会在正常条件下大大影响除草机的总体实际运转时间。
所以，为充分提高无绳式电动除草机的工作时间，对于给定的电池实际能量，必须考虑除草机的总体效率，除切割刀片的效率外，不仅要包括电动机的效率，而且还应包括电池的效率。通常用于提高除草机效率的惯用技术只着手于电动机，例如，使用价格昂贵的轴承将摩擦损失降至最小。但是，通过这些方法所获得的效果不但会受到限制，而且还会因此产生相应的费用问题。通常忽视努力提高除草机总体效率会对刀片的速度产生影响。
特别是，大多数旋转式电动式园圃除草机，无论是气动式还是电动式，其切割刀片的转速通常在3800-4000转/分之间。这一速度能对包括植物护根和装袋的操作提供非常良好的切割效果。但是，在刀片以3800转/分的无载荷转速下转动时，该刀片速度对除草机的总体效率是一个极大的影响因素。其原因在于除草机所消耗的所有功率是根据刀片转速的立方而变化。因此，即使切割刀片在这些速度下能产生良好的效果，然而所消耗的能量也是非常高的。
另一方面，刀片在3000转/分的转速下仍能实现良好的切割效果。此外，在这一切割刀片转速下，操作除草机所需要的能量会大大降低。例如，在无载荷条件下，需要大约543瓦特来驱动切割刀片以3800转/分的速度转动，但切割刀片以3000转/分转动时，仅需218瓦特的动力。因此，通过控制电动机转速来限制切割刀片的转速能明显提高总体效率。
因此，本方面的主要目的在于提供一种用于无绳式电动除草机的电子控制电路，用以控制电动机发出的电能从而将切割刀片的转速调整在最大工作转速之下，即2800-3200转/分。永磁直流电动机的速度调整可通过调节施加到电动机上、响应不同系统反馈变量的电压来完成。特别是，最佳控制电路能够检测控制电池电压，电池电流及金属氧化物半导体场效应功率晶体管电压，并从中导出保持理想的电动机转速所需的电动机电压。因此，无需单独的电动机速度转换装置，就可以以低成本实现闭合电路速度调节。
此外，本发明的控制器也可提供独特的电流限制功能以进一步提高系统的总体操作效率。特别是在重载荷条件下，电池发出电流的显著上升会导致电池效率大大下降。因此，众所周知当电流超过预定标准时，应具备能中断电动机电能的电流限制器。但是，这一方法的缺点在于除草机的工作也同时被完全阻止，这对于操纵者来说是不方便和麻烦的，因而未受到使用者的欢迎。
本发明的控制器通过以不同方式响应重载荷的发生而克服了这一缺点。在本发明中，并不是简单中断电动机的电能，而是通过逐步降低电动机的转速来限制电动机所引出的最大电流。如果除草机在遇到非常强的载荷时，电动机的转速被允许降至与保持在预定极限之下的电动机电流相一致的范围，而不是允许其升高至一较高值。直至电动机恢复正常转速之前，电动机这一速度的降低能够很容易地被操作者觉察，并以此作为直觉信号以降低电动机的转速或暂时中断电动机的工作。但是，如果强载荷条件持续存在且电动机转速降至预定水平之下时，控制器将会完全中断电动机电能。另外，如果在预定时间段内仍存在强载荷情况，电动机电能也会被中断。
本发明的其它目的和优点将通过以下结合附图对最佳实施例的详细描述中明显看到。
图1为本发明所指明的普通型无绳式电动园圃除草机的立体投影图；图2为本发明的电动机控制电路的方框图；图3为本发明的电动机控制电路的电路图；图4-8为图3所示的微控制器内软件程序的流程图；图9为本发明的电动机切割刀片的速度与普通调整过的除草机切割刀片的速度比较图；和
图10为在不同负荷条件下，本发明的除草机所消耗的能量与传统的除草机所消耗的能量的比较图。
附
图1所示为本发明的安装有能量控制系统的无绳式电动园圃除草机。
图1中所示的无绳式除草机10包括在盖板14下方装有电池的除草机舱板12，该电池作为电动机的能源，用于旋转驱动位于除草机舱板12之下的、环绕垂直设置的轴的切割刀片。所割下的杂草碎片可被排入安装在除草机舱板12后部的接受仓15内。可动安装在除草机舱板12上的手柄16上设置有ON/OFF开关装置18以控制通过导线17从电池发出的施加到电动机上的电能。ON/OFF开关18包括操作杆19，它应具有两个比较明显的运动从而可在ON与OFF的两个位置之间操作开关。这种开关已在转让给本申请的受让人的美国专利NO.4,044,532中公开。此外，操作杆19通常位于OFF的位置以便在操作者释放手柄时，驱动电动机自行停止运转。本除草机最好还包括一电动机械保险装置，如转让给本申请的受让人的美国专利NO.5,085,043中所描述的那样。该保险装置包括
图1所示的、处于设置或工作位置的电键20。当如图所示设置电键元件20时，盖板14内的保险开关被启动，从而启动电源回路以便通过手柄开关18控制电动机的激励。
图2所示为本发明电动机控制电路框图。该控制电路包括微控制器52，由于按脉冲宽度的频宽比调整过的控制信号能够输送给依次控制电子开关电路56的驱动电路54，所以该控制器可通过控制按脉冲宽度调制过的控制信号的频宽比来按程序控制电动机的转速。和电流传感器58一起，电子开关电路56应与并联在电池上的电动机串联。电子开关电路56控制施加在电动机上的电量。微控制器52可接收由反馈换能电路60发出的、包括电池电压，FET电压及电池电流的不同反馈信号，并从这些信号中导出用于供给驱动电路54需要的控制信号的频宽比以驱动电动机转动，从而使切割刀片保持在3000转/分的理想速度上。
图3所示为本发明电动机控制电路50的最佳实施例电路图。就本领域有经验的技术人员所了解，也可以使用能完成本控制功能的其它形式的电动机控制回路。例如传统的比例积分(PI〕或比例积分转化(PID〕控制器，该控制器可利用诸如转速表传感器这样的速度转换器直接检测出电动机的转速或根据电动机的反电动势间接检测出电动机的转速。也可以选用模拟控制器。
在本最佳实施例中所使用的微控制器52包括一个内装有模拟—数字转化器的4—比特微处理机。微控制器52由通过ON/OFF开关62与电池相连的稳压5伏电源64供给能源。在测试点66处的实际电池电压可用包括电阻R19和R20的电压分配器网络来测量，并随后输入微控制器52的模拟输入端管脚20。
将一直流永磁电动机(未绘出〕通过ON/OFF开关62与电池相连。电动机的激励由一对并联的金属氧化物半导体场效应功率晶体管Q1和Q2控制，这些晶体管与通用的检测电阻R21一起与在电池电极之间的电动机串联。金属氧化物半导体场效应功率晶体管的电压在测试点68处通过另一包括电阻R17和R18的分压器电路测得，并被输送至微控制器52的另一模拟输入端管脚13。与电池电流成正比并由检测电阻R21发出的电压信号被输送至放大电路70，该电路用于放大电压信号并经包括电阻R5和电容C4的RC滤波电路通过导线把电压信号输送至微控制器52的另一模拟输入端管脚12。RC滤波电路的作用是过滤出被检测信号中脉冲宽度调制的换接频率成份。
微控制器52按程序大约每千分之二十秒便对电池电压，金属氧化物半导体场效应功率晶体管电压及电池电流进行测量。这些测量结果使用包含模拟—数字转换器的微控制器52来制取。正如本领域有经验的技术人员所了解的那样，这一测量步骤可包括对输入信号的过滤程序。而脉冲宽度调制信号的频宽比可根据以下计算来获得1.计算电动机.电压。电动机电压等于电池电压与金属氧化物半导体场效应功率晶体管电压的差值。
2.计算电动机电流。在这一操作中，电动机电流并不完全等于电池电流值。但可假设由电池发出的电能等于电动机所消耗的电能。换句话说，对这一计算来讲是假设在控制电路中没有损失。因此P电动机＝P电池V电动机×I电动机＝V电池×I电池
I电动机＝V电池×I电池/V电动机3.计算电枢压降。电枢压降即在电动机两端的、因电动机转子的电阻引起的电压降。因此，电枢压降等于电动机电流与电枢中电阻值的乘积。电枢电阻值可作为恒定值编入微控制器52的存储器中。
4.计算电动机理想电压，该电动机理想电压应等于基准转速电压与电枢压降之和。基准转速电压为电动机理论电压，即电动机在理想运转速度例如3000转/分、无负载条件下的电压。不同的基准转速电压也应被编人微控制器52的存储器中。
5.计算所需要的频宽比。施加给电动机的电压应根据金属氧化物半导体场效应功率晶体管Q1和Q2及电池电压的频宽比而定。因此，所要求的频宽比可通过理想电动机电压除以电池电压求得。
计算所得的频宽比信号以7.8KHZ的调制频率由微控制器52提供给导线74。该频宽比信号被输送至包含晶体管Q3，Q4及Q5的驱动回路54中，这些晶体管通过导线76与包含电阻R10，齐纳二极管D4及电容C3的12伏稳压电源相连。当晶体管Q5通过导线74被频宽比控制信号关闭时，晶体管Q3被接通，晶体管Q4被关闭，且金属氧化物半导体场效应功率晶体管Q1和Q2被接通，从而电动机通电。反之，当晶体管Q5通过导线74被频宽比控制信号接通时，晶体管Q3被关闭，晶体管Q4被接通，其金属氧化物半导体场效应功率晶体管Q1和Q2被关闭，从而中断了电动机上的电能。注意，晶体管Q4的作用是释放金属氧化物半导体场效应功率晶体管Q1和Q2的栅源极间电容以确保关闭金属氧化物半导体场效应功率晶体管Q1和Q2。因此，通过微控制器52来控制金属氧化物半导体场效应功率晶体管Q1和Q2的频宽比可在较宽范围的载荷条件下调整电动机的转速从而达到节省电池电量的目的。所以，当除草机通过已割过的草地、公路或人行道时，或者以后轮为支点使除草机转弯时，在电动机大体无载荷的情况下，本控制器将电动机的速度调整到最大转速3000转/分以下的范围内以减少电动机消耗的能量。此外，即使在切割中等高度的草时，电动机的转速及由此而产生的切割刀片的转速均被调整至3000转/分。这样，所消耗的能量就被限制在能实现良好切割效果所必须的最小值上。
在某些环境中，例如由于撞击到物体而使除草机刀片突然减速时，由电动机发出的电流会迅速骤增至一个非常高的级别，为保护电动机和金属氧化物半导体场效应功率晶体管Q1和Q2和防止在这种工况下电池过度漏电，本控制电路50还应包括电流截止电路。特别是，从放大电路70输出的电池电流反馈信号通过包含有电阻R12和电容C5的延时电路被输送至比较放大器78的阴极输入端。电阻R12和电容C5值的选择应能使其提供20微秒这一比较快速的滞后时间。比较器78的阳极输入端与包含有能提供与大约100安培相应的阈电压信号的电阻R14和R15的电阻分配网络相连。因此，只要从放大电路70中发出的所检测的电池电压信号骤增至高于相应的大约100安培时大于20微秒时，比较器78的输出端便从HI转换至LO状态，从而关闭晶体管Q3，接通日体管Q4，并关闭金属氧化物半导体场效应功率晶体管Q1和Q2。因此，电动机的电能被中断并且可避免损坏控制电路50的可能性。
图4—8为微控制器52的操作程序流程图。图4中所示为主程序流程图。当启动ON/OFF开关时，控制电路被激励并且微控制器52被预置。图5所示的预置程序，包括存储器，计时器和中断程序的预置，以及失效电路的复位调整。然后对电池电压进行检测以确保电池具有操作除草机的充分电量。在最佳实施例中，应使电池电压大于19.2伏。若对电池进行了彻底地充电，进而便可进行图6所示的电动机控制程序。
电动机控制程序对被提供给金属氧化物半导体场效应功率晶体管Q1和Q2的脉冲宽度调整控制信号的频宽比进行计算。起初，微控制器52对通过反馈转换电路60提供给模拟输入口的不同工作参数，即电池电压、电流及金属氧化物半导体场效应功率晶体管电压进行测量。这些模拟信号被转换成数字信号并利用已知求平均数的方法对其进行过滤。然后，程序对电池电压进行再次检测以确保它处于适合的工作范围内，即大于19.2伏。若电池电压低于19.2伏，程序便检测电池电压是否低于预设的失效电压值16伏。如果低于失效电压值，程序直接转换至立即关闭金属氧化物半导体场效应功率晶体管Q1和Q2并切断电动机的关闭程序。但是，如果电池电压未低于16伏，关闭计数器便被启动，如果电池电压持续10秒钟处于低于预设的最小工作范围电压19.2伏，程序便进入关闭程序。
假设已对电池进行了充分充电，那么程序便按以上所述的从控制参数中计算所需的脉冲宽度调制控制信号的频宽比的步骤进行，以将电动机转速保持在理想的基准转速3000转/分上。特别是，微控制器在步骤1中计算电动机电压，在步骤2中计算电动机电流，在步骤3中计算电动机电枢两端的压降。在步骤4中微控制器检查确定电池电流是否超过预定电流极限以防止电池过量漏电。该步骤用图7所示的速度返送程序流程图表示。速度返送程序用于强载荷的情况，例如除草机遇到非常高的草时，这些情况会导致电动机发出的电流显著增加。正如预先所强调的，当电流升至较高值时，电池的性能会明显减少，从而急剧缩短除草机的总体运转时间。因此，最好应从综合效率出发来限制电池电流值。为完成这一点，微控制器应按程序降低理想电动机电压以使电池电流不会超过所规定的最大极限。换句话说，在强载荷条件下，电动机转速允许降至理想转速水平3000转/分以下。
特别应参看图7，在速度返送程序中，微控制器开始时应查看电动机电流是否大于50安培。若电动机电流小于50安培，电动机转速可保持在理想转速3000转/分上，且电动机控制程序转入步骤5。但是，若电动机电流大于50安培，程序便接着查看电动机电流是否大于60安培，这一数值在最佳实施例中表示最大允许电流值。由于在模拟数字转换过程中的程序过滤作用，只有电动机电流达到60安培以上约半秒钟后，程序才会从这一最大电流值转移至关闭电路。
假设电动机电流大于50安培，但小于60安培，微控制器随后根据在50安培以上，每一安培约导致100转/分这一速度变化来计算实际降低的理想电动机转速。例如，若电动机电流为52安培，电动机转速会降至约2800转/分。若电动机电流为54安培，那么电动机转速会降至2600转/分等等。一旦被修订过的理想电动机转速被建立，程序便返回计算理想电动机电压的电动机控制程序的步骤5中。在步骤6中，计算用于脉冲宽度调制控制信号的合适的频宽比。
返回主程序，微控制器52随后发出带有新计算出的频宽比的脉冲宽度调制控制信号。微控制器约每千分之二十秒便重复这一控制过程。
参看图8，每当ON/OFF电源开关被释放时，微控制器便从主控制程序或以上所描述的速度返送程序中进入关闭程序。当进入关闭程序时，电动机的电能便通过关闭金属氧化物半导体场效应功率晶体管Q1和Q2立刻被中断。微控制器随后读取第一电池电压，等待千分之五十秒后，读取第二电池电压，然后从第二读数中减去第一读数。若电池电压在千分之五十秒的间隔内增加了不止1伏的电压，微控制器便返回主程序的开始阶段，否则便重复这一过程。这一运行的目的如下所述。
由于电池故障或在电流过载条件下，当程序进入关闭程序时，最好应确保在正常操作重新恢复之前，操纵者已关闭了电源开关重新对系统进行设定。由于控制电路的高电容，特别是电容器C10，控制电路在电源开关关闭后在至5秒钟内仍带电。因此，依靠控制器通过找到一非常低的电池电压信号也不能完全确定电源开关是否已被关闭。此外，不需要要求操作者在因临时电流过载而关闭电源开关后等待5秒钟以上才能重新启动除草机。
因此，在电源关闭重新接通之前，控制电路必须允许微控制器在这一情况不明的期间内能可靠确定电源开关是否已关闭了半秒钟以上。在最佳实施例中，这一步骤是通过检查电池电压信号的变化率而得以实现的。特别是，如果在电流过载情况下进入了关闭程序且电源开关关闭时，电池电压不是保持基本恒定就是逐步减弱。但是，如果电源开关已关闭了半秒钟以上而有可能使电池得到部分恢复，那么随着电源开关的重新启动，电池电源将会以1伏/千分之五十秒的速度暂时上升。在这种情况下，控制回路将允许操作者重新启动除草机。当然，如果最初导致电流过载的条件仍然存在，那么程序将再次转入关闭程序。显然，因响应电源开关的关闭而进入关闭程序，那么电路电容会逐步放电，从而不会满足转移出关闭程序所需的高电池电压标准，因而系统会完全关闭。
图9所示为将传统除草机切割刀片速度与本发明除草机切割刀片速度作比较后得出的能量消耗曲线图。从图中可以看出，无载荷条件下，传统除草机驱动切割刀片的转速通常为3800—4000，并且当除草机上载荷上升时，切割刀片的速度会逐步降至约3500转/分。因此，可以看出目前的除草机在不会消耗过多能量的条件下，将切割刀片的速度保持在可产生良好切割效果的最佳范围。按照本发明，安装有能源控制系统的除草机调整电动机的速度，以使切割刀片以基本上恒定的速度旋转，该速度最好在约2800—3200转/分的范围内。此外，如果电动机被加载到耗费的能量接近约1100瓦时，切割的转速逐渐减小至低于规定速度，以防止电池过分耗损。由此可见，本除草机控制切割刀片的速度在能产生良好切割效果的范围，而没有消耗过多的能源。正如本领域有经验的技术人员所了解的那样，根据本发明的内容，通过将切割刀片转速调整在大约2800—3200转/分便可获得基本的效果。与传统的未经调整过的除草机相比，在一个宽的载荷范围内，这一切割刀片速度范围能够在降低能量消耗水平的条件下产生良好的切割效果。
这一结果在
图10中用图示法表示，该图表示的是在不同载荷条件下，本发明的带有能量操作控制系统的控制器的除草机与传统的没有调整装置的除草机能量消耗的比较图。从该图中可以看出，本发明能够大大地节约电能因此在整个载荷范围内提高工作效率。此外，有必要强调的是即使在占据除草机大部分工作时间的无载荷操作条件的工质中，也会大大地节约能源。因此，依靠单一电池充电量除草机的总的运转时间被显著延长。
以上的论述披露并描述了本发明的典型实施例。本领域有经验的技术人员从结合附图的描述中可以想到不同的变化和改进，而这些变化的产生并未脱离本发明的思想和线索。
权利要求
1.一种用于无绳式、以电池为动力的电动植物除草机的能量控制系统，其除草机，有由电动机驱动的切割刀具，该系统包括具有a.控制器，用于控制上述电动机引出的电池电流并用于对上述电动机产生驱动信号，在所述植物除草机因处于过载荷情况而导致所述电动机引出的电池电流超过临界值时，所述控制装置便会对驱动信号进行调整，从而降低所述电动机的转速直至过载荷情况消除，以防止上述电动机在过载荷条件下引起过大的电流；和b.响应上述驱动信号的开关电路，用于将电力从上述电池施加给上述电动机信号。
全文摘要
一种具有能量控制系统的无绳式电动除草机，该系统可以在较宽范围的操作条件下调节电动机转速，从而将切割刀片的转速限制在最大转速之下并且仍然能够产生良好的切割效果。因此，本发明的控制系统在载荷过高时，通过逐步降低切割刀片转速而限制了由电动机引入的最大电流值。该技术显著地提高了除草机的工作效率，并因此大大延长了除草机依靠单一充电量所完成的实际工作时间。
文档编号A01D69/02GK1145714SQ96110970
公开日1997年3月26日 申请日期1996年7月26日 优先权日1995年7月26日
发明者C·M·戴克, H·T·杜, R·T·沃尔特, D·S·施特朗, C·W·吉福, C·S·布卢尼 申请人:布莱克-德克尔公司