[發明專利]一種具智能省電控制開機電路的園林作業割草機

在審

• 申請號: 201810075551.2
• 申請日: 2018-01-15
• 公開（公告）號: CN108207274A
• 公開（公告）日: 2018-06-29
• 發明（設計）人: 蘇克;朱典悝;葉曉波;葉堅澤
• 申請（專利權）人: 寧波大葉園林設備股份有限公司
• 主分類號: A01D34/00
• 分類號: A01D34/00;A01D75/00;A01D75/18;A01G25/09;A01C23/04;A01M7/00;H01R13/629;H01R13/633;G05B19/042
• 代理公司: 暫無信息
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1.一種具智能省電控制開機電路的園林作業割草機，其含改進的具自動充電銷插入及拔出接觸片組件；所述的具自動充電銷插入及拔出接觸片組件，其含具自動充電銷插入部件的固定的供電部件，還含割草機機身的具拔出接觸片的活動的受電部件；所述具自動充電銷插入部件的固定的供電部件，設有水平鋪于地表的底板、立于前方的前墻、供電源、地腳螺釘，所述水平鋪于地表的底板的單側設有沿單邊的前萬向輪的前進線而對稱的導向軌(233c)，以便對割草機的機身前部沿著單邊前萬向輪的前進線的左右予以導向；且所述水平鋪于地表的底板的左側及右側各所設有的沿中軸線對稱的導向軌(233c)的每個導向軌的曲線段是立方曲線，以便減緩沖擊；所述水平鋪于地表的底板的四腳設有所述地腳螺釘，以便固定；所述水平鋪于地表的底板的前部設有所述的立于前方的前墻；所述的立于前方的前墻上設有沿中軸線對稱的左側及右側各一的所述的充電銷((233)，所述的充電銷((233)的根部設有銷球(233a)，以便微量隨動，所述的充電銷((233)的根部設有螺紋，以便與所述供電源相連；所述的充電銷((233)的頭部設有插入面(233b)，以便充電銷插入及拔出接觸片；所述水平鋪于地表的底板沿中軸線鋪設和引出并在工作區域沿地表鋪設有電磁脈沖的引路導線，以便通過割草機前部下方的傳感器(234d)并通過電路板智能引導割草機要充電時行走到所述具自動充電銷插入部件的固定的供電部件的設有水平鋪于地表的底板上；所述含具拔出接觸片的活動的受電部件設在割草機前部，所述含具拔出接觸片的活動的受電部件含所述的割草機前部下方的傳感器(234d)和設在割草機前部的接觸片(234)及壓片扭簧(234a)以及轉軸；所述接觸片(234)及壓片扭簧(234a)以及轉軸各共有四個，每一個所述接觸片(234)及壓片扭簧(234a)以及轉軸組成一個活動門，而所述每一個所述接觸片(234)及壓片扭簧(234a)以及轉軸組成的一個活動門與所述每一個所述接觸片(234)及壓片扭簧(234a)以及轉軸組成的另一個活動門形成面對面的對開的雙門，左側和右側各有所述的雙門的活動門的面對面的每個所述的接觸片(234)的接觸面((234b)對應所述的立于前方的前墻上所設有的沿中軸線對稱的左側及右側各一的所述的充電銷((233)的頭部所設有的所述的插入面(233b)，由充電銷靠銷球(233a)微量隨動插入；當充至設定值時會啟動割草機后退，使充電銷拔出接觸片，繼而工作；當又要充電時割草機行走到所述具自動充電銷插入部件的固定的供電部件的水平鋪于地表的底板上并由充電銷插入；所述水平鋪于地表的底板的左側及右側各所設有的沿中軸線對稱的導向軌(233c)的每個導向軌的曲線段是立方曲線，以便與割草機前側邊的輔助導向棒(234e)相配而減沖擊；所述的水平鋪于地表的底板的四腳設有的所述地腳螺釘是膨脹螺釘；所述充電銷(233)的根部所設有的銷球(233a)，是在球形座上設有十字架銷，以便微量隨動；所述的充電銷((233)的根部設有的螺紋上裝有兩個螺母，以防松動；所述的充電銷(233)的頭部所設有的插入面(233b)是鍥形的；所述的壓片扭簧(234a)的密圈扭簧有兩個；所述的接觸片(234)的接觸面((234b)的一段曲線是對數螺線，因對數螺線即等角螺線具有壓力角處處相等的特性，利于接觸插入；所述的一種具智能省電控制開機電路的園林作業割草機，其所設有的所述的充電銷((233)的根部所設有的銷球(233a)裝在凹半球座上且所述的銷球的左右各一的同軸線的銷分別坐落在左右各一的U形槽里，以便微動隨動及耐沖擊；具自動尋找遙控在園林區長時作業的智能機器園林工作機其含的所述具自動充電銷插入部件的固定的供電部件所設有的所述水平鋪于地表的底板的單側設有沿單邊的前萬向輪的前進線而對稱的窄的導向軌(233c)，所述窄的導向軌(233c)的中間凹槽僅能容納割草機的單邊前輪的前萬向輪，所述窄的導向軌(233c)的左右寬度小于割草機的寬度的一半，所述窄的導向軌(233c)的每個導向軌是含高等數學的函數曲線的立方曲線段的喇叭口形，以便減緩沖擊和使前萬向輪與半邊導向槽配合而對割草機的機身前部沿著單邊前萬向輪的前進線的左右予以導向且擴大割草面積，避免了原來的寬的兩導向軌間的有靠左的一半是漏割區或靠左的一半是傷刀區或靠左的一半是傷導軌區；所述具自動充電銷插入部件的固定的供電部件的底板上連接著光伏發電充電樁及沿割草邊境鋪于地表有電磁脈沖的引路導線圍困圈，在所述的沿割草工作區域邊境的鋪于地表的有電磁脈沖的引路導線圍困圈內擺放著多臺草坪割草機，所述的每臺草坪割草機上設有指南針羅盤以便在作業時按縱橫方向來維持秩序編排成隊；所述具自動充電銷插入部件的固定的供電部件與草坪割草機之間，采用具感知電路多功能平臺長時作業的感知多臺順次編隊充電的通訊遙控，人工半自動用手機糾偏補正感應導線電磁場的探測頭及多個攝像機及激光器及超聲測距器感知以及通過互聯網的北斗定位來遙控各園林工作機次序來充電；所述工作機含采取智能化的充電管理電路，根據電池包實際電量狀況采取不同的充電策略，保證系統工作；根據電池包實際電量狀況采取不同的充電策略；當電池的單節電芯電壓低于2.7V/CELL，由于系統工作電流較大，電芯剩余電量不足以維持系統正常工作，此時直接通過充電基站的電壓給系統供電和給電池充電，具體工作原理如下：當機器接入到時充電站時系統檢測電池電壓，如果電壓電壓低于2.7V/CELL，此時，MCU發出的BD_EN、BT_ctr控制信號都為低電平，TF14 MOS導通，充電基站給系統供電，同時，TF10 MOS截止，阻止電池給系統供電，避免電池過度放電，各部分電路工作如下：電池電壓檢測電路：系統工作時，MCU的AD輸入引腳檢測電阻R142、R146、R147的分壓電壓，經過采樣計算電池的電壓值，并與軟件設置的充電閾值比較，以控制充電方式；

單片機微控單元芯片MCU采樣到的電壓：

V＝(R146//R147)*(R142+R146//R147)*Vbattery

其中TF15 MOS場效應管的作用如下：

當系統在正常供電狀態下，MOS的G極通過12V電壓給G極供電，G極電壓為：

VG-S＝R127/(R126+R127)*12V

此電壓保證TF15管可靠導通，電池電壓采樣電路工作，當系統斷電時，TF15因G、S端電壓為零而截止，電池電壓采樣電路斷開，阻止電池通過此電路放電，減小機器在不使用的情況下的電量消耗，

當機器在系統斷電的情況下接入到充電基站，此時因MCU的BT_ctr信號為低電平，三極管Q28截止，而三極管Q27的B-E端的電壓為：VB-E＝VCIN+*R212/(R210+R212)，

此電壓值大于三極管的導通閾值電壓，三極管Q27導通，此時TF14 MOS管的G-S端電壓為：

VG-S＝VCIN*(1-R211/(R209+R211))

TF14因此導通，基站電壓VCIN+通過TF14給系統供電，系統自動開機，并檢測是否符合充電條件；充電過程中，當MCU檢測到時充電電壓大于2.7V/CELL時，控制信號BT_ctr、BD_EN由

低電平切換到高電平，充電狀態切換如下所描述：

因BT_ctr信號由低電平切換到高電平時，三極管Q28由截止狀態切換導通狀態，導致三極管Q27的基極電壓降低為零電壓而截止，TF14隨之截止，

基站給系統供電通道斷開，

在BT_ctr信號由低電平切換到高電平的同時，BD_EN信號亦由低電平切換到高電平，三極管Q16由截止狀態切換到導通狀態，R138電阻兩端的電壓降大于TF10的G-S導通電壓，TF10 MOS隨之導通，此時，在基站供電通道斷開的同時，由電池給系統供電，

D23A二極管的作用：在系統其它工作狀態時，除充電之外的狀態，為防止電池電壓通過TF14的體二極管加到CIN+信號端，使系統判斷為進入充電狀態而誤操作，加一阻塞二極管；

D23二極管的作用：在充電狀態時，阻止充電電壓通過TF10的體二極管給電池充電；

本系統采用智能化的充電管理系統，多個充電數據檢測及充電過程中的數據測量，提供多重保護功能，以保證充電安全；

芯片MCU通過檢測電池電壓決定充電的大小，及根據設定的充電截止電壓和電流的值，決定何時終止充電，以保證充電安全及提高電池的使用壽命，

MCU通過控制ChrgEn1、ChrgEN2信號的電平狀況來控制充電電流的大小，

當MCU檢測到時電池電壓低于2.7V/CELL時，采用小電流給電池充電，此時，ChrgEn1信號為低電平，同時，ChrgEN2信號為高電平，三極管Q20導通，三極管Q19隨之導通，基站電壓通過電阻R164、R164A、R164B、Q19給電池充電，

電阻R164、R164A、R164B的作用如下：

起限流作用，充電電流為：

IChrg＝(VCIN+-Vbattery)/(R164+R164A+R164B)

避免電池電壓過低，將基站電壓拉低，導致系統不能正常工作；

當MCU檢測到時電池電壓高于2.7V/CELL時，采用大電流給電池充電，此時，ChrgEn1信號切換為高電平，同時，ChrgEN2信號切換為低電平，三極管Q21導通，MOS管TF12隨之導通，基站電壓通過電阻TF12 MOS管給電池充電，充電電流由基站充電器電流大小來決定，

R176、R181為電流取樣電阻，當充電電流流過此電阻產生的電壓大于MCU設定充電閾值電壓時，MCU認為充電過流，立即停止充電；

充電截止條件：

當電池總壓大于4.15V/CELL，或充電電流小于200mA時，停止充電，避免電池出現過充；

系統供電電路：

本系統供電設計采用開關電源及線性穩壓電源組合的方式提供系統所需的12V、5V、3.3V電壓，具體工作描述如下：

電池電壓或基站供電電壓加在開關電源變換芯片的輸入引腳1，當開關控制引腳5為低電平時，控制芯片內部連接引腳1與引腳2之間的MOS管處于開關狀態，MOS管在每一個開關周期的導通時間取決于輸出電壓反饋到引腳4端的反饋電壓與內置基準電壓的誤差值的大小，

在芯片內置MOS導通狀態，輸入電壓通過電感L1給輸出+12V提供能量，同時電感L1與電容C64在此期間也會儲電能，

當MOS斷開時，在上一個導通周期內存儲在電感L1上的電能會釋放出來，給負載供電，二極管D21給電感L1提供電流回路，當L1上能量減小時，C64補充提供電壓，維持輸出電壓+12V不變；

內置開關管的工作原理如下所述：

當負載加大時，輸出電壓降低，同時反饋引腳4的電壓隨之降低，與芯片內部的基準電壓的誤差值加大，結果使內置MOS的導通時間加長，更多的電量加大輸出端，使輸出電壓接近設定壓，維持輸出電壓穩定；

同理，當輸出負載減小時，輸出電壓上升，因此反饋電壓與基準電壓誤差減小，導致內置的MOS開關管導通時間減小，減小供電端提供給負載端的電量，使輸出回落至設定的電壓值，以上因負載的變化，引起輸出電壓與設定電壓值的誤差值，使輸出電壓維持動態平衡的穩定值，因開關電源工作在開關狀態，直接將輸入電壓變換為系統所需的電壓，取消線性電源輸入輸出電壓差的能量消耗，因此，具有效率高，同時系統發熱量小，提供系統工作可靠性，

U18、U16為三端穩壓器，提供系統所需的5V、3.3V工作電壓；

電機控制原理如下所示：

本系統直流無刷電機控制部分采購集成芯片控制方案，芯片內置轉子位置譯碼器，監控三個電機位置傳感器，以提供上部、下部功率MOS驅動的正確時序，具有全波六步驅動功能，外圍三相驅動器件為集成MOS管，

上部功率開關為PMOS管，下部功率開關為NMOS管；

集成芯片具有過流保護功能，R118電阻為電機電流采樣電阻，電流采樣信號被R117、R119分壓后送到芯片電流采樣端，當電流采樣信號值大于0.1V，過流保護功能激活，電機停止轉動，過流保護設置點為：

Icurrent＝0.1*(R117+R119)/(R118*R119)

當發生過流事件時，驅動芯片Fault Output引腳的輸出為低電平，將電機驅動信號OutputEnable信號拉低，電機停止運轉，避免機器負載電流過大而發生電子器件損壞，當Fault Output為低電平時，三極管Q24的B-E端電壓也降為零，由導通狀態切換為截止狀態，BLADE_FAULT信號為高電平，當MCU收到BLADE_FAULT高電平后，立即停止所有電機運行；MCU還設置有二級軟件過流保護功能，以便在不同負載條件下，靈活處理機器運行動作，避免機器頻繁停機；軟件過流保護功能描述如下：

電機電流采樣信號BLADE_P8，經過運算放大器運算放大7.8倍后，將放大后的采樣電流模擬信號BLADE_CRT信號送給MCU具有模數轉換功能的引腳上，經過內置的模數轉換單元處理后，模擬電流信號轉換為12位的數字電流信號，此信號與MCU設置的過流閾值信號相比較，當電流信號值大于過流閾值時，執行相應的過流時的運行動作；

左、右行走電機具有相同的過流保護功能；電流運算放大電路的電流放大倍數計數公式：

A＝1+(R7/R14)*Icurrent

當電機運行過程中出現異常狀況如機器碰撞、機器提升，機器翻轉時，發生這些事件的感覺器將相關信號反饋給MCU，MCU立即執行剎車功能；具體動作過程如下：

當檢測以上事件的霍爾傳感器發生位置偏置時，霍爾信號由高電平切換為低電平，MCU管腳檢測至電平變化后，發出的BLADE_BRK信號由高電平切換為低電平，經過以下的反相電路處理后，產生BLADE_P4高電平信號給電機驅動芯片U13，執行電機剎車功能，左、右行走電機具有相同的功能；驅動芯片還有使電機正轉/反轉功能，當機器運行中發生碰撞事件時，機器執行后退功能，具體動作描述如下：當霍爾傳感器將碰撞信號發送給MCU時，MCU將控制電機運行方向的BLADE_DIR的信號由低電平切換為高電平，經過如下反相電路處理后，產生低電平的BLADE_P7信號給電機驅動芯片U13，電機由正轉切換反轉狀態，機器執行后退運行動作，左、右行走電機具有相同的功能；電機速度控制原理：機器在不同的工作狀態下，電機運行速度也不相同，因此需要反饋電機的運行速度信號給電機驅動芯U13，本系統設計采用專用的電機速度檢測芯片，以產生電機速度控制所需的反饋電壓，而無需昂貴的轉速計U12，即可實現此功能；具體工作原理如下所述：

被電機驅動芯片U13用作電子轉子位置譯碼的霍爾傳感器輸出信號發生正或負的跳變，可以使U12產生一個幅度和持續時間的脈沖，其參數由外部電阻R101、C48確定，在U12的引腳5處的輸出脈沖被U13的誤差放大器積分，以產生一個直流電平，該電平與電機速度成正比，此速度反饋電壓在U13的引腳13處建立PWM參考電平，并閉合成反饋環路，輸出驅動MOS的控制信號，同時，將U13引腳13處的PWM參考電壓反饋給MCU具有模數轉換功能的引腳，以便MCU得知電機實際運行速度，并根據實際運行速度值與設定值的差來調整控制電壓，

相關電路描述如下：

RMOT_DAC為MCU輸出的目標速度控制電壓值，經運算放大器放大后(放大倍數＝1+R5/R12)，送至右行走電機驅動芯片的引腳11處，引目標速度電壓與實際速度電壓的差值經芯片內部誤差放大器放大后，在引腳13處輸出上述的PWM調節的參考電壓信號RMOT__P6；

一種具智能省電控制開機電路的園林作業割草機，其特征在于，

其硬件開關Switch為紅色按鈕

(On/Off)，一端接地，作用為開機與關機，其軟件BD_EN為電路板，作用開機時當MCU工作時使電路

#defineBD-EN，

BIT--ADDR(GPIOD-ODR-Addr，1)//，電路板使

KEY0為電路關機信號腳(PG0)，On/OFF后接收信號關斷，使

#define K11，

BIT-ADDR(GPIOG-IDR-Addr，0)//，

過程是：

a.開機過程

長按紅色按鈕，即switch與地短接，此時TF10導通，電路板電源模塊工作給電路上電，MCU工作，BD_EN

使能高電平，三極管Q16導通。此時松掉switch電路板也能正常工作；

b.關機過程

按下紅色按鈕，即switch與地短接，此時有按鍵松手檢測，不放掉按鍵不觸發，

三級Q16的E極電位拉低，KEY0接收到低電平，MCU發出指令BD_EN使能低電平，三極管關斷，電路板斷電；

省電電路分析：由上述過程可知這個電路也是開機電路，MCU對BD_EN的控制就可以自由控制電路板的通斷電，可以在需要斷電的時候斷電。