[發明專利]具保護電路的割草機

在審

• 申請號: 201810464673.0
• 申請日: 2018-05-10
• 公開（公告）號: CN108811683A
• 公開（公告）日: 2018-11-16
• 發明（設計）人: 蘇克;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: A01D34/63
• 分類號: A01D34/63;A01D34/73;A01D34/78;A01D34/82;A01D69/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.具保護電路的割草機，割草機駕駛盤上設有通過北斗定位的5G手機能遙控割草機，設有人臉和指紋識別以確認下指令的人，或有人駕駛或自動駕駛；含減速器的齒輪軸是管狀的且減速器的從齒輪傳動含消聲內軸(100a)，以便消聲冷卻；所述減速器含電動機旁新設有從齒輪軸是空的管狀的，內部是通的以便外通空氣冷卻，其齒輪均是人字齒輪；無刷電機的轉速每分20000轉、功率250瓦、36伏、輸出軸直徑5毫米；電機主動齒輪(88)的齒數18、模數0.6、分度圓是18x0.6＝10.8；去掉行星輪系，所述電機主動齒輪(88)與新設的馬達從動軸上的馬達從齒輪(106)嚙合，所述馬達從齒輪(106)為齒數38、模數0.6、分度圓是38x0.6＝22.8，馬達傳動比是38/18；所述馬達從齒輪內與14x5軸承相配；所述新設的馬達從動軸上裝有從齒套筒(100)和接套齒輪(102)，所述接套齒輪(102)的齒數是12且模數是1.5，所述接套齒輪與作為輸出齒輪與第一中間軸上的2812雙齒輪(104)的齒數是28、模數是1.5、分度圓是28x01.5＝42的28齒輪相嚙合，所述新設的馬達從動軸的輸出齒輪與第一中間軸傳動比是28/12；以上傳動比為38/18x28/12＝4.9，超過行星變比4.33，實際合用；其余變比大致相同；所述2812雙齒輪(104)含同軸的28齒數的28齒輪(104a)和12齒數的12齒輪(104c)，所述2812雙齒輪(104)的兩端各設有小軸承(103)，所述小軸承(103)的外徑是14mm，以便與所述2812雙齒輪(104)的兩端的內孔配合，所述小軸承(103)的內徑是5以便與所述第一中間軸活動裝配；另一件結構相同的所述2812雙齒輪(104)也含同軸的28齒數的28齒輪(104a)和12齒數的12齒輪(104c)，裝在第二中間軸上，所述2812雙齒輪(104)的兩端各設有小軸承(103)，所述小軸承(103)的外徑是14mm，以便與所述2812雙齒輪(104)的兩端的內孔配合，所述小軸承(103)的內徑是5以便與所述第二中間軸活動裝配；所述第一中間軸上的2812雙齒輪(104)的同軸于28齒數的28齒輪(104a)的12齒數的12齒輪(104c)與所述第二中間軸上的所述另一件結構相同的所述2812雙齒輪(104)也含同軸的28齒數的28齒輪(104a)相嚙合，所述第二中間軸上的28齒輪(104a)與所述第一中間軸上的2812雙齒輪(104)的12齒數的12齒輪(104c)之間的第二軸傳動比是28/12為2.33；所述2812雙齒輪(104)含同軸的28齒數的28齒輪(104a)和12齒數的12齒輪(104c)是用聚甲醛在注塑模具里加工成型的；所述的減速器的后軸輸出部分含同軸的長半后軸及短半后軸，所述長半后軸上依次裝有后軸驅動減速器殼油封、安合彈性夾(92)、鐵墊圈、安全離合錐(90)、掛檔盤(101)、含安合掛檔塊(91a)后軸驅動齒輪(91)、長軸中夾軸，所述長半后軸上設有徑向橫孔以便通過橫銷釘與所述安全離合錐(90)固連，所述安合彈性夾(92)包夾著所述安全離合錐(90)和所述掛檔盤(101)，所述安全離合錐(90)和所述掛檔盤(101)與所述含安合掛檔塊(91a)后軸驅動齒輪(91)相聯，所述長半后軸的一端設有軸向深孔，以便插入所述長軸中夾軸，再插入短半后軸的一端所設有的軸向深孔內而使所述長半后軸和所述短半后軸活動相聯；所述短半后軸上依次裝有后軸驅動減速器上蓋和油封、也依次裝著另一套的安合彈性夾(92)、鐵墊圈、安全離合錐(90)、掛檔盤(101)，所述短半后軸上也設有徑向橫孔以便通過橫銷釘與另一套的所述安全離合錐(90)固連，另一套的所述安合彈性夾(92)包夾著所述安全離合錐(90)和所述掛檔盤(101)，所述短半后軸上的所述安全離合錐(90)和所述掛檔盤(101)也與前述的唯一的所述含安合掛檔塊(91a)后軸驅動齒輪(91)相聯；所述含安合掛檔塊(91a)后軸驅動齒輪(91)的齒數是33齒且模數是2.5；所述第二中間軸上的28齒輪(104a)的12齒數的12齒輪(104c)與所述后軸上的所述含安合掛檔塊(91a)后軸驅動齒輪(91)之間的中轉后軸傳動比是33/12為2.75；減速器總傳動比是4.3x33/12x28/12x28/26＝4.3x6.9＝30倍，合用；其特征在于，所述電機主動齒輪(88)的齒數18、模數0.6、分度圓是18x0.6＝10.8的金屬齒輪，以便通用；去掉行星輪系，所述電機主動齒輪(88)與新設的馬達從動軸上的馬達從齒輪(106)嚙合，所述馬達從齒輪(106)為齒數38、模數0.6、分度圓是38x0.6＝22.8的金屬齒輪，馬達傳動比是38/18；所述馬達從齒輪內與14x5軸承相配；所述馬達從齒輪內設有均布四等分的寬槽孔(106a)以便讓從齒套筒(100)的四個寬爪插入，所述馬達從齒輪內設有均布四等分的窄槽孔(106c)以便讓從齒套筒(100)的四個風扇爪插入，所述四個風扇爪有利于散熱；所述從齒套筒(100)的另一端設有四個撥爪以便與所述新設的馬達從動軸上裝有的所述接套齒輪(102)相配方，所述接套齒輪(102)的齒數是12且模數是1.5，所述接套齒輪(102)內設有所述小軸承(103)，內插入新設的馬達從動軸；所述從齒套筒(100)的外部設有大軸承，所述大軸承設在減速器殼上；所述新設的馬達從動軸上裝有從齒套筒(100)和接套齒輪(102)，所述接套齒輪(102)的齒數是12且模數是1.5，所述長半后軸的另一端和所述短半后軸的另一端均各設有橫向雙切槽和橫向雙切槽以便裝后輪驅動齒輪，所述后輪驅動齒輪為14齒模數2.5，并用所述后輪驅動齒輪驅動裝在草坪割草機后輪內的后輪齒圈(107)，所述后輪齒圈(107)的齒數為82齒模數2.5配大割草機后輪；所述從齒套筒(100)的每個風扇爪的風扇的葉輪葉道出口處葉片角度大于90度，其為前向葉片的葉輪的風扇；其有冷風作用；減速器的電機設有電機控制電路；電機控制部分原理：

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；除此這外，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：

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，

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；所述草坪割草機用刀片及減速器的齒輪及消聲內軸因磨損大、溫升高、轉速高、噪音大、難保長期運行而必須處理保護后處理，減速器的齒輪軸是管狀的，減速器的從齒輪傳動含消聲內軸(100a)，以便消聲冷卻；減速器是用電動齒輪內軸空冷無行星后軸驅動減速器，其含電動機旁新設有從齒輪軸是空的管狀的，所述的從齒輪軸能高速旋轉內部是通的，其一端通電機的一端，其一端的內通孔的氣通上萬轉高速電機的一端，其一端的外部能轉動地設有軸承和從齒套筒，所述的從齒輪軸內含所述消聲內軸，所述的從齒輪軸內含所述消聲內軸其另一端的內通孔通減速器的外部，在所述的從齒輪軸所含的所述消聲內軸上設有多個六棱錐形的消聲尖劈，所述消聲內軸的靠近電機的一端的內軸的空芯管上所設有的多個六棱錐形的消聲尖劈是密集的，所述消聲內軸的遠離電機的一端的內軸的空芯管上所設有的多個六棱錐形的消聲尖劈是稀疏的，所述消聲內軸的中部設有隔離連接部以使其一端連接所述的從齒輪軸的靠近電機的一端且其另一端連接所述的從齒輪軸的遠離電機的一端，以便參考萊特希爾參數及理查茲噪聲的紊流噪聲的電機來的氣流，在靠近電機的一端的端口經壓縮，再膨脹進入從齒輪軸，再膨脹的氣流經所述消聲內軸的靠近電機的一端的內軸的空芯管上所設有的多個六棱錐形的密集的消聲尖劈再壓縮而通過消聲內軸稍微運行后再通過消聲內軸的遠離電機的一端的內軸的空芯管上所設有的多個六棱錐形的稀疏的消聲尖劈再次壓縮而后再次溢出到所述的從齒輪軸內含所述消聲內軸其另一端的內通孔通減速器的外部，以壓縮膨脹再壓縮再膨脹而進行消聲降噪的過程；亦便于外通空氣冷卻；刀片及減速器齒輪及消聲內軸保護后處理其含刀片及減速器的齒輪及消聲內軸多為金屬零件，利用集膚效應，用高頻電流進行后處理；采用單刀片組件，能夠實現三種功能：割草機實際割草時，刀片不會打滑；最大輸出力矩是11.87NM；割草機實際割草時，刀片不會打滑的條件是：刀片在刀座上的打滑力矩要大于引擎的最大輸出力矩11.87NM；刀片在刀座上的打滑力矩通過這種的方法可以測得：將刀片緊固螺栓以45NM的力矩鎖緊，然后將引擎飛輪卡住，再用推力計推動刀片，并記錄刀片的打滑力；刀片打滑力矩＝打滑力x測試力臂；通過上述方法測得：刀片打滑力矩＝185*0.205＝37.9NM；刀片打滑力矩大約是引擎輸出力矩的3倍；這保證了割草機在正常割草或高負荷割草時，刀片不會失去與刀座的連接，刀片不會打滑；當割草機的刀片撞上障礙物時，刀片會打滑；當刀片撞上石頭等障礙物時，這對刀片的瞬間沖擊力矩很大，會遠遠大于刀片打滑力矩37.9NM；此時，正是因為單刀片組件的這種結構設計，刀片會自動在刀座上打滑，從而減小撞擊對引擎所產生的沖擊力，避免了引擎損壞；割草機長時間割草后，刀片組件的功能不會失效；從底盤底面往上看，刀片工作時的旋轉方向是逆時針方向，擰緊刀片緊固螺栓的方向是順時針方向；這樣的設計，保證了割草機在工作的過程中，刀片緊固螺栓的鎖緊力矩有變大的趨勢；而不會出現刀片緊固螺栓的鎖緊力矩越來越小以致刀片松脫的情況；割草機在實際割草使用20小時后，測得擰松刀片緊固螺栓的力矩為48NM；這個數值，略大于裝配刀片緊固螺栓的力矩45NM；48NM這個測試數據，實證了割草機在工作的過程中，刀片緊固螺栓的鎖緊力矩有變大的趨勢；這種效果，確保了割草機長時間割草后，刀片組件的功能不會失效；常用的普通刀座其安裝平面上有兩個凸緣結構。這種結構，不具有過載保護功能；當刀片撞上石頭等障礙物時，易導致引擎損壞；所述的單刀片組件既能滿足實際割草的需求，又具有過載保護的功能；后續，這種刀片組件機構，可考慮在其它型號的割草機上推廣使用；利用集膚效應，把金屬工件埋在稀土里，用高頻電流進行后處理；其含刀片及減速器的齒輪及消聲內軸多為金屬零件，利用集膚效應，把工件埋在稀土里，用高頻電流進行后處理，其特效是不言而喻的；工件采用鈦化鋁加錸，放在含氧化釔、稀土、銦、粘土的成型陶瓷內，配以同位幅射及激光掃描而制造；刀片或用碳纖維三維打印，再用金剛石刀開刃，再放入納米級打印碳粉、尿素、硼砂的混合埋土中熱處理并用變頻電磁場及激光掃描并用鉑銠催化，使其空間晶格點陣彌散；刀片或在刀尖部位裝手術刀片并先放入納米級打印碳粉、尿素、硼砂的混合埋土中進行碳氮硼并用變頻電磁場共滲熱處理；所述割草機刀片是多齒割草刀，所述多齒割草刀的頂齒(25)的橫截面設有用鋼板沖壓拉伸出的弓背，弓背的兩側的鋼板有一定的角度，把弓背的底部磨平形成磨出刃口(20)，所述的齒的側邊是含等角螺線的弧形，等角螺線是對數螺線其具有壓力角處處相等的特性；所用鋼板沖壓拉伸模的上模成型塊(25a)和下模成型塊(25b)是多個等距或等角的壓塊，所用鋼板先退火再淬火；所述割草機刀片設風翅蜂巢(29)是多棱錐形，且中部設有通孔(30)是橢圓形的；所述割草機刀片的刃部設石墨烯鍍銦；所述割草機刀片的刃部用激光淬火處理；所述風翅蜂巢的多棱錐形的棱線與底面的夾角要大于115度浸潤爬角θ；所述割草機刀片上配置虹吸管，以便加強冷卻潤滑及對草的綜合性作用；所述割草機刀片上配置的虹吸管內滴出含生長維生素的液體，既有攪和碎草補飼作用，又有慰籍被切草傷口促進生長的作用；所述割草機刀片高速旋轉時，割草機的刀片的底盤的環周設有多根短的柔軟的拖把布條，與草坪之間形成氣墊，使刀傷不到草根；割草機前部設有保險杠(109)，保險杠上設有柔性梳，還設有磁力探測器和多普勒探測器，以防地里鐵管；其特征在于，此電路具有過壓保護功能主要目的在于保護電路電源當電壓過高時進行電路電源切斷，利用穩壓管的反向擊穿原理來進行保護；ZM4743A，ZM4735A，ZM4732A分別是13V/1W，6.2V/1W，4.7V/1W的穩壓管，穩壓管的正向特性與普通二極管相同，而反向特性卻比較特殊：當反向電壓加到一定程度時，雖然管子呈現擊穿狀態，通過較大電流，卻不損毀，并且這種現象的重復性很好；反過來著，只要管子處在擊穿狀態，盡管流過管子的電在變化很大，而管子兩端的電壓卻變化極小起到穩壓作用；當電壓超過ZM4743A穩壓管的穩壓值時，則D37，D40，R235及Q34回路中產生電路，三極管導通，High_V_Fault為低電平，此電位信號則反饋到MCU中，交給MCU進行處理，進行一定措施，其他的也是如此；還設有欠壓保護電路，當電路電壓小于設定值時進行保護，利用了比較器的原理；LM224是四路運算放大器，將運放輸入一端設為基準值，另一個輸入端設為比較值，輸出端不進行反饋，則無線放大及輸出為電源電壓值(VCC)，此電路中同向端為基準值，反向端為比較值，當反向端的電壓大于同向端時，輸出為0，反正為電源電壓，這樣一高一低信號組成邏輯電路，通過三極管的開關將LOW_V_Fault的信號傳送到MCU，MCU根據信號進行處理。