2017年2月19日 星期日

距離電動割草機開發完成日 還有81天


割草機上無刷馬達的最高轉速可以再快一點嗎?答案是可以的,但是要有相當的代價。

我每天都在寫報告,順便就把這裡當成報告的輸出地點了,
歡迎大家前來看看工程師是如何把一項新產品,從無到有開發出來的。

由於部分內容牽涉到公司的商業機密,部分開發的內容將會進行改寫或保留,但故事的整體性與完整性是不變的。

======================================================

無刷馬達在設計出來時,已經決定了額定的轉速。這也就是說:在額定的電壓供電下,最高轉速已經幾乎是固定的。可是有些時候,我們還是希望能夠再轉快一點,可能嗎?

這和引擎的點火角度類似。一般的引擎的點火角度為了使引擎的效率能夠提高,其點火的角度其實是會隨著曲軸轉速變化的。多年以前有接觸過,只保留這張珍貴的圖。

機車的CDI點火曲線,0-1800RPM時,點火角度都是0度。當轉速超過4500RPM時,點火角度又固定為20度






如果無刷馬達依照正常的Hall信號換相時,轉速就如同幾天前實測的一樣,最高轉速就約在7800RPM上下。如果要再快一點時,還是可以用許多方法去達成的。

我們原先的無刷割草機馬達,最高轉速約落在7800RPM(綠色曲線)




















如果硬體完全不更動的情況下,我們可在控制程式上稍做調整,約可以提速5%,大約可以把轉速輕鬆地提高到8000RPM以上。稍做調整這個說法真正來說是很複雜的,晶片執行速度若不夠快時,計算好要輸出控制時,馬達已經又跑了好幾度了...

我們的做法是在Hall信號還沒換相前,就先進行電子換相。也就是定子先產生磁場提前拉動轉子,逼著馬達的轉子再轉快一點,這種稍微加速的手段應該在額定轉速區上施行,轉速低時實施反而會更為耗電!!

經過程式修正後的轉速可以到達8200RPM(綠色曲線)上下

更高轉速意謂著除草效果更厲害了。

但是,還是要考慮到機構件上的培林與齒輪,馬達可以轉那麼快,可能超過8000轉以上,培林受得了嗎?割草機的傘形齒輪端(安裝刀片處)潤滑夠嗎?高速運轉後整體的震動,操作者是否受得了? 這些在我們第二階段實測後,就會得到驗證。

照片裡面有個傘形齒輪,其餘空間充滿了潤滑黃油,在高速運轉下,溫度會很高很高,黃油受得了嗎?














最後,速度提高後還有一個後遺症,可能會更耗電,你可以接受嗎?你有友善地對待電池嗎?這都是電動割草機量產前要考慮的。


2017年2月18日 星期六

距離電動割草機開發完成日 還有82天


開發為何那麼吸引人?
這是因為人類的好奇心,好奇許多新的東西與事物。
進步的主要因素正是好奇。

我每天都在寫報告,順便就把這裡當成報告的輸出地點了,
歡迎大家前來看看工程師是如何把一項新產品,從無到有開發出來的。

由於部分內容牽涉到公司的商業機密,部分開發的內容將會進行改寫或保留,但故事的整體性與完整性是不變的。

======================================================

終於開始機電整合了。

有人不客氣地說:割草機與電動馬達要直接連結才對? 
不過,我還是要TRY一下離合器,感受一下正統引擎割草機的傳動方式。說不一定會有新的發現!!

為此,我又去買一支引擎專用割草機的附件。也就是買下除了引擎以外的所有機構,剛剛出爐的全新的割草機,它是用一個ㄇ字型的圓盤(俗稱碗公)與引擎連結。


全新引擎割草機的傳動機構















不過,引擎與碗公中間,還有一個重要零件:離合器(Clutch)。當引擎不動時,離合器未撐開,此時引擎的傳動部分是沒有和割草機的轉動連桿接通的。

當引擎轉動時,且轉到某個速度以上時,離合器會因離心力而往外撐開,這時割草機的連桿就跟著轉動了。引擎轉越快時,兩方接合的情況就越密合。

當引擎的轉速不夠時,離合器上的彈簧就發揮作用了,它因離心力不夠,無法有效地將離合器往外撐開,所以割草機的連桿就無法轉動。

離合器的外觀,這個應該是Honda或是三菱專用的(待確認),兩邊的固定螺絲只將離合器固定在定位,而兩片離合器片會因為高速旋轉而往外撐開



離合器是屬於消耗品,安裝時還要注意轉動方向















無刷馬達的輸出軸要先固定住離合器後,再與割草機的碗公結合















無刷馬達經由離合器去帶動割草機的連桿,這中間還有兩個特速加工的機構要配合與固定。
















工程師的好奇心絕對是很重的,改天我一定要故意把離合器上的彈簧取下,再來試試看轉動的情形,模擬一下彈簧彈力過軟時,是否會有其他的問題出現?!

請問一下,中南部有CNC加工廠可以配合加工的嗎? 
如果可以承接少量鋁合金試作品的,請再跟我私下聯絡,謝謝!! 感恩!!

2017年2月16日 星期四

距離電動割草機開發完成日 還有83天

如果要作一台有刷的電動割草機,我想輪不到我來做
如果要作一台普通的電動割草機,應該也輪不到我來做
如果要造抄一台別人的電動割草機,應該我也不想做
而如果要作一台只有60分的電動割草機,應該我也做不來的

我想做的割草機應該要有80-90分的等級才對。
便宜的割草機到處都是,我們開發的重點是好的、耐用與高品質的割草機

我每天都在寫報告,順便就把這裡當成報告的輸出地點了,
歡迎大家前來看看工程師是如何把一項新產品,從無到有開發出來的。

由於部分內容牽涉到公司的商業機密,部分開發的內容將會進行改寫或保留,但故事的整體性與完整性是不變的。

======================================================

這幾天已經拿到了鋰鐵電池的報價,如果真的可以撐很久,那這個價格我還是可以接受的。

馬達驅動板的程式已經完成80%了。
程式可以隨時監控轉速、電壓、電流還有控制板的溫升情況,並且利用收集到的數據進行判斷,最後才來決定割草機的運作,以智能的方式來進行割草,以便更有效地運用電池提供的能量,這些能量是有限的。

機構與電控結合時,所產生的碰撞是可以預期的!!

這張照片很重要,但是屬高機密等級,請偷偷地看一下就好,千萬不要發問

驗明正身,剛剛出爐的無刷馬達驅動板。採用Microchip SAMC21 32bit ARM Cortex M0+架構

多年前Atmel當初找我們(Chipware)做亞洲地區的BLDC Partner是正確的的決定,雖然後來Atmel併入了Microchip,我們還是有許多資源可用


Prototype試作板可以輕鬆驅動500W以內的無刷馬達。下個版本開始就要有個像樣的家亦即裝到機箱裡了。


它不折不扣地是台割草機。但是它一定跟其它的割草機有所不同,因為它是台會思考的割草機,我們會在上面加裝許多額外的感測器,以便獲得更多的數據。我們寫的書也是如此!!


設計無刷馬達驅動器並不如想像中的難。
真正的困難點應該是工程師的長時間投入與觀察,剛剛好我們同時累積了這些知識,還有也累積了足夠的失敗經驗,這也是很重要的一環。跑得很穩健的人,一定有跌倒過,不是嗎?



2017年2月13日 星期一

距離電動割草機開發完成日 還有84天

每個人每天都在寫自己的故事。
當然,每個人都要對自己作的事負責。


我每天都在寫報告,順便就把這裡當成報告的輸出地點了,
歡迎大家前來看看工程師是如何把一項新產品,從無到有開發出來的。

由於部分內容牽涉到公司的商業機密,部分開發的內容將會進行改寫或保留,但故事的整體性與完整性是不變的。

======================================================

我習慣一進辦公室就把六位半的精密數位電表Agilent 34401A打開
我也習慣一進辦公室就把HP 8560的頻譜打開
接著才是開啟工作用PC的電源
然後,順便將電熱水壺通電,準備每天必喝的黑咖啡。





我們的無刷馬達驅動板在一個月前就測試Ready了,過完農曆年後,我把最重要的通訊的功能UART打開。並且將無刷馬達的幾個重要參數傳到外部裝置上。由於是用電源供應器供電,電壓壓降的成分不高。這裡我們只檢查VR油門值、馬達轉速RPM和電流值Amp。

紅色曲線是VR油門值(0-500),500時剛好是5.00V
綠色曲線是無刷馬達的轉速值,最高速可達8000RPM
藍色曲線則是無刷馬達的電流值,沒有加載的情況下最大電流約有6A上下

水平橫軸為時間軸。我們用程式定時中斷的方式,每0.125秒由驅動器送出即時的VR、RPM與Amp電流值。
第一次試驗時,用最快的方式把VR轉到最大,當然無刷馬達也立刻轉到最高速。
第二次試驗時,放慢VR的油門,約一秒才加到最大值。這次馬達慢慢加到最高轉速。

請看以下的即時曲線記錄



請留意第三組的電流曲線(藍色)。

馬達加速很快時,你瞬間加入馬達的電流值也會大了許多,由圖中可以看出瞬間的峰值約6.2A。慢慢加速時,電流峰值降低約2A到4.2A左右。當轉速(8000RPM)到達不變時,兩種試驗所耗的電流幾乎相同。

如果您的馬達是用電池供電時,一定要考慮到上述功耗的情況。
你不會想要割草30分鐘後就沒電了。而當你想要有更長的割草時間時,也要考慮到盡量不要突然加速。這些控制要素(加減速曲線)如果能寫到驅動器的程式裡面,將會對電池更加友善,而電池也將回報更長的供電時間。

不過,如果沒有看到這些即時(Real time)的資料,那就很難有這麼多的聯想與程式修正了。
所以,不管最後的結果如何,許多事情先下去做就對了!!





2017年2月8日 星期三

距離電動割草機開發完成日 還有85天

面對壓力,你是選擇抵抗還是屈服?
面對bugs,你是選擇不理會還是一定要清除殆盡?
面對Warning,你是選擇視而不見還是當成一回事?

我每天都在寫報告,順便就把這裡當成報告的輸出地點了,
歡迎大家前來看看工程師是如何把一項新產品,從無到有開發出來的。

由於部分內容牽涉到公司的商業機密,部分開發的內容將會進行改寫或保留,但故事的整體性與完整性是不變的。

======================================================

經過這幾天的反覆測試,我這邊終於把所有的數據確定了

電池供應電壓:36V,但是從24V到48V都可以運作,電壓較高時,可以有較快的轉速
無刷馬達:規格為36V/7200RPM 300W
無刷馬達控制板:額定電壓為36V,可持續輸出9A以上,瞬間(3秒內)還可輸出達30A,這幾天測試時,已經看到瞬間有40A左右的大電流出現,還有一次有89A的大電流通過馬達!!

無刷馬達控制板須有以下保護點:
OV過電壓保護,供電超過55V時,強迫馬達停止
UV低電壓保護,供電低於32V時,強迫馬達停止
OT過熱保護
OC過電流保護

啟動後,三到四秒鐘到達設定的速度。這可以更快,但太快會過於耗電
馬達可以選擇定功率輸出、定轉速輸出或是定扭力輸出
割草時若瞬間被雜草卡住時,可以反轉脫困
智慧型割草模式啟動
很簡便的故障指示
機械式的啟動與保險開關
刀片的轉速可以方便設定

在電池方面,我們保持了諸多的選擇性。如果你要連續割草三小時以上,這就是我們簡稱的Power User,建議就選擇高能量的鋰電池。如果是偶而才除草的假日工作者,那就使用一般的鉛酸電池串連即可,我們會有標準的機箱可配合使用。

如果原來是吃油的割草機,也可以改裝成吃電的割草機















無刷馬達的軸心















 無刷馬達的轉速是可以調整的,而且幾乎沒有噪音


除錯用的顯示器,正式量產時就會被移走,取而代之的是蜂鳴器的聲響



操作割草機的姿勢可以用提的或肩背的都可以









2017年2月6日 星期一

距離電動割草機開發完成日 還有86天

沒有辛苦的耕耘,哪有快樂的收割。
與其抱怨別人無法配合,還不如自己親手下來做做看。
做了,你就會找到對的方法!!
但是對的方法依舊不是最好的方法。
怎麼辦呢? 繼續下去,千萬千萬不能放棄。
不做,那就等死吧!

我每天都在寫報告,順便就把這裡當成報告的輸出地點了,
歡迎大家前來看看工程師是如何把一項新產品,從無到有開發出來的。

由於部分內容牽涉到公司的商業機密,部分開發的內容將會進行改寫或保留,但故事的整體性與完整性是不變的。

=========================================================
過年後的第一天上班,進度還是那麼快外加穩健!!

今天把所有的電路與程式再做一次確認。
割草機的重要參數:轉速、電壓、電流與保護措施都已經寫入記事本中,剩下的就是電路的Re-layout與外部機構的銜接與配合。

再過幾周就可以進行實體的割草測試,這時才是真正的重點了


割草機馬達的重要參數都已經獲得了


無刷控制器所有的接頭都接上了,這代表已經進入最後的階段了,也是最精采的階段!!


馬達與控制器的重要參數已經可以傳到電腦螢幕上,這對除錯或是測試都有加分的效果


其中最重要得當然是轉速、電壓與電流了
















這就是RD開發者最喜歡的部分,
控制程式寫得好不好,內行的瞄一下圖表馬上看出端倪!!
這絕對是真的!!










2017年2月1日 星期三

距離電動割草機開發完成日 還有87天

萬事俱備,只剩下動手和測試。
你會馬上動手修改嗎?
不對 !! 千萬不能猴急。
應該列出所有待辦的事項後,
再行出手才是正確的。


我每天都在寫報告,順便就把這裡當成報告的輸出地點了,歡迎大家前來看看工程師是如何把一項新產品,從無到有開發出來的。
由於部分內容牽涉到公司的商業機密,部分開發的內容將會進行改寫或保留,但故事的整體性與完整性是不變的。
===========================================
工作時,我是設計無刷馬達的專業工程師
寫作時,我寫的是無刷馬達的相關應用與實務
休閒時,我用的是電動無刷馬達做成的除草機來除草,那天足足割了兩個小時的草,反而最有療癒且最有成就感了!!
不過,三句不離本行。無刷的割草機300W就已經足夠。

自己割了好幾次草,
也發覺現有電動割草機的缺失。
那就親自下來設計一台Pro級的無刷電動馬達割草機吧!!

這是友廠的電動割草機,後面背的是36V鋰電池
















除草真樂!! 可是斬草不除根,春風吹又生

大門口快被藤蔓淹沒了,裡面還有更難對付的箭竹!?




知道別人的缺點再加上自己獨創的特點,
我們的割草機跟我們出版的書一樣,
果然真的跟別人不一樣



馬達控制重要圖表 說明

這是個人收集的資料之一,最終版權仍屬當初放在網路的公司或個人 個人認為 展現"馬達控制"的最佳動畫, 它代表的意涵太多太多了,請一定要把它另存新檔。 文字上很難敘述,看了動畫就一目了然。看TI德州儀器的影片一個多小時還似懂非懂的,無意中從網路上找到...