2017年3月27日 星期一

距離電動割草機開發完成日 還有75天

割草機的馬達放在前端,的確可以減少傳遞的損失。
而我們的設計是擺在後頭。
這一次我們特地用FLIR熱像儀看了一下,輕鬆地找出割草機溫升最高的三個地方

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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。

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今天的試驗是把我們的割草機加上刀片在最高轉速下,空載轉10分鐘後,用熱像儀觀看所謂的熱點(Hot spot)

實驗室的溫度約攝氏22度。
無刷馬達的線圈處溫度約36度,其尾部有螺旋狀的散熱葉片進行強制散熱,所以溫升並不高




割草刀片的上端,有一組傘形齒輪。因為持續的高速轉動,熱點的溫度約為54度。
熱量還透過金屬連桿往下傳!!




控制器上MOS功率元件的地方溫升頗高的!!
這是因為此處沒有強制散熱的緣故。

在實際的割草機產品時,此部分要與馬達上的扇葉結合,把多餘的熱順便移走,以免控制器端累積過多的熱量,進而造成零件的損壞。




當割草機有負載正在割草時,可以預期的是刀片上頭的傘形齒輪處溫度可能會是最高的。因為刀片與草的碰撞與緩衝,都會在這裡發生。當刀片與堅硬的石頭高速相遇時,火花是可以看到的。而且齒輪也正在承受極大的壓力,而這些都會轉換成物理的"熱"再承現出來!!

到底哪裡是比較合宜的馬達安裝位置?
其實從今天的熱點觀察,答案已經很清楚了...

2017年3月25日 星期六

距離電動割草機開發完成日 還有71-70天

期待的這一天終於來了...
今天要試割一下,不是試賣!!

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我每天都在寫報告,順便就把這裡當成報告的輸出地點了,
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這周的機構開始收尾了。
割草機的控制器終於有一個像樣的家了。由於內有會發熱的功率元件,散熱始終是個大問題,如果你不去面對,最明顯的就是整體溫升往上,而溫度一提高肯定是會讓產品的品質打折的。

在機構上,我們唯一的考量是控制器上的熱量一定要移到散熱片上。
如果可以的話,有風扇進行強制冷卻是最好的。剛剛好無刷馬達的屁股有一個小葉片形的散熱風扇,本來的作用是將機殼的溫升帶走。我們順勢利用這股氣流,同時也把功率元件的積熱帶走。所以,我們割草機的尾端就變成這個樣子。



其實在測試階段,我們也發現了,無刷馬達的機殼溫升不高,當轉速越高時,對著機殼吹的風速越快,當然就能帶走更多的熱量了。

熱像儀的照片顯示,運轉30分鐘後,割草機馬達的機殼溫度只達到41.4度,大約是溫泉水的溫度而已。




今天一大早就出發到高雄鄉下進行電動割草機的試割。

總共帶了兩支含Clutch的電動割草機、鋰電池兩顆(長泓36V Li-Fe電池)、長方形割草刀片與圓鋸刀片,還有基本的刀片裝卸工具等等。由於長泓電池的形狀的關係,臨時找不到合適的背包來揹負,只好將就把電池放在旁邊,省點力氣。只是有較大移動時,要停止割草機馬達的轉動,然後再搬一下電池了。

這顆6.5公斤重的鋰電池這周已經供電測試超過2.5小時了,我們要繼續用它,看看它的供電能耐?又經過約略3小時的割草與鋸木後,量了一下電壓還有39.5V,比前一天的電壓只降了0.2V而已。

整個測試的時間約是3小時左右,大部分時間都是使用鋼刀片來割草。絕大部分的草類應該是芒草,參雜少部分的箭竹,只要轉速操過6000RPM,刀片式的割法幾乎沒有對手了。

旗威科技的無刷電動割草機第一次試割,這次鋰電池不背負,改擺在地面旁





















一開始割草時,還是發生了刀片突然脫離的窘境,一個重要零件噴發走了。幸好我還有帶另一支備用的割草機。暫時把這零件挪過來用,這次就用"洪荒之力"把刀片再次鎖緊了!!










趁太陽發威之前把割草工作告一段落。

今天終於體會出Clutch型割草機的優點了:當刀片突然被異物或藤蔓圍困而停止不動時,這時能聽到馬達與Clutch離合器的磨擦聲響開始加大。此時只要將割草機刀片移開,刀片的轉速可以立刻回到先前的轉速,這結果太棒了!!

經過3個小時的折騰,初步確認以下的零件是可以過關的

1 鋰電池(36V),使用累積時間已經用超過五小時了
2 Clutch型的割草機整體機構
3 割草機無刷馬達(36V/300W),40V供電時還是跑得好好的
4 無刷馬達專用控制器(36V/350W/6000RPM),限流點約在15A

實測時20mm直徑粗的箭竹真的不敵轉速6000RPM的割草刀片!!還有不小心碰到10mm的鋼筋鐵條異物,幸運的是刀片多了一小缺口,其他零件都完好無損壞!!

等下周機構件都交齊後,就可以進行更進一步的公開測試了

本周電動割草機熱像儀照片分享
這是連續動作兩小時後,整支割草機的溫度分布情形,整支都是熱熱的,但還是不至於燙手的!!













2017年3月24日 星期五

距離電動割草機開發完成日 還有76天

馬達的啟動模式是很專業的,
啟動程式沒有寫得很好很完美時,對馬達、控制器與電池三者都屬於傷害。今天就來看一下,割草機啟動時的重要波形

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有帶HALL感測器的無刷馬達的啟動絕對不是我們想像中那麼容易!!
不是對照Hall的信號,送出對應的激磁電流後,馬達就開始轉動? 這是超級理想的情況下,才有可能發生的。真實的情況往往超出我們的想像!
接下來請看一下我們示範的HALL信號(YEL)與馬達線圈上的電流信號(GRN)


上面黃色的信號是HALL信號,綠色信號則是無刷馬達的相電流波形。
好像很難看懂!!
簡單地說:
黃色信號由剛開始的靜止不動,開始換相逐漸變密,這代表轉速由0開始往上轉。
綠色信號也是由稀疏轉密,但電流波形在啟動的兩三秒內是較大的,轉速變快後,電流值也變小了




這一次無刷馬達啟動失敗,再過一秒鐘後再次啟動,這次啟動成功!!
而重啟的時間由何而來?當然是寫code的工程師決定的



手機的BT裝置也可以取得電流值,但是無法像數位式示波器看得那麼仔細了



這是第一次嘗試啟動時,馬達不轉。立刻加大馬力(電流),調高PWM值,馬達就轉了起來



完美的馬達啟動信號,樣子似乎就該是這樣的





















把電流開到最大,你以為無刷馬達會立刻旋轉起來?

不會的。
不會轉的!!
割草機的馬達跟其他無刷馬達都一樣。你突然加上最大馬力後,她有80%的可能完全不轉!!

這些問題就留給寫韌體程式的人去煩惱了。
總結地說,
就是油門慢慢地加上去,加到無刷馬達克服了靜態摩擦力後,直到割草機的葉片開始轉動為止。

示波器的水平方格是100mS一格,即0.1秒一格。
這裡示範的是啟動後約0.5秒就轉到3000轉以上,啟動時的電流約是正常運轉的兩倍多




有看到嗎? 電流已經加上0.05秒了,馬達軸心尚未旋轉。又過了0.1秒後,馬達順利地轉動了,許多人都不知道寫code的人在這裡動了多少手腳...(很心酸)













2017年3月18日 星期六

距離電動割草機開發完成日 還有77天

沒事的話,請千萬不要拆鋰電池。
不夠專業的話,也請不要自行拆解鋰電池。
對鋰電池不夠了解的人,也請千萬不要去打開鋰電池的外殼。

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原來,鋰電池內部是這樣安排的,這應該是鋰三元電池 !! 這樣的體積就能提供幾乎兩小時的割草電力


這是新購入的專業級36V鋰鐵電池和專用的快速充電器。之前已經購入電池,充電器則慢了1-2周後才交貨

36V的鋰鐵電池完全充飽後約42.2V。不是36.0V,這一定要記下來,所以我們的控制板上的零件,只要有接到Vbat端的,基本上都要耐壓48V-60V以上。電壓高一點時,消耗的電流會小一點點,最大電流應該就在10A上下了。

這個專用充電器可以顯示充電電壓、電流、百分比、安時、結束充電等等功能

至於割草機的轉速調整上,我們打算沿用原來引擎割草機的油門開關。這樣又可以節省一些模具的費用,但是最終產品推出時,還是要有專屬的油門信號開關才對!!

謝謝公司的駐大陸代表,在展覽會場收集了各式各樣的油門開關,大部分是塑膠製品,模具的精緻度大概就屬普通等級而已,這還有進步的空間。

(1) 聽說PRO級的割草人士喜歡這款

(2)這和(1)類似,質感好一點點,紅色按鈕是停止運轉的意思


(3) STOP是往上推的,油門的開關很大,操控容易 


















(4) 油門在加一個機械式的Lock鍵,這樣割草的時候就不用一直按壓著油門信號















(5)沒有Lock的油門開關















(6) 保險開關(左)+油門開關(右)















(7a) 在台灣買得到的引擎割草機油門開關機構















(7b)也有Lock鍵,質感好一點點














接下來的重頭戲就是所有的機構件與馬達、控制器的實體結合,請拭目以待。

2017年3月9日 星期四

距離電動割草機開發完成日 還有78天

這怎麼玩下去? 還沒割草的待機下,就耗掉1/3-1/4的功耗。
如何省電又有效地割草,才是我們最重要的課題!!

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今天完成了 三種鐵製刀片的額定轉速無載時的功耗測量

長方形刀片(90mmx300mm),6000RPM轉速,36V供電,無載消耗電流約2.8A


測試時,當然人要盡量遠離刀片


三叉戟刀片(刃長50mmx外徑300mm),6000RPM轉速,36V供電,無載消耗電流約2.7A















加速到6000RPM後,才讀取電流值
















圓鋸(直徑160mm) ,6000RPM轉速,36V供電,無載消耗電流約2.2A-2.4A
圓鋸的外觀形狀比較均勻,且外徑較小,慣量相對小。
耗電也跟著小一些。

圓鋸在一般的農具行也買得到,但我們還不知道哪個轉速最適合它?


這些都是稍有危險性的工具,操作時一定要小心


測試時,職業性的警覺又來了。圓鋸的刀刃旋轉方向好像不對 ?!















由這個角度看,刀具旋轉的方向是順時針。而這才是正確的鋸片安裝方向

















圓鋸刀片的無載耗電量最低


情況有點不妙!!

原來馬達在轉動下是要耗電的,而且耗電量還不小!!
這也就是說,都不要割草的情況下,電動割草機轉在額定轉速6000RPM時,約有85-100W左右的待機功率消耗出現。


相同的電池、相同的馬達,用得最久、割草時間最長者就是贏家。
其中的關鍵者應該就是馬達的控制器了,控制器選對了,所有的狀況就都對了!!
照片是長泓的36V鋰鐵電池


















由於是使用電動無刷馬達的關係,馬達可以隨時啟動,大約3-4秒內就可以加到最高速。我們會建議使用者到達要割草區域時,才正式啟動馬達。而且在開始割草的當下,才把轉速拉高,這樣就能節省電力的消耗,進而增加實際割草的時間。

吃油的割草機就沒有這種優勢了,一定要先啟動引擎,讓引擎保持在怠速下運轉,到割草區後用力把油門催下去,開始割草了。但是伴隨著的是揮之不去的油煙味與引擎噪音。


2017年3月6日 星期一

距離電動割草機開發完成日 還有 79 天

真實的割草機實作與量測又來了!!

馬達空載的運轉和有慣量(Inertia)的運轉是完全不一樣的情況
絕對不是你想轉多快就可以多快

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無刷馬達和割草機本體終於結合了。

找到一組割過草的刀片來做試驗,上面仍有高速旋轉的摩擦痕跡。我想用它來測一下實際運轉時的耗電情形。順便觀察一下進入無刷馬達線圈的電流有多少?

今天的測試是由非常穩定的直流電源供應器供電。
手機上的藍芽也打開,可以知道即時的轉速與電流值。

先不要急。
真的,

割草機要轉之前,我們還有一項特別重要的事要做:
"檢查割草機輸出軸的轉動方向!!"

如果方向不對時,
鐵片在高速運轉時,可能會慢慢地讓固定的螺母(反牙)鬆動或脫落
再持續轉下去,整個割草的鐵片是有可能會飛出來傷人的

割草機正式轉動之前務必先確定刀片旋轉的方向


所有的量測設備都準備好了
24V供電時,最高轉速只能到5000RPM,割草的力道可能會小一點


















 36V供電,馬達轉速6000RPM時,線電流約是2.5A

穩定的DC POWER SUPPLY,可輸出36V 20A以上

無刷馬達在有負載且有固定慣量的情況下,果然速度沒辦法操到7000RPM以上。

下回,我們就要去量測真正哥草時的電流波形了


2017年3月2日 星期四

距離電動割草機開發完成日 還有80天

長輩經常講年輕人不知天高地厚!!
對啊!!
就是不知輕重,才會有創新的idea出來。

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這周很忙,那就看看照片說說故事了

買齊幾款常用的clutch:三菱、本田和小松



油門開關也買到了


油門線好用嗎? 不知道,要試一下才知曉


有機械式的安全開關,一定要壓下後,油門信號方能啟動
















鋰鐵電池也到了,廠商特別交代:不要用鋰三元的充電器來充鋰鐵電池,很容易讓電池提早故障
剛剛小試了一下,可以將轉速拉到9000RPM以上
















我們測試及挑選的鋰電池一定是最好的!!當然,代價一定也是最高的。
PRO級的割草者建議用這款


有人在割草機的頭端裝上無刷馬達,效果比較好嗎? 正反面意見都有,在此不便評論。
可能要相同狀況同時PK,才可以分出高下



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...