距離電動割草機開發完成日 還有72天

鏘! 鏘!! 鏘!!! 聽到不尋常的金屬與玻璃碰撞聲音
鐵定 出事了

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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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割草機只要一轉起來，絕對是有其危險性的 !!!
轉速快，又有刀片高速旋轉，一定要特別小心



今天在多次的啟動與加減速調整後，在某一次啟動的瞬間，鎖定刀片的逆向螺絲鬆脫，所有跟著旋轉的零件與螺母全部飛了出來!!



混亂的一秒鐘後，所有零件散佈在地板上，固定用螺母飛到半空中，打到我的測試用車用音響後，又彈回地板上。

我立刻關閉電源，進行災情統計與分析

裝在上面的零件全部都出竅了!!


地板上的刮痕應該是割草機的刀片撞擊後留下的痕跡















刀片的首次撞擊點應該是這裡 !! 旋轉的力道和銳利的刀口直接就割出一道大傷痕，郵局的白和平鴿也被打到了
















近看一點，這如果是腳的話，鐵定要住院了

再近看一點，Rubycon電容紙箱內的 PCHOME郵寄紙箱也是傷痕累累!!

這塊橋式整流濾波板也被噴出來的螺母打歪了，然後又打到強化玻璃。幾年前台南大地震時也歪了一次


看起來，割草的刀片就是沿著切線飛出去，先對無辜的紙箱割出一道傷口，然後繼續旋轉，再對地板割出另一道深深的痕跡。

原先，我們設計的割草機還有一個可以倒退的按鈕，當割草碰到藤蔓時，前端很容易被藤蔓卡死住，這個功能可以讓刀片反轉，以方便操作人員將已經咬死刀片的藤蔓拉出來。不過經過今天的意外事件後，我們考慮將此功能永久取消。

因為，刀片反轉時，有機會順便也讓固定用的螺母鬆動，歷經幾次反轉以後，刀片就有可能飛出來傷人!!

許多事情想得越完善，以後出錯的機會就越小。今天的意外事件，又讓我們上了學校老師絕對沒有教的一課。

以前的老工程師一直提醒我:
做任何有關電的實驗，實驗桌旁一定要同時有兩個人在場，以便在緊急情況下可以互相救援!!
切記 !!
切記在心裡 !!

刀片就是沿這各方向飛出去，外加旋轉的力道，割破三個紙箱，最後又劃破木質地板後才停止。

距離電動割草機開發完成日 還有73天

這世上有一樣東西是別人搶不走的，那就是藏在你自己心中的夢想。
許多問題是須要時間來解決的。想搶快是行不通的!!

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兩台幾乎一樣的電動割草機，一台是用離合器Clutch帶動，另一台是直驅Direct Drive方式帶動。你認為哪種方式較為省電?

上為直接驅動型的割草機，下為帶Clutch的割草機

Direct Drive就是馬達軸心與割草機軸心對接


Clutch型的割草機只有在高速旋轉時，馬達才和割草機軸心連結


整個Clutch片用兩顆大螺絲鎖住，靜止時靠照片中的彈簧把Clutch拉離黑色外框

鎖上蓋子後就看不出是直驅Direct Drive或是Clutch型的割草機了

今天就是來驗證割草機功耗這一部分。

我們用擎弘電子公司精密Pro級的電源供應器(DSP-050-030最大輸出50V30A)，電壓都調在36.00V，掛上相同的刀片當負載，然後記錄4000-6000RPM時的電流值

CLUTCH type(有離合器)
4000 RPM 1.8A
4500 RPM 2.2A
5000 RPM 2.5A
5500 RPM 2.9A
6000 RPM 3.4A

DIRECT type(直接驅動型)
4000 RPM 1.6A
4500 RPM 1.8A
5000 RPM 2.0A
5500 RPM 2.5A
6000 RPM 2.8A

以上的結果跟我們心裡想的類似。

做個小結論:Clutch帶有離合器型的割草機效率會較差，這是因為馬達高速旋轉後，才正式把離合器片甩開，進而帶動割草機內部軸的旋轉，經過此一級的轉換，也多了近20%的功耗。

可是，許多Pro級的割草人士還是喜歡Clutch型的割草機?經過詢問後，我們這才發現真實割草的情景。當割草機高速在除草時，若碰到硬物，直接Direct Drive型的反應是:電流過大，進入保護模式，並且立即關閉馬達的輸出，等到狀況解除後，才恢復原先的轉速，這一來一往可能就耗掉5-8秒鐘的時間。

而Clutch型的割草機碰到異物或堅硬的石頭時，輸出軸有可能硬被暫停。此時只能導致離合器片的滑動而已，馬達仍在高速運轉。所以狀況一解除後，刀片處隨即回到高的轉速模式。有可能不到半秒就回到原先的轉速，可以不用停頓繼續割草。




這也就是說:
有Clutch的割草機功耗可能多了一些，但實際使用上它卻有其獨特的方便性，熟優熟劣還是沒有定論。

比較詭異的問題出現了，我們竟然發現帶Clutch的割草機在動作一些時間後...

距離電動割草機開發完成日 還有74天

產品的開發中，機構往往是最難克服的!!
一個好的機構應該是簡單明瞭的機構，
一個好的控制電路也應該是簡單的電路。

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傳統的引擎割草機的離合器是這樣設計安排的

電動割草機的傳動機構如圖所示。這裡，我們複製了原來的離合器架構，當馬達轉速超過某個轉速後，兩片式的離合器會往外甩，進而帶動刀片或牛筋繩轉動

無刷馬達開始與機構接合



鎖上離合器，經過測試後，發現此款的Clutch要到3500RPM後，才會正式被甩開，然後刀片才開始轉動


馬達再與其他機構接合，看起來滿有殺氣的!!































從另外一角度看無刷馬達與割草機本體的合體



這周總算可以開始進行"割草實測"了，同時順便觀察鋰鐵電池的耐操度了。
供應商的Li-Fe測試用電池，到我們手裡當然難逃被拆解的命運。不過，我們不建議一般使用者去拆解高能量密度的鋰電池，因為這還是有相當危險性的。




Pro級的Li-Fe電池，價格絕對不親民。但是要一次割滿四小時，那就非得用此類電池不可了。
實測重量約7.5Kg

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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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...

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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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!!

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)

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。