1. 前言
園林機械以割草機為主，輔以其他園林維護設(shè)備。主要類別包括割草機、專業(yè)草場設(shè) 備，鏈鋸、打草機/割灌機以及其他機械等。從功能性角度來看，專業(yè)草場設(shè)備用于高爾夫球場、足球場或其他大型公共綠地草皮的養(yǎng)護，其他機械一般涵蓋吹吸葉機、 微耕機和掃雪機等；從動力源類型來看，可分為傳統(tǒng)汽油、交流電及直流電動力源，傳統(tǒng)汽油類動力強；交流電力類受限于使用便利性，直流電力類多以鋰電池為動力源，趨勢向大功率、低震動、長續(xù)航時間和智能化發(fā)展。
產(chǎn)業(yè)鏈上游以三電系統(tǒng)為核心原材料和零部件供應(yīng)商組成，中游聚集了一批以 OBM/ODM 或原始設(shè)備制造商（OEM）模式運營的制造商。園林機械行業(yè)上游包括鋰電池、電機及其他原材料供應(yīng)商，其供應(yīng)產(chǎn)品的技術(shù)水平、加工精 度與價格水平對中游機械設(shè)備生產(chǎn)制造的質(zhì)量與成本產(chǎn)生直接影響，中游機械設(shè)備制造商相關(guān)企業(yè)國內(nèi)有創(chuàng)科實業(yè)（TTI）、泉峰控股等，海外有富世華、MTD 等。
隨著我國園林機械生產(chǎn)企業(yè)在制造技術(shù)、品質(zhì)管控、研發(fā)創(chuàng)新、成本控制等方面逐步提升，在上述兩大細(xì)分賽道已有一定崛起勢頭下，我國逐漸成為園林機械的主要出口國。以割草機產(chǎn)品為例，根據(jù)海關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2018 年到 2020 年我國割草機相關(guān)產(chǎn)品出口數(shù)量 分別為1142.84/1336.96/609.90萬臺，出口金額分別為77.65/94.48/34.50億元。2020 年由于新冠肺炎疫情的影響，進出口貿(mào)易產(chǎn)生較大波動，我國園林機械出口數(shù)量和出口金額都出現(xiàn)了一定下滑。中國向美國出口割草機金額保持穩(wěn)定增長 。2018至2021年國內(nèi)向美國出 口的割草 機金額分別為16.98/22.97/27.66/34.53億人民幣，分別占當(dāng)年中國割草機總出口 金額的21.86%/24.30%/80.18%/22.86%，即使在疫情期間，中國向美國的割草機出口額依然實現(xiàn)了正向增長。
圖一 2018-21年中國出口至美國割草機情況（億元，%）
資料來源：海關(guān)總署，國元證券研究所
我國園林機械企業(yè)可大致分為三類：第一類是國際知名園林機械企業(yè)在中國的獨/合資企業(yè)，該類企業(yè)資金和研發(fā)實力雄厚，主要以自有高端品牌產(chǎn)品向海外出口；第二類是部分合資企業(yè)和實力較強的內(nèi)資企業(yè)，產(chǎn)品定位于中高端市場，通過ODM/OEM方式向國際知名園林機械品牌和大型連鎖超市供貨，主要出口至歐美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，部分龍頭企業(yè)逐步開拓OBM業(yè)務(wù)；第三類主要為規(guī)模較小、技術(shù)含量較低的 中小代工企業(yè)，產(chǎn)品主要面向中低端市場。大藝、泉峰、寶時得、萊克電氣、亞特等企業(yè)都屬于第二類型企業(yè)。
隨著園林工具從工業(yè)等專業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域逐步向民生領(lǐng)域的發(fā)展，小型化、智能化和無繩鋰電池化是園林工具行業(yè)今后的主要發(fā)展趨勢，行業(yè)需要更緊湊、更省電、更高效、更安全和更經(jīng)濟的園林工具控制方案。
此方案是基于廣芯微低功耗32位MCU芯片UM3213A開發(fā)的設(shè)計，UM3213A采用ARM Cortex-M0+內(nèi)核，主頻32MHz，內(nèi)置64KB閃存，支持1.8~5.5V寬電壓工作范圍，支持3路互補PWM輸出，內(nèi)置1路運放和3路比較器，支持8通道12位1MspsADC轉(zhuǎn)換器、多路UART、SPI，I2C等豐富外設(shè)接口，具有高整合度、高抗干擾、高可靠性的特點。芯片支持9路PWM和1路CAN總線，提供35個GPIO。
圖二 芯片資源總覽
2. 方案速覽
2.1方案特點
1. 可實現(xiàn)低速大負(fù)載啟動，帶載運行能力強
2. 內(nèi)置3路比較器快速直接獲取反電勢信號，節(jié)省成本且更高效可靠
3. 低功耗及安全電路設(shè)計方案，可快速實現(xiàn)產(chǎn)品應(yīng)用
4. 內(nèi)置比較器做硬件過流保護，快速又安全，
5. 支持欠過壓、欠過溫、過流、超速、限流、剎車停機等保護，大幅度縮減開發(fā)周期
6. PWM支持異常請客緊急停機保護機制，有效防止功率元器件損壞
7. 防抄板設(shè)計，防止eFlash中程序被盜取
8. 內(nèi)部集成電機控制專用單元，減少外圍電路，節(jié)省布板空間
9. 高集成、高性能、低成本，成熟的電機控制算法，快速匹配不同的電機
2.2工作原理簡介
本方案采用120°導(dǎo)通型，即二二導(dǎo)通模式控制BLDC電機，電機每隔60°換相一次，電機正常工作任意時刻都有兩個功率管同時導(dǎo)通，且每個器件開通120°電角度，而換相之前需要知道轉(zhuǎn)子所在扇區(qū)，本方案采用三路內(nèi)置比較器對相電壓和三相中性點電壓比較得到轉(zhuǎn)子扇區(qū)，通過提前換相從而使轉(zhuǎn)子持續(xù)轉(zhuǎn)動，工作原理框圖如下。
本方案采用方波二二導(dǎo)通方式驅(qū)動，每次只給三相電機中的兩相通電：一相連接到電源的正極，一相連接到電源的負(fù)極，一相浮空。電流從電源的正極流入，進入其中一相，并從電機的另一相流出到電源的負(fù)極。電流流向如下圖所示
在一個電周期 360° 電角度內(nèi)，共有六種不同的控制信號控制功率管開通關(guān)斷，使得定子電流有六種狀態(tài)，即定子繞組的合成磁動勢有六種狀態(tài)，每步持續(xù)60°拖動轉(zhuǎn)子運行，從而實現(xiàn)電機連續(xù)運轉(zhuǎn)，其合成磁勢如下如圖所示。
如下圖 ，F(xiàn)s為定子合成磁動勢，F(xiàn)r為轉(zhuǎn)子磁動勢，由下圖可知定子合成磁勢與轉(zhuǎn)子磁動勢往往在60°到120°之間，但是這并不是最大輸出扭矩的角度，根據(jù)磁場力矩最大原理，F(xiàn)s和Fr為90°時扭矩輸出最大。
為了輸出最大轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子的位置信號至關(guān)重要。每次換相時，先檢測轉(zhuǎn)子的位置信號，當(dāng)檢測到過零點時 定子合成磁動勢超前轉(zhuǎn)子磁動勢120°電角度，當(dāng)轉(zhuǎn)子再旋轉(zhuǎn)30°電角度后再次進行換相，此時輸出扭矩最大，根據(jù)二二導(dǎo)通原理和星型結(jié)構(gòu)電機結(jié)構(gòu)可知，假設(shè)一對極電機，每相包含兩個過零點，三相即6個過零點，故電機的轉(zhuǎn)子位置每變化 60° 電角度進行一次換相控制 。示意圖如下所示
比較器檢測反電勢方法：BEMF 電壓與電機中性點電壓比較，可以通過使用可變閾值電壓點檢測過零事件。該可變電壓就是電機的中性點。大多數(shù)BLDC 電機的中性點不會用導(dǎo)線引出。但可以用電阻網(wǎng)絡(luò)來構(gòu)造中性點。將三個電阻（RR）的一端分別與電機的三相繞組并聯(lián)，另一端連在一起以產(chǎn)生一個虛擬中性點，如右圖所示：
3. 硬件模塊介紹
3.1 PCB設(shè)計圖和實拍
3.2 PWM調(diào)制輸出
3路互補PWM輸出支持各種PWM調(diào)制方式，GTIMER0/1/2為3個16位通用定時/計數(shù)器，每個定時器有兩路PWM輸出和1路輸入捕獲，可產(chǎn)生帶死區(qū)時間的互補PWM，滿足多種調(diào)制方式。
3.3 反電勢采樣電路
芯片內(nèi)部三路比較器采樣，3路獨立比較器，具有軌到軌輸入的遲滯比較器，三路比較器的IN+接入三相反電勢采樣點上，另IN-一起接入反電勢采樣電路的公共點上。
注：C20/C23/C31濾波電容根據(jù)電機屬性及實際的測試信號進行調(diào)整,建議100pf或1uf
3.4 電流采樣電路
適用于割草機，通常母線電流在30-40A，故使用1毫歐采樣電阻，配置0.345V基準(zhǔn)電壓，20.5倍放大倍數(shù)；具體的配置可參考實際控制對象的電流大小。
注：此運放可使用MCU內(nèi)部集成運放
3.5 硬件電流保護電路
a) 使用配置運放輸出OP_P與OP_N電壓比較，實現(xiàn)硬件剎車。OP_N電壓外部配置（R15與R18分壓值為比較電壓）。
b) 可使用外部比較器電流輸入至Gtimer0/1/2 任意一路BK配置口。
注：內(nèi)置的這一路運放只能運放或比較二選一。本方案將內(nèi)部運放做比較器使用，此圖只展示原理。
3.6 母線電壓采樣
分壓比根據(jù)系統(tǒng)電壓值進行調(diào)整，R31/C15組成RC濾波電路。
3.7 溫度采樣（NTC）
NTC電阻與R47分壓，經(jīng)過C30濾波輸入至MCU ADC采樣口實現(xiàn)MOS及溫度采樣。通過CON1口連接BMS板上NTC， ADC采樣來實現(xiàn)BMS過溫保護。
4. 軟件介紹
4.1軟件架構(gòu)
此方案整個軟件工程分為應(yīng)用層、System、Common及電機庫。應(yīng)用層包含系統(tǒng)初始、系統(tǒng)配置、CLI引擎、通用任務(wù)、電機控制API、電機任務(wù)等。System層包含Startup啟動、中斷服務(wù)、時鐘、睡眠與低功耗等。Common層包含消息隊列、軟定時器、延時/串口輸出、實用工具等。電機庫包含PID 環(huán)路、換相函數(shù)處理、芯片驅(qū)動庫等。
4.2 外設(shè)功能
4.3 電機控制算法概要
4.4 電機運行狀態(tài)
電機運行狀態(tài)分為 INIT、 READY、 RUN 、STOP、 BRAKE、 FAULT 6個狀態(tài)：
1. INIT主要處理電機及功能參數(shù)初始化；
2. READY主要等待電機運行指令；
3. RUN主要是電機運行處理函數(shù)；
4. STOP主要是處理停機；
5. BRAKE主要處理剎車；
6. FAULT主要處理停機或剎車，處理故障狀態(tài)，判斷是否重啟。
4.5 分時事件處理
定時中斷計數(shù)，獲取不同時間標(biāo)志位，在主循環(huán)中判斷時間標(biāo)志位運行不同時間事件處理函數(shù)。
1. 與PWM周期同步處理的事件有電流保護、PWM的調(diào)節(jié)等；
2. 每1ms處理的事件有按鍵的狀態(tài)機、計時功能及指示燈的報警等；
3. 每5ms處理的事件有電壓保護、速度閉環(huán)、堵轉(zhuǎn)保護等；
4. 每10ms處理的事件有mos溫度保護等；
4.6 保護措施
5. 測試波形
5.1 1.4kW負(fù)載過程中相電壓及電流波形
5.2 全速運行時相電壓波形
5.3 測功曲線
6. CLI 引擎
為用戶提供配置、管理以及維護等操作，是技術(shù)人員調(diào)試和維護設(shè)備的重要手段。使用超級終端、Tera Term或SecureCRT通過UART接口登錄系統(tǒng)并使用命令進行系統(tǒng)調(diào)試和維護管理。
7. 通用的開發(fā)環(huán)境如下：
7.1 硬件環(huán)境：
· MCU平臺：UM3213A
· 調(diào)試器：JLINK V9隔離仿真器
· 電機類型：PMSM/BLDC
7.2 軟件環(huán)境
· 操作系統(tǒng)：Windows
· 編譯器：Keil MDK V5.25
· 編譯語言：C
關(guān)于廣芯微
廣芯微電子（廣州）股份有限公司專注于低功耗物聯(lián)網(wǎng)芯片的研發(fā)、設(shè)計與銷售，為客戶提供面向個人與家庭、工業(yè)與商業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域,以低功耗為差異化的8位/32位微控制器芯片、無線射頻收發(fā)器芯片、數(shù)字電源管理芯片和傳感與信號調(diào)理專用芯片等。
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