1.前言

園林機(jī)械以割草機(jī)為主，輔以其他園林維護(hù)設(shè)備。主要類別包括割草機(jī)、專業(yè)草場設(shè) 備，鏈鋸、打草機(jī)/割灌機(jī)以及其他機(jī)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(hù)，其他機(jī)械一般涵蓋吹吸葉機(jī)、 微耕機(jī)和掃雪機(jī)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(qiáng)；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(shí)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(yùn)營的制造商。園林機(jī)械行業(yè)上游包括鋰電池、電機(jī)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(jià)格水平對中游機(jī)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(jī)械設(shè)備制造商相關(guān)企業(yè)國內(nèi)有創(chuàng)科實(shí)業(yè)（TTI）、泉峰控股等，海外有富世華、MTD 等。

隨著我國園林機(jī)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(jī)械的主要出口國。以割草機(jī)產(chǎn)品為例，根據(jù)海關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2018 年到 2020 年我國割草機(jī)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(jìn)出口貿(mào)易產(chǎn)生較大波動，我國園林機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)出口額依然實(shí)現(xiàn)了正向增長。

圖一 2018-21年中國出口至美國割草機(jī)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(jī)械企業(yè)可大致分為三類：第一類是國際知名園林機(jī)械企業(yè)在中國的獨(dú)/合資企業(yè)，該類企業(yè)資金和研發(fā)實(shí)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(shí)力較強(qiáng)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(jī)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。格力博、泉峰、寶時(shí)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(jì)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(jì)，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(bǔ)PWM輸出，內(nèi)置1路運(yùn)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(diǎn)。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(diǎn)1.可實(shí)現(xiàn)低速大負(fù)載啟動，帶載運(yùn)行能力強(qiáng) 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(jì)方案，可快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品應(yīng)用 4.內(nèi)置比較器做硬件過流保護(hù)，快速又安全 5.支持欠過壓、欠過溫、過流、超速、限流、剎車停機(jī)等保護(hù)，大幅度縮減開發(fā)周期 6.PWM支持異常情況緊急停機(jī)保護(hù)機(jī)制，有效防止功率元器件損壞 7.防抄板設(shè)計(jì)，防止eFlash中程序被盜取 8.內(nèi)部集成電機(jī)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(jī)控制算法，快速匹配不同的電機(jī)

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(jī)，電機(jī)每隔60°換相一次，電機(jī)正常工作任意時(shí)刻都有兩個功率管同時(shí)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(diǎn)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(jī)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(jìn)入其中一相，并從電機(jī)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(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)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(shí)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(shí)，先檢測轉(zhuǎn)子的位置信號，當(dāng)檢測到過零點(diǎn)時(shí) 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(jìn)行換相，此時(shí)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(jī)結(jié)構(gòu)可知，假設(shè)一對極電機(jī)，每相包含兩個過零點(diǎn)，三相即6個過零點(diǎn)，故電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置每變化 60° 電角度進(jìn)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(jī)中性點(diǎn)電壓比較，可以通過使用可變閾值電壓點(diǎn)檢測過零事件。該可變電壓就是電機(jī)的中性點(diǎn)。大多數(shù)BLDC 電機(jī)的中性點(diǎn)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(diǎn)。將三個電阻（RR）的一端分別與電機(jī)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(diǎn)，如右圖所示：

3.硬件模塊介紹3.1 PCB設(shè)計(jì)圖和實(shí)拍

3.2 PWM調(diào)制輸出3路互補(bǔ)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(shí)/計(jì)數(shù)器，每個定時(shí)器有兩路PWM輸出和1路輸入捕獲，可產(chǎn)生帶死區(qū)時(shí)間的互補(bǔ)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(dú)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(diǎn)上，另IN-一起接入反電勢采樣電路的公共點(diǎn)上。

注：C20/C23/C31濾波電容根據(jù)電機(jī)屬性及實(shí)際的測試信號進(jìn)行調(diào)整,建議100pf或1uf3.4電流采樣電路適用于割草機(jī)，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(shí)際控制對象的電流大小。

注：此運(yùn)放可使用MCU內(nèi)部集成運(yùn)放3.5硬件電流保護(hù)電路a.使用配置運(yùn)放輸出OP_P與OP_N電壓比較，實(shí)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(yùn)放只能運(yùn)放或比較二選一。本方案將內(nèi)部運(yùn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)MOS及溫度采樣。通過CON1口連接BMS板上NTC， ADC采樣來實(shí)現(xiàn)BMS過溫保護(hù)。

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(jī)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(jī)控制API、電機(jī)任務(wù)等。System層包含Startup啟動、中斷服務(wù)、時(shí)鐘、睡眠與低功耗等。Common層包含消息隊(duì)列、軟定時(shí)器、延時(shí)/串口輸出、實(shí)用工具等。電機(jī)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(jī)控制算法概要

4.4 電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)電機(jī)運(yùn)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(jī)及功能參數(shù)初始化； 2.READY主要等待電機(jī)運(yùn)行指令； 3.RUN主要是電機(jī)運(yùn)行處理函數(shù)； 4.STOP主要是處理停機(jī)； 5.BRAKE主要處理剎車； 6.FAULT主要處理停機(jī)或剎車，處理故障狀態(tài)，判斷是否重啟。

4.5 分時(shí)事件處理定時(shí)中斷計(jì)數(shù)，獲取不同時(shí)間標(biāo)志位，在主循環(huán)中判斷時(shí)間標(biāo)志位運(yùn)行不同時(shí)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(hù)、PWM的調(diào)節(jié)等； 2.每1ms處理的事件有按鍵的狀態(tài)機(jī)、計(jì)時(shí)功能及指示燈的報(bào)警等； 3.每5ms處理的事件有電壓保護(hù)、速度閉環(huán)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)等； 4.每10ms處理的事件有mos溫度保護(hù)等。4.6 保護(hù)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(yùn)行時(shí)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(hù)等操作，是技術(shù)人員調(diào)試和維護(hù)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(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)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(jī)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

審核編輯 ：李倩