CN106484063B - 一种用于机器人供电系统的程控功率开关电路及工作方法 - Google Patents

一种用于机器人供电系统的程控功率开关电路及工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于机器人供电系统的程控功率开关电路，电池DC的正极通过开关SB连接电压转换器UR的一个输入端，电池DC的负极连接电压转换器UR的另一个输入端；电压转换器的两个输出端分别连接微控制单元MCU的正负两个输入端；微控制单元MCU、二极管整流桥和三极管VT依次连接；三极管VT的集电极通过电阻R2接地GND1；光耦OC的两个输入端并接于电阻R2两端、输出端O1连接PMOS型功率管的栅极、输出端O2接地GND2；电阻R3并接于PMOS型功率管的源极和栅极之间；PMOS型功率管的源极连接电池DC的正极，漏极和电池DC的负极构成输出电压V0的两个输出端子。本发明避免了IO端口为高电平的MCU程控上电工作系统在上电过程中由于大功率动力电的误加载造成的安全隐患。

Description

一种用于机器人供电系统的程控功率开关电路及工作方法
技术领域
本发明涉及供电技术领域，尤其涉及一种用于机器人供电系统的程控功率开关电路及工作方法。
背景技术
在机器人供电系统中对大功率的动力电一般采用程控方式上电和断电，一方面可以在特定状态实时关闭动力电以降低能耗，另一方面可以在紧急情况下断开动力电以保证整机安全。程控方式一般采用MCU的IO口高电平开通功率管上电、低电平断开功率管断电来实现。对于常见的上电IO口为低电平或者高阻态的MCU，上述程控方式没有问题，但是对于由FPGA构成的MCU，上电过程中IO口为高电平，特别是运行嵌入式操作系统的MCU，上电过程中IO口为高电平的时间较长，如果应用前述程控上电方式，则机器人系统MCU按照程序工作之前动力电一直处于带载状态，这会导致动力系统的误动作或者其他安全隐患。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种用于机器人供电系统的程控功率开关电路及工作方法，用以解决现有MCU上电过程中由于IO口为高电平导致的动力电功率开关为通电状态的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种用于机器人供电系统的程控功率开关电路，包括：电池DC、开关SB、电压转化器UR、微控制单元MCU、二极管整流桥、电阻R1、三极管VT、电阻R2、地GND1、光耦OC、地GND2、电阻R3、PMOS型功率管Q1和输出电压V0；
所述二极管整流桥包括左上桥臂二极管VD1、右上桥臂二极管VD2、右下桥臂二极管VD3和左下桥臂二极管VD4；
所述电池DC的正极通过开关SB连接电压转换器UR的一个输入端，电池DC的负极连接电压转换器UR的另一个输入端；
电压转换器的两个输出端分别连接微控制单元MCU的正负两个输入端；
微控制单元MCU、二极管整流桥和三极管VT依次连接；
三极管VT的集电极通过电阻R2接地GND1；
光耦OC的两个输入端并接于电阻R2两端、输出端O1连接PMOS型功率管的栅极、输出端O2接地GND2；
电阻R3并接于PMOS型功率管的源极和栅极之间；
PMOS型功率管的源极连接电池DC的正极，漏极和电池DC的负极构成输出电压V0的两个输出端子。
所述二极管整流桥和三极管VT对微控制单元MCU的两个输出端IO1、IO2执行类异或操作。
所述微控制单元MCU的输出端IO1连接二极管整流桥左上桥臂二极管VD1的阴极、输出端IO2连接二极管整流桥右下桥臂二极管VD3的阴极，二极管整流桥的左下桥臂二极管VD4的阴极连接三极管VT的射极，二极管整流桥的右上桥臂二极管VD2的阴极通过电阻R1连接三极管VT的基极。
当闭合所述开关SB、程序未加载完成时，IO1和IO2呈高电平，输出电压V0为0；
程序加载完成后，MCU将IO1置高电平，IO2仍维持低电平，输出电压V0为电池电压，动力电加电；
MCU将IO1置低电平，IO2仍维持低电平，输出电压V0为0，动力电断电。
所述微控制单元MCU为类FPGA型的。
一种用于机器人供电系统的程控功率开关电路工作方法，包括以下步骤：
步骤S1、闭合开关SB，程序未加载完成时，IO1和IO2默认呈高电平，输出电压V0为0；
步骤S2、程序加载完成后，此时初始化完成，MCU根据程序中初始化设定将IO1和IO2置低电平，输出电压V0也为0；
步骤S3、微控制单元MCU按照机器人动作指令设置IO1和IO2电平，给动力电加电和断电；
步骤S4、整体设备断电。
所述步骤S1具体包括：
闭合开关SB，电压转换器UR将电池的电压转换到MCU适合的供电电压，随后MCU加电，程序未加载完成时IO1和IO2默认呈高电平，二极管整流桥和三极管VT对IO1和IO2执行类异或操作，三极管VT基射结两边电平相同因而不会正偏，导致光耦输入端电压为0，后续电路不会工作，输出电压V0为0。
所述步骤S2具体包括：
程序加载完成后，程序中初始化设定IO端口为低电平，故IO1和IO2呈低电平，二极管整流桥和三极管VT对IO1和IO2执行类异或操作，三极管VT基射结两边电平相同也不会正偏，导致光耦输入端电压为0，后续电路不会工作，输出电压V0也为0。
所述步骤S3具体包括：
当微控制单元MCU中的程序运行至需要给动力电加电时，MCU将IO1置高电平，IO2仍维持低电平，二极管整流桥和三极管VT对IO1和IO2执行类异或操作，三极管VT射极电压为高电平，基极电压为低电平，三极管VT导通，电阻R1用于限制基极电流，光耦两端加正电压，PMOS型功率管Q1源栅电压大于导通电压阈值，PMOS型功率管Q1导通，输出电压V0为电池电压，为动力电加电；
当微控制单元MCU中的程序运行至需要给动力电断电时，MCU将IO1置低电平，IO2仍维持低电平，工作过程与前述IO1、IO2皆为低电平的工作过程一致，输出电压V0为0，给动力电断电。
所述步骤S4进一步包括：
当机器人停止工作，断开开关SB，电路停止工作，电路输出电压V0为0，整体设备断电。
本发明有益效果如下：
通过利用二极管整流桥及PNP型三极管对MCU的两个IO输出端电压执行类异或操作，避免了上电过程中IO端口为高电平的MCU程控上电工作系统在上电过程中由于大功率动力电的误加载所造成的安全隐患；采用光耦隔离了控制电和动力电，降低了动力电加电状态对控制系统的电磁干扰；使用PMOS管实现了高端驱动。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为一种用于机器人供电系统的程控功率开关电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本发明实施例提供了一种用于机器人供电系统的程控功率开关电路，如图1所示，包括：电池DC、开关SB、电压转化器UR、微控制单元MCU、二极管整流桥、电阻R1、三极管VT、电阻R2、地GND1、光耦OC、地GND2、电阻R3、PMOS型功率管Q1和输出电压V0；
具体地，所述二极管整流桥包括左上桥臂二极管VD1、右上桥臂二极管VD2、右下桥臂二极管VD3和左下桥臂二极管VD4。
所述电池DC的正极通过开关SB连接电压转换器UR的一个输入端，电池DC的负极连接电压转换器UR的另一个输入端，电压转换器的两个输出端分别连接微控制单元MCU的正负两个输入端，微控制单元MCU的输出端IO1连接二极管整流桥左上桥臂二极管VD1的阴极、输出端IO2连接二极管整流桥右下桥臂二极管VD3的阴极，二极管整流桥的左下桥臂二极管VD4的阴极连接三极管VT的射极，二极管整流桥的右上桥臂二极管VD2的阴极通过电阻R1连接三极管VT的基极，三极管VT的集电极通过电阻R2接地GND1，光耦OC的两个输入端并接于电阻R2两端、输出端O1连接PMOS型功率管的栅极、输出端O2接地GND2，电阻R3并接于PMOS型功率管的源极和栅极之间，PMOS型功率管的源极连接电池DC的正极、漏极和电池DC的负极构成输出电压V0的两个输出端子。
当闭合开关SB、程序未加载完成时，IO1和IO2呈高电平，输出电压V0为0；当程序加载完成后，此时初始化完成，MCU根据程序中初始化设定，将IO1和IO2置低电平，输出电压V0也为0；MCU将IO1置高电平，IO2仍维持低电平，输出电压V0为电池电压，动力电加电；MCU将IO1置低电平，IO2仍维持低电平，输出电压V0为0，动力电断电。
具体地，当开关SB闭合，电压转换器UR将电池的电压转换到MCU(类FPGA型的)适合的供电电压，随后MCU(类FPGA型的)加电，程序未加载完成时IO1和IO2默认呈高电平，二极管整流桥和三极管VT对IO1和IO2执行类异或操作，三极管VT基射结两边电平相同因而不会正偏，导致光耦输入端电压为0，后续电路不会工作，输出电压V0为0；具体地，所述电池的电压为48V，MCU适合的供电电压为12V；
程序加载完成后，程序中初始化设定IO端口为低电平，故IO1和IO2呈低电平，二极管整流桥和三极管VT对IO1和IO2执行类异或操作，三极管VT基射结两边电平相同也不会正偏，导致光耦输入端电压为0，后续电路不会工作，输出电压V0也为0；
MCU将IO1置高电平，IO2仍维持低电平，二极管整流桥和三极管VT对IO1和IO2执行类异或操作，三极管VT射极电压为高电平，基极电压为低电平，三极管VT导通，电阻R1用于限制基极电流，光耦两端加正电压，PMOS型功率管Q1源栅电压大于导通电压阈值，PMOS型功率管Q1导通，输出电压V0为电池电压，动力电加电；
具体地，当微控制单元MCU中的程序运行至控制机器人关节驱动电机动作等分支时，给动力电加电；
MCU将IO1置低电平，IO2仍维持低电平，工作过程与前述IO1、IO2皆为低电平的工作过程一致，后续电路不会工作，输出电压V0为0，动力电断电；
具体地，当微控制单元MCU中的程序运行至机器人待机或急停等分支时，给动力电断电。
具体地，以上所述程序存储于嵌入式操作系统的MCU中，用于控制机器人动作。
在一个优选实施例中，公开了一种用于机器人供电系统的程控功率开关电路工作方法，包括以下步骤：
步骤S1、闭合开关SB，程序未加载完成时，IO1和IO2默认呈高电平，输出电压V0为0。
具体地，闭合开关SB，电压转换器UR将电池的电压转换到MCU(类FPGA型的)适合的供电电压，随后MCU(类FPGA型的)加电，程序未加载完成时IO1和IO2默认呈高电平，二极管整流桥和三极管VT对IO1和IO2执行类异或操作，三极管VT基射结两边电平相同因而不会正偏，导致光耦输入端电压为0，后续电路不会工作，输出电压V0为0；具体地，所述电池的电压为48V，MCU适合的供电电压为12V。
步骤S2、程序加载完成后，此时初始化完成，MCU根据程序中初始化设定，将IO1和IO2置低电平，输出电压V0也为0。
具体地，程序加载完成后，程序中初始化设定IO端口为低电平，故IO1和IO2呈低电平，二极管整流桥和三极管VT对IO1和IO2执行类异或操作，三极管VT基射结两边电平相同也不会正偏，导致光耦输入端电压为0，后续电路不会工作，输出电压V0也为0。
步骤S3、微控制单元MCU按照机器人动作指令设置IO1和IO2电平，给动力电加电和断电。
具体地，当微控制单元MCU中的程序运行至控制机器人关节驱动电机动作等分支时，MCU将IO1置高电平，IO2仍维持低电平，二极管整流桥和三极管VT对IO1和IO2执行类异或操作，三极管VT射极电压为高电平，基极电压为低电平，三极管VT导通，电阻R1用于限制基极电流，光耦两端加正电压，PMOS型功率管Q1源栅电压大于导通电压阈值，PMOS型功率管Q1导通，输出电压V0为电池电压，动力电加电；
当微控制单元MCU中的程序运行至机器人待机或急停等分支时，MCU将IO1置低电平，IO2仍维持低电平，工作过程与前述IO1、IO2皆为低电平的工作过程一致，输出电压V0为0，动力电断电。
步骤S4、整体设备断电。
具体地，当机器人停止工作，断开开关SB，电路停止工作，电路输出电压V0为0，整体设备断电。
综上所述，本发明实施例提供了一种用于机器人供电系统的程控功率开关电路，通过利用二极管整流桥及PNP型三极管对MCU的两个IO输出端电压执行类异或操作，避免了上电过程中IO端口为高电平的MCU程控上电工作系统在上电过程中由于大功率动力电的误加载所造成的安全隐患；采用光耦隔离了控制电和动力电，降低了动力电加电状态对控制系统的电磁干扰；使用PMOS管实现了高端驱动。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于机器人供电系统的程控功率开关电路，其特征在于，包括：电池DC、开关SB、电压转化器UR、微控制单元MCU、二极管整流桥、电阻R1、三极管VT、电阻R2、地GND1、光耦OC、地GND2、电阻R3、PMOS型功率管Q1和输出电压V0；
所述二极管整流桥包括左上桥臂二极管VD1、右上桥臂二极管VD2、右下桥臂二极管VD3和左下桥臂二极管VD4；
所述电池DC的正极通过开关SB连接电压转换器UR的一个输入端，电池DC的负极连接电压转换器UR的另一个输入端；
电压转换器的两个输出端分别连接微控制单元MCU的正负两个输入端；
微控制单元MCU、二极管整流桥和三极管VT依次连接；
三极管VT的集电极通过电阻R2接地GND1；
光耦OC的两个输入端并接于电阻R2两端、输出端O1连接PMOS型功率管的栅极、输出端O2接地GND2；
电阻R3并接于PMOS型功率管的源极和栅极之间；
PMOS型功率管的源极连接电池DC的正极，漏极和电池DC的负极构成输出电压V0的两个输出端子；
所述二极管整流桥和三极管VT对微控制单元MCU的两个输出端IO1、IO2执行类异或操作。
2.根据权利要求1所述的程控功率开关电路，其特征在于，所述微控制单元MCU的输出端IO1连接二极管整流桥左上桥臂二极管VD1的阴极、输出端IO2连接二极管整流桥右下桥臂二极管VD3的阴极，二极管整流桥的左下桥臂二极管VD4的阴极连接三极管VT的射极，二极管整流桥的右上桥臂二极管VD2的阴极通过电阻R1连接三极管VT的基极。
3.根据权利要求2所述的程控功率开关电路，其特征在于，
当闭合所述开关SB、程序未加载完成时，IO1和IO2呈高电平，输出电压V0为0；
程序加载完成后，MCU将IO1置高电平，IO2仍维持低电平，输出电压V0为电池电压，动力电加电；
MCU将IO1置低电平，IO2仍维持低电平，输出电压V0为0，动力电断电。
4.根据权利要求1所述的程控功率开关电路，其特征在于，所述微控制单元MCU为类FPGA型的。
5.一种用于机器人供电系统的程控功率开关电路工作方法，所述程控功率开关电路如权利要求3所述，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、闭合开关SB，程序未加载完成时，IO1和IO2默认呈高电平，输出电压V0为0；
步骤S2、程序加载完成后，此时初始化完成，MCU根据程序中初始化设定将IO1和IO2置低电平，输出电压V0也为0；
步骤S3、微控制单元MCU按照机器人动作指令设置IO1和IO2电平，给动力电加电和断电；
步骤S4、整体设备断电。
6.根据权利要求5所述的程控功率开关电路工作方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
闭合开关SB，电压转换器UR将电池的电压转换到MCU适合的供电电压，随后MCU加电，程序未加载完成时IO1和IO2默认呈高电平，二极管整流桥和三极管VT对IO1和IO2执行类异或操作，三极管VT基射结两边电平相同因而不会正偏，导致光耦输入端电压为0，后续电路不会工作，输出电压V0为0。
7.根据权利要求5所述的程控功率开关电路工作方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
程序加载完成后，程序中初始化设定IO端口为低电平，故IO1和IO2呈低电平，二极管整流桥和三极管VT对IO1和IO2执行类异或操作，三极管VT基射结两边电平相同也不会正偏，导致光耦输入端电压为0，后续电路不会工作，输出电压V0也为0。
8.根据权利要求5所述的程控功率开关电路工作方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：
当微控制单元MCU中的程序运行至需要给动力电加电时，MCU将IO1置高电平，IO2仍维持低电平，二极管整流桥和三极管VT对IO1和IO2执行类异或操作，三极管VT射极电压为高电平，基极电压为低电平，三极管VT导通，电阻R1用于限制基极电流，光耦两端加正电压，PMOS型功率管Q1源栅电压大于导通电压阈值，PMOS型功率管Q1导通，输出电压V0为电池电压，为动力电加电；
当微控制单元MCU中的程序运行至需要给动力电断电时，MCU将IO1置低电平，IO2仍维持低电平，工作过程与前述IO1、IO2皆为低电平的工作过程一致，输出电压V0为0，给动力电断电。
9.根据权利要求5所述的程控功率开关电路工作方法，其特征在于，所述步骤S4进一步包括：
当机器人停止工作，断开开关SB，电路停止工作，电路输出电压V0为0，整体设备断电。
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