CN107659134B - 一种轻型机械臂的电源管理装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轻型机械臂的电源管理装置及其控制方法和具有轻型机械臂的机器人，其中电源管理装置包括滤波电容、软启动电路和泵升电压泄放电路；该电源管理装置还包括微控制单元，用于在装置启动后以预定间隔采样电源管理装置的输出电压，并判断预定间隔的输出电压变化小于预定阈值时确认此时输出电压为实际供电电压，由此设置软启动电压和泄放电压的阈值，控制软启动和电压泄放。该电源管理装置还可进一步包括急停电路。本发明通过对输出电压进行采样，若输出电压在一定时间范围内比较稳定没有明显增长，则认为此刻电压值为实际供电电压，由此调整软启动电压和泄放电压的阈值，达到宽电压输入的自适应的效果，完成对电路的软启动和泄放等防护。

Description

一种轻型机械臂的电源管理装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种轻型机械臂的电源管理装置及其控制方法。
背景技术
轻型协作机械臂是一种新兴的机械臂，其与传统工业机械臂相比具有负载自重比高，运动中撞到人或障碍物会停下来等优点，在工业和其它场合有着越来越多的应用。当轻型机械臂与其他平台配合使用时，需要由这些平台的电源进行供电。然而，目前现有的一些移动平台，例如自动导引运输车(AGV)的供电电压有24V的，也有48V的。而市面上的机械臂，只支持48V供电，或者只支持24V供电。因此，现有轻型协作机械臂的电压输入范围限制了移动平台的选配。
此外，当使用大功率开关电源，并且输入采用较大容量的滤波电容器时，在输入电路合闸瞬间，由于滤波电容器上的初始电压为零会形成很大的瞬时冲击电流，造成电路损坏，因此需要采用软启动。然而，目前机械臂中常用的软启动方式是SCR整流电路，可以实现母线电压可控和软启动，但是硬件控制电路复杂，需要做隔离电路，成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有轻型机械臂的电源输入电压受限的缺陷，提供一种轻型机械臂的电源管理装置及其控制方法。
本发明第一方面，提供了一种轻型机械臂的电源管理装置，包括滤波电容，所述电源管理装置还包括：连接在电源管理装置的输入端和滤波电容之间的软启动电路，以及并联在所述滤波电容两端的泵升电压泄放电路；所述电源管理装置还包括：
微控制单元，与所述软启动电路和泵升电压泄放电路连接，用于在装置启动后以预定间隔采样电源管理装置的输出电压，并判断预定间隔的输出电压变化小于预定阈值时确认此时输出电压为实际供电电压，根据所述实际供电电压设置软启动电压和泄放电压的阈值，将实时检测的电源管理装置的输出电压与所述软启动电压和泄放电压的阈值进行比对，并发送控制信号给所述软启动电路和泵升电压泄放电路以控制软启动和电压泄放。
在根据本发明所述的轻型机械臂的电源管理装置中，所述软启动电路包括：第一继电器、软启动电阻、第一二极管和第一三极管；其中第一继电器的触点与软启动电阻并列后连接在输入回路中，第一继电器的线圈与第一二极管并联在5V电源与所述第一三极管的集电极之间，所述第一三极管的基极由微控制单元发出的软启动控制信号控制。
在根据本发明所述的轻型机械臂的电源管理装置中，所述微控制单元设置的软启动电压的阈值包括软启动电压上限Vsh＝k1×E和软启动电压下限Vsl＝k2×E，其中E为确定的实际供电电压，0.75≤k1≤0.85， 0.55≤k2≤0.65；微控制单元设置的泄放电压的阈值包括泄放电压上限 Vdh＝E+v1和泄放电压下限Vdl＝E，其中2V≤v1≤3V，且所述泄放电压上限Vdh小于电路能承受最大电压；所述微控制单元在检测电源管理装置的输出电压低于软启动电压下限Vsl时，输出低电平信号给软启动电路开始软启动；在检测电源管理装置的输出电压高于软启动电压上限Vsh时，输出高电平信号给软启动电路关闭软启动；在检测所述输出电压高于泄放电压上限Vdh时输出高电平信号给泵升电压泄放电路对电路泵升电压进行泄放，在检测所述输出电压低于泄放电压下限Vdl时输出低电平信号给泵升电压泄放电路停止对电压的泄放。
在根据本发明所述的轻型机械臂的电源管理装置中，所述微控制单元还在装置启动后检测启动时间达到软启动时间时发送软启动控制信号给所述软启动电路结束软启动。
在根据本发明所述的轻型机械臂的电源管理装置中，所述电源管理装置还包括：急停电路，连接在滤波电容和泵升电压泄放电路之间；所述微控制单元与所述急停电路连接，用于在检测电源管理装置的输出电压高于泄放电压上限Vdh的持续时间大于预设时间时，发送急停控制信号给所述急停电路断开回路。
在根据本发明所述的轻型机械臂的电源管理装置中，所述急停电路包括：第二继电器、第二二极管、第二三极管和与门；其中所述第二继电器的触点连接在滤波电容和泵升电压泄放电路之间的线路上，第二继电器的线圈与第二二极管并联在5V电源与所述第二三极管的集电极之间，所述第二三极管的基极与所述与门的输出端连接，所述与门的第一输入端与微控制单元发出的急停控制信号连接，所述与门的第二输入端与按钮急停信号连接。
在根据本发明所述的轻型机械臂的电源管理装置中，所述电源管理装置还包括：电流检测电路，连接在软启动电路和滤波电容之间，用于将检测的电流发送给所述微控制单元；所述微控制单元与所述电流检测电路连接，在检测的电流超过电流阈值时，发送急停控制信号给所述急停电路断开线路。
在根据本发明所述的轻型机械臂的电源管理装置中，所述电源管理装置还包括：宽输入电压供电电路，与所述电源管理装置的输入端连接，用于将输入电压转换为第一工作电压和第二工作电压。
本发明第二方面，提供了一种轻型机械臂的电源管理装置的控制方法，所述电源管理装置包括滤波电容，以及连接在电源管理装置的输入端和滤波电容之间的软启动电路，和并联在所述滤波电容两端的泵升电压泄放电路；所述控制方法包括以下步骤：
在装置启动后以预定间隔采样电源管理装置的输出电压；
判断预定间隔的输出电压变化是否小于预定阈值，是则确认此时输出电压为实际供电电压，否则继续采样；
根据所述实际供电电压设置软启动电压和泄放电压的阈值，将实时检测的电源管理装置的输出电压与所述软启动电压和泄放电压的阈值进行比对，并发送控制信号给所述软启动电路和泵升电压泄放电路以控制软启动和泄放。
本发明第三方面，提供了一种具有轻型机械臂的机器人，包括第一方面中任意一项所述的轻型机械臂的电源管理装置，用于为轻型机器臂的伺服驱动器供电。
实施本发明的轻型机械臂的电源管理装置及其控制方法和机器人，具有以下有益效果：
1、本发明通过对输出电压进行采样，若输出电压在一定时间范围内比较稳定没有明显增长，则认为此刻电压值为实际供电电压，然后根据此电压值调整软启动电压和泵升泄放电压的阈值，从而达到宽电压输入的自适应的效果，完成对电路的软启动和泄放等防护。
2、本发明进一步采用软启动继电器与软启动电阻并联构成的软启动电路，可以实现母线电压的软启动，硬件控制电路简单。并且，当电路出现问题，检测到输出电压小于一定阈值时，可以控制软启动继电器断开，继续通过软启动电阻给滤波电容充电，再次实现电路软启动。
3、本发明还具有急停电路，通过微控制单元的有序控制，可以与泵升电压泄放电路一起构成紧急保护电路，实现电路急停功能，保障电路安全运行。
4、本发明通过两块DC/DC转换芯片构成的宽输入电压供电电路分别将宽输入电压转换为第一工作电压和第二工作电压，进而为电源管理装置中的芯片提供工作电压，并使得最终输入范围可达到 DC18V-60V的宽电压输入，能够满足多种电压种类输入的场合，目前工业上常用的24V、48V电源也都可适用。
附图说明
图1为根据本发明优选实施例的轻型机械臂的电源管理装置的电路框架图；
图2为根据本发明优选实施例的轻型机械臂的电源管理装置中软启动电路的电路原理图；
图3为根据本发明优选实施例的轻型机械臂的电源管理装置中急停电路的电路原理图；
图4为根据本发明优选实施例的轻型机械臂的电源管理装置中宽输入电压供电电路的电路原理图；
图5为根据本发明第一实施例的轻型机械臂的电源管理装置的控制方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，为根据本发明优选实施例的轻型机械臂的电源管理装置的电路框架图。如图1所示，该实施例提供的轻型机械臂的电源管理装置至少包括滤波电容100，连接在电源管理装置的输出端Vout与地之间，电源管理装置的输入端Vin的输入电压经过前级的整流等处理后对滤波电容100进行充电，构成输入回路，滤波电容100随后输出给电源管理装置的输出端Vout，从而为轻型机械臂的伺服驱动器900供电。该电源管理装置至少还包括：软启动电路200、泵升电压泄放电路 400和微控制单元500。
其中，软启动电路200连接在电源管理装置的输入端Vin和滤波电容100之间的输入回路上。软启动电路200用于在接收软启动控制信号后将软启动电阻接入输入回路进行软启动，或者短路软启动电阻结束软启动。泵升电压泄放电路400并联在滤波电容100两端，用于在接收到泄放控制信号时对后级电路，如机械臂刹车等引起的泵升电压进行泄放。
微控制单元500与软启动电路200和泵升电压泄放电路400连接。微控制单元500在装置启动后以预定间隔采样电源管理装置的输出电压Vo，并判断预定间隔的输出电压变化小于预定阈值时确认此时输出电压为实际供电电压E，该根据实际供电电压E设置软启动电压和泄放电压的阈值，并控制软启动和电压泄放。其中软启动控制为将实时检测的电源管理装置的输出电压Vo与软启动电压的阈值进行比对，并发送软启动控制信号给软启动电路200以控制软启动。电压泄放控制为将实时检测的电源管理装置的输出电压Vo与泄放电压的阈值进行比对，并发送泄放电压控制信号给软启动电路200以控制电压泄放。优选地，微控制单元500设置的软启动电压的阈值包括软启动电压上限 Vsh＝k1×E和软启动电压下限Vsl＝k2×E，其中E为确定的实际供电电压， 0.75≤k1≤0.85，0.55≤k2≤0.65；微控制单元500设置的泄放电压的阈值包括泄放电压上限Vdh＝E+v1和泄放电压下限Vdl＝E，其中2V≤v1≤3V，泄放电压上限Vdh小于电路能承受最大电压，例如60V。该微控制单元 500可以采用本领域技术技术人员熟知并能应用的微控制芯片，在本实施例中采用STM32。微控制单元500可以通过连接在电源管理装置的输出端之间的电压检测单元检测电源管理装置的输出电压Vo。
因此，本发明可连续检测输出电压，若输出电压在一定时间范围内比较稳定没有明显增长，则认为此刻电压值为实际供电电压，然后根据此电压值调整软启动电压和泵升泄放电压的阈值，从而达到宽电压输入的自适应的效果，完成对电路的软启动和泄放等防护。
请参阅图2，为根据本发明优选实施例的轻型机械臂的电源管理装置中软启动电路200的电路原理图。如图2所示，该软启动电路200 包括：第一继电器K1、软启动电阻RS、第一二极管D1和第一三极管 Q1。其中，第一继电器K1作为软启动继电器，第一继电器K1的触点与软启动电阻RS并列后连接在输入回路中，第一继电器K1的线圈则与第一二极管D1并联在5V电源与第一三极管Q1的集电极之间。第一三极管Q1的基极由微控制单元发出的软启动控制信号控制。具体地，微控制单元500发出的软启动控制信号通过串联的电阻R14和电阻R15接地，电阻R14和电阻R15之间的节点与第一三极管Q1的基极连接，第一三极管Q1的发射极接地。在电路初始状态时，第一三极管Q1的基极为低电平，第一三极管Q1关断，第一继电器K1的线圈未通电，第一继电器K1的触点断开，输入电压先经过与第一继电器 K1并联的软启动电阻RS对滤波电容100充电，当满足软启动结束的条件时，可控制第一继电器K1闭合，完成软启动。本发明使用的是软启动继电器与软启动电阻并联，可以实现母线电压的软启动，硬件控制电路简单。
在本发明的一个实施例中，在装置启动后软启动电阻RS接入输入回路中，可以通过软启动电阻RS进行软启动，随后软启动电路200可以在检测电源管理装置的输出电压Vo高于软启动电压上限Vsh时，输出高电平信号给软启动电路200关闭软启动，之后不断监测电源管理装置的输出电压Vo是否低于软启动电压下限Vsl，是则输出低电平信号给软启动电路开始软启动。如此反复，便可以在电路出现问题时，检测到输出电压Vo小于一定阈值，控制第一继电器K1断开，继续通过软启动电阻RS给滤波电容100充电，再次实现电路软启动。
在本发明的另一个实施例中，在装置启动后软启动电阻RS接入输入回路中进行软启动，微控制单元500在启动时间达到软启动时间ts时发送软启动控制信号给软启动电路200结束软启动。由于充电电容是确定的，根据电容电阻值可计算出充电时间，当充电时间等于2倍RC 时，滤波电容100两端的电压达到Vt＝0.86Vu(Vu为滤波电容100充满后的电压值)，满足软启动结束条件。也就是说，当电路的启动时间达到软启动时间ts＝2RC时，其中R为软启动电阻RS的电阻值，C为滤波电容100的电容值，微控制单元500发送软启动控制信号给软启动电路200结束软启动，即输出高电平信号给软启动电路200控制第一继电器K1闭合，完成软启动。随后，微控制单元500再不断监测电源管理装置的输出电压Vo，在检测电源管理装置的输出电压Vo低于软启动电压下限Vsl时，输出低电平信号给软启动电路开始软启动；在检测电源管理装置的输出电压Vo高于软启动电压上限Vsh时，输出高电平信号给软启动电路200关闭软启动。
请再参阅图1，泵升电压泄放电路400包括串联在电源管理装置的输出端Vout与地之间的第三MOS管Q3和泄放电阻RL，当检测到输出电压Vo超过正常范围时，例如高于泄放电压上限Vdh时，发送高电平的泄放控制信号给泵升电压泄放电路400，控制第三MOS管Q3开启，将输出电压Vo拉低，当检测到输出电压Vo在正常范围以内时，例如低于泄放电压下限Vdl输出低电平信号给泵升电压泄放电路400，控制第三 MOS管Q3断开，停止对电路电压的泄放。通过上述泵升电压泄放电路400可以实现电压的泄放，保护后级电路不受损害。
在本发明更优选的实施例中，该电源管理装置还包括：急停电路 300，连接在滤波电容100和泵升电压泄放电路400之间的线路上。急停电路300用于在接收急停控制信号后断开或者接通线路。微控制单元500在检测电源管理装置的输出电压Vo高于泄放电压上限Vdh的持续时间大于预设时间t1时，发送急停控制信号给急停电路300断开线路。
请参阅图3，为根据本发明优选实施例的轻型机械臂的电源管理装置中急停电路的电路原理图。该急停电路300至少包括：第二继电器 K2、第二二极管D2、第二三极管Q2和与门。其中第二继电器K2作为急停继电器，第二继电器K2的触点连接在滤波电容100和泵升电压泄放电路400之间的线路上，第二继电器K2的线圈与第二二极管D2 并联在5V电源与第二三极管Q2的集电极之间，第二三极管Q2的基极由与门的输出端控制。具体地，与门的输出端通过串联的电阻R16 和电阻R17接地，电阻R16和电阻R17之间的节点连接至第二三极管Q2的基极，第二三极管Q2的发射极接地。与门的第一输入端与微控制单元500发出的急停控制信号连接，与门的第二输入端与按钮急停信号连接。电路启动及电路正常工作状态下，微控制单元500发送高电平信号给急停电路300接通线路。微控制单元500在检测电源管理装置的输出电压Vo高于泄放电压上限Vdh的持续时间大于预设时间t1时，则判断泵升电压没有泄放成功，发送低电平信号给急停电路300断开线路。电路下电后，检测出现问题原因。以此保证电路安全稳定运行。并且，通过该急停电路300，可以将按钮急停信号和微控制单元500发出的急停控制信号进行与运算，再将运算结果作为控制信号输出给急停继电器的控制端，从而实现软件急停和按键急停双重保护。
在本发明更优选的实施例中，该电源管理装置还包括：电流检测电路700，连接在软启动电路200和滤波电容100之间的输入回路上，用于将检测的电流发送给微控制单元500。微控制单元500与该电流检测电路700连接，在检测的输入回路的电流超过电流阈值时，发送低电平的急停控制信号给急停电路300断开线路。
本发明的电源管理装置还包括：宽输入电压供电电路600，与电源管理装置的输入端Vin连接，用于将输入电压转换为第一工作电压和第二工作电压，进而为电源管理装置中的芯片提供工作电压。例如，为微控制芯片、风扇、液晶屏、工控板等供电。优选地，第一工作电压 V1为5V，第二工作电压V1为12V。请参阅图4，为根据本发明优选实施例的轻型机械臂的电源管理装置中宽输入电压供电电路的电路原理图。该宽输入电压供电电路600至少包括第一DC/DC转换芯片U1 和第二DC/DC转换芯片U2。其中第一DC/DC转换芯片U1和第二 DC/DC转换芯片U2的输入引脚VIN均连接至电源管理装置的输入端 Vin，并且为正向输入端口。第一DC/DC转换芯片U1的输出引脚OUT 连接至宽输入电压供电电路的第一输出端，输出具有第一工作电压的电信号，例如12V。第二DC/DC转换芯片U2的转换引脚SW通过电感L2连接至宽输入电压供电电路的第二输出端，输出具有第二工作电压的电信号，例如5V。
在该实施例中，第一DC/DC转换芯片U1采用德州仪器公司生产的型号为LM5088的芯片，其电压输入范围是4.5V-75V。该第一DC/DC 转换芯片U1也可以采用其它型号的DC/DC转换芯片，例如德州仪器公司生产的LM5085。同样地，第二DC/DC转换芯片U2采用德州仪器公司生产的型号为LM46001的芯片，其电压输入范围是3.5V-60V。该第二DC/DC转换芯片U2也可以采用其它型号的DC/DC转换芯片，例如德州仪器公司生产的LM46002，LM5005，TPS54260。
优选地，第一DC/DC转换芯片U1的周边电路包括：电阻R1至电阻R9、电容C1至电容C12、二极管D3、电感L1和MOS管Q4。其中电源管理装置的输入端Vin通过电容C3接地，并且输入端Vin还连接至第一DC/DC转换芯片U1的引脚VIN和MOS管Q4的漏极，并通过串联的电阻R1和电阻R2接地，电阻R1和电阻R2之间的节点连接至第一DC/DC转换芯片U1的引脚EN，第一DC/DC转换芯片 U1的引脚RES/DITH通过电容C2接地。输入端Vin还通过依次电容 C4接地。电容C5连接在引脚VCC与地之间，并且引脚VCC通过依次串联的电阻R4与电容C9接地，电阻R4与电容C9之间的节点连接至引脚RAMP，引脚RT/SYNC通过电阻R7接地，引脚SS通过电容 C10接地。引脚BOOT通过电容C1与引脚SW连接，引脚SW通过依次串联的电感L1和电容R3连接至宽输入电压供电电路600的第一输出端。引脚SW还连接至MOS管Q4的源极。引脚HG连接至MOS管Q4的栅极。二极管D3正向连接在引脚CS和引脚SW之间；电阻 R5连接在引脚CS和引脚CSG之间，且引脚CSG接地。引脚OUT连接至电感L1和电阻R3之间的节点，并通过串联的电阻R6和电阻R7 接地，电容C6、C7和C8并列后连接在引脚OUT与地之间。引脚FB 连接至电阻R6和电阻R9之间的节点。电阻R8与电容C11串联后与电容C12并联在引脚COMP与引脚FB之间。
优选地，第二DC/DC转换芯片U2的周边电路包括：电阻R10至电阻R12、电容C13至电容C19和电感L2。其中电源管理装置的输入端Vin通过并联的电容C14和电容C15接地，并且输入端Vin还连接至第二DC/DC转换芯片U2的引脚VIN和引脚EN。第二DC/DC转换芯片U2的引脚VCC通过电容C17接地。引脚SYNC、引脚AGND、引脚PGND和引脚PAD均接地。引脚CBOOT通过依次串联的电容C13、电感L12和电阻R10与宽输入电压供电电路600的第二输出端连接。其中电容C13和电感L2之间的节点连接至引脚SW。电感L2和电容 R10之间的节点通过串联的电阻R11和电阻R12接地，且电容C16并列在电阻R11两端。电感L2和电容R10之间的节点还通过并列的电容C19和电容C18接地。电感L2和电容R10之间的节点还与引脚BIAS 连接，电阻R11和电阻R12之间的节点与引脚FB连接。
除了上述宽输入电压供电电路600之外，该轻型机械臂的电源管理装置还包括与输入端Vin连接的输入电压范围为18V-72V的隔离电源模块(图中未示出)，从而将输入电压转换为24V的直流电压供电气接口(包括控制器I/O接口或工具I/O接口)使用。因此，通过上述结构设计，使得最终输入范围可达到DC18V-60V的宽电压输入，能够满足多种电压种类输入的场合，目前工业上常用的24V、48V电源也都可适用。
优选地，该电源管理装置还包括连接在输入端Vin与软启动电路 200之间的整流单元800和熔断器F1，分别用于整流和过流保护。
本发明还相应地提供了一种轻型机械臂的电源管理装置的控制方法。其中电源管理装置如前所述。请结合参阅图5，为根据本发明第一实施例的轻型机械臂的电源管理装置的控制方法流程图。如图5所示，该自适应宽输入电压的参数设置步骤由微控制单元500执行：
首先，在步骤S501中，该步骤流程开始；
随后，在步骤S502中，以预定间隔采样电源管理装置的输出电压 Vo；
随后，在步骤S503中，判断预定间隔的输出电压变化是否小于预定阈值，例如判断间隔100ms采集的输出电压变化是否小于1V，是则转步骤S504，否则转步骤S502继续采样。
随后，在步骤S504中，确认此时输出电压Vo为实际供电电压E；
随后，在步骤S505中，根据所述实际供电电压设置软启动电压和泄放电压的阈值，将实时检测的电源管理装置的输出电压与所述软启动电压和泄放电压的阈值进行比对，并发送控制信号给所述软启动电路200和泵升电压泄放电路400以控制软启动和泄放。优选地，设置软启动电压上限Vsh＝k1×E，软启动电压下限为Vsl＝k2×E，其中 0.75≤k1≤0.85，0.55≤k2≤0.65；设置泄放电压上限Vdh＝E+v1，泄放电压下限为Vdl＝E，其中2V≤v1≤3V，且泄放电压上限Vdh小于电路能承受最大电压60V。微控制单元500在检测电源管理装置的输出电压Vo低于软启动电压下限Vsl时，输出软启动控制信号给软启动电路200开始软启动；在检测电源管理装置的输出电压Vo高于软启动电压上限Vsh时，输出软启动控制信号给软启动电路200关闭软启动；在检测所述输出电压Vo高于泄放电压上限Vdh时输出泄放控制信号给泵升电压泄放电路 400对所述电路泵升电压进行泄放，在检测所述输出电压Vo低于泄放电压下限Vdl时输出泄放控制信号给泵升电压泄放电路400停止对电压进行泄放。
最后，在步骤S206中，该流程结束。
当采用如图2所示的软启动电路时，本发明提供了2种实施方式。在第二实施例中，在装置启动后软启动电阻RS接入输入回路中，可以通过软启动电阻RS进行软启动，随后软启动电路200可以在检测电源管理装置的输出电压Vo高于软启动电压上限Vsh时，输出高电平信号给软启动电路200关闭软启动，之后不断监测电源管理装置的输出电压Vo是否低于软启动电压下限Vsl，是则输出低电平信号给软启动电路开始软启动。如此反复，便可以在电路出现问题时，检测到输出电压Vo小于一定阈值，控制第一继电器K1断开，继续通过软启动电阻RS给滤波电容100充电，再次实现电路软启动。例如，软启动电压上限 Vsh＝0.8E，软启动电压下限为Vsl＝0.6E。即当检测输出电压Vo低于0.6E 时，断开软启动继电器，通过软启动电阻RS给电容充电，当高输出电压Vo于0.8E时再闭合软启动继电器，结束软启动，之后又可持续进行上述检测再次实现电路软启动。
在第三实施例中，在装置启动后软启动电阻RS接入输入回路中进行软启动，微控制单元500在启动时间达到软启动时间ts时发送软启动控制信号给软启动电路200结束软启动。随后，微控制单元500再不断监测电源管理装置的输出电压Vo，在检测电源管理装置的输出电压Vo低于软启动电压下限Vsl时，输出低电平信号给软启动电路开始软启动；在检测电源管理装置的输出电压Vo高于软启动电压上限Vsh时，输出高电平信号给软启动电路200关闭软启动。
当采用图1所示的泵升电压泄放电路400时，步骤S505中在检测输出电压Vo高于泄放电压上限Vdh时输出高电平信号给泵升电压泄放电路400对泵升电压进行泄放，在检测所述输出电压Vo低于泄放电压下限Vdl时输出低电平信号给泵升电压泄放电路400停止对电压进行泄放。例如，设置泄放电压上限Vdh＝E+3V，泄放电压下限为Vdl＝E，其中2V≤v1≤3V。当输出电压Vo高于E+3V时开启泵升电压泄放电路400，低于E时再断开泄放。
在本发明控制方法的第四实施例中，还包括：
急停控制步骤：在检测电源管理装置的输出电压Vo高于泄放电压上限Vdh的持续时间大于预设时间t1时，或者输入回路的电流超过电流阈值时，发送急停控制信号给急停电路300断开滤波电容100与泵升电压泄放电路400之间的线路。
本发明还相应提供了一种具有轻型机械臂的机器人，包括如前所述的轻型机械臂的电源管理装置，用于为轻型机器臂的伺服驱动器供电。
综上所述，本发明提供的轻型机械臂的电源管理装置使输入电压满足从低压到高压的宽的范围要求，并且提高了系统的安全性、稳定性。该宽电压输入的硬件设计再结合软件判断就可形成一种自适应输入电压的防护电路。首先连续检测输入电压，若输入电压在一定时间范围内比较稳定没有明显增长，则认为此刻电压值为实际供电电压，然后根据此电压值调整软启动电压和泄放电压等，从而达到自适应的效果。本发明还通过微控制单元的一系列有序控制，实现了自适应输入电压的防护。其中通过软启动电路防止瞬时冲击电流损坏电路，并由泵升电压泄放电路和急停电路构成了紧急保护电路，保障电路安全运行。
应该理解地是，本发明提供的轻型机械臂的电源管理装置及其控制方法原理及实现过程相同，因此对轻型机械臂的电源管理装置的实施例的具体描述也适用于控制方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种轻型机械臂的电源管理装置，包括滤波电容(100)，其特征在于，所述电源管理装置还包括：连接在电源管理装置的输入端和滤波电容之间的软启动电路(200)，以及并联在所述滤波电容两端的泵升电压泄放电路(400)；所述电源管理装置还包括：
微控制单元(500)，与所述软启动电路(200)和泵升电压泄放电路(400)连接，用于在装置启动后以预定间隔采样电源管理装置的输出电压，并判断预定间隔的输出电压变化小于预定阈值时确认此时输出电压为实际供电电压，根据所述实际供电电压设置软启动电压和泄放电压的阈值，将实时检测的电源管理装置的输出电压与所述软启动电压和泄放电压的阈值进行比对，并发送控制信号给所述软启动电路(200)和泵升电压泄放电路(400)以控制软启动和电压泄放；
所述软启动电路(200)包括：第一继电器(K1)、软启动电阻(RS)、第一二极管(D1)和第一三极管(Q1)；其中第一继电器(K1)的触点与软启动电阻(RS)并列后连接在输入回路中，第一继电器(K1)的线圈与第一二极管(D1)并联在5V电源与所述第一三极管(Q1)的集电极之间，所述第一三极管(Q1)的基极由微控制单元(500)发出的软启动控制信号控制；
其特征在于，所述微控制单元(500)设置的软启动电压的阈值包括软启动电压上限Vsh＝k1×E和软启动电压下限Vsl＝k2×E，其中E为确定的实际供电电压，0.75≤k1≤0.85，0.55≤k2≤0.65；微控制单元(500)设置的泄放电压的阈值包括泄放电压上限Vdh＝E+v1和泄放电压下限Vdl＝E，其中2V≤v1≤3V，且所述泄放电压上限Vdh小于电路能承受最大电压；所述微控制单元(500)在检测电源管理装置的输出电压低于软启动电压下限Vsl时，输出低电平信号给软启动电路(200)开始软启动；在检测电源管理装置的输出电压高于软启动电压上限Vsh时，输出高电平信号给软启动电路(200)关闭软启动；在检测所述输出电压高于泄放电压上限Vdh时输出高电平信号给泵升电压泄放电路(400)对电路泵升电压进行泄放，在检测所述输出电压低于泄放电压下限Vdl时输出低电平信号给泵升电压泄放电路(400)停止对电压的泄放。
2.根据权利要求1所述的轻型机械臂的电源管理装置，其特征在于，所述微控制单元(500)还在装置启动后检测启动时间达到软启动时间时发送软启动控制信号给所述软启动电路(200)结束软启动。
3.根据权利要求1～2中任意一项所述的轻型机械臂的电源管理装置，其特征在于，所述电源管理装置还包括：
急停电路(300)，连接在滤波电容(100)和泵升电压泄放电路(400)之间；
所述微控制单元(500)与所述急停电路(300)连接，用于在检测电源管理装置的输出电压高于泄放电压上限Vdh的持续时间大于预设时间时，发送急停控制信号给所述急停电路(300)断开回路。
4.根据权利要求3所述的轻型机械臂的电源管理装置，其特征在于，所述急停电路(300)包括：第二继电器(K2)、第二二极管(D2)、第二三极管(Q2)和与门；其中所述第二继电器(K2)的触点连接在滤波电容(100)和泵升电压泄放电路(400)之间的线路上，第二继电器(K2)的线圈与第二二极管(D2)并联在5V电源与所述第二三极管(Q2)的集电极之间，所述第二三极管(Q2)的基极与所述与门的输出端连接，所述与门的第一输入端与微控制单元发出的急停控制信号连接，所述与门的第二输入端与按钮急停信号连接。
5.根据权利要求3所述的轻型机械臂的电源管理装置，其特征在于，所述电源管理装置还包括：
电流检测电路(700)，连接在软启动电路(200)和滤波电容(100)之间，用于将检测的电流发送给所述微控制单元(500)；
所述微控制单元(500)与所述电流检测电路(700)连接，在检测的电流超过电流阈值时，发送急停控制信号给所述急停电路(300)断开线路。
6.根据权利要求1～2中任一项所述的轻型机械臂的电源管理装置，其特征在于，所述电源管理装置还包括：
宽输入电压供电电路(600)，与所述电源管理装置的输入端连接，用于将输入电压转换为第一工作电压和第二工作电压；
所述宽输入电压供电电路(600)至少包括第一DC/DC转换芯片(U1)和第二DC/DC转换芯片(U2)；所述第一DC/DC转换芯片(U1)和第二DC/DC转换芯片(U2)的输入引脚(VIN)均连接至电源管理装置的输入端，所述第一DC/DC转换芯片(U1)的输出引脚(OUT)连接至宽输入电压供电电路的第一输出端，所述第二DC/DC转换芯片(U2)的转换引脚(SW)通过电感连接至宽输入电压供电电路的第二输出端。
7.一种轻型机械臂的电源管理装置的控制方法，其特征在于，所述电源管理装置包括滤波电容(100)，以及连接在电源管理装置的输入端和滤波电容(100)之间的软启动电路(200)，和并联在所述滤波电容(100)两端的泵升电压泄放电路(400)；所述控制方法包括以下步骤：
在装置启动后以预定间隔采样电源管理装置的输出电压；
判断预定间隔的输出电压变化是否小于预定阈值，是则确认此时输出电压为实际供电电压，否则继续采样；
根据所述实际供电电压设置软启动电压和泄放电压的阈值，将实时检测的电源管理装置的输出电压与所述软启动电压和泄放电压的阈值进行比对，并发送控制信号给所述软启动电路(200)和泵升电压泄放电路(400)以控制软启动和电压泄放；其中，设置软启动电压上限Vsh＝k1×E，软启动电压下限为Vsl＝k2×E，其中0.75≤k1≤0.85，0.55≤k2≤0.65；设置泄放电压上限Vdh＝E+v1，泄放电压下限为Vdl＝E，其中2V≤v1≤3V，且泄放电压上限Vdh小于电路能承受最大电压，微控制单元(500)在检测电源管理装置的输出电压Vo低于软启动电压下限Vsl时，输出软启动控制信号给软启动电路(200)开始软启动；在检测电源管理装置的输出电压Vo高于软启动电压上限Vsh时，输出软启动控制信号给软启动电路(200)关闭软启动；在检测所述输出电压Vo高于泄放电压上限Vdh时输出泄放控制信号给泵升电压泄放电路(400)对所述电路泵升电压进行泄放，在检测所述输出电压Vo低于泄放电压下限Vdl时输出泄放控制信号给泵升电压泄放电路(400)停止对电压进行泄放。
8.一种具有轻型机械臂的机器人，其特征在于，包括权利要求1～6中任意一项所述的轻型机械臂的电源管理装置，用于为轻型机器臂的伺服驱动器供电。
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