CN112217179A - 一种用于外骨骼机器人的开关及保护电路 - Google Patents

一种用于外骨骼机器人的开关及保护电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种开关及保护电路，尤其涉及一种用于外骨骼机器人的开关及保护电路。包括第一开关S1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一光耦U1、NPN型第一三极管Q1、第一稳压二极管D1及P型第一MOS管M1；第七电阻R7、第二光耦U2、第八电阻R8、第二稳压二级管D2、PNP型第二三极管Q2、第六电阻R6、第十电阻R10、第三稳压二极管D3、N型第二MOS管M2、第一电容C1、第九电阻R9；本发明要解决的问题是使总开关过电流不超过50mA，并且能够通过控制芯片IO口来控制功率电上电或断电；本发明要解决的另一个技术问题是提供一种欠压关断电路，可以防止输入电压过低时外部电源过度放电。

Description

一种用于外骨骼机器人的开关及保护电路
技术领域
本发明涉及一种开关及保护电路，尤其涉及一种用于外骨骼机器人的开关及保护电路。
背景技术
外骨骼系统作为可穿戴式智能设备，需保证穿戴人员的绝对安全，并且需要其在助力过程中稳定、可靠的工作，并且具有足够的循环寿命。所以，外骨骼系统对其电气系统的安全性及可靠性及循环寿命具有较高的要求，需要有较多的保护措施，才能满足实用要求。
现有的外骨骼电气系统多使用体积较大并能够过所有母线电流的按钮或船型开关串接在母线上作为系统总开关。这种方式的缺点是由于开关放在母线上，瞬时电流较大，很可能出现打火现象，并且为了能够过足够大的电流，该型开关通常体积较大，对于随身携带式装备来说不够优化，对于防水防尘等环境适应性也同样较差。
同时，现有外骨骼电气系统上电方式为母线上电则所有子系统均带电，安全性较低，无法通过控制器控制动力电机及驱动部分使用的功率电上下电。在动力电机及驱动部分出现问题时，软件无法控制其断电。
动力电机的耗电量较大，当电压较低时，若动力电机继续输出力矩，则容易造成电池过放，若无硬件欠压保护电路，可能由于过度放电造成电池损坏，影响其使用寿命。
为了解决以上问题，本发明提出了一种用于外骨骼机器人的开关及保护电路创新方案，实现了弱电总开关、功率电软件开关、功率电欠压保护等功能，显著提升外骨骼电气系统的安全性及可靠性，并保证其使用循环寿命不会由于电池过放而显著降低。
发明内容
本发明所要解决的问题在于提供一种开关电路，能使总开关过电流不超过50mA，并且能够通过控制芯片IO口来控制功率电上电或断电；本发明要解决的另一个技术问题是提供一种欠压关断电路，可以防止输入电压过低时外部电源过度放电。
本发明包括如下技术方案：
一种用于外骨骼机器人的开关及保护电路，包括控制电开关电路、功率电开关电路和功率电欠压保护电路；
控制电开关电路包括第一开关S1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一光耦U1、NPN型第一三极管Q1、第一稳压二极管D1及P型第一MOS管M1；
控制电开关电路的连接方式为：输入电压VIN连接P型第一MOS管M1的源极，P型第一MOS管M1的漏极连接控制电负载24VIN，P型第一MOS管M1的栅极连接第一稳压二极管D1的阳极，第一稳压二极管D1的阴极连接输入电压VIN，第一开关S1的输入端接输入电压VIN，第一开关S1的输出端接用于限流的第二电阻R2的输入端，第二电阻R2的输出端接NPN型第一三极管Q1的基极，NPN型第一三极管Q1的发射极接地，NPN型第一三极管Q1的集电极接第一光耦U1输入端二极管的阳极，第一光耦U1输入端二极管阴极接第五电阻R5的输入端，第五电阻R5的输出端接地，用于限流的第一电阻R1的输入端接输入电压VIN，第一电阻R1的输出端接第一光耦U1输入端二极管阳极，第一光耦U1输出端两个引脚的其中一个引脚接输入电压VIN，另一个引脚接P型第一MOS管M1的栅极，第三电阻R3的输入端接第一稳压二极管D1的阳极，第三电阻R3的输出端接地，第四电阻R4的一端接NPN型第一三极管Q1的基极，第四电阻R4的另一端接地；
功率电开关电路和功率电欠压保护电路包括：第七电阻R7、第二光耦U2、第八电阻R8、第二稳压二级管D2、PNP型第二三极管Q2、第六电阻R6、第十电阻R10、第三稳压二极管D3、N型第二MOS管M2、第一电容C1、第九电阻R9、功率电输出接口一J1、功率电回路接口二J2、外部单片机IO口接口三J3；
功率电开关电路及功率电欠压保护电路的连接方式为：第七电阻R7的一端接3.3V稳压电源，第七电阻R7的另一端接第二光耦U2的输入端二极管阳极，第二光耦U2的输入端二极管阴极接外部单片机IO口接口三J3，第二光耦U2输出端的一端接地，第二光耦U2输出端的另一端接第八电阻R8的输入端，第八电阻R8的输出端接第二稳压二极管D2的阳极，第二稳压二极管D2的阴极接PNP型第二三极管Q2的基极，PNP型第二三极管Q2的发射极接输入电压VIN，PNP型第二三极管Q2的集电极接第六电阻R6的输入端，第六电阻R6的输出端接第十电阻R10的输入端，第十电阻R10的输出端接地，第三稳压二极管D3的阳极接地，第三稳压二极管D3的阴极接第六电阻R6与第十电阻R10的连接点，N型第二MOS管M2的栅极接第三稳压二极管D3的阴极，N型第二MOS管M2的源极接地，N型第二MOS管M2的漏极接功率电回路接口二J2，功率电输出接口一J1接输入电压VIN，第一电容C1的一端接回路N型第二MOS管M2的漏极，第一电容C1的另一端接地，第九电阻R9的一端接N型第二MOS管M2的漏极，第九电阻R9的另一端接地。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明的外部开关电路：通过外部开关及功率开关，可以避免开关本身经过主电流，所涉及的外部开关过电流不超过50mA，可以有效防止打火等情况，提升安全性，并且由于电流要求小，可在同样满足防水防尘要求的前提下，显著减小开关体积，开关选型也更加灵活。
(2)本发明的功率电开关电路：功率电开关通过控制器单片机IO口即可控制，可在判定驱动器工作异常的情况下控制驱动器的上下电，给予主控制器更加灵活的控制方式。
(3)本发明的欠压保护电路：使用断回路NMOS的方式保证在电压过低时功率电断电，从而保护电池不会过放，但控制电等弱电设备仍可以继续工作。同时该方式不会影响无刷电机反电动势回灌电池，回路NMOS管的体二极管可以为GND及VOUT-之间提供反灌通路，保证电路不会因为电机反电动势而过压。
附图说明
图1为本发明的用于外骨骼机器人的开关及保护电路连接结构示意图。
具体实施方式
本发明的一种用于外骨骼机器人的开关及保护电路，控制电开关电路、功率电开关电路和功率电欠压保护电路。
输入电压接入后后分为两路，一路为控制芯片、小功率降压电源等功率较小的控制电部分供电，另一部分为外骨骼的电机、驱动器等功率较大的功率电用电设备供电。控制电的开关电路通过外部按钮开关的闭合或断开实现控制电的上电或断电。功率电通过功率电开关电路、欠压保护电路后到达输出接口，为外部驱动器的功率设备供电。功率电开关电路可以通过控制芯片的IO口发送高低电平信号来控制开关的闭合或断开，实现功率电上电或断电的软件控制。欠压保护电路可以在输入电压降低到一定值时自动断开功率电供电，防止输入电压在电压过低的情况下放电。
如图1所示，图1是本发明提供的一种用于外骨骼机器人的开关及保护电路连接结构示意图。
一种用于外骨骼机器人的开关及保护电路，包括控制电开关电路、功率电开关电路和功率电欠压保护电路；
控制电开关电路包括第一开关S1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一光耦U1、NPN型第一三极管Q1、第一稳压二极管D1及P型第一MOS管M1；
控制电开关电路的连接方式为：输入电压VIN连接P型第一MOS管M1的源极，P型第一MOS管M1的漏极连接控制电负载24VIN，P型第一MOS管M1的栅极连接第一稳压二极管D1的阳极，第一稳压二极管D1的阴极连接输入电压VIN，第一开关S1的输入端接输入电压VIN，第一开关S1的输出端接用于限流的第二电阻R2的输入端，第二电阻R2的输出端接NPN型第一三极管Q1的基极，NPN型第一三极管Q1的发射极接地，NPN型第一三极管Q1的集电极接第一光耦U1输入端二极管的阳极，第一光耦U1输入端二极管阴极接第五电阻R5的输入端，第五电阻R5的输出端接地，用于限流的第一电阻R1的输入端接输入电压VIN，第一电阻R1的输出端接第一光耦U1输入端二极管阳极，第一光耦U1输出端两个引脚的其中一个引脚接输入电压VIN，另一个引脚接P型第一MOS管M1的栅极，第三电阻R3的输入端接第一稳压二极管D1的阳极，第三电阻R3的输出端接地，第四电阻R4的一端接NPN型第一三极管Q1的基极，第四电阻R4的另一端接地；
功率电开关电路和功率电欠压保护电路包括：第七电阻R7、第二光耦U2、第八电阻R8、第二稳压二级管D2、PNP型第二三极管Q2、第六电阻R6、第十电阻R10、第三稳压二极管D3、N型第二MOS管M2、第一电容C1、第九电阻R9、功率电输出接口一J1、功率电回路接口二J2、外部单片机IO口接口三J3；
功率电开关电路及功率电欠压保护电路的连接方式为：第七电阻R7的一端接3.3V稳压电源，第七电阻R7的另一端接第二光耦U2的输入端二极管阳极，第二光耦U2的输入端二极管阴极接外部单片机IO控制管脚接口三J3，第二光耦U2输出端的一端接地，第二光耦U2输出端的另一端接第八电阻R8的输入端，第八电阻R8的输出端接第二稳压二极管D2的阳极，第二稳压二极管D2的阴极接PNP型第二三极管Q2的基极，PNP型第二三极管Q2的发射极接输入电压VIN，PNP型第二三极管Q2的集电极接第六电阻R6的输入端，第六电阻R6的输出端接第十电阻R10的输入端，第十电阻R10的输出端接地，第三稳压二极管D3的阳极接地，第三稳压二极管D3的阴极接第六电阻R6与第十电阻R10的连接点，N型第二MOS管M2的栅极接第三稳压二极管D3的阴极，N型第二MOS管M2的源极接地，N型第二MOS管M2的漏极接功率电回路接口二J2，功率电输出接口一J1接输入电压VIN，第一电容C1的一端接回路N型第二MOS管M2的漏极，第一电容C1的另一端接地，第九电阻R9的一端接N型第二MOS管M2的漏极，第九电阻R9的另一端接地。
主电源VIN接入后，当开关S1断开时，NPN三极管Q1的发射结不导通，则主电压通过限流电阻R1经过光耦U1的发光二极管，再通过限流电阻R5，光耦导通，则P型MOS管M1的源极与栅极电压一致，M1不导通，控制电断电。
当S1闭合时，主电源电压经过限流电阻R2到达NPN三极管Q1基极，R4作为浮电泄放电阻，阻值可与R2接近，则Q1发射节导通，三极管Q1的发射极电压与集电极电压一致，相当于光耦输入端及R5被短路，光耦不导通。则稳压二极管D1与限流电阻R3配合开始工作，稳压二极管D1两端压差12V，则P型MOS管的源极与栅极压差为12V，P型MOS管M1导通，控制电上电。
从R7接入的+3.3V电压通过控制电24VIN经过电压变换得到，所以若需要光耦U2输出端导通，需要两个条件同时满足，即控制电上电，且控制信号IO口J3为低电平。
D2为稳压二极管，其稳压值为Vd2，R8为限流电阻。
当控制电上电，且控制信号IO口J3为低电平时，光耦输入端电流从+3.3V流经限流电阻R7、光耦输入端二极管进入控制信号IO口，光耦导通，若输入电压VIN>Vd2+0.7V,则三极管发射极导通，且稳压二极管D2导通，三极管Q2的发射极及集电极电压一致，则VIN电压通过限流分压电阻R6到达回路N型MOS管M2的栅极，R10为限流分压电阻，D3为12V稳压二极管，通过R6、R10及D3配合使用，可以保证M2的栅极相对源极及漏极有足够N型MOS管M2导通的压差，并且压差不超过12V，从而M2稳定导通。功率电对外接口正极为J1且与输入电压VIN连接，对外接口负极为J2，当M2导通时，从J2回流的电流通过N型MOS管M2回流到GND。
当控制电上电，且控制信号IO口J3为低电平时，光耦输入端电流从+3.3V流经限流电阻R7、光耦输入端二极管进入控制信号IO口，光耦导通，若输入电压VIN<Vd2+0.7V，则达不到稳压二极管D2的导通条件，三极管Q2的发射极也不导通，三极管Q2的集电极无电压输入，回路N型MOS管的M2栅极电压为0V，则M2的漏极到源极方向截止，即回路断开，从J2回流的电流无法通过N型MOS管M2回流到GND，实现欠压保护功能，即欠压保护阈值为Vd2+0.7V,当输入电压小于该值时，功率电自动欠压断路保护。需要说明的是，由于PN结正向导通压降存在一定误差，故欠压保护阈值也可能存在正负0.2V左右的波动。
当控制电上电，且控制信号IO口J3为高电平时，光耦不导通，则即使输入电压VIN>Vd2+0.7V,也无法让三极管发射极导通，三极管Q2的集电极无电压输入，回路N型MOS管的M2栅极电压为0V，则M2的漏极到源极方向截止，即回路断开，从J2回流的电流无法通过N型MOS管M2回流到GND，实现功率电开关功能。
当控制电断开时，R7电压输入端无电压存在，则光耦不导通，功率电回路断开，所以当外部开关断开时，控制电断开，则功率电同样无电压。
当存在反电动势反灌电压时，即便回路N型MOS管的栅极电压为0,但由于体二极管的存在，反电动势电压可以从J1接口冲入VIN及输入电源，从GND通过体二极管回流到J2接口，即该开关及欠压保护电路不会影响反电动势反灌到电池，从而保证电气系统不会由于反电动势无处释放导致电压过高，损坏其他电气设备。
功率电回路并联的R9及C1用于过滤高频扰动，R9电阻值应较大(10MΩ)，可在未通电源时使回路浮电电压可有小电流泄放回路，但不影响正常的开关功能。
综上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所做的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于外骨骼机器人的开关及保护电路，其特征在于：包括控制电开关电路、功率电开关电路和功率电欠压保护电路；
所述控制电开关电路用于通过外部弱电开关，完成输入电源电压的开启及关闭控制；
所述功率电开关电路用于通过外部IO口，完成外骨骼功率电电源电压的开启及关闭控制；
所述功率电欠压保护电路用于在输入电压过低时，主动关断外骨骼功率电回路，实现欠压保护。
2.根据权利要求1所述的一种用于外骨骼机器人的开关及保护电路，其特征在于：所述的控制电开关电路包括第一开关S1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第一光耦U1、NPN型第一三极管Q1、第一稳压二极管D1及P型第一MOS管M1。
3.根据权利要求2所述的一种用于外骨骼机器人的开关及保护电路，其特征在于：输入电压VIN连接P型第一MOS管M1的源极，P型第一MOS管M1的漏极连接控制电负载24VIN，P型第一MOS管M1的栅极连接第一稳压二极管D1的阳极，第一稳压二极管D1的阴极连接输入电压VIN，第一开关S1的输入端接输入电压VIN，第一开关S1的输出端接用于限流的第二电阻R2的输入端，第二电阻R2的输出端接NPN型第一三极管Q1的基极，NPN型第一三极管Q1的发射极接地，NPN型第一三极管Q1的集电极接第一光耦U1输入端二极管的阳极，第一光耦U1输入端二极管阴极接第五电阻R5的输入端，第五电阻R5的输出端接地，用于限流的第一电阻R1的输入端接输入电压VIN，第一电阻R1的输出端接第一光耦U1输入端二极管阳极，第一光耦U1输出端两个引脚的其中一个引脚接输入电压VIN，另一个引脚接P型第一MOS管M1的栅极，第三电阻R3的输入端接第一稳压二极管D1的阳极，第三电阻R3的输出端接地，第四电阻R4的一端接NPN型第一三极管Q1的基极，第四电阻R4的另一端接地。
4.根据权利要求2或3所述的一种用于外骨骼机器人的开关及保护电路，其特征在于：功率电开关电路和功率电欠压保护电路包括：第七电阻R7、第二光耦U2、第八电阻R8、第二稳压二级管D2、PNP型第二三极管Q2、第六电阻R6、第十电阻R10、第三稳压二极管D3、N型第二MOS管M2、第一电容C1、第九电阻R9、功率电输出接口一J1、功率电回路接口二J2、外部单片机IO口接口三J3。
5.根据权利要求4所述的一种用于外骨骼机器人的开关及保护电路，其特征在于：第七电阻R7的一端接稳压电源，第七电阻R7的另一端接第二光耦U2的输入端二极管阳极，第二光耦U2的输入端二极管阴极接外部单片机IO口接口三J3，第二光耦U2输出端的一端接地，第二光耦U2输出端的另一端接第八电阻R8的输入端，第八电阻R8的输出端接第二稳压二极管D2的阳极，第二稳压二极管D2的阴极接PNP型第二三极管Q2的基极，PNP型第二三极管Q2的发射极接输入电压VIN，PNP型第二三极管Q2的集电极接第六电阻R6的输入端，第六电阻R6的输出端接第十电阻R10的输入端，第十电阻R10的输出端接地，第三稳压二极管D3的阳极接地，第三稳压二极管D3的阴极接第六电阻R6与第十电阻R10的连接点，N型第二MOS管M2的栅极接第三稳压二极管D3的阴极，N型第二MOS管M2的源极接地，N型第二MOS管M2的漏极接功率电回路接口二J2，功率电输出接口一J1接输入电压VIN，第一电容C1的一端接回路N型第二MOS管M2的漏极，第一电容C1的另一端接地，第九电阻R9的一端接N型第二MOS管M2的漏极，第九电阻R9的另一端接地。
6.根据权利要求5所述的一种用于外骨骼机器人的开关及保护电路，其特征在于：第七电阻R7未与光耦连接的一端接3.3V稳压电源。
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