CN106484063A - 一种用于机器人供电***的程控功率开关电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于机器人供电***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***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
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***的程控功率开关电路。
背景技术
在机器人供电***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***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***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***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***的程控功率开关电路,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***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***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***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***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***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***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***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***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***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***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***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 (10)
1.一种用于机器人供电***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。
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。
3.根据权利要求1或2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。
4.根据权利要求1或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。
5.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。
6.一种用于机器人供电***的程控功率开关电路工作方法,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。
7.根据权利要求6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。
8.根据权利要求6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。
9.根据权利要求6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。
10.根据权利要求6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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