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CN111060777A - 机器人无线充电监测模块 - Google Patents

机器人无线充电监测模块 Download PDF

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CN111060777A
CN111060777A CN202010190630.5A CN202010190630A CN111060777A CN 111060777 A CN111060777 A CN 111060777A CN 202010190630 A CN202010190630 A CN 202010190630A CN 111060777 A CN111060777 A CN 111060777A
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pin
resistor
wireless charging
terminal
voltage
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李桓
尹利
宋彦霞
陈帅
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Tianjin Dewar Intelligent Technology Co Ltd
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Tianjin Dewar Intelligent Technology Co Ltd
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明公开了一种机器人无线充电监测模块，位于无线充电模块的供电线路前端，包括依次连接的DC电源、保险管、MOS管Q1和单片机，单片机检测无线充电模块的电流、电压和温度参量是否正常，当单片机检测至少一个参量为异常时，MOS管Q1断开，DC电源停止向无线充电模块供电；当单片机检测前述参量为正常时，MOS管Q1导通，DC电源正常向无线充电模块供电；本发明具有使用MOS管Q1控制供电环路后，提高了开关速度和回路的承受的电流量，使开关效果的稳定性得到大大的提升，对单片机的通讯实现隔离，延长单片机的使用寿命，同时实现主动采集检测无线充电模块的电压、电流和温度参量，使供电系统更为稳定，更好的保护电路结构。

Description

机器人无线充电监测模块
技术领域
本发明属于人工智能技术领域，尤其涉及一种机器人无线充电监测模块。
背景技术
机器人行业发展迅速，传统充电方式都是采用充电座多端子直连的方式进行连接。因为对端子的受力及机械加工等精度要求较高，在多端子连接时，导致部分端子电流过大进而对端子的寿命和充电的安全性带来一定隐患。进而我们采用无线充电的方式，但仍存在如下问题：1. 使用继电器作为供电回路的开关，当继电器长时间通过大电流时，其接触点处发容易生粘连及氧化现象，甚至导致继电器切断回路失效；2. 采用单片机进行串口通讯时，由于该单片机自身具有窃电技术，使用引脚对引脚直接连接，当与无线充电模块连接时，由于不同的电系统在进行连接时往往存在共地问题，经常出现单片机烧毁现象；3.使用的充电监测板不能主动的采集及监测无线充电模块的电信号而且也没有添加测量模块，当使用无线充电方式时，由于无线充电模块当其传输功率达到150W时，会使得周围温度过高影响到其内部器件的稳定性，影响充电模块的传输的电流和电压等参量，严重会导致无线充电模块出现故障，当其前述参量出现异常时，如果不能及时对其的供电进行断电的话，可能会带来一些难以预测的后果。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种机器人无线充电监测模块，使用MOS管Q1控制供电环路后，对开关速度由之前的毫秒级提升至纳秒级，提高了回路的承受的电流，使开关效果的稳定性得到大大的提升，还对单片机的通讯实现隔离，极大程度延长了单片机的使用寿命，同时实现主动采集监测无线充电模块的电压、电流和温度参量，当出现异常时，及时切断供电环路将危险降至最低，使供电系统更为稳定，更好的保护电路结构。
为了实现上述目的，本发明提供的一种机器人无线充电监测模块，所述监测模块位于无线充电模块的供电线路前端，包括依次连接的DC电源、保险管、MOS管Q1和单片机U3，以及温度传感器U1和电磁隔离芯片U4；所述单片机U3检测无线充电模块的电流、电压和温度参量是否正常，当所述单片机U3检测至少一个参量为异常时，MOS管Q1断开，DC电源停止向无线充电模块供电；当所述单片机U3检测前述参量为正常时，MOS管Q1导通，DC电源正常向无线充电模块供电；
所述温度传感器U1与无线充电模块的散热片固定连接，所述温度传感器U1的引脚2与单片机U3的引脚25相连；
所述DC电源依次通过端子一J1的引脚1、保险管、端子二P2的引脚2、端子二P2的引脚1与MOS管Q1的漏极相连，所述端子二P2用于为无线充电模块提供功率：当所述MOS管Q1的栅极电压到达5V时，MOS管处于打开状态，电流由MOS管Q1的漏极向源极流入且通过相并联的电阻R16与电阻R17流回端子一J1的引脚2和引脚3；当所述MOS管Q1的栅极电压为0V时，MOS管处于关闭状态；
所述端子二P2的引脚2和引脚1的电压信号POWER_P和电压信号POWER_N分别通过电阻R23和电阻R24后经运算放大器进行差分运算产生对应的端子二P2的电压值的信号PowerVoltage输出至单片机U3的引脚10；相并联的所述电阻R16和电阻R17的两端的电压信号POWER_C和接地端信号分别通过电阻R5和电阻R15经所述运算放大器进行差分运算产生对应的流经端子二P2的电流值的信号PowerCurrent输出至单片机U3引脚11相连。
优选地，还包括5V输入电压和NPN三极管Q4，所述单片机的引脚42 与NPN三极管Q4的第一引脚连接，所述5V输入电压通过电阻R31与NPN三极管Q4的第二引脚连接，所述NPN三极管Q4的第三引脚与MOS管Q1相连且通过电阻R97接地；当单片机的引脚42输出信号为高电平时，NPN三极管Q4打开，电阻R97的上引脚为5V电压；当单片机的引脚42输出信号为低电平时，NPN三极管Q4关闭，电阻R97的上引脚为0V电压；
优选地，所述单片机的引脚31通过电阻R26与电磁隔离芯片U4的引脚2相连，所述单片机的引脚30通过电阻R29与电磁隔离芯片U4的引脚3相连，所述电磁隔离芯片U4的引脚7通过电阻R28与端子三P7的引脚2相连，所述电磁隔离芯片U4的引脚6通过电阻R30与端子三P7的引脚3相连，所述端子三P7与无线充电模块的通讯口相连；
优选地，所述单片机为STM32F103C8单片机；
优选地，所述MOS管Q1的型号为IRFP150M；
优选地，所述电磁隔离芯片U4的型号为ADum1201；
优选地，所述运算放大器的型号为LM358。
本发明提供的一种机器人无线充电监测模块，具有如下有益效果：
1.本发明有效避免了现有技术存在的继电器作为供电回路的开关存在长时间使用接触点氧化失效的问题；本发明采用的MOS管作为切断功率的开关，由于MOS管采用的半导体材质，不仅其开关次数的寿命大大提高，同时尤于其体积小能承受的电流大，响应速度快等优势，广泛的应用于开关电源上，基于其自身的特性，使用IRFP150M控制供电环路的后，对开关速度由之前的毫秒级提升至纳秒级。之前回路的承受的电流由之前3A变得更大。使开关效果的稳定性得到大大的提升。
2.本发明有效避免了现有技术存在的单片机进行串口通讯时，大多使用引脚对引脚直接连接的方式，由于不同的电系统连接时存在共地问题，直接连接后会将单片机烧毁的技术问题；本发明采用了电磁隔离芯片对添加单片机的通讯的隔离，将不同电路板在进行串口通讯时的共地问题予以解决，更好的保护了单片机，极大程度延长单片机使用寿命，使供电系统更为稳定，更好的保护整体电路结构。
3.本发明有效避免了单片机不能主动的采集无线充电模块的电信号，无法达到主动及实时监测的效果的技术问题；本发明提供的单片机实现主动实时采集无线充电模块的电信号，即采集端子二P2两端的电压信号POWER_P、POWER_N以及并联的电阻R16和电阻R17的两端的电压信号 POWER_C和接地端，前述四组电信号经过运算放大器LM358进行差分运算后分别产生对应的端子二P2的电压值和流经端子二P2的电流值的两组信号传输给单片机的模拟数字转换器实现实时采集监测无线充电模块的输入电流、输入电压、及其周围温度是否存在异常，当出现异常时，及时断开供电将风险降至最低。
附图说明
图1为本发明提供的一种机器人无线充电监测模块的流程图。
图2为单片机的引脚图。
图3为供电环路的电路图。
图4为电磁隔离芯片的引脚图。
图5为端子P7的引脚图。
图6为输出运算电压信号的电路图。
图7为输出运算电流信号的电路图。
图8为温度传感器的引脚图。
图9为图3的简化版电路图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明，以助于理解本发明的内容。
如图1-9所示，为本发明提供的一种机器人无线充电监测模块，是应用于机器人在进行无线充电时对无线充电器的工作状态进行实时监控的模块。监测模块位于无线充电模块的供电线路前端，包括依次连接的DC电源、保险管、MOS管Q1和单片机，以及温度传感器U1和电磁隔离芯片U4，MOS管Q1的型号为IRFP150M，温度传感器U1与无线充电模块的散热片固定连接，温度传感器U1的引脚2与单片机U3的引脚25相连。单片机用于检测无线充电模块的电流、电压和温度参量是否正常，当单片机检测至少一个参量为异常时，MOS管Q1断开，单片机停止向无线充电模块供电；当单片机检测前述参量为正常时，MOS管Q1导通，DC电源正常向无线充电模块供电。
如2-3图所示，DC电源依次通过端子一J1的引脚1、保险管、端子二P2的引脚2、端子二P2的引脚1与MOS管Q1的漏极相连，端子一J1输入DC 电源48V电压作为整个电路的供电，端子二P2作为输出端子为无线充电模块提供功率，其中+48V电势通过FUSH保险管后接入到端子二P2，当该回路电流超过5A时，保险管直接烧毁断掉供电为端子二P2的输出端提供硬保护，FUSH1保险为预留保险管，当FUSH烧毁时，其作为替换保险使用。DC电源依次通过串联连接的端子一J1的引脚1和保险管后通过相互并联的二极管D1、二极管组U10、电阻R135和电阻R135与端子二P2串联，电阻R155和电容C147串联连接。单片机的引脚42 与NPN三极管Q4的第一引脚连接，5V输入电压通过电阻R31与NPN三极管Q4的第二引脚连接，电阻31与NPN三极管Q4之间通过并联连接的电容C17和电容C4接地，NPN三极管Q4的第三引脚与MOS管Q1相连且通过电阻R97接地。当单片机的引脚42输出信号为高电平时，NPN三极管Q4打开，电阻R97的上引脚为5V电压；当单片机的引脚42输出信号为低电平时，NPN三极管Q4关闭，电阻R97的上引脚为0V电压。当MOS管Q1的栅极电压到达5V时，MOS管处于打开状态，电流由MOS管Q1的漏极向源极流入且通过相并联的电阻R16与电阻R17流回端子一J1的引脚2和引脚3后接地，实现电回路打开。当出现异常时，单片机引脚42输出信号变为低电平，即可实现环路的断开进而将危险降至最低，即MOS管Q1的栅极电压为0V时，MOS管处于关闭状态。
如图4-5所示，电磁隔离芯片U4的型号为ADum1201，单片机的引脚31通过电阻R26与电磁隔离芯片U4的引脚2相连，单片机的引脚30通过电阻R29与电磁隔离芯片U4的引脚3相连，电磁隔离芯片U4的引脚7通过电阻R28与端子三P7的引脚2相连，电磁隔离芯片U4的引脚6通过电阻R30与端子三P7的引脚3相连，端子三P7的引脚2和引脚3分别与无线充电模块的通讯口相连，端子三P7的引脚1通过并联连接的电容C29和电容C42与引脚4相连。
如图6所示，采集端子二P2的引脚2和引脚1的电压信号POWER_P和电压信号POWER_N，作为输出部分的电压信号，分别通过电阻R23和电阻R24后经运算放大器进行差分运算产生对应的端子二P2的电压值的信号PowerVoltage输出至单片机的引脚10。其中，运算放大器的型号为LM358。
如图7所示，相并联的电阻R16和电阻R17的两端的电压信号POWER_C和接地端信号，作为输出部分的电压信号，分别通过电阻R5和电阻R15后经运算放大器进行差分运算产生对应的流经端子二P2的电流值的信号PowerrCurrent输出至单片机引脚11相连。其中，运算放大器的型号为LM358。
众所周知，电流是从高电势流到低电势。如图3所示电路中，端子一J1与DC电源连接存在着48V电压，当MOS管Q1打开后，电路导通形成回路。电流是从DC电源流出，最后到达0V接地端。
当MOS管Q1导通时，在端子一J1与接地端之间通过保险管FUSH后分为5路即电流i1、电流i2、电流i3、电流i4和电流i5后至MOS管Q1处汇总形成的总电流I，总电流I再经过并联的电阻R16和电阻R17流至接地端。下面分别对这电流i1、电流i2、电流i3、电流i4和电流i5与总电流I进行分析：
（1）电流i1和i2
由于二极管D1和二极管组U10是二极管器件，二极管具有单向导通性，电流只能从正极流向负极。而在此电路中将这个两个二极管的负极连接到DC电源上，同时由于二极管器件的自身特性二个二极管的反向耐压值都＞48V，所以当Q1打开时电流是几乎是不可能从二极管D1和二极管组U10处流过，即i1、i2都近乎为0A。
（2）电流i4
由于存在电容C147，电容最典型的特点就是通交流阻直流，由于DC电源与接地端是直流电，该分路并没有导通，即i4也可以认为是0A。
（3）电流i3和电流i5
电流i3是电阻R135通过电流的，根据欧姆定律i3=48V/30kΩ=1.6mA。
电流i5是通过端子二P2连接到无线充电模块上的，无线充电模块正常工作时电压是48V。此时的其功率为150W，因此我们通过计算知道其正常工作时电流为3.125A。由于3.125A》1.6mA。我们在该电路中设计电流检测的范围是0.1A~5A之间，因此对于i3的电流值我们往往予以忽略。
通过上面的分析可以得出总电流I由i5处流过的，即I=i5。因此i5就是无线充电模块的电流值也是所要监测的电流值。
如图9所示，为图3简化版的电路图，当MOS管Q1打开后，电流I经端子二P2、MOS管Q1、相并列的电阻R16和电阻R17流至接地端。
其中，电阻R16和电阻R17为参数一致的，阻值为0.02Ω，精度为0.1%。同时二者又是并联的关系，可以将它们认为是一个0.01Ω电阻。根据欧姆定律，流经电阻的电流值等于电阻两端的电压与电阻阻值的比值，可以得出以下结论：
Figure 761420DEST_PATH_IMAGE001
..........公式1
即
Figure 551521DEST_PATH_IMAGE002
..........公式2
通过公式2还可以得到
Figure 102588DEST_PATH_IMAGE003
..........公式3
将PowerCurrent的电压定义为VPowerCurrent；将POWER_C的电压定义为VPOWER_C；将接地端的电压定义为VIN_GND；
VPowerCurrent=
Figure 387070DEST_PATH_IMAGE004
.............公式4
VPowerCurrent=
Figure 707193DEST_PATH_IMAGE005
.............公式5
将公式3代入公式5可得等式
Figure 950087DEST_PATH_IMAGE006
.............公式6
Figure 988450DEST_PATH_IMAGE007
.............公式7
因此，通过测量相并联的电阻R16和电阻R17的两端的电压信号POWER_C和接地端信号经运算放大器进行差分运算产生对应的流经端子二P2的电流值的信号PowerrCurrent的电压值VPowerCurrent测量无线充电模块的电流值i5，即
Figure 60311DEST_PATH_IMAGE008
..........公式8。
前述公式中VPOWER_C、VIN_GND、VPowerCurrent的计量单位是V（伏特），i5和I的计量单位是A（安培）。
本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种机器人无线充电监测模块，其特征在于，所述监测模块位于无线充电模块的供电线路前端，包括依次连接的DC电源、保险管、MOS管Q1和单片机U3，以及温度传感器U1和电磁隔离芯片U4；所述单片机U3检测无线充电模块的电流、电压和温度参量是否正常，当所述单片机U3检测至少一个参量为异常时，MOS管Q1断开，DC电源停止向无线充电模块供电；当所述单片机U3检测前述参量为正常时，MOS管Q1导通，DC电源正常向无线充电模块供电；
所述温度传感器U1与无线充电模块的散热片固定连接，所述温度传感器U1的引脚2与单片机U3的引脚25相连；
所述DC电源依次通过端子一J1的引脚1、保险管、端子二P2的引脚2、端子二P2的引脚1与MOS管Q1的漏极相连，所述端子二P2用于为无线充电模块提供功率：当所述MOS管Q1的栅极电压到达5V时，MOS管处于打开状态，电流由MOS管Q1的漏极向源极流入且通过相并联的电阻R16与电阻R17流回端子一J1的引脚2和引脚3；当所述MOS管Q1的栅极电压为0V时，MOS管处于关闭状态；
所述端子二P2的引脚2和引脚1的电压信号POWER_P和电压信号POWER_N分别通过电阻R23和电阻R24后经运算放大器进行差分运算产生对应的端子二P2的电压值的信号PowerVoltage输出至单片机U3的引脚10；相并联的所述电阻R16和电阻R17的两端的电压信号POWER_C和接地端信号分别通过电阻R5和电阻R15经所述运算放大器进行差分运算产生对应的流经端子二P2的电流值的信号PowerCurrent输出至单片机U3引脚11相连。
2.根据权利要求1所述的一种机器人无线充电监测模块，其特征在于，还包括5V输入电压和NPN三极管Q4，所述单片机U3的引脚42 与NPN三极管Q4的第一引脚连接，所述5V输入电压通过电阻R31与NPN三极管Q4的第二引脚连接，所述NPN三极管Q4的第三引脚与MOS管Q1相连且通过电阻R97接地；当单片机U3的引脚42输出信号为高电平时，NPN三极管Q4打开，电阻R97的上引脚为5V电压；当单片机U3的引脚42输出信号为低电平时，NPN三极管Q4关闭，电阻R97的上引脚为0V电压。
3.根据权利要求1所述的一种机器人无线充电监测模块，其特征在于，还包括电磁隔离芯片U4，所述单片机U3的引脚31通过电阻R26与电磁隔离芯片U4的引脚2相连，所述单片机U3的引脚30通过电阻R29与电磁隔离芯片U4的引脚3相连，所述电磁隔离芯片U4的引脚7通过电阻R28与端子三 P7的引脚2相连，所述电磁隔离芯片U4的引脚6通过电阻R30与端子三P7的引脚3相连，所述端子三P7与无线充电模块的通讯口相连。
4.根据权利要求1所述的一种机器人无线充电监测模块，其特征在于，所述单片机U3为STM32F103C8单片机U3。
5.根据权利要求1所述的一种机器人无线充电监测模块，其特征在于，所述MOS管Q1的型号为IRFP150M。
6.根据权利要求3所述的一种机器人无线充电监测模块，其特征在于，所述电磁隔离芯片U4的型号为ADum1201。
7.根据权利要求1所述的一种机器人无线充电监测模块，其特征在于，所述运算放大器的型号为LM358。
8.根据权利要求1所述的一种机器人无线充电监测模块，其特征在于，所述温度传感器的型号为DS18b20。
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