一种机器人电源管理系统及机器人的制作方法

本发明涉及嵌入式硬件电源管理技术领域，特别涉及一种机器人电源管理系统及机器人。

背景技术：

目前智能硬件产品的发展非常迅速，产品类别非常多如手机、平板、vr、智能机器人、智能音箱等，这其中有一部分产品由于系统需求(如马达、高功率喇叭等)会采用多节电池串联串联的形式以保证足够的工作电压和功率，目前绝大多数产品的硬件平台都是基于arm架构的处理芯片，而这些处理芯片都是基于单节电池的电压范围，通常耐压只有0～5.5v左右，而现有技术中，许多产品的电压需求为9v或者12v，若采用多节电池串联的方案，则超出现有技术中处理芯片对电源电压的管理范围，存在处理芯片过载烧毁的风险。

综上所述，如何利用现有处理芯片实现对多节电池串联的电源管理是本领域技术人员目前需要解决的一项技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种机器人电源管理系统及机器人，可以利用现有处理芯片实现对多节电池串联的电源管理。其具体方案如下：

一种机器人电源管理系统，包括电源、dcdc电路、电源开关、电源控制电路和处理芯片，其中，所述电源负极和所述电源开关分别接地，所述电源正极与所述电源控制电路、所述dcdc电路和所述处理芯片串联，所述电源开关的非接地端连接所述电源控制电路，所述电源控制电路还设有用于向直流电机输出电压的电压输出接口。

优选的，所述开关控制电路包括第一开关电路和第二开关电路，所述第一开关电路设有与所述第二开关电路连接的启动信号接收端口，所述第一开关电路设有与所述处理芯片连接的关机信号接收端口，所述电源开关的非接地端连接所述第二开关电路。

优选的，所述机器人电源管理系统还包括：

系统关机状态下，若触发所述电源开关，所述第二开关电路则向所述启动信号接收端口发出启动信号，以控制所述第一开关电路连接所述电源；

系统开机状态下，若触发所述电源开关，所述处理芯片则向所述关机信号接收端口发出关机信号，以控制所述第一开关电路断开所述电源。

优选的，所述机器人电源管理系统还包括充电电路，所述充电电路包括第三开关电路、充电适配器、充电芯片和电感，其中，所述电感和所述充电芯片串联后再和所述第三开关电路并联于所述第一开关电路的电压输出端和所述dcdc电路的电压输入端之间，所述充电适配器的充电电压输出端口连接所充电芯片的充电电压输入端口，所述第三开关电路设有控制信号接收端口，以接收所述充电芯片发出的控制信号，所述第一开关电路还包括充电适配器接入端口，用于接收充电适配器接入信号。

优选的，所述机器人电源管理系统还包括：

系统关机状态下，若所述充电适配器接入端口接收到所述充电适配器接入信号，则所述第一开关电路连接所述电源，所述充电芯片通过所述电感向所述电源充电；

系统开机状态下，若所述充电适配器接入端口接收到所述充电适配器接入信号，则所述第一开关电路连接所述电源，所述充电芯片向所述控制信号接收端口发出的控制所述第三开关电路断开的控制信号，所述充电芯片向所述dcdc电路输出电压。

优选的，系统开机状态下，接入所述充电适配器，所述充电芯片向所述dcdc电路输出电压，若系统负载大于所述充电适配器，则所述充电芯片向所述控制信号接收端口发出的控制所述第三开关电路连接的控制信号，所述充电芯片和所述电源同时供电。

优选的，所述充电电路还包括串联在所述充电适配器器和所述充电芯片之间的静电防护器件、第一滤波电路、过压保护电路和过流保护电路中的任意一种或几种。

优选的，所述处理芯片还包括用于根据电池温度向所述充电芯片发送充电电流调节信号的充电控制接口，其中，所述充电控制接口与所述充电芯片之间串联有第二滤波电路。

优选的，所述电压输出接口设有隔离放电电路，所述隔离放电电路包括第四开关电路和三极管电路，其中，所述第四开关电路的电压输入端连接所述第二开关电路的电压输出端，所述第四开关电路的电压输出端连接所述三极管电路的基极和发射极后输出直流马达控制信号，所述第三开关电路的电压输出端和所述三极管电路的发射极之间设有二极管，所述第三开关电路的电压输出端和所述三极管电路的基极之间设有第一分压电阻，所述三极管电路的集电极串联第二分压电阻后接地。

优选的，若电动马达无法根据所述直流马达信号控制正常运转，则断开所述第四开关电路。

优选的，所述处理芯片还包括电量检测接口，其中，所述电量检测接口连接第五开关电路后连接所述第一开关电路的电压输出端。

本发明还提供了一种机器人，包括上述任一项所述的机器人电源管理系统。

本发明提供了一种机器人电源管理系统，包括电源、dcdc电路、电源开关、电源控制电路和处理芯片，其中，所述电源负极和所述电源开关分别接地，所述电源正极与所述电源控制电路、所述dcdc电路和所述处理芯片串联，所述电源开关的非接地端连接所述电源控制电路，所述电源控制电路还设有用于向直流电机输出电压的电压输出接口。可见，本发明中，电源控制电路关闭，则电源完全被切断；关机状态下触发电源开关，电源控制电路导通，将电源连接入系统，处理芯片则根据信号保持系统上电；开机状态下电源开关启动后触发电源开关，电源控制电路切除电源，系统掉电。本发明利用多个开关电路，将多节电池串联组成的电源电压转换成控制信号，在利用现有处理芯片的前提下，实现了对多节电池串联的电源管理。

本发明还公开了一种机器人，包括上述任一项机器人电源管理系统，且具有相同技术效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种机器人电源管理系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种具体的机器人电源管理系统的电路示意图；

图3为本发明实施例提供的一种包括充电电路的机器人电源管理系统的电路示意图；

图4为本发明实施例提供的一种具体的包括充电电路的机器人电源管理系统的电路示意图；

图5(1)和图5(2)为本发明实施例提供的一种具体的采用充电芯片bq24133的机器人电源管理系统中充电电路的电路示意图；

图6为本发明实施例提供的一种具体机器人电源管理系统中开关电路的电路示意图；

图7为本发明实施例提供的一种具体的包括充电控制接口的机器人电源管理系统的电路示意图；

图8为本发明实施例提供的一种具体的机器人电源管理系统中利用充电控制接口实现的充电电流调节电路的电路示意图；

图9为本发明实施例提供的一种具体的包括隔离放电电路的机器人电源管理系统的电路示意图；

图10为本发明实施例提供的一种具体的机器人电源管理系统中隔离放电电路的电路示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

本发明提供了一种机器人电源管理系统，参见图1所示，包括电源battery、dcdc电路dcdc、电源开关powerkey1、电源控制电路control和处理芯片ap，其中，所述电源负极和所述电源开关分别接地，所述电源正极与所述电源控制电路、所述dcdc电路和所述处理芯片串联，所述电源开关的非接地端连接所述电源控制电路，所述电源控制电路还设有用于向直流电机输出电压的电压输出接口。

本发明目的在于利用现有处理芯片实现对多节电池串联串联的电源进行管理，由于现有处理芯片都是基于单节电池的电压范围，通常耐压只有0～5.5v左右，此处的电池，指通常意义上的常规电池，例如18650电池，单节电池电压包括1.5v、3.2v和5v等常规电压，电池具体材质可包括镍氢电池、磷酸铁锂电池或锂电池。

可以理解的是，本发明中多节电池串联，指大于一节的电池串联组成的电源，当然，存在特殊电池，即单个电池电压大于常规电池，由于该特殊电池可视为多个常规电池的串联，因此利用本发明的原理实现对该特殊电池的电源管理也应落入本发明的保护范围。

图2为本发明的一种具体实施方案，包括电源battery、开关控制电路、dcdc电路dcdc、电源开关powerkey1、处理芯片ap，其中，开关控制电路包括第一开关电路switch1和第二开关电路switch2，所述第一开关电路设有与所述第二开关电路连接的启动信号接收端口，所述第一开关电路设有与所述处理芯片连接的关机信号接收端口，所述电源开关的非接地端连接所述第二开关电路；电源电压为vbat，二极管d4、d5为肖特基二极管，其作用为整流、限流。当然，也可以采用其他限流整流电路。dcdc为用于降压的buck芯片。

关机状态下，第一开关电路switch1关闭，电池与系统完全切断，使系统保持极低的漏电流，防止出现电池过放电问题。

关机状态下，触发电源开关powerkey1，第二开关电路switch2导通，向启动信号接收端口发出启动信号buttonsignal，即将buttonsignal拉至高电平，打开第一开关电路switch1，系统电压vsys上电，处理芯片ap检测到poweronsignal被拉低，则拉高关机信号holdsignal信号，即使关机信号接口无法接收到关机信号，使系统一直保持上电状态。

开机状态下处理芯片ap检测到电源开关powerkey1按下，发出关机命令，处理芯片ap走关机流程，向关机信号接收端口发出关机信号holdsignal，开关switch1关闭，系统掉电。

其中，holdsignal为处理芯片ap锁存信号，保持系统上电；buttonsignal为开启电源开关出发的信号；poweronsignal为处理芯片ap发出的开机信号。

需要说明的是，本发明中的第一开关电路switch1、第二开关电路switch2、第三开关电路switch3、第四开关电路switch4或第五开关电路switch5在实际应用中，可以是单一的开关元器件，也可以是由逻辑元器件组成的开关电路，也可以是具有开关控制功能的处理芯片。

由于在实际使用中，电源大多数为充电电池，因此本发明在上述实施例中增加了充电电路。

参见图3所示，本发明在上述开关控制电路包括第一开关电路和第二开关电路的实施方案的基础上又提供了包括充电电路的具体实施方案，所述充电电路包括第三开关电路switch3、充电适配器adapter、充电芯片chargeic和电感l1，其中，所述电感和所述充电芯片串联后再和所述第三开关电路并联于所述第一开关电路的电压输出端和所述dcdc电路的电压输入端之间，所述充电适配器的充电电压输出端口连接所充电芯片的充电电压输入端口，所述第三开关电路设有控制信号接收端口，以接收所述充电芯片发出的控制信号，所述第一开关电路还包括充电适配器接入端口，用于接收充电适配器接入信号。

系统关机状态下，若所述充电适配器接入端口接收到所述充电适配器接入信号，则所述第一开关电路连接所述电源，所述充电芯片通过所述电感向所述电源充电；

系统开机状态下，若所述充电适配器接入端口接收到所述充电适配器接入信号，则所述第一开关电路连接所述电源，所述充电芯片向所述控制信号接收端口发出的控制所述第三开关电路断开的控制信号，所述充电芯片向所述dcdc电路输出电压。

关机状态下，第一开关电路switch1关闭，电池与系统完全切断，使系统保持极低的漏电流，防止出现电池过放电问题。

系统开机状态下，接入所述充电适配器，所述充电芯片向所述dcdc电路输出电压，若系统负载大于所述充电适配器，则所述充电芯片向所述控制信号接收端口发出的控制所述第三开关电路连接的控制信号，所述充电芯片和所述电源同时供电。

由于本实施方案中增加了第三开关电路switch3和充电芯片chargeic，因此，系统开机工作状态与上实施方案有一定区别，即第一开关电路连接电源后输出电压，则充电芯片向控制信号接收接口发出控制第三开关电路导通的控制信号，以向dcdc电路输出电压。

关机状态下，按下电源开关powerkey1，第二开关电路switch2导通，启动信号buttonsignal为高电平，打开第一开关电路switch1，vbat_q有电平，chargeic开始工作，打开第二开关电路switch2，系统电压vsys开始有点电，处理芯片ap检测到poweronsignal被拉低，则拉高holdsignal信号，使系统一直保持上电状态。

开机状态下处理芯片ap检测到电源开关powerkey1按下，发出关机命令，处理芯片ap走关机流程，释放holdsignal，开关switch1关闭，系统掉电。

在实际应用中，为了对电路进行保护，充电电路还包括串联在所述充电适配器器adapter和所述充电芯片之间的静电防护器件esd、第一滤波电路rc1、过压保护电路ovp和过流保护电路ocp中的任意一种或几种。

图4为串联了静电防护器件esd、第一滤波电路rc1、过压保护电路ovp和过流保护电路ocp的充电电路。

图5(1)和图5(2)为一种具体的采用充电芯片bq24133的充电电路连接图，当然也可以使用其他充电芯片。由于篇幅有限，图5(1)为电路连接图的左半部分，图5(2)为电路连接图的右半部分，当然，在实际使用中，也可以根据实际情况使用其他规格的元器件。

首先充电适配器通过连接器j1输入进来后，首先经过esd静电防护tvs管d1，电阻r14和电容c26共同组成了rc滤波电路，主要作用是滤出充电适配器插入瞬间脉冲，起到防护后级电路的作用，电容c5、c7、c9滤波减小电容纹波的作用，n沟道mos管q1和q2组成了ovp+ocp防护开关，当出现过流或者过压时充电芯片会关断q1和q2，以防止损坏充电适配器或者后级电路，功率电阻r1的作用是检测输入电流，当电流超出设定的阈值时，通知处理芯片u1关断q1和q2。

xvref为充电芯片输出的参考电压3.3v,cell为充电电压模式配置脚，0电平时为1cell,悬空时为2cell，1电平时为3cell，电平由电阻r11和r18不同组合实现；vset为充电电流配置脚，充电电流计算公式为icharger＝5a/v*viset。

双肖特基二极管d7的输入源有两路，一路是充电适配器，一路是经过开关p沟道mos管的电池电压vbat_q，之所以选择开关后而不是直接电池的输出，是为了保证关机后能够有较低的漏电流。

p沟道mos管q3作用是做路径管理，无充电适配器插入时，系统从电池取点，有充电适配器插入时，系统优先从充电适配器取电。

mos管q4和q5组成了开关电路，用于切断电池和系统的连接，正是由于这部分的存在使得系统能有极低的关机漏电流，开关的使能信号有三路，ap_ps_hold这路为来自处理芯片的锁存信号，v_adp为充电适配器电源，switch为来自开机按键的信号。

参见图6所示，为了对开关电路更好地说明，本发明提供了一种具体的开关电路，其中，第一开关电路switch1使用st-1188udb，电源开关powerkey1使用sis502nt1g。

双肖特基二极管d8有两路输入，一路是充电适配器电源v_adp，一路是电池vbatt，这部分需要一直有电保持系统能够开机，当第一开关电路switch1，即sw1按下时，pnp三极管导通q6，switch为高电平，使电池接通系统，q8的作用是取反switch信号，拉低pwrkey使处理芯片ap开机，3s左右时间后处理芯片ap运行起来后拉高所存信号ap_ps_hold使系统保持开机状态。

当然，处理芯片ap的启动延迟时间也可以是其他时间，例如2s后拉高所存信号ap_ps_hold。

为了对电池充电进行更好地管理，以在不同温度下采用不同的充电电路，从而提高电源充电的安全性和电源的使用寿命，参见图7所示，本发明对上述串联了静电防护器件esd、第一滤波电路rc1、过压保护电路ovp和过流保护电路的实施方案进行了进一步优化，所述处理芯片还包括用于根据电池温度向所述充电芯片发送充电电流调节信号的充电控制接口，其中，所述充电控制接口与所述充电芯片之间串联有第二滤波电路filter。

第二滤波电路filter为rc电路，将处理芯片发出的充电电流调节信号pwm整流成固定电平。

关机状态下，插入充电适配器adapter，充电适配器接入信号adaptersignal为高，第一开关电路switch1打开，bat_q有电，chargeic开始工作，为电池充电。vsys上电，处理芯片ap有电进入关机充电模式，同时监测是否有电源开关powerkey1按下，如有则开机，否则一直在关机充电模式。

处理芯片ap根据检测到的电池的温度信号ntcsignal判断系统是否可以充电，如果在预设的温度范围(如0～45℃)则开启充电，如果电池温度超过这个范围，则停止输出pwm信号，充电电流控制信号iset输出0v,则充电芯片chargeic关闭充电功能，以保证系统的安全可靠。并且本发明可以根据温度动态调节pwm占空比以达到动态调节充电电流的功能(如0～10℃0.2c充电，10～45℃0.5c充电)。

参见图8所示，一种具体的利用充电控制接口实现的充电电流调节电路。

chg_viset_pwm为处理芯片输出的pwm信号，可以调节不同的占空比，当占空比不同时，viset电压就不同，从而使充电芯片的充电电流不同，从而达到条件的充电电流的目的。充电电流ichager与pwm占空比duty的计算关系如下：

ichager＝4.7/14.7*1.8*5*duty

＝2.878*duty(a)

当处理芯片检测到电池温度在0℃～45℃之外使，控制pwm占空比为0，则关闭充电功能，使电池得到保护，当检测到电池温度在0℃～10℃之间时以小电流0.2c充电，10℃～45℃之间时以0.5c充电，可以很优的解决电池安全及寿命问题。

由于大部分电源管理系统均涉及到电动马达的驱动，例如电子设备的震动功能、移动功能，尤其在机器人领域，电动马达的驱动在电源管理方面十分重要，因此，本发明本系统针对机器人系统的马达电路，在电压输出接口端设计了可以在马达运动异常时紧急关闭马达的隔离放电电路。

参见图9所示，本发明在上述可以根据电池温度向充电芯片发送充电电流调节信号的实施方案上进行了优化，电压输出接口设置有隔离放电电路，所述隔离放电电路包括第四开关电路switch4和三极管电路q1，其中，所述第四开关电路的电压输入端连接所述第二开关电路的电压输出端，所述第四开关电路的电压输出端连接所述三极管电路的基极和发射极后输出直流马达控制信号，所述第三开关电路的电压输出端和所述三极管电路的发射极之间设有二极管d1，所述第三开关电路的电压输出端和所述三极管电路的基极之间设有第一分压电阻r1，所述三极管电路的集电极串联第二分压电阻r2后接地。

本实施例相对上述实施例增加了隔离放电电路，系统可以根据马达的运行情况，在直流马达无法根据直流马达控制信号正常运动时关闭第四开关电路switch4，紧急关闭马达。同时马达启动停止和反向运动时易产生反向电动势高压v_motor，反向电动势v_motor如果反串到系统电压vsys易造成系统运行异常，损坏系统元器件，针对此问题本发明设计了由二极管d1、电阻r1，r2，和pnp三极管q1组成的三极管电路来放电，二极管d1起隔离作用，防止反电动势v_motor反串回vsys。当反向电动势v_motor-vsys>0.7v时，pnp三极管q1才会导通，通过电阻r2对地放电，r2起调节放电电流的作用。当反向电动势v_motor-vsys<0.7v时，不会对系统产生危害，pnp三极管q1关闭，以节省功耗。

参见图10为一种具体的隔离放电电路，当然，在实际应用中也可以使用其他规格的元器件。

当马达启动停止或者人为转动马达时，会产生反向电动势电压v_motor，当反向电动势高于系统电压vsys时会使系统电源异常或者击坏系统器件，为了防止此问题发生，增加肖特基二极管d9，隔离系统电源vsys与马达电源v_motor。当v_motor-vsys>0.7v时，pnp三极管q7才会导通，通过电阻r27对地放电，r27起调节放电电流的作用。当反向电动势v_motor-vsys<0.7v时，不会对系统产生危害，pnp三极管q7关闭，以节省功耗。

在实际应用中，所述处理芯片还包括电量检测接口，其中，所述电量检测接口连接第五开关电路switch5后连接所述第一开关电路switch1靠近所述第二开关电路switch2端。

当系统需要检测电池电量时，处理芯片ap打开开关switch5，系统检测到电池电压计算系统电量。当不需要检测电量时，关闭开关switch5，以节省电池电量。

本发明还公开了一种机器人，包括上述任一项机器人电源管理系统，且具有相同技术效果，在此不再赘述。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种基于多节电池串联的电源管理方法及电路进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。