一种关节电机反电动势泄放电路的制作方法

1.本技术涉及手术机器人技术领域，尤其涉及一种关节电机反电动势泄放电路。


背景技术：

2.目前微创手术已基本取代开放手术成为外科医学领域发展的主要方向。相比于传统的开放式手术，微创手术具有创伤小、病痛轻、恢复快等优势。随着机器人技术的发展，基于腹腔镜手术机器人的微创手术逐渐成熟，并被广泛应用。
3.腔镜手术机器人系统在使用过程中，需要根据不同的术式调节手术车的立柱的高度，立柱承载的重量约380kg左右。立柱的关节内安装了关节电机，通过关节电机可驱动立柱进行升降。由于不同功率的关节电机体积差距较大，为节省关节电机的安装空间，可采用小功率电机搭配气弹簧的驱动方式驱动立柱进行升降。气弹簧安装在立柱关节内，在立柱下降时，将动能转化为弹性势能，在立柱上升时，将弹性势能转化为立柱关节的动能。在立柱上升过程中，所在位置越低，弹性势能转化为立柱动能的瞬时功率越大，关节电机产生的反电动势越大。经测试，关节电机的反电动势峰值可达到300v以上，而手术车系统母线上连接的元器件以低压元器件为主，普遍耐压低于60v，容易受到不可逆的损害。此外，在关节电机启停过程时，也同样会产生电机反电动势，同理会对手术车内部的元器件产生不可逆的损害。相关技术中，手术车上缺乏一种保护元器件不受反电动势损害的保护电路。


技术实现要素：

4.为解决手术机器人的反电动势损害低压元器件的问题，本技术提供了一种关节电机反电动势泄放电路。
5.第一方面，本技术实施例提供了一种关节电机反电动势泄放电路，该电路包括母线电压超限检测电路和超限持续泄放电路，其中：
6.所述母线电压超限检测电路，包括电连接的驱动单元和电压比较单元，所述驱动单元用于驱动所述超限持续泄放电路，所述电压比较单元用于在母线电压超过电压阈值时输出第一电平；
7.所述超限持续泄放电路，与所述母线电压超限检测电路电连接，用于在所述电压比较单元输出第一电平时对母线电压进行泄放。
8.在一些实施例中，还包括瞬时尖峰电压吸收电路，所述瞬时尖峰电压吸收电路与所述母线电压超限检测电路电连接，用于抑制母线电压升高速率。
9.在一些实施例中，所述瞬时尖峰电压吸收电路包括第一瞬态抑制管、功率电感和电解电容阵列，其中，所述电解电容阵列包括多个并联的电解电容。
10.在一些实施例中，所述第一瞬态抑制管的两端分别串联有所述功率电感。
11.在一些实施例中，所述电压比较单元包括电压比较芯片，所述电压比较芯片的输入端通过多个串联的分压电阻接入所述母线电压，所述电压比较芯片的输出端与所述超限持续泄放电路电连接。
12.在一些实施例中，所述母线电压超限检测电路包括两个并联的所述电压比较单元。
13.在一些实施例中，所述母线电压超限检测电路还包括防抖动单元，所述防抖动单元包括第二瞬态抑制管和瞬态抑制电容，所述第二瞬态抑制管和瞬态抑制电容并联在电压比较单元的输出端和接地端之间。
14.在一些实施例中，所述防抖动单元还包括第一二极管和第一限流电阻，所述第一二极管和第一限流电阻串联在所述驱动单元的输出端和电压比较芯片的输出端之间。
15.在一些实施例中，所述超限持续泄放电路包括泄放单元，所述泄放单元包括多个分压电阻、泄放nmos管、常闭继电器、连接器和水泥电阻，所述泄放nmos管的栅极通过多个所述分压电阻电连接至所述电压比较芯片的输出端，所述泄放nmos管的源极接地，所述泄放nmos管的漏极经所述常闭继电器电连接至所述连接器，所述连接器还与所述水泥电阻电连接，所述泄放nmos管用于在所述电压比较单元输出所述第一电平时导通。
16.在一些实施例中，所述泄放nmos管包括第一泄放nmos管和第二泄放nmos管，所述第一泄放nmos管的漏极和第二泄放nmos管的源极电连接。
17.在一些实施例中，所述超限持续泄放电路还包括电压检测单元，所述电压检测单元包括多个分压电阻，多个所述分压电阻串联在所述泄放nmos管的源极和母线电压之间。
18.在一些实施例中，所述超限持续泄放电路还包括继电器控制单元，所述超限持续泄放电路还包括继电器控制单元，所述继电器控制单元与所述常闭继电器电连接，所述常闭继电器用于接收上层控制器的控制信号，并根据所述控制信号控制所述常闭继电器的线圈为闭合状态或断开状态。
19.在一些实施例中，所述控制信号的电平根据电压检测单元的分压电压值确定。
20.在一些实施例中，所述继电器控制单元包括npn型三极管，所述npn型三极管与常闭继电器电连接，用于在所述控制信号为高电平时导通，使所述常闭继电器的线圈为断开状态。
21.在一些实施例中，所述超限持续泄放电路还包括第一防静电单元，所述第一防静电单元包括第一防静电电容和第三瞬态抑制管，所述第一防静电电容和第三瞬态抑制管并联在所述泄放nmos管的栅极和接地端之间。
22.在一些实施例中，所述超限持续泄放电路还包括第二防静电单元，所述第二防静电单元包括第二防静电电容和第四瞬态抑制管，所述第二防静电电容和第四瞬态抑制管并联在第一泄放nmos管的漏极和接地端之间。
23.本技术提供的关节电机反电动势泄放电路的有益效果包括：
24.本技术提供的关节电机反电动势泄放电路，包括母线电压超限检测电路和超限持续泄放电路，母线电压超限检测电路在检测到关节电机的反电动势较大时通过输出第一电平导通超限持续泄放电路，超限持续泄放电路在导通后对母线电压进行快速泄放，有效保护了低压元器件。
附图说明
25.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，
还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1中示例性示出了一种关节电机反电动势泄放电路的架构示意图；
27.图2中示例性示出了一种瞬时尖峰电压吸收电路的示意图；
28.图3中示例性示出了一种母线电压超限检测电路的示意图；
29.图4中示例性示出了一种超限持续泄放电路的示意图；
30.图5中示例性示出了一种关节电机反电动势泄放方法的流程示意图。
具体实施方式
31.为使本技术的目的和实施方式更加清楚，下面将结合本技术示例性实施例中的附图，对本技术示例性实施方式进行清楚、完整地描述，显然，描述的示例性实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
32.需要说明的是，本技术中对于术语的简要说明，仅是为了方便理解接下来描述的实施方式，而不是意图限定本技术的实施方式。除非另有说明，这些术语应当按照其普通和通常的含义理解。
33.本技术中说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别类似或同类的对象或实体，而不必然意味着限定特定的顺序或先后次序，除非另外注明。应该理解这样使用的用语在适当情况下可以互换。
34.术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖但不排他的包含，例如，包含了一系列组件的产品或设备不必限于清楚地列出的所有组件，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它组件。
35.现在参照附图详细描述当前公开的实施例，其中在若干视图中的每个相同的附图标记指示相同或相应的元件。
36.参见图1，为本技术实施例提供的一种关节电机反电动势泄放电路的母线电压泄放示意图。如图1所示，手术机器人的手术车上的系统母线上连接了低压元器件200，系统母线上的母线电压为vcc_power，在手术车的立柱升降过程中，尤其是立柱从较低位置开始上升时，气弹簧对关机电机的反向做功的功率较大，关机电机的启停加速度较大，系统母线上产生较大的反电动势，使得母线电压远远超出低压元器件200的承受范围。为保护低压元器件200，本技术实施例提供了一种关节电机反电动势泄放电路100，该关节电机反电动势泄放电路100连接至系统母线，用于对母线电压进行泄放，从而将母线电压降低至低压元器件200的承受范围内，实现对低压元器件200的保护。
37.本技术实施例提供的关节电机反电动势泄放电路100，包括电连接的母线电压超限检测电路102和超限持续泄放电路103。母线电压超限检测电路用于检测母线电压是否超过电压阈值以及导通超限持续泄放电路，超限持续泄放电路用于在母线电压超过电压阈值时对母线电压进行电压泄放，从而保护系统母线上连接的低压元器件。
38.在一些实施例中，关节电机反电动势泄放电路100还可包括瞬时尖峰电压吸收电路101，瞬时尖峰电压吸收电路101接入系统母线，与母线电压超限检测电路102电连接，瞬时尖峰电压吸收电路101可用于抑制母线电压的升高速率。
39.本技术实施例提供的瞬时尖峰电压吸收电路101可参见图2，如图2所示，瞬时尖峰电压吸收电路101可包括第一瞬态抑制管(tvs)vd1a以及与第一瞬态抑制管串联的功率电
感l1a、l2a和电解电容阵列，其中，电解电容阵列包括多个并联的大容量电解电容c1a～c7a。
40.第一瞬态抑制管(tvs)vd1a的阴极与功率电感l1a的第一端电连接，功率电感l1a的第二端与电解电容阵列的正极电连接，该电解电容阵列的正极节点电连接至系统母线，该正极处的网络节点为vcc_power，其电压为母线电压。
41.第一瞬态抑制管(tvs)vd1a的阳极与功率电感l2a的第一端电连接，功率电感l1a的第二端与电解电容阵列的负极电连接，该电解电容阵列的负极节点接地，该负极处的网络节点为gnd，此为系统电源的回流路径。
42.第一瞬态抑制管(tvs)vd1a可为母线电压瞬态小功率高压尖峰提供泄放路径，缩短泄放响应时间，实际实施中，可根据元器件的承受电压，选择相应导通电压的第一瞬态抑制管(tvs)vd1a。功率电感l1a和l2a可对瞬态的高压产生抑制，能够抑制母线电压vcc_power的升高速率，实际实施中，可根据系统母线的最大工作电流选择相应饱和电流的功率电感。电解电容阵列具有保持电容两极板之间电压不变的特性，可抑制母线电压vcc_power升高速率，实际实施中，可根据电机启停瞬间的馈电功率选择相应容量的电解电容。
43.本技术实施例提供的母线电压超限检测电路102可参见图3，如图3所示，母线电压超限检测电路102可包括驱动单元1023和第一电压比较单元1021。
44.驱动单元1023可包括ldo电源芯片u1b，ldo电源芯片u1b可用于驱动后级的超限持续泄放电路103。
45.在一些实施例中，驱动单元1023还包括滤波电容c1b、c2b，分别为ldo电源芯片u1b提供输入滤波和输出滤波。其中，ldo电源芯片u1b的输入端和输出端分别通过滤波电容c1b、c2b接地。该ldo电源芯片u1b的输入端的网络节点为vcc_logic，此为系统逻辑供电。
46.第一电压比较单元1021包括电压比较芯片u2b、第一分压电阻r3b、第二分压电阻r4b和第三分压电阻r2b。母线电压经过第一分压电阻r3b、第二分压电阻r4b和第三分压电阻r2b分压后，接入电压比较芯片u2b的in+脚。
47.若电压比较芯片u2b检测到分压电压超过电压比较芯片u2b的基准电压，则电压比较芯片u2b的输出端输出第一电平，该第一电平为高电平；若电压比较芯片u2b检测到输入到电压比较芯片u2b的母线电压的分压电压值未超过电压比较芯片u2b的基准电压，则电压比较芯片u2b的输出端输出第二电平，该第二电平为低电平。其中，电压比较芯片u2b的输出端处的网络节点为mos_switch。
48.在一些实施例中，第一电压比较单元1021还包括滤波电容c4b、c5b和c6b，其中，滤波电容c4b为电压比较芯片u2b的供电电源滤波电容，c5b为电压比较芯片u2b的in-脚和ref脚滤波电容，c6b为电压比较芯片u2b的in+脚滤波电容。
49.在一些实施例中，母线电压超限检测电路102还包括第二电压比较单元1022，其电路结构与第一电压比较单元1021的电路结构相同，包括电压比较芯片u3b、分压电阻r5b、r6b、r7b和滤波电容c7b、c8b、c9b。
50.电压比较芯片u2b的输出端和电压比较芯片u3b的输出端电连接，实现母线电压的双备份超限检测，提高了母线电压超限检测的可靠性。在一些实施例中，母线电压超限检测电路102也可只设置有一个电压比较单元，使得母线电压超限检测电路102较为简洁，节省空间。
51.在一些实施例中，母线电压超限检测电路102还包括防抖动单元1024，防抖动单元包括第二瞬态抑制管vd2b和瞬态抑制电容c3b，第二瞬态抑制管vd2b和瞬态抑制电容c3b的第二端均与电源芯片u1b的输出端以及电压比较芯片u2b的输出端电连接，第二瞬态抑制管vd2b和瞬态抑制电容c3b的第一端均接地，使得mos_switch通过第二瞬态抑制管(tvs)vd2b接地，能够防止超限持续泄放电路103被误触发，造成母线电压vcc_power跌落，影响系统运行。
52.在一些实施例中，防抖动单元1024还包括第一二极管vd1b和第一限流电阻r1b。电源芯片u1b的输出端串联第一二极管vd1b和第一限流电阻r1b后连接至再电连接至瞬态抑制电容c2b的第二端，使得第一二极管vd1b可防止后级电路的电压高于ldo电源芯片u1b的输出电压而产生倒灌，第一限流电阻r1b用于防止ldo电源芯片u1b输出的高电平与电压比较芯片u2b、u3b输出的低电平形成短路。
53.本技术实施例提供的超限持续泄放电路103可参见图4，如图4所示，超限持续泄放电路103包括泄放单元1031，泄放单元1031可包括水泥电阻r1d、连接器x1c、常闭继电器k1c、第一mos管vt2c、第二mos管vt3c、第四分压电阻r3c、第五分压电阻r4c，其中，连接器x1c为水泥电阻r1d的接入点，第一mos管vt2c和第二mos管vt3c均为泄放nmos管，第一mos管vt2c记为第一泄放nmos管，第二mos管vt3c记为第二泄放nmos管。连接器x1c的第一端接入vcc_power，第二端与常闭继电器k1c的第六脚以及第八脚电连接，常闭继电器k1c的第五脚和第七脚并联至第二mos管vt3c的漏极，第二mos管vt3c的源极与第一mos管vt2c的漏极电连接，第一mos管vt2c和第二mos管vt3c的栅极均电连接至第四分压电阻r3c和第五分压电阻r4c之间，第五分压电阻r4c接地，第四分压电阻r3c的输入为母线电压超限检测电路102输出的mos_switch信号。
54.在一些实施例中，泄放单元1031还包括滤波电容c1c、c2c以及限流电阻r2c，滤波电容c1c和c2c的第一端接入vcc_power，第二端接地，滤波电容c1c和c2c的第一端通过限流电阻r2c电连接至常闭继电器k1c的第一脚，为常闭继电器k1c线圈电源滤波。通过vcc_power为常闭继电器k1c供电，使得常闭继电器k1c不需要采用额外的电源进行供电。限流电阻r2c可使常闭继电器k1c的线圈电流处于安全范围，用于保护常闭继电器k1c。
55.在一些实施例中，第四分压电阻r3c还并联有二极管vd3c，其中，二极管vd3c的阴极与第四分压电阻r3c接入mos_switch信号的一端电连接，阳极与第四分压电阻r3c的另一端电连接，用于快速泄放第一mos管vt2c和第二mos管vt3c的栅极电荷，保证母线电压不被拉低。
56.来自母线电压超限检测电路102的mos_switch信号若为高电平，则mos_switch信号经过第四分压电阻r3c、第五分压电阻r4c分压后输入到第一mos管vt2c和第二mos管vt3c的栅极，该输入到栅极的电压在第一mos管vt2c和第二mos管vt3c的安全范围内，能够导通第一mos管vt2c和第二mos管vt3c，从而连接器x1c的第一端接入的vcc_power可通过连接器x1c外接的水泥电阻、常闭继电器k1c流经第一mos管vt2c和第二mos管vt3c后接地，其中，水泥电阻为低阻值大功率泄放电阻，阻值较小，通常为1～10ω，因此，母线电压vcc_power对gnd会进行快速放电，泄放电流i为vcc_power/r，由于r较小，所以电流i数值较大，于是母线电压会被对gnd泄放电流钳住，使其保持在安全范围内。在一些实施例中，连接器x1c的第一端与二极管vd1c的阴极电连接，第二端与二极管vd1c的阳极电连接，二极管vd1c为水泥电
阻提供续流路径，防止水泥电阻的寄生电感产生反电动势损坏周围元器件。
57.来自母线电压超限检测电路102的mos_switch信号若为低电平，则mos_switch信号经过第四分压电阻r3c、第五分压电阻r4c分压后不能够导通第一mos管vt2c和第二mos管vt3c，从而连接器x1c的第一端接入的vcc_power不可通过常闭继电器k1c流经第一mos管vt2c和第二mos管vt3c后接地，从而避免母线电压在未超限时泄放，确保了母线电压不被拉低。
58.本技术通过第一mos管vt2c和第二mos管vt3c这两个mos管串联以控制母线电压的泄放，在其中一个mos管短路故障时，也能通过另一个mos管控制母线电压的泄放，避免泄放电路一直处于导通状态，母线电压vcc_power被钳低，导致系统无法正常工作，提升了母线电压泄放的可靠性。在一些实施例中，泄放单元1031也可采用单mos管控制母线电压的泄放，使得超限持续泄放电压更加简洁。
59.在一些实施例中，若第一mos管vt2c或第二mos管vt3c发生短路故障，则在mos_switch信号为低电平时也将导通，导致母线电压在未超限时也进行泄放。为避免母线电压在未超限时也进行泄放，超限持续泄放电路103还可包括电压检测单元1032和继电器控制单元1033。
60.电压检测单元1032可包括第六分压电阻r5c、第七分压电阻r6c、第八分压电阻r7c，其中，第七分压电阻r6c的第一端接入vcc_power，第二端处的网络节点为mos_test，该第二端分别电连接第六分压电阻r5c的第一端、第八分压电阻r7c的第一端，第八分压电阻r7c的第二端电连接至第一mos管vt2c的源极，第六分压电阻r5c的第二端接地。
61.在母线电压未超限时，若第一mos管vt2c和第二mos管vt3c未发生短路故障，则第一mos管vt2c和第二mos管vt3c截止，则mos_test的电压值mos_test1为：mos_test1＝vcc_power*r5c/(r5c+r6c)。
62.若vt3c故障短路，则mos_test的电压值mos_test2为：mos_test2＝vcc_power*r5c/(r5c+r6c//r7c)。
63.若vt2c故障短路，则mos_test的电压值mos_test3为：mos_test3＝vcc_power*(r5c//r7c)/(r6c+r5c//r7c)。
64.可见，根据电压检测单元1032的mos_test的电压值可判断出第一mos管vt2c和第二mos管vt3c是否发生短路故障。
65.在第一mos管vt2c或第二mos管vt3c发生短路故障时，可通过继电器控制单元1033阻断泄放路径。继电器控制单元1033包括npn型三极管，该npn型三极管与常闭继电器电连接，用于根据上层控制器的控制信号控制常闭继电器的线圈为闭合状态或断开状态，例如，在控制信号为高电平时导通，使常闭继电器的线圈为断开状态，在控制器的控制信号为低电平时关断，使常闭继电器的线圈为闭合状态。或者，继电器控制单元1033也可被配置为在控制信号为低电平时导通，高电平时关断。
66.在一些实施例中，继电器控制单元1033还包括第二限流电阻r1c和第二二极管vd2c，其中，第二限流电阻r1c的第一端接入控制信号relay_control，第二端电连接至npn型三极管vt1c的基极，npn型三极管的发射极接地，集电极电连接至常闭继电器k1c的第二脚以及第二二极管vd2c的阳极，第二二极管vd2c的阴极接入常闭继电器k1c的第一脚。
67.控制信号relay_control来自上层控制器，该控制器被配置为在mos_test的电压
值为mos_test1时，输出的relay_control为低电平，此时，npn型三极管vt1c为截止状态，使得常闭继电器k1c的线圈一直闭合，从而连接器x1c接入的vcc_power可通过常闭继电器k1c流至第二mos管vt3c和第一mos管vt2c进行泄放。
68.控制器还被配置为在mos_test的电压值为mos_test2或者mos_test3时，输出的relay_control为高电平，此时，npn型三极管vt1c为导通状态，使得常闭继电器k1c的线圈断开，从而连接器x1c接入的vcc_power不可通过常闭继电器k1c流至第二mos管vt3c和第一mos管vt2c进行泄放，避免了vcc_power泄放至过低。第二二极管vd2c为常闭继电器k1c的线圈在关断过程中提供续流路径，防止常闭继电器k1c的线圈产生反电动势损坏周围元器件。
69.控制器还可被配置为在relay_control为高电平时进行错误告警，提醒用户超限持续泄放电路103发生故障。
70.在一些实施例中，为保护第一mos管vt2c或第二mos管vt3c，超限持续泄放电路103还设置有第一防静电单元1034，第一防静电单元1034可包括第一防静电电容c3c进而第三瞬态抑制管vd4c，第一防静电电容c3c的第一端和第三瞬态抑制管vd4c的第一端均接地，第一防静电电容c3c端和第三瞬态抑制管vd4c的第二端均电连接至第一mos管vt2c管的栅极和第一mos管vt3c的栅极，可防止静电或者电荷积累损坏第一mos管vt2c和第二mos管vt3c的栅极。
71.在一些实施例中，为保护第一mos管vt2c或第二mos管vt3c，超限持续泄放电路103还设置有第二防静电单元1035，第二防静电单元1035包括第二防静电电容c4c和第四瞬态抑制管vd5c，所述第二防静电电容c4c的第一端和第四瞬态抑制管vd5c的第一端均接地，第二防静电电容c4c的第二端和第四瞬态抑制管vd5c的第二端均电连接至第七分压电阻r6c的第二端，进一步防止静电或者电荷积累损坏第一mos管vt2c的漏极和第二mos管vt3c的源极。
72.基于上述关节电机反电动势泄放电路，本技术还提供了一种关节电机反电动势泄放方法，参见图5，该方法可包括如下步骤：
73.步骤s101：在立柱上升或启停过程中，通过母线电压超限检测电路实时检测母线电压。
74.步骤s102：若所述母线电压超过预设阈值，所述母线电压超限检测电路输出第一电平，使超限持续泄放电路对所述母线电压进行泄放。
75.在一些实施例中，母线电压vcc_power经分压后输入到母线电压超限检测电路中的电压比较芯片u2b和u3b，两个电压比较芯片均实时比较分压电压值与基准电压。电压比较芯片的输出脚为开漏结构，当母线电压vcc_power超过预设阈值后，母线分压值大于电压比较芯片基准电压，此时两个电压比较芯片配合ldo电源芯片u1b输出上拉，将mos_switch置为高电平；当母线电压vcc_power未超过预设阈值时，两个电压比较芯片输出低电平，将mos_switch置为低电平。
76.超限持续泄放电路根据mos_switch置为高电平，第一mos管vt2c和第二mos管vt3c导通，母线电压vcc_power通过x1c外接的低阻值大功率泄放水泥电阻、常闭继电器k1c、mos管vt2c和vt3c回流到gnd，由于水泥电阻阻值r较小，通常为1～10ω，此时母线电压vcc_power对gnd会进行快速放电，泄放电流i为vcc_power/r，由于r较小，所以电流i数值较大，于是母线电压会被对gnd泄放电流钳住，使其保持在安全范围内。
77.在一些实施例中，当母线电压高于低压元器件的承受电压，此时，瞬时尖峰电压吸收电路的第一瞬态抑制管vd1a导通，功率电感l1a、l2a以及电解电容阵列对母线电压的升高速率进行抑制。
78.由上述实施例可见，本技术提供的关节电机反电动势泄放电路，包括瞬时尖峰电压吸收电路、母线电压超限检测电路和超限持续泄放电路，在关节电机的反电动势较小时可通过瞬时尖峰电压吸收电路对母线电压的升高速率进行抑制，在关节电机的反电动势较大时能通过超限持续泄放电路对母线电压进行快速泄放，有效保护了低压元器件。
79.由于以上实施方式均是在其他方式之上引用结合进行说明，不同实施例之间均具有相同的部分，本说明书中各个实施例之间相同、相似的部分互相参见即可。在此不再详细阐述。
80.以上的本技术实施方式并不构成对本技术保护范围的限定。