一种用于工控机的UPS电源的制作方法

一种用于工控机的ups电源
技术领域
1.本发明涉及ups电源领域，尤其涉及一种用于工控机的ups电源。


背景技术：

2.ups电源即不间断电源，是将蓄电池等与用户设备相连接，通过主机逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备。
3.机床上使用的数控系统是属于用户设备中严格要求的一种，但与常规用户设备又有所不同。数控系统一般工作在恶劣的工作条件下，同时还需要操作多种刀具及工件，经常面临连续开机数月和连续关机数月的工作情况，需要提供更可靠的电源保护。
4.当前应用于数控系统的电源由于电池无法进行完整的充放电过程，电池的寿命无法保证，导致ups电源故障率极高，进而影响数控系统的正常工作。


技术实现要素：

5.本发明提供一种用于工控机的ups电源，以克服ups电源故障率极高等技术问题。
6.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
7.一种用于工控机的ups电源，包括：dc/dc电源转换模块、充电管理模块、ad检测模块、稳压输出模块、mcu主控模块、继电器控制模块、电压采集模块和通信模块；
8.所述充电管理模块用于对电池组进行充电；
9.ad检测模块用于检测外界电源输入电流值，判断外界电源输出电流值是否超过预设电流值的大小，若超过则向数控系统报警；
10.所述mcu主控模块的控制端用于对电池组的充放电功能进行控制并与工控机的信息交互，其中mcu主控模块采集电池组的实时输出电压值，利用与预设的电压值进行比较，获得电池组充电或放电信号，并将充电或放点信号输出至工控机；
11.所述dc/dc电源转换模块用于将外界电源电流输入至充电管理模块；
12.所述稳压输出模块降低充电管理模块所输出的电源的电源波纹用于防止充电管理模块所输出的电源不稳定对mcu主控模块造成损害；
13.所述继电器控制模块用于当电池组实时电压输出值小于预设的电压值时隔绝电源输出；
14.所述电压采集模块用于采集外界电源的电压值和电池组状态信号，所述电池组状态信号为电池组充电或放电信号；
15.所述通信模块用于将外界主电源的电压值和电池状态信号传输至工控机
16.所述工控机接收外界电源的电压值和电池组充电或放电信号并传输至mcu主控模块用于当电池组断电时工控机进行数据保存和硬件保护。
17.进一步的，所述mcu主控模块采集电池组的实时输出电压值，利用与预设的电压值进行比较，获得电池组充电或放电信号具体为：
18.当电池组的实时输出电压值小于预设的电压值20％时，mcu主控模块获得电池组
充电信号；
19.当电池组的实时输出电压值等于预设的电压值时，mcu主控模块获得电池组放电信号；
20.当电池组的实时输出电压值小于预设的电压值，大于等于预设的电压值20％时，电池组保持当前状态。
21.进一步的，所述dc/dc电源转换模块的dc输入端还设有电源保护模块，所述电源保护模块用于保护dc/dc电源转换模块、充电管理模块、稳压输出模块和mcu主控模块避免因短路、过压及过流导致元器件损坏。
22.进一步的，所述充电管理模块包括电池充电器、充电电池、电池电压阙值设置电路及电池电流设置电路,所述电池充电器的电源输入端通过dc/dc电源转换模块与外部电源连接,所述电池充电器输入端与充电电池连接。
23.进一步的，所述充电电池为锂离子电池。
24.进一步的，所述稳压输出模块包括lmr14030芯片及其滤波电路，用于保证稳压输出模块输出电源纹波小于mcu主控模块输入电压波纹。
25.进一步的，所述稳压输出模块还包括tps62085芯片及其滤波电路，用于保证稳压输出模块输出电源纹波小于mcu主控模块输入电压波纹,所述tps62085芯片的输入端与lmr14030芯片连接,所述tps62085芯片输出端与工控机连接。
26.进一步的，所述mcu主控模块包括stm32f103c8t6芯片及其电源滤波电路,所述stm32f103c8t6芯片的控制端通过串行总线与充电管理模块的控制端连接,所述stm32f103c8t6芯片通信端通过rs232串行收发模块与工控机连接。
27.有益效果：本发明利用ad检测模块实时检测输入电源的电流值，当输入电流异常时向数控报警，数控系统会自动保存数据，在电池延时内完成系统的关机，因此提高数控系统的安全性，保证了数据的可靠性，提高了数控系统的用户体检；同时针对数控系统的长时间工作情况和长时间关机电池组自放电的情况，增设了对电池组的充放电控制，mcu主控模块能有效电池组的实时输出电压值，超过或小于预设值时进行充电或放点，实现可电池组完整的充放电过程，保证电池组的使用寿命。
附图说明
28.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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本发明ups电源结构示意图；
30.图2为本发明电池充放电管理示意图；
31.图3为本发明充电管理模块示意图；
32.图4为本发明mcu主控模块示意图；
33.图5为本发明rs232通信模块示意图；
34.图6a为本发明稳压输出模块lmr14030示意图；
35.图6b为本发明稳压输出模块tps62085示意图；
36.图7为本发明电源保护模块示意图；
37.图8为锂电池充电曲线示意图；
38.图9为ad检测模块示意图；
39.图10为继电器控制模块示意图。
具体实施方式
40.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
41.本实施例提供了一种用于工控机的ups电源，如图1-10，包括：dc/dc电源转换模块、充电管理模块、ad检测模块、稳压输出模块、mcu主控模块、继电器控制模块、电压采集模块和通信模块；
42.所述充电管理模块用于对电池组进行充电；
43.ad检测模块用于检测外界电源输入电流值，判断外界电源输出电流值是否超过预设电流值的大小，若超过则向数控系统报警；
44.所述mcu主控模块的控制端用于对电池组的充放电功能进行控制并与工控机的信息交互，其中mcu主控模块采集电池组的实时输出电压值，利用与预设的电压值进行比较，获得电池组充电或放电信号，并将充电或放点信号输出至工控机；
45.所述dc/dc电源转换模块用于将外界电源电流输入至充电管理模块；
46.所述稳压输出模块降低充电管理模块所输出的电源的电源波纹用于防止充电管理模块所输出的电源不稳定对mcu主控模块造成损害；
47.所述继电器控制模块用于当电池组实时电压输出值小于预设的电压值时隔绝电源输出；
48.所述电压采集模块用于采集外界电源的电压值和电池组状态信号，所述电池组状态信号为电池组充电或放电信号；
49.所述通信模块用于将外界主电源的电压值和电池状态信号传输至工控机
50.所述工控机接收外界电源的电压值和电池组充电或放电信号并传输至mcu主控模块用于当电池组断电时工控机进行数据保存和硬件保护。
51.在具体实施例中，所述mcu主控模块采集电池组的实时输出电压值，利用与预设的电压值进行比较，获得电池组充电或放电信号具体为：
52.当电池组的实时输出电压值小于预设的电压值20％时，mcu主控模块获得电池组充电信号；
53.当电池组的实时输出电压值等于预设的电压值时，mcu主控模块获得电池组放电信号；
54.当电池组的实时输出电压值小于预设的电压值，大于等于预设的电压值20％时，电池组保持当前状态。
55.在具体实施例中，所述dc/dc电源转换模块的dc输入端还设有电源保护模块，所述电源保护模块用于保护dc/dc电源转换模块、充电管理模块、稳压输出模块和mcu主控模块
避免因短路、过压及过流导致元器件损坏。
56.在具体实施例中，所述充电管理模块包括bq24610电池充电器、充电电池、电池电压阙值设置电路及电池电流设置电路,所述bq24610电池充电器的电源输入端通过dc/dc电源转换模块与外部电源连接,所述bq24610电池充电器输入端与充电电池连接。
57.在具体实施例中，所述充电电池为锂离子电池。
58.在具体实施例中，所述稳压输出模块包括lmr14030芯片及其滤波电路，用于保证稳压输出模块输出电源纹波小于mcu主控模块输入电压波纹。
59.在具体实施例中，所述稳压输出模块还包括tps62085芯片及其滤波电路，用于保证稳压输出模块输出电源纹波小于mcu主控模块输入电压波纹,所述tps62085芯片的输入端与lmr14030芯片连接,所述tps62085芯片输出端与工控机连接。
60.在具体实施例中，所述mcu主控模块包括stm32f103c8t6芯片及其电源滤波电路,所述stm32f103c8t6芯片的控制端通过串行总线与充电管理模块的控制端连接,所述stm32f103c8t6芯片通信端通过rs232串行收发模块与工控机连接。
61.图3中电路为充电管理电路。使用ti的bq24610降压开关dcdc电源。其电路参考其手册的电源管理参考电路。采用双mos(30v)替换单mos实现对电压的管控，实际测试中出现问题，实际电路仍采用单mos(40v)实现对电压的管控，功率满足电路使用需求。
62.bq24610是高度集成的锂离子或锂聚合物开关模式电池充电控制器。bq24610是高度集成的开关模式电池充电控制器，专为锂电池化学物充电而设计。它们可以为恒频同步pwm控制器提供高准确度充电电流和电压调节、适配器电流调节、充电预处理和充电状态监控。
63.设计输出电压不变，在24v输入有效时输出24v，同时对电池进行充电，24v输入无效时采用锂电池进行供电，输出电压12v～16.8v。
64.cc的电压范围为5～28v，bq24610正常工作使能需要vcc端电压不小于5v。当vcc输入有效时，acdrv使能引脚拉高，mos管q2导通，bq24610进入正常工作状态。
65.如图8，根据锂电池充电曲线可得，bq24610共分为三种状态，在以下三个阶段为电池充电：预处理、恒定电流和恒定电压。当电流达到最低的用户可选级别时，充电将终止。可编程充电定时器可以为充电终止提供安全备份。当电池电压低于内部阈值时，bq24610会自动重新启动充电周期；当输入电压低于电池电压时，则会进入低静态电流休眠模式。
66.由电池规格书标准充电模式可知，电池以0.2ita恒流充电，当电池或电池组端电压达到充电限制电压时，改为恒压充电，直到充电电流小于或等于0.02ita，最长充电时间不大于8h，停止充电。当前电池管理芯片bq24610满足次充电模式。
67.bq24610需完成对锂电池的充电管理。根据公式决定电源管理芯片对锂电池的充电电压，当前选择为r2(r106 r114)＝330k 27k＝357k，r1(r115)＝51k，均采用高进度的电阻，保证充电电压的准确，根据公式计算，当前锂电池充电电压值为16.8v，满足锂电池最大充电电压。
68.iset1管脚是设置快充最大充电电流的功能引脚，设置电压范围为0～2v。iset1管脚电压通过外部分压电路进行控制，当前采用的分压电阻为r102(100k)和r105(6.49k)，由参考电压vref可得iset1电压输入为1.3v。根据公式可计算锂电池充电电流，其
中r
sr
为检测电阻默认为10mω，当前最大充电电流由公式可得1.005a。
69.iset2管脚是设置预充电电流的功能引脚，设置电压范围为0～2v。iset1管脚电压通过外部分压电路进行控制，当前采用的分压电阻为r101(100k)和r104(10k)，由参考电压vref可得iset2电压输入为0.3v。根据公式可计算锂电池充电电流，其中r
sr
为检测电阻默认为10mω，当前预充电电流由公式可得0.3a。
70.acset管脚是设置适配器电流调节(dpm)的功能引脚，适配器需要同时给后级电路供电和锂电池充电，系统电流通常随着系统部分电源的启动或关闭而波动。没有动态电源管理(dpm)，适配器必须能够同时提供系统的最大电流和充电器的最大输入电流。通过使用dpm，当输入电流小于acset设定的输入电流限制时，电池充电器会降低充电电流。acset管脚电压通过外部分压电路进行控制，当前采用的分压电阻为r100(100k)和r103(33k)，由参考电压vref可得acset电压输入约为0.82v。根据公式可计算锂电池充电电流，其中r
ac
为检测电阻默认为10mω，当前适配器电流由公式可得4a。
71.bq24610监控电压调节阶段的充电电流。当v
ttc
有效时，当vfb引脚上的电压高于v
rech
阈值，充电电流小于i
term
阈值时，检测终止。其中i
term
公式可计算的为0.3a。
72.bq24610自动将适配器或电池电源切换到系统负载。默认情况下，电池在通电或休眠模式下连接到系统。电池与系统断开连接，在退出休眠后30ms将适配器连接到系统。当选择开关开关时，一个自动的先断开后闭合的逻辑可以防止击穿电流。
73.图4为本发明mcu主控模块示意图，包含stm32f103c8t6基本设置电路及电源滤波电源，其中滤波电路可以保证电源纹波小于mcu的纹波需求；
74.图5为本发明rs232通信模块示意图，采用max3232芯片完成与工控机的rs232通信，max3232具有2路接收器和2路驱动器，采用专有的低压差发送器输出级，利用双电荷泵在3.0v至5.5v电源供电时能够实现真正的rs-232性能，外围需要2个0.1μf和3个0.47μf的外部小尺寸电荷泵电容，确保在120kbps数据速率下维持rs-232输出电平，完成与工控机的交互；
75.图6a为本发明稳压输出模块lmr14030示意图；lmr14030器件是一款具有集成型高侧mosfet的40v、3.5a降压稳压器。实现24v至5v的电源转换，该稳压器关断模式下具有1μa的超低电流，可进一步延长电池使用寿命该稳压器的可调开关频率范围较宽，这使得效率或外部元件尺寸能够得到优化。内部环路补偿能够以最大限度减少器件的外部元件数。精密使能输入简化了稳压器控制和系统电源排序。此外，该器件还内置多种保护特性：逐周期电流限制保护、应对功耗过大的热感测和热关断保护、以及输出过压保护。
76.图6b为本发明稳压输出模块tps62085示意图；tps62085是高频同步的降压转换器，完成5v至3.3v电压输出，此器件主要用于宽输出电流范围内的高效降压转换。该转换器在中等程度的负载到高负载时运行于脉宽调制(pwm)模式，并在轻负载时自动进入省电模式运行，从而在整个负载电流范围内保持高效率。为了满足系统电源轨的需求，内部补偿电路支持10μf到150uf的宽范围外部输出电容值选项。凭借dcscontrol架构，该器件可实现出色的负载瞬态性能和输出稳压精度。
77.图7为本发明电源保护模块示意图，图7中为24v电源输入电路。fs1为保险丝，超过8a会熔断，保护电路。d3为tvs二极管又名瞬态抑制二极管，是一种普遍使用的新型高效电
路保护器件，能降低微处理器或单片机因瞬间的脉冲(如静电放电效应、交流电源之浪涌及开关电源的噪音)造成失灵的几率。bnx002高性能滤波器用于直流电源电路电源滤波，bnx002滤波器包含一个贯通型电容器、单片式电容器和磁珠，滤波器可获取0.5mhz到1ghz宽频率范围的高插入损耗，抑制emi噪声。
78.图9为ad检测模块示意图，ad检测模块可以完成对外界主电压和电池电压的检测，确认是否存在意外断电情况和完成对电池状态的分析，更优的保证电池充电符合电池标准使用方式。
79.图10为继电器控制模块示意图，继电器控制模块用来完成电池物理层面上的管控，在外界主电压缺失后，使用继电器完成对电池的物理隔绝，杜绝电池的持续放电。在外界主电压恢复后，通过mos电路控制完成对电池的连接，对电池情况分析后进行充电。
80.在具体应用中，对电池组进行充电逻辑进行保护：电池组以0.2ita恒流充电，当电池组端电压达到充电限制电压(预设的电压值的95％)时，改为恒压充电，直到充电电流小于或等于0.01ita，最长充电时间不大于8h，停止充电。在充满电后关闭充电逻辑。
81.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。