本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种基于能量回馈的康复运动器材控制系统及控制方法。
背景技术：
伴随我国经济发展、产业结构转型，城镇化进程的推进、居民收入水平的持续增长以及居民健身意识的不断提升，为我国健身器材消费市场的增长提供充足的消费动能。运动器材，尤其是康复运动器材越来越成为当前生活中一种有积极效益的健身康复设备，为了适应人民不断增长的健身、康复需求，运动器材市场也在不断更新变化，各大厂商也在不断推出新一代的产品。
目前市场上运动器材的负载形式主要有配重式、气阻式和电磁控飞轮式，使用者通过消耗自身的生物能来产生抵抗负载阻力的能量，这一部分的能量主要体现在负载所获得的机械能(动能和势能)，最终都将转换为热能。产生的热能并不能对使用者抑或运动器材带来任何正面的效益，甚至当散热效果不佳，会降低运动器材的使用寿命，所以收集这一部分多余的能量在绿色健康运动领域就显得十分必要。
同时，传统的负载形式，都是要求使用者通过主动锻炼的方式来达到健身的效果，并不能同时满足肌肉力量损伤、神经系统衰弱人群的康复治疗需求。电磁控飞轮式虽然可以达到被动训练，但他要求使用者一开始能使用较大的力来启动，这对于康复治疗的使用者来说就非常不便，还存在安全隐患。且此类负载形式都不利于能量回收的有效实施，往往需要伴随运动器材本身的改造、加装额外机构，不能提供一步到位的解决方案。
所以我们欲采用伺服控制的方式，容易发现采用伺服系统来控制的运动器材在人体做康复运动时，相当于人体对电机做功，电机按照设定参数产生扭矩，人体运动产生的力超过电机扭矩产生的阻力，带动电机线圈在磁场中运动，电机线圈切割磁力线产生反电动势和感应电流，即人力直接对电机做功。
人体锻炼产生的功，通过电机和驱动器转化成直流电能储存在驱动器直流回路的大电容中，导致大电容电压逐渐升高。随着锻炼的持续进行，大电容中吸收的电能越来越多，电容电压就越来越高。如果不及时释放掉电容中存储的电能，就会产生过压故障，可能损坏驱动器和电机。
现有技术中，采用伺服控制器控制的领域均采用制动电阻消耗电容中存储的电能的方法来防止电容过压。但是使用这种制动电阻耗能的方法，不仅浪费了电容中存储的电能，还会因为制动电阻耗能会产生大量热量，这些大量热量积蓄在运动康复训练器材的电控箱中，使电控箱中的温度持续上升，可能造成未知风险，降低了康复训练器材的安全性。
技术实现要素：
本发明采用交流伺服电机替代配重式、气阻式或者电磁控飞轮式负载，并使得其可在民用电场景下使用。当人体做锻炼运动时，人体拖拽交流永磁同步电机转子相对定子作旋转运动，电机定子线圈在电机转子永磁材料产生的磁场中作切割磁力线运动，电机线圈切割磁力线产生反电动势和感应电流，即交流永磁同步电机处于发电状态。本发明提供一种将运动康复训练器材训练中产生的机械能转换为电能，通过能量回馈模块将再生电能回馈到电网，回收利用，从而达到节能减排的目的。
为达到上述目的，本发明所采用的具体技术方案如下：
一种基于能量回馈的康复运动器材控制系统，其关键在于：包括伺服电机(1)和能量回馈模块(2)，所述伺服电机(1)与康复运动器材相连并设置有主动模式和被动模式；
在主动模式下，所述伺服电机(1)将来自所述康复运动器材的机械能和动能转化为电能，并通过所述能量回馈模块(2)处理后送入电网电力系统中；
在被动模式下，所述伺服电机(1)利用电网电力系统中的电能，并在控制电路的控制下，给所述康复运动器材提供可变负载。
可选地，所述能量回馈模块(2)中设置有pwm逆变控制模块和pwm整流回馈控制模块，所述控制电路中设置有第一ipm智能功率模块(3)和第二ipm智能功率模块(4)，在所述第一ipm智能功率模块(3)与电网之间设置有电抗器(5)，在第一ipm智能功率模块(3)和第二ipm智能功率模块(4)之间设置有滤波电容器(6)，所述pwm整流回馈控制模块采集所述电抗器(5)的输入输出参数并控制所述第一ipm智能功率模块(3)工作，所述pwm逆变控制模块采集所述伺服电机(1)的输入输出参数并控制所述第二ipm智能功率模块(4)工作。
可选地，所述pwm整流回馈控制模块包括电压环、第一电流环、相序检测及pll电路、第一积分器和耦合驱动电路；
所述电压环的一个输入端与所述电抗器(5)的输出端连接，用于获取母线电压vd；电压环的另一输入端与所述第一电流环相连，用于获取内部母线电压基准值vd*；电压环将两个输入端电压进行比较得到误差电压ud；
所述第一电流环用于检测母线电流id并得到误差电压ud*；
所述耦合驱动电路将ud、ud*进行park逆变换和空间矢量调制，最后传送到第一ipm智能功率模块(3)，实现整流和能量回馈；
所述相序检测及pll电路采集的参数经第一积分器积分得到输入交流电源的相位角β，用于向所述耦合驱动电路提供相位角。
可选地，所述pwm逆变控制模块包括速度环、第二电流环、第二积分器和解耦驱动电路，其中：
速度环：通过速度传感器检测伺服电机转速n，结合预设的基准转速n*由比较器进行计算得到差值电压un；
第二电流环：用于检测伺服电机的三相输入电流并分别记为iu、iv、iw；
解耦驱动电路：将iu、iv、iw分别送入三个比较器，和预设基准电流id*比较，然后分别送入运算器进行计算得到差值电压uu、uv和uw，该解耦驱动电路再将un、uu、uv以及uw进行park逆变换和空间矢量调制，最后传送到所述第二ipm智能功率模块(4)，实现逆变和能量回馈；
所述第二积分器输入端获取v相电压，经积分得到伺服电机的相位角δ，作为解耦驱动电路电相位角。
结合上述控制系统，本发明还提出了一种基于能量回馈的康复运动器材控制方法，其关键在于：通过在伺服电机(1)的输出端连接能量回馈模块(2)，当储存在伺服电机(1)中的能量高于设定阀值时，多余的能量经过所述能量回馈模块(2)回馈到电网电力系统中。
可选地，所述伺服电机(1)在控制电路的控制下具有主动模式和被动模式；
在所述主动模式状态下，康复患者通过所述控制电路选择不同阻力模式，控制电路输出不同的电流及电压给所述伺服电机，实现负载可调；在健身康复患者在锻炼时，通过所述康复运动器材对所述伺服电机做功，所述伺服电机进入发电状态，通过所述控制电路处理后将电能送入电网电力系统中；
在所述被动模式状态下，所述伺服电机将作为电动机使用，健身康复患者通过所述控制电路选择不同的锻炼负载，使得伺服电机产生不同的扭矩，配合康复患者的锻炼。
本发明的显著效果是：
1)进行康复训练产生的再生电能通过能量回馈单元转换后，可以将电能直接上传回电网，实现了节能的目的。
2)取代了传统依靠自动单元吸收再生电能，在通过内部发热的方式消耗掉，降低了整个动力电气单元的温度，节约了降温设备。
3)加入了能量回馈单元，避免了再生电能加持到驱动器和电机造成驱动电机的损坏，提高了运动康复训练器材的安全性。
4)提供了新的负载形式，民用场景下安装方便，使健身康复者有更多选择，为康复患者的锻炼提供了更加舒适、有效的方式，从主动锻炼到被动锻炼的自然转换。
5)本套控制系统的引入降低了当前康复运动器材的改造、开发成本，有利简化了能量回收的实施，使这一种安全、绿色、健康简便的康复运动器材得以实现。
附图说明
图1为本发明的系统原理框图。
附图标记：1-伺服电机、2-能量回馈模块、3-第一ipm智能功率模块、4-第二ipm智能功率模块、5—电抗器、6—滤波电容器。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本实施例公开一种基于能量回馈的康复运动器材控制系统，通过采用pwm控制技术，在电源输入端与第一ipm智能功率模块之间接入电抗器，对系统输入电压、电流和电机驱动电流、转速进行采样与计算，精确控制康复运动器材负载(电机)速度、加速度、力矩以及能量回馈。
伺服电机在控制电路的控制下可以选择主动模式和被动模式。在主动模式状态下，康复患者可以通过控制电路的智能控制面板选择不同阻力模式，也就是通过控制电路向所述伺服电机输出给不同的电流及电压，使得所述伺服电机产生了不同的扭矩，提供了可以调节的负载。健身康复患者在锻炼时，通过所述康复运动器材对所述伺服电机做功，伺服电机也就进入了发电状态，通过所述控制电路处理将电能并入电网电力系统。
在被动模式状态下，所述伺服电机将作为电动机使用，健身康复患者可通过所述控制电路选择不同的锻炼负载，也就是通过控制电路向伺服电机输出不同的电流及电压，使得伺服电机产生不同的扭矩，提供了可以调节的负载，甚至可以提供可按预先设置好的负载曲线，提供变化的负载，配合康复患者的锻炼。
如图1所示，在具体实施时，能量回馈模块2中设置有pwm逆变控制模块和pwm整流回馈控制模块，所述控制电路中设置有第一ipm智能功率模块3和第二ipm智能功率模块4，在所述第一ipm智能功率模块3与电网之间设置有电抗器5，在第一ipm智能功率模块3和第二ipm智能功率模块4之间设置有滤波电容器6，所述pwm整流回馈控制模块采集所述电抗器5的输入输出参数并控制所述第一ipm智能功率模块3工作，所述pwm逆变控制模块采集所述伺服电机1的输入输出参数并控制所述第二ipm智能功率模块4工作。
通过图1可以看出，所述pwm整流回馈控制模块包括电压环、第一电流环、相序检测及pll电路、第一积分器和耦合驱动电路；pwm整流回馈控制模块通过矢量变换、pid调节和双闭环控制实现pwm整流回馈控制，所述双闭环控制分为电流环和电压环(系统直流母线电压)。双闭环控制保证系统直流母线电压保持310vdc稳定，具体地：
所述电压环的一个输入端与所述电抗器5的输出端连接，用于获取母线电压vd；电压环的另一输入端与所述第一电流环相连，用于获取内部母线电压基准值vd*；电压环将两个输入端电压进行比较得到误差电压ud；
所述第一电流环用于检测母线电流id并得到误差电压ud*；
所述耦合驱动电路将ud、ud*进行park逆变换和空间矢量调制，最后传送到第一ipm智能功率模块3，实现整流和能量回馈；
所述相序检测及pll电路采集的参数经第一积分器积分得到输入交流电源的相位角β，用于向所述耦合驱动电路提供相位角。
通过图1还可以看出，所述pwm逆变控制模块包括速度环、第二电流环、第二积分器和解耦驱动电路，pwm逆变控制模块采用pid调节和双闭环控制：电流环控制伺服电机输出力矩，速度环控制伺服电机转速，确保康复运动器材负载(电机)严格按照设定运动负载曲线运动，其中：
速度环：通过速度传感器检测伺服电机转速n，结合预设的基准转速n*由比较器进行计算得到差值电压un；
第二电流环：用于检测伺服电机的三相输入电流并分别记为iu、iv、iw；
解耦驱动电路：将iu、iv、iw分别送入三个比较器，和预设基准电流id*比较，然后分别送入运算器进行计算得到差值电压uu、uv和uw，该解耦驱动电路再将un、uu、uv以及uw进行park逆变换和空间矢量调制，最后传送到所述第二ipm智能功率模块(4)，实现逆变和能量回馈；
所述第二积分器输入端获取v相电压，经积分得到伺服电机的相位角δ，作为解耦驱动电路电相位角。
结合上述系统，本实施例也提出了一种基于能量回馈的康复运动器材控制方法，即通过在伺服电机1的输出端连接能量回馈模块2，当储存在伺服电机1中的能量高于设定阀值时，多余的能量经过所述能量回馈模块2回馈到电网电力系统中。
具体控制时，所述伺服电机1在控制电路的控制下具有主动模式和被动模式；
在所述主动模式状态下，康复患者通过所述控制电路选择不同阻力模式，控制电路输出不同的电流及电压给所述伺服电机，实现负载可调；在健身康复患者在锻炼时，通过所述康复运动器材对所述伺服电机做功，所述伺服电机进入发电状态，通过所述控制电路处理后将电能送入电网电力系统中；
在所述被动模式状态下，所述伺服电机将作为电动机使用，健身康复患者通过所述控制电路选择不同的锻炼负载，使得伺服电机产生不同的扭矩，配合康复患者的锻炼。
通过采用pwm控制技术实现能量回馈，能量回馈模块主要包括：pwm逆变控制模块和pwm整流回馈控制模块。当人体被动运动时，伺服电机处于用电模式，能量由电网交流电经第一ipm智能功率模块整流、滤波电容器、第二ipm智能功率模块，传送到伺服电机，消耗电能；当人体主动运动(锻炼)时，伺服电机处于发电模式，对滤波电容器充电使其电压升高，第一ipm智能功率模块中igbt开关元件在pwm控制下将再生能量回馈到电网。
由此以来，通过能量回馈模块将人体锻炼产生的再生能量回馈给电网，输出电流功率因素接近1，对电网干扰小，一方面实现能能量的回收利用，另一方面，取代了传统负载形式，降低对降温设备的需求，同时提高了运动康复训练器材的安全性。
最后需要说明的是，本实施例描述仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。