超级电容模组和协作机器人系统的制作方法

本发明实施例涉及电路技术领域，尤其涉及一种超级电容模组和协作机器人系统。

背景技术：

随着技术的不断发展，工业机器人由传统工业机器人朝着协作机器人的方向发展。与传统工业机器人不同的是，协作机器人的驱动和电机都一体化集成于各个关节中，而驱动是最直接的耗电部件，实际平均功率小，瞬时功率很高。以机器人在典型工作状态下为例，瞬时功率通常为平均功率的5～6倍。

在协作机器人系统中通常设置有控制柜和机器人本体两大组件，控制柜与本体之间通过一根重载线进行电气连接，给机器人本体供电。当母线电流很大时，在重载线上会产生很大的损耗，线缆越长，内阻越大，本体电压跌落也就越大。所以通常为了避免电压跌落至欠压阈值，重载线规格和长度都有严格限制，不允许随意延长。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种超级电容模组和协作机器人系统，以降低重载线的损耗，以便于重载线的延长。

第一方面，本发明实施例提供了一种超级电容模组，包括：

电源输入端和电源输出端，所述电源输入端用于输入电源电压，所述电源输出端用于输出电源电压；

超级电容模块，与所述电源输入端电连接；所述超级电容模块用于存储电源电压，并输出；

供电开关模块，连接于所述超级电容模块和所述电源输出端之间；所述供电开关模块包括并联连接的软启动电路和功率主回路；所述软启动电路用于在上电初期输出电源电压，所述功率主回路用于延时输出电源电压；

急停电压检测模块，所述急停电压检测模块的第一检测输入端与所述电源输入端电连接，所述急停电压检测模块的输出端与所述供电开关模块电连接；所述急停电压检测模块用于在检测到所述电源输入端断电时，发出急停信号。

可选地，所述超级电容模块包括：

串联连接的功率二极管和多个单节超级电容；其中，所述功率二极管的阳极与所述电源输入端电连接，所述功率二极管的阴极与第一级所述单节超级电容电连接；多个所述单节超级电容依次串联，最后一级所述单节超级电容接地。

可选地，所述超级电容模块还包括：

充电保护电路，所述充电保护电路用于对每个所述单节超级电容进行过压保护。

可选地，所述软启动电路包括：串联连接的第一开关和负温度系数电阻；所述第一开关的第一端与所述超级电容模组电连接，所述第一开关的第二端与所述负温度系数电阻的第一端电连接，所述负温度系数电阻的第二端与所述电源输出端电连接；

所述功率主回路包括：并联连接的反向续流二极管和第二开关；所述第二开关的第一端与所述超级电容模组电连接，所述第二开关的第二端与所述电源输出端电连接，所述反向续流二极管的阳极与所述电源输出端电连接，所述反向续流二极管的阴极与所述超级电容模组电连接。

可选地，所述第一开关为继电器、接触器或MOSFET；

所述第二开关为继电器、接触器或MOSFET。

可选地，超级电容模组还包括：

输出过流保护模块，连接于所述供电开关模块和所述电源输出端之间，且所述输出过流保护模块的检测输出端与所述急停电压检测模块电连接；所述输出过流保护模块用于在输出过流时，向所述急停电压检测模块输出电流检测信号。

可选地，所述急停电压检测模块包括：

第一电阻，所述第一电阻的第一端与所述电源输入端电连接；

第二电阻，所述第二电阻的第一端与所述第一电阻的第二端电连接，所述第二电阻的第二端接地；

第一比较器，所述第一比较器的第一输入端接入第一比较电压，所述第一比较器的第二输入端与所述第一电阻的第二端电连接；

第二比较器，所述第二比较器的第一输入端接入第二比较电压，所述第二比较器的第二输入端接入电流检测信号；

D触发器，所述D触发器的数据端接入直流电压，所述D触发器的时钟端与所述第二比较器的输出端电连接；

逻辑与门，所述逻辑与门的第一输入端与所述第一比较器的输出端电连接，所述逻辑与门的第二输入端与所述D触发器的第一输出端电连接，所述逻辑与门的输出端与所述供电开关模块电连接。

可选地，超级电容模组还包括：

电源模块，所述电源模块包括Buck电路，所述电源模块的输入端与所述电源输入端电连接，所述电源模块用于将电源电压转换为所述直流电压；

LED指示灯，所述LED指示灯与所述D触发器的第二输出端电连接，所述LED指示灯用于指示过流状态。

可选地，所述输出过流保护模块包括：

串联连接的高边电流检测电阻和保险丝，所述高边电流检测电阻的第一端与所述供电开关模块电连接，所述高边电流检测电阻的第二端与所述保险丝的第一端电连接，所述保险丝的第二端与所述电源输出端电连接；

放大器，所述放大器的第一输入端与所述高边电流检测电阻的第一端电连接，所述放大器的第二输入端与所述高边电流检测电阻的第二端电连接，所述放大器的输出端用于输出电流检测信号。

第二方面，本发明实施例还提供了一种协作机器人系统，包括：机器人控制器、机器人本体和如本发明任意实施例所述的超级电容模组；所述超级电容模组的电源输入端与所述机器人控制器电连接，所述超级电容模组的电源输出端与所述机器人本体电连接，且所述超级电容模组配置在靠近所述机器人本体端。

本发明实施例提供的超级电容模组，至少能够实现以下有益效果：

第一方面，利用超级电容具有充放电快、内阻小和容量大等特点，可以有效解决系统线缆前部的线损导致的电压跌落问题，使得负载的瞬时功率补偿由超级电容模组提供，使得系统前部线缆上的电流不会瞬时增大，减小了重载线的静态损耗。因此，系统提供的更小的功率电源即可，有利于减小电源体积、有效降低系统成本。

进一步地，本发明实施例尤其适用于机器人控制器和机器人本体布置等距离较远的应用场合，由于有效降低了重载线的线损，使得重载线支持大幅延长，例如，前部重载线的长度可达30m。

第二方面，本发明实施例提供的超级电容模组还能够实现回馈能量吸收，具体地，在负载电机减速时，会产生反向电动势，导致母线电压升高，由于超级电容的存在，回馈能量可以直接吸收，无需制动造成电能浪费，在典型工况下可省电约10％。

第三方面，本发明实施例提供的超级电容模组支持急停功能响应，在控制柜端拍急停信号后，超级电容模组可以及时检测电源输入端的电压变化，给超级电容模块的输出断电，提升使用时的安全性能。本发明实施例提供的这种具有急停响应和保护机制的超级电容模组可以应用于协作机器人电气系统中。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种协作机器人系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种超级电容模组的电路示意图；

图3为本发明实施例提供的一种超级电容模块的电路示意图；

图4为本发明实施例提供的一种供电开关模块的电路示意图；

图5为本发明实施例提供的一种急停电压检测模块的电路示意图；

图6为本发明实施例提供的一种输出过流保护模块的电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

本发明实施例提供了一种超级电容模组，超级电容模组可适用于在典型工作状态下的瞬时功率大于平均功率的倍数较高的电机系统和场合，尤其适用于控制柜和电机负载距离较远的情况。例如，协作机器人系统，机器人在典型工作状态下，瞬时功率通常为平均功率的5～6倍。下面以协作机器人系统为例对本发明实施例进行说明，但不作为对本发明的限定。

图1为本发明实施例提供的一种协作机器人系统的结构示意图。参见图1，协作机器人系统包括：机器人控制器10、机器人本体30和超级电容模组20；超级电容模组20的电源输入端21与机器人控制器10电连接，超级电容模组20的电源输出端22与机器人本体30电连接，且超级电容模组20配置在靠近机器人本体30的一端。

其中，超级电容模组20具有充放电快、内阻小和容量大等特点。机器人控制器10和超级电容模组20通过线缆A连接，超级电容模组20和机器人本体30通过线缆B连接，线缆A和线缆B均为重载线。本发明实施例通过在靠近机器人本体30的一端(即重载线末端)增加超级电容模组20，可以有效解决线缆前部(线缆A)的线损导致的电压跌落问题。

具体分析如下：机器人本体30的工作特性为，平均功率Prms很小，瞬时功率Pmax大，例如，两者存在Pmax≥6*Prms的数量关系。在现有技术中，机器人控制器10中的大功率电源直接向机器人本体30供电，在重载线上会产生很大的损耗。增加超级电容模组20后，机器人本体30的瞬时功率补偿由超级电容模组20提供，使得线缆A上的电流不会瞬时增大，从而限制了线缆A的电流，减小了重载线的静态损耗；与此同时，机器人控制器10提供的更小的功率电源即可，有利于减小电源体积、有效降低系统成本。进一步地，本发明实施例尤其适用于机器人控制器10和机器人本体30布置等距离较远的应用场合，由于有效降低了重载线的线损，使得线缆A支持大幅延长，例如，线缆A的长度可达30m，线缆B的长度可不超过2m。

另外，本发明实施例提供的超级电容模组20还能够实现回馈能量吸收，具体地，在机器人本体30减速时，会产生反向电动势，导致母线电压升高。在现有技术中，通过控制MOSFET给功率电阻进行泄放，以热能形式消耗。本发明实施例增加超级电容模组20，由于大电容存在，回馈能量可以直接吸收，无需制动造成电能浪费，在典型工况下可省电约10％。

以下对超级电容模组20的电路设置方式进行说明。

图2为本发明实施例提供的一种超级电容模组的电路示意图。参见图2，超级电容模组20包括电源输入端21、电源输出端22、超级电容模块23、供电开关模块24和急停电压检测模块25。电源输入端21用于输入电源电压，电源输出端22用于输出电源电压；超级电容模块23与电源输入端21电连接；超级电容模块23用于存储电源电压，并输出；供电开关模块24连接于超级电容模块23和电源输出端22之间；供电开关模块24包括并联连接的软启动电路241和功率主回路242；软启动电路241用于在上电初期输出电源电压，功率主回路242用于延时输出电源电压；急停电压检测模块25的第一检测输入端与电源输入端21电连接，急停电压检测模块25的输出端与供电开关模块24电连接；急停电压检测模块25用于在检测到电源输入端21断电时，发出急停信号。

示例性地，该超级电容模组的工作过程为：当给机器人本体上电时，机器人控制器给超级电容模块23进行恒流充电。正常工作情况下，超级电容模块23充满电后，分别输出给软启动电路241和功率主回路242，软启动电路241和功率主回路242负责控制机器人本体电压的通断。具体地，在急停信号无异常的情况下，在给机器人本体上电的瞬间，由软启动电路241导通，输出给机器人本体供电；在延时预设时间后，切换为功率主回路242导通，输出给机器人本体供电。在急停电压检测模块25检测到电源输入端21断电时，急停信号异常，控制供电开关模块24(包括软启动电路241和功率主回路242)断开机器人本体电压，从而不会受到超级电容模块23存储的剩余电压延时断电的影响。

本发明实施例设置超级电容模组，第一方面，利用超级电容具有充放电快、内阻小和容量大等特点，可以有效解决系统线缆前部的线损导致的电压跌落问题，使得负载的瞬时功率补偿由超级电容模组提供，使得系统前部线缆上的电流不会瞬时增大，减小了重载线的静态损耗。因此，系统提供的更小的功率电源即可，有利于减小电源体积、有效降低系统成本。进一步地，本发明实施例尤其适用于机器人控制器和机器人本体布置等距离较远的应用场合，由于有效降低了重载线的线损，使得重载线支持大幅延长，例如，前部重载线的长度可达30m。第二方面，本发明实施例提供的超级电容模组还能够实现回馈能量吸收，具体地，在负载电机减速时，会产生反向电动势，导致母线电压升高，由于超级电容的存在，回馈能量可以直接吸收，无需制动造成电能浪费，在典型工况下可省电约10％。第三方面，本发明实施例提供的超级电容模组支持急停功能响应，在控制柜端拍急停信号后，超级电容模组可以及时检测电源输入端21的电压变化，给超级电容模块23的输出断电，提升使用时的安全性能。本发明实施例提供的这种具有急停响应和保护机制的超级电容模组可以应用于协作机器人电气系统中。

继续参见图2，在上述各实施例的基础上，可选地，超级电容模组还包括输出过流保护模块26。输出过流保护模块26连接于供电开关模块24和电源输出端22之间，且输出过流保护模块26的检测输出端与急停电压检测模块25电连接；输出过流保护模块26用于在输出过流时，向急停电压检测模块25输出电流检测信号。可选地，超级电容模组还包括LED指示灯28，LED指示灯28用于指示过流状态。

示例性地，急停电压检测模块25不仅能够检测电源输入端21的电压异常，还能够接收电流检测信号，具体地，在急停信号和过流保护信号均无异常的情况下，在给机器人本体上电的瞬间，由软启动电路241导通，输出给机器人本体供电；在延时预设时间后，切换为功率主回路242导通，输出给机器人本体供电。在急停信号或过流保护信号发生异常的情况下，急停电压检测模块25控制供电开关模块24(包括软启动电路241和功率主回路242)断开机器人本体电压。

继续参见图2，在上述各实施例的基础上，可选地，超级电容模组还包括：电源模块27。电源模块27通常包括Buck电路，电源模块27的输入端与电源输入端21电连接，电源模块27用于将电源电压转换为直流电压。示例性地，当给机器人本体上电时，在机器人控制器给超级电容模组进行恒流充电的同时，给电源模块27提供输入电压，电源模块27得电后转换为直流电压，给超级电容模组中的其他模块(例如，急停电压检测模块25和输出过流保护模块26等)提供供电电源。

在上述各实施例的基础上，各电路模块的设置方式有多种，下面进行示例性地说明，但不作为对本发明的限定，

图3为本发明实施例提供的一种超级电容模块的电路示意图。参见图3，在本发明的一种实施方式中，可选地，超级电容模块23包括：串联连接的功率二极管D1和多个单节超级电容。其中，多个单节超级电容包括第一级单节超级电容C1、第二级单节超级电容C2、第三级单节超级电容C3、第四级单节超级电容C4、……、最后一级单节超级电容Cx。功率二极管的阳极与电源输入端电连接，功率二极管的阴极与第一级单节超级电容C1电连接；多个单节超级电容依次串联，最后一级单节超级电容Cx接地GND。功率二极管D1用于单向导通输入电压VIN和电容电压V_cap，当输入电压VIN掉电时不受电容电压V_cap的影响。

示例性地，设定单节超级电容耐压为V1，电容值为C1，内阻为RESR，级联数量为x，则总的耐压Va＝V1·x，总内阻为RESR·x，级联电容值Ca＝C1/x。

设定机器人本体工作时允许的电压跌落值为ΔUmax，机器人本体工作时的峰值电流为IPeak，持续时间为dt，超级电容模组至机器人本体的线缆内阻为Rline。那么可以得到以下公式：

超级电容放电跌落电压：ΔU1＝IPeak·dt/Ca；

超级电容总损耗电压：ΔU2＝IPeak·(RESR·x+Rline)；

在设计超级电容模组时仅需满足Va≥VRobot，ΔUmax<ΔU1+ΔU2即可满足应用需求。

继续参见图3，可选地，超级电容模块还包括充电保护电路231，充电保护电路231用于对每个单节超级电容进行过压保护。其中，单节超级电容自身的内阻RESR不一致，在超级电容模块充放电时需要给每个单节超级电容做过压保护。

图4为本发明实施例提供的一种供电开关模块的电路示意图。参见图4，在本发明的一种实施方式中，可选地，软启动电路241包括：串联连接的第一开关K1和负温度系数电阻NTC；第一开关K1的第一端与超级电容模组电连接，接入电容电压V_cap，第一开关K1的第二端与负温度系数电阻NTC的第一端电连接，负温度系数电阻NTC的第二端与电源输出端电连接，并将输出电压V_Out接出。

功率主回路242包括并联连接的反向续流二极管D2和第二开关K2；第二开关K2的第一端与超级电容模组电连接，接入电容电压V_cap，第二开关K2的第二端与电源输出端电连接，将输出电压V_Out接出。反向续流二极管D2的阳极与电源输出端电连接，反向续流二极管D2的阴极与超级电容模组电连接。反向续流二极管D2用于吸收机器人本体或者其它电机等负载制动时的能量回馈。

可选地，第一开关K1为继电器、接触器或MOSFET等开关器件；第二开关K2为继电器、接触器或MOSFET等开关器件。

示例性地，正常工作情况下，超级电容模块充满电后，将电容电压V_cap分别输出给软启动电路和功率主回路，在给机器人本体上电的瞬间，由软启动电路导通(具体为第一开关K1导通)，将输出电压V_Out输出给机器人本体供电；在延时预设时间后，切换为功率主回路导通(具体为第二开关K2导通)，将输出电压V_Out输出给机器人本体供电。在急停电压检测模块检测到电源输入端断电时，急停信号异常，控制第一开关K1和第二开关K2断开机器人本体电压，从而不会受到超级电容模块存储的剩余电压延时断电的影响。

图5为本发明实施例提供的一种急停电压检测模块的电路示意图。参见图5，在本发明的一种实施方式中，可选地，急停电压检测模块25包括：第一电阻R1、第二电阻R2、第一比较器A1、第二比较器A2、D触发器U1和逻辑与门U2。第一电阻R1的第一端与电源输入端电连接，接入输入电压VIN；第二电阻R2的第一端与第一电阻R1的第二端电连接，第二电阻R2的第二端接地；第一电阻R1和第二电阻R2构成分压电路；第一比较器A1的第一输入端接入第一比较电压VREF1，第一比较器A1的第二输入端与第一电阻R1的第二端电连接；第二比较器A2的第一输入端接入第二比较电压VREF2，第二比较器A2的第二输入端接入电流检测信号Ia_detect；D触发器U1的数据端DATA接入直流电压VCC，D触发器U1的时钟端CLOCK与第二比较器A2的输出端电连接；LED指示灯与D触发器U1的第二输出端/Q电连接，LED指示灯用于指示过流状态；逻辑与门U2的第一输入端与第一比较器A1的输出端电连接，接入急停信号E_STOP；逻辑与门U2的第二输入端与D触发器U1的第一输出端Q电连接，接入过流保护信号OC_detect；逻辑与门U2的输出端与供电开关模块电连接，并输出控制信号/Shutdown。

示例性地，急停电压检测模块的工作原理为，当协作机器人工作中，拍急停有效时，机器人控制器输出电压会关闭，输入电压VIN跌落，第一比较器A1检测输入电压VIN，输入电压VIN经第一电阻R1和第二电阻R2分压后低于第一比较电压VREF1，急停信号E_STOP输出低电平。经逻辑与门U2此时输出控制信号/Shutdown为低电平，输出控制信号/Shutdown用于关闭软启动电路和功率主回路。

第二比较器A2检测输出过流保护模块，当输出电流超过设定阈值时，电流检测信号Ia_detect的电压大于第二比较电压VREF2，此时第二比较器A2输出低电平，经过D触发器后过流保护信号OC_detect的电压为低，送入逻辑与门U2，逻辑与门U2此时输出控制信号/Shutdown为低电平，从而关闭软启动电路和功率主回路，关闭输出。

图6为本发明实施例提供的一种输出过流保护模块的电路示意图。参见图6，输出过流保护模块26包括：高边电流检测电阻R_sense、保险丝FUSE、放大器A3和第三电阻R3。高边电流检测电阻R_sense和保险丝FUSE串联连接，高边电流检测电阻R_sense的第一端与供电开关模块电连接，接入输出电压V_Out；高边电流检测电阻R_sense的第二端与保险丝FUSE的第一端电连接，保险丝FUSE的第二端与电源输出端电连接，以输出机器人供电电压V_Robot；放大器A3的第一输入端与高边电流检测电阻R_sense的第一端电连接，放大器A3的第二输入端与高边电流检测电阻R_sense的第二端电连接，放大器A3的输出端用于输出电流检测信号Ia_detect。其中，高边电流检测电阻R_sense和高边放大器A3组成电流检测，送给第二比较器A2(第三电阻R3用作限流电阻)，当输出电流超过设定阈值时关闭机器人电压输出。同时增加保险丝FUSE，可作过流时的物理熔断，提升电路的安全性能。

在上述各实施例中，可选地，第一比较器A1、第二比较器A2和放大器A3等器件还需要接入直流电压提供电源，该直流电压由电源模块提供。

综上所述，本发明实施例设置超级电容模组，能够实现以下有益效果：

第一方面，利用超级电容具有充放电快、内阻小和容量大等特点，可以有效解决系统线缆前部的线损导致的电压跌落问题，使得负载的瞬时功率补偿由超级电容模组提供，使得系统前部线缆上的电流不会瞬时增大，减小了重载线的静态损耗。因此，系统提供的更小的功率电源即可，有利于减小电源体积、有效降低系统成本。

进一步地，本发明实施例尤其适用于机器人控制器和机器人本体布置等距离较远的应用场合，由于有效降低了重载线的线损，使得重载线支持大幅延长，例如，前部重载线的长度可达30m。

第二方面，本发明实施例提供的超级电容模组还能够实现回馈能量吸收，具体地，在负载电机减速时，会产生反向电动势，导致母线电压升高，由于超级电容的存在，回馈能量可以直接吸收，无需制动造成电能浪费，在典型工况下可省电约10％。

第三方面，本发明实施例提供的超级电容模组支持急停功能响应，在控制柜端拍急停信号后，超级电容模组可以及时检测电源输入端的电压变化，给超级电容模块的输出断电，提升使用时的安全性能。本发明实施例提供的这种具有急停响应和保护机制的超级电容模组可以应用于协作机器人电气系统中。

第四方面，本发明实施例提供的超级电容模组为纯硬件电路设计，有利于降低成本且不需编写软件，维护简便。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。