一种能量回收系统的制作方法

1.本发明涉及能量回收领域，尤其涉及一种能量回收系统。


背景技术：

2.机械臂或机器人，例如巡检机器人、操作机器人等，属于高耗能设备。机械臂或机器人运动和操作过程中，内部关节模组或电机等感性用电器时刻在电动状态和制动状态切换，而频繁的制动过程产生了可观的制动能量。如果不进行吸收这些能量，会引起直流母线电压升高，而电压过高将会影响到系统正常运行。当前的技术做法是使用电阻耗能装置，把相当部分能量通过电阻发热的方式进行吸收消耗，但这种传统做法存在较大能量浪费。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明针对上述不足，提出了一种能量回收系统，实现节能降耗的目的。
4.技术方案：
5.一种能量回收系统，包括监测模块、能量回收模块、储能模块、能量反馈模块及控制模块，能量回收模块、储能模块以及能量反馈模块依次连接，能量回收模块和能量反馈模块均与各感性用电器电路连接；监测模块与储能模块连接并监测储能模块内的实时能量，控制模块分别与监测模块、能量回收模块及能量反馈模块连接；
6.监测模块通过对应的连接方式连接在各感性用电器的电路上，用于采集对应电路的对应参数；同时监测模块监测储能模块内的实时能量并发送至控制模块；
7.控制模块根据监测模块采集得到的对应电路的对应参数判断是否需要能量回收或反馈，并根据监测模块监测储能模块内的实时能量信息通过能量回收模块或能量反馈模块进行能量回收或反馈。
8.在各感性用电器稳定工作状态下，控制模块接收监测模块采集得到的各电路的监测参数，并针对其中某一参数进行平滑去噪后得到对应特征作为基准特征；
9.在各感性用电器正常工作状态过程中，控制模块接收监测模块采集得到的各电路的监测参数，并针对其中某一参数进行平滑去噪后得到对应特征作为当前特征；
10.控制模块将当前特征与基准特征进行比对，并根据当前特征波动的正负幅度与基准特征的设定百分比阈值进行对比，判断是否需要能量回收或反馈，并根据监测模块监测储能模块内的实时能量信息通过能量回收模块或能量反馈模块进行能量回收或反馈。
11.在控制模块中预先设置有储能模块的第一无能量阈值和第一满能量阈值，在监测模块采集得到储能模块的实时能量小于等于第一无能量阈值的时候，储能模块无法反馈能量；在监测模块采集得到储能模块的实时能量大于等于第一满能量阈值的时候，储能模块无法回收能量。
12.所述设定百分比阈值根据施密特回滞特性，得到对应的能量回收开始阈值、能量回收停止阈值、能量反馈开始阈值及能量反馈停止阈值；
13.控制模块根据当前特征波动的正负幅度与基准特征的前述阈值进行比对：
14.在当前特征波动的正负幅度大于能量回收开始阈值、同时储能模块内实时能量小于第一满能量阈值时，控制能量回收模块从各感性用电器电路回收能量，并存储至储能模块；直至当前特征波动的正负幅度小于能量回收停止阈值或储能模块内实时能量大于或等于第一满能量阈值；
15.在当前特征波动的正负幅度大于能量反馈开始阈值，同时储能模块实时能量大于第一无能量阈值时，控制能量反馈模块向各感性用电器电路反馈能量；直至当前特征波动的正负幅度大于能量反馈停止阈值或储能模块内实时能量小于或等于第一无能量阈值。
16.所述监测参数具体为电压和电流，储能模块为电容；
17.在控制模块内预设基准特征的设定百分比阈值p
th
，根据施密特回滞特性，得到充电开始电压阈值z
c
‑
on
＝p
th
+2％、充电停止电压阈值z
c
‑
off
＝p
th
‑
2％、放电开始阈值z
d
‑
on
＝p
th
‑
5％、放电停止阈值z
d
‑
off
＝p
th
‑
1％；
18.定义储能模块的第一无电电压阈值和第一满电电压阈值；
19.在感性用电器稳定工作状态下，控制模块对所述监测模块采集的数据进行平滑去噪得到基准特征值z0；在感性用电器正常工作状态下，控制模块对所述监测模块采集的数据进行平滑去噪得到当前特征值z
i
；
20.控制模块在判断得到z
i
>z
c
‑
on
、储能模块电容电压小于第一满电电压阈值的情况下，控制能量回收模块从对应的感性用电器接收能量并对储能模块进行充电，直至控制模块在监测模块监测得到的z
i
<z
c
‑
off
的情况下控制能量回收模块停止充电；
21.控制模块在判断得到z
i
>z
d
‑
on
、储能模块电容电压大于第一无电电压阈值的情况下，控制能量反馈模块向对应的感性用电器供电；直至控制模块在监测模块监测得到的z
i
>z
d
‑
off
或储能模块电容电压小于等于第一无电电压阈值的情况下控制能量反馈模块停止放电。
22.还包括安全泄放模块，安全泄放模块设置在电源母线或各感性用电器电路与能量回收模块之间，并分别与监测模块和控制模块连接；安全泄放模块在监测模块采集得到储能模块的实时能量大于等于第一满能量阈值时，将多余能量转化为热能释放。
23.还包括二级储能模块，二级储能模块通过充电单元与储能模块连接，且二级储能模块分别与监测模块和能量反馈模块连接，充电单元与控制模块连接，监测模块获取二级储能模块内存储的实时能量；
24.在监测模块采集得到储能模块的实时能量大于等于第一满能量阈值时，充电单元将储能模块的电能转移到二级储能模块中。
25.在控制模块内预设有二级储能模块的第二无能量阈值和第二满能量阈值，当监测模块采集得到二级储能模块的实时能量小于等于第二无能量阈值的时候，储能模块无法反馈能量；在监测模块采集得到储能模块的实时能量大于等于第二满能量阈值的时候，储能模块电容无法回收能量，安全泄放模块将多余能量转化为热能释放。
26.二级储能模块采用能量型的储能设备。
27.所述设定百分比阈值取5％。
28.所述监测模块采集的对应电路的对应参数具体为电压、电流、频率、相位、脉冲计数或脉冲占空比，根据具体参数通过其对应的连接方式将监测模块连接在电源母线或感性
用电器的电路上。
29.针对直接连接在电源母线上的感性用电器，监测模块通过通过对应的连接方式连接在电源母线上并采集相应监测参数，能量回收模块和能量反馈模块均与电源母线连接；控制模块根据相应监测参数及监测模块采集得到的储能模块内的实时能量，判断是否需要能量回收或反馈，并控制能量回收模块或能量反馈模块进行能量回收或反馈。
30.储能模块采用功率型储能设备。
31.有益效果：本发明的能量回收装置能够在机械臂以及机器人制动状态时将机械臂以及机器人内部关节模组或电机等感性用电器制动状态下产生的电能储存再生，在对应部件做功操作的时候再反馈释放出来，完成能量回收再利用的过程，达到节能目的，并且实现方式安全可靠。
附图说明
32.图1为本发明的能量回收系统的架构图。
33.图2为本发明的能量回收系统在可靠性场景下的架构图。
34.图3为本发明另一实施例的能量回收系统的架构图。
35.图4为本发明能量回收的流程图。
36.图5为本发明的能量回收系统在可靠性场景下的流程图。
37.图中：实线连接线表示电源功率联系，箭头方向为电流流向方向，虚线连接线表示控制、监控、通信等逻辑连线，箭头方向为信号输入输出方向。
具体实施方式
38.下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
39.图1为本发明的能量回收系统的架构图。机器人或机械臂内部电源系统由供电器和用电器组成，机器人或机械臂内的用电器中有部分是感性用电器，例如电机、关节模组等，感性用电器在减速、刹车、停机、反转等制动状态下会产生感应电动势、感应电流，能量回收装置通过以下方案完成能量回收再利用的过程。
40.如图1所示，本发明的能量回收系统包括监测模块、控制模块、能量回收模块、储能模块以及能量反馈模块，其中，能量回收模块、储能模块以及能量反馈模块依次连接，且能量回收模块和能量反馈模块均与感性用电器的电路连接，控制模块分别与监测模块、能量回收模块及能量反馈模块连接，能量回收模块和能量反馈模块均通过使能控制接口与控制模块连接，受控制模块控制；能量回收模块可以通过dc/dc模块或者是充电模块、充电电路等方式实施。
41.其中，监测模块为采样元器件或传感器，通过对应的连接方式连接在感性用电器的电路上，用于采集对应电路的电压、电流、频率、相位、脉冲计数、脉冲占空比等监测参数，并发送至控制模块；同时，监测模块与储能模块连接，用以监测储能模块内存储的实时能量。
42.在本发明中，还可以在电源母线上连接监测模块，通过监测模块采集电源母线上的相应监测参数。
43.进一步地，针对直接连接在电源母线上的感性用电器，本发明可以直接通过监测
模块采集其上的相应监测参数，并根据监测模块采集得到的储能模块内的实时能量，控制能量回收模块和能量反馈模块工作，从而进行储能模块的能量回收与反馈。
44.本发明中，为了适配不同的机械臂或机器人电源架构，可以通过上述设计的方案进行选择。
45.能量回收模块从电源母线或感性用电器供电线上接收能量，并存储至储能模块；
46.储能模块用于储存能量，可以通过超级电容或者电池、电池组等方式实施，其状态受监测模块监控；需要指出这里的储能模块应该是功率型的储能模块，以确保可以大功率的从能量回收模块充电和向能量反馈模块放电，保障能量回收装置整体性能。
47.在本发明中，在控制模块中预先设置有储能模块的第一无能量阈值和第一满能量阈值，在监测模块采集得到储能模块的实时能量小于等于第一无能量阈值的时候，储能模块无法反馈能量；在监测模块采集得到储能模块的实时能量大于等于第一满能量阈值的时候，储能模块无法回收能量。
48.能量反馈模块从储能模块接收能量，并转换为合适电压向电源母线或各感性用电器供电；能量反馈模块可以通过dc/dc模块、逆变器或者其他电压变换模块、放电电路等方式实施。
49.在机械臂或机器人稳定工作状态下，控制模块接收监测模块采集得到的各电路的监测参数，并针对其中某一参数进行平滑去噪后得到对应特征作为基准特征；
50.在机械臂或机器人正常工作状态过程中，控制模块接收监测模块采集得到的各电路的监测参数，并针对其中某一参数进行平滑去噪后得到对应特征作为当前特征；并将当前特征与基准特征进行比对，若当前特征波动的正负幅度小于基准特征的设定百分比，则判定该机械臂或机器人为电动状态；否则判定该机械臂或机器人为制动状态。该百分比的设定与机械臂或机器人内部使用供电器与用电器的具体参数有关，通常情况下取值5％；考虑系统状态切换的健壮性，阈值的选取需要加入施密特回滞特性，据此得到该参数作为对比特征时的能量回收开始阈值、能量回收停止阈值、能量反馈开始阈值及能量反馈停止阈值。
51.控制模块根据当前特征与前述阈值判断是否需要充放电，并控制能量回收模块或能量反馈模块工作。
52.图2为本发明的能量回收系统在可靠性场景下的架构图。如图2所示，本发明的能量回收系统进一步被应用于高可靠性要求场景，在能量回收模块前需增加安全泄放模块，以保障机械臂及机器人在以下任意异常情况下仍能正常工作；安全泄放模块分别与监测模块和控制模块连接，安全泄放模块带有使能控制接口，受控制模块控制，安全泄放模块使能开启后能独立工作。
53.在电源母线或感性用电器供电线瞬间产生过多能量的情况下，监测模块监测到储能模块快速被充满，或电源母线的能量需求在一定时间内减少，监测模块监测到储能模块能量未来得及及时反馈释放，即在监测模块采集得到储能模块的实时能量大于等于第一满能量阈值时；又或者能量回收模块、能量反馈模块、储能模块、监测模块、控制模块等任一模块产生故障导致整体功能异常的情况下，安全泄放模块将多余能量转化为热能释放。
54.图3为本发明另一实施例的能量回收系统的架构图。如图3所示，在图2方案的基础上还设有二级储能模块，二级储能模块通过充电单元与储能模块连接，且二级储能模块分
别与监测模块和能量反馈模块连接，充电单元与控制模块连接，监测模块获取二级储能模块内存储的实时能量；本发明进一步被应用于大量能量回收场景，这些场景包括但不限于机器人长距离下坡、操作机器人重复从高处搬运重物到低处等，监测模块监测到储能模块快速被充满，或电源母线的能量需求在一定时间内减少，监测模块监测到储能模块能量未来得及及时反馈释放，即在监测模块采集得到储能模块的实时能量大于等于第一满能量阈值时，充电单元将储能模块的电能转移到二级储能模块中，充电单元可以独立或者受控工作，充电单元的工作状态可通过数据通信接口提供给控制模块；充电单元也可以通过dc/dc模块或者是充电模块、充电电路等方式实施。
55.二级储能模块用于储存能量，可以通过超级电容或者电池、电池组等方式实施，其状态也受监测模块监控。需要指出：区别于一级储能模块的功率型储能，这里的二级储能模块采用能量型的储能模块，以确保可以满足大容量能量存储扩展的需求，二级储能模块也可以通过能量反馈模块向设备的各种用电器供电。
56.在本发明中，在控制模块内预设有二级储能模块的第二无能量阈值和第二满能量阈值，当监测模块采集得到二级储能模块的实时能量小于等于第二无能量阈值的时候，储能模块无法反馈能量；在监测模块采集得到储能模块的实时能量大于等于第二满能量阈值的时候，储能模块电容无法回收能量。
57.二级储能模块放电方式与一级储能模块放电方式类似。
58.以下实施例中，感性用电器以直流电机为例、监测模块以监测直流电机的电压、电流参数为例。使用其他感性用电器或者监测模块监测其他参数、或利用相关参数进行组合计算亦可达到同样的效果。
59.监测模块通过布置在直流电机母线接入位置上或感性用电器电路上的电压和电流传感器进行采样，所述采样频率为f
s
；
60.机械臂或机器人稳定工作状态下，监测模块监测直流电机母线接入位置上或感性用电器电路上的电压和电流，采样值进行平滑去噪后分别是u0、i0，此值作为基准特征值z0；
61.机械臂或机器人正常工作状态过程中当前时刻i，监测模块监测直流电机母线接入位置上或感性用电器电路上的电压和电流，采样值进行平滑去噪后分别是u
i
、i
i
，此值作为当前特征值z
i
；
62.将当前特征值z
i
与基准特征值z0进行比对，若当前特征值z
i
的波动正负幅度小于基准特征值z0的设定百分比p
th
，则判定该机械臂或机器人为电动状态；否则判定该机械臂或机器人为制动状态；该百分百的设定与机械臂或机器人内部使用的感性供电器与感性用电器的具体电气参数有关，通常情况下取值p
th
＝5％；
63.考虑系统状态切换的健壮性，阈值的选取需要加入施密特回滞特性：于是得到充电开始电压阈值z
c
‑
on
＝p
th
+2％、充电停止电压阈值z
c
‑
off
＝p
th
‑
2％、放电开始阈值z
d
‑
on
＝p
th
‑
5％、放电停止阈值z
d
‑
off
＝p
th
‑
1％。
64.储能模块以电容为实施例：定义储能模块的第一无电电压阈值和第一满电电压阈值，电压小于等于第一无电电压阈值的时候，储能模块的电容不对外放电；电压大于等于第一满电电压阈值的时候，储能模块电容无法接受充电。
65.控制模块在监测模块检测得到z
i
>z
c
‑
on
后，确定储能模块电容电压小于第一满电电压阈值，则通过使能控制接口开启能量回收模块，能量回收模块从电源母线或对应的感性
用电器供电线接收能量并快速对储能模块电容进行充电，使电源母线或感性用电器供电线电压峰值趋于稳定；控制模块维持开启能量回收模块，直至监测模块检测到z
i
<z
c
‑
off
后通知控制模块，控制模块通过使能控制接口关闭能量回收模块。
66.控制模块得到监测模块检测到的z
i
>z
d
‑
on
后，确定储能模块电容电压大于第一无电电压阈值，则通过使能控制接口开启能量反馈模块，储能模块通过能量反馈模块向电源母线或对应的感性用电器供电；并且控制模块在电源母线或感性用电器供电线z
d
‑
on
<z
i
<z
d
‑
off
的时候，维持开启能量反馈模块，直至监测模块检测到电源母线或感性用电器供电线z
i
>z
d
‑
off
或者储能模块电容电压小于等于第一无电电压阈值，控制模块通过使能控制接口关闭能量反馈模块。
67.如图4所示，机械臂及机器人能量回收装置工作流程，充电过程和放电过程独立判断，互补交叉。
68.如图4所示，本发明的能量回收方法包括如下步骤：
69.(1)在各感性用电器稳定工作状态下，控制模块接收监测模块采集得到的各电路的监测参数，并针对其中某一参数进行平滑去噪后得到对应特征作为基准特征；
70.(2)在各感性用电器正常工作状态过程中，控制模块接收监测模块采集得到的各电路的监测参数，并针对其中某一参数进行平滑去噪后得到对应特征作为当前特征；
71.(3)控制模块将当前特征与基准特征进行比对，并根据当前特征波动的正负幅度与基准特征的设定百分比阈值进行对比，判断是否需要能量回收或反馈，并根据监测模块监测储能模块内的实时能量信息通过能量回收模块或能量反馈模块进行能量回收或反馈。
72.图5为本发明的能量回收系统在可靠性场景下的流程图。如图5所示，本发明能量回收系统在可靠性场景下的能量回收方法以前述实施例为例，具体步骤如下：
73.上电过程：能量回收模块如果配备安全泄放模块，安全泄放模块上电由硬件默认使能开启，如果控制模块异常则安全泄放模块一直开启并独立工作；如果控制模块正常，则在初始化完成后通过监控模块自检能量回收装置内各模块整体正常后再软件去使能安全泄放模块，能量回收装置再进入正常工作模式。
74.能量回收装置工作过程中出现异常处理：如果控制模块异常则安全泄放模块一直开启并独立工作；如果控制模块正常则通过监测模块对装置内各模块工作实时检测，一旦发现如下异常情形：电源母线或感性用电器供电线瞬间产生过多能量，一级储能模块快速被充满、状态参数大于等于第一满电电压阈值；或者电源母线或感性用电器供电线需求在一定时间内需求能量少，储能模块能量未来得及及时反馈释放、状态参数大于等于第一满电电压阈值；又或者能量回收模块、能量反馈模块、一级储能模块、监测模块、控制模块等任一模块或电路产生其他无法恢复故障导致整体功能异常；控制模块软件使能安全泄放模块，安全泄放模块开启并独立工作。
75.同理，针对图3的实施例工作流程类似。
76.本发明提供的能量回收系统能够在机械臂以及机器人制动状态时进行能量转化储存、并根据设备工况适时释放能量，达到节能目的，并且实现方式安全可靠，是一种新的技术发展方向。
77.以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数
量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护范围。