CN116073500A - 一种用于机器人的超级电容充放电控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超级电容技术领域，尤其一种用于机器人的超级电容充放电控制系统及控制方法，包括控制单元，用于给超级电容和机器人供电的供电电源；用于测量供电电源电压和超级电容电压的电压测量单元；用于测量供电电源电流、超级电容充电电流、机器人用电电流的电流测量单元；用于调节超级电容充放电的超级电容充放电调节单元；所述的控制单元分别与供电电源、电压测量单元、电流测量单元、超级电容充放电调节单元连接。实现在空闲时间对超级电容器进行充电控制，在机器人底盘有大功率需求的时刻，超级电容器通过该系统放电，电流反向回流至机器人底盘，并与上游提供的电源一并为超级电容器供电。

Description

一种用于机器人的超级电容充放电控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及超级电容技术领域，具体涉及用于机器人的超级电容充放电控制系统及控制方法。
背景技术
超级电容具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点，被广泛的应用；
在RoboMaster 机甲大师机器人比赛中，裁判系统是比赛中必不可少的部件之一，它给机器人回传数据继而来保证了比赛的正常进行，这些数据包括但不限于：机器人血量、底盘功率、受击状况、弹丸发射速度和初速度等。同时，也是机器人与服务器之间的一个接口，在比赛过程中裁判系统持续监控机器人底盘功率，相应功率需要满足比赛规则的限制，否则会受到惩罚，扣除血量。但是机器人在完成一些动作时，需要大功率，为了解决功率限制和瞬时大功率的需求，就需要超级电容进行供电，从而提高机器人底盘的机动性，但是，现有技术中，在机器人持续的高机动性动作负荷之下，容易将超级电容器的电压使用至12V以下，此时，超级电容器的电压不能够激活机器人底盘的电子调速器，以至于机器人完全丧失机动性，因此，亟需一种能够对超级电容进行充放电的技术，以解决上述问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种用于机器人的超级电容充放电控制系统及控制方法，实现对超级电容器的基础充电功能，在系统初始化的时刻或者是在空闲时间对超级电容器进行充电控制，在机器人底盘具有大功率需求的时刻，超级电容器通过该系统放电，电流反向回流至机器人底盘（用电器端），并与上游提供的电源一并与超级电容器供电。
本发明提供如下技术方案：一种用于机器人的超级电容充放电控制系统，包括:
控制单元，用于给超级电容和机器人供电的供电电源；用于测量供电电源电压和超级电容电压的电压测量单元；用于测量供电电源电流、超级电容充电电流、机器人用电电流的电流测量单元；用于调节超级电容充放电的超级电容充放电调节单元；所述的控制单元分别与供电电源、电压测量单元、电流测量单元、超级电容充放电调节单元连接，超级电容充放电调节单元与超级电容连接。
超级电容充放电调节单元为DC-DC变换器，包括芯片U11，芯片U11的1脚通过电容C27接地，芯片U11的5脚和6脚与控制单元连接，芯片U11的7脚接地，芯片U11的8脚通过电阻R31与mos管Q2的栅极G连接，电阻R31与二极管D2并联，芯片U11的9脚接地，芯片U11的3脚通过电阻R32与mos管Q1的栅极连接，二极管D1与电阻R32并联，芯片U11的4脚与mos管Q1的源极连接，芯片U11的2脚通过电容C23与mos管Q1的源极连接，mos管Q1的漏极与供电电源的供电端SYS连接，电电源的供电端SYS与机器人底盘连接；mos管Q1的源极与mos管Q2的漏极连接，mos管Q2的源极接地，mos管Q2的漏极通过电感L1与mos管Q3的源极连接，mos管Q3的漏极与超级电容连接，mos管Q3的栅极通过电阻R29与芯片U10的3脚连接，二极管D3与电阻R29并联，mos管Q3的源极与芯片U10的4脚连接，芯片U10的2脚通过电容C22与mos管Q3的源极连接，芯片U10的1脚通过电容C24接地，芯片U10的9脚接地，芯片U10的5脚和6脚与控制单元连接，芯片U10的7脚接地，芯片U10的8脚通过电阻R30与mos管Q4的栅极连接，二极管D4与电阻R30并联，mos管Q4的源极接地，mos管Q4的漏极与mos管Q3的源极连接。
所述的控制单元采用STM32F3系列单片机，芯片U11和芯片U10为UCC27211驱动芯片，所述电压测量单元采用RS855运算放大器，将电平信号进行调理后再输入至单片机，电压测量单元采用INA282系列。
一种用于机器人的超级电容充放电控制方法，包括如下步骤：
步骤1、将机器人底盘与超级电容器并联，通过输入的电压与裁判系统提供的功率限制，获得裁判系统的输入电流限制，即电流阈值；
步骤2、判断机器人底盘电流是否超过电流阈值，如果没超过阈值，则DC-DC变换器及给机器人底盘进行供电，也给超级电容进行充电；
步骤3、机器人底盘消耗的瞬时电流超过设定阈值时，超级电容通过DC-DC变换器反向放电给机器人底盘进行供电，此时机器人底盘获得DC-DC变换器和超级电容的双重供电。
步骤2中，给超级电容充电的电流和机器人底盘电流之和小于等于电流阈值。
给超级电容充电时，根据设定的超级电容电压获得所需要的第一PWM比较值，根据设定的超级电容供电电流获得所需要的第二PWM的比较值，比较第一PWM比较值和第二PWM的比较值，选择其中数值小的，实现对超级电容的横流充电。
在机器人底盘电流超过电流阈值时，停止对超级电容器的充电，使超级电容器的能量反向流动到机器人底盘侧，此时监测机器人底盘电流和DC-DC变换器与超级电容间的电流；
在监测机器人底盘电流和DC-DC变换器与超级电容间的电流时，如果DC-DC变换器和超级电容间的电流与机器人底盘电流超出电流阈值，则超级电容应视为电压源，控制超级电容器通过DC-DC变换及进行放电；若未超过电流阈值，则对超级电容器进行恒流恒压充电。
通过上述描述可以看出，本方案实现双向的能量流动，即可以为超级电容充电，也可以将超级电容作为电源向外放电，同时将底盘并联至双向DC-DC的输入端，在利用双向DC-DC能量能够流动到目的位置的同时避免了上文提到的超级电容器电压低从而出现无法激活电调的情况。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的电气框图。
图2为控制单元的电路图。
图3为超级电容充放电调节单元的电路图。
图4为电压测量单元的电路图。
图5为电流测量单元的电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明具体实施方式中的附图，对本发明具体实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的具体实施方式仅仅是本发明一种具体实施方式，而不是全部的具体实施方式。基于本发明中的具体实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他具体实施方式，都属于本发明保护的范围。
通过附图可以看出，本发明的用于机器人的超级电容充放电控制系统，包括:控制单元，用于给超级电容和机器人供电的供电电源；用于测量供电电源电压和超级电容电压的电压测量单元；用于测量供电电源电流、超级电容充电电流、机器人用电电流的电流测量单元；用于调节超级电容充放电的超级电容充放电调节单元；所述的控制单元分别与供电电源、电压测量单元、电流测量单元、超级电容充放电调节单元连接。
控制单元采用STM32F3系列单片机，如图2所示，12位DAC以及超快速12位ADC，每通道每秒5MSPS（每秒百万次采样），交替模式下可达到每秒18MSPS，精确的16位sigma-deltaADC（21通道）等，基本满足了控制器需要精准测量电压电流的需求。
超级电容充放电调节单元如图3所示，包括芯片U11，芯片U11的1脚通过电容C27接地，芯片U11的5脚和6脚与控制单元连接，芯片U11的7脚接地，芯片U11的8脚通过电阻R31与mos管Q2的栅极G连接，电阻R31与二极管D2并联，芯片U11的9脚接地，芯片U11的3脚通过电阻R32与mos管Q1的栅极连接，二极管D1与电阻R32并联，芯片U11的4脚与mos管Q1的源极连接，芯片U11的2脚通过电容C23与mos管Q1的源极连接，mos管Q1的漏极与供电电源的供电端SYS连接，供电电源的输入供电端SYS与机器人底盘连接；mos管Q1的源极与mos管Q2的漏极连接，mos管Q2的源极接地，mos管Q2的漏极通过电感L1与mos管Q3的源极连接，mos管Q3的漏极与超级电容连接，mos管Q3的栅极通过电阻R29与芯片U10的3脚连接，二极管D3与电阻R29并联，mos管Q3的源极与芯片U10的4脚连接，芯片U10的2脚通过电容C22与mos管Q3的源极连接，芯片U10的1脚通过电容C24接地，芯片U10的9脚接地，芯片U10的5脚和6脚与控制单元连接，芯片U10的7脚接地，芯片U10的8脚通过电阻R30与mos管Q4的栅极连接，二极管D4与电阻R30并联，mos管Q4的源极接地，mos管Q4的漏极与mos管Q3的源极连接，其中的U10和U11均采用UCC27211。
电压测量单元如图4所示，其中SYS与供电电源的输入供电端连接，用于测量供电电源的输入电压，CAP与超级电容连接，用于测量超级电容的电压，其中的ADC1和ADC2分别与单片机连接，其中的U3和U5均采用RS8551。
电流测量单元如图5所示，其中的U6的1脚和8脚连接在供电电源上，用于测量供电电源的电流；U2的1脚和8脚连接在机器人底盘和供电电源上，测量机器人底盘的电流，U4的1脚和8脚连接在超级电容上，用于测量超级电容的电流。图5中的ADC3、ADC5、ADC4均与单片机连接，其中的U6、U2、U4均采用INA282。
一种用于机器人的超级电容充放电控制方法，包括如下步骤：
步骤1、将机器人底盘与超级电容器并联，通过输入的电压与裁判系统提供的功率限制，获得裁判系统的输入电流限制，即电流阈值；
步骤2、判断机器人底盘电流是否超过电流阈值，如果没超过阈值，则DC-DC变换器及给机器人底盘进行供电，也给超级电容进行充电；
步骤3、机器人底盘消耗的瞬时电流超过设定阈值时，超级电容通过DC-DC变换器反向放电给机器人底盘进行供电，此时机器人底盘获得DC-DC变换器和超级电容的双重供电。
步骤2中，给超级电容充电的电流和机器人底盘电流之和小于等于电流阈值。
给超级电容充电时，根据设定的超级电容电压获得所需要的第一PWM比较值，根据设定的超级电容供电电流获得所需要的第二PWM的比较值，比较第一PWM比较值和第二PWM的比较值，选择其中数值小的，实现对超级电容的横流充电。
在机器人底盘电流超过电流阈值时，停止对超级电容器的充电，使超级电容器的能量反向流动到机器人底盘侧，此时监测机器人底盘电流和DC-DC变换器与超级电容间的电流；
在监测机器人底盘电流和DC-DC变换器与超级电容间的电流时，如果DC-DC变换器和超级电容间的电流与机器人底盘电流超出电流阈值，则超级电容应视为电压源，控制超级电容器通过DC-DC变换及进行放电；若未超过电流阈值，则对超级电容器进行恒流恒压充电。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种用于机器人的超级电容充放电控制系统，其特征在于包括:
控制单元，
用于给超级电容和机器人供电的供电电源；
用于测量供电电源电压和超级电容电压的电压测量单元；
用于测量供电电源电流、超级电容充电电流、机器人用电电流的电流测量单元；
用于调节超级电容充放电的超级电容充放电调节单元；
所述的控制单元分别与供电电源、电压测量单元、电流测量单元、超级电容充放电调节单元连接。
2.根据权利要求1所述用于机器人的超级电容充放电控制系统，其特征在于，
超级电容充放电调节单元包括芯片U11，芯片U11的1脚通过电容C27接地，芯片U11的5脚和6脚与控制单元连接，芯片U11的7脚接地，芯片U11的8脚通过电阻R31与mos管Q2的栅极G连接，电阻R31与二极管D2并联，芯片U11的9脚接地，芯片U11的3脚通过电阻R32与mos管Q1的栅极连接，二极管D1与电阻R32并联，芯片U11的4脚与mos管Q1的源极连接，芯片U11的2脚通过电容C23与mos管Q1的源极连接，mos管Q1的漏极与供电电源的供电端SYS连接，供电电源的输入供电端SYS与机器人底盘连接；mos管Q1的源极与mos管Q2的漏极连接，mos管Q2的源极接地，mos管Q2的漏极通过电感L1与mos管Q3的源极连接，mos管Q3的漏极与超级电容连接，mos管Q3的栅极通过电阻R29与芯片U10的3脚连接，二极管D3与电阻R29并联，mos管Q3的源极与芯片U10的4脚连接，芯片U10的2脚通过电容C22与mos管Q3的源极连接，芯片U10的1脚通过电容C24接地，芯片U10的9脚接地，芯片U10的5脚和6脚与控制单元连接，芯片U10的7脚接地，芯片U10的8脚通过电阻R30与mos管Q4的栅极连接，二极管D4与电阻R30并联，mos管Q4的源极接地，mos管Q4的漏极与mos管Q3的源极连接。
3.根据权利要求1或2所述用于机器人的超级电容充放电控制系统，其特征在于，
所述的控制单元采用STM32F3系列单片机。
4.一种用于机器人的超级电容充放电控制方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、将机器人底盘与超级电容器并联，通过输入的电压与裁判系统提供的功率限制，获得裁判系统的输入电流限制，即电流阈值；
步骤2、判断机器人底盘电流是否超过电流阈值，如果没超过阈值，则DC-DC变换器及给机器人底盘进行供电，也给超级电容进行充电；
步骤3、机器人底盘消耗的瞬时电流超过设定阈值时，超级电容通过DC-DC变换器反向放电给机器人底盘进行供电，此时机器人底盘获得DC-DC变换器和超级电容的双重供电。
5.根据权利要求4所述用于机器人的超级电容充放电控制方法，其特征在于，
步骤2中，给超级电容充电的电流和机器人底盘电流之和小于等于电流阈值。
6.根据权利要求4或5所述用于机器人的超级电容充放电控制方法，其特征在于，
给超级电容充电时，根据设定的超级电容电压获得所需要的第一PWM比较值，根据设定的超级电容供电电流获得所需要的第二PWM的比较值，比较第一PWM比较值和第二PWM的比较值，选择其中数值小的，实现对超级电容的恒流充电。
7.根据权利要求6所述用于机器人的超级电容充放电控制方法，其特征在于，
在机器人底盘电流超过电流阈值时，停止对超级电容器的充电，使超级电容器的能量反向流动到机器人底盘侧，此时监测机器人底盘电流和DC-DC变换器与超级电容间的电流；
在监测机器人底盘电流和DC-DC变换器与超级电容间的电流时，如果DC-DC变换器和超级电容间的电流与机器人底盘电流超出电流阈值，则超级电容应视为电压源，控制超级电容器通过DC-DC变换及进行放电；若未超过电流阈值，则对超级电容器进行恒流恒压充电。
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