專利名稱：一種自適應(yīng)主動壓電能量采集裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓電能量采集，即關(guān)于將環(huán)境振動能量轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種自適應(yīng)主動壓電能量采集裝置。
背景技術(shù)：
近年來，隨著微機(jī)電系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)制備技術(shù)的不斷提高，傳統(tǒng)的化學(xué)電池已不能滿足人們的需求，人們開始了將周圍環(huán)境中能量轉(zhuǎn)換為電能的研究。它能有效解決由于使用電池帶來的污染、能耗和維護(hù)等問題 ，大大降低成本，改善人們的生活環(huán)境。壓電能量采集裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、無電磁干擾、易于加工制作和實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的微小化、集成化等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛關(guān)注。目前，壓電能量采集裝置的研究主要集中在壓電元件的構(gòu)成形式和系統(tǒng)接口電路兩方面。改善壓電元件構(gòu)成形式主要包括改變壓電材料屬性，改變壓電元件工作模式，利用多層化來增加壓元件有效容積，改變壓電振子的結(jié)構(gòu)形式以及調(diào)節(jié)系統(tǒng)的諧振頻率等方法。系統(tǒng)接口電路有3種工作方式被動技術(shù)，系統(tǒng)接口電路普遍由一個橋式整流器和充電電容組成，其結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但能量采集功率低。半主動技術(shù)，主要包括同步電荷采集技術(shù)和電感同步開關(guān)采集技術(shù)。它能快速實(shí)現(xiàn)壓電元件電極翻轉(zhuǎn)，提高能量采集功率，與被動技術(shù)相比，最大輸出功率能提高4倍。主動技術(shù)，采用傳感器等設(shè)備，主動調(diào)節(jié)系統(tǒng)諧振頻率，具有良好的控制效果，但系統(tǒng)功耗較大，系統(tǒng)復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種自適應(yīng)主動壓電能量采集裝置，用以解決傳統(tǒng)技術(shù)在非諧振頻率時，能量采集功率低的問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案是一種自適應(yīng)主動壓電能量采集裝置，由主電路與其控制單元構(gòu)成，主電路包括用于將外部激振力的振動能量轉(zhuǎn)換為電能的壓電元件，壓電元件通過電感(LI)輸出連接一個由二極管構(gòu)成的全橋整流單元，該全橋整流單元的直流側(cè)通過一個DC/DC單元輸出連接一個能量存儲單元，全橋整流單元與DC/DC單元之間還設(shè)有一個充電電容(Cl)，所述全橋整流單元的每個二極管上均并聯(lián)有一個開關(guān)管(Q1-Q4)，所述DC/DC單元為Buck電路，該Buck電路中的開關(guān)管(Q5)接在所述充電電容(Cl)的正極端；全橋整流單元的交流側(cè)設(shè)有電流采集器，Buck電路的輸出端設(shè)有功率采集器，主電路中還設(shè)有一個用于采集外部激振力頻率的加速度傳感器；所述控制單元輸入采樣連接所述加速度傳感器的輸出信號、所述功率采集器的功率信號、所述電流采集器的電流信號；所述控制單元輸出控制連接所述全橋整流單元各二極管的并聯(lián)開關(guān)管(Q1-Q4)、所述Buck電路的開關(guān)管(Q5)的控制端。所述控制單元包括MCU，MCU產(chǎn)生最優(yōu)電壓相位信號，該最優(yōu)電壓相位信號、所述加速度傳感器的輸出信號以及所述電流采集器的輸出信號作為輸入連接到一個驅(qū)動信號產(chǎn)生電路，該驅(qū)動信號產(chǎn)生電路輸出觸發(fā)信號控制所述全橋整流單元各二極管的并聯(lián)開關(guān)管(Q1-Q4)。所述驅(qū)動信號產(chǎn)生電路通過輸入所述加速度傳感器的輸出信號與所述MCU輸出的最優(yōu)控制電壓相位信號，輸出與振動頻率對應(yīng)的全橋整流單元的各開關(guān)管(Q1-Q4)的控制觸發(fā)信號。MCU產(chǎn)生最優(yōu)電壓幅值信號，該最優(yōu)電壓幅值信號輸出到所述Buck電路的開關(guān)管(Q5)的控制端。所述驅(qū)動信號產(chǎn)生電路還包括用于避免上下橋臂同時開通的死區(qū)生成單元。所述MCU采用MSP430F169微處理器。所述電流采集器為一個電流檢測單元，該電流檢測單元通過檢測串設(shè)在全橋整流單元交流側(cè)的采樣電阻(Rsensel)的兩端電壓差檢測電流。所述功率采集器為一個電流采集單元，該電流采集 單元通過檢測串設(shè)在DC/DC單元輸出端的采樣電阻(RsenSe2)的兩端電壓差采集電流和/或功率。所述全橋整流單元各二極管的并聯(lián)開關(guān)管(Q1-Q4)、所述Buck電路的開關(guān)管(Q5)均為MOSFET。所述能量存儲單元包括一個恒壓充電器，該恒壓充電器輸出連接電池組。當(dāng)周圍環(huán)境振動時，懸臂梁兩表面的壓電元件把振動能轉(zhuǎn)換為電能，壓電能量采集裝置的等效電學(xué)模型如圖3所示。假設(shè)外界激振力為正弦，則機(jī)械部分的阻抗可表示為Zm=C + j(am-—)Zm(I)
ω式中，m、k、C、ω、α分別表示系統(tǒng)的慣性質(zhì)量、結(jié)構(gòu)剛度、阻尼系數(shù)、振動頻率和力因數(shù)。當(dāng)機(jī)械部分與電學(xué)部分阻抗匹配時，系統(tǒng)能采集到最大能量。機(jī)械部分匹配阻抗為
一 kZm -C + --coni)(2)
ω把機(jī)械部分匹配阻抗等效到電學(xué)部分，得
^o)2m—k + jcoc=—-——2-— ⑶
ω cp -]ω(ω cpm—ck)其中，Cp為壓電元件的內(nèi)部電容。從⑶式可知，電學(xué)部分的匹配阻抗很復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)，因此我們設(shè)計了一種主動能量采集技術(shù)，通過在壓電能量采集裝置上應(yīng)用一個控制電壓，來產(chǎn)生等效的阻抗。壓電動態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換公式為 I = -CplJ — αδF — all = m3 + cS + kd(4)其中，U、I分別為壓電元件的輸出電壓和電流，F(xiàn)為外部激振力，δ為壓電裝置的位移量，引入壓電裝置的位移和速度后，對(4)式變換后S = V
r ■■c I kdV =——δ ——+—F + — V
m mm m
權(quán)利要求
1.一種自適應(yīng)主動壓電能量采集裝置，由主電路與其控制單元構(gòu)成，主電路包括用于將外部激振力的振動能量轉(zhuǎn)換為電能的壓電元件，壓電元件通過電感(LI)輸出連接一個由二極管構(gòu)成的全橋整流單元，該全橋整流單元的直流側(cè)通過一個DC/DC單元輸出連接一個能量存儲單元，全橋整流單元與DC/DC單元之間還設(shè)有一個充電電容(Cl)，其特征在于， 所述全橋整流單元的每個二極管上均并聯(lián)有一個開關(guān)管(Q1-Q4)，所述DC/DC單元為Buck電路，該Buck電路中的開關(guān)管(Q5)接在所述充電電容(Cl)的正極端；全橋整流單元的交流側(cè)設(shè)有電流采集器，Buck電路的輸出端設(shè)有功率采集器，主電路中還設(shè)有一個用于采集外部激振力頻率的加速度傳感器； 所述控制單元輸入采樣連接所述加速度傳感器的輸出信號、所述功率采集器的功率信號、所述電流采集器的電流信號；所述控制單元輸出控制連接所述全橋整流單元各二極管的并聯(lián)開關(guān)管(Q1-Q4)、所述Buck電路的開關(guān)管(Q5)的控制端。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種自適應(yīng)主動壓電能量采集裝置，其特征在于，所述控制單元包括MCU，MCU產(chǎn)生最優(yōu)電壓相位信號，該最優(yōu)電壓相位信號、所述加速度傳感器的輸出信號以及所述電流采集器的輸出信號作為輸入連接到一個驅(qū)動信號產(chǎn)生電路，該驅(qū)動信號產(chǎn)生電路輸出觸發(fā)信號控制所述全橋整流單元各二極管的并聯(lián)開關(guān)管(Q1-Q4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種自適應(yīng)主動壓電能量采集裝置，其特征在于，所述驅(qū)動信號產(chǎn)生電路通過輸入所述加速度傳感器的輸出信號與所述MCU輸出的最優(yōu)控制電壓相位信號，輸出與振動頻率對應(yīng)的全橋整流單元的各開關(guān)管(Q1-Q4)的控制觸發(fā)信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種自適應(yīng)主動壓電能量采集裝置，其特征在于，MCU產(chǎn)生最優(yōu)電壓幅值信號，該最優(yōu)電壓幅值信號輸出到所述Buck電路的開關(guān)管(Q5 )的控制端。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種自適應(yīng)主動壓電能量采集裝置，其特征在于，所述驅(qū)動信號產(chǎn)生電路還包括用于避免上下橋臂同時開通的死區(qū)生成單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種自適應(yīng)主動壓電能量采集裝置，其特征在于，所述MCU采用MSP430F169微處理器。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種自適應(yīng)主動壓電能量采集裝置，其特征在于，所述電流采集器為一個電流檢測單元，該電流檢測單元通過檢測串設(shè)在全橋整流單元交流側(cè)的采樣電阻(Rsensel)的兩端電壓差檢測電流。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種自適應(yīng)主動壓電能量采集裝置，其特征在于，所述功率采集器為一個電流采集單元，該電流采集單元通過檢測串設(shè)在DC/DC單元輸出端的采樣電阻(RSenSe2)的兩端電壓差采集電流和/或功率。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種自適應(yīng)主動壓電能量采集裝置，其特征在于，所述全橋整流單元各二極管的并聯(lián)開關(guān)管(Q1-Q4)、所述Buck電路的開關(guān)管(Q5)均為MOSFET。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種自適應(yīng)主動壓電能量采集裝置，其特征在于，所述能量存儲單元包括一個恒壓充電器，該恒壓充電器輸出連接電池組。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種自適應(yīng)主動壓電能量采集裝置，由主電路與其控制單元構(gòu)成，全橋整流單元的每個二極管上均并聯(lián)有一個開關(guān)管，直流單元為Buck電路，其開關(guān)管接在所述充電電容的正極端；全橋整流單元的交流側(cè)設(shè)有電流采集器，Buck電路的輸出端設(shè)有功率采集器，主電路中還設(shè)有一個用于采集外部激振力頻率的加速度傳感器；為了自適應(yīng)地獲得該最優(yōu)控制電壓，通過單片機(jī)功率采集單元實(shí)時采集輸出功率值，根據(jù)自適應(yīng)調(diào)整最優(yōu)控制電壓，使裝置工作在諧振狀態(tài)，獲得最大機(jī)械能，同時減小阻尼周期，提高機(jī)械能的轉(zhuǎn)換功率，電能傳輸過程中實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，輸出最大電能功率。當(dāng)系統(tǒng)振動遠(yuǎn)離固有頻率時，系統(tǒng)的能量采集功率也不會有很大的降低。
文檔編號H02N2/18GK102684549SQ20111037466
公開日2012年9月19日 申請日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月22日
發(fā)明者付磊, 張利偉, 張前進(jìn), 李佩佩, 李敏, 李濟(jì)順, 梁釗, 沈森, 鄭國強(qiáng) 申請人:河南科技大學(xué)