专利名称：自适应主动压电能量采集装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及压电能量采集，即关于将环境振动能量转换为电能的技术领域， 特别是一种自适应主动压电能量采集装置。
背景技术：
近年来，随着微机电系统、无线传感器网络和嵌入式系统制备技术的不断提高，传统的化学电池已不能满足人们的需求，人们开始了将周围环境中能量转换为电能的研究。 它能有效解决由于使用电池带来的污染、能耗和维护等问题，大大降低成本，改善人们的生活环境。压电能量采集装置具有结构简单、无电磁干扰、易于加工制作和实现结构上的微小化、集成化等优点，被广泛关注。目前，压电能量采集装置的研究主要集中在压电元件的构成形式和系统接口电路两方面。改善压电元件构成形式主要包括改变压电材料属性，改变压电元件工作模式，利用多层化来增加压元件有效容积，改变压电振子的结构形式以及调节系统的谐振频率等方法。系统接口电路有3种工作方式被动技术，系统接口电路普遍由一个桥式整流器和充电电容组成，其结构简单，易于实现，但能量采集功率低。半主动技术，主要包括同步电荷采集技术和电感同步开关采集技术。它能快速实现压电元件电极翻转，提高能量采集功率，与被动技术相比，最大输出功率能提高4倍。主动技术，采用传感器等设备，主动调节系统谐振频率，具有良好的控制效果，但系统功耗较大，系统复杂。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种自适应主动压电能量采集装置，用以解决传统技术在非谐振频率时，能量采集功率低的问题。为实现上述目的，本实用新型的方案是一种自适应主动压电能量采集装置，由主电路与其控制单元构成，主电路包括用于将外部激振力的振动能量转换为电能的压电元件，压电元件通过电感(Li)输出连接一个由二极管构成的全桥整流单元，该全桥整流单元的直流侧通过一个DC/DC单元输出连接一个能量存储单元，全桥整流单元与DC/DC单元之间还设有一个充电电容(Cl)，所述全桥整流单元的每个二极管上均并联有一个开关管 0!1-Q4)，所述DC/DC单元为Buck电路，该Buck电路中的开关管^!5)接在所述充电电容 (Cl)的正极端；全桥整流单元的交流侧设有电流采集器，Buck电路的输出端设有功率采集器，主电路中还设有一个用于采集外部激振力频率的加速度传感器；所述控制单元输入采样连接所述加速度传感器的输出信号、所述功率采集器的功率信号、所述电流采集器的电流信号；所述控制单元输出控制连接所述全桥整流单元各二极管的并联开关管tol_Q4)、 所述Buck电路的开关管0^5)的控制端。所述控制单元包括MCU，MCU产生最优电压相位信号，该最优电压相位信号、所述
3加速度传感器的输出信号以及所述电流采集器的输出信号作为输入连接到一个驱动信号产生电路，该驱动信号产生电路输出触发信号控制所述全桥整流单元各二极管的并联开关管(Q1-Q4)。所述驱动信号产生电路通过输入所述加速度传感器的输出信号与所述MCU输出的最优控制电压相位信号，输出与振动频率对应的全桥整流单元的各开关管的控制触发信号。MCU产生最优电压幅值信号，该最优电压幅值信号输出到所述Buck电路的开关管0^5)的控制端。所述驱动信号产生电路还包括用于避免上下桥臂同时开通的死区生成单元。所述MCU采用MSP430F169微处理器。所述电流采集器为一个电流检测单元，该电流检测单元通过检测串设在全桥整流单元交流侧的采样电阻Rsensel)的两端电压差检测电流。所述功率采集器为一个电流采集单元，该电流采集单元通过检测串设在DC/DC单元输出端的采样电阻(Rsensd)的两端电压差采集电流和/或功率。所述全桥整流单元各二极管的并联开关管0il-Q4)、所述Buck电路的开关管0^5)均为M0SFET。所述能量存储单元包括一个恒压充电器，该恒压充电器输出连接电池组。当周围环境振动时，悬臂梁两表面的压电元件把振动能转换为电能，压电能量采
集装置的等效电学模型如图3所示。假设外界激振力为正弦，则机械部分的阻抗可表示为
- k -Zm=C +j(mm-—)Zm(1)
ω式中，m、k、C、ω、α分别表示系统的惯性质量、结构刚度、阻尼系数、振动频率和力因数。当机械部分与电学部分阻抗匹配时，系统能采集到最大能量。机械部分匹配阻抗为
一 kZm=C + j(一-ωτη)(2)
ω把机械部分匹配阻抗等效到电学部分，得
弓o2m-k + joc=—-—-77 ⑶
ω cp - jω(ω cpm-ck)其中，Cp为压电元件的内部电容。从(3)式可知，电学部分的匹配阻抗很复杂，不易实现，因此我们设计了一种主动能量采集技术，通过在压电能量采集装置上应用一个控制电压，来产生等效的阻抗。压电动态系统的转换公式为I = -C1Xj -αδF-aU = mS + cS + kS(4)其中，U、I分别为压电元件的输出电压和电流，F为外部激振力，δ为压电装置的位移量，引入压电装置的位移和速度后，对(4)式变换后S = V
Γ πC 1 kd ΤV =——δ ——+—F + — V
m mm m=^
4[0028](5)式显示该系统是可控的，因此我们可任意设置该系统的特征值，通过设置特征值的实部为负值且足够大，就能使系统的机械振动快速衰减，转换更多的电能。将系统的输出电压作为控制电压，反馈到压电元件。在幅值恒定的激振力F作用下，控制电压可记为 从(7)式，位移增益ks能改变压电系统的固有频率，速率增益会改变系统的阻尼周期，提高电能的转换率。当外界激振力频率不断改变时，设置1^使压电系统的固有频率实时接近激振力频率，进而获得最大能量。系统新的最优固有频率ω为
权利要求1.一种自适应主动压电能量采集装置，由主电路与其控制单元构成，主电路包括用于将外部激振力的振动能量转换为电能的压电元件，压电元件通过电感(Li)输出连接一个由二极管构成的全桥整流单元，该全桥整流单元的直流侧通过一个DC/DC单元输出连接一个能量存储单元，全桥整流单元与DC/DC单元之间还设有一个充电电容(Cl)，其特征在于，所述全桥整流单元的每个二极管上均并联有一个开关管(Q1-Q4)，所述DC/DC单元为 Buck电路，该Buck电路中的开关管(Q5)接在所述充电电容(Cl)的正极端；全桥整流单元的交流侧设有电流采集器，Buck电路的输出端设有功率采集器，主电路中还设有一个用于采集外部激振力频率的加速度传感器；所述控制单元输入采样连接所述加速度传感器的输出信号、所述功率采集器的功率信号、所述电流采集器的电流信号；所述控制单元输出控制连接所述全桥整流单元各二极管的并联开关管(Q1-Q4)、所述Buck电路的开关管(Q5)的控制端。
2.根据权利要求1所述的自适应主动压电能量采集装置，其特征在于，所述控制单元包括MCU，MCU产生最优电压相位信号，该最优电压相位信号、所述加速度传感器的输出信号以及所述电流采集器的输出信号作为输入连接到一个驱动信号产生电路，该驱动信号产生电路输出触发信号控制所述全桥整流单元各二极管的并联开关管(Q1-Q4)。
3.根据权利要求2所述的自适应主动压电能量采集装置，其特征在于，所述驱动信号产生电路通过输入所述加速度传感器的输出信号与所述MCU输出的最优控制电压相位信号，输出与振动频率对应的全桥整流单元的各开关管(Q1-Q4)的控制触发信号。
4.根据权利要求2或3所述的自适应主动压电能量采集装置，其特征在于，MCU产生最优电压幅值信号，该最优电压幅值信号输出到所述Buck电路的开关管(Q5)的控制端。
5.根据权利要求2所述的自适应主动压电能量采集装置，其特征在于，所述驱动信号产生电路还包括用于避免上下桥臂同时开通的死区生成单元。
6.根据权利要求2所述的自适应主动压电能量采集装置，其特征在于，所述MCU采用 MSP430F169微处理器。
7.根据权利要求1所述的自适应主动压电能量采集装置，其特征在于，所述电流采集器为一个电流检测单元，该电流检测单元通过检测串设在全桥整流单元交流侧的采样电阻 (Rsensel)的两端电压差检测电流。
8.根据权利要求1所述的自适应主动压电能量采集装置，其特征在于，所述功率采集器为一个电流采集单元，该电流采集单元通过检测串设在DC/DC单元输出端的采样电阻 (Rsense2)的两端电压差采集电流和/或功率。
9.根据权利要求1所述的自适应主动压电能量采集装置，其特征在于，所述全桥整流单元各二极管的并联开关管(Q1-Q4)、所述Buck电路的开关管(Q5)均为M0SFET。
10.根据权利要求1所述的自适应主动压电能量采集装置，其特征在于，所述能量存储单元包括一个恒压充电器，该恒压充电器输出连接电池组。
专利摘要本实用新型涉及一种自适应主动压电能量采集装置，由主电路与其控制单元构成，全桥整流单元的每个二极管上均并联有一个开关管，直流单元为Buck电路，其开关管接在所述充电电容的正极端；全桥整流单元的交流侧设有电流采集器，Buck电路的输出端设有功率采集器，主电路中还设有一个用于采集外部激振力频率的加速度传感器；为了自适应地获得该最优控制电压，通过单片机功率采集单元实时采集输出功率值，根据自适应调整最优控制电压，使装置工作在谐振状态，获得最大机械能，同时减小阻尼周期，提高机械能的转换功率，电能传输过程中实现阻抗匹配，输出最大电能功率。当系统振动远离固有频率时，系统的能量采集功率也不会有很大的降低。
文档编号H02N2/18GK202334368SQ201120467589
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月22日 优先权日2011年11月22日
发明者付磊, 张利伟, 张前进, 李佩佩, 李敏, 李济顺, 梁钊, 沈森, 郑国强 申请人:河南科技大学