一种微尺度振动能量收集系统及其能量俘获方法

摘要

本发明公开了一种微尺度振动能量收集系统及其能量俘获方法。SSHI虽然很大程度的提高了转换效率，但是对环境中的微振动却很难收集。本发明一种微尺度振动能量收集系统，包括压电发电装置、同步采集电路、高频开关电路、存储电感L1、整流收集电路和控制器。高频开关电路包括光电耦合器、第一MOS管M1和第二MOS管M2。同步采集电路包括第一R‑C移相电路、第二R‑C移相电路、第一过零比较器、第二过零比较器和异或门。本发明通过在压电发电装置为存储电感L1充电时，重复多次切断压电发电装置与存储电感L1之间的连接，使得存储电感L1产生浪涌电压，从而达到整流收集电路的采集阈值，从而利用微尺度振动实现发电。

说明书

技术领域

本发明属于能量回收利用技术领域，具体涉及一种微尺度振动能量收集系统及其能量俘获方法。

背景技术

随着传感器应用技术的飞速发展，现在已经研发出了纳瓦功率传感器，极大的促进了传感器系统的发展。这些进步无疑解决了能量收集领域的一大关键问题，特别是在微振动领域。由于环境中的微尺度振动所带来的能量较小，所以收集这部分能量往往被忽略。但是随着纳瓦级传感器的出现，其几乎不消耗功率，所以收集微振动所产生的能量并将所收集的能量供给这些低功耗的传感器等一些负载变得可行。

目前，针对标准桥式整流接口电路电能转换效率低的问题，人们在其基础上通过引入开关环节提出了同步开关整流接口电路。其基本思想是：在标准桥式整流接口电路中加入一个同步开关和电感，当压电振子达到最大振幅位置时压电材料内部存储电荷最多，此时开关闭合，使电感与压电材料的寄生电容形成LC振荡回路将内部电荷提取出来，从而能明显提高转换效率。这种接口电路即SSHI。其虽然很大程度的提高了转换效率，但是对环境中的微振动却很难收集。对此，为了能够收集微振动能量，在原有并联同步开关接口电路(P-SSHI)中将同步开关位置进行调整，提出了一种利用电感振荡诱导同步开关的新型接口电路(S³HI)。与传统SSHI的最佳开关持续时间相比，其主要特征是通过故意缩短开关持续时间来使电感器中产生突然的电流过渡。因此，会导致极高的振荡电压，其值可以超过阀值电压，进而可以将电能传递到存储电容之中。由于这种现象，即使在微尺度振动幅度下，也可以保证有效的收集能力。这种方法虽然实现了对微振动能量的收集，但是因为其切换持续时间减短，在每次切换时电感器都不可避免地会受到一系列能量损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微尺度振动能量收集系统及其能量俘获方法。

本发明一种微尺度振动能量收集系统，包括压电发电装置、同步采集电路、高频开关电路、存储电感L1、整流收集电路和控制器。所述的高频开关电路包括光电耦合器、第一MOS管M1和第二MOS管M2。光电耦合器的第一输入端接电阻R5的一端，第二输入端接数字地线，第二输出端接模拟地线，第一输出端接电阻R6的一端、第一MOS管M1及第二MOS管M2的源极。电阻R6的另一端接第一MOS管M1、第二MOS管M2的栅极及外部电压VCC。电阻R5远离光电耦合器的那端接控制器的PWM输出端连接。第一MOS管M1、第二MOS管M2的漏极分别为高频开关电路的第一开关接线端、第二开关接线端。

所述的高频开关电路的第一开关接线端接压电发电装置的第一个输出端，第二开关接线端接存储电感L1的一端。存储电感L1的另一端接压电发电装置的第二个输出端。整流收集电路的第一输入端、第二输入端与存储电感L1的两端分别连接。

所述的同步采集电路包括第一R-C移相电路、第二R-C移相电路、第一过零比较器、第二过零比较器和异或门。第一R-C移相电路、第二R-C移相电路的移相输入端均接压电发电装置的第一个输出端。第一R-C移相电路、第二R-C移相电路的移相输出端与第一过零比较器、第二过零比较器的第一输入端分别连接。第一R-C移相电路、第二R-C移相电路的地线端、第一过零比较器、第二过零比较器的第二输入端及压电发电装置的第二个输出端连接在一起。第一过零比较器、第二过零比较器的输出端与异或门的两个输入端分别连接。异或门的输出端与控制器的触发信号输入端连接。

作为优选，所述的高频开关电路还包括电阻R7、电感L3和第一电流传感器。电阻R7的一端接光电耦合器的第一输出端，另一端接电感L3的一端。电感L3的另一端接第一电流传感器的一端。第一电流传感器的另一端接外部电压VCC。

作为优选，所述的整流收集电路包括能量收集芯片。能量收集芯片的型号为LTC3588-2。能量收集芯片的VIN引脚接电容C5及电容C6的一端，CAP引脚接电容C7的一端。电容C6及电容C7的另一端均接模拟地线。能量收集芯片的SW引脚接电感L2的一端，Vout引脚接电感L2的另一端，GND引脚接模拟地线。能量收集芯片的PZ1引脚、PZ2引脚分别为整流收集电路的第一输入端、第二输入端。能量收集芯片的Vout引脚为整流收集电路的电压输出端。

作为优选，所述的控制器采用型号为STM32L0x0的单片机。第一过零比较器及第二过零比较器的型号为LM324。异或门的型号为74L86。第一MOS管M1及第二MOS管M2的型号均为AOL1482。

作为优选，第一R-C移相电路的移相角度为90°，第二R-C移相电路的移相角度小于90°。

作为优选，第一R-C移相电路包括电阻R1、电阻R2、电容C1和电容C2。电容C1的一端为第一R-C移相电路的移相输入端，另一端接电阻R1和电容C2的一端。电容C2的另一端与电阻R2的一端连接在一起，作为第一R-C移相电路的移相输出端。电阻R1与电阻R2的另一端连接在一起，作为第一R-C移相电路的地线端。第二R-C移相电路包括电阻R3、电阻R4、电容C3和电容C4。电容C3的一端为第二R-C移相电路的移相输入端，另一端接电阻R3和电容C4的一端。电容C4的另一端与电阻R4的一端连接在一起，作为第二R-C移相电路的移相输出端。电阻R3与电阻R4的另一端连接在一起，作为第二R-C移相电路的地线端。

该微尺度振动能量收集系统的能量俘获方法具体如下：

步骤一、压电发电装置发生振动，产生的电压达到最大时，第一过零比较器、第二过零比较器先后输出一个高电平到异或门；异或门在输入为一个高电平、一个低电平时，向控制器输出高电平。

步骤二、当控制器接收到同步采集电路发来的高电平后，控制器向高频开关电路发送PWM波信号。高频开关电路在PWM波信号的控制下持续连通和断开压电发电装置与存储电感L1。

当压电发电装置、存储电感L1连通时，压电发电装置向存储电感L1充电。压电发电装置、存储电感L1断开时，存储电感L1两端的电压升高，整流收集电路采集存储电感L1内的电能并输出。

作为优选，PWM波信号的周期占空比为85％～95％。PWM波信号的持续时长为L₁为存储电感L1的电感值；C_p为压电发电装置的压电常数。

作为优选，PWM波信号的周期确定方法如下：

步骤一、在整流收集电路与负载Rs之间串联上第二电流传感器，并联上电压传感器。

步骤二、设定候选周期集合TQ＝{T₁,T₂,...,T_n}；

步骤三、向压电发电装置施加周期、幅值确定的交变力，使得压电发电装置的输出电压呈周期性的变化。在压电发电装置的n次输出电压到达峰值时，控制器分别输出周期为T₁,T₂,...,T_n的PWM波信号；各段PWM波信号的持续时长相等。

第二电流传感器、电压传感器分别检测n段PWM波信号输出的过程中，负载Rs的电压和电流，并传输给控制器。控制器根据电压和电流计算出n个平均发电功率。取n个平均发电功率中最大的那个平均发电功率对应的周期，作为最终的PWM波信号周期。

作为优选，控制器通过最佳{0，1}开关状态序列来输出PWM波；确实最佳{0，1}开关状态序列的方法如下：

步骤一、控制器根据目标PWM波信号的周期、占空比、持续时长生成m个{0，1}开关状态序列。

步骤二、控制器分别向高频开关电路输出m个序列；第一电流传感器分别检测m个序列输出时，流经电感L3的电流；得到m个电流变化曲线；

步骤三、将m个电流变化曲线分别减去标准电流曲线，得到m条误差曲线；标准电流曲线为标准的目标PWM波信号输入光电耦合器时，电感L3上的电流变化曲线，其函数表达式为I₀(t)＝sin(2πft)，0≤t≤t_max；其中，I₀(t)为电感L3上在t时刻的电流值，f为目标PWM波信号的频率；t为自变量时间；t_max为目标PWM波信号的持续时长。

步骤四、分别计算m条误差曲线与坐标系X轴合围成的几何图形的面积；取面积最小的误差曲线作为最优误差曲线；最优误差曲线对应的{0，1}开关状态序列即为最佳{0，1}开关状态序列。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明通过在压电发电装置为存储电感L1充电时，重复多次切断压电发电装置与存储电感L1之间的连接，使得存储电感L1产生浪涌电压，从而达到整流收集电路的采集阈值，从而利用微尺度振动实现发电。

2、本发明中的高频开关电路能够实现高频开闭，进而在压电发电装置的电压值达到高峰时，实现多次采集，从而最大化的利用电感的振荡效应，有效地收集微尺度振动中的能量。

3、本发明可以用于采集卫星系统内部机械运动部件等引起的微振动，并将收集到的能量供给传感器等一些低功耗负载。

4、本发明相比于传统的接口电路，不用故意缩短开关持续时间，避免了能量的浪费，极大的提高振动能量的收集效率，并且对于微尺度振动，也可以实现很好的收集效果。

附图说明

图1是本发明的原理简图；

图2是本发明中整流收集电路4的电路原理图；

图3是本发明中高频开关电路3的电路原理图；

图4是本发明中同步采集电路2的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种微尺度振动能量收集系统及其能量俘获方法，包括压电发电装置1、同步采集电路2、高频开关电路3、存储电感L1、整流收集电路4和控制器。控制器采用型号为STM32L0x0的单片机，其具有功耗低的特点。压电发电装置1采用压电片，其贴在发生微尺度振动的物体上。

高频开关电路3的第一开关接线端接压电发电装置1的第一个输出端，第二开关接线端接存储电感L1的一端。存储电感L1的另一端接压电发电装置1的第二个输出端。存储电感L1与压电发电装置中的寄生电容构成LC振荡电路，从而利用振荡现象实现收集微尺度振动能量。电能存储器Cs所存储的电能达到要求后，可以给负载6供电。负载6为传感器。整流收集电路4的第一输入端、第二输入端与存储电感L1的两端分别连接。整流收集电路4输出稳定的电压，为电能存储器Cs充电或负载供电。高频开关电路3与控制器连接。

如图2所示，高频开关电路3包括光电耦合器U4、第一MOS管M1、第二MOS管M2和第一电流传感器A1。第一MOS管M1及第二MOS管M2的型号均为AOL1482。光电耦合器U4的第一输入端接电阻R5的一端，第二输入端接数字地线GND，第二输出端接模拟地线GND1，第一输出端接电阻R6、电阻R7的一端、第一MOS管M1及第二MOS管M2的源极。电阻R7的另一端接电感L3的一端。电感L3的另一端接第一电流传感器A1的一端。电阻R6的另一端接第一电流传感器A1的另一端、第一MOS管M1、第二MOS管M2的栅极及外部电压VCC。电阻R5远离光电耦合器U4的那端为高频开关电路3的控制输入端，其与控制器的PWM输出端P1.0连接。第一MOS管M1、第二MOS管M2的漏极分别为高频开关电路3的第一开关接线端switch+、第二开关接线端switch-。当高频开关电路3的控制输入端输入高电平时，高频开关电路3的第一开关接线端switch+与第二开关接线端switch-连通。

如图3所示，整流收集电路4包括能量收集芯片U6。能量收集芯片U6的型号为LTC3588-2，其能够对压电所产生的能量提供高效率转换至稳压电压，或对电池或超级电容器进行充电。能量收集芯片U6的VIN引脚接电容C5及电容C6的一端，CAP引脚接电容C7的一端。电容C6及电容C7的另一端均接模拟地线GND1。能量收集芯片U6的SW引脚接电感L2的一端，Vout引脚接电感L2的另一端，GND引脚接模拟地线GND1。能量收集芯片U6的PZ1引脚、PZ2引脚分别为整流收集电路4的第一输入端、第二输入端。能量收集芯片U6的Vout引脚为整流收集电路的电压输出端。整流收集电路4的电压输出端接电能存储器Cs及负载Rs的一端。电能存储器Cs及负载Rs的另一端均接地。电能存储器Cs采用电池或超级电容器。

如图4所示，同步采集电路2包括第一R-C移相电路、第二R-C移相电路、第一过零比较器U1、第二过零比较器U2和异或门U3。第一过零比较器U1及第二过零比较器U2的型号为LM324。异或门U3的型号为74L86。第一R-C移相电路包括电阻R1、电阻R2、电容C1和电容C2。电容C1的一端接压电发电装置1的第一个输出端，另一端接电阻R1和电容C2的一端。电容C2的另一端接电阻R2的一端及第一过零比较器U1的同向输入端。电阻R1及电阻R2的另一端均接第一过零比较器U1的反向输入端及压电发电装置1的第二个输出端。第二R-C移相电路包括电阻R3、电阻R4、电容C3和电容C4。电容C3的一端接压电发电装置1的第二个输出端，另一端接电阻R3和电容C4的一端。电容C4的另一端接电阻R4的一端及第二过零比较器U2的同向输入端。电阻R3及电阻R4的另一端均接第二过零比较器U2的反向输入端及压电发电装置1的第二个输出端。第一过零比较器U1及第二过零比较器U2的供电端均接外部电压VCC，地线端均接模拟地线GND1。第一过零比较器U1、第二过零比较器U2的输出端与异或门U3的两个输入端分别连接。异或门U3的输出端作为同步采集电路2的信号输出端，与控制器的触发信号输入端P1.7连接。

第一R-C移相电路的移相角度为90°，第二R-C移相电路的移相角度小于90°。同步采集电路2通过输出高电平控制信号到控制器来实现同步控制；高电平控制信号的产生原理如下；压电发电装置1的输出电压接入两路二阶R-C移相电路，其中一路移相90°，保证同步，另一路移相小于90°，决定了控制高电平控制信号的持续时间。将两路二阶R-C移相电路的输出电压分别输入对应的过零比较器；两路过零比较器的输出信号再进入异或门电路；当压电振子达到最大位移处时，两路过零比较器先后输出高电平；当两路过零比较器输出一高一低时，异或门输出高电平控制信号。这里应当注意，所产生的高电平控制电压的持续时间是由两路二阶R-C移相电路决定。

控制器的触发信号输入端以及PWM输出端均为普通I/O口。

该微尺度振动能量收集系统的能量俘获方法具体如下：

步骤一、压电发电装置1发生振动，产生的电压达到最大时，第一过零比较器U1、第二过零比较器U2在不同移相角的影响下先后输出一个高电平到异或门U3；异或门U3在输入为一个高电平、一个低电平时，向控制器输出一个高电平；由此实现在压电发电装置1的输出电压达到最大时向控制器发送高电平信号。

步骤二、当控制器接收到同步采集电路2发来的高电平信号后，控制器向高频开关电路3发送持续时长为的PWM波信号。高频开关电路3在PWM波信号的控制下持续连通和断开压电发电装置1与存储电感L1。PWM波信号的周期占空比为85％～95％；其中，L₁为存储电感L1的电感值；C_p为压电发电装置1的压电常数。

当压电发电装置1、存储电感L1连通时，压电发电装置1与存储电感L1形成振荡周期为的LC振荡电路，压电发电装置1向存储电感L1充电。在存储电感L1充电的过程中，压电发电装置1、存储电感L1断开；存储电感L1上流经电流不能立即消失，所以在存储电感L1中会出现高度升压的振荡电压，使得存储在存储电感L1中的电能可以整流收集电路4的克服电压阈值流向电能存储器或负载。因此，压电发电装置1与存储电感L1的每次开闭，均能够将压电发电装置1产生的部分电能通过整流收集电路4输出，实现对微尺度振动能量的收集，该能量能够用于为负载供电。

PWM波信号的周期确定方法如下：

步骤一、在整流收集电路4与负载Rs之间串联上第二电流传感器，并联上电压传感器。

步骤二、设定候选周期集合TQ＝{T₁,T₂,...,T_n}；

步骤三、向压电发电装置1施加周期、幅值确定的交变力，使得压电发电装置1的输出电压呈周期性的变化。在压电发电装置1的n次输出电压到达峰值时，控制器分别输出周期为T₁,T₂,...,T_n的PWM波信号；各段PWM波信号的持续时长相等。

第二电流传感器、电压传感器分别检测n段PWM波信号输出的过程中，负载Rs的电压和电流，并传输给控制器。控制器根据电压和电流计算出n个平均发电功率。取n个平均发电功率中最大的那个平均发电功率对应的周期，作为最终的PWM波信号周期。

PWM波的特性对能量收集效率会有很大影响，其特性主要由其高电平持续时间来确定，高电平持续时间又由周期和占空比决定；当频率和占空比达到特定值时，会使得该装置表现出最大的存储电压电平。可以确定的是占空比越大，存储的电压电平将越大，因为在接通状态期间输入到存储电感L1的能量随着开关持续时间的增加而增加，但是也不能过大，不能达到100％；因为如果达到100％将无法出现浪涌现象，进而无法实现本发明的主要功能。因此需要对PWM波的频率和占空比进行最优化处理，使得装置能够发挥出最大的收集效率。

在实际系统中PWM开关序列产生的电流总谐波失真较大，计算复杂度高，难以获得最优控制序列，进而导致高频开关电路3实际接收到的PWM波信号与理想的信号存在偏差；为减小这一偏差，本发明还提出了一种PWM算法以寻找最优的PWM开关控制序列。该算法借助第一电流传感器A1、电感L3和电阻R7实现，具体步骤如下：

步骤一、控制器根据目标PWM波信号的周期、占空比、持续时长生成m个{0，1}开关状态序列，m＝100。

步骤二、控制器依次向高频开关电路3输出m个序列；第一电流传感器分别检测m个序列输出时，流经电感L3的电流；得到m个电流变化曲线；

步骤三、将m个电流变化曲线分别减去标准电流曲线，得到m条误差曲线；标准电流曲线为标准的目标PWM波信号输入光电耦合器时，电感L3上的电流变化曲线，其函数表达式为I₀(t)＝sin(2πft)，0≤t≤t_max；其中，I₀(t)为电感L3上在t时刻的电流值，f为目标PWM波信号的频率；t为自变量时间；t_max为目标PWM波信号的持续时长。

步骤四、分别计算m条误差曲线与坐标系X轴合围成的几何图形的面积；取面积最小的误差曲线作为最优误差曲线；最优误差曲线对应的{0，1}开关状态序列即为最佳{0，1}开关状态序列。控制器输出最佳{0，1}开关状态序列即可得到目标PWM波信号。