用于无线供电的自适应压电能量采集电路Word文件下载.docx
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本文首先建立压电换能器的简单模型。
增加一个直直变换器用于决定压电元件的优化潮流。
这种方法与相似。
最后，用实验结果证明该技术的正确性。
二、压电装置的最优潮流
为了确定其功率潮流特性，压电振动元件被等效为正弦电流源与电容并联。
模型的正确性将在以下的章节中论证。
极化电流的大小随压电元件的机械振动程度而变化，但假定它是恒定的，不论负载如何。
压电振动装置产生交流电压而电池需要直流电，因此，电能采集电路应先将压电的输出经交—直变换，如图1。
在接下来的分析中，认为电容无限大，输出电压基本恒定。
负载看作电流源，管子认为是理想的。
该电路的电压，电流波形如图2所示。
该波形可分为两个阶段。
第一阶段，记为u，极化电流给压电元件的电容充电。
此时，所有的管子偏置，无电流输出。
直到该电容Cp电压等于输出电压Vrect。
第二阶段，电流流过电容Crect和负载。
输出电流表达式：
输出电流直流分量：
输出功率表达式：
最大功率对应的输出电压Vrect或者压电元件的半峰开路电压
三、电能采集电路
极化电流Ip的幅值是由压电换能器产生的，因此最优化整流电压与压电元件的振动程度有关，该电压不恒定。
（振动—Ip—最优化整流电压）这就需要电路具有适应性，能够调节整流器的输出电压以使功率传输最大化。
为了达到使整流输出电压最大化的目的，在整流器和电池之间增加一个直—直转换装置，如图3所示。
通常这种转换控制器经常用于调节输出电压。
然而，该电路将用于使流入电池的功率最大化。
如果有效的话，压电元件可达到最大功率，与此同时整流输出电压Vrect保持在最优值，约为开路电压的1/2，如前所述。
本电路的目的是使电池充电功率最大化。
由于电池电压基本恒定，所以要使电池充电电流Ibattery最大化。
通过研究电路发现，可通过调节占空比使充电电流最大化。
一个普通的DC-DC拓扑也可以进行控制。
为了说明最大化功率传输和控制变换器，本文将讲解降压电路或者BUCK电路。
图4是降压电路中，稳态电池电流与占空比的关系。
为了达到最大电池充电电流，根据电池电流斜率的曲线来控制占空比增大或减小，哦哦哦。
此时的占空比为之前的占空比加增量。
占空比表达式：
该控制的特点：
1、由于该控制算法根据信号变化率来确定，故占空比要连续变化。
事实上，一旦控制器确定，这（指什么？
）相当于最优控制点的小扰动。
更进一步，控制算法根据平稳状态下的压电元件和在直--直变换器设定，因此设计时要有两路。
使用两个时间尺度分析技术的控制器可以确保动态控制算法被设为足够的慢，这样，压电装置和转换器才能假定为在平稳状态下运行。
然而，这样会限制控制器的带宽。
控制的实现
该自适应控制器是由DS1102板子实现。
这个板子有包括德州仪器TMS320C31并行浮点数字信号处理器，用于抽样检测的AD转换器和用于控制该转换器的PWM信号输出。
该控制算由MATLAB中simulink仿真，并产生控制代码。
该控制算法如图5所示。
电路启动时，初始占空比设为10%。
电池电流用电流检测电阻测得并将采样送到A/D转换器。
然后电池电流经低通滤波去除由于管子开关而引起的噪声和纹波。
电流信号的导数除以占空比的导数，用于决定控制器的工作状态在曲线4中的位置。
该式被000模块用来以平稳的速率改变占空比，速率取21/s，百分之0.021每秒。
该速率可以使变换后的占空比对应的电池电流的变化可测量。
000模块根据导数之比的正负而非大小增大或减小占空比。
不论哪个输入量（导数）为零，000模块都会默认减小占空比。
在电路启动，电池电流变化不易测得时，默认减小占空比可使控制的占空比变得更低。
试验表明，开关频率为1KHZ占空比大于10%时，电流变化很小，然而，最优占空比为3%-5%。
然后对占空比滤波，并由此产生驱动降压电路的PWM波。
对PWM进行滤波使得占空比的变化率减慢，电池电流易测得，易估计。
若没有低通滤波器，由于扰动信号反应比有限整定时间的电池电流信号要快，控制器会产生周期震荡。
五、实验步骤
压电能量源，当振动时会产生交流电。
设备说明如图6所示。
实验步骤如图7所示。
压电装置固定在一个振动装置上，以产生正弦波。
压电元件机械激励的大小由开路电压Voc表示。
此处省略
降压电路包括MOS管，电感，肖特基二极管以及滤波电容。
电流检测电阻的电压会被放大，经A/D采样送到控制卡。
控制卡根据计得到的占空比产生PWM信号，触发高速MOS管。
驱动电路由另外的直流电源供电。
由于希望压电装置低功率，假定变化器工作在电流不连续状态，开关频率为1KH。
低开关频率，功耗也低。
六、结果
实验数据是为了说明之前提到的理论以及展示自适应算法的效果。
第一个实验，证明压电元件模型选取的正确定性，如图1所示。
给压电元件加不同的阻性负载，如图8所示，并测量器输出。
激励的频率应于系统的谐振模式相适应。
这样是为了确保元件在整个实验过程中一直有相对恒定的机械激励，电阻负载对机械振动幅值有阻尼效应。
该电路输出电压为：
将此式计算出的输出电压与实际测量电压相比较如图9所示。
下一个实验：
证明压电整流电路最优功率传输理论的正确性。
图10，是输出功率与压电振动元件电压维持在输出整流器。
压电装置由频率恒为53.8Hz的振动驱动，不同大小的电阻跨接
在整流电容两端，充当负载。
开路时，整流器输出电压Vrect为45V。
不同电压下电阻的功耗曲线表明，当24K的电阻加20.57V的电压时，功率最大，为18mW。
最优整流电压大约为压电元件开路电压的一半。
出现这种现象的原因是，未对压电装置以及整流器的损耗建模。
相同的电路和实验条件下，压电元件的输出电压用10的检测电阻（整流器和电容之间）测得。
图11，是负载电阻从430K到0.51K整流电容波形。
随着负载的减小，换向间隔变小，波形接近正弦波。
为了说明直直变换器能够达到最大功率转移，将手动调节降压电路的占空比，得到图12。
表明：
在改变占空比是，电池电流可取到一个最大值。
45V的开路电压，取得4.3mA的最大电池电流时占空比为3.18%。
吃史册的整流器电容电压为20.4V。
比开路电压的一半小2V。
当占空比为2.5%-4.5%时，电流大于4mA。
当超出这个范围时，电流急剧下降。
最优占空比时，3V电池储存的能量是13mW，之前总能量18mW。
功率损耗为5mW。
直接充电功率为4.5mW，电流为1.5mA。
自适应控制器接下来用来说明该算法何以找到并保持最大充电功率在电路启动时，并根据不同的激励自我调整。
在图13中，最初的占空比设为10%，随着电流的上升，控制器线性减小占空比。
当开路电压为45.8V，控制器设定最大电流为4.3mA。
然后控制器保持最大传输功率，尽管占空比会有微小的扰动。
占空比的变化速率设定为21/s，这个速率能使电流的变化被测到，且不会在最大功率点周围震荡。
但是，限制了控制器的电路启动时的速度，大约要6分钟才能达到最大电流，一旦最优占空比确定，它可以限制震荡，增加达到最优占空比的时间。
变化率太小，不易于测量电流的变化。
变化率太大，占空比会震荡，不能有效传递功率。
（太大太小都不好，只要刚刚好！
）
降压转换器的的波形如图14所示。
整流器电容电压Vrect20.3V，MOS管电压Vgs，电流检测电阻电压Vcs，电感电流Iind，电池电压恒为3V，MOS管上升下降时间分别为6.5，18.5ns。
控制器稳定在占空比为13.8%，传输功率为13mW。
能从电感电流波形看出电路工作在电流断续状态。
最后一个实验显示了自适应的优越性，直接充电简单，未使用自适应，亟待改进。
通过比较两种方法的最大可用功率，可以明显看出该控制器的优点。
图15
压电元件根据不同的负载或转换器的条件调整谐振频率，不同激励时对应的功率如图15所示。
激励最大时，整流电路的开路电压为95.31V。
此时，在没有降压电路和有降压电路时传输功率分别为16.43mW，70.42mW,功率提高了四倍。
该曲线表明在任何激励条件下，有都比没有要好！
转换器的曲线与最大可用功率的曲线基本相同，以电压的平方增加，随着激励的增加，该转换器变得越来越重要。
控制器的整流输出电压约为开路电压的42%，大约为一半。
根据一个压电元件的功率水平，许多压电元件一块也可用该种控制器。
转换器的能耗可以根据最大功耗与获得功耗的差值计算。
未考虑整流器的效率。
转换器的效率为74%--88%，激励增大效率会下降。
激励最大时，能耗为18.87mW。
当输出电压明显小于输入电压时，转换器的效率会下降。
当压电装置的机械振动很大时，其他的转换拓扑也许更实用。
七、结论
本文提出了一种采用自适应控制从机械振动式压电装置获取能量的方法。
带有自适应控制算法的直-直转换器获取的功率是直接充电的4倍。
预计在更高的触发水平，这个速率还能提高。
该控制器灵活，可使能量获取电路用于多种振动结构。
不考虑激励频率，可贴即可。
同时，其他的参数，如。
。
也不会影响控制器的运行。
这种控制算法或负载来设计优化系统。
下一步的工作是，开发用于独立控制电路的最优系统。
附录
压电元件产生的电流可由电压导数到此结束译不下去了！
！
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