一种自适应主动压电能量采集装置

摘要

本发明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。

主权项

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(L1)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(C1)，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(C1)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；所述控制单元产生最优电压幅值信号和最优电压相位信号，所述最优电压幅值信号为：$U_{\mathrm{mag}}=\sqrt{{\omega }^2{C}^2+{(K-{\omega }^{2}M)}^2}\frac{F_m}{2\mathrm{\alpha \omega C}},$所述最优电压相位信号$\theta =180-\arctan \left(\frac{K-{\omega }^{2}M}{\mathrm{\omega C}}\right),$其中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，F_m为外部激振力幅值；所述最优电压幅值信号和所述最优电压相位信号产生步骤为：第一步：给定一个初始的控制电压，它的幅值和相位分别记为U_m1和θ₁，记录能量存储单元的功率为P₁；第二步：改变控制电压幅值为U_m1+U_step，相位不变，记录能量存储单元的功率为P₂；其中，U_step为预设的增量值；第三步：如果P₂>P₁，则新的控制电压幅值为U_m1+U_step；如果P₂<P₁，则新的控制电压幅值为U_m1‑U_step，并记录此时的功率值为P₃；第四步：控制电压幅值不变，改变控制电压相位为θ₁+θ_step，记录此时的功率为P₄；其中，θ_step为预设的增量值；第五步：如果P₄>P₃，则新的控制电压相位为θ₁+θ_step；如果P₄<P₃，则新的控制电压相位为θ₁‑θ_step。