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压电多方向振动能量收集结构及其充电控制方法研究

作　者: 朱莉娅
导　师: 陈仁文
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 振动能量收集压电多方向充电控制频率调谐
分类号: TM619
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

随着大规模集成电路技术、超精密加工技术及网络通信技术的发展，各种微机电系统及微小型电子设备的应用日趋广泛。目前，多数微小型电子设备供电依赖于电池或电线供电。使用电池或电线供电存在代价大、更换困难、污染严重等问题，寻找清洁、可再生的能量取代传统供电方式是解决能量问题的关键所在。压电式振动能量收集技术因其能量转换效率高、结构简单、易于实现微型化与集成化等优点，成为研究较为集中的能量收集技术。本项目组针对目前所研究的压电式振动能量收集结构只能对单一方向振动激励进行能量收集的特点，提出并研制了立方体-球状及蒲公英状多方向振动能量收集器。本文主要研究了多方向振动能量收集结构中各压电换能元件输出信号电学特征，完成了相应充电控制电路拓扑的设计及其无源开关策略实现，并研究了面向振动能量收集结构的自适应频率调谐方法，以提高其对外界频率的适应性。主要研究工作及创新点如下：首先从压电能量收集结构基本工作原理出发，结合压电方程和振动理论给出了一种典型压电能量收集结构---悬臂梁式压电振动能量收集结构的输出功率的理论模型。在此基础上建立了立方体-球、蒲公英状多方向振动能量收集结构的动力学模型，并分析了不同压电换能元件上输出的电压或电流信号之间的幅值、相位关系，为下一步充电电路设计提供了依据。针对单电荷源情况，提出了一种改进的无源同步电荷提取（SCE）电路，及一种基于倍流整流的同步开关电感（SSHI-CDR）电路，并对开关电路中所采用的无源开关（Electronic Breaker）策略进行了理论分析。其中，改进的SCE电路输出功率为经典AC-DC电路最大输出功率的2.98倍。且该电路输出功率恒定，解决了能量收集电路输出功率受负载影响的问题。新型SSHI-CDR电路有效利用了开关过程中电感剩余磁能，在一个机械振动周期内完成四次充电过程，最大输出功率为已有串联同步开关电感（Series SSHI）电路的1.8倍，为经典AC-DC电路的8.4倍。同时，证明了将Electronic Breaker开关电路分别与SCE及并联同步开关电感（Parallel SSHI）电路结合，可以实现不同开关时间，且该开关电路功耗极低，可以实现各类开关电路的能量自给。针对多方向振动能量收集结构的特殊情况，首先提出了多源全桥并联电路与多源全桥串联电路，然后将单电荷源下所提出的改进的无源SCE电路及Parallel SSHI电路应用于多电荷源情况，最后提出一种基于倍压整流的同步开关电感（SSHI-VDR）电路。其中，多源全桥并联电路与多源全桥串联电路下，输出功率分别为单电荷源下经典AC-DC电路的1.98倍与1.96倍。多源SCE电路及多源Parallel SSHI电路下，输出功率分别为多源全桥并联电路的4倍与14.36倍。而新型多源SSHI-VDR电路的最大输出功率达到多源Parallel SSHI电路最大输出功率的1.55倍。同时证明了上述多方向能量收集电路输出功率均不受电荷源相位差影响，适合相位差变化的多源情况。最后，设计了一种低功耗电能调理电路，结合能量收集接口电路，可以输出稳定的3.6V直流电压。为解决能量收集结构输出功率受激励频率影响的问题，提出了一种改进的半主动自适应频率调谐策略。以立方体状多方向能量收集结构为研究对象，利用同步开关刚度控制（SSSC）电路，改变能量收集结构固有频率，使之趋近于外界激励频率。实验结果表明，在该策略调节作用下，结构固有频率频率变化率达到5.45%。且在一定外界激励范围内，可以实现能量自给。本文在机械结构力学及控制国家重点实验室完成。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-14
第一章绪论  14-32
  1.1 环境能量收集研究背景及意义  14-18
  1.2 振动能量收集技术  18-19
  1.3 国内外研究现状与水平  19-30
    1.3.1 振动能量采集结构  19-25
    1.3.2 能量收集接口电路及储能技术  25-28
    1.3.3 频率调节策略  28-30
  1.4 本文主要研究内容  30-32
第二章压电多方向振动能量收集结构原理及理论分析  32-45
  2.1 压电材料理论基础  32-34
    2.1.1 压电效应  32
    2.1.2 压电方程  32-33
    2.1.3 压电材料的一些特性参数  33-34
  2.2 悬臂梁式振动能量收集结构理论分析  34-36
    2.2.1 悬臂梁结构等效力学模型  34-36
    2.2.2 悬臂梁结构输出功率分析  36
  2.3 多方向振动能量收集结构理论分析  36-44
    2.3.1 立方体状能量收集结构理论分析  37-43
    2.3.2 蒲公英状能量收集结构理论分析  43-44
  2.4 本章小结  44-45
第三章单电荷源下的能量收集充电控制电路设计  45-73
  3.1 压电式振动能量收集结构机电转换模型  45-46
  3.2 无源同步电荷提取电路分析及其改进  46-53
    3.2.1 经典 AC-DC 电路输出功率分析  46-48
    3.2.2 已有 SCE 电路输出功率分析  48-49
    3.2.3 改进的无源同步电荷提取电路控制策略  49-50
    3.2.4 实验结果与分析  50-53
  3.3 基于倍流整流的同步开关电感电路设计  53-63
    3.3.1 已有 Series SSHI 电路输出功率分析  53-55
    3.3.2 新型 SSHI-CDR 电路控制策略研究  55-59
    3.3.3 实验结果与分析  59-63
  3.4 低功耗无源开关控制电路分析  63-71
    3.4.1 已有 Parallel SSHI 电路输出功率分析  63-65
    3.4.2 Parallel SSHI 电路的无源控制策略实现  65
    3.4.3 Electronic Breaker 开关控制电路及其理论分析  65-69
    3.4.4 实验结果与分析  69-71
  3.5 本章小结  71-73
第四章多源异相电荷源下的能量收集充电控制电路设计  73-100
  4.1 基于全桥整流的多方向结构充电控制电路设计  73-80
    4.1.1 基于全桥整流的多源电路结构设计及输出功率分析  73-77
    4.1.2 实验结果与分析  77-80
  4.2 基于同步开关的多方向结构充电控制电路设计  80-86
    4.2.1 基于同步开关的多源电路设计及输出功率分析  80-83
    4.2.2 实验结果分析  83-86
  4.3 基于倍压整流的多方向结构充电控制电路设计  86-92
    4.3.1 基于倍压整流的多方向同步开关电路设计及输出功率分析  86-89
    4.3.2 实验结果分析  89-92
  4.4 低功耗电能调理与存储电路设计  92-98
    4.4.1 储能元件的选取  92-93
    4.4.2 超级电容工作原理及充电特性实验  93-95
    4.4.3 低功耗电能调理电路设计及结构整体性能测试  95-98
  4.5 本章小结  98-100
第五章自适应频率调谐策略及其效果分析  100-110
  5.1 基于 SSSC 技术的半主动频率调节策略工作原理  100-102
    5.1.1 SSSC 技术工作原理  100-101
    5.1.2 SSSC 技术频率控制理论分析  101-102
  5.2 基于 SSSC 技术的自适应频率调节方法研究  102-105
    5.2.1 自适应频率调谐压电能量收集系统基本结构设计  102
    5.2.2 基于相位差的自适应频率调谐方法理论分析  102-103
    5.2.3 SSSC 技术能量及功耗分析  103-105
  5.3 实验结果与分析  105-109
    5.3.1 低功耗 SSSC 频率控制电路设计  105-106
    5.3.2 自适应频率调谐实验系统搭建  106-107
    5.3.3 实验结果及分析  107-109
  5.4 本章小结  109-110
第六章全文总结与展望  110-113
  6.1 全文总结  110-112
  6.2 研究展望  112-113
参考文献  113-120
致谢  120-121
在学期间的研究成果及发表的学术论文  121-122

压电多方向振动能量收集结构及其充电控制方法研究

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