基于低延遲并聯(lián)電感同步開關(guān)的壓電能量收集電路及系統(tǒng)設(shè)計(jì)①

蔣建東 吳松濤 喬 欣

(浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 杭州 310023)

(浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310023)

0 引言

履帶起重機(jī)在吊重物(未離地)時(shí),其吊鉤往往無法與地面垂直,有一定的傾覆風(fēng)險(xiǎn),因此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的穩(wěn)鉤控制系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)吊鉤擺動(dòng)角度和方向以實(shí)現(xiàn)起重吊裝的穩(wěn)鉤。穩(wěn)鉤控制是為了吊裝和搬運(yùn)后吊裝物的快速穩(wěn)定,保證安全和提高吊裝效率。穩(wěn)鉤控制系統(tǒng)需要獲取吊臂及重物的位置姿態(tài)信息,這些信息需要構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來獲取,其中,自供能無線傳感節(jié)點(diǎn)是構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置。

環(huán)境中有太陽能、熱能和振動(dòng)能等多種能源,其中振動(dòng)能由于具有良好的功率密度和集成潛力而得到廣泛的關(guān)注[1-2]。為對(duì)環(huán)境中耗散的振動(dòng)能收集以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自供能,需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的能量收集電路[3-4]。傳統(tǒng)的方法是由Ottman 等人[5]提出的標(biāo)準(zhǔn)能量收集電路(standard energy harvesting,SEH),該電路在電路設(shè)計(jì)方面比較簡(jiǎn)單,但存在能量收集效率低下的問題。Guyomar 等人[6]在此基礎(chǔ)上,提出了基于非線性開關(guān)技術(shù)的電感同步開關(guān)(synchronized switch harvesting on inductor,SSHI)電路,通過電壓翻轉(zhuǎn)提高了能量收集效率。Lefeuvre 等人[7]也提出了一種電荷同步提取電路,該電路通過免除負(fù)載匹配過程提高了能量收集效率。上述文獻(xiàn)中非線性開關(guān)技術(shù)的引入明顯提升了能量收集效率,并促使國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)如何產(chǎn)生開關(guān)控制信號(hào)進(jìn)行了大量的研究。Do 等人[8]提出一種使用4 個(gè)晶體管的整流器電路。Du 等人[9-10]提出一種使用1 個(gè)或多個(gè)電容來執(zhí)行剩余電荷反轉(zhuǎn)動(dòng)作的無電感偏置翻轉(zhuǎn)整流器電路。Chen 等人[11]也提出一種通過可重構(gòu)電容陣列實(shí)現(xiàn)電壓整流的電容整流器電路。Zouari 等人[12]在SSHI 電路中引入了基于分?jǐn)?shù)開路的最大功率追蹤技術(shù)。此外,還有通過外部邏輯電路驅(qū)動(dòng)的開關(guān)[13]、機(jī)械開關(guān)[14]和通過速度控制的開關(guān)[15]等多種實(shí)現(xiàn)形式。但上述文獻(xiàn)中開關(guān)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)一方面需要引入額外的開關(guān)控制電路與外接電源,雖然提高了能量的收集效率,但帶來了更高的系統(tǒng)功耗。另一方面,其電路的實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜,需要通過互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)工藝生產(chǎn)加工,難以在實(shí)際工程中應(yīng)用。Lallart 和Guyomar[16]在并聯(lián)電感同步開關(guān)(parallel synchronized switch harvesting on inductor,P-SSHI)電路的基礎(chǔ)上,提出一種自供能并聯(lián)電感同步開關(guān)(self-powered parallel synchronized switch harvesting on inductor,SP-SSHI)電路,通過非線性元件實(shí)現(xiàn)開關(guān)的通斷控制。Liang 和Liao[17]進(jìn)一步改進(jìn)了SP-SSHI 電路,并討論在不同激勵(lì)水平下SPSSHI 與P-SSHI 電路之間的區(qū)別。但是,上述文獻(xiàn)只是近似地將系統(tǒng)中的開關(guān)延遲(switching delay,SD)認(rèn)定為一個(gè)恒定值,并沒有考慮到SD 對(duì)能量收集效率產(chǎn)生的影響。

針對(duì)上述問題,本文對(duì)電路中SD 進(jìn)行理論模型研究與關(guān)鍵參數(shù)分析,在SP-SSHI 電路的基礎(chǔ)上,提出一種低延遲的改進(jìn)型自供能并聯(lián)電感同步開關(guān)(improved self-powered parallel synchronized switch harvesting on inductor,ISP-SSHI)電路,并基于此設(shè)計(jì)了自供能無線傳感網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)。通過理論分析與電路仿真,并搭建完整的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

1 壓電能量收集電路理論分析

為構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò),需要有共計(jì)15 個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),分別對(duì)吊臂的運(yùn)動(dòng)參數(shù)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力參數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,并將數(shù)據(jù)匯集至駕駛室的中央節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理,通過中央節(jié)點(diǎn)與裝備控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,以實(shí)現(xiàn)履帶起重機(jī)的穩(wěn)鉤控制。圖1 顯示了履帶吊穩(wěn)鉤的實(shí)現(xiàn)過程。

圖1 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的履帶吊穩(wěn)鉤智能控制系統(tǒng)原理圖

1.1 壓電振子等效電學(xué)模型

壓電懸臂梁滿足如下表達(dá)式[18]:

式中,FP為壓電片的回復(fù)力,KPE為壓電懸臂梁的剛度,u是壓電片的位移,α為壓電片的壓電應(yīng)力因子,CP為壓電片的夾持電容,V是壓電片的輸出電壓,I是壓電片產(chǎn)生的輸出電流。在實(shí)際應(yīng)用中,通常將壓電懸臂梁等效為一個(gè)電流源iP與其夾持電容CP與內(nèi)部電阻RP的并聯(lián),RL為電路的負(fù)載。壓電振子電流源為iP(t)=IPsin(ωt),其中IP是電流幅值,ω是振動(dòng)角頻率。

1.2 P-SSHI 電路分析

P-SSHI 電路通過在整流橋前并聯(lián)入一個(gè)電感L和一個(gè)開關(guān)S,開關(guān)和電感之間是串聯(lián)關(guān)系,以減少在半個(gè)周期內(nèi)的能量損失,增加整個(gè)電路的能量收集效率。

在實(shí)際中,因?yàn)殡姼兄械牡刃Т?lián)電阻的存在,在電壓翻轉(zhuǎn)這一動(dòng)作后,電感中會(huì)損失一部分能量,損耗與振蕩電路的品質(zhì)因子Q有關(guān),具體如下式:

式中,Von和Voff分別是翻轉(zhuǎn)前后的電壓,Vref是參考電壓,Q為品質(zhì)因子。

根據(jù)整個(gè)電路的電荷守恒定律:

聯(lián)立式(1)、(3)、(4)、(5)得出輸出功率為

式中,UM為懸臂梁振動(dòng)的位移幅值,ω為振動(dòng)角頻率,VDC為RL兩端電壓,α為壓電片的壓電應(yīng)力因子。

上述P-SSHI 電路是工作在理論條件下的,在實(shí)際中,開關(guān)S不可能正好在位移的極值處閉合,兩者之間必定存在著一定的相位延遲,接下來分析實(shí)際情況下的P-SSHI 電路工作情況。

1.3 SP-SSHI 電路SD 分析與改進(jìn)

SP-SSHI 電路通過包絡(luò)檢波器、比較器和同步開關(guān)3 部分實(shí)現(xiàn)開關(guān)S的工作。圖2 是此3 部分的局部圖。

圖2 SP-SSHI 電路局部圖

整個(gè)電路的延遲總體?也由3 部分組成。(1)壓電振子的電壓與位移之間的相位延遲σ;(2)包絡(luò)檢波器的相位延遲θ;(3)比較器的相位延遲β。下面分別分析這3 個(gè)相位。

對(duì)于壓電振子的電壓與位移之間的相位差,將內(nèi)部電容CP與電阻R1、二極管D1的等效電阻RD以及電容C1合并成為一個(gè)統(tǒng)一的阻抗Z,那么阻抗的模AZ為

式中R=R1+RD。

對(duì)于包絡(luò)檢波器的相位延遲,由于正、負(fù)兩個(gè)半周期的對(duì)稱性,只討論正周期的情況,負(fù)半周期同理。當(dāng)壓電振子電壓VP還未到極大值時(shí),開關(guān)斷開,此時(shí)VP與滿足:

式中,A和θ分別是包絡(luò)檢波器的電壓幅值比和相位延遲。

對(duì)于比較器的相位延遲,此時(shí)VP達(dá)到極大值,顯然,有=VDC+2VD

為使比較器工作,需要滿足:

于是可得:

得出輸出功率為[20]

由式(14)可知,在?∈范圍內(nèi),當(dāng)且僅當(dāng)?=0 時(shí),PSP-SSHI=PP-SSHI。SD 對(duì)整個(gè)電路的收集效率有著阻礙作用,且?越大,收獲的功率越小。結(jié)合上述式子,總結(jié)3 類延時(shí)對(duì)總延時(shí)的影響,即σ影響較小、β占主導(dǎo)地位和θ可以忽略不計(jì)。因此,為減小SD,減小β是最有效的方法。

2 具有低延遲ISP-SSHI 壓電能量收集電路的節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 低延遲ISP-SSHI 整流電路

基于上述分析,為減小β提出一種低延遲的ISP-SSHI 電路,其電路如圖3 所示。

圖3 ISP-SSHI 電路

通過在三極管Q1 的B極上端加入一個(gè)二極管D6,從而降低三極管Q1 的基極電壓,減小β后達(dá)到了減小SD 的目的。圖4 顯示SP-SSHI 與ISPSSHI 電路的SD 在時(shí)間常數(shù)τ=RC1的變化下的對(duì)比情況,由圖可知,ISP-SSHI 整體曲線都在SP-SSHI曲線之下。

圖4 兩電路SD 對(duì)比圖

為更清晰地描述低延遲ISP-SSHI 電路的工作原理,圖5 給出在等效電流源iP(t)作用下,其正半周期的電路工作狀態(tài),負(fù)半周期同理。

在自然充電階段,電路由零狀態(tài)開始工作,電路中的電流流向如圖5(a)所示。在這一階段,電流源經(jīng)過R1 和二極管D5 向電容C1 充電,整流橋中二極管D1、D4 導(dǎo)通向負(fù)載供電。

在電壓第1 次翻轉(zhuǎn)階段,此時(shí)壓電振子的輸出電壓由正向最大值下降至,三極管Q1 導(dǎo)通,從而帶動(dòng)三極管Q2 導(dǎo)通,然后Cp通過D7、Q2 與電感L1 形成振蕩回路,電容C1 通過Q1、D10、Q2 放電,電路中的電流流向如圖5(b)所示。

在電壓第2 次翻轉(zhuǎn)階段,電路中的電流流向如圖5(c)所示。在這個(gè)階段,電感L開始趨向于放電,由于二極管的單向?qū)ㄐ砸约癚3 內(nèi)部存在的小寄生電容,L通過Q3、D8 開始放電。

在電荷中和階段,電路中的電流流向如圖5(d)所示。此時(shí)三極管全部斷開,但電容C2 中有殘余電荷,因此通過D12、R2 開始放電。

圖5 正半周期電路工作狀態(tài)

為驗(yàn)證改進(jìn)后的ISP-SSHI 電路與原SP-SSHI電路之間的區(qū)別,現(xiàn)通過仿真軟件對(duì)SP-SSHI 與ISP-SSHI 電路進(jìn)行仿真測(cè)試。仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真中主要器件的型號(hào)及參數(shù)

測(cè)試結(jié)果如圖6 所示,兩者的波形大致相同,但I(xiàn)SP-SSHI 電路最終穩(wěn)定的輸出電壓在3.5701 V,相比于SP-SSHI 電路的3.3213 V,提升約7.5%。

圖6 兩種電路輸出電壓對(duì)比圖

2.2 無線傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

基于上述低延遲ISP-SSHI 整流電路,設(shè)計(jì)應(yīng)用于穩(wěn)鉤控制系統(tǒng)的無線傳感節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。系統(tǒng)包括壓電能量采集器、整流電路、電壓變換電路、中央控制器、傳感器和無線收發(fā)器。

其中,壓電能量采集器使用L 型雙壓電晶片壓電懸臂梁式換能器以獲得更好的低寬頻響應(yīng)。L 型壓電懸臂梁式換能器結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 壓電懸臂梁式換能器結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖

電壓變換電路用于將壓電振子產(chǎn)生的能量穩(wěn)定至芯片工作電壓,通過比較后選擇ADI 公司的LTC 3331超低電壓降壓-升壓型DC/DC 轉(zhuǎn)換器。該芯片集成一個(gè)高電壓能量收集電源和一個(gè)由可再充電電池供電的降壓-升壓型DC/DC 轉(zhuǎn)換器,內(nèi)部帶有一個(gè)10 mA 的分流器允許向電池進(jìn)行簡(jiǎn)單的充電,并針對(duì)多輸入系統(tǒng)提供電源路徑管理功能,最終輸出3.3 V 電壓以供系統(tǒng)工作。同時(shí),為應(yīng)對(duì)弱振動(dòng)下的產(chǎn)能不足,芯片外接一個(gè)鋰電池充當(dāng)后備能源。其電路圖如圖8 所示。

圖8 電壓變化電路圖

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性,通過仿真軟件對(duì)該芯片電路進(jìn)行仿真測(cè)試。為加快仿真速度,將Ip電流加大10 倍,芯片VOUT 輸出電壓如圖9 所示,顯示輸出電壓在23 ms 與30 ms 時(shí)有一段平臺(tái)期,在31 ms后穩(wěn)定在3.3 V 左右,能夠滿足系統(tǒng)的工作電壓要求。同時(shí)為測(cè)試系統(tǒng)在帶負(fù)載時(shí)的輸出,在VOUT后接入一個(gè)10 kΩ負(fù)載電阻,以此測(cè)量其輸出功率的大小。結(jié)果顯示,功率與電壓波形類似,在電壓的平臺(tái)期,輸出功率有略微的下降,在31 ms 后,峰值功率維持在11 mW左右,但這是電流源放大后的輸出功率。

圖9 輸出電壓和功率波形圖

節(jié)點(diǎn)的中央控制器選取MSP 430 F169,該芯片具有極低的功耗,1.1 μA 的待機(jī)電流十分適合用于此類低功耗的傳感系統(tǒng)使用。無線收發(fā)器選用工作在2.4 GHz 頻段的nRF24L01 器件,通過SPI 接口與MSP 430 進(jìn)行通訊。傳感器選擇ADXL 345 超低功耗3 軸加速度計(jì),通過IIC 接口與MSP 430 進(jìn)行通訊。整個(gè)系統(tǒng)由MSP 430 統(tǒng)一控制休眠與工作狀態(tài)。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)上述系統(tǒng)需求,設(shè)計(jì)相應(yīng)的無線傳感節(jié)點(diǎn)系統(tǒng),并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以驗(yàn)證功能與性能的實(shí)驗(yàn)測(cè)試,實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖10 所示。

圖10 無線傳感節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本實(shí)驗(yàn)選取的壓電懸臂梁,其壓電片材質(zhì)為壓電陶瓷片,型號(hào)為PZT-5A,壓電陶瓷尺寸(長(zhǎng)、寬、厚)為60 mm×15 mm×0.3 mm,基片尺寸為70 mm×17 mm×0.3 mm,L 型外延基片為45 mm ×15 mm×0.3 mm。實(shí)驗(yàn)中由SA-SG 030 型掃頻信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào),經(jīng)由SA-JZ 002 電磁式激振器產(chǎn)生振動(dòng)以帶動(dòng)壓電懸臂梁。本文電路均采用分立元件實(shí)現(xiàn),具體的元器件選型與參數(shù)如表2 所示。

表2 電路中主要器件的型號(hào)及參數(shù)

為驗(yàn)證本文所提出的ISP-SSHI 電路的優(yōu)勢(shì),特進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),將SEH 電路和SP-SSHI 電路、ISPSSHI 電路在相同的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行輸出電壓的測(cè)量。上述電路的輸出電壓都與負(fù)載電阻有關(guān),因此,選取不同的電阻阻值,分別進(jìn)行輸出電壓的測(cè)量,得到圖11。

由圖11 可知,隨著負(fù)載阻值的增大,電路的輸出電壓都隨之增大,其中,本文所提出的ISP-SSHI電路能夠輸出最高的電壓。又根據(jù)電壓與功率的關(guān)系及圖11,得到圖12。

圖11 負(fù)載電阻和輸出電壓之間的關(guān)系

圖12 負(fù)載電阻和輸出功率之間的關(guān)系

由圖12 可知,SEH 電路在負(fù)載電阻為150 kΩ時(shí)輸出功率最大,為88.4 μW;SP-SSHI 電路次之,在負(fù)載為120 kΩ 時(shí)輸出169.7 μW 的功率;本文所提ISP-SSHI 電路輸出的功率最大,在負(fù)載為120 kΩ時(shí)輸出功率為196.1 μW。相比于SEH 電路,ISP-SSHI電路輸出功率提高121.8%,對(duì)比SP-SSHI 電路,輸出功率提高15.5%。

為進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的能量采集電路能否滿足傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作需求,還需對(duì)系統(tǒng)的工作功耗進(jìn)一步分析。

無線傳感節(jié)點(diǎn)的工作步驟分為3 個(gè)過程,即休眠階段、數(shù)據(jù)采集階段和數(shù)據(jù)發(fā)送階段。其中,休眠階段保持中央處理器、傳感器、無線收發(fā)器的休眠狀態(tài),確保系統(tǒng)的低消耗,并采用定時(shí)喚醒機(jī)制,休眠一段時(shí)間后喚醒MCU,并進(jìn)入數(shù)據(jù)采集階段。此時(shí),MCU 喚醒加速度傳感器,使加速度傳感器正常工作,設(shè)置ADXL 345 的輸出速率為1600 Hz,輸出1600 個(gè)周期后,關(guān)閉傳感器,開啟無線收發(fā)器,進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送階段。此時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送,發(fā)送速率為1 Mbps,發(fā)送時(shí)間持續(xù)約40 ms,然后重新進(jìn)入休眠階段。每個(gè)步驟的功耗如表3 所示。

表3 各階段系統(tǒng)功耗

通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的休眠時(shí)間,可以調(diào)整系統(tǒng)的平均功耗,使其跟收集的壓電能量進(jìn)行匹配,通過表3中的數(shù)據(jù),可用下式計(jì)算出系統(tǒng)的平均功耗。

式中,P是平均功耗,Ts是系統(tǒng)的休眠時(shí)間。壓電懸臂的最大輸出功率為196.1 μW。因此,為滿足傳感器的功耗,在不使用備用電池時(shí),Ts最少應(yīng)大于11.64 s?？紤]到能源效率,最佳睡眠時(shí)間應(yīng)不少于20 s。

4 結(jié)論

本文提出一種基于低延遲ISP-SSHI 的高效能量收集電路,開發(fā)并設(shè)計(jì)了適用于工程機(jī)械裝備的自供能無線傳感節(jié)點(diǎn),建立了壓電振子的電學(xué)等效模型與SP-SSHI 電路的理論模型,并通過仿真分析和實(shí)驗(yàn)對(duì)比得到如下結(jié)論。

(1)SP-SSHI 電路中SD 的存在導(dǎo)致了能量收集效率的降低。

(2)SP-SSHI 電路中的SD 由σ、θ、β組成,其中β占有主導(dǎo)地位。為減小β可以通過降低三極管的基極-發(fā)射極閾值電壓實(shí)現(xiàn),并以此提出ISP-SSHI電路,仿真結(jié)果顯示相比于原SP-SSHI 電路輸出電壓提升約7.5%。

(3)進(jìn)行了SEH、SP-SSHI、ISP-SSHI 電路之間的對(duì)比實(shí)驗(yàn),測(cè)量其輸出電壓的大小并進(jìn)行功率計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所提電路輸出功率為196.1 μW,比SP-SSHI 電路提升15.5%,比SEH 電路提升121.8%。