CN101971117A

CN101971117A - 具有自适应耦合的电力发生器

Info

Publication number: CN101971117A
Application number: CN2008801194774A
Authority: CN
Inventors: D·戈德沃特; C·巴尔肖普; S·格里菲斯; C·哈德罕; G·胡姆西; E·威廉; B·瓦肖斯基; M·黑因里希; M·林; B·拉波波特
Original assignee: Potenco Inc
Current assignee: Potenco Inc
Priority date: 2007-11-07
Filing date: 2008-02-20
Publication date: 2011-02-09
Also published as: US20080150495A1; US7747355B2; WO2009061330A1

Abstract

本发明公开了通过电力发生器将机械功率源耦合到电负载的方法。在发电循环期间所产生的来自所述电力发生器的电输出的特性被测量，在所述发电循环期间存在所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合。在随后的发电循环期间，至少部分地基于所测量的所述电输出的特性来调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合。

Description

具有自适应耦合的电力发生器

背景技术

诸如便携式计算机以及便携式通信装置的电子装置需要适合用于半导体及其它电子技术的电力。在一些实例中，使用区域电网或者局域电力发生器来为电子装置提供电力，是非常困难或者非常昂贵的。如果能够开发一种适合于供提供机械输入功率的人或者动物有效地并且扩展地使用的电力发生器，将是有用的。

附图说明

本发明的各种实施例在下面的详细描述以及附图中被公开：

图1A是示出用于通过电力发生器将机械功率源耦合到电负载的系统的实施例的框图。

图1B是示出电力发生器的第二实施例的框图。

图1C是示出用于通过电力发生器将机械功率源耦合到电负载的系统的第三实施例的框图。

图2A和2B是示出用于通过电力发生器将机械功率源耦合到电负载的系统的实施例的示图。

图3A是范例控制器输出的示图。

图3B是被输入到控制器的范例发生器输出的示图。

图4是示出用于通过电力发生器将机械功率源耦合到电负载的方法的流程图。

图5是示出用于从电力发生器为控制器提供电力的方法的流程图。

图6A示出用于调整机械功率源通过电力发生器到电负载的耦合以增加机械功率源以给定水平的力可得到的电力发生器的平均输出功率的方法的流程图。

图6B示出用于以维持电力发生器的所希望的循环频率为目标来调整机械功率源通过电力发生器到电负载的耦合的方法的流程图。

图6C示出用于以将电力发生器的平均输出功率保持在规定的门限以下为目标来调整机械功率源通过电力发生器到电负载的耦合的方法的流程图。

图7是示出用于调整机械功率源通过电力发生器到电负载的耦合以增加电力发生器的寿命的方法的流程图。

具体实施方式

可以以许多方式来实现本发明，包括如过程、设备、系统、物质的构成(a composition of matter)、诸如计算机可读存储介质的计算机可读介质，或者，计算机网络，其中程序指令在光链路或者通信链路上被发送。在本说明书中，这些实现或者本发明可以采用的任何其他形式可以被称作技术。诸如被描述为被配置用于执行任务的处理器或者存储器的部件既包括临时被配置用于在给定的时间处执行任务的通用部件也包括被制造用于执行任务的专门部件。一般而言，所公开的过程的步骤的顺序可以在本发明的范围内被改变。

本发明的一个或者多个实施例的详细描述在下文中与示出本发明原理的附图一起被提供。本发明结合这样的实施例被描述，但是本发明不受限于任何实施例。本发明的范围仅受权利要求书限制并且本发明包含许多替换例、修改例和等效例。许多专门的细节在下面的描述中被阐明以提供对本发明的彻底理解。这些细节为举例的目的被提供并且本发明可以根据权利要求被实施而不用一些或者所有这些专门的细节。为了清楚起见，与本发明有关的、在本技术领域中已知的技术材料没有被详细描述使得本发明不会不必要地被混淆。

用于通过电力发生器将机械功率源耦合到电负载的技术被公开。机械功率源可以是人或者动物。在一些实施例中，在发电循环期间所产生的来自电力发生器的电输出的特性诸如循环频率或者输出功率被测量，在所述发电循环期间存在机械功率源通过电力发生器发生器到电负载的耦合。

在随后的发电循环期间控制器至少部分地基于所测量的电输出的特性来调整机械功率源通过电力发生器到电负载的耦合。在各种实施例中，所述调整可以包括：

增加机械功率源以给定水平的力可得到的电力发生器的平均输出功率；

尝试维持电力发生器的所希望的循环频率；

尝试将电力发生器的平均输出功率保持在规定的门限以下；或者

尝试增加电力发生器的寿命。

图1A是示出用于通过电力发生器将机械功率源耦合到电负载的系统的实施例的框图。在所示的范例中，机械功率源102通过电力发生器104、通过整流器106并且通过控制门108连接到电池110。控制器和存储器112从电力发生器104取得输入并且为控制门108提供控制。控制器和存储器112可选地提供到用户反馈装置114的输出，该输出被发送回到机械功率源102。

电力发生器104具有输入级以利用来自人或者动物的功率作动力。存在不同的配置，通过这些配置来实现这个目的，所述配置包括：推拉级、Erg级、踏步级(Step stage)、自行车级和曲柄级(Crank stage)。

推拉级。该推拉输入级包括绞盘(capstan)，其中双端的绳(rope)、索(cord)或者其他这种可拉长构件在其中心处固定于绞盘。有两个人体工程学把手固定于绳的远端。

操作如下：

1.初始状态使绳的一端全部卷绕在绞盘上，并且另一端是未卷绕的。拉被卷绕的绳，将其从卷绕状态松开并且将机械能传输到绞盘。在这种情况发生时，绳的另一端被卷绕在绞盘上。

2.在这一击(stroke)结束时，该过程被反转：拉另一绳(现在是卷绕的)，将其从卷绕状态松开而且卷绕第一绳，并且也将机械能传输到绞盘。

3.该过程无穷尽地重复：交替地拉绳的两端，每次卷绕其中的另一端并且将功率传输到绞盘。

Erg级。该输入级基于在划船训练机中所使用的相同类型的生物测量(biometric)运动。T形的柄或者其他人体工程学把手被固定于长绳、狭带(tape)、索或者其他可卷绕的可拉长结构的一端。另一端被固定于卷筒，并且围绕该卷筒完全地被卷绕。卷筒配备旋转复位弹簧(return spring)，因此当狭带被从卷绕状态松开时，卷筒通过复位弹簧的动作重新卷绕狭带。该卷筒以使得只有狭带上的向外(松开)的拉力传输机械能量这样的方式通过飞轮(freewheel)驱动机械耦合系统。由于这种单向转动(one-way freewheeling)，电力发生器104可以在被驱动的方向上持续旋转，即使在卷筒上的复位弹簧将狭带重新卷绕到卷筒上的时候。也有可替换的实施例，其中机械能既在拉循环期间也在狭带被重新卷绕到卷筒上的期间被传输到电力发生器104，例如如果狭带在一定程度上是僵硬的并且用户可以将其推回到装置中而不是使其借助于弹簧而缩回(retract)。

在推拉或者Erg级中，柄在弹簧或者狭带全部缩回时接近机械系统的其余部分。可以在容纳该机械系统的外壳上做准备用于以专门的方式来装载柄，举例来说通过将它们卡到(snap)外壳上的一个或者多个凹槽中。这使得整个单元紧凑并且在其没有被使用时易于运输。

另外的改进可以是当柄被装载时，由于它的装载位置，其可以遮蔽弹簧进入外壳的进入点。这可以用于保护该单元免受通过该弹簧进入点而进入的水、灰尘或者其他污染物等的影响。

在推拉或者Erg级中，可以在单元的设计中做准备用于将其附接于重的或者固定的对象，举例来说诸如树、柱子、重件家具或者门把手。在各种实施例中，绳、绑带(strap)或者狭带(tape)形成环，该环一端从外壳发源，环绕固定的对象，并且以一些类型的可去除、可调整的连接附件返回到外壳。

任何可去除、可调整的连接附件均可以使用。举例来说，弹簧装载式系缆栓(cleat)、弹簧装载式扣件(buckle)、固定式双端插入扣件、固定式双端插入扣件、诸如在行李带上可找到的那些的扣件、诸如在帆船上可找到的那样的棘轮系缆栓(ratchet cleat)、诸如在帆船上可找到的那样的防松系缆栓(jam cleat)以及由圆筒形滚柱和斜面组成的单向摩擦棘轮被用在不同的实施例中。

踏步级。踏步输入级与推拉级非常相似。但是代替使用来自手和臂的功率，该配置意图是要从人对爬楼梯的动作的模仿来提取功率。在该配置中，基座单元被附接于不可移动的对象或者附接于人的身体的部分，并且将脚插入两个人体工程学镫具。然后，将脚以爬楼梯运动前后来回地“踏蹬(pedel)”，从而将机械能量传输到绞盘。

如在推-拉或者Erg配置中那样，踏步情况可以在外壳上做准备用于装载镫具，并且也可以具有任何所提到的准备用于将基座单元附接于不可移动的对象。

自行车级。自行车输入级使用蹬踏板运动(pedaling motion)来捕获机械能量。人坐在座位上并且转动一组踏板，类似于踩自行车踏板的动作。尽管不是将机械能量传输到轮子，机械能量借助于机械耦合系统被传输到电力电力发生器104。

机械耦合可以是齿轮组，或者其可以是直接来自踏板组的带驱动或者链驱动。如果轮胎和轮子是相适合的(fitted)，则其也可以是在自行车轮胎的表面上操作的摩擦驱动。事实上，如果使用真实的自行车，则该系统可以被用于在自行车实际被骑的同时捕获能量。

曲柄级。曲柄输入级使用被附接到与电力发生器104耦合的旋转轴的曲柄臂。机械耦合可以是例如齿轮组、带驱动或者链驱动、或者直接连接的方式。曲柄臂可以是可伸长的以得到更长的杠杆臂并且因此得到更好的效率同时仍然以小的体积装载(stow away)。

机械耦合是系统的一部分，其负责从绞盘提取机械能量并且将其传送到电力发生器104。在推拉、Erg以及踏步输入级配置中，有利的是使用尽可能小的绞盘直径。这从而使得中等的拉速度将转化成在发生器轴处的大的旋转速度。如果绞盘足够小，并且如果电力发生器104正确地被设计，这种系统可以从以舒适的速度移动的人那里提取20瓦或者更多的功率，而不需要使用齿轮。在一些实施例中，绞盘尺寸在直径方面从6毫米到10毫米变化。如与带齿轮的设计相比较，省去了齿轮，产生了更安静、更平滑并且更有效的操作。

在Erg配置的一个实施例中，机械功率在弹簧被拉时而不是在其缩回时从绞盘被提取。这决定了在缩回期间将绞盘从电力发生器104去耦合。这可以使用单向摩擦离合器来完成，诸如基于针状轴承(needle bearing)的“滚柱离合器”。

包括离合器的一个缺点是增加组装尺寸。这可以通过将离合器设置在电力发生器104内来克服。在一些实施例中，电力发生器104具有大直径，使得在内部存在用于包括离合器的宽敞空间。包括离合器减小了系统的整体驱动轴的堆叠高度。

电力发生器104使用整流器106来将交流电(“AC”)输出转换为直流(“DC”)输出。控制器监视发生器或者其输出随时间的特性以改进性能。举例来说，电力发生器的循环频率或者每分钟转数(“RPM”)典型地被监视并且被存储。存储在存储器112中的信息的范例包括：

·先前和当前的装载(loading)；

·先前和当前的平均功率；

·先前和当前的总能量；以及

·自上一个发电循环起所逝去的时间

电力发生器104可以由速度控制的电压源来建模，与Thevenin电阻串联。源的电压线性地正比于电力发生器104的轴速度。因此，可以从电力发生器104提取的最大功率正比于轴速度的平方：

V_oc＝k*omega

P_max＝1/2V_oc*1/2I_sc

I_sc＝V_oc/R_thevenin

因此，P_max＝V_oc^2/(4*R_thevenin)＝k^2^*omega^2/(4*R_thevenin)。可能被示出的是任何特定轴速度的最大功率点在一半开路电压以及一半短路电流处。

如果小半径的发生器被使用，那么能够被有效使用的磁体质量小。这意味着每次旋转所吸收的能量的量也小。问题是对于合理的轴旋转速度这决定了低的功率输出。换句话说，小半径导致小的上述k值。为将电力发生器104有效地耦合到人体运动而不使用齿轮，具有足够大的k的电力发生器104必须被选择。由于k随电力发生器104的物理体积变化，对于给定的磁体性质该条件决定了电力发生器104的最小物理体积。

在设计具有大的物理体积的电力发生器104时，有人可能选择使其轴向长、径向厚或者两者都满足。但是，虽然体积正比于r^2^＊长度，但是所要求的磁体的区域仅正比于r^＊长度。为了经济地利用磁体，有利的是使r最大化。在一些实施例中，因此典型地选择具有在4和6之间的直径与长度比率的短的、厚的发生器，然而其他比率也可以被使用。

一旦电力发生器104的电枢(armature)形状被选择，为绕组选择导线直径用于以人可实现的速度匹配到电池被充电的电压或者要被运行的设备的所希望的输入电压的输出电压。贯穿本说明书，该速度被称为“加载(cut in)”速度。

为了能够用电子学方法调制耦合，该加载速度应当低于平均预期使用速度，其贯穿本说明书被称为“设计速度”。在一些实施例中，加载速度被选择为大约三分之一的设计速度。

电力发生器104的电输出必须被耦合到负载。这涉及三个步骤：电力发生器104输出的整流；电压的可选的上或者下变换；以及到负载上的输出电压的可选的脉宽调制切换。

可用的最直接的耦合是整流器级直接驱动负载。这不是理想的，因为在加载速度以上，从用户处所希望的扭矩(torque)急剧增加，并且不是可调整的：其由电力发生器104的设计所固定。

在一些实施例中，为了提供可调整的扭矩输出而不浪费任何能量，脉宽调制(″PWM″)被采用以迅速地将电力发生器104与负载连接和断开，从而改变被提供给用户的有效扭矩负载。通过改变PWM信号的占空比，可以以在加载速度以上的任何速度来调整被提供给用户的有效扭矩。

电力发生器104中的绕组导线被选择为使得加载速度在一定程度上低于设计速度。加载速度典型地被选择为小于设计速度的一半。这给出了以设计速度可用的扭矩的合理宽的范围。

在一些实施例中，控制器和存储器112使用PWM从而来调制控制门108。控制器和存储器112可以监视例如电力发生器104的循环频率或者每分钟转数(″RPM″)以调整机械功率源通过电力发生器104到电负载的耦合。

控制器和监视器112也可以驱动可选的用户反馈装置114。在一些实施例中，可以在114中做准备以使用视觉、听觉或者触觉提示将一些信息反馈回用户。

视觉提示可以通过适合于该装置的并且在控制器112的控制下的一个或者多个发光二极管(LED)来实现。通过脉宽调制LED驱动，可以实现区别表观(apparent)的亮度或者可以提供其他视觉提示。

听觉提示可以通过使用诸如压电扬声器或者蜂鸣器元件的专用声音输出装置来有源地(actively)实现。可替换的并且具有更低成本的听觉提示可以通过以声音频率(比如说200Hz到2000Hz)调制负载功率在该单元被用户驱动时“半无源地(semi-passively)”来实现。这将通过使电力发生器104以调制频率颤噪式地(microphonically)振动而把“音调(tonality)”施加到电力发生器104的声音上。

触觉提示可以通过以触觉频率(比如说2Hz到10Hz)调制负载功率在单元被用户驱动时来实现。这将在被提供给用户的扭矩反馈中产生“振动”感觉，并且用户将能够感觉到这种振动反馈。

如果需要建议特定的步测间隔(pacing interval)，则可以通过若干视觉或者听觉方法中的任意一种来向用户提醒这个被建议的步测间隔。其可以通过以所建议的步速(pace)脉动(pulse)或者闪烁(flash)LED的接通和断开或者通过向显示器提供表示例如功率或者旋转的值并且向第二显示器(或者在不同的时间使用相同的显示器)提供例如最佳的功率或者旋转值而在视觉上完成。这种脉动可以是纯粹的接通和断开，或者其可以是使用LED驱动的PWM的“悸动(throb)”模式。为在听觉上建议步速，必须使用扬声器或者蜂鸣器元件，因为在控制器112希望产生听觉提示的时间期间用户可能没有为该装置提供电力。

可以通过使用以正比于被传递的功率水平的“亮度”发光的单个PWM LED或者通过使用被用在“条线图”型配置中的多个LED而将输出电力水平最佳地提供给用户。输出电力水平也可以通过使用可变间距的声调(tone)在听觉上被提供，该声调的间距与功率水平有关。这种声调可以通过使用扬声器或者压电元件的有源方法或者半无源地被提供。

“过功率条件”贯穿本说明书被定义为用户为装置传递太多用于转换的功率而不损坏装置本身或者负载时的情况，该“过功率条件”可以通过一些方法来指示，包括：在视觉上，使用LED。如果需要的话，可以以大约3Hz的频率使LED产生脉动以得到最大的可见度；在听觉上，使用有源或者半无源的方法；以及在触觉上，通过使该装置振动，“顶回(fight back)”(转到更高的装载)或者“脱离(break free)”(转到更低的装载)，或者这些方法的任何组合。

如果用户没有达到加载速度，则“欠功率条件”发生。这显然不能由任何半有源的方法来指示，因为该装置不传递功率，但是任何有源的方法(听觉的或者视觉的)可以被使用。

图1B是示出电力发生器的第二实施例的框图。在所示的范例中，机械功率源102通过电力发生器104、通过整流器106被连接到可变负载116。控制器和存储器112从电力发生器104取得输入并且提供用于改变可变负载116的控制。控制器和存储器112可选地提供到用户反馈装置114的输出，该输出被发送回到机械功率源102。

图1B所提供的系统和图1A所提供的系统之间的差别是可变负载116。该可变负载116与控制器和存储器112连接。

图1C是示出用于通过电力发生器将机械功率源耦合到电负载的系统的第三实施例的框图。在所示的范例中，机械功率源102通过电力发生器104、通过整流器106被连接到可变负载116。控制器和存储器112从整流器106取得输入并且提供用于改变可变负载116的控制。控制器和存储器112可选地提供到用户反馈装置114的输出，该输出被发送回到机械功率源102。

图1C所提供的系统和图1A所提供的系统之间的差别是在图1C中控制器和存储器112直接从整流器106取得输入作为输出功率，而不是如图1A从测量诸如循环频率的特性的传感器取得输入。

图2A和2B是示出用于通过电力发生器将机械功率源耦合到电负载的系统的实施例的图示。在图2A所示的范例中，发电单元200被以俯视图示出，其中线201指示对于图2B的剖面线(cut view line)。在图2B所示的范例中，发电单元包括外壳202的底部、外壳204的中部砂漏(hour glass)、外壳206的顶部。围绕线轴(bobbin)210的中心缠绕弹簧208。弹簧208在一端处被固定于线轴210。弹簧208的另一端穿出导缆孔209。弹簧208的另一端被附接于允许用户拉弹簧208的柄，从而将弹簧208从线轴210松开。线轴210在弹簧208松开的时候旋转。一旦弹簧208被松开，通过使用弹簧212转动线轴210来围绕线轴210重新卷绕弹簧208。弹簧212的外部端被耦合到机架(housing)，其依次被耦合到外壳206的顶部(没有在图2B中示出)。弹簧212的内部端被耦合到线轴210(没有在图2B中示出)。在将弹簧208松开时，线轴210将能量压缩到弹簧212中。弹簧212中的被压缩的能量被用于围绕线轴210重新卷绕弹簧208。

在一些实施例中，弹簧212没有被包括在发电单元200中(例如电机(motor)被用于将弹簧208重新卷绕在线轴210上或者线轴210上的第二弹簧被用于重新卷绕诸如弹簧208的第一弹簧)。

在将弹簧208松开时，线轴210旋转并且转动轴214。通过在线轴210中具有对应的楔形轴214与其相配合的楔形孔(keyed hole)而使轴214耦合到线轴210。在各种实施例中，楔形孔包括“D”形孔、星形孔、方形孔、六边形孔、单平面、双平面、齿条的(splined)或者允许线轴210的旋转被传送到轴214的任何其他恰当的楔形孔。轴214被耦合到密封轴承216。密封轴承216从较高的室处将较低的室密封。可以通过将外壳206的顶部打开并且将外壳206的顶部与外壳204的中部砂漏分开而将较高的室打开。将较高的室打开允许接入轴214、线轴210以及弹簧212的楔形端(keyed end)。较低的室被密封以防止环境污染影响较低的室中的电子部件。

较低的室的内容包括离合器222、转子224、定子226以及电路板228。离合器222将轴214耦合到转子224。在弹簧208松开时(例如当用户拉弹簧208时)离合器222允许线轴210的旋转被传送到转子224。转子224以与线轴210的旋转1∶1的比率旋转。在弹簧208被重新卷绕时(例如当使用例如弹簧力将弹簧208重新卷绕到线轴上时)离合器222不允许线轴210的旋转被传送到转子224。

转子224包括磁体(没有在图2B中示出)。在一些实施例中，转子224包括惯性质量(没有在图2B中示出)。定子226包括导线绕组，其中电流从线轴210和转子224的运动中生成。

柄230与砂漏外壳的顶部分离并且在穿出导缆孔209之后被附接于弹簧208的一端。用户可以拉柄230以产生线轴210的旋转。绑带232可以被用于将发电单元锚定(anchor)到固定的对象上。用户因此可以在柄230上拉而不握住发电单元的外壳。在仅在柄230上拉并且不同样地为外壳提供锚定力的情况下与在拉和锚定的情况下相比，用户没那么快疲劳。

图3A是范例控制器输出的图示。曲线图302示出随着时间前进到负载的耦合沿离散的时间步长(step)改变。每个离散的时间步长表示单个发电循环。控制器输出改变到负载的耦合，例如通过根据PWM占空比来切换控制门108或者可变负载116。

在时间段304中，到负载的耦合在每个发电循环之后增加直到其达到完成调整的水平。在时间段306中，到负载的耦合在每个发电循环之后继续变化但是围绕稳定的状态水平抖动(dither)。

图3B是被输入到控制器的范例发生器输出的图示。曲线图352示出随着时间前进，电输出在每个发电循环期间被产生。来自控制器的控制信号输出通过电输出的各种特性确定。举例来说，循环的总能量可以被用于确定增加还是减少到负载的耦合。相似地，发电循环的周期354或频率或者发电循环的平均功率可以被用来确定怎样改变到负载的耦合。另外，在多个循环上周期、总功率或者总能量的趋势也可以被使用。一般而言，发生器输出功率的任何特性可以被用于根据任何恰当的方案来确定怎样调整负载耦合。在一个简单的方案中，随机游走算法被用于搜索随时间产生最大平均功率的耦合。其他目标可以基于对人或者动物随时间可能如何疲劳的了解来设定，使得在更长的周期上得到更低的功率，或者使人或者动物的舒适性最大化。在一些实施例中，某些方案分析在单个循环的不同部分期间所产生的功率从而为用户改进功率输出或者人体工程学性质，(举例来说减小循环的开始期间的有效负载以使得用户在拉期间更容易得到“加速(up tospeed)”)。在一些实施例中，可以使得不止一个最优化方案可用，以用于用户进行选择。

自适应装载方案改变被提供给电力发生器104的负载的有效平均电阻抗。这为用户产生可变电阻，因此“更容易”或者“更难”以给定的速度操作装置而不浪费功率。通过控制机械电阻，该装置被配置用于以有效的方式从用户处提取功率。这可以被类比为自行车上的“切换齿轮”：不同人可以通过用更高或者更低的齿轮以不同的速度蹬踏板而在更长或者更短的时间上获得它们最佳功率输出。控制器112实现一种控制方案，该控制方案为给定的用户而得到所希望的功率输出。可以使用各种控制方案。举例来说，控制器可以实现预编程的负载随时间的曲线或者其可以执行自适应装载算法来从操作机械驱动机构的人或者动物处提取最大有效功率。

对于以规定的“力水平”操作的每个用户，有从用户处提取最多机械功率一些机械电阻值。如果恰当地被设计，上文所述PWM电耦合方法以及耦合的切换转换器方法两者都可以接近100％的效率，因此从用户处提取的最大功率的点也是传输到电负载的最大功率的点。

一些实施例通过自动地操纵耦合并且找到最大平均功率在其处被传输到负载的阻抗点以使到负载的功率传输最优化。这种自适应装载在后台显而易见地发生(occurs transparently in the background)，没有来自用户的有意的输入。

为了能够找到这种最大功率点，测量功率传输的一些方法被提供给微处理器。这样的方法在下文中被论述。

机构可以被提供用于微处理器以通过测量跨负载的电压和通过负载的电流来测量到负载的瞬时功率。这可以用一个小电流感测(串联分流)电阻器和两个模拟到数字转换器来实现。

由于能够读出跨电流感测电阻器的电压降以及跨负载的电压降，微处理器可以确定瞬时速率，功率以该瞬时速率被传输到电负载。同样地，通过改变切换转换器或者PWM开关的占空比，微处理器可以改变被传输到负载的平均功率。

如果采用固定电压负载，诸如具有相对平坦的充电曲线的电池，则测量功率传输变得稍微更容易：被固定的负载电压不再需要被测量-仅电流必须被测量。这可以使用与上文所述的相同的串联分流电阻器来完成。然而，这仍然使用模拟到数字转换器，其增加了成本。

如果电力发生器104的特性(k，R_thevenin)是已知的，则用于隐性地测量电流而不用串联分流电阻器并且不用模拟到数字转换器的方法也被使用。开路发生器电压正比于轴速度：V_oc＝k＊omega

如果用于测量轴速度的机构是可用的(例如检测电力发生器104的转子磁体的霍尔效应传感器)，并且如果k是已知的，则V_oc可以通过将这两者相乘在一起来计算。

此外，如果电力发生器104被驱动到具有已知电压V_load的固定电压负载，则可以使用电机的Thevenin等效电路来计算到负载的电流。电流因此通过下式被给出：I＝(V_oc-V_load)/R_thevenin

因此，被传递到负载的瞬时功率如下被计算：

P＝V_load*I＝V_load*(k*omega-V_load)/R_thevenin

注意V_load是已知的，k是已知的，并且R_thevenin是已知的。因此被传递到负载的功率可以通过仅测量轴速度omega隐性地来测量。

用于隐性的功率测量的表达式可以如下被重写：

P＝C＊(omega-omega_0)

其中两个常数C和omega_0由下式给出：

C＝V_load＊k/R_thevenin

Omega_0＝V_load/k

此处，omega_0是加载速度。通过仅预先计算omega_0一次并且在控制器112的固件中将其设置为常数，在控制器112上用于计算功率的计算负载可以大体上被减小。在一些实施例中，如果功率的绝对单位(absolute unit)不是必要的，例如在一个实施例中最大功率装载的情况，则常数C可以被去掉。

用于隐性的功率测量的简化的表达式因此由下式给出：P′＝omega-omega_0

因此，对于向具有已知固定电压的负载供电的具有已知特性的电力发生器104，可以通过简单地将加载速度从电机的电流速度中减去来隐性地测量瞬时功率。

在没有已知的电力发生器104的特性的情况下，omega_0的值可以简单地通过对其进行测量来获得。一种方法是用速度可变的电机将电力发生器104驱动到固定的电压负载，并且测量被传递到负载的电流。加载速度是被传递到负载的电流以其提升到0以上的速度。

在设计电力发生器104时，关于在使用期间什么范围的轴速度是所预期的问题出现。因为不同的人以不同的速度来最舒适地操作该装置，必须提供一些范围，在这些范围内装置可以有效地操作。

为适应以低的速度从用户处提取功率，小的加载速度是所希望的。然而，得到更低的加载速度使更大的发生器成为必须。因此，折衷被决定。在一些实施例中，平均使用速度或者设计速度被估计并且是设计速度的1/3到1/2的加载速度被选择。

一旦加载速度被选择并且电力发生器104的电枢被设计，电力发生器104的绕组导线的尺寸被选择从而以所选择的加载速度将电力发生器104的输出电压与负载电压匹配。

由于电力发生器104到负载的连接经PWM耦合电路被切换，在一个PWM循环期间被传递的平均功率小于在PWM循环的“接通”部分期间的瞬时功率。

同样地，由于在许多实施例中，电力发生器104不是以一致的轴速度运行的，即使被传递到负载的这个平均功率在比PWM循环长得多的时间周期上也不是恒定的。举例来说，在Erg配置中，缩回阶段的持续时间可以等于拉的持续时间。因此，在若干秒或者更长的周期上，功率仅被传递到负载大约一半的时间。

在PWM问题的情况下：在一个或者多个PWM循环的周期上被传递的平均功率仅仅是瞬时功率乘以PWM占空比：

P_bar＝P′＊d＝(omega-omega_0)＊d

其中d是PWM调制的小数部分的占空比。

子图示356示出使用矩形近似来求电输出下的面积的积分的方法。在包括图1C所示的系统的一些实施例中，电输出下的面积被用于估计或者测量来自到控制器和存储器112的输入的平均功率。

为计算长周期上的平均功率，有帮助的是能够测量用户施加于该装置的步测。如果隐性的功率测量被使用，则控制器112已经有可用的轴速度的测量结果，因此确定步测循环的开始和结束是有可能的。

在一个实施例中，步测循环时间由在其期间轴速度连续地保持在加载速度以上的间隔(“拉”间隔)加上在其期间轴速度保持在加载速度以下的间隔(“缩回”间隔)来定义。拉间隔与缩回间隔的和给出“步速”间隔。

在每个步速间隔上的平均功率可以通过在整个步速间隔的时间上求在每个PWM循环期间被传递的平均功率的积分来计算，并且接着被步速间隔的长度除：

P_bar′＝integral(P_bar)/T_pace

其中T_pace代表步速间隔。

可以用短时间间隔delta_T上的有限和来近似该积分：

P_bar″＝sum(P_bar＊delta_T)/T_pace

同样地，如果功率的单位不重要，则常数可以被去掉：

P_bar″＝sum(d＊(omega-omega_0))/N

其中N代表步测间隔中delta_T时间间隔的数量。

现在，最后如果d在整个步速间隔期间被保持为恒定，则其从所述和中提取公因子(it factors out of the sum)：

P_bar″＝d/N＊sum(omega-omega_0)

以这种方式，在控制器112上用于计算步速间隔上的平均功率的计算负载被减小为每delta_T一次加法和减法，加上每步速间隔一次乘法和除法。

图4是示出用于通过电力发生器将机械功率源耦合到电负载的方法的流程。该过程可以在控制器和存储器112中被实现。在各种实施例中，这些步骤可以被省略或者以不同的顺序被执行。

在步骤402中，电力发生器104的电输出由控制器和存储器112在单个发电循环354期间直接地或者间接地测量，在该发电循环354期间存在机械功率源通过电力发生器到电输出的耦合，如以图3B所论述的那样。

在步骤404中，控制器和存储器112至少部分地基于电输出的被测量的特性在随后的发电循环期间调整机械功率源通过电力发生器到电负载的耦合。

图5是示出用于从电力发生器为控制器提供电力的方法的流程图。在一些实施例中，从电力发生器104为控制器和存储器112提供电力。可以在控制器和存储器112中实现该过程。在各种实施例中，这些步骤可以被省略或者以不同的顺序被执行。

在步骤502中，电力发生器104已经完成了发电循环354，并且该电力唤醒控制器和存储器112。如果在步骤504中确定有数据在动态存储器112中，则控制被传输到步骤506；否则控制被传输到步骤512。

在步骤506中，因为数据被设定在动态存储器112中，控制器112确定电力发生器正处于从机械功率源通过电力发生器到电负载的耦合的中间。时钟被记录，根据电输出的一个或者多个测量结果来计算一个或者多个度量，并且一个或者多个计数器被增加。

在步骤508中，控制器和存储器112确定下一个耦合曲线。在步骤510中使控制器和存储器112回到睡眠以用于下一个发电循环。

在步骤512中，因为在动态存储器112中数据是空的(clear)，控制器112确定电力发生器正在启动机械功率源通过电力发生器到电负载的新的耦合而没有先前的信息。使用控制器输出将负载接通到基准线水平，并且在一些实施例中所述输出是PWM装载占空比。在步骤514中，时钟被记录，根据电输出的一个或者多个测量结果来计算一个或者多个度量，并且一个或者多个计数器被增加。

图6A是示出用于调整机械功率源通过电力发生器到电负载的耦合以增加机械功率源以给定水平的力可得到的电力发生器的平均输出功率的方法的流程图。在一些实施例中，图6A的过程被包括在图4的404中。可以在控制器和存储器112中实现该过程。在各种实施例中，这些步骤可以被省略或者以不同的顺序被执行。

在步骤602中，到控制器和存储器112的输入信号被处理以估计或者测量来自图1A和1B中的电力发生器104或者来自图1C中的整流器106的平均功率。在步骤604中，基于算法来调整耦合，在一些实施例中，两点随机游走自适应装载算法被使用。

两点随机游走自适应装载算法。复杂的自适应装载算法使用随机化的算法，该随机化的算法使用随机游走来朝着用户的最大功率点“漂移”。这利用其概率在平滑的、凸的最佳曲线上朝上坡方向偏的随机游走将会收敛为围绕该曲线上的最优点集中的概率分布这一事实。该算法如下操作：

1从初始装载占空比d_old开始；

2以d_old运行整个步测间隔；

3现在，随机地或者伪随机地将d向上或者向下步进小量delta以到达d_new＝d_old+/-delta；

4以d_new运行另一个步测间隔；

5如果在步骤606处确定以d_new的平均功率大于以d_old的平均功率，则控制被传输到步骤608；否则控制被传输到步骤610。在步骤608中，d_new作为装载占空比被提交并且取代d_old。在步骤610中，d_old保持为装载占空比。

两个其他算法被公开：三点自适应装载算法和两点触发式自适应装载算法。

三点自适应装载算法。在一个实施例中，自适应装载算法如下操作以确定用户的最优功率输出水平：

1系统在三个不同的但是紧密隔开的负载水平处操作转换器，每个负载水平持续一段时间。在一些实施例中，不同数量的负载水平可以被使用。负载水平足够紧密地隔开使得人或者动物不需要意识到负载正在被改变。然而，负载中轻微的变化将使得稍微不同的功率量被传输到电负载。

2该算法在所述三个不同负载水平处测量这三个功率量。如果最中间的负载生成最大的功率读出，则对于算法的下一个循环将平均负载保持在相同的水平处。

3然而，如果最大功率在最高负载水平处被传输，则该算法推断被传输的功率可以通过升高负载水平来增加。这在例如机械输入级太轻地被装载的时侯发生，因此装置太“容易”操作：该自适应负载算法将检测人或者动物既不疲倦也不疲劳，并且将提高装载以从人或者动物处提取更多功率。

4相反地，如果最大功率在三个试验水平中的最低负载水平处被传输，则该算法推断被传输的功率可以通过降低负载水平来增加。这在例如为机械输入级提供电力的人或者动物开始疲倦的时候发生：更轻的装载可以允许人或者动物以更轻的负载驱动机械输入级，从而在整体上生成更多功率。

5一旦装载正确、太低或者太高的判定被做出，中心负载被恰当地调整，并且该算法返回上述步骤1。

两点触发式自适应装载算法。不需要随机数发生器的在计算上效率更高的算法受在两点随机游走自适应装载算法中在步骤3处不需要随机化的实现启发。该简化的算法简单地在交替方向上采取步骤：

1从初始装载占空比d_old开始；

2以d_old运行整个步测间隔；

3将d向上步进小量delta以到达d_new＝d_old+delta；

4以d_new运行另一个步测间隔；

5如果以d_new的平均功率大于以d_old的平均功率，则用d_new取代d_old；

6将d向下步进小量delta以到达d_new＝d_old-delta；

7以d_new运行另一个步测间隔；

8如果以d_new的平均功率大于以d_old的平均功率，则用d_new取代d_old。

图6B是示出用于以维持电力发生器的所希望的循环频率为目标来调整机械功率源通过电力发生器到电负载的耦合的方法的流程图。在一些实施例中，图6B的过程被包括在图4的404中。可以在控制器和存储器112中实现该过程。在各种实施例中，这些步骤可以被省略或者以不同的顺序被执行。

在步骤632中，到控制器和存储器112的输入信号被处理以估计或者测量来自图1A和1B中的电力发生器104的循环频率354。如果在步骤634中确定循环频率354大于目标，则控制被传输到步骤636；否则控制被传输到步骤638。

在步骤636中，耦合被调整以增加负载水平。在一些实施例中这涉及增加到控制门108的PWM装载或者可变负载116。在步骤638中，耦合被调整以减少负载水平，在一些实施例中这涉及减少到控制门108的PWM装载或者可变负载116。

图6C是示出用于以将电力发生器的平均输出功率保持在规定的门限以下为目标来调整机械功率源通过电力发生器到电负载的耦合的方法的流程图。在一些实施例中，图6C的过程被包括在图4的404中。可以在控制器和存储器112中实现该过程。在各种实施例中，这些步骤可以被省略或者以不同的顺序被执行。

在步骤672中，到控制器和存储器112的输入信号被处理以估计和测量来自图1A和1B中的电力发生器104或者来自图1C中的整流器106的平均功率。在步骤674中，耦合基于算法被调整。在一些实施例中，两点随机游走自适应装载算法被使用：

1从初始装载占空比d_old开始；

2以d_old运行整个步测间隔；

3现在，随机地或者伪随机地向上或者向下将d步进小量delta以到达d_new＝d_old+/-delta；

4以d_new运行另一个步测间隔；

5如果在步骤676处确定以d_new的平均功率大于以d_old的平均功率，则控制被传输到步骤678；否则控制被传输到步骤680。在步骤678中，只有当以d_new的平均功率落到规定的门限以下时d_new作为装载占空比被提交并且取代d_old。在步骤680中，d_old保持为装载占空比。

图7是示出用于调整机械功率源通过电力发生器到电负载的耦合以增加电力发生器的寿命的方法的流程图。在一些实施例中，图7的过程被包括在图4的404中。可以在控制器和存储器112中实现该过程。在各种实施例中，这些步骤可以被省略或者以不同的顺序被执行。

在步骤702中，如果机械功率源动态特性(dynamics)超过门限，则控制器和存储器112减小装载。机械功率源动态特性的范例包括：

1.检测发电循环的早期部分处的静启动；

2.通过避免发电循环频率来避免损害系统的谐振；以及

3.检测在机械功率源上的太多的拉力。

在使用利用图3A和图3B的技术来计算发电频率354或者求在电输出356下的面积的积分时，机械功率源动态特性被估计或者被确定并且被与适用的门限比较。如果超出门限，则减小装载占空比。

在步骤704中，如果发电频率平方超过规定的门限，则控制器和存储器112减小装载。对电力发生器的潜在损害作为发电频率平方的函数增加，因此控制器和存储器112计算发电频率354平方并且将其与规定的门限比较。如果超过该门限，则减小装载占空比。

在步骤706中，如果用于系统或者电力发生器104的温度传感器感测到在规定的操作范围以外的值，则控制器和存储器112减小装载。如果电流温度的值在规定的范围以外，则减小装载占空比。

尽管为了清楚理解的目的已经在一些细节中描述了前面的实施例，本发明不受所提供的细节限制。有实现本发明的许多可替换的方式。所公开的实施例是示意性的而不是限制性的。

Claims

1.一种通过电力发生器将机械功率源耦合到电负载的系统，其包括：

电力发生器，其被配置用于接收来自所述机械功率源的输入；

控制器以及与所述控制器耦合的存储器，其中所述存储器被配置用于向所述控制器提供指令，当所述指令被执行时使得所述控制器：

测量在发电循环期间所产生的来自所述电力发生器的电输出的特性，在所述发电循环期间存在所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合；并且

在随后的发电循环期间，至少部分地基于所测量的所述电输出的特性来调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述机械功率源是人的或者动物的力。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述存储器被配置用于向所述控制器提供指令，当所述指令被执行时使得所述控制器调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合以增加所述机械功率源以给定水平的力可得到的所述电力发生器的平均输出功率。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述存储器被配置用于向所述控制器提供指令，当所述指令被执行时使得所述控制器调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合以提高所述机械功率源使用所述电力发生器来生成电力的能力。

5.如权利要求1所述的系统，其中所述存储器被配置用于向所述控制器提供指令，当所述指令被执行时使得所述控制器以维持所述电力发生器的所希望的循环频率为目标来调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述存储器被配置用于向所述控制器提供指令，当所述指令被执行时使得所述控制器以将所述电力发生器的平均输出功率保持在规定的门限以下为目标来调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述存储器被配置用于向所述控制器提供指令，当所述指令被执行时使得所述控制器调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合以增加所述电力发生器的寿命。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述存储器被配置用于向所述控制器提供指令，当所述指令被执行时使得所述控制器调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合以为用户改进人体工程学性质(ergonomics)。

9.如权利要求1所述的系统，其中所述存储器被配置用于向所述控制器提供指令，当所述指令被执行时使得所述控制器调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合以防止所述电力发生器的温度超过门限。

10.如权利要求1所述的系统，其中所述存储器被配置用于向所述控制器提供指令，当所述指令被执行时使得所述控制器调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合以避免谐振。

11.如权利要求1所述的系统，其中所述存储器被配置用于向所述控制器提供指令，当所述指令被执行时使得所述控制器调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合以避免在发电循环的早期部分处的静启动。

12.如权利要求1所述的系统，其中所述存储器被配置用于向所述控制器提供指令，当所述指令被执行时使得所述控制器调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合以将所述机械功率源上的拉力保持在门限以下。

13.如权利要求1所述的系统，其中所述存储器被配置用于向所述控制器提供指令，当所述指令被执行时使得所述控制器调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合以防止所述电力发生器的发电频率超过门限。

14.如权利要求1所述的系统，其中所述存储器被配置用于向所述控制器提供指令，当所述指令被执行时使得所述控制器基于用户可选择的最优化目标来调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合。

15.如权利要求1所述的系统，其中所述机械功率源是人的或者动物的力并且所述存储器被配置用于向所述控制器提供指令，当所述指令被执行时使得所述控制器调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合以提高人或者动物的舒适性。

16.如权利要求1所述的系统，其中所述机械功率源是人的或者动物的力并且所述存储器被配置用于向所述控制器提供指令，当所述指令被执行时使得所述控制器调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合以通过调节力的曲线来提高人的或者动物的舒适性。

17.如权利要求1所述的系统，其中所述电负载是被充电的电池。

18.如权利要求1所述的系统，其中所述存储器被配置用于向所述控制器提供指令，当所述指令被执行时使得所述控制器通过调制到所述电负载的控制门来调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合。

19.如权利要求1所述的系统，其中所述存储器被配置用于向所述控制器提供指令，当所述指令被执行时使得所述控制器通过使用PWM来调制到所述电负载的控制门以调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合。

20.如权利要求1所述的系统，其中所述存储器被配置用于向所述控制器提供指令，当所述指令被执行时使得所述控制器通过选择性地连接所述电力发生器中的绕组来调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合。

21.如权利要求1所述的系统，其中所述存储器被配置用于向所述控制器提供指令，当所述指令被执行时使得所述控制器通过使用随机游走算法来调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合。

22.如权利要求1所述的系统，其中所述存储器被配置用于向所述控制器提供指令，当所述指令被执行时使得所述控制器通过使用用户反馈装置来调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合。

23.如权利要求22所述的系统，其中所述用户反馈装置包括下列各项中的一个或者多个：LED显示器、听觉脉冲或者触觉脉冲。

24.一种通过电力发生器将机械功率源耦合到电负载的方法，其包括：

25.如权利要求26所述的方法，其中所述机械功率源是人的或者动物的力。

26.如权利要求26所述的方法，其中调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合增加所述机械功率源以给定水平的力可得到的所述电力发生器的平均输出功率。

27.如权利要求26所述的方法，其中调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合提高所述机械功率源使用所述电力发生器来生成电力的能力。

28.如权利要求26所述的方法，其中所述机械功率源是人的或者动物的力并且调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合提高人的或者动物的舒适性。

29.如权利要求26所述的方法，其中调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合以维持所述电力发生器的所希望的循环频率为目标。

30.如权利要求26所述的方法，其中调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合以将所述电力发生器的平均输出功率保持在规定的门限以下为目标。

31.如权利要求26所述的方法，其中调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合增加所述电力发生器的寿命。

32.如权利要求26所述的方法，其中调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合为用户改进人体工程学性质。

33.如权利要求26所述的方法，其中调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合防止所述电力发生器的温度超过门限。

34.如权利要求26所述的方法，其中调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合避免谐振。

35.如权利要求26所述的方法，其中调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合避免在发电循环的早期部分处的静启动。

36.如权利要求26所述的方法，其中调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合将所述机械功率源上的拉力保持在门限以下。

37.如权利要求26所述的方法，其中调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合防止所述电力发生器的发电频率超过门限。

38.如权利要求26所述的方法，其中调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合基于用户可选择的最优化目标。

39.如权利要求26所述的方法，其中所述电负载是被充电的电池。

40.如权利要求26所述的方法，其中调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合包括调制到所述电负载的控制门。

41.如权利要求26所述的方法，其中调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合包括使用PWM调制到所述电负载的控制门。

42.如权利要求26所述的方法，其中调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合包括选择性地连接所述电力发生器中的绕组。

43.如权利要求26所述的方法，其中调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合包括使用随机游走算法。

44.如权利要求26所述的方法，其中调整所述机械功率源通过所述电力发生器到所述电负载的耦合包括使用用户反馈装置。

45.如权利要求44所述的系统，其中所述用户反馈装置包括下列各项中的一个或者多个：LED显示器、听觉脉冲或者触觉脉冲。