CN103683912B - 用于无线传感器的机床主轴热发电供能电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无线传感器的机床主轴热发电供能电路，包括安装在机床主轴上并采集主轴热能进行发电的热发电构件，无线传感器，还包括：储能电容，热发电构件输出端通过储能电容接地，储能电容与热发电构件输出端通过开关连接；直流升压转换器，其输入端通过另一开关与储能电容未接地的一端连接，输出端通过供电电容接地，且供电电容与直流升压转换器之间通过开关连接；控制器，具有无线通信模块，用于控制储能电容和供电电容所连接的开关，供电电容未接地的一端与控制器供电端连接。本发明还公开了一种控制方法。本发明的热发电供能电路及方法利用主轴运转时自身发热为无线传感器提供稳定的能量，实现长期有效的实时监测。

Description

用于无线传感器的机床主轴热发电供能电路及控制方法

技术领域

本发明属于制造过程无线监测领域，尤其涉及用于无线传感器的机床主轴热发电供能电路及控制方法。

背景技术

在制造过程无线监测领域中，机床主轴的无线实时监测一直受到国内外学者的高度重视，并已成为当前研究的热点之一。如今几乎所有高速旋转的主轴都按标准配置了传感器，用以测量轴承部位的温度，部分机床还在主轴头上配置了轴向和径向移位传感器，在轴承部位装配了振动传感器，可以近距离测量主轴轴承附近的加速度并实时监控主轴轴承的冷却油温度。

一般的无线传感器采用电池作为能量源，当电量用完后就需要更换电池或者充电，而对于主轴这样不适合经常拆卸的机械结构来说，电池供电方式难以应用。因此，有人提出了热电供能的无线传感器，它可以采集环境中产生的热能并且把其转换成电能为自身的无线监测提供能量。机床主轴在带传动装置的带动下高速旋转，会产生大量热能，如果能够充分利用这一部分热能，将其转换成电能进行储存并为无线传感器进行供电，则可解决需要拆卸无线传感器供电电源的问题。因此可以通过将热发电构件安装固定在机床主轴上，在机床主轴转动时将热能转换为电能来实现供电。目前这种用于无线传感器的热发电供能方法往往基于电容的充电电压来进行控制。但是主轴的热能输出特性并不像一般的热源那样可以提供稳定持续的热能，它具有发热量随着主轴工作发热量随着转速和运行时间变化的特点。常常存在供电不稳定的情况；并且，采用基于电容的充电电压进行控制的方式必然会导致复杂的控制电路和繁琐的控制策略，这样必然会降低无线传感器工作效率。

综上所述，设计一种基于机床主轴热输出特性的热电供能电路与控制方法为无线传感器提供稳定的能量进行主轴的无线监测是非常必要的。

发明内容

本发明提供了基于电容充放电时间优化的机床主轴热发电供能电路与控制方法。此方法在无需电池等电源供电的前提下，利用主轴运转时自身发热为无线传感器提供稳定的能量进行主轴监测，实现机床主轴长期有效的实时监测。

一种用于无线传感器的机床主轴热发电供能电路，包括安装在机床主轴上并采集机床主轴热能进行发电的热发电构件，无线监测机床主轴的无线传感器，还包括：

储能电容，其中热发电构件输出端通过储能电容接地，其中储能电容与热发电构件输出端通过第一开关连接；

直流升压转换器，直流升压转换器输入端通过第二开关与储能电容未接地的一端连接，直流升压转换器输出端通过供电电容接地，且供电电容与所述直流升压转换器之间通过第三开关连接，供电电容未接地一端还与无线传感器供电端连接；

控制器，其用于控制第一开关、第二开关和第三开关，供电电容未接地的一端与控制器供电端连接，且所述控制器具有与无线传感器匹配的控制端口。

通过利用机床主轴产生的热量为无线传感器供电，并由控制器控制储能电容进行储能，并通过直流升压转换器转换成合适电压为供电电容充电，从而充分利用了多余的热量，不需要为无线传感器额外提供电池，从而简化了装置。

所述储能电容包括并联的第一电容与第二电容，所述第一开关和第二开关为分别与第一电容和第二电容相匹配的两组。

控制器通过控制开关使得第一电容和第二电容交替为供电电容充电，适合用于将机床主轴不稳定发电转换为较为稳定的供电。

其中第一电容与第二电容的电容值相同。采用相同电容值的电容易于控制器程序的设计，同时可以稳定地进行供电。

其中直流升压转换器还通过缓冲电容接地。

由第一电容和第二电容交替为缓冲电容充电，再由控制器控制缓冲电容与供电电容之间的通断，使缓冲电容向供电电容供电，以进一步达到稳定供电的目的，同时简化了充电时间的设定。

所有的开关均为MOS管。通过高低电平可控制各个开关的通断。

所述控制器的控制端口为串行通信端口。串行通信端口具有结构简单，收发效率高的特点。

当机床主轴旋转时，轴承温度上升，主轴上的热发电构件采集轴承上所产生的热量进行热电转换发出电能，这些电能经过热发电供能电路采用电容充放电时间优化方法使输出电压达到足以驱动无线传感器模块，最后驱动无线通讯模块进行信号发送。

利用本发明的机床主轴热发电供能电路，在热发电供能电路提升电压的过程中的电容充放电时间优化方法是根据主轴工作发热量随着转速和运行时间变化的特点来设计的，这种控制方法可以使电能在升压转化的过程中达到最高效率，并且可以避免传统方法中对电容进行电压监测的过程。本发明还提出了基于这种供能电路的控制方法。

一种所述机床主轴热发电供能电路的控制方法，包括如下步骤：

步骤1，供电电容为控制器以及无线传感器供电，所述控制器通过控制第一电容和第二电容所连接的开关，使第一电容和第二电容交替为缓冲电容充电，所述控制器还检测缓冲电容的充电时间是否达到第一阈值，当充电时间达到阈值时，进入步骤2；

步骤2，控制器控制第三开关导通，则缓冲电容放电，且控制器无线发送数据至无线传感器，同时控制器继续控制第一电容和第二电容交替进行充放电，控制器判断数据是否发送完毕，是则进入步骤3；

步骤3，断开第三开关，并继续通过控制器控制第一电容和第二电容交替进行充放电，直至缓冲电容的充电时间再一次达到第一阈值。

其中，供电电容是预先充电的。在初始状态时，控制器处于休眠状态，由供电电容为控制器提供的电量不足以使控制器发送信号，而仅供控制器内的定时器进行正常工作，通过监测时间来控制开关。当通过时间监测判定缓冲电容电量足够时，导通缓冲电容与供电电容之间的开关，此时缓冲电容为控制器充电，且为供电电容补充电量，则控制器得到足够多的电量可以与无线传感器之间进行无线通信，发送控制信号。

在步骤1中，控制器通过控制第一电容和第二电容所连接的开关，使第一电容和第二电容交替为缓冲电容充电的具体方法为：

控制器通过控制第一电容和第二电容所连接的开关，使第一电容和第二电容交替为缓冲电容充电的具体方法为：

步骤1-1，第一电容连接的第一开关和第二电容连接的第二开关导通，第一电容连接的第二开关和第二电容连接的第一开关断开，热发电构件为第一电容充电，第二电容通过直流升压转换器为缓冲电容充电；控制器监测缓冲电容的充电时间是否达到第二阈值，当达到第二阈值时，进入步骤1-2；

步骤1-2，第一电容连接的第一开关和第二电容连接的第二开关断开，第一电容连接的第二开关和第二电容连接的第一开关导通，发电构件为第二电容充电，第一电容通过直流升压转换器为缓冲电容充电；控制器监测缓冲电容的充电时间是否达到第二阈值，当达到第二阈值时，返回步骤1-1。

在初始时，第一电容充电，第二电容放电，在随后的过程中由控制器控制第一电容和第二电容交替充放电，其中第二电容是预充电的。第一电容和第二电容的电容值相同，且由于这两个电容上的电流和电压均为关于时间的函数，因而可以通过监测这两个电容的充放电时间来让第一电容和第二电容交替进行充放电，使得在后续电路中输出的电量持续稳定。

本发明中方法，针对机床主轴工作发热量随着转速和运行时间变化的特点，通过热电转换原理进行热能发电，并在此基础上根据轴承发热规律设计出热能发电中的热发电控制电路以及控制方法。最后，根据控制方法给出无线传感器的工作流程。在工作中，无线传感器不需要电池等电源供电。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明采用的基本原理为常见的热电转换以及电能驱动提升的原理，在这些基本原理的基础上根据主轴工作发热量随着转速和运行时间变化的特点提出了独有的热电供能电路及其控制方法以及在此控制方法下的无线传感器工作流程，利用这种控制方法可以提高能量采集的效率使无线传感器的工作稳定高效。基于机床主轴热输出特性，采用本发明的热电供能电路及控制方法，使得无线传感器能够在实时监测主轴工作情况时不需要电源供能，保证无线传感器能够利用热能在无人值守的环境下长期稳定工作。

附图说明

图1为本发明实施例机床主轴热发电构件的安装示意图；

图2为本发明实施例热电供能电路以及无线发送模块的原理图；

图3为本发明实施例无线传感器工作流程图；

图4为本发明实施例C_1-1充电C_1-2放电过程等效电路图；

图5为本发明实施例C_1-2充电C_1-1放电过程等效电路图；

图6为本发明实施例无线模块驱动过程等效电路图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

本发明实施例机床主轴的热发电构件3安装图如图1所示，热发电构件3被安装于主轴4上，导热片3-1紧贴轴承2，并且与热电片3-2连接，热电片3-2另一端与散热片3-3连接，散热片通过固定件固定在主轴4上。主轴4靠带传动5带动旋转，其中轴套1用于固定整个主轴系统。

图2中给出了用于无线传感器的热发电供能电路控制方法的原理图，其中无线传感器供电端口与C₃连接，由C₃为其供电。其中在本发明实施例中，直流升压转换器为LTC3108型号的直流升压转换器，其附带具有一个变压器。电容C_1-1（第一电容）的一端通过开关S_1-1（与第一电容连接的第一开关）与热发电构件输出端连接，并通过开关S_1-2（与第一电容连接的第二开关）与直流升压转换器所附带的变压器输入端连接，另一端接地；电容C_1-2（第二电容）的一端通过开关S_1-3（与第二电容连接的第一开关）与热发电构件输出端连接，并通过开关S_1-4（与第二电容连接的第二开关）与变压器输入端连接，另一端接地。变压器输出端连接在直流升压转换器主体的输入端。直流升压转换器输出端通过缓冲电容C₂接地，并通过开关S₂连接控制器电源输入端，控制器电源输入端与开关S₂之间还通过C₃接地。控制器的输入输出（I/O）端口对所有的开关进行单独控制，且控制器通过串行通信端口（SPI）控制无线传感器的无线工作模式。在本发明当前实施例中，控制器为MSP430系列的单片机，其具有低功耗的特点，能够在较小功率下驱动。

电容C_1-1和C_1-2用于存储热发电构件所收集的电能，利用四个开关S_1-1、S_1-2、S_1-3和S_1-4进行控制，可以使电容C_1-1和C_1-2交替地为直流升压转换器充电。电容C₂用于存储直流升压变换器所输出的能量并且间歇性地给电容C₃（供电电容）充电。同时，电容C₃为控制器提供正常工作所需的能量，并且在充电完成后为无线传感器发送模块提供无线发送所需的能量。开关S_1-1、S_1-2、S_1-3和S_1-4决定了电容C_1-1和C_1-2的充电和放电时间，开关S₂决定了C₂和C₃的充电和放电时间。

图3给出了热发电电路的工作流程图，图中流程包括四个部分：初始化过程、C_1-1充电C_1-2放电过程、C_1-2充电C_1-1放电过程以及无线模块驱动过程（也就是无线传感器的数据发送过程）。当无线传感器启动时，就进入初始化过程，其中包括控制器初始化、电容C_1-1以及C_1-2初始充电等。

如图3所示，初始化之后，C₃为控制器供电，此时控制器处于休眠状态，此时S_1-1导通，S_1-2断开，S_1-3断开，S_1-4导通，热发电构件为C_1-1充电，C_1-2放电。当控制器中的定时器监控到充电持续时间达到时，控制器的I/O端口发出信号，使得S_1-1断开，S_1-2导通，S_1-3导通，S_1-4断开，使得直接进入C_1-2充电C_1-1放电过程，此过程也持续这个控制流程中只需要控制的设置，所以此流程在控制上是十分方便的。当C_1-2充电C₁-₁放电持续时间达到后，控制器中的定时器监测是否达到数据发送时间当控制器中的定时器监测到未达到数据发送时间时，继续进入C_1-1充电和C_1-2放电过程；当监测到已达到发送数据时间时，控制器控制S₂导通，C₂给C₃充电，进入无线模块驱动过程，在此过程中控制器控制无线传感器启动，进行数据采样分析以及无线数据发送过程，当数据发送完成后断开S₂。在此过程中控制器定时器始终监测C_1-1和C_1-2的充电时间是否达到在达到时通过控制S_1-1、S_1-2、S_1-3和S_1-4，进行C_1-1和C_1-2之间充放电的切换。

其中，流程中的和为关键值，控制方法中和的计算方法如下：

因为在使用中选择完全一样的电容C_1-1和C_1-2，所以C_1-1充电C_1-2放电过程和C_1-2充电C_1-1放电过程的等效电路图是完全一样的，如图4和图5所示，其中R_con表示等效电阻。在这两个过程中采用相同的方法计算在计算中C_1-1和C_1-2的电容值都由C₁表示，可以得到：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{C_1}=C_1\frac{d{U}_{C_1}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\\ U_{C_1}\left(t\right)=V_s-{\mathrm{RI}}_{C_1}\end{array}\right.$

式中表示通过电容C_1-1和C_1-2的电流，表示电容C_1-1和C_1-2两端的电压值，其中及均为关于时间的函数。V_s和R分别为热发电构件的输出电压以及其内阻。根据上式可以进一步得到的表达式：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{C_1}\left(t\right)=V_s-{\mathrm{\ΔVe}}^{-\frac{t}{{\mathrm{RC}}_1}}\\ \mathrm{\ΔV}=V_s-U_{C_1}\left(t_0\right)\end{array}\right.$

式中表示的是电容C_1-1和C_1-2在初始时间t₀时刻的电压值，即初始电压。之后，根据电容能量公式可以得到电容C_1-1和C_1-2在充电期间的平均功率P_a的表达式：

$P_a=\frac{1}{{2t}_{C_1}}{C}_1\{{\left[U_{C_1}\left(t_{C_1}\right)\right]}^2-{\left[U_{C_1}\left(t_0\right)\right]}^2\}$

综合上述公式，可以得到平均功率的修改形式：

$P_a=\frac{1}{{2t}_{C_1}}{C}_1[{(V_s-{\mathrm{\ΔVe}}^{-\frac{t_{C_1}}{{\mathrm{RC}}_1}})}^2-{(V_s-\mathrm{\ΔV})}^2]$

当平均功率P_a达到最大时，热发电构件达到最佳工作状态，为了取得最大平均功率时的最佳控制时间设ΔV=aV_s，代入上式可以得到平均功率P_a关于a和的函数：

$P_a(a,t_{C_1})=\frac{{V_s}^2{C}_1}{{2t}_{C_1}}[{(1-{\mathrm{ae}}^{-\frac{t_{C_1}}{{\mathrm{RC}}_1}})}^2-{(1-a)}^2]$

然后，设 $b=t_{C_1}/{\mathrm{RC}}_1$ 可以得到：

$P_a(a,b)=\frac{{V_s}^{2}R}{2b}[{(1-{\mathrm{ae}}^{-b})}^2-{(1-a)}^2]$

其中R为常数，0＜a＜1，b＞0。由上式可以看到需要求解的与热发电构件输出电压V_s无关，而P_a(a,b)存在一个最大值点，其值为P_a(0.53,0.08)，通过计算可以得到最优值ΔV=0.53V_s和由于R为常数，C₁为电容C_1-1和C_1-2选取的电容值，所以可以得到最优的使得平均输出功率最大，即不管电压如何波动都可以使平均输出功率最大。

最后，根据图6所示的无线模块驱动过程等效电路图，关于C₂和C₃上的关系式如下式所示：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Delta;E}}_2=\frac{C_2}{2}({U_{C_{2}C}}^2-{U_{C_{2}D}}^2)\\ {\mathrm{\&Delta;E}}_3=\frac{C_3}{2}({U_{C_{3}C}}^2-{U_{C_{3}D}}^2)\\ {\mathrm{\&Delta;E}}_3=P_{\mathrm{Controller}}{t}_{C_2}+E_{\mathrm{Load}}\\ {\mathrm{\&Delta;E}}_2={\mathrm{\&Delta;E}}_3\\ U_{C_{2}D}=U_{C_{3}C}\\ U_{C_{3}D}>U_{\mathrm{Drive}}\\ U_{C_{2}C}<U_{\mathrm{Max}\_\mathrm{Output}}\end{array}\right.$

式中ΔE₂和ΔE₃分别为C₂和C₃的充电能量，和分别为C₂的充电后以及放电后的电压值。同理，和为C₃充电后和放电后的电压值。P_Controller是控制器所消耗的功率，为负载驱动的周期（即控制器无线发送数据的周期），E_Load为负载启动所消耗的能量（控制器每次无线发送数据所需要消耗的能量）,U_{Max_Output}为直流升压转换器所输出的最大电压，U_Drive为无线传感器的最低驱动电压值。ΔE₂也是在C₂为C₃充电时所消耗的能量，ΔE₃是负载所消耗的能量总和。因为在每个周期中负载只工作一次，所以E_Load为常数。同时，也是控制器中数据的采样频率以及数据的发送频率，所以的选择可以在满足此式的基础上根据实际采样需要进行选择。

基于机床主轴热输出特性，采用本发明用于传感器的机床主轴热电供能电路及控制方法，使得无线传感器能够在实时监测主轴工作情况时不需要电源供能，保证无线传感器能够利用热能在无人值守的环境下长期稳定工作。

Claims (6)

1.一种用于无线传感器的机床主轴热发电供能电路，包括安装在机床主轴上并采集机床主轴热能进行发电的热发电构件，无线监测机床主轴的无线传感器，其特征在于，还包括：

储能电容，其中热发电构件输出端通过储能电容接地，其中储能电容与热发电构件输出端通过第一开关连接；

直流升压转换器，直流升压转换器输入端通过第二开关与储能电容未接地的一端连接，直流升压转换器输出端通过供电电容接地，且供电电容与所述直流升压转换器之间通过第三开关连接，供电电容未接地一端还与无线传感器供电端连接；

控制器，其用于控制第一开关、第二开关和第三开关，供电电容未接地的一端与控制器供电端连接，且所述控制器具有与无线传感器匹配的控制端口；

所述储能电容包括并联的第一电容与第二电容，所述第一开关包括分别与第一电容和第二电容相匹配的两个开关，所述第二开关包括分别与第一电容和第二电容相匹配的两个开关；

所述直流升压转换器的输出端还连接缓冲电容；

所述用于无线传感器的机床主轴热发电供能电路采用以下步骤进行控制：

步骤1，供电电容为控制器以及无线传感器供电，所述控制器通过控制第一电容和第二电容所连接的开关，使第一电容和第二电容交替为缓冲电容充电，所述控制器还检测缓冲电容的充电时间是否达到第一阈值，当充电时间达到阈值时，进入步骤2；

步骤2，控制器控制第三开关导通，则缓冲电容放电，且控制器无线发送数据至无线传感器，同时控制器继续控制第一电容和第二电容交替进行充放电，控制器判断数据是否发送完毕，是则进入步骤3；

步骤3，断开第三开关，并继续通过控制器控制第一电容和第二电容交替进行充放电，直至缓冲电容的充电时间再一次达到第一阈值。

2.如权利要求1所述用于无线传感器的机床主轴热发电供能电路，其特征在于，其中第一电容与第二电容的电容值相同。

3.如权利要求1所述用于无线传感器的机床主轴热发电供能电路，其特征在于，其中直流升压转换器还通过缓冲电容接地。

4.如权利要求1所述用于无线传感器的机床主轴热发电供能电路，其特征在于，所有的开关均为MOS管。

5.如权利要求1所述用于无线传感器的机床主轴热发电供能电路，其特征在于，所述控制器的控制端口为串行通信端口。

6.如权利要求1所述用于无线传感器的机床主轴热发电供能电路，其特征在于，在步骤1中，控制器通过控制第一电容和第二电容所连接的开关，使第一电容和第二电容交替为缓冲电容充电的具体方法为：

步骤1-1，第一电容连接的第一开关和第二电容连接的第二开关导通，第一电容连接的第二开关和第二电容连接的第一开关断开，热发电构件为第一电容充电，第二电容通过直流升压转换器为缓冲电容充电；控制器监测缓冲电容的充电时间是否达到第二阈值，当达到第二阈值时，进入步骤1-2；

步骤1-2，第一电容连接的第一开关和第二电容连接的第二开关断开，第一电容连接的第二开关和第二电容连接的第一开关导通，发电构件为第二电容充电，第一电容通过直流升压转换器为缓冲电容充电；控制器监测缓冲电容的充电时间是否达到第二阈值，当达到第二阈值时，返回步骤1-1。