CN103856138A - 用于采集能量的系统和用于控制其配重的角位置的系统 - Google Patents

用于采集能量的系统和用于控制其配重的角位置的系统 Download PDF

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CN103856138A CN201310611026.5A CN201310611026A CN103856138A CN 103856138 A CN103856138 A CN 103856138A CN 201310611026 A CN201310611026 A CN 201310611026A CN 103856138 A CN103856138 A CN 103856138A
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Abstract

本发明涉及一种用于采集能量的系统，包括：电机（6），其包括相对于彼此可动的第一和第二结构（8，10）；连结至第二结构的配重（12）；电连接在第一结构和负载（20）之间的功率传送结构（18，22）；提供指示配重的角位置的位置信号的角位置传感器（32）；和提供指示影响第一结构的角速度的加速度信号的加速计（30）。该用于采集能量的系统还包括控制单元（24），该控制单元包括：第一级（58），其产生指示角度不稳定区域（R-I）的限制位置信号和第二级（66），其基于位置信号和限制位置信号控制功率传送结构，以调节至负载的电功率传送，从而阻止配重进入角度不稳定区域。

Description

用于采集能量的系统和用于控制其配重的角位置的系统
技术领域
本发明涉及一种用于采集能量的包括配重的系统，和用于控制配重的角位置的系统。
背景技术
如已知的，现今可得到允许将机械能转换为电能并且存储由此获得电能的用于采集能量的系统。
例如，T.T.Toh等所著的文章“Continuously rotating energy harvester withimproved power density”，Power MEMS2008会议论文集,第221-224页,Sendai(JP)，描述了一种连续旋转类型的用于采集能量的系统，其包括转子、定子和配重，该配重受制于定子。转子和定子是直流发电机的一部分，因此转子与旋转元件是整体，该旋转元件例如通过外部马达来致动。
在使用中，外部马达保持使旋转元件旋转。相应地，转子与旋转元件一起旋转，而配重倾向于通过施加由重力引起的对应的转矩而使定子保持固定。转子关于定子进行相对运动，从而在直流发电机中生成电。该电功率被传送给负载，例如电池。
更确切而言，该电功率传送使得电流在转子中通过，其又使得将驱动转矩施加在定子上。这就是说，定子在转子旋转期间采用与定子本身在转子不转时将采用的位置（其也称作“静止位置”）相距角距离θ的位置，该角距离θ沿旋转方向测量。因为角距离θ非零，所以作用在定子上的重力转矩将驱动转矩平衡，以使得定子倾向于保持不动。
更详细来说，功率传送仅在旋转元件的旋转速度不超过临界角速度时进行，超过该临界角速度，重力转矩不能再对抗驱动转矩，并且定子开始与转子一起旋转。在实践中，当配重距静止位置的角距离θ等于90°时，重力转矩采用最大值；高于该最大值的驱动转矩意味着大于90°的角距离θ，其对应于渐渐变低的重力转矩值。因此，当配重的角距离θ超过等于90°的临界距离θc时，用于采集能量的系统进入不稳定状态，其中配重倾向于以与转子相同的角速度旋转，并且功率传送由于定子和转子之间相对运动的消除而基本上是零。
为了优化电功率传送，在发电机和负载之间提供所谓的最大功率点追踪（MPPT）电路在直流发电机和负载之间。
MPPT电路使负载的输入电阻与直流发电机的输出电阻相配，以便将功率传送最大化。在实践中，MPPT电路使负载的电阻与转子电枢的电阻相配。
更详细而言，MPPT电路包括所谓的转换电路，其被利用由MPPT电路本身产生的脉宽调制（PWM）信号来控制。电阻通过变化这种脉宽调制信号的占空比来适配。
还更详细而言，转换电路具有连接至转子电枢的末端的电输入端。由直流发电机递送的输入电流和输入电压因此存在于电路的电输入端上。MPPT根据输入电流和输入电压来变化脉宽调制信号的占空比，从而相应地调节从直流发电机至负载的电功率传送。
MPPT电路因此允许将至负载的能量传送最大化，然而其操作意味着用于采集能量的系统变得不稳定。确实，如前面提及那样，将负载施加至直流发电机意味着制动作用，在转子电枢中流动的电流越高，则该制动动作越大。因此，当尝试传送在直流发电机端子处可得的最大电功率时，MPPT电路可以引起这样的制动作用，该制动作用能够使配重旋转大于临界距离θc的角度。在该情况下，用于采集能量的系统变得不稳定。为了避免这样的情况，旋转元件必须以比临界角速度小得多的速度旋转，并且需要阻止旋转元件被线性加速度影响，即阻止其平移，因为这种线性加速度可能对达到不稳定状态起作用。换言之，必须将限制引入到用于采集能量的系统的使用中。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于采集能量的系统，其至少部分地克服现有技术的缺陷。
根据本发明，提供了一种用于采集能量的系统，如在所附权利要求中公开的那样。
附图说明
为了更好地理解本发明，后文将仅通过非限制性示例，并且参考附图描述本发明的实施例，附图中：
-图1是本发明的用于采集能量的系统的一个实施例的框图；
-图2示出了等效于图1中示出的用于采集能量的系统的电路；
-图3示意性地示出了轨道车轴（axle）和与其为整体的参考系的立体图；
-图4a-4c和6示出了图3中示出的参考系内的不同矢量量的相互布置和对应的不稳定区域；
-图5和7示出了图1中示出的用于采集能量的系统的部分的框图；以及
-图8和9示出了本发明的用于采集能量的系统的其它实施例的部分的框图。
具体实施方式
图1示出了用于采集能量的系统1，其连结至旋转和平移元件。仅以示例方式，而不由于此失去普遍意义，本发明涉及如下情况：其中该旋转和平移元件由火车轴形成，该火车轴由附图标记2表示，并且适于围绕旋转轴线H旋转。在所有情况下，本发明的用于采集能量的系统1还可以通过与不同类型的旋转和平移元件（例如汽车车轴）连结而用于与轨道领域不同的领域中。此外，该用于采集能量的系统可以连结至旋转元件而不是旋转和平移元件。在该方面，并且还是仅以示例方式，本发明的用于采集能量的系统可以连结至所谓的传送带的旋转元件。
这就是说，该用于采集能量的系统1包括容器4，该容器4固定至轴2，以便被轴2驱动而旋转。此外，该用于采集能量的系统1包括本质上已知类型的直流发电机6，发电机6包括定子8和转子10。定子8固定至容器4，并且因此与轴2一起围绕旋转轴线H旋转。以本质上已知的方式，转子10通过插入例如球轴承或青铜轴承（未示出）来连结至定子8。
该用于采集能量的系统1还包括配重12，配重12固定至转子10，并且配重12的重心通过距离旋转轴线H非零的径向距离间隔开。
在实践中，配重12倾向于将转子10保持为相对于定子8固定，即阻止转子10与定子8一起旋转。因此，假设惯性参考系xyz，其例如具有平行于旋转轴线H的轴y，和平行于轴2的平移方向的轴x，则定子8围绕平行于轴y的方向旋转，而配重12运动使得转子10采用相对于定子8固定的位置。仅以示例方式，惯性参考系xyz是轨道线的参考系，轴2在该轨道线上旋转-平移。
更详细而言，转子10包括第一和第二绕组13a、13b，而定子8包括彼此相反的第一和第二磁极14a、14b。此外，定子8包括定子电路16，定子电路16又包括电刷17，电刷17适于与布置在转子10上并且与第一和第二绕组13a、13b电连接的滑动触点（未示出）接触。在使用中，当相对旋转运动发生在定子8和转子10之间时，本质上直流的电压Vg存在于定子电路输出端16处。
该用于采集能量的系统1还包括电池20、第一功率传送级22和控制单元24。特别地，第一功率传送级22连接至定子电路16的输出端；此外，电池20和控制单元24两者都连接至第一功率传送级22。
详细而言，电池20通过插入第一功率传送级22而连接至定子电路16。因此可以参考图2中示出的等效电路图，其中直流发电机6模拟为具有输出电阻Rout的电压源G，而电池20模拟为负载电阻Rbatt。
下面更详细描述的第一功率传送级22具有第一和第二输入端子，其分别连接至定子电路16的输出端子和接地，还具有输出端子，其连接至电池20的输入端子。此外，第一功率传送级22具有控制端子Nc1，其连接至控制单元24（连接未示出）。仅通过示例方式，此后在本说明书后文中，假设的是图11中示出的实施例中，第一功率传送级22由已知类型的开关转换器形成，例如所谓的非反相类型的降升压型转换器，其从“接通”到“断开”状态的转换通过将由控制单元24（下面将描述）产生的第一控制信号C1(t)施加到控制端子Nc1来控制。
该用于采集能量的系统1还包括检测器级29，其连接至定子电路16并且适于提供分别指示存在于定子电路输出端16上的电流Ig和电压Vg的电流信号ig(t)和电压信号vg(t)。控制单元24还连接至检测器级29，以便接收电流信号ig(t)和电压信号vg(t)。
该用于采集能量的系统1还包括双轴线类型的加速计30，以及光学编码器32，其被连接至控制单元24。
加速计30固定至容器4并且沿着旋转轴线H布置。更确切而言，给定局部参考系uw（图3），其固定至轴2并且由轴线u和轴线w形成，轴线u和轴线w相互正交并且处于垂直于旋转轴线H的平面上，并且假设加速计30布置在该参考系的原点上，加速计30检测平行于轴线w或平行于轴线u的加速度。因此，加速计产生（以本质上已知的方式）电类型的加速度信号
Figure BDA0000422551970000051
其指示平行于轴线w和轴线u的加速度分量。加速度信号因此指示测量的加速度
Figure BDA0000422551970000053
该加速度
Figure BDA0000422551970000054
是矢量。
光学编码器32（本质上已知类型的）包括固定至转子10的可动元件34，和固定至定子30并且包括例如光源和光电二极管（未示出）的光学检测器36。光学编码器32用作角位置传感器（本质上已知的类型的）。因此，光学检测器36产生位置信号
Figure BDA0000422551970000055
其是电类型的，指示转子10相对于定子8的角位置和因此配重12相对于定子8的角位置。位置信号
Figure BDA0000422551970000056
因此指示测量位置
Figure BDA0000422551970000057
其是矢量，并且瞬时地限定配重12相对于局部参考系uw的原点并且因此相对于轴2的角位置。仅以示例方式，还假设的是所测量的位置
Figure BDA0000422551970000058
具有单一的模（module）。
更详细而言，参考图4a-4c详细描述所测量的加速度
Figure BDA0000422551970000059
和所测量的位置
Figure BDA00004225519700000510
的特征，并且因此间接地描述加速度信号
Figure BDA00004225519700000511
和位置信号的特征。
详细地，图4a涉及关于在其中定子8以恒定角速度ω旋转的时间间隔中的瞬时。在这种情况下，所测量的加速度
Figure BDA00004225519700000513
与重力加速度
Figure BDA00004225519700000514
重合并且围绕局部参考系uw的原点以等于轴2的角速度ω的角速度旋转。所测量的位置
Figure BDA00004225519700000515
也围绕局部参考系uw以等于角速度ω的角速度旋转；此外，所测量的位置
Figure BDA00004225519700000516
以偏移角α相对于所测量的加速度
Figure BDA00004225519700000517
偏移。
图4b涉及关于在其中定子8静止的时间间隔中的瞬时。在该情况下，所测量的加速度
Figure BDA00004225519700000518
与重力加速度
Figure BDA00004225519700000519
重合并且相对于参考系uw的原点固定。所测量的位置相对于局部参考系uw固定并且处于与所测量的加速度
Figure BDA00004225519700000521
相同的线上。
图4c涉及关于在其中定子8围绕旋转轴线H旋转并且此外受线性加速度的影响的时间间隔中的瞬间，该线性加速由轴2沿着平行于惯性参考系xyz的轴线x的方向的平移引起。在该情况下，所测量的加速度
Figure BDA00004225519700000523
等于重力加速度
Figure BDA00004225519700000524
和线性加速度
Figure BDA00004225519700000525
的矢量和，重力加速度
Figure BDA00004225519700000526
和线性加速度相互地形成直角，因为重力加速度
Figure BDA00004225519700000528
平行于惯性参考系xyz的轴线z。此外，所测量的位置
Figure BDA00004225519700000529
相对于所测量的加速度
Figure BDA00004225519700000530
偏移。
这就是说，如在图5中示出那样，控制单元24接收位置信号
Figure BDA00004225519700000531
和加速度信号
Figure BDA0000422551970000061
并且因此具有所测量的位置
Figure BDA0000422551970000062
和所测量的加速度
Figure BDA0000422551970000063
此外，控制单元24包括滤波级50，该滤波级适于通过移除高频干扰项确定源自所测量的加速度
Figure BDA0000422551970000064
的滤波过的加速度
Figure BDA0000422551970000065
这些高频干涉项例如由于轴2受到振动的影响而引起。滤波过的加速度的确定意味着产生对应的电信号，例如模拟或数字类型的电信号，其被称作滤波过的加速度信号
控制单元24还包括速度确定级52，其连接至滤波级50，并且适于基于滤波过的加速度信号
Figure BDA0000422551970000068
产生角速度信号
Figure BDA0000422551970000069
该角速度信号
Figure BDA00004225519700000610
表示轴2的角速度ω，意味着模和指向。例如轴2的角速度ω的指向可以基于所测量的加速度围绕局部参考系uw的原点的旋转的指向来确定，因为角速度ω与后者重合。
控制单元24还包括重力方向确定级54，其连接至滤波级50，并且连接至速度确定级52，适于基于滤波过的加速度信号
Figure BDA00004225519700000612
和角速度信号
Figure BDA00004225519700000613
产生重力方向信号
Figure BDA00004225519700000614
该重力方向信号
Figure BDA00004225519700000615
表示重力加速度
Figure BDA00004225519700000616
的方向，该方向参考局部参考系uw。
例如，如在图6中所示，重力加速度
Figure BDA00004225519700000617
的方向可以基于如下事实来确定：重力加速度
Figure BDA00004225519700000618
为在局部参考系uw内的具有等于9.81m/s2的模的矢量。此外，在轴2受到与轴线x平行取向的线性加速度的影响的假设下，重力加速度矢量
Figure BDA00004225519700000619
与经过滤波过的加速度
Figure BDA00004225519700000620
的顶点并且与具有等于重力
Figure BDA00004225519700000621
模的半径的圆周相切的线成直角，重力加速度
Figure BDA00004225519700000622
的矢量的顶点事实上位于该切点上。
因此，给定滤波过的加速度则可能确定经过滤波过的加速度矢量
Figure BDA00004225519700000624
的顶点并且与具有等于重力加速度
Figure BDA00004225519700000625
的模的半径的圆周相切的两条线的两个切点。对于每个切点可确定初级矢量（在图6中以
Figure BDA00004225519700000626
和
Figure BDA00004225519700000627
表示），该初级矢量的顶点位于切点本身。重力加速度
Figure BDA00004225519700000628
等于这两个初级矢量
Figure BDA00004225519700000629
之一；该不能确定例如可以通过实施下面描述的离散时间步骤程序来解决。具体地，参考参量来描述这样的示例程序，该程序在第i个步骤指示该值分别采用滤波过的加速度
Figure BDA00004225519700000631
重力加速度
Figure BDA00004225519700000632
和初级向量
Figure BDA00004225519700000633
此外，术语“值”意味着对应矢量的模和相位，因此该术语意味着指代向量。
详细而言，滤波过的加速度的值
Figure BDA00004225519700000635
可以在瞬间t0滤波，在该瞬间中轴2是静止的（并且因此
Figure BDA00004225519700000636
），并且因此不存在不能确定的问题；以该方式确定了重力加速度的对应值
Figure BDA00004225519700000638
在随后的瞬间t1处，在轴2加速之后，滤波过的加速度
Figure BDA00004225519700000639
的矢量采用值
Figure BDA0000422551970000071
并且相对于值
Figure BDA0000422551970000072
i）顺时针或ii）逆时针旋转。在瞬间t1处，初级矢量
Figure BDA0000422551970000073
Figure BDA0000422551970000074
分别采用值
Figure BDA0000422551970000075
和
Figure BDA0000422551970000076
因此可能确定在瞬间t1处重力加速度的值
Figure BDA0000422551970000078
在该瞬间处，该值
Figure BDA0000422551970000079
交替地等于相对于值
Figure BDA00004225519700000710
逆时针（在情况i下）或顺时针（在情况ii下）布置的值
Figure BDA00004225519700000711
和的矢量。
随后，在第i个瞬间ti处，不能确定可以通过利用与前一瞬间（ti-1）相关的值来解决。具体地，如果滤波过的加速度
Figure BDA00004225519700000714
相对于瞬间ti的值
Figure BDA00004225519700000715
关于值
Figure BDA00004225519700000716
i）提前或ii）滞后地偏移，则重力加速度在瞬间ti的值
Figure BDA00004225519700000718
交替地等于关于值
Figure BDA00004225519700000719
滞后地（在情况i下）或提前地（在情况ii下）布置的值
Figure BDA00004225519700000720
和
Figure BDA00004225519700000721
之间的矢量，该提前或滞后限定为滤波过的加速度
Figure BDA00004225519700000722
的旋转方向的函数。
值得注意的是，在轴2以恒定速度旋转的特殊情况下并不存在不能确定的问题，因为适用
Figure BDA00004225519700000723
此外，值得注意的是，如下可能的实施例是可能的，在该实施例中，以不同的方式进行重力加速度
Figure BDA00004225519700000724
的确定，例如以非递归方式，因此以与在之前的时间瞬间中采用的值无关的方式，或者通过相对于惯性参考系xyz确定参量的方式进行。
控制单元24还包括干扰确定级56，其在输入端处接收加速度信号并且还连接至重力方向确定级54的输出端。干扰确定级56产生干扰信号
Figure BDA00004225519700000726
该干扰信号
Figure BDA00004225519700000727
表示影响轴2的可能的线性加速度。为此，干扰确定级56计算滤波过的加速度
Figure BDA00004225519700000728
与重力加速度之间的矢量差。
控制单元24还包括限制位置确定级58，其在输入端处接收加速度信号
Figure BDA00004225519700000730
和重力方向信号
Figure BDA00004225519700000731
限制位置确定级58产生限制位置信号
Figure BDA00004225519700000732
该限制位置信号
Figure BDA00004225519700000733
表示配重12的一对（角度）限制位置
Figure BDA00004225519700000734
（图4a-4c），超过其则用于采集能量的系统1变得不稳定。具体地，限制位置
Figure BDA00004225519700000735
参考局部参考系uw，并且限定角度不稳定区域R-I，以使得如果配重12在那里，则采集能量的系统1不稳定，并且因此转子10相对于定子8不稳定，并且因此配重12倾向于在无校正情况下与定子8同步旋转。
详细而言，角度不稳定区域R-I由第一和第二角度区域联合来形成，其分别由图4a-4c中的阴影线和点划线示出。相应地，第一角度区域为180°宽，并且由与局部参考系uw的原点相交并且与重力加速度
Figure BDA00004225519700000736
正交的线限定，该第一角度区域不包含重力加速度
Figure BDA00004225519700000737
类似地，第二角度区域为180°宽，并且由与局部参考系uw的原点相交并且与所测量的加速度
Figure BDA00004225519700000738
正交的线限定，该第二角度区域不包含所测量的加速度
Figure BDA00004225519700000739
控制单元24还包括驱动单元60，驱动单元60在输入端处接收加速度信号
Figure BDA0000422551970000081
干扰信号
Figure BDA0000422551970000082
重力方向信号
Figure BDA0000422551970000083
限制位置信号
Figure BDA0000422551970000084
位置信号
Figure BDA0000422551970000085
和角速度信号
Figure BDA0000422551970000086
此外，驱动单元60在输入端处接收电流信号ig(t)和电压信号vg(t)。
如之前提及的，驱动单元60产生前述第一控制信号c1(t)，该第一控制信号c1(t)施加在第一功率传送级22的控制端子Nc1上。以示例方式，第一控制信号c1(t)可以是脉宽调制类型的，因此可以具有固定的频率和可变的占空比。在该情况下，如果给定第一控制信号c1(t)的周期，则其中第一功率传送级22分别以“接通”或“断开”状态操作的两个对应的子时间间隔的持续时间之间的比率等于第一控制信号c1(t)的占空比。因此，第一控制信号c1(t)的占空比的变化意味着从定子电路16到电池20的功率传送的程度的变化。
这就是说，如在图7中所示，驱动单元60包括预测级62，该预测级62在输入端接收加速度信号
Figure BDA0000422551970000087
和位置信号基于该加速度信号
Figure BDA0000422551970000089
和位置信号
Figure BDA00004225519700000810
该驱动单元60产生预测信号
Figure BDA00004225519700000811
具体地，如果假定加速度信号
Figure BDA00004225519700000812
和位置信号
Figure BDA00004225519700000813
的值所参考的普通瞬间t，则预测信号
Figure BDA00004225519700000814
表示由配重12在瞬间t+Δ采用的位置的估计值
Figure BDA00004225519700000815
其中Δ等于任意正实数。估计值
Figure BDA00004225519700000816
称为所预测的位置。
驱动单元60还包括比较级64，该比较级64在输入端处接收预测信号
Figure BDA00004225519700000817
和限制位置信号
Figure BDA00004225519700000818
该比较级64将预测信号
Figure BDA00004225519700000819
和限制位置信号相比较，并且产生不稳定性信号k(t)，该不稳定性信号k(t)表示所预测的位置与限制位置对
Figure BDA00004225519700000822
之间的关系。不稳定性信号k(t)因此表示例如所预测的位置
Figure BDA00004225519700000823
可能进入了角度不稳定区域R-I中。
驱动单元60还包括控制级66，其在输入端处接收电流信号ig(t)、电压信号vg(t)和不稳定性信号k(t)。此外，除了转子10的惯性力矩和直流发电机6的特征之外，控制级66已知配重12相对于旋转轴线H的惯性力矩，该惯性力矩取决于配重12的重量、形状和相对于旋转轴线H的布置。
控制级66产生第一控制信号c1(t)，以便将从定子电路16到电池20的电功率传送最大化，同时阻止不稳定状态的出现。换言之，如果给定阻止不稳定状态出现的限制条件，第一控制信号c1(t)为用于将定子电路16与电池20之间的电功率传送最大化的这样的信号。
仅以示例方式，例如假设所期望的位置
Figure BDA00004225519700000824
处于距不稳定区域R-I安全距离（例如等于10°）处，则第一控制信号c1(t)以等效于已知类型的MPPT电路的方式产生，即，以便将存在于定子电路16输出端上的产生的电流Ig和电压Vg最大化。为此，例如，控制级66可以随时间变化第一控制信号c1(t)的占空比，并且检测对应的在定子电路16输出端处可得的电功率趋势（等于电流Ig和电压Vg的乘积），以便指示对应于该电功率的最大值的占空比值。替选地，并且又仅以示例方式，控制级66可以确定参考电流Iref，其等于电压Vg与定子电路16的两倍输出电阻（已知）的比率，该参考电流Iref可在负载的最优适配的情况下获得。此外，控制级66可以将电流Ig与参考电流Iref相比较，从而产生误差信号，该误差信号提供在至所谓的比例和积分类型的控制级的输入端处，该控制级66相应地产生第一控制信号c1(t)。以该方式，控制级66实施第一控制信号c1(t)的占空比的闭环控制，并且因此实施功率传送的闭环控制，该控制被设置为使得将功率传送最大化。
还是仅以示例方式，假设替代地所期望的位置
Figure BDA0000422551970000091
距角度不稳定区域R-I小于安全距离的距离，则第一控制信号c1(t)为将电流Ig和电压Vg设定为这样的信号：使得相对于对应的最大可获得绝对值来限制所传送的功率，以便阻止不稳定性。换言之，如果给定第一限制占空比DC1，例如以上述方式之一确定的并且电功率传送的最大绝对值所对应的，并且给定第二限制占空比DC2，如以基于控制配重12的运动的机电等式的本质上已知的方式确定的并且对接近在小于安全距离的距离内的不稳定区域R-I的所期望的位置
Figure BDA0000422551970000092
所对应的，则第一控制信号c1(t)具有等于DC1（如果DC2>DC1）或者等于DC2（如果DC2<DC1）的占空比，假设降升压型转换器以与第一控制信号c1(t)的占空比成比例的方式来传送功率。再换言之，第一控制信号c1(t)为这样的控制信号：确保与传送功率相关的最大值受限制，以保持稳定状态。
不同类型的其它实施例是可能的，例如，其中安全距离是零。类似地，其它实施例是可能的，其中没有预测级62，并且比较级64在输入端处除了限制位置
Figure BDA0000422551970000093
之外还接收位置信号在该情况下，不稳定性信号k(t)表示在所测量的位置与该对限制位置对
Figure BDA0000422551970000096
之间的关系。
在实践中，不管实施细节如何，控制单元24处理加速度信号和位置信号
Figure BDA0000422551970000098
以便逐时刻地确定角度不稳定区域R-I，以及配重12相对于该角度不稳定区域R-I的瞬时位置。以该方式，控制单元24可以实施配重12的角位置的一个或多个控制算法，即使在不知道定子8相对于惯性参考系xyz的角位置的情况下，因为定子8被轴2驱动旋转。
根据图8中示出的一个不同的实施例，用于采集能量的系统1还包括功率传送级80、马达控制级82和开关84。
具体地，马达控制级82插入在其所连接的第二功率传送级80和开关84之间。此外，开关84连接至第一功率传送级22和定子电路16。更具体地，开关84适于连接定子电路16，替选地连接功率传送级22或者连接马达控制级82。
仅以示例方式，第二功率传送级80具有控制端子Nc2，并且由已知类型的开关转换器形成，例如所谓的非反相类型的降升压型转换器的转换器，其在“接通”和“断开”之间的转换通过将由控制单元24产生的第二控制信号c2(t)施加给控制端子Nc2来控制。
更确切而言，根据该实施例，驱动单元60除了产生第一控制信号c1(t)之外，还产生第二控制信号c2(t)以及控制开关84的第三控制信号c3(t)。第二和第三控制信号c2(t)、c3(t)是基于加速度信号
Figure BDA0000422551970000101
位置信号
Figure BDA0000422551970000102
限制位置信号电流信号ig(t)和电压信号vg(t)产生的。
在实践中，当驱动单元60产生第三控制信号c3(t)以使得开关84将定子电路16连接在第一功率传送级22处时，该实施例以与图1中示出的实施例相同的方式来操作。相反，当第三控制信号c3(t)为使得开关84将定子电路16连接至马达控制级82时，则进行从电池20至定子电路16的电功率传送，使得直流发电机作为电动机来操作，该传送的程度由第二控制信号c2(t)例如以与关于第一功率传送级22和第一控制信号c1(t)描述的类似的方式来控制（调节）。此外，以本质上已知的方式，马达控制级82控制直流发电机6的定子8，以确保直流发电机6作为电动机的正确操作。例如，马达控制级82可以由所谓的功率驱动电路来形成，以便将具有适当极性的驱动电压施加给定子电路16。
驱动单元60因此可以通过变化第二控制信号c2(t)的占空比来调节电池20至定子电路16的电功率传送。因此，如果配重12进入角度不稳定区域R-I中，则驱动单元60可以通过从电池20向直流发电机6传送功率来将用于采集能量的系统1返回到稳定状态。
此外，图9中示出类型的可能实施例是可能的，其中采集能量的系统1包括变速装置18，该变速装置18以本质上已知的方式插入在固定于转子10的第一和第二绕组13a、13b的转子轴90与外部轴92之间。详细而言，配重12固定至外部轴92；此外，变速装置18旋转地将转子轴90与外部轴92连结，并且具有可电控的齿轮传动比。
根据该实施例，驱动单元60除了产生前述第一控制信号c1(t)、第二控制信号c2(t)和第三控制信号c3(t)之外，还产生第四控制信号c4(t)。
第四控制信号c4(t)控制变速装置18的齿轮传动比，并且，当开关84将定子电路16连接至第一功率传送级22时，第四控制信号是除了前述第一控制信号c1(t)之外的用于控制至负载的电功率传送程度的又一自由度。确实，在定子8处可得的功率与转子轴90相对于定子8旋转的角速度的平方成比例。因此，在定子电路16的输出端处可得的电功率通过例如改变传动比来增大，从而增大转子轴90相对于外部轴92的角速度。然而，这意味着对于将配重12带至角度不稳定区域R-I有贡献的制动动作。
类似地，当开关84将定子电路16连接至马达控制级82时，第四控制信号c4(t)是除了前述第二控制信号c2(t)之外的用于控制来自负载的电功率传送的又一自由度。
这就是说，产生第一和第四控制信号c1(t)、c4(t)以便将转子轴90的速度最大化并且阻止配重12进入不稳定角度区域R-I，而在需要时产生第二和第四控制信号c2(t)、c4(t)以便恢复稳定状态。
在实践中，图9中示出的实施例具有数个自由度，其可以被操作为调节至负载的功率传送和/或恢复稳定状态。
其中仅通过变化传动比来调节来自/至负载的功率传送的实施例是可能的；在该情况下，没有产生第一和第二控制信号c1(t)、c2(t)，并且第一和第二功率传送级22、80因此被修改。例如，第一和第二功率传送级22、80中的每一个都是已知类型的MPPT电路，因此配置为提取在相应的输入端处可用的最大功率。
图1中示出类型的实施例是可能的，其包括变速装置18；在该情况下，用于调节至负载的功率传送的自由度通过第一和第四控制信号c1(t)、c4(t)来给定。此外，还是在该情况下，电功率传送可以仅通过改变传动比来调节，在该情况下，没有产生第一控制信号c1(t)，并且第一功率传送级22因此被修改。在该情况下，第一功率传送级22例如是已知类型的MPPT电路，其适于提取在定子电路16的输出端处可用的最大功率。
本发明的用于采集能量的系统允许获得的优点从上面的讨论中清晰可见。
具体地，加速计、光学编码器、第一和第二（如果存在）功率传送级、控制单元和（如果存在）变速装置形成用于控制配重的角位置的系统。因此，本发明的用于采集能量的设备实质上允许实时监测配重的角位置，并且根据配重的角位置调节从直流发电机至负载的电功率传送。以该方式，可能将至负载的电功率传送最大化，而没有在不稳定状态驱动该用于采集能量的系统的风险。此外，本发明的能量采集系统允许在不稳定状态建立时恢复最优操作状态。
最后显然的是，可以对本发明的用于采集能量的系统做出修改和变化而不偏离本发明的所附权利要求中限定的保护范围。
例如可以用不同的编码器替代光学编码器32，例如磁性或电容性编码器。
还是以示例方式，尽管所描述的示例涉及直流发电机，但是可以用交流发电机替代直流发电机，例如无电刷的交流发电机；通常可以使用任意旋转感应电机。具体地，在无电刷的交流发电机的情况下，马达控制级82因此而改变；在该情况下，实际上，马达控制级82适于产生三个偏移120°并且与转子10的位置同步的电压，以便于以适当方式控制定子电路中的三个绕组。
此外，转子可以被限制到容器，并且因此固定至轴；在该情况下，直流发电机的定子相对于该轴可动，并且配重固定至定子而不是转子。
此外，第一和第二功率传送级22、80可以与所描述的不同。类似地，第一和第二功率传送级22、80可以通过利用与脉宽调制信号不同的信号来控制。
关于控制单元24，滤波级50可以不存在，在该情况下，可以从所测量的加速度
Figure BDA0000422551970000121
而不是滤波过的加速度
Figure BDA0000422551970000122
开始来实施处理。此外，以本质上已知的方式，控制单元24可以相对于描述过的那些参量计算其它参量，或者可以与所描述的不同地确定上面提及的参量（例如重力加速度
Figure BDA0000422551970000123
）。
此外，控制单元24可以实施与所描述的不同的配重控制算法。值得注意的是，如果用于采集能量的系统被限制到旋转元件而不是旋转和平移元件，则可以略去重力方向确定级54，因为重力加速度
Figure BDA0000422551970000124
沿着与所测量的加速度
Figure BDA0000422551970000131
相同的线。
其中配重12以可拆卸的方式机械连结至转子10的其它实施例是可能的，在该情况下，在出现不稳定状态时，控制单元产生这样的电控制信号，其使得配重12从转子10脱开，以便恢复稳定状态。
最后，用于采集能量的系统1可以装备有其它装置，例如温度传感器或无线通信单元，所述其它装置还连接至定子电路16。此外，除了或替代加速计30，还可存在回转仪或一组两个或多个加速计。

Claims (10)

1.一种用于采集能量的系统，包括：
-电机（6），其包括相对于彼此可动的第一结构和第二结构（8,10），所述第一结构和第二结构中的每一个更迭地形成所述电机的转子或定子，所述第一结构配置为限制到旋转或者旋转和平移元件（2），以便通过该旋转或者旋转和平移元件驱动旋转，
-配重（12），其连结至所述第二结构，使得所述第二结构经受第一重力转矩；
-功率传送结构（18,22），其电连接至所述第一结构，配置为连接至负载（20），并且适于以电可控方式将电功率从所述第一结构传送至所述负载，所述电功率传送使得将第二转矩施加在所述第二结构上，该第二转矩的模是所传送的电功率的函数，当所述配重位于角度稳定区域中时，所述第二转矩由所述第一转矩平衡，使得在所述第一结构中产生电压（Vg）；
-角位置传感器（32），其限制到所述第一结构，并且配置为提供指示所述配重的角位置的位置信号
Figure FDA0000422551960000011
所述角位置参考固定至所述第一结构的局部参考系（u,w）；以及
-加速计（30），其限制到所述第一结构，并且配置为提供指示影响所述第一结构的加速度的加速度信号
Figure FDA0000422551960000012
所述加速度参考所述局部参考系；
所述用于采集能量的系统还包括控制单元（24），该控制单元包括：
-第一级（58），其配置为基于所述加速度信号产生指示角度不稳定区域（R-I）的限制位置信号
Figure FDA0000422551960000013
所述角度不稳定区域参考所述局部参考系，并且使得当所述配重位于所述角度不稳定区域内时，所述配重倾向于与所述第一结构同步旋转；以及
-第二级（66），该第二级配置为基于所述位置信号和基于所述限制位置信号控制所述功率传送结构，以便调节至所述负载的电功率传送，从而阻止所述配重进入所述角度不稳定区域。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二级（66）配置为控制所述功率传送结构（18,22），以便将至所述负载（20）的电功率传送最大化。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述功率传送结构（18,22）包括第一功率传送电路（22），其配置为电连接至所述第一结构（8）和所述负载（20），并且适于将电功率以通过第一控制信号（c1(t)）的电可控方式从所述第一结构传送至所述负载；以及其中，所述第二级（66）配置为基于所述位置信号和基于所述限制位置信号
Figure FDA0000422551960000022
产生所述第一控制信号。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述控制单元（24）还包括第三级（50,52,54），其配置为基于所述加速度信号
Figure FDA0000422551960000023
产生指示重力加速度方向的重力方向信号所述方向参考所述局部参考系（u,w）；以及其中，所述第一级（58）配置为还基于所述重力方向信号产生所述限制位置信号
Figure FDA0000422551960000025
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述控制单元（24）还包括：
-第四级（62），其配置为基于所述加速度信号
Figure FDA0000422551960000026
和位置信号
Figure FDA0000422551960000027
产生指示所述配重（12）的期望角位置的期望位置信号
Figure FDA0000422551960000028
以及
-第五级（64），其配置为产生指示在所述配重的所述角度不稳定区域（R-I）与期望角位置之间的比较的比较信号（k(t)）；
以及其中，所述第二级（66）配置为还基于所述比较信号产生所述第一控制信号（c1(t)）。
6.根据权利要求3到5中任一项所述的系统，其中，所述第一功率传送级包括配置为交替地以第一状态和第二状态操作的转换电路（22），在该第一状态和第二状态之间的转换由所述第一控制信号（c1(t)）来控制。
7.根据权利要求3到6中任一项所述的系统，还包括第二功率传送电路（80），其配置为电连接至所述第一结构（8）和所述负载（20），并且电可控，以将电功率从所述负载传送至所述第一结构，从而当所述配重（12）进入所述角度不稳定区域（R-I）中时，将所述配重（12）返回所述角度稳定区域。
8.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述配重（12）固定至所述第二结构（10）。
9.根据权利要求1到7中任一项所述的系统，还包括外部轴（92），所述配重（12）固定至所述外部轴，并且其中，所述功率传送结构（18,22）包括变速装置（18），该变速装置插入在所述外部轴与所述第二结构（10）之间，并且具有电可控的齿轮传动比，所述第二级（66）配置为基于所述位置信号
Figure FDA0000422551960000029
和基于所述限制位置信号
Figure FDA00004225519600000210
变化所述齿轮传动比，以调节至所述负载（20）的电功率传送，从而阻止所述配重进入所述角度不稳定区域（R-I）中。
10.一种机电系统，包括根据上述权利要求中任一项所述的系统（1），以及所述旋转或者旋转和平移元件（2）。
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