CN109787468A

CN109787468A - 一种无源系统的能量动态控制装置

Info

Publication number: CN109787468A
Application number: CN201910079154.7A
Authority: CN
Inventors: 鲁力
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2019-05-21

Abstract

本发明公开了一种无源系统的能量动态控制装置，涉及无源系统的能量控制领域；其包括能量存储控制电路、微控制器、控制接口电路和能量输入输出控制电路，所述能量存储控制电路、控制接口电路、能量输入输出控制电路分别连接微控制器，所述能量存储控制电路连接控制接口电路，所述能量存储控制电路连接能量输入输出控制电路；本发明克服了具体环境的未知性和多样性，设置稳压电路扩展输入输出范围、设置高精度控制器件增强适应性、设置独立管理的电容延长使用寿命、实现免维护，解决现有针对具体环境定制的能量控制装置通用性差、便利性差的问题，达到了精确控制动态能量、通用性强、适应性强的效果。

Description

一种无源系统的能量动态控制装置

技术领域

本发明涉及无源系统的能量控制领域，尤其是一种无源系统的能量动态控制装置。

背景技术

铁轨健康监测是维持列车安全运行的必要手段，因铁轨老化、断裂，导致的列车出轨事故已成为列车安全运行的第一杀手。然而，不论是大型探伤车还是手推式探伤小车，都存在一个共同的问题，即占用铁路线路，不能全天候工作；探伤车辆造价不菲，成本高；探测监测实时性差；因此，需要设计一种廉价便捷固定安装式的铁轨健康监测系统，来解决当前监测手段时间间隔长、效率低和影响铁路运行的难题。

我国电气化铁路的额定电压为25KV，如果采用有线供电的方案进行铁轨监测，则需要安装数量繁多的变压器，会对铁路原有的供电系统安全造成威胁；独立建立低压监测供电，则需要巨大的经济和人力成本，同时低压电路无法实现远距离传输，这些因素都使得有线供电的方案不具有实用性；采用电池供电，则需要定期更换电池，对于广泛分布以及处于偏远地区或者高危地带的节点操作麻烦；因此铁轨健康监测最理想的供电方式为无源供电，降低维护成本，实现无人监管。

能量分为常态能量和非常态能量，常态能量包括潮汐能、太阳能和风能，因其具备规律，所以易于采集和管理；非常态能量包括震动能量，比如地震、塌方等不确定自然灾害带来的地面震动，其具备不可预测、不可控制特性；其中列车运行带来的轨道振动具有很强的随机性和波动性，无法预知下一刻列车是否到来、到来的列车的重量和车速，导致下一刻的能量采集、控制无法确定，因此将其作为无源系统的能量来源，需要对其进行能量控制。现有的能量控制存在以下问题：针对具体环境进行定制，通用性差；针对具体环境定制的控制装置后期需要定时维护和检测，后期运维麻烦；因此需要一种能量控制装置克服以上问题实现动态控制，提高通用性和便利性。

发明内容

本发明的目的在于：本发明提供了一种无源系统的能量动态控制装置,解决现有针对具体环境定制的能量控制装置通用性差、便利性差的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种无源系统的能量动态控制装置，包括能量存储控制电路、微控制器、控制接口电路和能量输入输出控制电路，所述能量存储控制电路、控制接口电路、能量输入输出控制电路分别连接微控制器，所述能量存储控制电路连接控制接口电路，所述能量存储控制电路连接能量输入输出控制电路。

优选地，所述能量存储控制电路包括用于限压、能量检测和电容控制的控制芯片和多个独立电容，所述微控制器、控制芯片和独立电容依次电性连接。

优选地，所述能量输入输出控制电路包括直流输入接口、交流输入接口、直流输出端一、直流输出端二、模数转换模块、交直流转换电路和用于调节输入输出范围的稳压电路，所述模数转换模块输入端连接模拟传感器，其输出端连接微控制器；所述交直流转换电路输入端连接交流输入，其输出端连接能量存储控制电路和直流输入，所述能量存储控制电路输出端连接稳压电路后连接直流输出端二，所述能量存储控制电路输出端还连接直流输出端一。

优选地，所述控制接口电路包括控制接口，所述控制接口一端连接微控制器，其另一端连接控制芯片，其另一端还连接稳压电路。

优选地，还包括温度控制电路，所述温度控制电路连接微控制器。

优选地，所述微控制器还连接数字传感器。

优选地，所述能量存储控制电路还包括多个独立电容接口和用于隔离的MOS管，所述独立电容接口连接独立电容，相邻独立电容通过MOS管相连。

优选地，所述稳压电路包括稳压芯片U1和通过跳线接口连接实现不同阻值的分压电阻，其9引脚连接分压电阻后连接输出。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明通过设置高效且范围可调的稳压电路，拓宽输入输出范围，通过PWM实现稳压，通过不同阻值的分压电阻实现输出不同范围的电压，适用于多种类型能量控制，提高装置的通用性；

2.本发明对多个独立的电容进行管理，相邻独立电容通过MOS管连接，避免一个电容断路导致其他电容无法工作，使用寿命短的缺点，延长电容寿命，实现免维护，提高便利性；

3.本发明设置编程接口和高精度的控制器件，根据实际需求进行监测和控制，适应多种环境，提高适应性，实现精准控制；

4.本发明为克服具体环境的未知性和多样性，设置稳压电路扩展输入输出范围、设置高精度控制器件增强适应性、设置独立管理的电容延长使用寿命、实现免维护，解决现有针对具体环境定制的能量控制装置通用性差、便利性差的问题，达到了精确控制动态能量、通用性强、适应性强的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的控制装置系统框图；

图2为本发明的微控制器电路图；

图3为本发明的能量存储控制电路；

图4为本发明的稳压电路图；

图5为本发明的模数转换电路图；

图6为本发明的交直流转换电路；

图7为本发明的控制装置框图示意图；

图8为本发明的控制装置框图简图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

技术问题：解决现有针对具体环境定制的能量控制装置通用性差、便利性差的问题；

技术手段：一种无源系统的能量动态控制装置，包括能量存储控制电路、微控制器、控制接口电路和能量输入输出控制电路，所述能量存储控制电路、控制接口电路、能量输入输出控制电路分别连接微控制器，所述能量存储控制电路连接控制接口电路，所述能量存储控制电路连接能量输入输出控制电路。

能量存储控制电路包括用于限压、能量检测和电容控制的控制芯片和多个独立电容，微控制器、控制芯片和多个独立电容依次电性连接。

能量输入输出控制电路包括直流输入接口、交流输入接口、直流输出端一、直流输出端二、模数转换模块、交直流转换电路和用于调节输入输出范围的稳压电路，模数转换模块输入端连接模拟传感器，其输出端连接微控制器；交直流转换电路输入端连接交流输入，其输出端连接能量存储控制电路和直流输入，能量存储控制电路输出端连接稳压电路后连接直流输出端二，能量存储控制电路输出端还连接直流输出端一。

控制接口电路包括控制接口，控制接口一端连接微控制器，其另一端连接控制芯片，其另一端还连接稳压电路。

还包括温度控制电路，温度控制电路连接微控制器。

微控制器还连接数字传感器。

能量存储控制电路还包括多个独立电容接口和用于隔离的MOS管，独立电容接口连接独立电容，相邻独立电容通过MOS管相连。

稳压电路包括稳压芯片U1和通过跳线接口连接实现不同阻值的分压电阻，其9引脚连接分压电阻后连接输出。

技术效果：本发明通过设置高效且范围可调的稳压电路，拓宽输入输出范围，通过PWM实现稳压，通过不同阻值的分压电阻实现输出不同范围的电压，适用于多种类型能量控制，提高装置的通用性；对多个独立的电容进行管理，相邻独立电容通过MOS管连接，避免一个电容断路导致其他电容无法工作，使用寿命短的缺点，延长电容寿命，实现免维护，提高便利性；设置编程接口和高精度的控制器件，根据实际需求进行监测和控制，适应多种环境，提高适应性，实现精准控制；为克服具体环境的未知性和多样性，设置稳压电路扩展输入输出范围、设置高精度控制器件增强适应性、设置独立管理的电容延长使用寿命、实现免维护，解决现有针对具体环境定制的能量控制装置通用性差、便利性差的问题，达到了精确控制动态能量、通用性强、适应性强的效果。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

能量存储控制电路包括用于限压、能量检测和电容控制的控制芯片和多个独立电容，所述微控制器、控制芯片和独立电容依次电性连接。

能量输入输出控制电路包括直流输入接口、交流输入接口、直流输出端一、直流输出端二、模数转换模块、交直流转换电路和用于调节输入输出范围的稳压电路，模数转换模块输入端连接模拟传感器，其输出端连接微控制器；交直流转换电路输入端连接交流输入，其输出端连接能量存储控制电路和直流输入，能量存储控制电路输出端连接稳压电路后连接直流输出端二，能量存储控制电路输出端还连接直流输出端一。控制接口电路包括控制接口，控制接口一端连接微控制器，其另一端连接控制芯片，其另一端还连接稳压电路。

如图1、7、8所示，本发明为克服具体环境的未知性和多样性，设置稳压电路扩展输入输出范围、设置高精度控制器件增强适应性、设置独立管理的电容延长使用寿命、实现免维护，解决现有针对具体环境定制的能量控制装置通用性差、便利性差的问题，达到了精确控制动态能量、通用性强、适应性强的效果。

实施例2

基于实施例1，能量存储控制电路包括用于限压、能量检测和电容控制的控制芯片和多个独立电容，所述微控制器、控制芯片和独立电容依次电性连接。

能量存储控制电路具体电路连接如图3所示，控制芯片的型号为LTC3350，微控制器的型号为Msp430F169，电容采用超级电容，容值为10F，本实施例根据铁轨环境和需求设置4个超级电容。

工作原理：LTC3350控制芯片具备限压功能，当输入电压高于40V时，其输入端34脚将进入高阻状态，使电流旁通，进行自我保护；芯片的输入电压为4.5～35V，可适应绝大多数应用范围。

芯片具备能量监测功能，通过34脚监测输入电压以及30和31脚之间的电阻Rsnsi1、Rsnsi12监测电流，从而计算输入系统的功率，通过21脚监测电容电压以及21和22脚之间的电阻Rsnsi3计算电容的充放电功率，并通过内部电路对其进行控制以最大程度匹配负载需要。芯片内部集成了多个寄存器，逻辑控制器，以及控制接口，可精准的根据需求控制能量的存储和输出，其内部存储的数据可通过控制接口进行访问，电路具备存储器U9，可存储特定程序，以根据需求对能量进行更加精准的控制。

电路具备电容控制功能，芯片具备4个独立的电容连接接口13-16脚，同时，电容之间通过MOS管m8～m10进行隔离，若其中一个电容损坏，电容间出现压差，剩余电容中存储的能量将会通过MOS管自动平衡，即当电容之间出现明显压差的时候，MOS管将会导通，将受损电容旁通，从而避免因一个电容断路而导致4个电容都无法工作的情况。由于电容间采用串联连接，在部分电容受损后，最大储能电压将下降，但即使只有一个电容正常工作，也可以达到系统需要的工作电压，每个电容的电压上限为5v，4个电容的串联电压上限为20V，监测电容总电压的引脚为21脚，21脚的最低工作电压为1V，即使4个电容损坏3个，依然可以正常工作。

电路具备一定的稳压能力，通过7脚收到的电压反馈实现。输出电压通过调整7号脚的分压电阻进行调节，其输出范围为0～40V，可适用于绝大多数应用场景。

综上，本发明对多个独立的电容进行管理，相邻独立电容通过MOS管连接，避免一个电容断路导致其他电容无法工作，使用寿命短的缺点，延长电容寿命，实现免维护，提高便利性。

实施例3

基于实施例1，能量输入输出控制电路包括直流输入接口、交流输入接口、直流输出端一、直流输出端二、模数转换模块、交直流转换电路和用于调节输入输出范围的稳压电路，所述模数转换模块输入端连接模拟传感器，其输出端连接微控制器；所述交直流转换电路输入端连接交流输入，其输出端连接能量存储控制电路和直流输入，所述能量存储控制电路输出端连接稳压电路后连接直流输出端二，所述能量存储控制电路输出端还连接直流输出端一。控制接口电路包括控制接口，所述控制接口一端连接微控制器，其另一端连接控制芯片，其另一端还连接稳压电路。

能量输入输出控制电路具体电路连接如图3-6所示，模数转换模块采用的型号为ADS1115，ADS1115是一款常见的高精度模拟-数字转换芯片，可以将模拟传感器输出的信号精确转换为数字信号，由于该芯片较为常见，在此不做赘述。微控制器还连接数字传感器，控制器通过高精度AD转换器连接模拟传感器。数字传感器可直接连接到微控制器上，传感器的输出端可连接到微控制芯片的2脚～6脚，12～28脚34～51脚以及58～61脚之间的任意引脚上，并通过程序对其加以控制。模拟传感器则连接到模数转换电路中芯片u3的4～7脚，芯片将模拟信号转换为数字信号后通过9脚传输给微控制器。每个芯片最多可以连接4个模拟传感器。模数转换芯片通过i2c总线连接到微控制器，微控制器可最多连接4个此型号模数转换芯片。因此，在此电路中，微控制器最多可连接44个数字传感器和16个模拟传感器，增加传感器的数量可以实现对环境更精确的感知，适应多种环境，提高适应性，实现精准控制。

实施例4

基于实施例1，稳压电路包括稳压芯片U1和通过跳线接口连接实现不同阻值的分压电阻，其9引脚连接分压电阻后连接输出。稳压电路具体电路连接如图4所示，稳压电路中的稳压芯片型号为LTC3130。

工作原理：LTC3130是一款高效的稳压电路，与其他稳压电路不同，LTC3130具备Burst工作模式，在该模式下，芯片的工作频率将会随着负载电流进行调节，从而实现在负载电流为0.01～660毫安的情况下达到75％～92％的能量转换效率，具备更广的应用场景。其余稳压芯片的高效率工作范围较小，在转换效率超过60％的需求下，其负载电流变化范围往往不超过10倍。常用的方案是根据实际需求进行芯片选择，不具备通用性。

LTC3130的电压输入范围为2.4-25V，具备较广的应用范围。电路具备稳压功能，通过9脚收到的电压反馈实现。输出电压通过调整9号脚的分压电阻进行调节，其输出范围为1～25V，可适用于绝大多数应用场景；稳压电路通过PWM(脉冲宽度调制)来实现稳压。在本设计中，稳压电压可调，电压调节原理是反馈调节。芯片中9脚为反馈电压的输入引脚，其输入电压通过对芯片的整流输出电压进行分压得到。芯片会通过PWM对输出电压进行调节，从而使得分压之后的反馈电压稳定到1V，因此，可以通过调整分压电阻的方式来调节输出电压，其公式为：

V_out＝(1+R_a/R_b)

在本例中，R₂代表R_a，R₃、R₄或者R₅代表R_b，通过跳线接口3130Vo和X连接以实现3.3V、3.5V、以及1-4v可调电压的输出(1～4V为本例需求设置，通过更换限压保护电阻R₆和R₇，可实现1～25V调压)。通过设置高效且范围可调的稳压电路，拓宽输入输出范围，通过PWM实现稳压，通过不同阻值的分压电阻实现输出不同范围的电压，适用于多种类型能量控制，提高装置的通用性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种无源系统的能量动态控制装置，其特征在于：包括能量存储控制电路、微控制器、控制接口电路和能量输入输出控制电路，所述能量存储控制电路、控制接口电路、能量输入输出控制电路分别连接微控制器，所述能量存储控制电路连接控制接口电路，所述能量存储控制电路连接能量输入输出控制电路。

2.根据权利要求1所述的一种无源系统的能量动态控制装置，其特征在于：所述能量存储控制电路包括用于限压、能量检测和电容控制的控制芯片和多个独立电容，所述微控制器、控制芯片和独立电容依次电性连接。

3.根据权利要求1或者2所述的一种无源系统的能量动态控制装置，其特征在于：所述能量输入输出控制电路包括直流输入接口、交流输入接口、直流输出端一、直流输出端二、模数转换模块、交直流转换电路和用于调节输入输出范围的稳压电路，所述模数转换模块输入端连接模拟传感器，其输出端连接微控制器；所述交直流转换电路输入端连接交流输入，其输出端连接能量存储控制电路和直流输入，所述能量存储控制电路输出端连接稳压电路后连接直流输出端二，所述能量存储控制电路输出端还连接直流输出端一。

4.根据权利要求3所述的一种无源系统的能量动态控制装置，其特征在于：所述控制接口电路包括控制接口，所述控制接口一端连接微控制器，其另一端连接控制芯片，其另一端还连接稳压电路。

5.根据权利要求1所述的一种无源系统的能量动态控制装置，其特征在于：还包括温度控制电路，所述温度控制电路连接微控制器。

6.根据权利要求1或者5所述的一种无源系统的能量动态控制装置，其特征在于：所述微控制器还连接数字传感器。

7.根据权利要求2所述的一种无源系统的能量动态控制装置，其特征在于：所述能量存储控制电路还包括多个独立电容接口和用于隔离的MOS管，所述独立电容接口连接独立电容，相邻独立电容通过MOS管相连。

8.根据权利要求2或者7所述的一种无源系统的能量动态控制装置，其特征在于：所述稳压电路包括稳压芯片U1和通过跳线接口连接实现不同阻值的分压电阻，其9引脚连接分压电阻后连接输出。