CN113162473B - 基于可调电感的谐振式压电换能模块自适应调谐系统 - Google Patents

Abstract

一种基于可调电感的谐振式压电换能模块自适应调谐捕获系统，包括外力激励模块、等效压电换能器、电流控制型可调电感、电流传感器、转换器、控制器和负载回路。等效压电换能器利用压电换能等效的机电方程表示，可调电感则基于磁放大器原理，控制模块通过检测输入与输出信号的频率差改变输入磁放大器的输出电流从而调整可调电感值进行电路调谐。

Description

基于可调电感的谐振式压电换能模块自适应调谐系统

技术领域

本发明涉及一种谐振式压电换能器自适应调谐系统。

背景技术

振动能量收集技术将机械能量转换为电能，可用于低功率器件或者无线传感网络的持续供电，从而实现设备的自供能运行。振动能量收集系统将会大大降低系统维护成本，甚至可以永久放置在不易进行维护的地点。压电材料通常依附于梁结构进行机械能量转换，该结构电路简单，作为机电转换器件具有潜在价值。

压电换能结构在其固有频率处转换效率最高，因此针对环境中不同激振频率，通过调整压电换能器的固有频率进行调谐。目前对于调谐的方法主要局限于对拓扑的改进，通过调节等效刚度或者等效质量，常用的方法是磁力调谐和应力调谐等方法。磁力调谐是借助磁铁引入磁性力，磁铁的摆放位置、数量和极性等参数是改变等效刚度的重要参量；应力调谐是通过改变压电悬臂梁轴向应力来改变其等效刚度的调谐方法，其中利用弹簧调节应力是目前采用的主要方法。但以上调谐方法需要复杂的辅助结构，且需要人工调节，因此使用机电一体化技术实现跟踪激励频率变化，自动调节谐振频率，将会大大改善捕获系统的捕获效率。

发明内容

为提高复杂环境下压电捕获效率，本发明提出一种基于可调电感的谐振式压电换能器自适应调谐系统。

本发明基于可调电感的谐振式压电换能模块自适应调谐系统，包括简谐外力激励模块、等效压电换能器、电流控制型可调电感、电流传感器、转换器、控制器和负载回路。所述的简谐外力激励模块的一个输出端连接等效压电换能器的输入端，向等效压电换能器输出简谐机械外力。所述的等效压电换能器捕获振动机械能，将振动机械能转换为电能，等效压电换能器的输入为简谐机械振动信号，输出为电压信号。利用涡激振动装置捕获环境中的风能或者水能，并将其转换为可以为压电换能器提供外力激励的振动机械能，也称之为简谐机械振动。等效压电换能器相当于电压源，为负载回路供电。等效压电换能器的输出端连接电流控制型可调电感的一个输入端，电流控制型可调电感的另一个输入端和控制器的输出端连接，电流控制型可调电感的输出端连接电流传感器的输入端。电流传感器有两个输出端，一个输出端连接负载电路，另一个输出端连接第二转换器。两个转换器中，第一转换器的输入端连接简谐外力激励模块的输出端，第一转换器的输出端连接控制器的输入端，第二转换器的输入端连接电流传感器，第二转换器的输出端连接控制器的输入端。

第一转换器提取简谐外力激励模块输出的简谐外力信号，第二转换器提取负载回路中的电流信号，并将这两个信号频率做差，将此差值输入控制器中。控制器检测到这两个信号的频率差，以此频率差值控制可调电感输入电流的大小，对负载回路调谐。

所述的简谐外力激励模块为等效压电换能器提供简谐外力。简谐外力激励模块包括信号发生器、功率放大器和激振器；信号发生器的输出端连接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端连接激振器的输入端，激振器的输出端连接等效压电换能器的输入端。信号发生器输出简谐波形，经功率放大器放大后，输入激振器，激振器输出激振力，为等效压电换能器提供简谐机械外力，此简谐机械外力经等效压电换能器转换为电压信号输出。

本发明采用新型磁放大器作为电流控制型可调电感，通过调节磁放大器的受控电流改变可调电感的电感值。

由简谐外力激励模块中的激振器产生的激振力模拟简谐机械外力，使压电换能器中的压电悬臂梁振动，所述的等效压电换能器将压电悬臂梁振动转换为电压。与振动压电换能器等效的机电方程集成到等效压电换能器中，等效压电换能器的输入为简谐机械振动信号，输出为电压。

所述的机电方程包含式(1)和式(2)：

其中，m为压电换能器总质量，C为振动阻尼，K为结构刚度，F为外界激励力，Θ为压电悬臂梁的机电耦合系数，V为输出电压，y为振动位移，位移的一阶导数

表示振动速度，位移的二阶导数

表示振动加速度。

其中，C_P为压电换能器的电容值，Z为负载阻抗值。

方程(1)为机械方程，即二阶非线性振动微分方程，方程(2)是基于基尔霍夫定律，将压电换能器等效为电压源的电路方程。两个方程通过机电系数、振动速度和输出电压耦合在一起。通过对以上两个方程的求解，得到方程(2)中的输出电压V，并作为电压源向负载回路供电。

所述的电流控制型可调电感基于新型磁放大器的原理。磁放大器有两个铁心，每个铁心上绕有直流绕组和交流绕组，两个铁心的直流绕组匝数相同，两个交流绕组的匝数也相同。两个交流绕组反接串联后连接至交流电源。两个铁心的交流磁通方向相同，直流磁通方向相反，两个直流绕组反接串联的目的是为了抵消两个铁心中的交流磁通在直流绕组上感应电压产生的交变电动势。当直流绕组中输入的直流控制电流为零时，两个铁心均无直流励磁，两个交流绕组的电感最大，电抗最大，此时交流负载电流最小。当两个铁心输入为直流电流时，铁心中的直流磁通增加，磁通密度相应增加，两个交流绕组的电感减小，输出交流负载电流增大。磁放大器的电感值随着电流的增加呈现非线性减小趋势。

所述的控制器接收到从转换器输入的交流电流与简谐外力的频率差之后，通过与控制器中设定的频率差阈值比较，根据频率差与阈值的差值控制输入至可调电感中电流的大小。随着随着频率差逐渐减小，负载回路逐渐接近完全谐振，此时控制器输出到可调电感中的电流稳定到同一个值上，使得可调电感的电感值稳定。

所述的转换器包括模数转换器、数模转换器、加法器和快速傅里叶变化(FFT)模块。电流传感器的输出端连接第二转换器的模数转换器的输入端，该模数转换器的输出端连接快速傅里叶变化模块的输入端，快速傅里叶变化模块的输出端连接加法器的同向端，该加法器的输出端连接到控制器；简谐外力激励模块的其中一个输出端连接第一转换器的模数转换器的输入端，该模数转换器的输出端连接快速傅里叶变化模块，快速傅里叶变化模块的输出端连接加法器的反向端；加法器的输出端连接到控制器。第一转换器提取简谐外力激励模块输出的简谐外力信号，第二转换器提取电流传感器采集到的电流信号的频率，并将简谐外力信号的频率和电流信号的频率做差，输入控制器中。模数转换器的作用是将模拟信号转换为数字信号，将等效压电换能器输出的数字电压信号转换为负载回路可以利用的物理电压。控制器的输入和输出均为数字信号，控制器输出的电流信号通过数-模转换器将电流信号转换为模拟电流信号，输入电流控制型可调电感中。加法器将电流传感器采集到的交流电流频率与简谐外力频率做差，并输入到控制器中。

所述的负载回路由电感器、电阻器和电容器串联组成。由于电流传感器串联在电路中采集电流信号，因此电感器的一端连接电流传感器的输出端，电感器的另一端连接电容器的一端，电容器的另一端与电阻器相连接，电阻器的另一端接地。

附图说明

图1本发明可调电感谐振式压电换能器自适应调谐系统结构框图；

图2等效压电器原理图；

图3闭环控制系统框图。

图中，1控制器，2简谐外力激励模块，3等效压电换能器，4电流控制型可调电感，5电流传感器，6负载回路，7第一转换器，8第二转换器。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明基于可调电感的谐振式压电换能模块自适应调谐系统，包括简谐外力激励模块2、等效压电换能器3、电流控制型可调电感4、电流传感器5、第一转换器7、第二转换器8、控制器1和负载回路6。

等效压电换能器3能够等效为机械方程和电路方程的耦合方程，等效压电换能器3的输入端与简谐外力激励模块2的输出端连接，等效压电换能器3的输出端与电流控制型可调电感4的输入端连接。等效压电换能器3的输入为简谐机械振动信号，输出为电压信号。等效压电换能器3相当于电压源，为负载回路6供电。电流控制型可调电感4的一个输入端和控制器1连接，另一个输入端和等效压电换能器3连接，电流控制型可调电感4的输出端连接电流传感器5的输入端。电流传感器5有两个输出端，其中一个输出端连接负载电路6，另一个输出端连接第二转换器8。第一转换器7的输入端连接简谐外力激励模块2的输出端、第二转换器8的输入端连接电流传感器5，两个转换器7、8的输出端均和控制器1的输入端连接。第一转换器7提取简谐外力激励模块2输出的简谐机械外力，第二转换器8提取负载回路6中的电流信号，并将这两个信号的频率差输入控制器1。控制器1检测到所述两个信号的频率差，以此频率差值控制可调电感5输入电流的大小，控制可调电感值，对负载回路6调谐。

所述的简谐外力激励模块2为等效压电换能器3提供简谐外力。可以由激振器产生的激振力模拟简谐机械外力，使等效压电换能器3中的压电悬臂梁振动。简谐外力激励模块2中，信号发生器的输出端连接功率放大器的输入端，功率放大器的输出端连接激振器的输入端，激振器输出的简谐机械外力由等效压电换能器3感知，同时，第一转换器7的输入端与简谐外力激励模块2功率放大器的输出端连接。所述的简谐外力激励模块2也可以利用涡激振动装置捕获环境中的风能或者水能提供，并将其转换为可以为压电换能器提供外力激励的振动机械能。

所述的等效压电换能器3通过机电转换系数、振动速度和输出电压将机械振动方程与电路方程耦合。将机械振动能量转换为电能，等效压电换能器3的输入为简谐外力，输出为压电换能器输出的电压。为简化该模型，将简谐外力激励模块输入的激励简化为正弦函数，搭建的方程如图2所示。机电方程包含式(1)和式(2)两个方程。

其中方程(1)为机械方程，其中m为压电换能器总质量，C为振动阻尼，K为结构刚度，F为外界简谐激励力，Θ为压电悬臂梁的机电耦合系数，V为输出电压，y为振动位移，位移的一阶导数

表示振动速度，位移的二阶导数

表示振动加速度。

在Simulink中利用两个积分器实现振动位移的二阶微分形式。质量与振动位移二阶微分的乘积、阻尼与振动位移一阶微分的乘积、刚度与位移的乘积三者之和等于等效外力，等效外力为外加激振力与压电换能器阻力之差。

方程(2)为电路方程，其中C_P为压电换能器的电容值，Z为负载阻抗值。根据基尔霍夫电路原理，压电换能器电容与产生电压一阶微分的乘积、电压与负载阻抗倒数的乘积、机电耦合系数与位移一阶微分的乘积三者之和为零。

如图3所示，稳定状态下，外力输入为简谐力时，等效压电换能器3输出的电信号为简谐电压信号。由于等效压电换能器3利用数学方程写成，因此电压信号的输出的数学方程，通过数模转换器将数学信号转换为电路中的模拟信号。

如图3所示，所述的第一转换器7、第二转换器8均由模数转换器、数模转换器、加法器和快速傅里叶变化(FFT)模块组成。电流传感器5的一个输出端连接第二转换器8的模数转换器，该模数转换器的输出端连接快速傅里叶变化模块的输入端，傅里叶变化模块的输入端连接加法器的同向输入端，经快速傅里叶变化模块做快速傅里叶变换，提取负载回路的交流电流的频率。

如图3所示，所述的负载回路由电感器、电阻器和电容器串联组成。等效压电换能器3相当于电压源，将电压输送到电流控制型可调电感的输入端，电流控制型可调电感的输出端连接电流传感器的输出端。由于电流传感器串联在电路中采集电流信号，因此电流控制型可调电感器的一端连接电流传感器的输出端，另一端连接电容器，电容器的另一端与电阻器相连接；电阻器的另一端接地。

所述的第一转换器7和第二转换器8中，快速傅里叶变换模块提取简谐外力信号的频率和输出电流信号的频率，通过加法器得到两种信号的频率差，与控制器中设定的阈值比较，根据该频率差和阈值比较的差值，调整控制器中调节参数步长的大小，控制输入电流型可调电感电流的增减方向以及大小，从而控制输入至其磁放大器中电流的大小。随着频率差逐渐减小，该等效压电换能器渐接近完全谐振，得到最大的输出效率和功率。

Claims (2)

1.一种基于可调电感的谐振式压电换能模块自适应调谐系统，其特征在于：所述的自适应调谐系统包括简谐外力激励模块(2)、等效压电换能器(3)、电流控制型可调电感(4)、电流传感器(5)、第一转换器(7)、第二转换器(8)、控制器(1)和负载回路(6)；等效压电换能器(3)的输入端与简谐外力激励模块(2)的输出端连接，等效压电换能器(3)的输出端与电流控制型可调电感(4)的输入端连接；等效压电换能器(3)的输入为简谐机械振动信号，输出为电压信号；电流控制型可调电感(4)的一个输入端和控制器(1)连接，输出端连接电流传感器(5)；电流传感器(5)的一个输出端连接负载回路(6)，另一个输出端连接第二转换器(8)；第一转换器(7)的输入端连接简谐外力激励模块(2)的输出端、第二转换器(8)的输入端连接电流传感器(5)，两个转换器(7、8)的输出端均和控制器(1)的输入端连接；第一转换器(7)提取外力激励模块(2)输出的简谐外力信号，第二转换器(8)提取负载回路(6)中的电流信号，并将这两个信号的频率差输入控制器(1)，控制器(1)检测到所述两个信号的频率差，以此频率差值控制可调电感(4 )输入电流的大小，控制输入电流型可调电感值，对负载回路(6)调谐。

2.如权利要求1所述的基于可调电感的谐振式压电换能模块自适应调谐系统，其特征在于：所述的第一转换器(7)、第二转换器(8)均由模数转换器、数模转换器、加法器和快速傅里叶变化(FFT)模块组成；电流传感器(5)的一个输出端连接第二转换器(8)的模数转换器，该模数转换器的输出端连接快速傅里叶变化模块的输入端，傅里叶变化模块的输入端连接加法器的同向输入端，经快速傅里叶变化(FFT)模块做快速傅里叶变换，提取负载回路(6)的交流电流的频率；第一转换器(7)和第二转换器(8)中，快速傅里叶变换(FFT)模块提取简谐外力信号的频率和输出电流信号的频率，通过加法器得到两种信号的频率差，与控制器(1)中设定的阈值比较，根据该频率差和阈值比较的差值，调整控制器(1)中调节参数步长的大小，控制输入电流型可调电感(4)电流的增减方向以及大小，从而控制输入至电流控制型可调电感(4)磁放大器中电流的大小；随着频率差逐渐减小，所述压电换能器(3)渐接近完全谐振，得到最大的输出效率和功率。

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