应用于无线传感网络的压电环境能量采集自供电系统研究

发布时间：2020-10-10 04:49

　　 随着无线传感网络的迅速发展,超低功耗的智能传感器数量急剧增加,要求传感节点的供电系统具有自供电、免维护、低成本、小巧轻便的特点。能够采集周围微弱环境能量并将其有效地转换为电能的自供电系统,未来将取代电池,成为无线传感节点的最重要供电方式之一。由于压电材料可将机械能转换为电能,且具有体积小和能量密度大的特点,压电能量采集器被广泛应用于各种环境能量采集系统中。本文致力于面向无线传感网络应用的压电能量采集自供电系统的研究与实现,重点研究针对激励频度低且不规则的周围环境压电能量的高效采集和转换技术,主要研究工作和创新点如下。1、主要研究工作(1)非连续随机压电能量采集技术针对非连续随机压电能量的特点,提出并设计了具有休眠模式的低功耗压电能量采集电路,以提高采集效率。为了提高车辆通过道路减速带时的压电能量转换效率,提出了一种基于悬臂梁的冲击式压电能量采集器结构。基于以上研究成果,设计实现了应用于道路减速带的车辆压电能量采集自供电系统。实验原型系统的测试结果表明,当一辆车辆以5~20公里/小时的车速通过减速带时,采集器的平均输出电能是30.0 mJ,采集电路的平均采集效率约为74.0%,可以为温度传感器提供37分钟的稳定供电电压。(2)连续冲击压电能量采集技术针对连续冲击压电能量的特点,在采集电路的设计中,提出了一种由电阻和电容等无源器件组成的快速自启动电路,以实现采集电路的自供电和冷启动。提出了分段式动态阻抗匹配技术,以提高采集效率。基于以上研究成果,设计实现了微风冲击压电能量采集自供电系统,考虑到风速大小的不同,分别设计了应用于风速较快和较慢区域的采用固定阻抗匹配和分段式动态阻抗匹配技术的采集电路。实验结果表明,在风速为2.0m/s时,采用分段式动态阻抗匹配技术的微风冲击压电能量采集系统的整体效率为4.6%,在风速大于1.5m/s时,本系统可为商用温度传感节点提供持续稳定的供电电源。(3)数字控制高频DC-DC开关变换器研究与设计电源管理电路的功能是将压电能量采集电路的输出转换和调节为无线传感节点所要求的稳定供电电压,要求电源管理电路具有数字可编程控制、系统瞬态响应速度快以及小巧轻便的特点。为此,本文研究和设计实现了数字控制高频DC-DC开关变换器。针对数字控制DC-DC开关变换器在高频应用时数字控制器的设计难点,提出了基于δ算子的数字控制器设计方法。为了提高数字控制DC-DC开关变换器的瞬态响应速度,提出了基于邻周期采样(ACS:Adjacent Cycle Sampling)策略的数字V~2控制算法。基于上述理论研究成果,设计实现了开关频率为2MHz的Buck型DC-DC开关变换器系统,在数字双环控制器的设计中,外环采用基于δ算子的D-PID控制算法,内环采用基于邻周期采样策略的数字V~2控制算法。实测结果表明,当发生30%的负载扰动时,DC-DC开关变换器的超调量为75 mV,恢复时间为3μs。2、主要创新点(1)提出了一种具有休眠模式的低功耗压电能量采集电路。考虑到非连续随机压电能量的特征,提出了具有休眠模式的低功耗压电能量采集电路,当压电能量采集器产生电能时,采集电路与压电能量采集器的阻抗相匹配,以实现最大能量的采集和传输,而当没有电能产生时,采集电路进入休眠模式,以节约电能。与无休眠模式相比,有休眠模式时压电能量采集电路的效率提高了18.6%。(2)提出了一种快速自启动电路。为了实现能量采集电路的自供电和冷启动,提出了一种由电阻和电容等无源器件组成的快速自启动电路。该启动电路能够获取输入端的电能为整体采集电路提供供电电源,因此无需外部供电,即使储能设备的电能被完全耗尽,当有外部输入能量时也能迅速启动。(3)针对冲击压电能量采集器,提出了分段式动态阻抗匹配技术。针对激励频度较低的冲击压电能量采集器,提出了分段式动态阻抗匹配技术,以提高能量采集效率。该技术首先检测压电能量采集器的冲击周期和振动周期,然后通过改变采集电路的输入阻抗,使其分别与压电能量采集器在冲击周期和振动周期的输出阻抗相匹配,以实现最大能量的采集和传输,尤其在外界输入能量较低的情况下(例如风速较慢的微风能量),可有效地提高能量采集效率。与采用固定阻抗匹配技术相比,采用分段式动态阻抗匹配技术时,能量采集电路的效率最大可提高9.8%。(4)针对数字控制高频DC-DC开关变换器,提出了基于δ算子的数字控制器设计方法。对于数字控制高频DC-DC开关变换器,利用位移算子(z~(-1))设计数字控制器时,存在离散系统与连续系统的拟合精度低、系统稳定性差以及有限字长的影响大等问题。为此,本文提出了基于δ算子的数字控制器设计方法,采用δ算子设计实现的数字控制器,具有系统稳定性好、控制精度高以及对有限字长不敏感的优点。(5)针对数字控制高频DC-DC开关变换器,提出了基于邻周期采样策略的数字V~2双环控制算法。在数字V~2双环控制算法中,数字控制器的内环基于输出电压的纹波控制,外环基于输出电压误差的D-PID控制。与现有的电压/电流双环控制算法相比,数字V~2双环控制算法具有系统瞬态响应速度快和无需采集电感电流的优点。仿真结果表明,与数字电压/电流双环控制算法相比,当发生3倍的负载扰动时,数字V~2双环控制算法的系统恢复时间加快了3倍。基于提出的压电能量采集技术,针对采集道路减速带上的机械能和自然界的微风环境能量,本文设计实现了专用的压电能量采集自供电系统以及电源管理系统,可为无线传感网络提供稳定的自供电电源。本文的研究成果对研发微弱环境压电能量采集自供电系统以及数字控制电源管理系统具有重要的理论意义和实用价值。
【学位单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP212.9;TN929.5
【部分图文】：

供有效的数据支撑。另外，宇宙射线的监测数据也可用于雾霾监预报等。图 1-3 所示为用于宇宙射线以及大气物理参数监测的无线用宇宙射线检测大气层温度分布的精度，需要在全球范围内的不传感节点[13]。

图 1-3 用于宇宙射线以及大气物理参数监测的无线传感网络（2）野生动物监测和跟踪为了对野生动物（例如北极的企鹅和大草原的狮子等）的行为和生活环境进行研究，

WSN 可用于野生动物的活动和生态环境监测。如图 1-4 所示，野生随身携带的无线传感节点（粉色圈中标出了无线传感节点位置），可以感知野生动生理数据（例如脉搏、血压、体温等）、所处的地理位置（GPS 定位信息）和外部环境数据，然后通过 WSN 进行远程数据采集和处理，以供生物学家研究分析使用

本文编号：2834750