曹增玲,張金婭,王 巖,曹自平

(1.南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003;2.中國人民解放軍73685部隊,江蘇 南京 210018)

人力發(fā)電裝置中負荷調(diào)節(jié)電路的設計與研究

曹增玲1,張金婭1,王 巖2,曹自平1

(1.南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003;2.中國人民解放軍73685部隊,江蘇 南京 210018)

伴隨著全球能源的不斷減少和新型便攜式電子設備的迅速發(fā)展，越來越多的研究者嘗試制作各種從環(huán)境中采集能量的裝置，尤其是一些便攜式的人體發(fā)電裝置。但這些裝置往往會給使用者帶來額外的運動負擔，這種不靈活性嚴重限制了人體發(fā)電裝置的市場發(fā)展。針對這種發(fā)電裝置的局限性，設計和制作了一個應用在人力發(fā)電裝置中的負荷調(diào)節(jié)電路。該設計是通過單片機采集外部信息后發(fā)出一組不同占空比的矩形脈沖來控制人力發(fā)電裝置負載電路的閉合狀態(tài)，進而調(diào)節(jié)發(fā)電裝置對使用者所產(chǎn)生的負荷。該調(diào)節(jié)電路可以根據(jù)發(fā)電裝置使用者不同的體力狀態(tài)來調(diào)整發(fā)電裝置所產(chǎn)生的負荷和發(fā)電量，以減輕使用者的負擔。在不同的條件下，對該發(fā)電裝置所產(chǎn)生的力矩進行了測試。實驗結(jié)果表明，該裝置可以調(diào)節(jié)發(fā)電裝置所產(chǎn)生負荷的大小。

能量采集;人力發(fā)電裝置;負荷調(diào)節(jié);力矩

1 概 述

隨著微電子技術(shù)、通信技術(shù)和新材料技術(shù)的飛速發(fā)展，人類開始使用由這些技術(shù)發(fā)展起來的各種微小型電子設備。通常這些電子設備使用一次或二次電池供電，但電池電量畢竟有限，這些設備在工作時，需要頻繁地更換電池或充電，從而使設備的應用存在諸多不便。由于人體自身就是一個能量攜帶者，由圖1可知，人體活動所表現(xiàn)的能量形式之一是機械能，并且這些機械能往往具有相對較高的能量密度[1]。于是，一些研究者開始嘗試從人體的各種生理活動和運動中采集能量，并把這些能量轉(zhuǎn)換為電能，從而為攜帶的各種電子設備供電[2]。

隨著人體能量采集技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，研究者們先后開發(fā)出了各種人力發(fā)電裝置，比如手搖發(fā)電器、發(fā)電跑步機、發(fā)電背包、發(fā)電鞋、拉線式發(fā)電器等[3]。需要指出的是，當人們利用這些人力發(fā)電裝置時，都會使人額外增加一定的負荷，從而消耗一定的體力[4]。考慮到這些發(fā)電裝置的使用者存在著體力差別，即便是同一使用者在不同的身體狀態(tài)下也存在體力差別[5]，因此若使用者希望人力發(fā)電裝置的使用負載能與自己的體力相匹配，則往往需要改變發(fā)電裝置對人體所產(chǎn)生的負荷[6]。

文中設計和制作了一種負荷調(diào)節(jié)電路，通過簡單調(diào)節(jié)電路上某一可變信號，便可以達到發(fā)電裝置的使用負載與其使用者的體力相匹配的效果[7]。

2 負荷調(diào)節(jié)電路的設計與制作

文獻[8]中所設計的關(guān)節(jié)發(fā)電裝置把小腿向下的擺動運動轉(zhuǎn)換成一個電磁式發(fā)電機中轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)運動，從而實現(xiàn)發(fā)電。雖然發(fā)電量可觀，但其體積較大且重量過重，無法滿足普通民眾的消費需求。而文中設計的負荷調(diào)節(jié)電路，可以賦予文獻[9]中的發(fā)電裝置以智能識別和判斷的功能，根據(jù)使用者的不同行走狀態(tài)和體力狀況來調(diào)整發(fā)電裝置的發(fā)電量及對人體產(chǎn)生的負荷，從而使得發(fā)電裝置使用舒適、輕便。

當發(fā)電裝置給能量存儲單元或用電設備等負載供電時，供電電流會在發(fā)電機線圈中產(chǎn)生感應磁場，成為阻礙發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的阻力，大大加重了裝置使用者本身所需的體力，從而可能影響人的正?；顒樱o使用者造成不便[10]。為了使裝置使用者能夠較為輕松地承受供電電流在發(fā)電機中所產(chǎn)生的阻力，可以適當斷開電路，減小發(fā)電電機的電流，從而減輕阻力，消除使用者的負擔[11]。負荷調(diào)節(jié)電路的電路框圖如圖2所示。

由圖2可知，該負荷調(diào)節(jié)電路是通過單片機來采集用戶選擇信息并通過微MOS管實現(xiàn)對供電電路的開關(guān)控制。該電路中設有5個檔位，在不同檔位下負載電路通斷的時間不同，電機的阻力不同，也就意味著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動所需的力矩大小不同。用戶可根據(jù)自身體力狀況通過檔位選擇鍵來選擇一個自適應模式，單片機通過一個IO口采集到用戶的選擇模式，然后向微MOS管發(fā)出對應占空比的脈沖，如圖3(a)、(b)所示，進而控制MOS管所連接負載電路的通斷。

圖2 負荷調(diào)節(jié)電路的電路框圖

圖3 不同占空比的矩形波

該負荷調(diào)節(jié)電路中只設置了5個檔位選擇鍵，可根據(jù)需要增加或減少檔位鍵的個數(shù)，使控制更加靈活。

3 測試裝置的設計與制作

由于發(fā)電裝置使用者的體力因人而異，攜帶發(fā)電裝置的舒適程度會大不相同，所以文獻[12]中的裝置結(jié)構(gòu)并不適合所有人。而影響使用者負荷的因素有三種，分別為電路負載大小、電機轉(zhuǎn)速以及該裝置中所設置的檔位。為了更好地檢測設計的性能，進行了多組控制變量的測試實驗。

為了更準確地描述該負荷調(diào)節(jié)電路的特性，從兩個方面進行測試：

電路的外部負載固定時，測試在不同的電機轉(zhuǎn)速下力矩大小與占空比的關(guān)系；

電機的轉(zhuǎn)速固定時，測試在不同的電路外部負載下力矩大小與占空比的關(guān)系。

由于人的行走速度不可精確控制，實驗中采用單片機程序控制一個步進電機勻速轉(zhuǎn)動來模擬人體行走時下肢的勻速擺動，由步進電機來帶動發(fā)電裝置中的高速三相電機。通過單片機控制步進電機以不同的速度勻速轉(zhuǎn)動，步進電機同軸帶動一個圓形轉(zhuǎn)盤，圓形轉(zhuǎn)盤上設有一個條形孔與發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸相連接，因此當步進電機勻速轉(zhuǎn)動時，發(fā)電電機也會勻速轉(zhuǎn)動，此時使用力矩測試儀便可測出當前速度下的力矩大小。測試裝置的整體實物圖如圖4所示。

圖4 測試裝置的整體結(jié)構(gòu)圖

4 負荷調(diào)節(jié)電路測試

針對不同負載、不同速度、不同檔位，文中對力矩大小進行了測試，并將測試數(shù)據(jù)整合成數(shù)據(jù)表進行比較分析。

4.1 不同轉(zhuǎn)速下的力矩變化

所用步進電機的步距角為1.8°，該次測試中設置了5種速度，即電機每轉(zhuǎn)1.8°的時間分別設為7.5 ms、6 ms、4.5 ms、3 ms及1 ms，經(jīng)過計算可知其對應的5種轉(zhuǎn)速分別為Speed1：0.67 r/s；Speed2：0.83 r/s；Speed3：1.11 r/s；Speed4：1.67 r/s；Speed5：5 r/s。

單片機通過輸出PWM波經(jīng)過微MOS管來控制負載電路的通斷時間，該測試中設置了5種檔位，分別對應5種占空比。其中，1檔PWM波的占空比為1/5,2檔PWM波的占空比為1/4,3檔PWM波的占空比為1/3,4檔PWM波的占空比為1/2,5檔PWM波的占空比為1。占空比為1時說明電路一直處于接通狀態(tài)。

測試中保持負載為10 Ω不變，取Speed3和Speed5兩種不同速度，分別繪制出力矩隨占空比的大小變化的折線圖，如圖5所示。其中，速度低為Speed3，速度高為Speed5。

圖5 不同速度下力矩隨占空比的變化圖

由圖5可知，當電路負載不變時，電路接通的時間越長、電機的轉(zhuǎn)速越大，所需的力矩越大。即當用戶使用發(fā)電裝置時，所選的檔位越大，活動越劇烈用戶的負荷越重，用戶活動起來越費力。

4.2 不同負載下的力矩變化

由于不同的負載會使得電路中的電流大小不同，從而電機的轉(zhuǎn)子阻力會發(fā)生變化[13]，導致發(fā)電裝置使用者的用力會有所不同。因此對負載電路中的負載大小對所需力矩的影響進行了測試。

測試中，在速度為Speed3的情況下，分別取10 Ω和100 Ω兩種不同的負載電阻，測試不同占空比下力矩的大小，并繪制出在兩種負載下力矩隨占空比的大小變化的折線圖，如圖6所示。

圖6 不同負載下力矩隨占空比的變化圖

由圖6可知，當速度不變時，電路接通的時間越長、負載電路的電阻越小，所需的力矩越大。即當用戶使用發(fā)電裝置時，所選的檔位越大、電路負載越小，使用者的負荷量就越大，活動越困難。

5 結(jié)束語

從實驗結(jié)果可以得出，當用戶使用上述發(fā)電裝置時，負載電路的電阻越小、運動程度越劇烈、所選的按鍵檔位越高，使用者的負荷量就越重。不論是在不同速度還是在不同負載下，檔位的變化都會明顯改變力矩的大小。所以，當用戶使用人力發(fā)電裝置時，如果感到負荷太重，除了可以減緩運動，還可以選擇較低的檔位，此時雖然會降低發(fā)電裝置的發(fā)電量，但也會明顯減輕使用者的負擔，使其更符合廣大用戶的需求。

基于以上結(jié)論，所設計的人力發(fā)電裝置中的負荷調(diào)節(jié)電路可以根據(jù)使用者體力情況靈活選擇穿戴模式，在高效發(fā)電的同時又能保證穿戴的舒適程度，更符合人體生理特性[14]。雖然如此，但該裝置仍有較大的改進空間，在體積重量上仍可以繼續(xù)朝著微型化發(fā)展。因此，負荷調(diào)節(jié)電路的設計還需要大量的研究和實驗。

[1] 陳仁文.新型環(huán)境能量采集技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2011.

[2] 許澤剛,謝少軍.人體動能收集的發(fā)電裝置研究[J].常州工學院學報,2007,20(4):12-17.

[3] 劉偉達.便攜式設備鋰電池充電技術(shù)研究[D].杭州：杭州電子科技大學,2013.

[4] 韓 磊.基于單兵人體發(fā)電裝置的研究[D].太原：中北大學,2015.

[5] 尹軍茂.穿戴式下肢外骨骼機構(gòu)分析與設計[D].北京:北京工業(yè)大學,2010.

[6] 劉紅俊,陳定方,陶孟侖,等.壓電式振動能量采集器的響應特性與實驗研究[J].機械設計與研究,2015,31(6):28-30.

[7] 馬新芳.便攜式設備電源管理研究[D].武漢:華中師范大學,2008.

[8] Xie L,Cai M.An in-shoe harvester with motion magnification for scavenging energy from human foot strike[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2015,20(6):1.

[9] Yun J,Patel S N,Reynolds M S,et al.Design and performance of an optimal inertial power harvester for human-powered devices[J].IEEE Transactions on Mobile Computing,2011,10(5)：669-683.

[10] Chen R,Ren L,Xia H,et al.Energy harvesting performance of a dandelion-like multidirectional piezoelectric vibration energy harvester[J].Sensors & Actuators A Physical,2015,230:1-8.

[11] Abdi H,Mohajer N,Nahavandi S.Human passive motions and a user-friendly energy harvesting system[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures,2013,25(8):923-936.

[12] Yang W,Chen J,Zhu G,et al.Harvesting energy from the natural vibration of human walking[J].Acs Nano,2013,7(12):11317-11324.

[13] Fafoutis X,Sorensen T,Madsen J.Energy harvesting-wireless sensor networks for indoors applications using IEEE 802.11[J].Procedia Computer Science,2014,32:991-996.

[14] Kim D G,Yun S N,Ham Y B.Energy harvesting strategy piezoelectric element driven by vibration method[J].Wireless Sensor Network,2014,2(2):100-107.

Design and Research of Load Regulation Circuit in Human Power Generation Device

CAO Zeng-ling1,ZHANG Jin-ya1,WANG Yan2,CAO Zi-ping1

(1.College of Telecommunications and Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China;2.Troop 73685 of PLA,Nanjing 210018,China)

With the decrease of global energy and the rapid development of a new type of portable electronic devices,there are more and more research about all kinds of devices to collect harvest energy from environment,especially the portable human power generation device.But these devices tend to bring extra movement burden to users and such inflexibility seriously limits its market development.Aiming at the limitation of the power generation device,a load regulation circuit used in a human power generation device is designed and made.The design controls the status of the load circuit by a group of different duty cycle rectangular pulse which is sent by SCM after acquiring the external information.The status will help power generation device to adjust user’s load.Different physical status of user will correspond to different loads and generating capacities of power generation device.In this way,users will feel more comfortable.An experiment which tests the torque generated by the power generating unit in different conditions proves the device’s ability of adjusting user’s load.

energy harvesting;human power generation device;adjusting load;torque

2016-04-01

2016-08-11

時間：2017-01-10

教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃(NCET-13-0871)；國家自然科學基金面上項目(61372044)；江蘇省高校自然科學研究重大項目(14KJA510002)

曹增玲(1990-),女，碩士，研究方向為能量采集和傳感技術(shù)；曹自平，博士生導師，研究方向為能量自維護的物聯(lián)網(wǎng)及綠色無線傳感網(wǎng)技術(shù)。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170110.1019.048.html

TP31

A

1673-629X(2017)03-0152-03

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.03.031