蔣建東 吳松濤 喬 欣

(浙江工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院 杭州 310023)

(浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部重點實驗室 杭州 310023)

0 引言

履帶起重機在吊重物(未離地)時,其吊鉤往往無法與地面垂直,有一定的傾覆風(fēng)險,因此需要設(shè)計相應(yīng)的穩(wěn)鉤控制系統(tǒng)來監(jiān)測吊鉤擺動角度和方向以實現(xiàn)起重吊裝的穩(wěn)鉤。穩(wěn)鉤控制是為了吊裝和搬運后吊裝物的快速穩(wěn)定,保證安全和提高吊裝效率。穩(wěn)鉤控制系統(tǒng)需要獲取吊臂及重物的位置姿態(tài)信息,這些信息需要構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來獲取,其中,自供能無線傳感節(jié)點是構(gòu)成整個系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置。

環(huán)境中有太陽能、熱能和振動能等多種能源,其中振動能由于具有良好的功率密度和集成潛力而得到廣泛的關(guān)注[1-2]。為對環(huán)境中耗散的振動能收集以實現(xiàn)系統(tǒng)自供能,需要設(shè)計相應(yīng)的能量收集電路[3-4]。傳統(tǒng)的方法是由Ottman 等人[5]提出的標(biāo)準(zhǔn)能量收集電路(standard energy harvesting,SEH),該電路在電路設(shè)計方面比較簡單,但存在能量收集效率低下的問題。Guyomar 等人[6]在此基礎(chǔ)上,提出了基于非線性開關(guān)技術(shù)的電感同步開關(guān)(synchronized switch harvesting on inductor,SSHI)電路,通過電壓翻轉(zhuǎn)提高了能量收集效率。Lefeuvre 等人[7]也提出了一種電荷同步提取電路,該電路通過免除負(fù)載匹配過程提高了能量收集效率。上述文獻中非線性開關(guān)技術(shù)的引入明顯提升了能量收集效率,并促使國內(nèi)外學(xué)者對如何產(chǎn)生開關(guān)控制信號進行了大量的研究。Do 等人[8]提出一種使用4 個晶體管的整流器電路。Du 等人[9-10]提出一種使用1 個或多個電容來執(zhí)行剩余電荷反轉(zhuǎn)動作的無電感偏置翻轉(zhuǎn)整流器電路。Chen 等人[11]也提出一種通過可重構(gòu)電容陣列實現(xiàn)電壓整流的電容整流器電路。Zouari 等人[12]在SSHI 電路中引入了基于分?jǐn)?shù)開路的最大功率追蹤技術(shù)。此外,還有通過外部邏輯電路驅(qū)動的開關(guān)[13]、機械開關(guān)[14]和通過速度控制的開關(guān)[15]等多種實現(xiàn)形式。但上述文獻中開關(guān)技術(shù)的實現(xiàn)一方面需要引入額外的開關(guān)控制電路與外接電源,雖然提高了能量的收集效率,但帶來了更高的系統(tǒng)功耗。另一方面,其電路的實現(xiàn)更為復(fù)雜,需要通過互補金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)工藝生產(chǎn)加工,難以在實際工程中應(yīng)用。Lallart 和Guyomar[16]在并聯(lián)電感同步開關(guān)(parallel synchronized switch harvesting on inductor,P-SSHI)電路的基礎(chǔ)上,提出一種自供能并聯(lián)電感同步開關(guān)(self-powered parallel synchronized switch harvesting on inductor,SP-SSHI)電路,通過非線性元件實現(xiàn)開關(guān)的通斷控制。Liang 和Liao[17]進一步改進了SP-SSHI 電路,并討論在不同激勵水平下SPSSHI 與P-SSHI 電路之間的區(qū)別。但是,上述文獻只是近似地將系統(tǒng)中的開關(guān)延遲(switching delay,SD)認(rèn)定為一個恒定值,并沒有考慮到SD 對能量收集效率產(chǎn)生的影響。

針對上述問題,本文對電路中SD 進行理論模型研究與關(guān)鍵參數(shù)分析,在SP-SSHI 電路的基礎(chǔ)上,提出一種低延遲的改進型自供能并聯(lián)電感同步開關(guān)(improved self-powered parallel synchronized switch harvesting on inductor,ISP-SSHI)電路,并基于此設(shè)計了自供能無線傳感網(wǎng)路節(jié)點。通過理論分析與電路仿真,并搭建完整的實驗平臺,驗證了該系統(tǒng)的可行性。

1 壓電能量收集電路理論分析

為構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò),需要有共計15 個傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,分別對吊臂的運動參數(shù)、驅(qū)動機構(gòu)的動力參數(shù)等數(shù)據(jù)進行采集,并將數(shù)據(jù)匯集至駕駛室的中央節(jié)點進行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理,通過中央節(jié)點與裝備控制器進行數(shù)據(jù)交互,以實現(xiàn)履帶起重機的穩(wěn)鉤控制。圖1 顯示了履帶吊穩(wěn)鉤的實現(xiàn)過程。

圖1 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的履帶吊穩(wěn)鉤智能控制系統(tǒng)原理圖

1.1 壓電振子等效電學(xué)模型

壓電懸臂梁滿足如下表達式[18]:

式中,FP為壓電片的回復(fù)力,KPE為壓電懸臂梁的剛度,u是壓電片的位移,α為壓電片的壓電應(yīng)力因子,CP為壓電片的夾持電容,V是壓電片的輸出電壓,I是壓電片產(chǎn)生的輸出電流。在實際應(yīng)用中,通常將壓電懸臂梁等效為一個電流源iP與其夾持電容CP與內(nèi)部電阻RP的并聯(lián),RL為電路的負(fù)載。壓電振子電流源為iP(t)=IPsin(ωt),其中IP是電流幅值,ω是振動角頻率。

1.2 P-SSHI 電路分析

P-SSHI 電路通過在整流橋前并聯(lián)入一個電感L和一個開關(guān)S,開關(guān)和電感之間是串聯(lián)關(guān)系,以減少在半個周期內(nèi)的能量損失,增加整個電路的能量收集效率。

在實際中,因為電感中的等效串聯(lián)電阻的存在,在電壓翻轉(zhuǎn)這一動作后,電感中會損失一部分能量,損耗與振蕩電路的品質(zhì)因子Q有關(guān),具體如下式:

式中,Von和Voff分別是翻轉(zhuǎn)前后的電壓,Vref是參考電壓,Q為品質(zhì)因子。

根據(jù)整個電路的電荷守恒定律:

聯(lián)立式(1)、(3)、(4)、(5)得出輸出功率為

式中,UM為懸臂梁振動的位移幅值,ω為振動角頻率,VDC為RL兩端電壓,α為壓電片的壓電應(yīng)力因子。

上述P-SSHI 電路是工作在理論條件下的,在實際中,開關(guān)S不可能正好在位移的極值處閉合,兩者之間必定存在著一定的相位延遲,接下來分析實際情況下的P-SSHI 電路工作情況。

1.3 SP-SSHI 電路SD 分析與改進

SP-SSHI 電路通過包絡(luò)檢波器、比較器和同步開關(guān)3 部分實現(xiàn)開關(guān)S的工作。圖2 是此3 部分的局部圖。

圖2 SP-SSHI 電路局部圖

整個電路的延遲總體?也由3 部分組成。(1)壓電振子的電壓與位移之間的相位延遲σ;(2)包絡(luò)檢波器的相位延遲θ;(3)比較器的相位延遲β。下面分別分析這3 個相位。

對于壓電振子的電壓與位移之間的相位差,將內(nèi)部電容CP與電阻R1、二極管D1的等效電阻RD以及電容C1合并成為一個統(tǒng)一的阻抗Z,那么阻抗的模AZ為

式中R=R1+RD。

對于包絡(luò)檢波器的相位延遲,由于正、負(fù)兩個半周期的對稱性,只討論正周期的情況,負(fù)半周期同理。當(dāng)壓電振子電壓VP還未到極大值時,開關(guān)斷開,此時VP與滿足:

式中,A和θ分別是包絡(luò)檢波器的電壓幅值比和相位延遲。

對于比較器的相位延遲,此時VP達到極大值,顯然,有=VDC+2VD

為使比較器工作,需要滿足:

于是可得:

得出輸出功率為[20]

由式(14)可知,在?∈范圍內(nèi),當(dāng)且僅當(dāng)?=0 時,PSP-SSHI=PP-SSHI。SD 對整個電路的收集效率有著阻礙作用,且?越大,收獲的功率越小。結(jié)合上述式子,總結(jié)3 類延時對總延時的影響,即σ影響較小、β占主導(dǎo)地位和θ可以忽略不計。因此,為減小SD,減小β是最有效的方法。

2 具有低延遲ISP-SSHI 壓電能量收集電路的節(jié)點系統(tǒng)設(shè)計

2.1 低延遲ISP-SSHI 整流電路

基于上述分析,為減小β提出一種低延遲的ISP-SSHI 電路,其電路如圖3 所示。

圖3 ISP-SSHI 電路

通過在三極管Q1 的B極上端加入一個二極管D6,從而降低三極管Q1 的基極電壓,減小β后達到了減小SD 的目的。圖4 顯示SP-SSHI 與ISPSSHI 電路的SD 在時間常數(shù)τ=RC1的變化下的對比情況,由圖可知,ISP-SSHI 整體曲線都在SP-SSHI曲線之下。

圖4 兩電路SD 對比圖

為更清晰地描述低延遲ISP-SSHI 電路的工作原理,圖5 給出在等效電流源iP(t)作用下,其正半周期的電路工作狀態(tài),負(fù)半周期同理。

在自然充電階段,電路由零狀態(tài)開始工作,電路中的電流流向如圖5(a)所示。在這一階段,電流源經(jīng)過R1 和二極管D5 向電容C1 充電,整流橋中二極管D1、D4 導(dǎo)通向負(fù)載供電。

在電壓第1 次翻轉(zhuǎn)階段,此時壓電振子的輸出電壓由正向最大值下降至,三極管Q1 導(dǎo)通,從而帶動三極管Q2 導(dǎo)通,然后Cp通過D7、Q2 與電感L1 形成振蕩回路,電容C1 通過Q1、D10、Q2 放電,電路中的電流流向如圖5(b)所示。

在電壓第2 次翻轉(zhuǎn)階段,電路中的電流流向如圖5(c)所示。在這個階段,電感L開始趨向于放電,由于二極管的單向?qū)ㄐ砸约癚3 內(nèi)部存在的小寄生電容,L通過Q3、D8 開始放電。

在電荷中和階段,電路中的電流流向如圖5(d)所示。此時三極管全部斷開,但電容C2 中有殘余電荷,因此通過D12、R2 開始放電。

圖5 正半周期電路工作狀態(tài)

為驗證改進后的ISP-SSHI 電路與原SP-SSHI電路之間的區(qū)別,現(xiàn)通過仿真軟件對SP-SSHI 與ISP-SSHI 電路進行仿真測試。仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 仿真中主要器件的型號及參數(shù)

測試結(jié)果如圖6 所示,兩者的波形大致相同,但ISP-SSHI 電路最終穩(wěn)定的輸出電壓在3.5701 V,相比于SP-SSHI 電路的3.3213 V,提升約7.5%。

圖6 兩種電路輸出電壓對比圖

2.2 無線傳感節(jié)點設(shè)計

基于上述低延遲ISP-SSHI 整流電路,設(shè)計應(yīng)用于穩(wěn)鉤控制系統(tǒng)的無線傳感節(jié)點系統(tǒng)。系統(tǒng)包括壓電能量采集器、整流電路、電壓變換電路、中央控制器、傳感器和無線收發(fā)器。

其中,壓電能量采集器使用L 型雙壓電晶片壓電懸臂梁式換能器以獲得更好的低寬頻響應(yīng)。L 型壓電懸臂梁式換能器結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 壓電懸臂梁式換能器結(jié)構(gòu)圖與實物圖

電壓變換電路用于將壓電振子產(chǎn)生的能量穩(wěn)定至芯片工作電壓,通過比較后選擇ADI 公司的LTC 3331超低電壓降壓-升壓型DC/DC 轉(zhuǎn)換器。該芯片集成一個高電壓能量收集電源和一個由可再充電電池供電的降壓-升壓型DC/DC 轉(zhuǎn)換器,內(nèi)部帶有一個10 mA 的分流器允許向電池進行簡單的充電,并針對多輸入系統(tǒng)提供電源路徑管理功能,最終輸出3.3 V 電壓以供系統(tǒng)工作。同時,為應(yīng)對弱振動下的產(chǎn)能不足,芯片外接一個鋰電池充當(dāng)后備能源。其電路圖如圖8 所示。

圖8 電壓變化電路圖

為驗證系統(tǒng)的可行性,通過仿真軟件對該芯片電路進行仿真測試。為加快仿真速度,將Ip電流加大10 倍,芯片VOUT 輸出電壓如圖9 所示,顯示輸出電壓在23 ms 與30 ms 時有一段平臺期,在31 ms后穩(wěn)定在3.3 V 左右,能夠滿足系統(tǒng)的工作電壓要求。同時為測試系統(tǒng)在帶負(fù)載時的輸出,在VOUT后接入一個10 kΩ負(fù)載電阻,以此測量其輸出功率的大小。結(jié)果顯示,功率與電壓波形類似,在電壓的平臺期,輸出功率有略微的下降,在31 ms 后,峰值功率維持在11 mW左右,但這是電流源放大后的輸出功率。

圖9 輸出電壓和功率波形圖

節(jié)點的中央控制器選取MSP 430 F169,該芯片具有極低的功耗,1.1 μA 的待機電流十分適合用于此類低功耗的傳感系統(tǒng)使用。無線收發(fā)器選用工作在2.4 GHz 頻段的nRF24L01 器件,通過SPI 接口與MSP 430 進行通訊。傳感器選擇ADXL 345 超低功耗3 軸加速度計,通過IIC 接口與MSP 430 進行通訊。整個系統(tǒng)由MSP 430 統(tǒng)一控制休眠與工作狀態(tài)。

3 實驗測試

根據(jù)上述系統(tǒng)需求,設(shè)計相應(yīng)的無線傳感節(jié)點系統(tǒng),并搭建實驗平臺以驗證功能與性能的實驗測試,實驗平臺如圖10 所示。

圖10 無線傳感節(jié)點系統(tǒng)實驗平臺

本實驗選取的壓電懸臂梁,其壓電片材質(zhì)為壓電陶瓷片,型號為PZT-5A,壓電陶瓷尺寸(長、寬、厚)為60 mm×15 mm×0.3 mm,基片尺寸為70 mm×17 mm×0.3 mm,L 型外延基片為45 mm ×15 mm×0.3 mm。實驗中由SA-SG 030 型掃頻信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦激勵信號,經(jīng)由SA-JZ 002 電磁式激振器產(chǎn)生振動以帶動壓電懸臂梁。本文電路均采用分立元件實現(xiàn),具體的元器件選型與參數(shù)如表2 所示。

表2 電路中主要器件的型號及參數(shù)

為驗證本文所提出的ISP-SSHI 電路的優(yōu)勢,特進行對比實驗,將SEH 電路和SP-SSHI 電路、ISPSSHI 電路在相同的實驗條件下進行輸出電壓的測量。上述電路的輸出電壓都與負(fù)載電阻有關(guān),因此,選取不同的電阻阻值,分別進行輸出電壓的測量,得到圖11。

由圖11 可知,隨著負(fù)載阻值的增大,電路的輸出電壓都隨之增大,其中,本文所提出的ISP-SSHI電路能夠輸出最高的電壓。又根據(jù)電壓與功率的關(guān)系及圖11,得到圖12。

圖11 負(fù)載電阻和輸出電壓之間的關(guān)系

圖12 負(fù)載電阻和輸出功率之間的關(guān)系

由圖12 可知,SEH 電路在負(fù)載電阻為150 kΩ時輸出功率最大,為88.4 μW;SP-SSHI 電路次之,在負(fù)載為120 kΩ 時輸出169.7 μW 的功率;本文所提ISP-SSHI 電路輸出的功率最大,在負(fù)載為120 kΩ時輸出功率為196.1 μW。相比于SEH 電路,ISP-SSHI電路輸出功率提高121.8%,對比SP-SSHI 電路,輸出功率提高15.5%。

為進一步驗證設(shè)計的能量采集電路能否滿足傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的工作需求,還需對系統(tǒng)的工作功耗進一步分析。

無線傳感節(jié)點的工作步驟分為3 個過程,即休眠階段、數(shù)據(jù)采集階段和數(shù)據(jù)發(fā)送階段。其中,休眠階段保持中央處理器、傳感器、無線收發(fā)器的休眠狀態(tài),確保系統(tǒng)的低消耗,并采用定時喚醒機制,休眠一段時間后喚醒MCU,并進入數(shù)據(jù)采集階段。此時,MCU 喚醒加速度傳感器,使加速度傳感器正常工作,設(shè)置ADXL 345 的輸出速率為1600 Hz,輸出1600 個周期后,關(guān)閉傳感器,開啟無線收發(fā)器,進入數(shù)據(jù)發(fā)送階段。此時將采集到的數(shù)據(jù)進行發(fā)送,發(fā)送速率為1 Mbps,發(fā)送時間持續(xù)約40 ms,然后重新進入休眠階段。每個步驟的功耗如表3 所示。

表3 各階段系統(tǒng)功耗

通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)的休眠時間,可以調(diào)整系統(tǒng)的平均功耗,使其跟收集的壓電能量進行匹配,通過表3中的數(shù)據(jù),可用下式計算出系統(tǒng)的平均功耗。

式中,P是平均功耗,Ts是系統(tǒng)的休眠時間。壓電懸臂的最大輸出功率為196.1 μW。因此,為滿足傳感器的功耗,在不使用備用電池時,Ts最少應(yīng)大于11.64 s?？紤]到能源效率,最佳睡眠時間應(yīng)不少于20 s。

4 結(jié)論

本文提出一種基于低延遲ISP-SSHI 的高效能量收集電路,開發(fā)并設(shè)計了適用于工程機械裝備的自供能無線傳感節(jié)點,建立了壓電振子的電學(xué)等效模型與SP-SSHI 電路的理論模型,并通過仿真分析和實驗對比得到如下結(jié)論。

(1)SP-SSHI 電路中SD 的存在導(dǎo)致了能量收集效率的降低。

(2)SP-SSHI 電路中的SD 由σ、θ、β組成,其中β占有主導(dǎo)地位。為減小β可以通過降低三極管的基極-發(fā)射極閾值電壓實現(xiàn),并以此提出ISP-SSHI電路,仿真結(jié)果顯示相比于原SP-SSHI 電路輸出電壓提升約7.5%。

(3)進行了SEH、SP-SSHI、ISP-SSHI 電路之間的對比實驗,測量其輸出電壓的大小并進行功率計算。實驗結(jié)果表明,所提電路輸出功率為196.1 μW,比SP-SSHI 電路提升15.5%,比SEH 電路提升121.8%。