关键词:
振动能量
热能量
能量转换器
能量采集管理
微电源
摘要:
采用无线传感网络(Wireless Sensor Networks,WSN)实时监测机械制造装备状态是保证加工质量的必要举措,但是随着WSN节点数量的增加,传统的市电供电会带来线缆安装不变等问题,电池供电会带来频繁更换电池等问题,因此采集机械加工过程中的环境能量并将其转化为电能为WSN节点供电受到广泛的关注。本文设计了一款采集铣削加工过程中振动能和热能的微电源,将采集到的振动能、热能转化为3.3V直流电能,实现WSN节点的自供电。具体研究内容包括以下几方面:
(1)测量铣削过程中工件上的振动能量分布情况,仿真分析单晶压电悬臂梁谐振频率的变化规律,在此基础上设计制作了一种宽频振动能量转换器,拓宽采集频带,实现振动能量-电能的转化。测量分析铣削过程中工件上的热能量分布情况,分析温差发电技术,基于热电发电片(Thermoelectric generator,TEG)设计制作热电能量转换器,实现热能量-电能的转化。
(2)针对压电陶瓷输出电能功率低的问题,本文将自供能电子开关与并联电感同步开关电路结合,提出一种振动能量采集电路,并通过Multisim进行仿真验证,仿真结果表明该电路可将压电陶瓷输出的电能转换为稳定2.5V直流电能。针对TEG的最大功率点受负载及温差变化影响较大的问题,设计了最大功率点追踪算法(Maximum Power Point Tracking,MPPT)和MPPT电路,并在Matlab/Simulink平台上对所设计的MPPT算法和MPPT电路进行仿真验证,仿真结果表明MPPT算法和MPPT电路可实时追踪TEG的MPP点,提高热电能量转换器的输出功率,同时可以将热电能量转换器输出的电能升压到2.0V。
(3)针对能量采集电路输出的电能无法直接向WSN节点供电的问题,本文设计了一种能量管理电路,包括阈值检测电路、次级升压电路,对能量采集电路输出的电能实现周期性积累、释放升压到3.3V,实现WSN节点的自供电。针对MPPT电路的驱动需求及MPPT算法的运算需求,完成微控制器选型及控制电路的设计。针对采集到的振动能量、热能量无法向WSN节点供电的情形,设计了一种备用电源供电电路,为WSN节点提供3.3V直流电能。
(4)搭建实验系统进行实验,验证微电源的有效性,实验结果证明微电源可以对铣削加工过程中工件上的振动能量、热能量进行采集、管理,实现为WSN节点间歇式提供3.3V的直流电能;且当采集到的振动能量、热能量不满足WSN节点供电需求时,备用电源供电电路可为WSN节点提供3.3V直流电能,保证WSN节点的正常持续工作。