CN115833670B

CN115833670B - 用于电磁发电单元的能量采集装置及控制方法

Info

Publication number: CN115833670B
Application number: CN202310117778.XA
Authority: CN
Inventors: 崔娟; 郑永秋; 薛晨阳; 李鑫; 白善明
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2023-02-15
Filing date: 2023-02-15
Publication date: 2023-06-06
Anticipated expiration: 2043-02-15
Also published as: CN115833670A

Abstract

本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种用于电磁发电单元的能量采集装置及其控制方法。所述控制方法包括以下步骤：S1、根据实时电压值和实时电流值确定零值时刻，同时计算电流电压频率，将零值时刻作为PWM信号的相位零点控制短路开关闭合，根据电压电流频率，确定PWM信号的基准频率，生成PWM信号控制所述短路开关的通断；S2、对电压曲线和电流曲线分别进行微分运算，并根据微分运算结果确定当前周期内的最大功率点，根据最大功率点对应时间与当前零值时刻对应时间之差，调整所述PWM信号的实时频率。本发明可以大幅提升电磁发电单元的输出功率。

Description

用于电磁发电单元的能量采集装置及控制方法

技术领域

本发明属于电子电路技术领域，具体涉及一种用于电磁发电单元的能量采集装置及其控制方法。

背景技术

当前，物联网设备呈爆发式增长，涉及家庭医疗、智能穿戴设备、基础设施、公用事业、智能家居、汽车、移动等领域。由于物联网多呈分布式状态，物联网设备的持久续航成为了一项重要课题。

当前物联网各节点设备通常是由电池供电，续航时间有限且废旧电池会造成大量的环境污染，因此自供电成为了维持物联网设备续航的一种切实可行的方案。其中，电磁发电有体积可调节，应用场景适应性强，能量转换效率高等优势，使用悬浮线圈结构基于法拉第电磁感应发电成为实现振动能量采集的热门解决方案：安装在设备上的线圈在设备随外界环境的振动过程中作为一种有源电感，线圈内的磁通量发生变化，产生感应电动势，经过后端电路处理后可以存储在电池中或者直接使用。但是由于发电单元的线圈密度大，匝数多，感抗大，从而造成自身较大的阻抗，在线圈做往复运动切割磁感线的过程中，在线圈本身电感和自感的影响下，发电源的等效阻抗会相应地发生变化，但是当前使用的线圈发电单元绝大多数是在线圈后端直接连接整流及滤波电路，后端处理电路的阻抗不能随线圈阻抗变化自动调整，实现及时地、动态的阻抗匹配，导致发电单元的功率输出利用率很低，大部分能量消耗在了线圈发热上，既浪费了能量又带来了一定的安全问题。

因此，需要对现有的能量采集装置进行改进，以提高电磁发电单元的输出功率和能量利用效率。

发明内容

本发明克服现有技术中能量采集装置的功率输出利用率低的问题，所要解决的技术问题为：提供一种能量利用率高的用于电磁发电单元的能量采集装置及其控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种用于电磁发电单元的能量采集装置的控制方法，所述能量采集装置包括电压检测模块、电流检测模块、短路开关、整流滤波电路、电压转换电路；所述电压检测模块用于检测发电单元两个输出端之间的实时电压信号；所述电流检测模块的一端与发电单元一个输出端连接，另一端通过所述短路开关与发电单元的另一个输出端连接，用于检测发电单元输出的实时电流信号；所述发电单元的输出端通过整流滤波电路、电压转换电路后输出电压给负载供电；所述控制方法包括以下步骤：

S1.根据实时电压值和实时电流值确定零值时刻，同时计算电流频率和电压频率，将零值时刻作为PWM信号的相位零点控制短路开关闭合，根据电流频率和电压频率，确定PWM信号的基准频率，生成PWM信号控制所述短路开关的通断；

S2.对电压曲线和电流曲线分别进行微分运算，并根据微分运算结果确定当前周期内的最大功率点，根据最大功率点对应时刻与当前零值时刻的时间之差，调整PWM信号的实时频率。

所述步骤S1中，根据实时电压值和实时电流值判断零值时刻的方法为：

判断各个时刻的实时电流值和实时电压值是否均在对应的最大幅值的±5%范围内，若是，则判断该时刻为零值时刻。

所述步骤S1中，根据电压电流频率，确定PWM信号的频率的具体方法为：

分别计算电压频率和电流频率，将其频率均值或加权平均值作为PWM信号的频率。

所述步骤S2中，确定当前周期内的最大功率点的具体方法为：

对电压曲线和电流曲线分别进行微分运算，得到电流微分值dI和电压微分值dU；

根据电流微分值dI和电压微分值dU，计算预测电流值I’，计算公式为：

I’=I+U×dI/dU；

其中，I表示当前电流值，U表示当前电压值；

判断预测电流值I’的正负是否发生改变，若是，则判定为功率最大点。

所述步骤S2中，根据最大功率点对应时间与当前零值时刻对应时间之差t，调整PWM信号的实时频率为1/4t。

所述电压检测模块、电流检测模块的输出信号经AD转换模块转换后输出；所述控制方法还包括以下步骤：

根据电压曲线和电流曲线的微分运算结果，调整AD转换模块的模数转换频率，使得模数转换频率随电压曲线和/或电流曲线的微分值的增加而增加。

所述的一种用于电磁发电单元的能量采集装置的控制方法，还包括以下步骤：

根据模数转换器得到的实时电压值，控制电压转换电路进行升压或降压，使电压转换电路输出稳定电压。

此外，本发明还提供了一种用于电磁发电单元的能量采集装置，包括电压检测模块、电流检测模块、短路开关、整流滤波电路、电压转换电路、MCU控制模块；

所述电压检测模块用于检测发电单元两个输出端之间的实时电压信号，并发送给MCU控制模块；所述电流检测模块的一端与发电单元一个输出端连接，另一端通过所述短路开关与发电单元的另一个输出端连接，用于检测发电单元输出的实时电流信号，并发送给MCU控制模块；所述发电单元的两个输出端依次通过整流滤波电路、电压转换电路后输出电压给负载供电；所述MCU控制模块的输出端与所述短路开关和电源转换电路连接，用于实施所述的一种控制方法。

所述电压检测模块包括电容C11、C10、C13，电阻R4、R6、R3、R5，三极管Q3，电容C11的一端与发电单元的一个输出端连接，另一端与三极管Q3的基极连接，三极管Q3的基极通过电阻R4与电源正极连接，还通过电阻R6与发电单元的另一个输出端连接；三极管Q3的集电极通过电阻R3与电源正极连接，发射极通过电阻R5与发电单元的另一个输出端连接，电容C13与电阻R15并联连接，三极管Q3的集电极通过电容C10与MCU控制模块的AD转换模块连接；

所述电流检测模块包括增益可调的电流感应放大器，所述电流感应放大器的引脚IN-与发电单元的另一个输出端连接，引脚IN+与整流滤波电路的一端连接，引脚IN-与引脚IN+之间设置有电阻R1，引脚OFFSET与电源正极连接，引脚OUT与MCU控制模块的AD转换模块连接。

所述电压转换电路包括双通道开关U4、双通道开关U3、升压电路和降压电路，所述双通道开关U4的引脚COM与所述整流滤波电路的输出端连接，引脚NC通过升压电路与双通道开关U3的引脚NC连接，引脚NO通过降压电路与所述双通道开关U3的引脚NO连接，所述双通道开关U3和双通道开关U4的引脚IN与MCU控制模块的输出端连接，所述升压电路的控制端和降压电路的控制端与所述MCU控制模块的输出端连接，所述双通道开关U3的引脚COM与负载连接。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1.本发明提供一种用于电磁发电单元的能量采集装置及其控制方法，通过在发电单元两端设置一个短路开关，利用实时监测发电单元的电压和电流值来生成PWM信号控制短路开关的通断，可以根据发电单元的特点自适应地调整负载阻抗，引导电流流向电流激励回路或者工作回路，从而快速提高发电单元的电流，在电流达到最大值时，利用线圈中电流不能突变的特性将其输出至后端负载上，大幅提升发电单元的输出功率。

2.本发明利用监测电压值来控制后端升降压通路的输出电压，可以使电路输出稳定的电压到负载端，而且，利用电压和电流微分值来调节AD采样频率，可以降低系统能耗。

附图说明

图1为本发明实施例一中采用的能量采集装置的电路结构框图；

图2为本发明实施例一提供的一种用于电磁发电单元的能量采集装置的控制方法的控制流程图；

图3为本发明实施例一中采用的电磁发电单元的结构示意图；

图4为本发明实施例二提供的一种用于电磁发电单元的能量采集装置中电压检测模块的电路原理图；

图5本发明实施例二提供的一种用于电磁发电单元的能量采集装置中电流检测模块和电压转换电路的电路原理图；

图6本发明实施例二提供的一种用于电磁发电单元的能量采集装置中MCU控制模块的电路原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本发明实施例一提供了一种用于电磁发电单元的能量采集装置的控制方法，如图1所示，所述能量采集装置包括电压检测模块、电流检测模块、短路开关、整流滤波电路、电压转换电路；所述电压检测模块用于检测发电单元两个输出端之间的实时电压信号，所述电流检测模块的一端与发电单元一个输出端连接，另一端通过所述短路开关与发电单元的另一个输出端连接，用于检测发电单元输出的实时电流信号；所述发电单元的输出端通过整流滤波电路、电压转换电路后输出稳定电压给负载供电；所述电压检测模块和电流检测模块的输出信号经AD转换模块转换为数字信号后输出。整流滤波电路具体包括依次连接的整流电路和滤波电路。

如图2所示，本实施例中，所述控制方法包括以下步骤：

S1.根据实时电压值和实时电流值确定零值时刻，同时计算电流电压频率，将零值时刻作为PWM信号的相位零点控制短路开关闭合，根据电压电流频率，确定PWM信号的基准频率，生成PWM信号控制所述短路开关的通断。

具体地，本实施例的步骤S1中，根据实时电压值和实时电流值判断零值时刻的方法为：判断各个时刻的实时电流值和实时电压值是否均在对应的最大幅值的±5%范围内，若是，则判断该时刻为零值时刻。

本实施例中，通过计算零值时刻，使得电流电压同时在零点附近（最大幅值的±5%范围内）时，控制短路开关闭合，可以减小发电单元输出回路的阻抗，大幅提高电感线圈中的电流，为下一步较大电流输出到负载回路做准备。

具体地，本实施例的步骤S1中，根据电压电流频率，确定PWM信号的频率的具体方法为：分别计算电压频率和电流频率，将其频率均值或加权平均值作为PWM信号的频率。加权平均的权值可以根据测量的两个频率与实际频率对比后决定。

S2.对电压曲线和电流曲线分别进行微分运算，并根据微分运算结果确定当前周期内的最大功率点，根据最大功率点对应时间与当前零值时刻对应时间之差，调整PWM信号的实时频率，生成PWM信号控制所述短路开关的通断。

具体地，本实施例的步骤S2中，确定当前周期内的最大功率点的具体方法为：

S201.对电压曲线和电流曲线分别进行微分运算，得到电流微分值dI和电压微分值dU；

S202.根据电流微分值dI和电压微分值dU，计算预测电流值I’，计算公式为：

I’=I+U×dI/dU；（1）

其中，I表示当前电流值，U表示当前电压值；

S203.判断预测电流值I’的正负是否发生改变，若是，则判定为功率最大点。

具体地，本实施例的步骤S2中，根据最大功率点对应时刻与当前零值时刻的时间之差t，作为PWM信号的四分之一周期，即调整PWM信号的实时频率为1/4t。本实施例中，通过时间之差t来调整PWM信号的频率，可以实现短路开关的开关频率的自适应，该PWM信号在最大功率点处控制短路开关断开，由于电感电流无法突变，线圈中的较大电流会被引导流向负载端。

如图2所示，本实施例的一种用于电磁发电单元的能量采集装置的控制方法，还包括以下步骤：

S3.根据电压曲线和电流曲线的微分运算结果，调整AD转换模块的模数转换频率，使得模数转换频率随电压曲线和/或电流曲线的微分值的增加而增加。这样可以使得电压、电流变化较大时的采集的数据更多，变化较小时采集的数据少，进而可以在一定程度上降低系统功耗。

具体地，本实施例中，可以在电压、电流曲线的导数（微分值）较大的曲线段使用高频率ad转换，电压、电流导数较小的曲线段使用低频率的ad转换，控制相邻两次ad转换所得数据差值保持稳定。具体地，也可以根据具体的发电单元建立二维数组，将不同电压电流微分值所对应的ad转换参数保存在数组中，再根据当前的导数调用对应的ad转换参数，对ad转换模块进行配置。

S4.根据模数转换器得到的实时电压值计算后端电路电压值，控制电压转换电路进行升压或降压，并根据电路电压值控制升压或降压幅度，使电压转换电路输出稳定电压。

具体地，本发明的控制方法可以适用于图3所示的电磁发电单元，其结构由主磁铁1、辅助磁铁2、线圈封装壳3、线圈4、电路板5、定位轴6、外壳7构成。主磁铁1安装在底部；辅助磁铁2镶嵌在线圈封装壳3外侧底部，磁极与主磁铁1相斥；线圈4封装在线圈封装壳3中，通过导线与外壳7上方的电路板5相连；线圈封装壳3套在定位轴6上；外壳7扣在整个结构上，构成封闭空间，该结构利用两组磁铁的斥力将线圈4悬浮起来，在外界上下振动时利用线圈4相对于主磁铁1的运动进行发电。

本实施例通过自适应开关算法对短路开关的通断进行控制。自适应开关算法依靠电压检测模块和电流检测模块对发电单元的输出信号精确捕捉，由于输出功率P由输出电压U和输出电流I决定，在P-U图像可知，dP|_U=0时发电单元输出功率到达该周期的峰值，此时即为电路的最大功率点。在实际处理过程中由于电压检测模块对发电单元的输出电压进行了偏置处理，因此通过不断对电压和电流进行微分运算，判断预测电流值I’=I+U*dI/dU的符号及变化趋势,可以确定功率变化的情况，预测峰值到达的点，为短路开关控制电路运行做准备；同时自适应调整采样频率，降低系统运行功耗，将更多的能量存储起来用于对后端负载供电。通过本实施例的控制方法，可以在较低的功耗下完成对小功率发电设备的最大功率点跟踪。同时通过采集并收集电压、电流变化的频率，对信号周期进行预测，并根据从零功率点到达最大功率点所用时间对频率进行调整，进而输出一个自动适应发电单元功率输出周期的PWM波到短路开关电路，引导电流流向不同回路。

实施例二

本发明实施例二提供了一种用于电磁发电单元的能量采集装置，其电路结构框如图1所示，包括电压检测模块、电流检测模块、短路开关、整流滤波电路、电压转换电路、MCU控制模块；所述电压检测模块用于检测发电单元两个输出端之间的实时电压信号，并发送给MCU控制模块，所述电流检测模块的一端与发电单元一个输出端连接，另一端通过所述短路开关与发电单元的另一个输出端连接，用于检测发电单元输出的实时电流信号，并发送给MCU控制模块，所述发电单元的两个输出端通过整流滤波电路、电压转换电路后输出电压给负载供电；所述MCU控制模块的输出端与所述短路开关和电源转换电路连接，用于实施实施例一所述的一种控制方法。

具体地，如图4所示，所述电压采集装置包括电容C11、C10、C13，电阻R4、R6、R3、R5，三极管Q3；电容C11的一端与发电单元的一个输出端连接，另一端与三极管Q3的基极连接，三极管Q3的基极通过电阻R4与电源正极连接，还通过电阻R6与发电单元的另一个输出端连接；三极管Q3的集电极通过电阻R3与电源正极连接，发射极通过电阻R5与发电单元的另一个输出端连接，电容C13与电阻R15并联连接，三极管Q3的集电极通过电容C10与MCU控制模块的AD转换模块连接；

具体地，如图5所示，所述电流检测模块包括增益可调的电流感应放大器，所述电流感应放大器的引脚IN-与发电单元的另一个输出端连接，引脚IN+与短路开关的一端连接，引脚IN-与引脚IN+之间设置有电阻R1，引脚OFFSET与电源正极连接，引脚OUT与MCU控制模块的AD转换模块连接。具体地，本实施例中，电流感应放大器使用了lmp8603芯片，该芯片具有放大及偏置功能，偏置功能为可选功能，将offset引脚设置为3.3V状态，可将输出电压偏置到0到3.3V范围内，保证电流信号既达到了放大又不会因超过ad量程而失真。

具体地，如图5所示，所述电压转换电路包括双通道开关U4、双通道开关U3、升压电路和降压电路，所述双通道开关U4的引脚COM与所述整流滤波电路的输出端连接，引脚NC通过升压电路与双通道开关U3的引脚NC连接，引脚NO通过降压电路与所述双通道开关U3的引脚NO连接，所述双通道开关U3和双通道开关U4的引脚IN与MCU控制模块的输出端连接，所述升压电路的控制端和降压电路的控制端与所述MCU控制模块的输出端连接，所述双通道开关U3的引脚COM与负载连接。

本实施例中，升压电路和降压电路分别采用boost和buck电路，MCU控制单元根据发电单元输出电压大小及负载电压需求确定从升压电路还是降压电路输出，通过对两个双通道开关的IN引脚输入信号来控制输出通道。在boost和buck电路中，MCU控制模块通过控制输出到三极管Q1和三极管Q2的基极的PWM信号的占空比，来动态调整升压电路和降压电路的输出电压，进而稳定OUT端口的电压。

具体地，如图5所示，本实施例中，所述短路开关为模拟开关，其型号为STG3157，支持双向电流通过，可通过模拟开关的通断控制电路中电流的回路。此外，所述短路开关也可以为其它高速开关实现，比如高速MOS管。如图6所示，MCU控制模块可以采用型号为MSP430的单片机或其它具有AD转换模块的单片机。

本实施例中，电压检测模块采用分压偏置电路，将线圈发电单元输出的交流电幅值整体向正向偏移并进行一定倍数的放大，使得电压能直接输入主控芯片的数模转换端口，并且不丢失精度。电流检测模块使用增益可调的精密电流感测放大器，以适应不同输出量级的发电单元，并通过偏置输出控制端口（引脚OFFSET）调整交流电流幅值为正向电流，输出端口将电压信号同样输出到主控芯片的数模转换端口，对模拟电压信号转换为数字信号并进行分析处理。

本实施例中，整流滤波电路包括整流电路和滤波电路，整流电路使用型号为BAS4002的整流芯片BR1，其可以在低耗能的状态下完成对交流电压的整流工作。滤波电路使用了一组不同容值的电容C2~C5对输出进行滤波，可以得到纹波很低的稳定电压。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种用于电磁发电单元的能量采集装置的控制方法，其特征在于，所述能量采集装置包括电压检测模块、电流检测模块、短路开关、整流滤波电路、电压转换电路；所述电压检测模块用于检测发电单元两个输出端之间的实时电压信号；所述电流检测模块的一端与发电单元一个输出端连接，另一端通过所述短路开关与发电单元的另一个输出端连接，用于检测发电单元输出的实时电流信号；所述发电单元的输出端通过整流滤波电路、电压转换电路后输出电压给负载供电；所述控制方法包括以下步骤：

S2.对电压曲线和电流曲线分别进行微分运算，并根据微分运算结果确定当前周期内的最大功率点，根据最大功率点对应时刻与当前零值时刻的时间之差，调整PWM信号的实时频率；

所述步骤S2中，根据最大功率点对应时间与当前零值时刻对应时间之差t，调整PWM信号的实时频率为1/4t，所述PWM信号在最大功率点处控制短路开关断开。

2.根据权利要求1所述的一种用于电磁发电单元的能量采集装置的控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，根据实时电压值和实时电流值判断零值时刻的方法为：

3.根据权利要求1所述的一种用于电磁发电单元的能量采集装置的控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，根据电压电流频率，确定PWM信号的频率的具体方法为：

4.根据权利要求1所述的一种用于电磁发电单元的能量采集装置的控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，确定当前周期内的最大功率点的具体方法为：

I’=I+U×dI/dU；

其中，I表示当前电流值，U表示当前电压值；

5.根据权利要求1所述的一种用于电磁发电单元的能量采集装置的控制方法，其特征在于，所述电压检测模块、电流检测模块的输出信号经AD转换模块转换后输出；所述控制方法还包括以下步骤：

6.根据权利要求1所述的一种用于电磁发电单元的能量采集装置的控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

7.一种用于电磁发电单元的能量采集装置，其特征在于，包括电压检测模块、电流检测模块、短路开关、整流滤波电路、电压转换电路、MCU控制模块；

所述电压检测模块用于检测发电单元两个输出端之间的实时电压信号，并发送给MCU控制模块；所述电流检测模块的一端与发电单元一个输出端连接，另一端通过所述短路开关与发电单元的另一个输出端连接，用于检测发电单元输出的实时电流信号，并发送给MCU控制模块；所述发电单元的两个输出端依次通过整流滤波电路、电压转换电路后输出电压给负载供电；所述MCU控制模块的输出端与所述短路开关和电源转换电路连接，用于实施权利要求1~6任一项所述的一种控制方法。

8.根据权利要求7所述的一种用于电磁发电单元的能量采集装置，其特征在于，所述电压检测模块包括电容C11、C10、C13，电阻R4、R6、R3、R5，三极管Q3，电容C11的一端与发电单元的一个输出端连接，另一端与三极管Q3的基极连接，三极管Q3的基极通过电阻R4与电源正极连接，还通过电阻R6与发电单元的另一个输出端连接；三极管Q3的集电极通过电阻R3与电源正极连接，发射极通过电阻R5与发电单元的另一个输出端连接，电容C13与电阻R15并联连接，三极管Q3的集电极通过电容C10与MCU控制模块的AD转换模块连接；

9.根据权利要求7所述的一种用于电磁发电单元的能量采集装置，其特征在于，所述电压转换电路包括双通道开关U4、双通道开关U3、升压电路和降压电路，所述双通道开关U4的引脚COM与所述整流滤波电路的输出端连接，引脚NC通过升压电路与双通道开关U3的引脚NC连接，引脚NO通过降压电路与所述双通道开关U3的引脚NO连接，所述双通道开关U3和双通道开关U4的引脚IN与MCU控制模块的输出端连接，所述升压电路的控制端和降压电路的控制端与所述MCU控制模块的输出端连接，所述双通道开关U3的引脚COM与负载连接。