用于无线供电的自适应压电能量采集电路
摘要本文介绍了一种从机械振动式压电元件获取电能的方式。振动式压电装置与典型的电源相比，它含有电容而不是感性阻抗，由不同幅度的机械振动驱动。整流压电装置的最优功率流的表达式已知，达到最优功率流的电路也已经提出。该种采集电路由含有输出电容的交—直变换电路、电池和一个直--直变换模块（控制流入电池的功率）组成。直--直变换模块采用自适应控制技术能持续地实现最优化功率传输并使电池储能最大化。
一、引言
对于无线供电的需求激起了人们对于压电能量采集或者说是使用压电装置提取能量的兴趣。振动式压电装置与传统的电源在本质上不同，其内部阻抗为电容而不是电感。而且，由不同频率和幅度的机械振动驱动。尽管有很多用压电装置来采集能量，但还没有采用自适应电路的压电装置使功率传输最大化。本研究的目的是，找到使从压电振动装置到电池的功率传输最大化。
二、压电装置的最优潮流
为了确定其功率潮流特性，压电振动元件被等效为正弦电流源与电容并联。模型的正确性将在以下的章节中论证。极化电流的大小随压电元件的机械振动程度而变化，但假定它是恒定的，不论负载如何。压电振动装置产生交流电压而电池需要直流电，因此，电能采集电路应先将压电的输出经交—直变换，如图 1。在接下来的分析中，认为电容无限大，输出电压基本恒定。负载看作电流源，管子认为是理想的。该电路的电压、电流波形如图 2 所示。该波形可分为两个阶段。第一阶段，记为 u，极化电流给压电元件的电容充电。此时，所有的管子偏置，无电流输出。直到该电容 Cp 电压等于输出电压 Vrect。第二阶段，电流流过电容 Crect 和负载。输出电流表达式：输出电流直流分量：输出功率表达式：最大功率对应的输出电压 Vrect 或者 压电元件的半峰开路电压
三、电能采集电路
极化电流 Ip 的幅值是由压电换能器产生的，因此最优化整流电压与压电元件的振动程度有关，该电压不恒定。（振动—Ip—最优化整流电压）这就需要电路具有适应性，能够调节整流器的输出电压以使功率传输最大化。为了达到使整流输出电压最大化的目的，在整流器和电池之间增加一个直—直转换装置，如图 3 所示。通常这种转换控制器经常用于调节输出电压。然而，该电路将用于使流入电池的功率最大化。如果有效的话，压电元件可达到最大功率，与此同时整流输出电压 Vrect 保持在最优值，约为开路电压的 1/2，如前所述。本电路的目的是使电池充电功率最大化。由于电池电压基本恒定，所以要使电池充电电流 Ibattery 最大化。通过研究电路发现，可通过调节占空比使充电电流最大化。一个普通的 DC-DC 拓扑也可以进行控制。
四、自适应控制技术
为了达到最大化功率传输和控制变换器，本文将讲解降压电路或者 BUCK 电路。图 4 是降压电路中，稳态电池电流与占空比的关系。为了达到最大电池充电电流，根据电池电流斜率的曲线来控制占空比增大或减小，哦哦哦。此时的占空比为之前的占空比加增量。占空比表达式：该控制的特点：1、由于该控制算法根据信号变化率来确定，故占空比要连续变化。事实上，一旦控制器确定，这（指什么？）相当于最优控制点的小扰动。更进一步，控制算法根据平稳状态下的压电元件和在直--直变换器设定，因此设计时要有两路。使用两个时间尺度分析技术的控制器可以 确保动态控制算法被设为足够的慢，这样，压电装置和转换器才能假定为在平稳状态下运行。然而，这样会限制控制器的带宽。
五、实验结果
该自适应控制器是由 DS1102 板子实现。这个板子有包括德州仪器 TMS320C31 并行浮点数字信号处理器，用于抽样检测的 AD 转换器和用于控制该转换器的 PWM 信号输出。该控制算由 MATLAB 中 simulink 仿真，并产生控制代码。该控制算法如图 5 所示。电路启动时，初始占空比设为 10%。电池电流用电流检测电阻测得并将采样送到 A/D 转换器。然后电池电流经低通滤波去除由于管子开关而引起的噪声和纹波。电流信号的导数除以占空比的导数，用于决定控制器的工作状态在曲线 4 中的位置。该式被 000 模块用来以平稳的速率改变占空比，速率取 21/s，百分之 0.021 每秒。该速率可以使变换后的占空比对应的电池电流的变化可测量。000 模块根据导数之比的正负而非大小增大或减小占空比。不论哪个输入量（导数）为零，000 模块都会默认减小占空比。在电路启动，电池电流变化不易测得时，默认减小占空比可使控制的占空比变得更低。
六、结论
实验表明，开关频率为 1KHZ 占空比大于 10% 时，电流变化很小，然而，最优占空比为 3%-5%。然后对占空比滤波，并由此，该自适应控制技术可以持续地实现最优化功率传输，并使电池储能最大化。该技术可以应用于无线供电系统，提高系统的效率和可靠性。
七、未来展望
在未来，我们将继续研究和改进该自适应控制技术，使其更加适应各种无线供电系统的需求。同时，我们也将研究其他类型的压电能量采集电路，以提高系统的可靠性和效率。
