基于非线性开关的能量回收系统的研究

论文摘要

在最近的几年中,能量回收有了很大的发展,这主要归功于无线技术和低功耗电子设备技术的进步。通过将能量回收与低功耗元件的结合,能够大大增加其应用范围。由于压电材料其良好的机电耦合特性,作为一种传统的功能材料,其在现代机电系统中有着极大的优越性。本课题主要通过将压电片粘贴于悬臂梁的根部,对悬臂梁的振动能量进行回收,并且通过使用非线性开关的方法使得能量回收的效果得到了极大提高。在本文第三章中,对经典回路法,同步开关电荷法以及同步开关电感法的能量回收功率做了详细的理论计算,并在此基础上提出了将电压倍增器与同步开关电感电路相结合的方法,该方法将压电片、控制开关以及用于能量回收的电池或者超级电容的地电位统一了起来,方便了收集的能量给系统供电。在本文第四章中,使用ORCAD/PSPICE软件对这四种方法进行了仿真,通过对压电片的电学建模,使用一些软件自带的低功耗器件组成电路,得出了结果。仿真结果很好的符合了理论计算的结论,仅同步电荷法的仿真结果较理论推导低了一些。在第五章中,通过利用dSPACE控制板对四种能量回收系统进行了实验,测试了各系统在不同负载下的能量回收功率,测试结果很好的符合了仿真的结果。最后,通过选取相关低功耗器件,实现了同步开关电荷法的模块化。最后一章对全文做了工作总结并对以后的工作做了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 本研究的背景
• 1.2 基于机电转换效应的振动能量回收技术
• 1.3 当前国内外研究现状
• 1.4 本论文的主要工作
• 第二章 压电材料的工作原理
• 2.1 压电效应与压电性
• 2.2 压电方程
• 2.3 压电材料的一些特性参数
• 第三章 能量回收系统的基本原理
• 3.1 能量回收系统的机电耦合模型
• 3.2 经典能量回收系统
• 3.3 同步电荷提取法
• 3.4 同步开关电感方法
• 3.5 同步开关电感电压倍增方法
• 第四章 能量回收系统的仿真
• 4.1 PSpice 软件简介
• 4.2 实验系统组成
• 4.3 系统参数的测量
• 4.4 系统模型的仿真设计
• 4.4.1 压电片的仿真建模
• 4.4.2 电路的仿真参数设置
• 4.4.3 四种电路的仿真结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 能量回收电路的实验及模块化实现
• 5.1 实验装置的构成
• 5.2 能量回收系统的实验及结果
• 5.2.1 全波整流电路
• 5.2.2 同步电荷提取法
• 5.2.3 同步开关电感能量回收法
• 5.2.4 同步开关电感倍压电路法
• 5.2.5 四种能量回收法比较图
• 5.3 电路的模块化设计
• 5.3.1 Protel 软件简介
• 5.3.2 芯片选择
• 5.3.3 电路设计
• 5.3.4 实验电路调试
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结及展望
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 研究工作展望
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 参考文献