寬帶振動(dòng)壓電俘能系統(tǒng)非線性能量俘獲電路優(yōu)化設(shè)計(jì)方法.pdf

1、如何為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)持續(xù)供電是目前制約嵌入式傳感應(yīng)用發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)之一，利用壓電效應(yīng)俘獲環(huán)境中振動(dòng)能量是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ慕鉀Q途徑。而實(shí)際環(huán)境振動(dòng)很多是寬頻帶的，迫切需要設(shè)計(jì)合適的非線性能量俘獲電路以提高電能轉(zhuǎn)換效率。目前的能量俘獲電路研究大多與壓電發(fā)電機(jī)相互獨(dú)立，忽略了兩者之間的耦合作用，但實(shí)際上這種耦合作用對(duì)壓電俘能系統(tǒng)的效率有很大影響。因此，從全系統(tǒng)角度對(duì)非線性能量俘獲電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要應(yīng)用價(jià)值。
　　并聯(lián)同步開(kāi)

2、關(guān)（P-SSHI）電路是實(shí)現(xiàn)寬帶振動(dòng)壓電俘能的一個(gè)重要研究方向，但它的最佳轉(zhuǎn)換效率受整流電容兩端電壓影響大。為此，本文對(duì)經(jīng)典P-SSHI電路進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種基于最優(yōu)電壓控制的非線性能量俘獲電路，并從全系統(tǒng)角度建立了兩類壓電俘能系統(tǒng)耦合模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)該非線性能量俘獲電路進(jìn)行了仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　主要內(nèi)容和結(jié)論包括：
　　1、針對(duì)經(jīng)典 P-SSHI電路最佳轉(zhuǎn)換效率受負(fù)載影響的不足，改進(jìn)設(shè)計(jì)了基

3、于最優(yōu)電壓控制的非線性能量俘獲電路（COV-PSSHI），從理論上建立了該電路的輸出功率模型，并進(jìn)行了電路仿真分析，結(jié)果表明：在相同振動(dòng)激勵(lì)下，COV-PSSHI電路的輸出功率明顯大于P-SSHI電路。
　　2、建立了懸臂梁壓電發(fā)電機(jī)的等效電學(xué)參數(shù)模型，提出了基于有限元仿真的等效電學(xué)參數(shù)求解算法，建立了壓電俘能全系統(tǒng)電路耦合模型；基于阻抗等效方法建立了COV-PSSHI電路的等效阻抗電路，并將其作為壓電發(fā)電機(jī)有限元模型的線性電負(fù)載

4、，建立了壓電俘能全系統(tǒng)有限元耦合模型。
　　3、分別對(duì)壓電俘能的全系統(tǒng)電路耦合模型和全系統(tǒng)有限元耦合模型進(jìn)行了電路仿真和有限元仿真，分析了振動(dòng)激勵(lì)頻率與電路負(fù)載對(duì)系統(tǒng)俘獲功率的影響特性，并在此基礎(chǔ)上對(duì)COV-PSSHI電路重要參數(shù)進(jìn)行了綜合優(yōu)化，仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論模型的正確性。
　　4、設(shè)計(jì)并構(gòu)建了振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)壓電俘能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì) COV-PSSHI電路的寬帶振動(dòng)壓電俘能特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明：在相同寬頻振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)