隨著無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展,超低功耗的智能傳感器數(shù)量急劇增加,要求傳感節(jié)點(diǎn)的供電系統(tǒng)具有自供電、免維護(hù)、低成本、小巧輕便的特點(diǎn)。能夠采集周?chē)⑷醐h(huán)境能量并將其有效地轉(zhuǎn)換為電能的自供電系統(tǒng),未來(lái)將取代電池,成為無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)的最重要供電方式之一。由于壓電材料可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能,且具有體積小和能量密度大的特點(diǎn),壓電能量采集器被廣泛應(yīng)用于各種環(huán)境能量采集系統(tǒng)中。本文致力于面向無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的壓電能量采集自供電系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn),重點(diǎn)研究針對(duì)激勵(lì)頻度低且不規(guī)則的周?chē)h(huán)境壓電能量的高效采集和轉(zhuǎn)換技術(shù),主要研究工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下。1、主要研究工作(1)非連續(xù)隨機(jī)壓電能量采集技術(shù)針對(duì)非連續(xù)隨機(jī)壓電能量的特點(diǎn),提出并設(shè)計(jì)了具有休眠模式的低功耗壓電能量采集電路,以提高采集效率。為了提高車(chē)輛通過(guò)道路減速帶時(shí)的壓電能量轉(zhuǎn)換效率,提出了一種基于懸臂梁的沖擊式壓電能量采集器結(jié)構(gòu)。基于以上研究成果,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用于道路減速帶的車(chē)輛壓電能量采集自供電系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)原型系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果表明,當(dāng)一輛車(chē)輛以5~20公里/小時(shí)的車(chē)速通過(guò)減速帶時(shí),采集器的平均輸出電能是30.0 mJ,采集電路的平均采集效率約為74.0%,可以為溫度傳感器提供37分鐘的穩(wěn)定供電電壓。(2)連續(xù)沖擊壓電能量采集技術(shù)針對(duì)連續(xù)沖擊壓電能量的特點(diǎn),在采集電路的設(shè)計(jì)中,提出了一種由電阻和電容等無(wú)源器件組成的快速自啟動(dòng)電路,以實(shí)現(xiàn)采集電路的自供電和冷啟動(dòng)。提出了分段式動(dòng)態(tài)阻抗匹配技術(shù),以提高采集效率�；谝陨涎芯砍晒�,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了微風(fēng)沖擊壓電能量采集自供電系統(tǒng),考慮到風(fēng)速大小的不同,分別設(shè)計(jì)了應(yīng)用于風(fēng)速較快和較慢區(qū)域的采用固定阻抗匹配和分段式動(dòng)態(tài)阻抗匹配技術(shù)的采集電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在風(fēng)速為2.0m/s時(shí),采用分段式動(dòng)態(tài)阻抗匹配技術(shù)的微風(fēng)沖擊壓電能量采集系統(tǒng)的整體效率為4.6%,在風(fēng)速大于1.5m/s時(shí),本系統(tǒng)可為商用溫度傳感節(jié)點(diǎn)提供持續(xù)穩(wěn)定的供電電源。(3)數(shù)字控制高頻DC-DC開(kāi)關(guān)變換器研究與設(shè)計(jì)電源管理電路的功能是將壓電能量采集電路的輸出轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)為無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)所要求的穩(wěn)定供電電壓,要求電源管理電路具有數(shù)字可編程控制、系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)速度快以及小巧輕便的特點(diǎn)。為此,本文研究和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了數(shù)字控制高頻DC-DC開(kāi)關(guān)變換器。針對(duì)數(shù)字控制DC-DC開(kāi)關(guān)變換器在高頻應(yīng)用時(shí)數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)難點(diǎn),提出了基于δ算子的數(shù)字控制器設(shè)計(jì)方法。為了提高數(shù)字控制DC-DC開(kāi)關(guān)變換器的瞬態(tài)響應(yīng)速度,提出了基于鄰周期采樣(ACS:Adjacent Cycle Sampling)策略的數(shù)字V~2控制算法�；谏鲜隼碚撗芯砍晒�,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)頻率為2MHz的Buck型DC-DC開(kāi)關(guān)變換器系統(tǒng),在數(shù)字雙環(huán)控制器的設(shè)計(jì)中,外環(huán)采用基于δ算子的D-PID控制算法,內(nèi)環(huán)采用基于鄰周期采樣策略的數(shù)字V~2控制算法。實(shí)測(cè)結(jié)果表明,當(dāng)發(fā)生30%的負(fù)載擾動(dòng)時(shí),DC-DC開(kāi)關(guān)變換器的超調(diào)量為75 mV,恢復(fù)時(shí)間為3μs。2、主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)(1)提出了一種具有休眠模式的低功耗壓電能量采集電路�？紤]到非連續(xù)隨機(jī)壓電能量的特征,提出了具有休眠模式的低功耗壓電能量采集電路,當(dāng)壓電能量采集器產(chǎn)生電能時(shí),采集電路與壓電能量采集器的阻抗相匹配,以實(shí)現(xiàn)最大能量的采集和傳輸,而當(dāng)沒(méi)有電能產(chǎn)生時(shí),采集電路進(jìn)入休眠模式,以節(jié)約電能。與無(wú)休眠模式相比,有休眠模式時(shí)壓電能量采集電路的效率提高了18.6%。(2)提出了一種快速自啟動(dòng)電路。為了實(shí)現(xiàn)能量采集電路的自供電和冷啟動(dòng),提出了一種由電阻和電容等無(wú)源器件組成的快速自啟動(dòng)電路。該啟動(dòng)電路能夠獲取輸入端的電能為整體采集電路提供供電電源,因此無(wú)需外部供電,即使儲(chǔ)能設(shè)備的電能被完全耗盡,當(dāng)有外部輸入能量時(shí)也能迅速啟動(dòng)。(3)針對(duì)沖擊壓電能量采集器,提出了分段式動(dòng)態(tài)阻抗匹配技術(shù)。針對(duì)激勵(lì)頻度較低的沖擊壓電能量采集器,提出了分段式動(dòng)態(tài)阻抗匹配技術(shù),以提高能量采集效率。該技術(shù)首先檢測(cè)壓電能量采集器的沖擊周期和振動(dòng)周期,然后通過(guò)改變采集電路的輸入阻抗,使其分別與壓電能量采集器在沖擊周期和振動(dòng)周期的輸出阻抗相匹配,以實(shí)現(xiàn)最大能量的采集和傳輸,尤其在外界輸入能量較低的情況下(例如風(fēng)速較慢的微風(fēng)能量),可有效地提高能量采集效率。與采用固定阻抗匹配技術(shù)相比,采用分段式動(dòng)態(tài)阻抗匹配技術(shù)時(shí),能量采集電路的效率最大可提高9.8%。(4)針對(duì)數(shù)字控制高頻DC-DC開(kāi)關(guān)變換器,提出了基于δ算子的數(shù)字控制器設(shè)計(jì)方法。對(duì)于數(shù)字控制高頻DC-DC開(kāi)關(guān)變換器,利用位移算子(z~(-1))設(shè)計(jì)數(shù)字控制器時(shí),存在離散系統(tǒng)與連續(xù)系統(tǒng)的擬合精度低、系統(tǒng)穩(wěn)定性差以及有限字長(zhǎng)的影響大等問(wèn)題。為此,本文提出了基于δ算子的數(shù)字控制器設(shè)計(jì)方法,采用δ算子設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字控制器,具有系統(tǒng)穩(wěn)定性好、控制精度高以及對(duì)有限字長(zhǎng)不敏感的優(yōu)點(diǎn)。(5)針對(duì)數(shù)字控制高頻DC-DC開(kāi)關(guān)變換器,提出了基于鄰周期采樣策略的數(shù)字V~2雙環(huán)控制算法。在數(shù)字V~2雙環(huán)控制算法中,數(shù)字控制器的內(nèi)環(huán)基于輸出電壓的紋波控制,外環(huán)基于輸出電壓誤差的D-PID控制。與現(xiàn)有的電壓/電流雙環(huán)控制算法相比,數(shù)字V~2雙環(huán)控制算法具有系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)速度快和無(wú)需采集電感電流的優(yōu)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明,與數(shù)字電壓/電流雙環(huán)控制算法相比,當(dāng)發(fā)生3倍的負(fù)載擾動(dòng)時(shí),數(shù)字V~2雙環(huán)控制算法的系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間加快了3倍�；谔岢龅膲弘娔芰坎杉夹g(shù),針對(duì)采集道路減速帶上的機(jī)械能和自然界的微風(fēng)環(huán)境能量,本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了專(zhuān)用的壓電能量采集自供電系統(tǒng)以及電源管理系統(tǒng),可為無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)提供穩(wěn)定的自供電電源。本文的研究成果對(duì)研發(fā)微弱環(huán)境壓電能量采集自供電系統(tǒng)以及數(shù)字控制電源管理系統(tǒng)具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
【學(xué)位單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TP212.9;TN929.5
【部分圖文】：

供有效的數(shù)據(jù)支撐。另外，宇宙射線(xiàn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也可用于霧霾監(jiān)預(yù)報(bào)等。圖 1-3 所示為用于宇宙射線(xiàn)以及大氣物理參數(shù)監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)用宇宙射線(xiàn)檢測(cè)大氣層溫度分布的精度，需要在全球范圍內(nèi)的不傳感節(jié)點(diǎn)[13]。

圖 1-3 用于宇宙射線(xiàn)以及大氣物理參數(shù)監(jiān)測(cè)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)（2）野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)和跟蹤為了對(duì)野生動(dòng)物（例如北極的企鵝和大草原的獅子等）的行為和生活環(huán)境進(jìn)行研究，

WSN 可用于野生動(dòng)物的活動(dòng)和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)。如圖 1-4 所示，野生隨身攜帶的無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)（粉色圈中標(biāo)出了無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)位置），可以感知野生動(dòng)生理數(shù)據(jù)（例如脈搏、血壓、體溫等）、所處的地理位置（GPS 定位信息）和外部環(huán)境數(shù)據(jù)，然后通過(guò) WSN 進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和處理，以供生物學(xué)家研究分析使用

本文編號(hào)：2834750