壓電能量回收的自適應(yīng)機(jī)械開(kāi)關(guān)電路

黃 瑤，秦 剛， 劉偉群

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 四川 成都 610031)

0 引言

近年來(lái)，由于壓電材料的能量密度大,使用壽命長(zhǎng)，壓電式能量回收裝置已備受關(guān)注[1-2]。為提高壓電式能量回收裝置的輸出功率，通常有兩種實(shí)現(xiàn)方法：

1) 優(yōu)化能量收集裝置的結(jié)構(gòu)。

2) 優(yōu)化能量提取電路。

這兩種方法都能有效地提升裝置的輸出功率。普通標(biāo)準(zhǔn)能量回收電路(SEH)的能量回收效率很低，因此,研究者提出了同步開(kāi)關(guān)電路(SSHI)及同步電荷提取電路(SECE)等，這些電路中引入了同步切換開(kāi)關(guān)來(lái)提升輸出功率。目前用得較多的同步開(kāi)關(guān)是采用電路控制的電子斷路器[3-4]或速度控制開(kāi)關(guān)[5]，這些同步開(kāi)關(guān)增加了裝置的功耗。由此，出現(xiàn)了不消耗電能且啟動(dòng)電壓較低的機(jī)械開(kāi)關(guān)[6-9]。大多數(shù)機(jī)械開(kāi)關(guān)是采用靜態(tài)或采用兩自由度的結(jié)構(gòu)作為開(kāi)關(guān)的電極，但這些結(jié)構(gòu)僅能在部分位移幅值附近正常工作，這類(lèi)機(jī)械開(kāi)關(guān)不能完全滿(mǎn)足能量收集電路的要求。因此，本文提出了一種采用粘性材料作為能量收集電路中的機(jī)械開(kāi)關(guān)電極，這種機(jī)械開(kāi)關(guān)能自動(dòng)適應(yīng)不同的位移幅值，能量收集電路的收集效率得到提高。為進(jìn)一步提升該結(jié)構(gòu)的實(shí)用性及可靠性，本文對(duì)結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究與分析。

1 傳統(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)

傳統(tǒng)機(jī)械同步開(kāi)關(guān)是在質(zhì)量塊的兩側(cè)設(shè)置2個(gè)固定電極并用于SSHI，如圖1所示。圖中，S1、S2表示2個(gè)機(jī)械開(kāi)關(guān)，D1、D2表示2個(gè)二極管，L、Cr分別為電感和電容，RL、VDC分別為負(fù)載和負(fù)載電壓。SHI電路的同步開(kāi)關(guān)閉合位置越靠近位移峰值，其能量采集效率越高。當(dāng)質(zhì)量塊與固定電極接觸時(shí)，機(jī)械開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，其分離后機(jī)械開(kāi)關(guān)立即斷開(kāi)。這種機(jī)械開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但當(dāng)懸臂梁的振幅較小時(shí)其不能工作，懸臂梁振幅過(guò)大時(shí)機(jī)械開(kāi)關(guān)又會(huì)提前閉合，不僅如此，此時(shí)固定電極還會(huì)抑制懸臂梁的振動(dòng)，這都不利于能量采集。實(shí)際振動(dòng)環(huán)境大多是噪聲環(huán)境，這類(lèi)機(jī)械開(kāi)關(guān)的能量采集效率低，不適合在噪聲振動(dòng)時(shí)采集能量。

圖1 傳統(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)

2 結(jié)構(gòu)原理與參數(shù)分析

2.1 粘性材料機(jī)械開(kāi)關(guān)原理

本文中自適應(yīng)機(jī)械開(kāi)關(guān)是采用一種粘性材料作機(jī)械開(kāi)關(guān)的移動(dòng)電極，質(zhì)量塊作為中心電極，如圖2所示。圖中，x1為壓電懸臂梁的位移，K2、μ2分別為粘性材料的剛度和阻尼。這種材料可認(rèn)為是一個(gè)無(wú)質(zhì)量的一階系統(tǒng)，其阻尼力大于彈性恢復(fù)力。當(dāng)懸臂梁在激勵(lì)作用下發(fā)生振動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊壓縮粘性材料直到懸臂梁的位移極值點(diǎn)，由于粘性材料的阻尼力大于彈性恢復(fù)力，因此，在每個(gè)周期內(nèi)，粘性材料總是在懸臂梁的位移峰值附近與其接觸，并使機(jī)械開(kāi)關(guān)閉合，隨著懸臂梁振幅的變化，粘性材料總能適應(yīng)懸臂梁的幅值，有效提高了SSHI電路的能量采集效率。

圖2 自適應(yīng)機(jī)械開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)

2.2 正弦激勵(lì)參數(shù)分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了仿真，正弦激勵(lì)仿真結(jié)果如圖3所示。圖中，x2、x3分別為2個(gè)移動(dòng)電極的位移。由圖可看出，移動(dòng)電極的位移能保持在懸臂梁的位移峰值附近。由圖還可看出，正弦激勵(lì)時(shí)移動(dòng)電極的接觸位置并不能保證在懸臂梁位移的極值處，這是由系統(tǒng)參數(shù)決定的。

圖3 正弦激勵(lì)位移響應(yīng)

為確定最優(yōu)的系統(tǒng)參數(shù)，采用不同頻率的正弦激勵(lì)對(duì)粘性材料參數(shù)進(jìn)行了仿真分析，如圖4所示。x2、x3與x1的接觸點(diǎn)到x1極值點(diǎn)的距離占1/4周期的比例可定義為相位提前角。由圖4可看出，K2越小，μ2越大，相位提前角越小，機(jī)械開(kāi)關(guān)閉合位置越靠近懸臂梁的位移極值點(diǎn)，能量采集效率越高。并且激勵(lì)頻率越高，相位提前角越小，這是因?yàn)轭l率高周期反而小，機(jī)械開(kāi)關(guān)連續(xù)兩次閉合的時(shí)間間隔越小，粘性材料回彈的距離越少。

圖4 正弦激勵(lì)參數(shù)分析

2.3 噪聲激勵(lì)參數(shù)分析

由于實(shí)際環(huán)境中大多數(shù)激勵(lì)無(wú)規(guī)律，根據(jù)正弦仿真結(jié)果，采用噪聲激勵(lì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5所示。由圖可看出，在位移幅值增加的區(qū)域，移動(dòng)電極的位移都能保持在懸臂梁的位移峰值附近，而在懸臂梁位移幅值減小的區(qū)域，移動(dòng)電極并不能與中心電極接觸，此時(shí)機(jī)械開(kāi)關(guān)不起作用。這種情況是粘性材料的剛度太低，不能及時(shí)回彈引起的，對(duì)此在采用噪聲激勵(lì)，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行分析。

圖5 噪聲激勵(lì)位移響應(yīng)

為評(píng)估機(jī)械開(kāi)關(guān)的性能，噪聲仿真后選取若干個(gè)周期，選用x1、x2的波形為研究對(duì)象，提取出每個(gè)周期中-Δx(-Δx為x1的最大位移值與x1、x2接觸點(diǎn)位移值的差值)和Δx(Δx為x1、x2未接觸時(shí)峰值處的位移差值)，并求-Δx與Δx的均方根值S，S越小，說(shuō)明x2與x1的接觸點(diǎn)越靠近x1的極值點(diǎn)，此時(shí)機(jī)械開(kāi)關(guān)閉合更有利于能量采集。圖6為采用噪聲激勵(lì)時(shí)S隨μ2、K2的變化關(guān)系。隨著K2、μ2的增加，S值迅速減小，穩(wěn)定后逐漸增加，這表明噪聲激勵(lì)時(shí)系統(tǒng)參數(shù)有一組最優(yōu)值，采用最優(yōu)值移動(dòng)電極能在中心電極的峰值附近與其接觸，并能在大多數(shù)周期內(nèi)機(jī)械開(kāi)關(guān)能正常工作。這個(gè)結(jié)果與正弦激勵(lì)的仿真結(jié)果有很大區(qū)別，實(shí)際使用中應(yīng)根據(jù)激勵(lì)選擇合適的系統(tǒng)參數(shù)，使系統(tǒng)的能量采集性能達(dá)到最優(yōu)。

圖6 噪聲激勵(lì)參數(shù)分析

2.4 功率分析

圖7為分別采用正弦激勵(lì)和噪聲激勵(lì)進(jìn)行仿真得到負(fù)載功率與系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系。由圖可看出，正弦激勵(lì)時(shí)，粘性材料的K2、μ2越小，負(fù)載功率越高，而噪聲激勵(lì)時(shí)，負(fù)載功率有一個(gè)最優(yōu)區(qū)域，這與上文分析一致。

圖7 正弦與噪聲激勵(lì)的負(fù)載功率

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

首先根據(jù)仿真參數(shù)搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖8所示。實(shí)驗(yàn)采用貼有壓電片的懸臂梁作為集能器，懸臂梁末端有一質(zhì)量塊作為中心電極，質(zhì)量塊兩端固定有2個(gè)慢回彈泡沫作為粘性材料，其末端覆蓋一層導(dǎo)電材料作為移動(dòng)電極，初始狀態(tài)時(shí)中心電極與移動(dòng)電極剛好接觸。

圖8 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖9為分別采用正弦激勵(lì)和噪聲激勵(lì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試結(jié)果。由圖9(a)可看出，正弦激勵(lì)時(shí)，壓電片能獲得較高的電壓，相應(yīng)的負(fù)載輸出功率較高。由圖9(b)可看出，機(jī)械開(kāi)關(guān)在大多數(shù)周期內(nèi)都能正常工作，且其相位提前角較小，能量采集效率高，負(fù)載能獲得穩(wěn)定的功率。

圖9 正弦與噪聲激勵(lì)的電壓

為了觀察優(yōu)化后自適應(yīng)機(jī)械開(kāi)關(guān)的優(yōu)勢(shì)，采用頻率為54 Hz的正弦激勵(lì)，選擇6種不同的懸臂梁振幅分別采用自適應(yīng)機(jī)械開(kāi)關(guān)SSHI電路、電子斷路器SSHI電路、標(biāo)準(zhǔn)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，自適應(yīng)機(jī)械開(kāi)關(guān)電路的負(fù)載功率高于電子斷路器電路，且遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)電路，隨著懸臂梁幅值的增大，自適應(yīng)機(jī)械開(kāi)關(guān)電路的優(yōu)勢(shì)更明顯，這表明所提出的自適應(yīng)機(jī)械開(kāi)關(guān)性能良好。

圖10 不同電路的負(fù)載功率

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種采用粘性材料作為移動(dòng)電極的自適應(yīng)機(jī)械開(kāi)關(guān)。分別采用正弦和噪聲激勵(lì)進(jìn)行系統(tǒng)仿真，參數(shù)研究表明，在正弦激勵(lì)下低剛度、高阻尼的移動(dòng)電極材料更利于能量采集，而在噪聲激勵(lì)下移動(dòng)電極材料的參數(shù)有一最優(yōu)區(qū)間，在最優(yōu)區(qū)間內(nèi)SSHI電路的能量提取效率較高，同樣的負(fù)載能夠獲得更高的功率。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是正弦激勵(lì)還是噪聲激勵(lì)，所提出的自適應(yīng)機(jī)械開(kāi)關(guān)能很好地自適應(yīng)懸臂梁的幅值，并且所采集到的負(fù)載功率明顯高于電子斷路器電路和標(biāo)準(zhǔn)電路，SSHI電路的能量提取效率明顯提高。