從電機(jī)的振動(dòng)中進(jìn)行能量收集

能量微型采集在為監(jiān)控電機(jī)所需的無(wú)線傳感器供電方面發(fā)揮著特別重要的作用。通過收集電機(jī)運(yùn)行中固有的振動(dòng)能量，無(wú)線傳感器可以實(shí)現(xiàn)零功率性能和電機(jī)運(yùn)行壽命。工程師可以利用Cymbet，Linear Technology，Microchip Technology，Mide Technology和Texas Instruments等制造商提供的各種可用傳感器，微控制器，無(wú)線IC和開發(fā)套件，加速零功耗無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)的產(chǎn)品開發(fā)。 。

雖然電機(jī)故障可能由于各種原因而發(fā)生，但它們通常會(huì)逐漸發(fā)生，從而出現(xiàn)隨時(shí)間推移而增強(qiáng)的警告信號(hào)。隨著溫度的變化，典型電機(jī)的振動(dòng)特性提供了電機(jī)性能和最終失效的有用指標(biāo)（圖1）。

（a）

（b）

圖1：電機(jī)的工作特性反映在其頻率特性中，如在無(wú)負(fù)載工作的簡(jiǎn)單直流電機(jī)的頻域特征變化中所見（a）在負(fù)荷（b）下。 （由飛思卡爾半導(dǎo)體公司提供。）

通過監(jiān)控電機(jī)性能和運(yùn)行特性的變化，工程師可以在電機(jī)停止運(yùn)行之前預(yù)測(cè)各種機(jī)械故障。因此，工廠操作員可以在災(zāi)難性故障可能導(dǎo)致工廠停工或甚至造成危及生命的情況之前更換電機(jī)。

為監(jiān)控電機(jī)運(yùn)行，振動(dòng)能量收集驅(qū)動(dòng)的無(wú)線傳感器提供了一個(gè)特別引人注目的解決方案。通過從電機(jī)振動(dòng)中清除能量，這些零功率設(shè)計(jì)可以保持有效的連續(xù)運(yùn)行，而無(wú)需更換電池。這些設(shè)計(jì)的核心是專用電路從振動(dòng)傳感器中提取能量 - 作為專用于傳感器數(shù)據(jù)采集和無(wú)線通信的應(yīng)用電路的能量采集電源（圖2）。

圖2：在典型的能量收集無(wú)線傳感器中，全波橋式整流器和穩(wěn)壓器為專用于傳感器數(shù)據(jù)采集和通信的應(yīng)用電路提供電源的基本元件。 （由Mide Technology提供。）

對(duì)于振動(dòng)傳感器本身，壓電設(shè)備提供了一種簡(jiǎn)單，低成本的能量收集源。懸臂式壓電器件，例如Mide Technology的Volture系列，包括兩個(gè)電隔離的壓電晶片。它們可以單獨(dú)使用，串聯(lián)連接以增加電壓，或并聯(lián)連接以增加電流輸出。在典型的能量收集設(shè)計(jì)中，由于兩個(gè)方向的偏轉(zhuǎn)，這種類型的換能器的輸出是AC波形。在給定的工作電壓下，壓電器件產(chǎn)生與其偏轉(zhuǎn)成比例的功率（圖3）。

圖3：懸臂式壓電器件產(chǎn)生與其偏轉(zhuǎn)成比例的功率。 （由Mide Technology提供。）

為了從壓電器件獲得最大能量，工程師需要確保器件以其諧振頻率工作，并且該頻率與振動(dòng)電機(jī)的頻率相匹配 - 與典型情況一起使用時(shí)是一件簡(jiǎn)單的事情60或120 Hz電機(jī)，應(yīng)用簡(jiǎn)單。對(duì)于更復(fù)雜的振動(dòng)環(huán)境，工程師可以使用Mide VR001等設(shè)備來確定振動(dòng)源的振動(dòng)特性。在找到光源的主要振動(dòng)頻率后，工程師可以簡(jiǎn)單地將質(zhì)量增加到典型的懸臂式壓電器件，以改變其諧振頻率（圖4）。

圖4：典型的壓電器件在其工作電壓等于其開路電壓時(shí)產(chǎn)生最大功率，提供了一種相對(duì)簡(jiǎn)單的最大化方法這些設(shè)備的輸出功率。 （由Mide Technology提供。）

通過適當(dāng)調(diào)諧的壓電裝置，最大化能量傳遞成為使負(fù)載與壓電等效阻抗相匹配的問題。在典型應(yīng)用中，壓電和負(fù)載阻抗可視為一個(gè)簡(jiǎn)單的電阻分壓器，包括壓電的等效阻抗和負(fù)載的阻抗。在這種情況下，當(dāng)壓電和負(fù)載阻抗值相等時(shí)發(fā)生最大功率傳輸，這對(duì)應(yīng)于壓電輸入工作電壓等于其開路電壓的一半的工作點(diǎn)。

專業(yè)的能量收集設(shè)備，如凌力爾特公司的LTC3588-1，允許設(shè)計(jì)人員將工作電壓設(shè)置在所需的水平，以最大限度地提高傳感器的功率輸出。事實(shí)上，LTC3588-1提供完整的能量收集解決方案，包括全波橋式整流器和同步降壓轉(zhuǎn)換器，以最大化壓電器件的能量輸出。對(duì)于簡(jiǎn)單的應(yīng)用，LTC3588-1僅需要少量外部元件即可實(shí)現(xiàn)完整的能量采集電源（圖5）。

圖5：凌力爾特公司LTC3588-1集成了全波橋式整流器和降壓穩(wěn)壓器，可以設(shè)計(jì)壓電能量采集無(wú)線設(shè)計(jì)，帶有壓電設(shè)備，如Mide V21BL和少量附加組件。 （由Linear Technology提供。）

Mide提供EHE004能量收集模塊，該模塊結(jié)合了LTC3588-1和相關(guān)組件，與合適的Mide Volture壓電設(shè)備結(jié)合使用時(shí)可提供插入式能量收集解決方案。 EHE004模塊允許工程師為每個(gè)Volture器件中的成對(duì)壓電晶片選擇串聯(lián)或并聯(lián)配置。

在實(shí)際的無(wú)線傳感器中，能量采集電源的穩(wěn)態(tài)功率輸出可能不足以滿足與無(wú)線數(shù)據(jù)通信相關(guān)的峰值需求。因此，工程師將如上所述的基本能量收集電路與電荷存儲(chǔ)和電池管理功能相結(jié)合。

例如，線性LTC4071電池充電器IC等設(shè)備可以添加少量附加組件到前面描述的基本能量收集電源（圖6）。這里，LTC4071設(shè)置為低于薄膜電池允許的最大浮動(dòng)電壓的浮動(dòng)電壓，同時(shí)使用NTC熱敏電阻監(jiān)控電池溫度。除了低電池?cái)嚅_等附加功能外，LTC4071還具有低至550 nA的工作電流，可以從極低功率電源進(jìn)行充電。

圖6 ：對(duì)于電池管理，LTC4071等設(shè)備可以擴(kuò)展基本的能量收集電源，以支持薄膜電池等外部存儲(chǔ)設(shè)備。 （由Linear Technology提供。）

Cymbet CBC915 EnerChip?EP（能量處理器）IC等設(shè)備提供能量收集和存儲(chǔ)管理的集成功能。為了確保傳感器的最佳功率輸出，CBC915使用最大峰值功率跟蹤（MPPT）算法來確保與傳感器輸出阻抗匹配。此外，CBC915還具有多種工作模式，并提供所需的電源管理功能，以確保對(duì)外部存儲(chǔ)設(shè)備（如Cymbet EnerChip CBC050）進(jìn)行適當(dāng)?shù)某潆娍刂坪捅Ｗo(hù)。

Cymbet的CBC-EVAL-09套件將CBC915，EnerChip薄膜存儲(chǔ)設(shè)備和相關(guān)電路組合在一塊印刷電路板上，使工程師能夠加快對(duì)能量收集設(shè)計(jì)的理解和實(shí)施。 Cymbet設(shè)計(jì)的CBC-EVAL-09與德州儀器（TI）eZ430-RF2500無(wú)線演示套件配合使用，提供預(yù)構(gòu)建的參考設(shè)計(jì)，以幫助開發(fā)能量收集無(wú)線傳感器應(yīng)用。

對(duì)于數(shù)據(jù)管理和傳輸，工程師可以找到各種可用的低功耗收發(fā)器和MCU（參見TechZone文章“超低功耗MCU實(shí)現(xiàn)能量采集設(shè)計(jì)”）。與同類產(chǎn)品中的其他MCU一樣，Microchip PIC18LF14K22等IC提供多種節(jié)能模式，同時(shí)集成了全部通常所需的硬件功能，提供片上功能，包括ADC，模擬比較器，電壓基準(zhǔn)和多個(gè)定時(shí)器。對(duì)于無(wú)線電傳輸，Microchip MRF24J40MA IC等器件提供低功耗2.4 GHz，802.15.4無(wú)線電解決方案。

結(jié)論

能量收集技術(shù)為監(jiān)控工廠，商業(yè)和住宅設(shè)備和電器中的電機(jī)運(yùn)行提供了一種特別有效的方法。使用電機(jī)振動(dòng)作為能源，零功率無(wú)線傳感器可以提供關(guān)于電機(jī)運(yùn)行甚至即將發(fā)生的故障模式的關(guān)鍵信息。利用可用的IC和開發(fā)套件，工程師可以設(shè)計(jì)出能夠滿足各種特定應(yīng)用要求的振動(dòng)供電無(wú)線傳感器，同時(shí)從電機(jī)本身的振動(dòng)中提取能量。