人力發(fā)電裝置中負(fù)荷調(diào)節(jié)電路的設(shè)計(jì)與研究

曹增玲,張金婭,王 巖,曹自平

(1.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003;2.中國(guó)人民解放軍73685部隊(duì),江蘇 南京 210018)

人力發(fā)電裝置中負(fù)荷調(diào)節(jié)電路的設(shè)計(jì)與研究

曹增玲1,張金婭1,王 巖2,曹自平1

(1.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003;2.中國(guó)人民解放軍73685部隊(duì),江蘇 南京 210018)

伴隨著全球能源的不斷減少和新型便攜式電子設(shè)備的迅速發(fā)展，越來越多的研究者嘗試制作各種從環(huán)境中采集能量的裝置，尤其是一些便攜式的人體發(fā)電裝置。但這些裝置往往會(huì)給使用者帶來額外的運(yùn)動(dòng)負(fù)擔(dān)，這種不靈活性嚴(yán)重限制了人體發(fā)電裝置的市場(chǎng)發(fā)展。針對(duì)這種發(fā)電裝置的局限性，設(shè)計(jì)和制作了一個(gè)應(yīng)用在人力發(fā)電裝置中的負(fù)荷調(diào)節(jié)電路。該設(shè)計(jì)是通過單片機(jī)采集外部信息后發(fā)出一組不同占空比的矩形脈沖來控制人力發(fā)電裝置負(fù)載電路的閉合狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)節(jié)發(fā)電裝置對(duì)使用者所產(chǎn)生的負(fù)荷。該調(diào)節(jié)電路可以根據(jù)發(fā)電裝置使用者不同的體力狀態(tài)來調(diào)整發(fā)電裝置所產(chǎn)生的負(fù)荷和發(fā)電量，以減輕使用者的負(fù)擔(dān)。在不同的條件下，對(duì)該發(fā)電裝置所產(chǎn)生的力矩進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置可以調(diào)節(jié)發(fā)電裝置所產(chǎn)生負(fù)荷的大小。

能量采集;人力發(fā)電裝置;負(fù)荷調(diào)節(jié);力矩

1 概 述

隨著微電子技術(shù)、通信技術(shù)和新材料技術(shù)的飛速發(fā)展，人類開始使用由這些技術(shù)發(fā)展起來的各種微小型電子設(shè)備。通常這些電子設(shè)備使用一次或二次電池供電，但電池電量畢竟有限，這些設(shè)備在工作時(shí)，需要頻繁地更換電池或充電，從而使設(shè)備的應(yīng)用存在諸多不便。由于人體自身就是一個(gè)能量攜帶者，由圖1可知，人體活動(dòng)所表現(xiàn)的能量形式之一是機(jī)械能，并且這些機(jī)械能往往具有相對(duì)較高的能量密度[1]。于是，一些研究者開始嘗試從人體的各種生理活動(dòng)和運(yùn)動(dòng)中采集能量，并把這些能量轉(zhuǎn)換為電能，從而為攜帶的各種電子設(shè)備供電[2]。

隨著人體能量采集技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，研究者們先后開發(fā)出了各種人力發(fā)電裝置，比如手搖發(fā)電器、發(fā)電跑步機(jī)、發(fā)電背包、發(fā)電鞋、拉線式發(fā)電器等[3]。需要指出的是，當(dāng)人們利用這些人力發(fā)電裝置時(shí)，都會(huì)使人額外增加一定的負(fù)荷，從而消耗一定的體力[4]。考慮到這些發(fā)電裝置的使用者存在著體力差別，即便是同一使用者在不同的身體狀態(tài)下也存在體力差別[5]，因此若使用者希望人力發(fā)電裝置的使用負(fù)載能與自己的體力相匹配，則往往需要改變發(fā)電裝置對(duì)人體所產(chǎn)生的負(fù)荷[6]。

文中設(shè)計(jì)和制作了一種負(fù)荷調(diào)節(jié)電路，通過簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)電路上某一可變信號(hào)，便可以達(dá)到發(fā)電裝置的使用負(fù)載與其使用者的體力相匹配的效果[7]。

2 負(fù)荷調(diào)節(jié)電路的設(shè)計(jì)與制作

文獻(xiàn)[8]中所設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)發(fā)電裝置把小腿向下的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成一個(gè)電磁式發(fā)電機(jī)中轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電。雖然發(fā)電量可觀，但其體積較大且重量過重，無法滿足普通民眾的消費(fèi)需求。而文中設(shè)計(jì)的負(fù)荷調(diào)節(jié)電路，可以賦予文獻(xiàn)[9]中的發(fā)電裝置以智能識(shí)別和判斷的功能，根據(jù)使用者的不同行走狀態(tài)和體力狀況來調(diào)整發(fā)電裝置的發(fā)電量及對(duì)人體產(chǎn)生的負(fù)荷，從而使得發(fā)電裝置使用舒適、輕便。

當(dāng)發(fā)電裝置給能量存儲(chǔ)單元或用電設(shè)備等負(fù)載供電時(shí)，供電電流會(huì)在發(fā)電機(jī)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，成為阻礙發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的阻力，大大加重了裝置使用者本身所需的體力，從而可能影響人的正常活動(dòng)，給使用者造成不便[10]。為了使裝置使用者能夠較為輕松地承受供電電流在發(fā)電機(jī)中所產(chǎn)生的阻力，可以適當(dāng)斷開電路，減小發(fā)電電機(jī)的電流，從而減輕阻力，消除使用者的負(fù)擔(dān)[11]。負(fù)荷調(diào)節(jié)電路的電路框圖如圖2所示。

由圖2可知，該負(fù)荷調(diào)節(jié)電路是通過單片機(jī)來采集用戶選擇信息并通過微MOS管實(shí)現(xiàn)對(duì)供電電路的開關(guān)控制。該電路中設(shè)有5個(gè)檔位，在不同檔位下負(fù)載電路通斷的時(shí)間不同，電機(jī)的阻力不同，也就意味著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)所需的力矩大小不同。用戶可根據(jù)自身體力狀況通過檔位選擇鍵來選擇一個(gè)自適應(yīng)模式，單片機(jī)通過一個(gè)IO口采集到用戶的選擇模式，然后向微MOS管發(fā)出對(duì)應(yīng)占空比的脈沖，如圖3(a)、(b)所示，進(jìn)而控制MOS管所連接負(fù)載電路的通斷。

圖2 負(fù)荷調(diào)節(jié)電路的電路框圖

圖3 不同占空比的矩形波

該負(fù)荷調(diào)節(jié)電路中只設(shè)置了5個(gè)檔位選擇鍵，可根據(jù)需要增加或減少檔位鍵的個(gè)數(shù)，使控制更加靈活。

3 測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)與制作

由于發(fā)電裝置使用者的體力因人而異，攜帶發(fā)電裝置的舒適程度會(huì)大不相同，所以文獻(xiàn)[12]中的裝置結(jié)構(gòu)并不適合所有人。而影響使用者負(fù)荷的因素有三種，分別為電路負(fù)載大小、電機(jī)轉(zhuǎn)速以及該裝置中所設(shè)置的檔位。為了更好地檢測(cè)設(shè)計(jì)的性能，進(jìn)行了多組控制變量的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

為了更準(zhǔn)確地描述該負(fù)荷調(diào)節(jié)電路的特性，從兩個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試：

電路的外部負(fù)載固定時(shí)，測(cè)試在不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速下力矩大小與占空比的關(guān)系；

電機(jī)的轉(zhuǎn)速固定時(shí)，測(cè)試在不同的電路外部負(fù)載下力矩大小與占空比的關(guān)系。

由于人的行走速度不可精確控制，實(shí)驗(yàn)中采用單片機(jī)程序控制一個(gè)步進(jìn)電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)來模擬人體行走時(shí)下肢的勻速擺動(dòng)，由步進(jìn)電機(jī)來帶動(dòng)發(fā)電裝置中的高速三相電機(jī)。通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)以不同的速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)同軸帶動(dòng)一個(gè)圓形轉(zhuǎn)盤，圓形轉(zhuǎn)盤上設(shè)有一個(gè)條形孔與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連接，因此當(dāng)步進(jìn)電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，發(fā)電電機(jī)也會(huì)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)使用力矩測(cè)試儀便可測(cè)出當(dāng)前速度下的力矩大小。測(cè)試裝置的整體實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 測(cè)試裝置的整體結(jié)構(gòu)圖

4 負(fù)荷調(diào)節(jié)電路測(cè)試

針對(duì)不同負(fù)載、不同速度、不同檔位，文中對(duì)力矩大小進(jìn)行了測(cè)試，并將測(cè)試數(shù)據(jù)整合成數(shù)據(jù)表進(jìn)行比較分析。

4.1 不同轉(zhuǎn)速下的力矩變化

所用步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°，該次測(cè)試中設(shè)置了5種速度，即電機(jī)每轉(zhuǎn)1.8°的時(shí)間分別設(shè)為7.5 ms、6 ms、4.5 ms、3 ms及1 ms，經(jīng)過計(jì)算可知其對(duì)應(yīng)的5種轉(zhuǎn)速分別為Speed1：0.67 r/s；Speed2：0.83 r/s；Speed3：1.11 r/s；Speed4：1.67 r/s；Speed5：5 r/s。

單片機(jī)通過輸出PWM波經(jīng)過微MOS管來控制負(fù)載電路的通斷時(shí)間，該測(cè)試中設(shè)置了5種檔位，分別對(duì)應(yīng)5種占空比。其中，1檔PWM波的占空比為1/5,2檔PWM波的占空比為1/4,3檔PWM波的占空比為1/3,4檔PWM波的占空比為1/2,5檔PWM波的占空比為1。占空比為1時(shí)說明電路一直處于接通狀態(tài)。

測(cè)試中保持負(fù)載為10 Ω不變，取Speed3和Speed5兩種不同速度，分別繪制出力矩隨占空比的大小變化的折線圖，如圖5所示。其中，速度低為Speed3，速度高為Speed5。

圖5 不同速度下力矩隨占空比的變化圖

由圖5可知，當(dāng)電路負(fù)載不變時(shí)，電路接通的時(shí)間越長(zhǎng)、電機(jī)的轉(zhuǎn)速越大，所需的力矩越大。即當(dāng)用戶使用發(fā)電裝置時(shí)，所選的檔位越大，活動(dòng)越劇烈用戶的負(fù)荷越重，用戶活動(dòng)起來越費(fèi)力。

4.2 不同負(fù)載下的力矩變化

由于不同的負(fù)載會(huì)使得電路中的電流大小不同，從而電機(jī)的轉(zhuǎn)子阻力會(huì)發(fā)生變化[13]，導(dǎo)致發(fā)電裝置使用者的用力會(huì)有所不同。因此對(duì)負(fù)載電路中的負(fù)載大小對(duì)所需力矩的影響進(jìn)行了測(cè)試。

測(cè)試中，在速度為Speed3的情況下，分別取10 Ω和100 Ω兩種不同的負(fù)載電阻，測(cè)試不同占空比下力矩的大小，并繪制出在兩種負(fù)載下力矩隨占空比的大小變化的折線圖，如圖6所示。

圖6 不同負(fù)載下力矩隨占空比的變化圖

由圖6可知，當(dāng)速度不變時(shí)，電路接通的時(shí)間越長(zhǎng)、負(fù)載電路的電阻越小，所需的力矩越大。即當(dāng)用戶使用發(fā)電裝置時(shí)，所選的檔位越大、電路負(fù)載越小，使用者的負(fù)荷量就越大，活動(dòng)越困難。

5 結(jié)束語

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，當(dāng)用戶使用上述發(fā)電裝置時(shí)，負(fù)載電路的電阻越小、運(yùn)動(dòng)程度越劇烈、所選的按鍵檔位越高，使用者的負(fù)荷量就越重。不論是在不同速度還是在不同負(fù)載下，檔位的變化都會(huì)明顯改變力矩的大小。所以，當(dāng)用戶使用人力發(fā)電裝置時(shí)，如果感到負(fù)荷太重，除了可以減緩運(yùn)動(dòng)，還可以選擇較低的檔位，此時(shí)雖然會(huì)降低發(fā)電裝置的發(fā)電量，但也會(huì)明顯減輕使用者的負(fù)擔(dān)，使其更符合廣大用戶的需求。

基于以上結(jié)論，所設(shè)計(jì)的人力發(fā)電裝置中的負(fù)荷調(diào)節(jié)電路可以根據(jù)使用者體力情況靈活選擇穿戴模式，在高效發(fā)電的同時(shí)又能保證穿戴的舒適程度，更符合人體生理特性[14]。雖然如此，但該裝置仍有較大的改進(jìn)空間，在體積重量上仍可以繼續(xù)朝著微型化發(fā)展。因此，負(fù)荷調(diào)節(jié)電路的設(shè)計(jì)還需要大量的研究和實(shí)驗(yàn)。

[1] 陳仁文.新型環(huán)境能量采集技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2011.

[2] 許澤剛,謝少軍.人體動(dòng)能收集的發(fā)電裝置研究[J].常州工學(xué)院學(xué)報(bào),2007,20(4):12-17.

[3] 劉偉達(dá).便攜式設(shè)備鋰電池充電技術(shù)研究[D].杭州：杭州電子科技大學(xué),2013.

[4] 韓 磊.基于單兵人體發(fā)電裝置的研究[D].太原：中北大學(xué),2015.

[5] 尹軍茂.穿戴式下肢外骨骼機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)[D].北京:北京工業(yè)大學(xué),2010.

[6] 劉紅俊,陳定方,陶孟侖,等.壓電式振動(dòng)能量采集器的響應(yīng)特性與實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2015,31(6):28-30.

[7] 馬新芳.便攜式設(shè)備電源管理研究[D].武漢:華中師范大學(xué),2008.

[8] Xie L,Cai M.An in-shoe harvester with motion magnification for scavenging energy from human foot strike[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2015,20(6):1.

[9] Yun J,Patel S N,Reynolds M S,et al.Design and performance of an optimal inertial power harvester for human-powered devices[J].IEEE Transactions on Mobile Computing,2011,10(5)：669-683.

[10] Chen R,Ren L,Xia H,et al.Energy harvesting performance of a dandelion-like multidirectional piezoelectric vibration energy harvester[J].Sensors & Actuators A Physical,2015,230:1-8.

[11] Abdi H,Mohajer N,Nahavandi S.Human passive motions and a user-friendly energy harvesting system[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures,2013,25(8):923-936.

[12] Yang W,Chen J,Zhu G,et al.Harvesting energy from the natural vibration of human walking[J].Acs Nano,2013,7(12):11317-11324.

[13] Fafoutis X,Sorensen T,Madsen J.Energy harvesting-wireless sensor networks for indoors applications using IEEE 802.11[J].Procedia Computer Science,2014,32:991-996.

[14] Kim D G,Yun S N,Ham Y B.Energy harvesting strategy piezoelectric element driven by vibration method[J].Wireless Sensor Network,2014,2(2):100-107.

Design and Research of Load Regulation Circuit in Human Power Generation Device

CAO Zeng-ling1,ZHANG Jin-ya1,WANG Yan2,CAO Zi-ping1

(1.College of Telecommunications and Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China;2.Troop 73685 of PLA,Nanjing 210018,China)

With the decrease of global energy and the rapid development of a new type of portable electronic devices,there are more and more research about all kinds of devices to collect harvest energy from environment,especially the portable human power generation device.But these devices tend to bring extra movement burden to users and such inflexibility seriously limits its market development.Aiming at the limitation of the power generation device,a load regulation circuit used in a human power generation device is designed and made.The design controls the status of the load circuit by a group of different duty cycle rectangular pulse which is sent by SCM after acquiring the external information.The status will help power generation device to adjust user’s load.Different physical status of user will correspond to different loads and generating capacities of power generation device.In this way,users will feel more comfortable.An experiment which tests the torque generated by the power generating unit in different conditions proves the device’s ability of adjusting user’s load.

energy harvesting;human power generation device;adjusting load;torque

2016-04-01

2016-08-11

時(shí)間：2017-01-10

教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET-13-0871)；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(61372044)；江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目(14KJA510002)

曹增玲(1990-),女，碩士，研究方向?yàn)槟芰坎杉蛡鞲屑夹g(shù)；曹自平，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槟芰孔跃S護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)及綠色無線傳感網(wǎng)技術(shù)。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170110.1019.048.html

TP31

A

1673-629X(2017)03-0152-03

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.03.031