从电机的振动中进行能量收集

能量微型采集在为监控电机所需的无线传感器供电方面发挥着特别重要的作用。通过收集电机运行中固有的振动能量，无线传感器可以实现零功率性能和电机运行寿命。工程师可以利用Cymbet，Linear Technology，Microchip Technology，Mide Technology和Texas Instruments等制造商提供的各种可用传感器，微控制器，无线IC和开发套件，加速零功耗无线传感器设计的产品开发。 。

虽然电机故障可能由于各种原因而发生，但它们通常会逐渐发生，从而出现随时间推移而增强的警告信号。随着温度的变化，典型电机的振动特性提供了电机性能和最终失效的有用指标（图1）。

（a）

（b）

图1：电机的工作特性反映在其频率特性中，如在无负载工作的简单直流电机的频域特征变化中所见（a）在负荷（b）下。 （由飞思卡尔半导体公司提供。）

通过监控电机性能和运行特性的变化，工程师可以在电机停止运行之前预测各种机械故障。因此，工厂操作员可以在灾难性故障可能导致工厂停工或甚至造成危及生命的情况之前更换电机。

为监控电机运行，振动能量收集驱动的无线传感器提供了一个特别引人注目的解决方案。通过从电机振动中清除能量，这些零功率设计可以保持有效的连续运行，而无需更换电池。这些设计的核心是专用电路从振动传感器中提取能量 - 作为专用于传感器数据采集和无线通信的应用电路的能量采集电源（图2）。

图2：在典型的能量收集无线传感器中，全波桥式整流器和稳压器为专用于传感器数据采集和通信的应用电路提供电源的基本元件。 （由Mide Technology提供。）

对于振动传感器本身，压电设备提供了一种简单，低成本的能量收集源。悬臂式压电器件，例如Mide Technology的Volture系列，包括两个电隔离的压电晶片。它们可以单独使用，串联连接以增加电压，或并联连接以增加电流输出。在典型的能量收集设计中，由于两个方向的偏转，这种类型的换能器的输出是AC波形。在给定的工作电压下，压电器件产生与其偏转成比例的功率（图3）。

图3：悬臂式压电器件产生与其偏转成比例的功率。 （由Mide Technology提供。）

为了从压电器件获得最大能量，工程师需要确保器件以其谐振频率工作，并且该频率与振动电机的频率相匹配 - 与典型情况一起使用时是一件简单的事情60或120 Hz电机，应用简单。对于更复杂的振动环境，工程师可以使用Mide VR001等设备来确定振动源的振动特性。在找到光源的主要振动频率后，工程师可以简单地将质量增加到典型的悬臂式压电器件，以改变其谐振频率（图4）。

图4：典型的压电器件在其工作电压等于其开路电压时产生最大功率，提供了一种相对简单的最大化方法这些设备的输出功率。 （由Mide Technology提供。）

通过适当调谐的压电装置，最大化能量传递成为使负载与压电等效阻抗相匹配的问题。在典型应用中，压电和负载阻抗可视为一个简单的电阻分压器，包括压电的等效阻抗和负载的阻抗。在这种情况下，当压电和负载阻抗值相等时发生最大功率传输，这对应于压电输入工作电压等于其开路电压的一半的工作点。

专业的能量收集设备，如凌力尔特公司的LTC3588-1，允许设计人员将工作电压设置在所需的水平，以最大限度地提高传感器的功率输出。事实上，LTC3588-1提供完整的能量收集解决方案，包括全波桥式整流器和同步降压转换器，以最大化压电器件的能量输出。对于简单的应用，LTC3588-1仅需要少量外部元件即可实现完整的能量采集电源（图5）。

图5：凌力尔特公司LTC3588-1集成了全波桥式整流器和降压稳压器，可以设计压电能量采集无线设计，带有压电设备，如Mide V21BL和少量附加组件。 （由Linear Technology提供。）

Mide提供EHE004能量收集模块，该模块结合了LTC3588-1和相关组件，与合适的Mide Volture压电设备结合使用时可提供插入式能量收集解决方案。 EHE004模块允许工程师为每个Volture器件中的成对压电晶片选择串联或并联配置。

在实际的无线传感器中，能量采集电源的稳态功率输出可能不足以满足与无线数据通信相关的峰值需求。因此，工程师将如上所述的基本能量收集电路与电荷存储和电池管理功能相结合。

例如，线性LTC4071电池充电器IC等设备可以添加少量附加组件到前面描述的基本能量收集电源（图6）。这里，LTC4071设置为低于薄膜电池允许的最大浮动电压的浮动电压，同时使用NTC热敏电阻监控电池温度。除了低电池断开等附加功能外，LTC4071还具有低至550 nA的工作电流，可以从极低功率电源进行充电。

图6 ：对于电池管理，LTC4071等设备可以扩展基本的能量收集电源，以支持薄膜电池等外部存储设备。 （由Linear Technology提供。）

Cymbet CBC915 EnerChip™EP（能量处理器）IC等设备提供能量收集和存储管理的集成功能。为了确保传感器的最佳功率输出，CBC915使用最大峰值功率跟踪（MPPT）算法来确保与传感器输出阻抗匹配。此外，CBC915还具有多种工作模式，并提供所需的电源管理功能，以确保对外部存储设备（如Cymbet EnerChip CBC050）进行适当的充电控制和保护。

Cymbet的CBC-EVAL-09套件将CBC915，EnerChip薄膜存储设备和相关电路组合在一块印刷电路板上，使工程师能够加快对能量收集设计的理解和实施。 Cymbet设计的CBC-EVAL-09与德州仪器（TI）eZ430-RF2500无线演示套件配合使用，提供预构建的参考设计，以帮助开发能量收集无线传感器应用。

对于数据管理和传输，工程师可以找到各种可用的低功耗收发器和MCU（参见TechZone文章“超低功耗MCU实现能量采集设计”）。与同类产品中的其他MCU一样，Microchip PIC18LF14K22等IC提供多种节能模式，同时集成了全部通常所需的硬件功能，提供片上功能，包括ADC，模拟比较器，电压基准和多个定时器。对于无线电传输，Microchip MRF24J40MA IC等器件提供低功耗2.4 GHz，802.15.4无线电解决方案。

结论

能量收集技术为监控工厂，商业和住宅设备和电器中的电机运行提供了一种特别有效的方法。使用电机振动作为能源，零功率无线传感器可以提供关于电机运行甚至即将发生的故障模式的关键信息。利用可用的IC和开发套件，工程师可以设计出能够满足各种特定应用要求的振动供电无线传感器，同时从电机本身的振动中提取能量。