【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于振动能量收集领域，更具体地，涉及一种在全迟滞范围能级跳跃的非线性振动能量收集系统。
技术介绍
1、振动能量收集技术旨在利用环境中广泛存在的振动能量产生电能，为低功耗无线传感器网络供电，以减少甚至替代传统电池的使用，降低无线传感器网络的维护成本。目前振动能量收集的方法主要有电磁式、压电式、静电式等。其中，电磁式振动能量收集依靠磁铁和线圈的相对运动将振动能转化为电能，是一种高功率密度、高可靠性的振动能量收集方法。
2、非线性振动能量采集器(nveh)作为电磁式振动能量收集的一种，可以提升振动能量收集器的工作带宽。nveh具有非线性的弹簧恢复力，如吸引力或排斥力、非线性拉伸力和不对称几何形状产生的非线性力等。非线性恢复力使得振子在某些频带内呈现出多个稳定响应，从而产生具有不同能级的多个输出轨道。而振子具体工作在哪个轨道上，则完全由其初始条件决定。如果振子恰好在低能量轨道上工作，输出功率将大大降低。因此，使用非线性恢复力特性来提高能量收集带宽的前提，是需要确保振子能够持续稳定地工作在高能量的轨道上。也就是说，当振子恰好工作在为低能级状态时，需要一种能级跳跃技术来迫使nveh从低能级轨道转移到稳定的最高能量轨道上。
3、目前已经提出了一些能级跳跃技术，如使用高电压源刺激、刚度调制、屈度调制等。然而，当振子接近最高振动状态时，目前已有的方法仍然无法实现可靠的能级跳跃，也即，目前已有的方法无法实现在全迟滞范围内实现可靠能级跳跃。此外，目前已有的方法需要接入高压电源、需要手动操作或者需要激光位移传感器等辅助
技术实现思路
1、针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种在全迟滞范围能级跳跃的非线性振动能量收集系统，其目的在于使非线性振动能量收集系统在全迟滞范围内实现能级跳跃，并能够独立运行，不需要手动操作和辅助设备。
2、为实现上述目的，按照本专利技术的第一方面，提供了一种在全迟滞范围能级跳跃的非线性振动能量收集系统，包括：非线性电磁式振动能量收集器和电能变换装置；
3、所述非线性电磁式振动能量收集器包括主线圈和辅助线圈；所述辅助线圈重叠绕制在所述主线圈表面；
4、所述电能变换装置包括h桥ac-dc电路、参考信号运算电路、pwm产生电路、粘性阻尼系数及刚度系数控制模块；
5、所述主线圈与所述h桥ac-dc电路相连，以向负载充电；
6、所述参考信号运算电路用于对所述辅助线圈的输出电压分别进行比例运算和积分运算，以得到所述h桥ac-dc电路的电压参考信号vref；
7、所述pwm产生电路用于根据所述电压参考信号vref生成pwm信号对所述h桥ac-dc电路进行控制，以使所述h桥ac-dc电路的输出电压与所述电压参考信号vref一致；
8、所述粘性阻尼系数及刚度系数控制模块用于调节所述比例运算的增益和所述积分运算的增益，以对应改变所述非线性电磁式振动能量收集器的粘性阻尼系数c和线性刚度系数k1，进而实现在全迟滞范围内的能级跳跃或能量收集。
9、进一步地，所述粘性阻尼系数及刚度系数控制模块实现在全迟滞范围内的能级跳跃，具体包括：
10、调节所述非线性电磁式振动能量收集器的比例运算增益gainp_eh和积分运算增益gaini_eh，以对应改变所述粘性阻尼系数c和所述线性刚度系数k1，以所述非线性电磁式振动能量收集器的临界上升频率ωu大于或小于环境振动频率ω为目标，得到调节后对应的增益gainp_oj和gaini_oj；其中，若所述非线性电磁式振动能量收集器的立方刚度系数k3＞0，则ωu＞ω，否则，ωu＜ω；gainp_eh和gaini_eh分别是工作在低能级状态且处于能量收集模式的非线性电磁式振动能量收集器对应的比例运算增益和积分运算增益；
11、将调节后的增益gainp_oj和gaini_oj对应平滑回调至gainp_eh和gaini_eh，以使所述非线性电磁式振动能量收集器跃迁至最高能级状态。
12、进一步地，平滑回调过程中，每一步调节的增益为：
13、
14、
15、其中，gainp_n为将gainp_oj平滑回调至gainp_eh过程中每一步调节的增益；gaini_n为将gaini_oj平滑回调至gaini_eh过程中每一步调节的增益；n表示平滑回调增益的步数，n＝0，1，2……，t是衡量平滑程度的系数。
16、进一步地，gaini_oj的计算过程包括：
17、若k3＞0，则求解不等式ωu＞ω，并根据临界上升频率ωu、环境振动频率ω与所述线性刚度系数k1之间的函数关系，得到增益调节后的线性刚度系数k1′的临界值；
18、根据公式计算得到积分运算增益的临界值gaini_临界，则gaini_oj＜gaini_临界；其中，rc表示主线圈电阻，θm和θa分别是主线圈和辅助线圈的机电耦合系数；
19、若k3<0，则求解不等式ωu＜ω，并根据临界上升频率ωu、环境振动频率ω与所述线性刚度系数k1之间的函数关系，得到增益调节后的线性刚度系数k1′的临界值；
20、根据公式计算得到积分运算增益的临界值gaini_临界，则gaini_oj＞gaini_临界；
21、gainp_oj设置为：gainp_oj＝θm/θa。
22、进一步地，所述非线性电磁式振动能量收集器工作在能量收集模式时，所述比例运算增益gainp_eh和所述积分运算增益gaini_eh的计算方式为：
23、以所述主线圈输出功率peh大于0为约束，根据所述主线圈输出功率peh、所述比例运算增益和所述积分运算增益之间满足的关系，调配所述比例运算增益gainp_eh和所述积分运算增益gaini_eh。
24、进一步地，所述非线性电磁式振动能量收集器工作在等效阻抗为纯电阻的能量收集模式时，所述积分运算增益gaini_eh＝0；
25、所述比例运算增益gainp_eh的计算方式为：
26、
27、其中，rload为预设的系统等效电阻，rc表示主线圈电阻，θm和θa分别是主线圈和辅助线圈的机电耦合系数。
28、进一步地，所述非线性电磁式振动能量收集器还包括：外壳、非线性平面弹簧及磁铁；
29、所述非线性平面弹簧固定在所述外壳两端，所述磁铁的两端均通过连接件固定在所述非线性平面弹簧上，所述主线圈环绕所述磁铁上下表面绕制在所述外壳的凹槽中。
30、进一步地，所述h桥ac-dc电路的两个上管采用pmos管，两个下管采用两个nmos管。
31、进一步地，所述粘性阻尼系数及刚度系数控制模块搭载在间歇性工作的单片机上。
32、按照本专利技术的第二方面，提供了一种在全迟滞范围能级跳跃的方法，采用第一方面任一项所述的在全迟滞范围能级跳跃的非线性振动能量收集系统本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种在全迟滞范围能级跳跃的非线性振动能量收集系统，其特征在于，包括：非线性电磁式振动能量收集器和电能变换装置；
2.根据权利要求1所述的在全迟滞范围能级跳跃的非线性振动能量收集系统，其特征在于，所述粘性阻尼系数及刚度系数控制模块实现在全迟滞范围内的能级跳跃，具体包括：
3.根据权利要求2所述的在全迟滞范围能级跳跃的非线性振动能量收集系统，其特征在于，平滑回调过程中，每一步调节的增益为：
4.根据权利要求2或3所述的在全迟滞范围能级跳跃的非线性振动能量收集系统，其特征在于，GainI_OJ的计算过程包括：
5.根据权利要求2或3所述的在全迟滞范围能级跳跃的非线性振动能量收集系统，其特征在于，所述非线性电磁式振动能量收集器工作在能量收集模式时，所述比例运算增益GainP_EH和所述积分运算增益GainI_EH的计算方式为：
6.根据权利要求2或3所述的在全迟滞范围能级跳跃的非线性振动能量收集系统，其特征在于，所述非线性电磁式振动能量收集器工作在等效阻抗为纯电阻的能量收集模式时，所述积分运算增益GainI_EH＝0；>
7.根据权利要求1所述的在全迟滞范围能级跳跃的非线性振动能量收集系统，其特征在于，所述非线性电磁式振动能量收集器还包括：外壳、非线性平面弹簧及磁铁；
8.根据权利要求1所述的在全迟滞范围能级跳跃的非线性振动能量收集系统，其特征在于，所述H桥AC-DC电路的两个上管采用Pmos管，两个下管采用两个Nmos管。
9.根据权利要求1所述的在全迟滞范围能级跳跃的非线性振动能量收集系统，其特征在于，所述粘性阻尼系数及刚度系数控制模块搭载在间歇性工作的单片机上。
10.一种在全迟滞范围能级跳跃的方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的在全迟滞范围能级跳跃的非线性振动能量收集系统实现在全迟滞范围能级跳跃。
...【技术特征摘要】
1.一种在全迟滞范围能级跳跃的非线性振动能量收集系统，其特征在于，包括：非线性电磁式振动能量收集器和电能变换装置；
2.根据权利要求1所述的在全迟滞范围能级跳跃的非线性振动能量收集系统，其特征在于，所述粘性阻尼系数及刚度系数控制模块实现在全迟滞范围内的能级跳跃，具体包括：
3.根据权利要求2所述的在全迟滞范围能级跳跃的非线性振动能量收集系统，其特征在于，平滑回调过程中，每一步调节的增益为：
4.根据权利要求2或3所述的在全迟滞范围能级跳跃的非线性振动能量收集系统，其特征在于，gaini_oj的计算过程包括：
5.根据权利要求2或3所述的在全迟滞范围能级跳跃的非线性振动能量收集系统，其特征在于，所述非线性电磁式振动能量收集器工作在能量收集模式时，所述比例运算增益gainp_eh和所述积分运算增益gaini_eh的计算方式为：
6.根据权利要求2或3所述的...
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