学科专业：计算机科学与技术
论文题目：应用于无线传感网络的压电环境能量采集自供电系统研究
答 辩 人：陈楠
指导老师：魏廷存 教授
时 间：2018年1月19日9: 00
地 点：西北工业大学友谊校区毅字楼522会议室
一、学位论文简介
随着无线传感网络的迅速发展，超低功耗的智能传感器数量急剧增加，要求传感节点的供电系统具有自供电、免维护、低成本、小巧轻便的特点。能够采集周围微弱环境能量并将其有效地转换为电能的自供电系统，未来将取代电池，成为无线传感节点的最重要供电方式之一。由于压电材料可将机械能转换为电能，且具有体积小和能量密度大的特点，压电能量采集器被广泛应用于各种环境能量采集系统中。本文致力于面向无线传感网络应用的压电能量采集自供电系统的研究与实现，重点研究针对激励频度低且不规则的周围环境压电能量的高效采集和转换技术，主要的创新点包括：
（1）提出了一种具有休眠模式的低功耗压电能量采集电路。考虑到非连续随机压电能量的特征，提出了具有休眠模式的低功耗压电能量采集电路，当压电能量采集器产生电能时，采集电路与压电能量采集器的阻抗相匹配，以实现最大能量的采集和传输，而当没有电能产生时，采集电路进入休眠模式，以节约电能。与无休眠模式相比，有休眠模式时压电能量采集电路的效率提高了18.6%。
（2）提出了一种快速自启动电路。为了实现能量采集电路的自供电和冷启动，提出了一种由电阻和电容等无源器件组成的快速自启动电路。该启动电路能够获取输入端的电能为整体采集电路提供供电电源，因此无需外部供电，即使储能设备的电能被完全耗尽，当有外部输入能量时也能迅速启动。
（3）针对冲击压电能量采集器，提出了分段式动态阻抗匹配技术。针对激励频度较低的冲击压电能量采集器，提出了分段式动态阻抗匹配技术，以提高能量采集效率。该技术首先检测压电能量采集器的冲击周期和振动周期，然后通过改变采集电路的输入阻抗，使其分别与压电能量采集器在冲击周期和振动周期的输出阻抗相匹配，以实现最大能量的采集和传输，尤其在外界输入能量较低的情况下（例如风速较慢的微风能量），可有效地提高能量采集效率。与采用固定阻抗匹配技术相比，采用分段式动态阻抗匹配技术时，能量采集电路的效率最大可提高9.8%。
（4）针对数字控制高频DC-DC开关变换器，提出了基于δ算子的数字控制器设计方法。对于数字控制高频DC-DC开关变换器，利用位移算子（z-1）设计数字控制器时，存在离散系统与连续系统的拟合精度低、系统稳定性差以及有限字长的影响大等问题。为此，本文提出了基于δ算子的数字控制器设计方法，采用δ算子设计实现的数字控制器，具有系统稳定性好、控制精度高以及对有限字长不敏感的优点。
（5）针对数字控制高频DC-DC开关变换器，提出了基于邻周期采样策略的数字V2双环控制算法。在数字V2双环控制算法中，数字控制器的内环基于输出电压的纹波控制，外环基于输出电压误差的D-PID控制。与现有的电压/电流双环控制算法相比，数字V2双环控制算法具有系统瞬态响应速度快和无需采集电感电流的优点。仿真结果表明，与数字电压/电流双环控制算法相比，当发生3倍的负载扰动时，数字V2双环控制算法的系统恢复时间加快了3倍。
基于提出的压电能量采集技术，针对采集道路减速带上的机械能和自然界的微风环境能量，本文设计实现了专用的压电能量采集自供电系统以及电源管理系统，可为无线传感网络提供稳定的自供电电源。本文的研究成果对研发微弱环境压电能量采集自供电系统以及数字控制电源管理系统以及数字控制电源管理系统具有重要的理论意义和实用价值。
二、攻读博士学位期间以第一作者（或导师第一）发表的与学位论文相关的学术论文
[1] Nan Chen, WEI Tingcun, Dong Sam Ha, Hyun Jun Jung. Alternating Resistive Impedance Matching for an Impact-Type Micro Wind Piezoelectric Energy Harvester[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2018.（SCI，JCR一区, IF=7.168，已录用，对应论文第四章）
[2] Nan Chen, Wei Tingcun, Hyun Jun Jung, Soobum Lee. Quick Self-Start and Minimum Power-Loss Management Circuit for Impact-Type Micro Wind Piezoelectric Energy Harvesters [J]. Sensors &Actuators A: Physical, 263(2017): 23-29. (SCI: 000409149900003, JCR二区, IF=2.499，对应论文第四章).
[3] Nan Chen, Hyun Jun Jung, Hamid Jabbar, Tae Hyun Sung, Tingcun Wei. A Piezoelectric Impact-induced Vibration Cantilever Energy Harvester from Speed Bump with a Low-power Power Management Circuit [J]. Sensors & Actuators A: Physical, 254(2017): 134-144. (SCI: 000392674400017, JCR二区，IF=2.499，对应论文第三章)
[4]陈楠, 魏廷存, 陈笑. 邻周期采样的数字控制DC-DC 开关变换器 [J]. 电机与控制学报, 2016, 20(7): 58-64.（EI: 20160501862248，对应论文第五章）
[5] Nan Chen, WEI Tingcun. Battery-free Power Management Circuit for Impact-type Micro Wind Piezoelectric Energy Harvester [C]. The 9th IEEE Energy Conversion Congress & Exposition (ECCE 2017), Cincinnati, Ohio, USA, October 2017.（EI待索引，对应论文第四章）
[6] Nan Chen, Wei Tingcun, Jung H. A Self-Start Power Management Circuit for the Piezoelectric Energy Harvester of Speed Bump [C]. The 60th IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS 2017), Boston, MA, USA, August 2017.（EI: 20174704413486，对应论文第三章）
[7] Nan Chen, Wei Tingcun, Jung H. Circuit Design for an Impact-type Piezoelectric System for Micro-wind Energy Harvesting [C]. The 26th IEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISIE 2017), Edinburgh, Scotland, UK, June2017.（EI: 20173904218937，对应论文第四章）
[8] Nan Chen, WEI Tingcun, CHENXiao, LI Feng. Cycle-borrow Digital Valley Current Control of Buck DC-DC Convert [C]. The 9th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA 2014), Hang Zhou, China, June2014.（EI:20144900270786，对应论文第五章）
[9]陈楠，魏廷存，郑铉俊，成台铉，河东三.应用于道路减速带的压电能量采集器及其采集电路[P]，国家发明专利，授权专利号：ZL201610458437.9，授权公告日：2017年11月14日.（对应论文第三章）
