一种用于智能车间物联制造执行过程的多源一体化微电源

技术领域

本发明涉及微电源与自供能的传感器节点、无线传感器网络领域，特别涉及到一种用于智能车间物联制造执行过程的多源一体化微电源。

背景技术

智能制造技术的发展促进了全球产业的变革，加快了我国制造业由传统制造模式向智能制造模式的转变速度，在未来很长的一段时间内，中国的制造业仍会朝着智能制造方向发展。可以将新兴的信息技术与制造业融合，实现制造执行过程管理的智能化，从而实现制造车间的智能化。因此，在制造业中引入物联网技术，实现制造资源物物相连，对制造执行过程的现场信息进行实时感知、传输和处理，满足车间生产的动态需求对实现制造车间的数字化、网络化及智能化至关重要。

随着物联网技术在制造业的广泛应用，这种以信息感知技术为驱动力的制造系统—物联制造系统，有力地推动着智能制造向自动化、信息化、集成化、绿色化方向发展。制造物联是将网络、嵌入式、RFID、传感器等电子信息技术与制造技术相融合，实现对产品制造与服务过程及全生命周期中制造资源与信息资源的动态感知、智能处理与优化控制的一种新型制造模式和信息服务模式。制造物联给制造业信息化注入了新内涵，是提升企业竞争力的重要技术途径。其中无线传感网络(Wireless Sensor Network，WSN)作为物联网的关键技术，是实现物联制造执行过程(机床监测(颤振监测、过载监测)、刀具监测(刀具磨损监测、刀具破损监测)、工件质量监测(表面粗糙度监测、尺寸精度监测、变形监测等))、车间环境监测(如温度、湿度、噪声监测等)的重要手段，也是制造物联的重要技术支撑。

智能车间的无线传感网络是一种由大量分布的、具有实时感知和自组织能力的传感器节点组成的网状网络，随着传感器节点数量的增加、传感节点的设置环境-智能车间更加复杂，WSN的供电问题日益突出，如何为这些无线传感节点供电已成为未来制约WSN发展的关键问题之一。目前，给WSN供电的方式主要有两种，即利用市电的有线供电方式和电池供电方式。对于电池供电普遍使用干电池或充电电池供电，但是，由于电池的存储能量有限，导致其工作寿命短，需要定期更换电池或给电池充电，这对于大量安置在智能车间的传感节点，更换成本十分高昂甚至无法实现，而且更换下来的电池会造成环境的污染。对于市电的有线供电，需要为每个传感节点配一根电缆，接到市电源开关上，要实现这个过程，必须花费很大的人力去布置市电源开关及电缆，而且要求安装人员无差错的给每个传感节点配置电缆与市电源开关，布置电缆及电源开关一定要合理，并且要求放置的电缆在监测的过程中不会被破坏。整个过程对测试人员来说非常繁琐，会带来很多不便，如果传感节点过多，布置的电缆及电源开关甚至会引起视觉混乱。此外，随着无线传感节点向着智能化、多功能化(可同时采集和处理多种物理信息)以及超低功耗的方向发展，无线传感节点对供电电源的要求更加苛刻，例如，要求供电电源能够同时提供不同电压等级的供电电压，以满足不同传感器或电路模块的供电电压需求。

在智能车间物联制造执行过程中，结构件的切削变形会产生能量，这部分切削变形能最终会变成结构件表面的热能消耗在结构件表面，增加结构件表面损坏的风险，所以可以使用结构件变形能量采集装置将结构件变形能转化为电能，在减缓结构件变形能对结构件表面损坏的同时，使用微电源将结构件变形能转化的电能收集、存储起来，然后将稳定的电能供给传感器节点等微电子设备。

在智能车间物联制造执行过程中，普遍存在切削振动，严重危害了结构件表面质量、机床和刀具寿命及加工效率，一种有效减少切削振动危害的办法是使用振动能量采集装置将切削振动源的切削振动能转化为电能，进而减少物联制造执行过程中切削振动对工件、机床及刀具的危害，但转化的电能不能直接应用于传感器节点供能，需要使用微电源将切削振动能转化的电能收集、存储起来，然后将稳定的电能供给传感器节点等微电子设备。

在智能车间物联制造执行过程中出现的冲击、挤压和撕裂均会产生切削噪声，并且刀具和被加工的结构件是主要的切削噪声源，切削噪声的存在会使工作人员情绪烦躁、易怒，注意力不集中，降低工作效率，甚至可能成为意外事故的隐患，对工作人员各方面都非常不利。作为一种潜在的可再生能源，声能具有广阔的发展和利用前景。可以采用声能采集装置吸收切削噪声，降低切削噪声对工作人员的危害，并将切削噪声能量转化成电能，但切削噪声转化的电能并不能直接应用于传感器节点供能，需要使用微电源将电能收集、存储起来，然后将稳定的电能供给传感器节点等微电子设备。

在智能车间物联制造执行过程中，结构件在刀具作用下发生弹性和塑性变形所消耗的工、切屑与刀具前刀面的摩擦所消耗的工、结构件与刀具后面的摩擦所消耗的功的绝大部分会转变成切削热，切削热由切屑、刀具、工件及周围介质传出，其中传入切屑和周围介质的热量对加工无直接影响，但是传入刀具的热量使切削区的温度升高，刀具的温度升高，磨损加剧，会影响刀具的使用寿命。切削热传入结构件，结构件温度升高，产生热变形，影响加工精度。因此可以使用热能采集装置将有害的切削热能转化为电能存储利用，进而减少切削热的危害，同时可以使用微电源高效收集与存储转化的电能，为传感器节点等微电子设备的自供电提供一种理想的解决方案。

切削振动、切削噪声、结构件变形能量采集装置中将机械能转化为电能的方法包括电磁转化、静电转化和压电转化。电磁能量采集装置利用切削振动能量、切削噪声能量、结构件变形能量使线圈与磁场相对运动，发生作用产生电流，其线圈体积大、耗能多，俘能效果不佳。静电能量采集装置利用切削振动能、切削噪声能、结构件变形能改变极板间的关系，从而改变电容量大小。若令电量一定，则电容减小时电压升高；而令电压一定，则电容减小时电量增大。其优点是在微机电系统中容易与电路部分整合，体积小；但因其极板间空气薄膜具有较大阻尼效应和极板间距离不能太小而难以微型化，所以静电能量采集转置也不常用。压电能量采集装置利用切削振动、切削噪声、结构件变形引起压电材料变形，进而引起其内部正负电荷中心分离，产生极化电压，极化电压驱动极板上的自由电荷定向流动而输出电能，压电能量采集装置具有力电转换效率高、能耗低、成本低、结构简单、易于加工、不受电磁干扰、利于微型化等优点，因此在智能车间物联制造执行过程中使用压电式能量采集装置将切削振动能、切削噪声能及结构件变形能转化成电能。

切削热能量采集装置包括热电发生器、薄膜热电发生器。热电发生器的核心组件是一组热电偶，它包括一个N型与一个P型半导体，两者由金属板相连。在P型与N型材料对端的导电连接构成了一个完整电路。当热电偶存在热梯度时(即顶部比底部热)，热电发生器(TEG)工作。在该情况下，器件产生电压并形成电流，根据赛贝克效应，切削热能转化为电能。将这些热电偶组串联，则形成热电模块。若热量在该模块顶部与底部之间流动(形成温度梯度)，则可产生电压并形成电流。薄膜热电发生器是指由薄膜技术制造的TEG，能量转化的性能得到提高，从而提高它们作为能量源的能力，并且薄膜热电发生器比传统TEG小而且薄，有望利用工业标准生产方法进行直接集成。所以使用薄膜热电发生器将智能车间物联制造执行过程中切削热转化成电能，在减小切削热危害的同时，使用能量收集装置高效收集存储转化的电能，为传感器节点等微电子设备供能。

综上所述，传统的市电或电池供电方式已无法满足WSN对电源的特殊要求。随着WSN规模的不断扩大，迫切需要一种自供电、免维护、低成本、小巧轻便、易安置的供电技术，能够为WSN提供稳定和长久的供电电源。一种有效的解决方法是使用能量采集装置采集智能车间物联制造执行过程存在的切削振动能、切削热能、切削噪声能、结构件变形能，将切削振动能、切削热能、切削噪声能、结构件变形能转换成电能并且存储起来，为无线传感器节点提供稳定和长久的能量，从而彻底解决没有市电供应和需要频繁更换电池的问题。

发明专利“一种基于MEMS振动能量采集器的无线传感器微电源”(CN106100447B),通过压电式振动能量采集器将环境中的振动能转化为电能，该电能经能量管理芯片BQ25504作用后存储在储能元件内。但是该微电源使用可充电锂电池作为储能元件进行能量存储，导致自身体积庞大，无法突破高比能固态存储技术，并且该微电源仅对环境中的振动能量进行采集与转换，环境能量利用效率较低。

针对上述问题，本发明拟设计一种用于智能车间物联制造执行过程的多源一体化微电源，随着压电能采集装置将制造执行过程中的切削振动能、切削噪声能、结构件变形能均转化成电能输出到该微电源、薄膜式热电发生器将制造执行过程中的切削热能转化成电能输出到该微电源，该微电源利用LTC3588-1芯片及其外围电路、BQ25504芯片及其外围电路，对输入的电能进行耦合收集、转换并传递到能量管理模块进行存储、直流-直流变换，并且使用全固态平面微型超级电容器作为储能元件，对能量收集模块输出的直流电能进行存储，利用ADP1612芯片及外围电路、TPS650061芯片及外围电路实现输出电压可调式设计，输出5V、3.3V、1.8V、1.2V等多种电压满足不同负载需求，利用微控制器MSP430FR5867及外围电路对能量存储单元存储的电压及能量管理单元的输出电压进行监测，实现单元间的协调工作与安全保护。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明公开了一种用于智能车间物联制造执行过程的多源一体化微电源，本发明将能量收集模块、能量管理模块及能量监控模块一体化集成满足感知节点等微电子设备供电需求的微电源，高效收集与存储智能车间物联制造执行过程中切削振动能转化的电能、切削热能转化的电能、切削噪声能转化的电能、结构件变形能转化的电能，为感知节点等微电子设备提供持续、稳定的直流电压。有效解决智能制造车间中感知节点等微电子设备存在的无线供能难题。

本公开的实施例提供一种用于智能车间物联制造执行过程的多源一体化微电源，它可以包括：能量收集模块，包括能量收集单元，所述能量收集单元用于高效收集智能车间物联制造执行过程中切削振动能转化的电能、切削热能转化的电能、切削噪声能转化的电能及结构件变形能转化的电能，并且对收集的多源电能进行耦合；能量管理模块，包括能量存储单元和能量管理单元，所述能量存储单元利用高比能全固态平面微型超级电容的循环稳定性实现储能容量、储能时间的最优配置；以及能量监控模块，包括监控单元、报警单元、复位单元和设置单元，所述监控单元用于监测切削振动能、切削热能、切削噪声能和结构件变形能经能量采集模块作用后储存在能量存储单元中的电压及所述能量存储单元中的电压经能量管理单元作用后的输出电压，且对能量管理单元的通断进行控制。

例如，所述能量管理单元用于实现将能量存储单元的输出电能进行DC-DC变换，输出5V、3.3V、1.8V、1.2V电压，从而满足不同负载供能需求。

例如，所述报警单元用于对能量存储单元、能量管理单元工作异常进行报警。所述复位单元用于实现能量监控模块的复位。所述设置单元用于为微控制器及外围电路提供运行所需的时钟、电压及驱动程序。

进一步的，所述能量收集模块利用超低功耗芯片LTC3588-1及其外围电路实现高效收集智能车间物联制造执行过程切削振动能转化的电能、切削噪声能转化的电能及结构件变形能转化的电能，外围电路元器件包括：第四电容、第五电容、第六电容、第七电容、第二电感，所述第四电容的一端与LTC3588-1的第三引脚连接，所述第四电容的另一端、第六电容的一端及LTC3588-1的第一引脚连接，所述第六电容的另一端与所述第七电容的另一端连接，所述第五电容一端、第二电感一端、第一二极管正极及LTC3588-1的第六引脚连接，所述第五电容另一端接地，所述第二电感另一端与LTC3588-1的第二引脚连接，所述第七电容的一端、LTC3588-1的第七引脚、LTC3588-1的第八引脚及LTC3588-1的第九引脚连接。

进一步的，所述能量收集模块利用超低功耗芯片BQ25504及其外围电路实现高效收集智能车间物联制造执行过程切削热能转化的电能，外围电路元器件包括：第一电容、第二电容、第三电容、第八电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第二极管，所述第一电容一端、第二电容一端及BQ25504的第十五引脚连接，所述第一电容另一端及第二电容另一端接地，所述第三电容一端、第一电感一端、第二电阻一端及BQ25504的第2引脚连接，所述第三电容另一端接地，所述第一电感另一端与BQ25504的第十六引脚LBST连接，所述第二电阻另一端、第四电阻一端及BQ25504的第三引脚连接，所述第四电阻的另一端接地，所述第八电容一端与BQ25504的第四引脚连接，所述第八电容的另一端接地，所述第六电阻一端、第八电阻一端及BQ25504的第六引脚连接，所述第六电阻另一端、第七电阻另一端、第五电阻另一端及BQ25504的第七引脚连接，所述第八电阻另一端接地，所述第九电阻一端、第七电阻一端及BQ25504的第八引脚连接，所述第一电阻一端与BQ25504的第十一引脚连接接地，所述第一电阻另一端、第三电阻一端及BQ25504的第十引脚连接，所述第三电阻另一端、第五电阻一端及BQ25504的第九引脚连接。

进一步的，所述能量收集模块中，在LTC3588-1芯片及BQ25504芯片的输出引脚外配置二极管1N5819，对收集的多源能量的进行耦合，所述LTC3588-1的输出引脚与第一二极管正极连接，所述BQ25504的输出引脚与第二二极管正极连接，所述第一二极管负极与第二二极管负极连接。

进一步的，所述能量管理模块的能量管理单元包括TPS650061芯片及其外围电路、ADP1612芯片及其外围电路。其中TPS650061外围电路元器件包括第九电容、第十电容、第十一电容、第十二电容、第十三电容、第十四电容、第十五电容、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第四电感，通过配置外围电路中电阻的阻值实现输出5V、3.3V、1.8V、1.2V等多种电压，满足不同负载供能需求，所述第九电容一端、TPS650061的第八引脚及TPS650061的第十引脚连接，所述第九电容另一端接地，所述第十电容一端、第十电阻一端、第十一电阻一端及TPS650061的第十九引脚连接，所示第十电容另一端接地，所述第十一电阻另一端接地，所述第十二电阻一端、S1一端及TPS650061的第一引脚连接，所述第十一电容一端与TPS650061的第二引脚连接，所述第十一电容另一端接地，所述第四电感一端、第十三电阻一端、第十三电容一端、第十二电容一端及第十六电阻一端连接，所述第十三电阻另一端、第十三电容另一端、第十四电阻一端及TPS650061的第十一引脚连接，所述第十四电阻另一端接地，所述第十二电容另一端接地，所述第十五电阻一端与TPS650061的第五引脚连接，所述第十四电容一端、TPS650061的第十三引脚及TPS650061的第十四引脚连接，所述第十四电容另一端接地，所述第十五电容一端、TPS650061的第十六引脚及TPS650061的第十七引脚连接，所述第十五电容另一端接地。其中ADP1612外围电路包括有源开关管、第三十四电容、第三十五电容、第五电感、稳压二极管、第三十六电容、第三十七电容、第二十一电阻、第二十二电阻及第二十三电阻,所述有源开关管的漏极与第三十四电容一端、第五电感一端及ADP1612第六引脚连接，所述第三十四电容另一端与ADP1612第七引脚、第三十五电容另一端、ADP1612第四引脚、第三十六电容另一端、第二十三电阻另一端及第三十七电容另一端连接接地，所述第三十五电容一端与ADP1612第八引脚连接，所述第三十六电容一端与第二十一电阻另一端连接，所述第二十一电阻一端与ADP1612第一引脚连接，所述第二十三电阻一端与第二十二电阻另一端及ADP1612第二引脚连接，所述第二十二电阻一端与第三十七电容一端及稳压二极管负极连接，所述第五电感另一端与稳压二极管正极及ADP1612第五引脚连接。

进一步的，所述能量管理模块的储能单元采用全固态平面微型超级电容器Cstr作为储能元件，所述存储电容Cstr正极与能量管理单元的有源开关的源极、能量采集单元的第一二极管负极及能量采集单元的第二二极管负极连接。

进一步的，所述能量监控模块的监控单元包括MSP430FR5867的ADC模块及I/O模块，包块MSP430FR5867的第三引脚、第十八引脚、第十九引脚、第三十引脚、第三十八引脚及第二十九引脚，所述第三引脚与能量存储单元的存储电容Cstr的正极连接，所述第十八引脚与能量管理单元中ADP1612芯片及外围电路中的第三十七电容的正极连接，所述第十八引脚与能量管理单元中TPS650061芯片及其外围电路中的第二十二电容正极连接，所述第三十引脚与能量管理单元中TPS650061芯片及其外围电路中的第二十三电容正极连接，所述第三十八引脚与能量管理单元中TPS650061芯片及其外围电路中的第二十一电容正极连接，所述第二十九引脚与能量管理单元中有源开关管的栅极连接。

进一步的，所述能量监控模块的报警单元包括MSP430FR5867的I/O口及外围蜂鸣器驱动电路，包括MSP430FR5867的第一引脚、蜂鸣器、第一三极管及第十九电阻，所述蜂鸣器正极与第一三极管的发射极连接，所述蜂鸣器负极接地，所述第一三极管集电极与能量采集模块中的第五电容正极连接，所述第一三极管基极与第十九电阻一端连接，所述单片机第一引脚与第十九电阻另一端连接。

进一步的，所述能量监控模块的复位单元包括MSP430FR5867的I/O口及外围复位电路，包括MSP430FR5867的第二十三引脚、第三二极管、第十七电阻、按键、第三十二电容及第十八电阻，所述第二十三引脚与第十八电阻一端连接，所述第十八电阻另一端与第十七电阻一端、第三二极管正极、第三十二电容一端及按键一端连接，所述第三十二电容另一端与按键另一端接地，所述第三二极管负极与第十七电阻另一端连接能量采集模块第五电容的正极。

进一步的，所述能量监控模块的设置单元包括MSP430FR5867的I/O口、外围电源电路、外围晶振电路及外围JTAG电路，包括MSP430FR5867的第三十六引脚、第三十七引脚、第四十五引脚、第四十六引脚、晶体、第二十九电容、第二十八电容、第二十七电容、第二十六电容，所述第三十六引脚与第二十六电容一端、第二十七电容负极连接接地，所述第三十七引脚与第二十六电容另一端、第二十七电容正极及能量采集模块内第五电容正极连接，所述第四十五引脚与第二十九电容正极及晶体一端连接，所述第四十六引脚与第二十八电容正极及晶体另一端连接，所述第二十九电容负极与第二十八电容负极连接。

本发明的实施例可以具有以下有益效果中的至少一个：

(1)本发明的多源一体化微电源采用LTC3588-1芯片、BQ25504芯片及周围元器构建能量收集模块，高效收集智能车间物联制造执行过程中切削振动能转化的电能、切削热能转化的电能、切削噪声能转化的电能及结构件变形转化的电能，进一步拓宽了能量收集范围，提高了环境能量利用率；

(2)本发明的多源一体化微电源选用全固态平面微型超级电容器作为储能元件，对能量收集模块输出的直流电能进行存储，微型超级电容器具有优异的柔性及循环稳定性，实现储能容量、储能时间的优化配置；

(3)本发明的多源一体化微电源使用TPS650061及周围元器件构建能量管理单元，提取能量存储单元存储的电能并输出连续、稳定可调的适合传感器等微电子设备供电需求的直流电压，从而拓宽了微电源的应用范围；

(4)本发明的多源一体化微电源为传感器节点供电不需要布设电缆，相比较有线供电，通常安装费用较低，并且可以在较短时间内部署完成；

(5)本发明的多源一体化微电源可以无限次循环收集智能车间物联制造执行过程中的切削振动能转化的电能、切削热能转化的电能、切削噪声能转化的电能及结构件变形能转化的电能，并且为传感器节点供电，与电池供电相比较，无需经常更换电池，便可以为传感器节点源源不断提供能量，节省了大量时间及费用；

(6)本发明的多源一体化微电源应用于无线传感器网络，相比较于有线供电，无线传感器网络的组建不受任何条件的限制，组建者无论在何时何地，都可以快速组建起一个功能完善的无线传感器网络，组建成功后的维护管理工作也完全在网络内部进行；

(7)本发明的多源一体化微电源使用微控制器及外围电路构建能量监控模块，使用微控制器的A/D口直接测量能量存储单元存储的电压及能量管理单元输出的电压，不需要额外加稳压电路，使得成本低且检测准确率高；

(8)本发明的多源一体化微电源使用微控制器及外围电路监控能量存储单元及能量管理单元，实现单元间协调工作与安全保护。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为根据本发明的实施例的用于智能车间物联制造执行过程的多源一体化微电源集成示意图。

图2(a)为根据本发明的实施例的切削热能收集电路原理图即BQ25504芯片及外围电路原理图。

图2(b)为根据本发明的实施例的切削振动能、切削噪声能、结构件变形能收集与转换电路原理图即LTC3588-1芯片及外围电路原理图。

图3(a)为根据本发明的实施例的能量管理模块中ADP1612芯片及外围电路原理图。

图3(b)为根据本发明的实施例的能量管理模块中TPS650061芯片及外围电路原理图。

图4(a)为根据本发明的实施例的Buck电路拓扑图。

图4(b)、(c)、(d)为根据本发明的实施例的Buck DCM等效电路拓扑图。

图4(e)为根据本发明的实施例的Buck DCM电流波形。

图5(a)为根据本发明的实施例的Boost电路拓扑图。

图5(b)、(c)为根据本发明的实施例的Boost CCM等效电路拓扑图。

图5(d)、(e)为根据本发明的实施例的Boost CCM电感的电压与电流波形。

图6为根据本发明的实施例的能量监控模块电路原理图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图，对本发明进行详细说明。

如图1所示，本公开的实施例提供一种用于智能车间物联制造执行过程的多源一体化微电源，它包括：能量收集模块，包括能量收集单元，所述能量收集单元用于收集智能车间物联制造执行过程切削振动能转化的电能、切削热转化的电能、切削噪声转化的电能及结构件变形能转化的电能，并且对收集的多源电能进行耦合；能量管理模块，包括能量存储单元和能量管理单元，所述能量存储单元利用高比能全固态平面微型超级电容的循环稳定性实现储能容量、储能时间的最优配置；以及能量监控模块，包括监控单元、报警单元、复位单元和设置单元，所述监控单元用于监测切削振动能、切削热能、切削噪声能和结构件变形能经能量采集模块作用后储存在能量存储单元中的电压及所述能量存储单元中的电压经能量管理单元作用后的输出电压，且对能量管理单元的通断进行控制。

例如，所述能量收集单元包括LTC3588-1芯片及外围电路、BQ25504芯片及外围电路。能量管理模块包括能量存储单元和能量管理单元，所述能量存储单元包括全固态平面微型超级电容器，所述能量管理单元包括TPS650061芯片及周围电路、ADP1612芯片及外围电路。能量监控模块包括监控单元、报警单元、复位单元及设置单元，其电路原理图如图6所示。所述监控单元包括MSP430FR5867的ADC模块及I/O模块，所述报警单元包括MSP430FR5867的I/O模块及外围蜂鸣器驱动电路，所述复位单元包括MSP430FR5867的复位引脚及外围复位电路，所述设置单元包括MSP430FR5867的I/O模块、电源电路、晶振电路及JTAG电路。

能量收集模块的能量收集单元中LTC3588-1芯片及外围电路收集切削振动能采集装置、切削噪声能采集装置及结构件变形能量采集装置输出的交流电(AC)，利用桥式整流器将收集的交流电(AC)转换为直流电(DC)，利用Buck型DC-DC变换器,将桥式整流电路输出的直流电能变换为高功率电能，具体变换原理如下。

Buck型DC-DC变换器的拓扑结构如图4(a)所示，该变换器包括电感L、电容C、有源开关Q以及二极管D，由于压电片的输出电能具有高电压、低电流的特性，所以设置Buck型DC-DC变换器工作于电流断续模式，设用D

在时间间隔D

V

式(1)中，V

式(2)中，i

在D

V

式(3)中，V

式(4)中，i

在(D

V

根据式(1)、式(3)、式(5)及电感的伏秒法则得到电感两端电压和输入电压的关系如下：

式(7)中，V

在时间间隔D

式(8)中，i

式(9)中，i

根据式(1)、式(8)、式(9)得到输出电压关系式为：

式(10)中，V

结合式(7)、式(10)得输入电压与输出电压的关系式为：

式(11)中，V

Buck型DC-DC变换器集成在LTC3588-1芯片内，根据输出电压要求，参考LTC3588-1设计手册并结合Buck型DC-DC变换器的变换原理，设计如图2(b)所示的切削振动能量、切削噪声能量、结构件变形能量收集电路，通过设置第五电容C5的容值来提供一个较高的电流脉冲，通过设置LTC3588-1第八引脚D0、LTC3588-1第九引脚D1的电平来选择输出3.6V电压，且传递到能量存储单元积累。

能量收集单元中BQ25504芯片及周围元器件组成的电路收集切削热能量采集装置输出的毫伏级别直流电能，由于毫伏级别的直流电能不足以支持感知节点所需，所以需要利用BQ25504芯片内部集成的Boost型DC-DC变换器，对收集的微弱电能升压到5V电压，且传递到能量存储单元进行积累，在感知节点需要时提供较大的功率支持，其中Boost型DC-DC变换器的变换原理如下。

Boost型DC-DC变换器的拓扑图如图5(a)所示，该变换器包括电感L、有源开关Q、二极管D、电容C，设计有源开关Q导通时间为D

在时间间隔D

式(12)中Δi

在时间间隔D

式(13)中Δi

由于稳态时这两个电流变化量绝对值相等，所以：

式(14)中，

化简得电压增益为：

式(15)中M为输出电压与输入电压的比值及电压增益。

由式(15)得Boost型DC-DC变换器的输出电压为：

式(16)中V

Boost型DC-DC变换器集成在BQ25504芯片内，根据输出电压要求，参考BQ25504设计手册并结合Boost型DC-DC变换器的变换原理，设计如图2(a)所示的切削热能量收集电路，通过设置第二电阻R2、第四电阻R4的阻值实现BQ25504内部最大功率的跟踪，通过设置第六电阻R6、第八电阻R8的阻值实现BQ25504过压保护，通过设置第七电阻R7、第九电阻R9的阻值实现BQ25504欠压保护，从而对切削热能量采集装置输出的微弱电能升压到3.6V，且传递到能量存储单元进行积累。

能量管理模块中的能量存储单元选用具有优异的柔性和循环稳定性的高比能全固态平面微型超级电容器作为储能元件，存储能量收集单元输出的电能，且微型超级电容器利用自身的循环稳定性，实现储能容量、储能时间的优化配置。

能量管理模块中的能量管理单元包括TPS650061及外围元器件、ADP1612及外围元器件。其中ADP1612内部集成Boost型DC-DC变换器，利用Boost型变换器对能量存储单元输出的电能进行变换，参考ADP1612设计手册并结合Boost型DC-DC变换器的变换原理设计如图3(a)所示的能量管理原理图，通过设置第二十二电阻与第二十三电阻的阻值实现输出5V直流电压。其中TPS650061内部集成2.5MHz的Buck型DC-DC转换器，利用Buck型DC-DC转换器对ADP1612输出的电能进行变换，参考TPS650061设计手册并结合Buck型DC-DC转换器的变换原理设计如图3(b)所示的能量管理电路，通过设置第十四电容C14的容值、TPS650061的第十三引脚FB_LDO1的电平及TPS650061的第十四引脚VLDO1的电平输出3.3V直流电压，通过设置第十五电容C15的容值、TPS650061的第十六引脚FB_LD02的电平输出1.8V直流电压，通过设置第十六电阻R16阻值、第十四电阻R14阻值、第十三电阻R13阻值、第十三电容C20容值及第十二电容C12容值，输出1.2V直流电压，实现为不同需求的负载供能。

能量监控模块中的监控单元由MPS430FR5867的ADC模块及I/O口模块组成，其中ADC模块用于监测切削振动能、切削热能、切削噪声能、结构件变形能经能量采集模块作用后储存在能量存储单元中的能量及能量管理单元的输出能量，监测过程如下：

MSP430FR5867上电后对ACTL寄存器编程，确定切削振动能、切削热能、切削噪声能、结构件变形能经能量采集模块作用后储存在能量存储单元中电压及存储单元电压经能量管理单元作用后输出电压的检测方式及检测范围，并且置位SOC，激活A/D时钟开始模数转换。转换过程中利用逐位逼近技术在电阻阵列上完成一次逐次逼近搜索找到能量存储单元存储的电压或者能量管理单元输出电压的电压范围，从一个电阻上得到电压V

能量监控模块中的报警单元包括MSP430FR5867的I/O口及外围蜂鸣器驱动电路，驱动过程如下：

在监控单元检测到切削振动能、切削热能、切削噪声能、结构件变形能经能量采集模块作用后储存在能量存储单元中的电压及能量管理单元的输出电压异常情况下，驱动程序控制MSP430FR5867的第一IO口输出高电平，驱动蜂鸣器发声报警。

能量监控模块中的复位单元包括MSP430FR5867的I/O口及外围复位电路，复位过程如下：

利用第十七电阻和第三十二电容组成上电复位电路，其中第十七电阻和第三十二电容的值控制该复位电路的复位时间，第十七电阻控制第三十二电容的充电电流，从而控制第三十二电容上的电压上升速率，第三十二上的电压上升到一定的数值后复位结束，进而控制复位时间的长度，第三二极管的作用是在芯片掉电之后释放掉第三十七电容上的电能，使下次上电可以继续可靠复位，按键S1组成手动复位电路，按下按键S1，MSP430FR5867的复位引脚直接接地，能量监控模块复位。

能量监控模块的设置单元包括晶振电路、电源电路及JTAG电路。

其中，晶振电路采用外部晶体方式，晶体大小为24.5MHZ，为了减少PCB布局对晶体振荡器电路的影响，将晶体尽可能的靠近MSP430FR5867，当外部晶体振荡器被使能后，振荡器幅值电路需要一端稳定时间才能到达正确的位置，至少需要等待1ms，向MSP430FR5867提供外部时钟频率，为监控单元检测切削振动能、切削热能、切削噪声能、结构件变形能经能量采集模块作用后储存在能量存储单元中电压及存储单元电压经能量管理单元作用后的输出电压提供动力。

其中，电源电路由一个极性电容与一个无极性电容组成，利用极性电容过滤掉切削振动能、切削热能、切削噪声能、结构件变形能经能量采集模块作用后输出的3.6V电压在起始及结束时产生的尖峰，从而为MSP430FR5867及外围电路提供工作所需的稳定直流电压。利用无极性电容加强极性电容的滤波作用。

其中，JTAG电路由测试时钟输入线(TCK)、测试模式选择输入线(TMS)、测试数据输入线(TDI)、测试数据输入线(TDO)、电源线(VCC)及接地线(GND)组成，当测试访问端口访问集成电路，混合IC执行边界扫描的功能，串行数据从测试数据输出线上离开芯片，边界扫描逻辑由TCK上的信号计时，且TMS信号驱动TAP控制器的状态，实现将监控单元的驱动程序下载到MSP430FR5867，为监控单元提供对切削振动能、切削热能、切削噪声能、结构件变形能经能量采集模块作用后储存在能量存储单元中的电压及能量管理单元的输出电压检测的软件程序。

本设计将LTC3588-1及外围电路、BQ25504及外围电路、TPS650061及外围电路、ADP1612及外围电路、MSP430FR5867及外围电路一体化形成一个稳定的输出可调式微电源，输出5V、3.3V、1.8V、1.2V直流电压，实现为感知节点的无线供电。其中利用LTC3588-1及外围电路高效收集智能车间物联制造执行过程中切削振动能、切削噪声能及结构件变形能转化的电能，利用超低功耗芯片BQ25504及外围电路高效收集智能车间物联制造执行过程中切削热能转化的电能，利用在LTC3588-1及BQ25504输出引脚配置1N5819型二极管将收集的多源电能进行耦合，利用高比能全固态平面微型超级电容器对耦合后的电能进行储存，利用TPS650061及外围电路、ADP1612及外围电路组成的能量管理单元将能量存储单元输出的电能变换至传感器等微电子设备所需的供电电压，利用MSP430FR5867及外围电路对能量存储单元的电压及能量管理单元的输出电压进行监控，实现单元间的协调工作及安全保护。

上述说明示出并描述了本发明的实施方法，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。