`با گسترش تجهیزات الکترونیکی کم‌مصرف، نیاز به منابع تغذیه‌ای که بدون وابستگی به باتری‌های بزرگ یا تعویض مداوم آن‌ها بتوانند انرژی مورد نیاز سیستم را تأمین کنند، بیش از گذشته احساس می‌شود. یکی از فناوری‌های نوین در این حوزه، برداشت انرژی از محیط است که امکان تبدیل انرژی‌های هدررفته مانند ارتعاشات مکانیکی به انرژی الکتریکی را فراهم می‌کند. در میان روش‌های مختلف برداشت انرژی، استفاده از خم‌کننده‌های پیزوالکتریک به دلیل بازده مناسب، ساختار ساده و قابلیت استفاده در ابعاد کوچک، جایگاه ویژه‌ای پیدا کرده است.

در این شبیه‌سازی، عملکرد یک سیستم برداشت انرژی مبتنی بر خم‌کننده پیزوالکتریک مورد بررسی قرار می‌گیرد. هدف اصلی سیستم، تبدیل ارتعاشات مکانیکی به انرژی الکتریکی، ذخیره این انرژی در باتری و در نهایت تأمین توان مورد نیاز یک بار الکتریکی است. چنین ساختاری در بسیاری از سامانه‌های کم‌مصرف که نیازمند استقلال انرژی هستند، کاربرد فراوانی دارد و می‌تواند بدون نیاز به تعویض مداوم باتری، انرژی لازم را از محیط اطراف دریافت کند.

کاربردهای سیستم برداشت انرژی پیزوالکتریک

برداشت‌کننده‌های انرژی پیزوالکتریک در طیف گسترده‌ای از کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرند. تجهیزات پوشیدنی، حسگرهای صنعتی، سامانه‌های پایش سلامت سازه‌ها، حسگرهای نصب‌شده روی خودروها، تجهیزات اینترنت اشیا و بسیاری از سامانه‌های هوشمند از جمله کاربردهایی هستند که می‌توانند از این فناوری بهره‌مند شوند. در تمامی این کاربردها، ارتعاشات محیط به عنوان یک منبع رایگان انرژی در نظر گرفته شده و به انرژی الکتریکی قابل استفاده تبدیل می‌شوند.

مزیت مهم این روش، کاهش وابستگی به منابع تغذیه خارجی و افزایش طول عمر تجهیزات است. به همین دلیل امروزه طراحی و شبیه‌سازی چنین سیستم‌هایی در نرم‌افزار Matlab و Simulink اهمیت فراوانی پیدا کرده است.

معرفی ساختار کلی سیستم

سیستم برداشت انرژی مورد بررسی از سه بخش اصلی تشکیل شده است که هر کدام وظیفه مشخصی را بر عهده دارند. این بخش‌ها شامل خم‌کننده پیزوالکتریک، یکسوساز تمام موج و مبدل DC-DC از نوع Buck هستند. همکاری صحیح این سه قسمت باعث می‌شود انرژی مکانیکی به صورت مؤثر به انرژی الکتریکی قابل استفاده تبدیل شود.

در ابتدا خم‌کننده پیزوالکتریک انرژی ارتعاشی را دریافت کرده و آن را به ولتاژ متناوب تبدیل می‌کند. سپس مدار یکسوساز این ولتاژ متناوب را به ولتاژ مستقیم تبدیل کرده و در ادامه مبدل Buck سطح ولتاژ را تنظیم می‌کند تا بیشترین توان ممکن به بار و باتری منتقل شود.

نحوه عملکرد خم‌کننده پیزوالکتریک

در این شبیه‌سازی، انتهای چپ خم‌کننده پیزوالکتریک به یک جسم در حال ارتعاش متصل شده است. این ارتعاش باعث حرکت اجباری خم‌کننده می‌شود. در سمت دیگر، یک جرم اضافی قرار گرفته که به دلیل وجود جرم، اینرسی و خاصیت الاستیکی تیر پیزوالکتریک، حرکت آن دقیقاً همزمان با سمت ورودی نیست.

همین اختلاف حرکت سبب ایجاد تغییر شکل در ماده پیزوالکتریک می‌شود. مواد پیزوالکتریک دارای خاصیتی هستند که هنگام تغییر شکل مکانیکی، بار الکتریکی تولید می‌کنند. در نتیجه بین پایانه‌های الکتریکی خم‌کننده، ولتاژ و جریان تولید شده و امکان برداشت انرژی فراهم می‌شود.

میزان انرژی تولید شده به عوامل مختلفی مانند دامنه ارتعاش، فرکانس ارتعاش، جرم انتهایی، خواص مکانیکی تیر و مشخصات ماده پیزوالکتریک بستگی دارد.

عملکرد مدار یکسوساز

ولتاژ تولید شده توسط خم‌کننده پیزوالکتریک از نوع متناوب است و امکان استفاده مستقیم از آن برای شارژ باتری وجود ندارد. به همین دلیل از یک مدار یکسوساز تمام موج استفاده می‌شود.

این مدار شامل چهار دیود و یک خازن فیلتر است. دیودها وظیفه تبدیل ولتاژ متناوب به ولتاژ مستقیم را بر عهده دارند، در حالی که خازن باعث کاهش ریپل ولتاژ شده و خروجی یکنواخت‌تری ایجاد می‌کند. وجود این بخش نقش مهمی در افزایش کیفیت انرژی انتقالی به مرحله بعد دارد.

عملکرد مبدل Buck

پس از یکسوسازی، انرژی وارد مبدل کاهنده ولتاژ یا Buck Converter می‌شود. وظیفه این بخش تنظیم ولتاژ خروجی و انتقال حداکثر توان ممکن به بار است. همچنین این مبدل از برگشت توان از باتری به سمت برداشت‌کننده جلوگیری می‌کند و انتقال انرژی را تنها در یک جهت امکان‌پذیر می‌سازد.

در این شبیه‌سازی، کنترل مبدل به صورت حلقه باز انجام شده است. یک مولد پالس با فرکانس کلیدزنی و سیکل کاری ثابت، عملکرد کلید قدرت را کنترل می‌کند. البته در کاربردهای واقعی، اگر فرکانس ارتعاش ثابت نباشد یا ارتعاش دارای هارمونیک‌های مختلف باشد، معمولاً از کنترل‌کننده‌های حلقه بسته استفاده می‌شود تا بازده برداشت انرژی در شرایط مختلف افزایش یابد.

فرآیند شارژ باتری و تغذیه بار

در ابتدای عملکرد سیستم، انرژی تولید شده توسط برداشت‌کننده صرف شارژ باتری می‌شود. با افزایش انرژی ذخیره شده، باتری به همراه برداشت‌کننده به صورت همزمان انرژی مورد نیاز یک بار با توان ثابت را تأمین می‌کنند.

این روش باعث می‌شود حتی در شرایطی که میزان انرژی برداشت شده کاهش پیدا می‌کند، باتری بتواند کمبود انرژی را جبران کرده و عملکرد سیستم بدون وقفه ادامه یابد.

بررسی منبع ارتعاش سینوسی

در اولین حالت، منبع ارتعاش دارای فرکانس ثابت و شکل موج سینوسی است. این شرایط مشابه موتور خودرویی است که با سرعت ثابت در حال کار کردن باشد. در چنین حالتی فرکانس ارتعاش تغییر نمی‌کند و سیستم فرصت کافی برای رسیدن به شرایط پایدار دارد.

نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که در انتهای زمان تحلیل، توان خروجی برابر با 68.7864 میلی‌وات به دست آمده است. این مقدار نشان‌دهنده عملکرد مناسب برداشت‌کننده انرژی در شرایطی است که فرکانس تحریک تقریباً ثابت باقی می‌ماند.

از دیدگاه مکانیکی، خم‌کننده پیزوالکتریک همانند یک تیر انعطاف‌پذیر دارای فرکانس طبیعی ارتعاش است. زمانی که فرکانس ارتعاش منبع به این فرکانس طبیعی نزدیک شود، دامنه نوسان افزایش یافته و بیشترین میزان انرژی الکتریکی تولید خواهد شد.

در این شبیه‌سازی مشاهده می‌شود که فرکانس منبع تقریباً به فرکانس تشدید نزدیک است و به همین دلیل سیستم تقریباً حداکثر توان قابل دستیابی را تولید می‌کند.

بررسی منبع ارتعاش Chirp

در حالت دوم، از یک سیگنال Chirp با فرکانس متغیر استفاده شده است. این نوع تحریک شرایطی را شبیه‌سازی می‌کند که سرعت موتور به تدریج افزایش یا کاهش پیدا می‌کند و در نتیجه فرکانس ارتعاش نیز به صورت پیوسته تغییر می‌کند.

نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که توان خروجی در انتهای زمان تحلیل برابر با 0.71398 میلی‌وات است که نسبت به حالت قبل مقدار بسیار کمتری محسوب می‌شود.

علت این موضوع آن است که تنها در بخشی از زمان شبیه‌سازی، فرکانس تحریک به محدوده فرکانس تشدید نزدیک می‌شود. در این بازه زمانی، توان خروجی افزایش پیدا می‌کند اما پس از عبور فرکانس از مقدار تشدید، دامنه ارتعاش کاهش یافته و توان تولیدی نیز افت می‌کند.

این رفتار نشان می‌دهد که عملکرد برداشت‌کننده‌های پیزوالکتریک وابستگی بسیار زیادی به تطابق فرکانس تحریک با فرکانس طبیعی سیستم دارد. هرچه این دو مقدار به یکدیگر نزدیک‌تر باشند، بازده تبدیل انرژی افزایش خواهد یافت.

اهمیت فرکانس تشدید در طراحی سیستم

یکی از مهم‌ترین پارامترهای طراحی در سیستم‌های برداشت انرژی پیزوالکتریک، فرکانس تشدید است. مهندسان معمولاً ابعاد خم‌کننده، جرم انتهایی و ویژگی‌های مکانیکی سیستم را به گونه‌ای انتخاب می‌کنند که فرکانس طبیعی آن با فرکانس غالب ارتعاش محیط منطبق شود.

در بسیاری از کاربردهای صنعتی، شرایط کاری ثابت نیست و فرکانس ارتعاش دائماً تغییر می‌کند. به همین دلیل امروزه روش‌های مختلفی برای تنظیم فرکانس تشدید یا استفاده از کنترل‌کننده‌های هوشمند توسعه یافته است تا سیستم بتواند در محدوده وسیع‌تری از فرکانس‌ها بازده مناسبی داشته باشد.

مزایای شبیه‌سازی در Matlab

شبیه‌سازی این سامانه در Matlab امکان بررسی همزمان رفتار مکانیکی، الکتریکی و الکترونیک قدرت را فراهم می‌کند. طراح می‌تواند بدون نیاز به ساخت نمونه واقعی، عملکرد خم‌کننده پیزوالکتریک، مدار یکسوساز، مبدل Buck، باتری و بار را در شرایط مختلف تحلیل کند.

همچنین امکان تغییر پارامترهایی مانند فرکانس تحریک، جرم انتهایی، مشخصات مواد پیزوالکتریک، مقدار خازن، سیکل کاری مبدل و بسیاری از پارامترهای دیگر وجود دارد. این قابلیت باعث کاهش هزینه طراحی، کوتاه شدن زمان توسعه محصول و افزایش دقت طراحی نهایی خواهد شد.

جمع‌بندی

این شبیه‌سازی عملکرد یک سیستم برداشت انرژی مبتنی بر خم‌کننده پیزوالکتریک را به صورت کامل بررسی می‌کند. انرژی حاصل از ارتعاشات مکانیکی ابتدا توسط خم‌کننده پیزوالکتریک به انرژی الکتریکی تبدیل شده، سپس توسط یکسوساز تمام موج به ولتاژ مستقیم تبدیل می‌شود و در ادامه مبدل Buck وظیفه تنظیم ولتاژ و انتقال بهینه توان به باتری و بار را بر عهده می‌گیرد.

نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد زمانی که فرکانس منبع ارتعاش به فرکانس تشدید سیستم نزدیک باشد، بیشترین توان خروجی تولید می‌شود. در مقابل، تغییرات پیوسته فرکانس باعث کاهش متوسط توان برداشت شده خواهد شد. این موضوع اهمیت طراحی صحیح فرکانس طبیعی سیستم و استفاده از روش‌های کنترلی مناسب را به خوبی نشان می‌دهد. استفاده از Matlab برای شبیه‌سازی چنین سامانه‌هایی، محیطی قدرتمند برای تحلیل، طراحی و بهینه‌سازی سیستم‌های برداشت انرژی فراهم می‌کند و امکان ارزیابی عملکرد آن‌ها را پیش از پیاده‌سازی عملی در اختیار پژوهشگران و مهندسان قرار می‌دهد.

“`