(57)【要約】【課題】消費電力を小さくして最大電力点追従制御をすることができる電力制御回路及びそれを備えた発電システムを提供すること。【解決手段】電力制御回路は、コンバータ４と、信号発生回路７と、電力計測処理部５と、制御回路６とを備える。コンバータ４は、スイッチング回路を有し、発電機の出力電圧を変圧する。信号発生回路７は、コンバータ４のスイッチング回路を動作させる。電力計測処理部５は、発電機２の出力電圧とスイッチング回路の動作に基づいた発電機の発電電力を計測する。制御回路６は、発電電力を最大化するように信号発生回路７を制御する。【選択図】図１
2019216584.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング回路を有し、発電機の出力電圧を変圧するコンバータと、
前記コンバータの前記スイッチング回路を動作させる信号発生回路と、
前記スイッチング回路の動作を変更するための制御回路と、
を備える電力制御回路。
【請求項２】
前記スイッチング回路の動作の条件が、前記発電機から前記電力制御回路を見込む等価抵抗であって、かつ、前記発電機の発電電力を最大にする前記等価抵抗である、適正抵抗に基づき決定される、
請求項１に記載の電力制御回路。
【請求項３】
前記発電機は、可動部の機械的振動を電力に変換する振動発電機である、
請求項１又は２に記載の電力制御回路。
【請求項４】
スイッチング回路を有し、発電機の出力電圧を変圧するコンバータと、
前記コンバータの前記スイッチング回路を動作させる信号発生回路と、
前記発電機の出力電圧と前記スイッチング回路の動作に基づいた前記発電機の発電電力を計測する電力計測処理部と、
前記発電電力を最大化するように前記信号発生回路を制御する制御回路と、
を備える電力制御回路。
【請求項５】
前記制御回路は、山登り法によって前記発電電力を最大化する、
請求項４に記載の電力制御回路。
【請求項６】
前記スイッチング回路の動作の条件の閾値を出力するリファレンス出力部をさらに備え、
前記制御回路は、前記閾値に従って前記信号発生回路を制御する、
請求項４又は５に記載の電力制御回路。
【請求項７】
前記発電機は、可動部の機械的振動を電力に変換する振動発電機であって、
前記閾値は、前記機械的振動の周波数が前記発電機の固有振動数と一致しており、かつ、前記機械的振動の振動波形が正弦波状であるときに前記発電機から前記電力制御回路を見込む等価抵抗に基づいて設定される、
請求項６に記載の電力制御回路。
【請求項８】
前記発電機は、可動部の機械的振動を電力に変換する振動発電機であって、
前記発電機からの交流電力を第１の直流電力に変換して前記電力計測処理部に出力する第１の整流・平滑回路と、
前記第１の整流・平滑回路から出力される前記第１の直流電力を第２の直流電力に変換する第２の整流・平滑回路と、
をさらに備え、
前記信号発生回路と、前記電力計測処理部と、前記制御回路とは、前記第２の整流・平滑回路から出力される前記第２の直流電力に基づいて駆動される、
請求項４乃至７の何れかに記載の電力制御回路。
【請求項９】
前記制御回路は、
前記発電機から前記電力制御回路を見込む等価抵抗に対する電力近似式の未知係数の値を算出し、
算出した前記未知係数の値から前記発電電力を最大化する前記等価抵抗である適正抵抗を算出し、
前記適正抵抗に基づいて前記信号発生回路を制御する、
請求項４又は８に記載の電力制御回路。
【請求項１０】
前記発電機は、可動部の機械的振動を電力に変換する振動発電機であって、
前記機械的振動の加速度を計測する加速度計をさらに備え、
前記制御回路は、前記加速度計によって計測された前記加速度に基づき前記適正抵抗を決定する、
請求項２に記載の電力制御回路。
【請求項１１】
前記発電機は、可動部の機械的振動を電力に変換する振動発電機であって、
前記制御回路は、前記発電機から出力された電気信号に逆特性フィルタをかけることにより前記機械的振動の加速度を推定し、前記推定した前記加速度に基づき前記適正抵抗を決定する、
請求項２に記載の電力制御回路。
【請求項１２】
前記発電機の発電電力を計測する第１の電力計測処理部と、
前記発電機の前記発電電力の閾値であるリファレンス電力を出力するリファレンス電力出力部と、
をさらに備え、
前記制御回路は、前記第１の電力計測処理部によって計測された前記発電電力と前記リファレンス電力とに基づいて前記信号発生回路を制御する、
請求項１乃至３又は１０乃至１１の何れか１項に記載の電力制御回路。
【請求項１３】
前記制御回路は、計測された前記発電電力が前記リファレンス電力以下になるように前記信号発生回路を制御する、
請求項１２に記載の電力制御回路。
【請求項１４】
前記第１の電力計測処理部は、前記発電機の出力電圧と前記スイッチング回路の動作に基づいて前記発電機の前記発電電力を計測する、
請求項１２又は１３に記載の電力制御回路。
【請求項１５】
前記リファレンス電力は、可動部の変位の閾値に基づいて設定される、
請求項１２乃至１４の何れか１項に記載の電力制御回路。
【請求項１６】
前記リファレンス電力は、前記発電機に接続される負荷における消費電力に基づいて設定される、
請求項１２乃至１５の何れか１項に記載の電力制御回路。
【請求項１７】
可動部の変位を計測する変位計測処理部と、
前記可動部の変位の閾値であるリファレンス変位を出力するリファレンス変位出力部と、
をさらに備え、
前記制御回路は、前記変位計測処理部によって計測された前記変位と前記リファレンス変位とに基づいて前記信号発生回路を制御する、
請求項１２乃至１６の何れか１項に記載の電力制御回路。
【請求項１８】
請求項１乃至１７の何れか１項に記載の電力制御回路と、
可動部の機械的振動を電力に変換する振動発電機と、
を備える発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電力制御回路及びそれを備えた発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
振動発電機は、機械的振動により発生する機械エネルギーを電気エネルギーに変換することで発電する発電機である。振動発電機により、環境振動から電力を得ることができる。環境振動は、例えば、自動車及び電車といった車両の振動、雨が地面をたたくときに生じる振動といった日常生活の中で発生する各種の振動である。振動発電機により発電された電力は、センサ等の装置に用いられる電源（例えば電池）の代替として期待されている。
【０００３】
振動発電機の発電電力を最大化するためには、振動発電機に接続される電気回路の等価抵抗が環境振動に応じた適正な値に設定されればよい。この等価抵抗を最適な値に設定するための制御法として、太陽光発電等に用いられている最大電力点追従制御が知られている。ここで、最大電力点追従制御には電力計測が欠かせない。一般的に、電力は、電圧と電流を計測し、計測された電圧と電流とを乗じることにより算出される。しかしながら、一般に電流計測に必要な電力は振動発電機の発電電力よりも大きいので、振動発電においては電流計測が困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５３６１９９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、消費電力を小さくして最大電力点追従制御をすることができる電力制御回路及びそれを備えた発電システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
電力制御回路は、コンバータと、信号発生回路と、制御回路とを有する。コンバータは、スイッチング回路を有し、発電機の出力電圧を変圧する。信号発生回路は、コンバータのスイッチング回路を動作させる。制御回路は、スイッチング回路の動作を変更する。
電力制御回路は、コンバータと、信号発生回路と、電力計測処理部と、制御回路とを備える。コンバータは、スイッチング回路を有し、発電機の出力電圧を変圧する。信号発生回路は、コンバータのスイッチング回路を動作させる。電力計測処理部は、発電機の出力電圧とスイッチング回路の動作に基づいた発電機の発電電力を計測する。制御回路は、発電電力を最大化するように信号発生回路を制御する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る発電システムを示すブロック図である。
【図２Ａ】図２Ａは、整流・平滑回路とコンバータを合わせた電気回路の一例を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、整流回路の出力電圧と平滑回路の出力電圧とを示す図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、コンバータを駆動するパルス信号の一例を示す図である。
【図３】図３は、第１の実施形態に係る発電システムの最も簡単な動作手順を示すフローチャートである。
【図４Ａ】図４Ａは、第１の実施形態において、振動発電機からの平滑電圧に基づいて計測される平滑電力と、その平滑電力をある時間間隔毎にサンプリングしたサンプリング電力のグラフである。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａの平滑電力とサンプリング電力をある時間間隔毎に比較した結果を示す図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、図４Ｂで比較した結果に基づいて回路の等価抵抗が変更された様子を示す図である。
【図５】図５は、第１の実施形態の変形例１に係る発電システムを示すブロック図である。
【図６】図６は、第１の実施形態の変形例２に係る発電システムを示すブロック図である。
【図７】図７は、整流・平滑回路３から出力される平滑電圧ｖｓ１と整流・平滑回路９から出力される平滑電圧ｖｓ２とを比較して示した図である。
【図８】図８は、等価抵抗に対する電力のグラフである。
【図９】図９は、第２の実施形態に係る発電システムの動作手順を示すフローチャートである。
【図１０Ａ】図１０Ａは、第２の実施形態において、振動発電機からの平滑電圧に基づいて計測される平滑電力と、その平滑電力をある時間間隔毎にサンプリングしたサンプリング電力のグラフである。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、回路の等価抵抗の時間変化を示すグラフである。
【図１１】図１１は、第２の実施形態の変形例２を説明するための図である。
【図１２】図１２は、第３の実施形態に係る発電システムを示すブロック図である。
【図１３】図１３は、第３の実施形態に係る発電システムの動作手順を示すフローチャートである。
【図１４Ａ】図１４Ａは、振動発電機の電力を平滑化した平滑電力と、その平滑電力をある時間間隔毎にサンプリングしたサンプリング電力と、リファレンス電力との関係を示すグラフである。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、図１４Ａの制御に伴う回路の等価抵抗ｒｅｑの時間変化を示すグラフである。
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、図１４Ａの制御に伴う回路の可動部の変位の時間変化を示すグラフである。
【図１５】図１５は、第３の実施形態の変形例１に係る発電システムを示すブロック図である。
【図１６】図１６は、第３の実施形態の変形例２に係る発電システムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。以下に説明する実施形態を通して、同一の構成要素に同一の参照符号を付すことで重ねての説明を省略する。なお、図面は、模式的又は概念的なものである。
【０００９】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る発電システム１を示すブロック図である。図１に示されるように、発電システム１は、発電機と、電力制御回路とを備える。発電機は、例えば、振動発電機２を含む。電力制御回路は、例えば、整流・平滑回路３、コンバータ４、電力計測処理部５、制御回路６、及び信号発生回路７を含む。このような発電システム１は、負荷に接続され、負荷に対して電力を供給する。負荷は、センサ等の任意の装置であって、発電システム１からの電力供給を受けて駆動される。
【００１０】
振動発電機２は、例えば電磁誘導素子や圧電素子を備え、環境振動等に起因する機械的振動による機械エネルギーを交流電力に変換して出力する。
【００１１】
第１の整流・平滑回路としての整流・平滑回路３は、振動発電機２から出力される交流電力を直流電力（第１の直流電力）に変換し、この直流電力を平滑化する。整流・平滑回路３は、例えば、整流回路及び平滑回路を有する。整流回路は、振動発電機２から出力される交流電力を直流電力に変換する。発電機が振動発電機であるとき、整流回路から出力される直流電力は、通常、脈流である。整流回路は、例えば、１つ又は複数のダイオードを含む。例えば、整流回路は、４つのダイオードをブリッジ接続した全波整流器を含み得る。平滑回路は、整流回路から出力される直流電力を平滑化する。平滑回路は、例えば１つのキャパシタを含む。平滑回路は、複数のキャパシタを含んでいてもよい。また、平滑回路は、キャパシタとインダクタの組み合わせを含んでいてもよい。平滑回路は、電流を一時的に電荷として蓄積し、蓄積した電荷を放出することで、電圧を平滑化する。すなわち、平滑回路は、電力を蓄積する一種の蓄電回路である。
【００１２】
コンバータ４は、スイッチング回路（スイッチング素子ともいう）を含み、スイッチング回路のスイッチング動作に基づいて、整流・平滑回路３から出力される直流電力を変圧する。スイッチング回路は、信号発生回路７からのパルス信号（矩形波）によって駆動される。スイッチング回路は、例えば、バイポーラトランジスタ又はＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide semiconductor field-effect transistor）を含む。コンバータ４から出力される電力は、発電システム１に接続される負荷、言い換えれば、センサ等の任意の装置に適宜供給される。
【００１３】
図２Ａは、整流・平滑回路３とコンバータ４を合わせた電気回路の一例を示している。ここで、図２Ａでは、コンバータ４がバックブーストコンバータである例が示されている。
【００１４】
整流・平滑回路３は、整流回路３Ａと、平滑回路３Ｂとを有する。図２Ｂは、整流回路３Ａの出力電圧と平滑回路３Ｂの出力とをそれぞれ示している。例えば、整流回路３Ａが全波整流器を含むとき、振動発電機２からの電圧Ｖｖｐｇは、図２Ｂで示されるようにして整流回路３Ａにおいて全波整流される。さらに、整流回路３Ａの出力電圧ｖｒｅｃｔは、図２Ｂの出力電圧ｖｓ１で示すようにして平滑回路３Ｂにおいて平滑化される。
【００１５】
バックブーストコンバータは、スイッチング回路のスイッチングを利用して昇圧と降圧の両方を行うことができるコンバータである。図２Ａに示すように、バックブーストコンバータは、キャパシタＣ、スイッチング回路Ｓ、インダクタＬ、及びダイオードＤを備える。整流・平滑回路３の出力は、スイッチング回路Ｓの一端に接続されている。スイッチング回路Ｓの他端は、ダイオードＤのカソードに接続されている。ダイオードＤのアノードは、負荷に接続される。また、インダクタＬは、スイッチング回路ＳとダイオードＤとの間にスイッチング回路Ｓに対して並列に接続されている。キャパシタＣは、ダイオードＤと負荷との間にダイオードＤに対して並列に接続されている。スイッチング回路Ｓは、図２Ｃに示されるようなパルス信号により駆動される。スイッチング回路Ｓは、パルス信号の信号レベルがハイ（Ｈｉｇｈ）であるときにオン状態となり、パルス信号の信号レベルがロー（Ｌｏｗ）であるときにオフ状態となる。図２Ｃにおいて、パルス信号の信号レベルがハイである時間がスイッチオン時間ｔｏｎである。また、図２Ｃにおいて、信号レベルがハイになる周期がスイッチング周期ｔｓｗである。スイッチオン時間ｔｏｎとスイッチング周期ｔｓｗとにより、スイッチング回路Ｓのデューティ比が決まる。デューティ比は、スイッチオン時間ｔｏｎとスイッチング周期ｔｓｗとの比である。デューティ比に応じて、整流・平滑回路３の出力電圧は昇圧又は降圧される。昇圧又は降圧されたコンバータ４の出力電圧ｖｏｕｔは、負荷に印加される。
【００１６】
電力計測処理部５は、振動発電機２における発電電力を計測する。電力計測処理部５は、振動発電機２の出力電圧とパルス信号の動作条件とに基づいて、振動発電機２における発電電力を計測する。電力計測処理部５は、ＣＰＵ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ又はＤＳＰ等のデジタル信号処理器を有している。また、電力計測処理部５は、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ等のメモリを有していてもよい。また、電力計測処理部５は、複数のデジタル信号処理器や、メモリを有していてもよい。さらに、電力計測処理部５は、後で説明する計算を行うように構成された乗算回路と除算回路の組み合わせであってもよい。出力電圧とパルス信号の動作条件に基づいた電力計測方法については後で詳しく説明する。本実施形態における電力計測方法では、電流計測が不要であるので、一般的な電力計測方法、即ち電圧と電流とを計測しそれらを掛け合わせて電力とする方法よりも消費電力を低く抑えることができる。電力計測処理部５の入力段に、ノイズを除去するためのフィルタ（例えばハイパスフィルタ又はローパスフィルタ）が設けられていてもよい。また、電力計測処理部５は、図１においては、整流・平滑回路３の後段に配置されているが、前段に配置されていてもよい。
【００１７】
制御回路６は、電力計測処理部５で計測された電力を用いてコンバータ４のスイッチング動作の条件、例えばコンバータ４を駆動するパルス信号のスイッチオン時間を制御する。制御回路６は、ＣＰＵ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ又はＤＳＰ等のデジタル信号処理器を有している。また、制御回路６は、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ等のメモリを有していてもよい。また、制御回路６は、複数のデジタル信号処理器や、メモリを有していてもよい。さらに、制御回路６は、電力計測処理部５を含んでいてもよい。制御回路６によって制御されるスイッチング動作の条件は、スイッチオン時間でなくてもよく、スイッチング周期又はデューティ比であってもよい。以降では、スイッチング動作の条件はスイッチオン時間であるとして説明する。制御回路６の動作の詳細については後で説明する。
【００１８】
信号発生回路７は、制御回路６から指示されたスイッチオン時間を有するパルス信号を発生し、このパルス信号をコンバータ４に出力する。
【００１９】
ここで、図１の破線で示すように、電力計測処理部５、制御回路６、及び信号発生回路７は、整流・平滑回路３から出力される電圧によって動作してよい。この場合、発電システム１の各ユニットは、振動発電機２によって発電された電力によって動作する。このため、発電システム１に電池等の別の電源を設ける必要はない。実際には、振動発電機２によって発電された電力が過渡的であるとき、電力計測処理部５、制御回路６、及び信号発生回路７に供給される電圧も不安定になる。発電システム１の安定性を担保するために、整流・平滑回路３の平滑回路は、ある程度のキャパシタンスを有していることが望ましい。
【００２０】
次に、本実施形態における電力計測方法について説明する。振動発電機２に図２Ａに示される整流・平滑回路３とコンバータ４を接続した系において、整流回路３Ａの出力電圧ｖｒｅｃｔのリップルが十分に小さいと見なせるとき、整流回路３Ａの出力電圧ｖｒｅｃｔと平滑回路３Ｂの出力ｖｓ１とはともに振動発電機２の出力電圧ｖｖｐｇのピーク値に等しくなる。したがって、ｖｖｐｇの実効値をｖｖｐｇ＿ｒｍｓとすると、ｖｓ１は（式１）のように表される。
【数１】
2019216584.tif 000003
【００２１】
ここで、コンバータ４の入力から見込む回路の抵抗をｒｄｃ、振動発電機２の出力電流の実効値をｉｖｐｇ＿ｒｍｓとし、コンバータ４でのロスがないとすると、電力の釣り合いの式は（式２）のようになる。
【数２】
2019216584.tif 000004
【００２２】
（式１）を（式２）に代入すると、（式３）が得られる。
【数３】
2019216584.tif 000005
【００２３】
したがって、コンバータ４の入力から見込む回路の抵抗ｒｄｃは、（式４）のように表される。
【数４】
2019216584.tif 000006
【００２４】
ここで、振動発電機２から見込む回路の等価抵抗ｒｅｑは（式５）のように表される。
【数５】
2019216584.tif 000007
【００２５】
（式５）を（式４）に代入し、ｒｅｑについてまとめると、（式６）のようになる。
【数６】
2019216584.tif 000008
【００２６】
一方、コンバータ４をDCM(Discontinuous Conduction Mode)で動作させた場合、コンバータ４の入力電流ｉｉｎはスイッチング回路Ｓがオンされている期間では増加し、スイッチング回路Ｓがオフされている期間では０になる。コンバータ４の平均入力電流をｉｉｎ＿ａｖｇとすると、ｉｉｎ＿ａｖｇは（式７）のように表される。
【数７】
2019216584.tif 000009
ここで、ｔｓｗはスイッチング周期であり、ｔｏｎはスイッチオン時間である。また、ｌｄｃはインダクタＬのインダクタンスである。
【００２７】
また、コンバータ４の入力から見込む回路の抵抗ｒｄｃは（式８）のように表される。
【数８】
2019216584.tif 000010
【００２８】
（式８）に（式７）を代入すると、（式９）のようになる。
【数９】
2019216584.tif 000011
【００２９】
さらに、（式９）を（式６）に代入すると、振動発電機から見込む回路の等価抵抗ｒｅｑは（式１０）のように表される。
【数１０】
2019216584.tif 000012
【００３０】
一般的に、インダクタンスｌｄｃは設計時に決まる値であって定数である。したがって、等価抵抗ｒｅｑは、スイッチング周期ｔｓｗ又はスイッチオン時間ｔｏｎを制御することで制御され得る。例えば、スイッチング周期ｔｓｗを一意に決めれば、スイッチオン時間ｔｏｎのみを制御することで等価抵抗ｒｅｑを制御することができる。
【００３１】
一方、回路の等価抵抗がｒｅｑであるとき、振動発電機２の発電電力ｐは（式１１）のように表される。  
【数１１】
2019216584.tif 000013
ここで、ｖｖｐｇは振動発電機２の出力電圧の実効値である。（式１１）を（式１０）に代入すると、下記の（式１２）が得られる。  
【数１２】
2019216584.tif 000014
【００３２】
（式１２）からも明らかなように、スイッチング周期ｔｓｗを一意に決めておけば、振動発電機２の出力電圧ｖｖｐｇとスイッチオン時間ｔｏｎとから振動発電機２の発電電力ｐを算出することができる。この場合、発電電力ｐの計測に、電流計測は不要である。なお、（式１２）では、振動発電機２の出力電圧ｖｖｐｇによって発電電力ｐが算出される。これに対し、図１に示されるように、電力計測処理部５が整流・平滑回路３の後段に配置されているときには、（式１２）の出力電圧ｖｖｐｇは、整流・平滑回路３から出力される平滑電圧ｖｓ１に置き換えられる。
【００３３】
次に、第１の実施形態における発電システム１の動作について説明する。本実施形態では、最大電力点追従制御アルゴリズムとして、一般的な山登り法を実装する場合について説明する。図３は、第１の実施形態における発電システム１の最も簡単な動作手順を示すフローチャートである。図３のステップＳ１０１において、振動発電機２は環境振動を受けて発電する。なお、発電開始時のスイッチオン時間ｔｏｎは、整流・平滑回路３から見込む等価抵抗ｒｅｑが適正抵抗ｒｒとなる時間に設定されていてもよい。適正抵抗ｒｒは、振動発電機２の発電電力を最大化する等価抵抗の値である。特に、環境振動の周波数が振動発電機２の固有振動数と一致しており、かつ、環境振動の振動波形が正弦波状であるときには、適正抵抗ｒｒは（式１３）で表される。ここで、（式１３）のｋｖ、ｃｍ、ｒｃ、ｌｃ、ωｎは、それぞれ、振動発電機２の電圧定数、振動発電機２の機械的減衰係数、振動発電機２の内部の発電用コイルの抵抗、発電用コイルのインダクタンス、振動発電機２の固有振動数を表している。
【数１３】
2019216584.tif 000015
【００３４】
環境振動の周波数が固有振動数と一致していなかったり、環境振動が過渡的であったりする場合には、適正抵抗ｒｒを（式１３）で表すことはできない。しかしながら、発電開始時のスイッチオン時間ｔｏｎは、整流・平滑回路３から見込む等価抵抗ｒｅｑが（式１３）で示される適正抵抗ｒｒとなる時間に設定されていてよい。これは、仮に環境振動の周波数が固有振動数と一致していなかったり、環境振動が過渡的であったりしても、後の最大電力点追従制御によって振動発電機２の発電電力を最大化するようにスイッチオン時間ｔｏｎが調整されるためである。
【００３５】
ステップＳ１０２において、電力計測処理部５は、振動発電機２の発電電力を計測する。電力計測処理部５は、整流・平滑回路３から出力された平滑電圧ｖｓ１を取り込むとともに、制御回路６において設定されているスイッチオン時間ｔｏｎを取得する。電力計測処理部５は、入力された出力電圧及びスイッチオン時間を用いて上述した（式１２）から発電電力を算出する。そして、電力計測処理部５は、算出した発電電力を制御回路６に入力する。制御回路６は、算出された発電電力をある時間間隔毎にサンプリングする。
【００３６】
ステップＳ１０３において、制御回路６は、現在の発電電力ｐｃと過去の発電電力ｐｐとを比較し、現在の発電電力ｐｃが過去の発電電力ｐｐ以上であるか否かを判定する。ステップＳ１０３において、現在の発電電力ｐｃが過去の発電電力ｐｐ以上であるとき、処理はステップＳ１０４に移行する。ステップＳ１０３において、現在の発電電力ｐｃが過去の発電電力ｐｐ以上でないとき、処理はステップＳ１０５に移行する。
【００３７】
ステップＳ１０４において、制御回路６は、所定の微小時間だけ短くしたスイッチオン時間ｔｏｎを信号発生回路７に設定する。（式１１）で示されるように、スイッチオン時間ｔｏｎが短くなることにより回路の等価抵抗ｒｅｑが増加する。ステップＳ１０５において、制御回路６は、所定の微小時間だけ長くしたスイッチオン時間ｔｏｎを信号発生回路７に設定する。（式１１）で示されるように、スイッチオン時間ｔｏｎが長くなることにより回路の等価抵抗ｒｅｑが低下する。等価抵抗ｒｅｑが変化することにより、振動発電機２の動作点が変化する。ステップＳ１０４又はＳ１０５の後、処理はステップＳ１０２に戻る。なお、制御回路６は、ステップＳ１０４及びＳ１０５とは反対に、現在の発電電力ｐｃが過去の発電電力ｐｐ以上のときにスイッチオン時間ｔｏｎを長くし、現在の発電電力ｐｃが過去の発電電力ｐｐ以上でないときにスイッチオン時間ｔｏｎを短くしてもよい。
【００３８】
図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃは、第１の実施形態において、環境振動が定常的な振動（例えば正弦波振動）である場合の発電システム１の動作例を示す図である。図４Ａは、振動発電機２からの平滑電圧に基づいて計測される平滑電力と、その平滑電力をある時間間隔毎にサンプリングしたサンプリング電力のグラフである。図４Ｂは、図４Ａの平滑電力とサンプリング電力をある時間間隔毎に比較した結果を示す図である。図４Ｂでは、平滑電力がサンプリング電力よりも大きい状態がハイ（Ｈｉｇｈ）で、平滑電力がサンプリング電力よりも小さい状態がロー（Ｌｏｗ）で表されている。なお、平滑電力をサンプリングするタイミングと、平滑電力とサンプリング電力を比較するタイミングは位相遅れがあるほうが好ましい。この場合、図４Ａの平滑電力がステップＳ１０３の現在の発電電力ｐｃと対応し、図４Ａのサンプリング電力がステップＳ１０３の過去の発電電力ｐｐと対応する。図４Ｃは、図４Ｂで比較した結果に基づいて回路の等価抵抗ｒｅｑが変更された様子を示す図である。つまり、図４Ｂでハイとなったときには等価抵抗ｒｅｑが増加するようにスイッチオン時間ｔｏｎが設定され、図４Ｂでローとなったときには等価抵抗ｒｅｑが減少するようにスイッチオン時間ｔｏｎが設定される。図４Ｃのようにして等価抵抗ｒｅｑが変更されることにより、図４Ａに示すように、発電電力は、徐々に増加し、やがてある最大電力点に収束する。
【００３９】
以上のように第１の実施形態に係る発電システム１においては、コンバータ４の一例としてバックブーストコンバータが用いられている。バックブーストコンバータの場合、出力に接続される負荷によらずに発電機から見込む回路の等価抵抗ｒｅｑが（式１１）によって表される。このような等価抵抗ｒｅｑを用いることにより、例えば、山登り法を用いた最大電力点追従制御のための電力計測に際して電流計測をする必要がない。このように、第１の実施形態に係る発電システム１においては、電流計測を不要にすることで消費電力を小さくして最大電力点追従制御をすることができる。これは、特に、振動発電機が用いられる場合等の、発電機の発電量が小さいときに有効である。
【００４０】
ここで、第１の実施形態では、（式１２）に従って実際の発電電力を計測している。これに対し、山登り法による最大電力点追従制御における電力比較の際の指標として、（式１２）に従って計測される発電電力の代わりに、スイッチオン時間ｔｏｎと振動発電機２の出力電圧ｖｖｐｇの積が用いられてもよい。
【００４１】
［第１の実施形態の変形例１］
図５は、第１の実施形態の変形例１に係る発電システム１を示すブロック図である。図５に示されるように、発電システム１は、振動発電機２、整流・平滑回路３、コンバータ４、電力計測処理部５、制御回路６、信号発生回路７に加えて、リファレンス出力部８を備える。リファレンス出力部８は、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ等のメモリを有している。なお、リファレンス出力部８は後述する各実施形態に係る発電システムに設けられてもよい。
【００４２】
リファレンス出力部８は、スイッチオン時間の下限閾値、言い換えると、等価抵抗の上限閾値を記憶する。制御回路６は、リファレンス出力部８から出力される等価抵抗の上限閾値を超えないようにスイッチオン時間、言い換えると等価抵抗を変更する。ここで、等価抵抗の上限閾値は、例えば（式１３）に基づいて設定することができる。等価抵抗の上限閾値は、例えば、（式１３）で表される等価抵抗の値からある一定の許容値を加えた値又は（式１３）で表される等価抵抗の定数倍に設定される。振動発電機２による発電システムの場合、太陽電池による発電システムとは異なり、最大電力点に対応した等価抵抗ｒｅｑは、（式１３）で表される、環境振動の周波数が振動発電機２の固有振動数と一致しており、かつ、環境振動の振動波形が正弦波状であるときの等価抵抗よりも小さくなることが多い。このため、振動発電機２による発電システムでは、（式１３）で表される等価抵抗は、有効な上限閾値となり得る。
【００４３】
以上のように第１の実施形態の変形例においては、等価抵抗の上限閾値を設定することにより、制御が発散するのを防ぐことができる。結果として、発電システム１の安定性が向上する。また、等価抵抗の上限閾値を（式１３）で表される等価抵抗に基づいて設定することにより、等価抵抗が早期に適正値になる可能性を高めることができる。
【００４４】
ここで、リファレンス出力部８には、スイッチオン時間の上限閾値、言い換えると、等価抵抗の下限閾値も記憶されてもよい。この場合、制御回路６は、リファレンス出力部８から出力される等価抵抗の閾値の範囲内でスイッチオン時間、言い換えると等価抵抗を変更する。
【００４５】
［第１の実施形態の変形例２］
図６は、第１の実施形態の変形例２に係る発電システム１を示すブロック図である。図６に示されるように、発電システム１は、振動発電機２、整流・平滑回路３、コンバータ４、電力計測処理部５、制御回路６、及び信号発生回路７に加えて整流・平滑回路９を備える。
【００４６】
第２の整流・平滑回路としての整流・平滑回路９は、制御回路６への電力供給系と、電力計測処理部５、制御回路６、及び信号発生回路７といった発電システム１の各ユニットのへの電源供給系とを分離するために配置される。整流・平滑回路９は、整流・平滑回路３から出力される平滑電圧ｖｓ１をさらに整流及び平滑化する。図７は、整流・平滑回路３から出力される平滑電圧ｖｓ１と整流・平滑回路９から出力される平滑電圧ｖｓ２とを比較して示した図である。図７に示すように、整流・平滑回路９から出力される平滑電圧ｖｓ２は、整流・平滑回路３から出力される平滑電圧ｖｓ１の包絡線をとるような電圧になる。
【００４７】
環境振動が過渡的である場合、整流・平滑回路３で平滑化された平滑電圧ｖｓ１は、図７に破線で示されるように、瞬間的には、電力計測処理部５、制御回路６、及び信号発生回路７といった発電システム１の各ユニットの駆動電圧を下回ることがあり得る。このため、各ユニットの動作が安定しないことがある。これに対し、整流・平滑回路９でさらに整流及び平滑化がされた電力（第２の直流電力）を用いることにより、各ユニットへの電源供給が安定化する。結果として、発電システム１の安定性は向上する。
【００４８】
ここで、図１の構成では発電システム１の安定性を担保するためには、整流・平滑回路３の平滑回路はある程度のキャパシタンスを有していることが望ましい。一方、図９の構成では、電源供給系に別途に整流・平滑回路９を設けることにより、整流・平滑回路３の平滑回路のキャパシタンスを小さくすることができる。キャパシタンス成分は、振動発電機２の可動部の動きを抑え、ひいては発電電力が低下する要因となる。したがって、電力供給系におけるキャパシタンスは小さいほうがよい。図６の構成では、電力供給系におけるキャパシタンス成分を小さくすることができるので、発電電力を最大限に大きくすることができる。
【００４９】
以上のように、第１の実施形態の変形例２に係る発電システム１においては、整流・平滑回路９を配置することで、整流・平滑回路３のキャパシタンスを小さくしても、システムの安定性が高い。また、整流・平滑回路３のキャパシタンスを小さくすることで、振動発電機２の可動部の動きが抑制されないため、発電電力を最大限に大きくすることができる。
【００５０】
ここで、整流・平滑回路９は後述する第２の実施形態に係る発電システム１に設けられてもよい。
【００５１】
［第２の実施形態］
第２の実施形態では、山登り法とは異なる最大電力点追従制御アルゴリズムについて説明する。第２の実施形態に係る発電システム１の構成は、前述した図１、図５又は図６の構成と同じである。したがって、説明を省略する。
【００５２】
振動発電機２から見込む回路の等価抵抗ｒｅｑに対する電力ｐを表す電力近似式は（式１４）のように表すことができる。ここで、ｒｃは発電コイルの抵抗であり既知である。ａ、ｂ、ｃはそれぞれ未知の係数である。
【数１４】
2019216584.tif 000016
【００５３】
図８は、等価抵抗ｒｅｑに対する電力ｐのグラフである。図８のグラフは、（式１４）によって表される曲線によって近似される。このため、（式１４）の３つの未知係数ａ、ｂ、ｃの値は、３つの等価抵抗ｒ１、ｒ２、ｒ３に対する電力ｐ１、ｐ２、ｐ３の連立方程式を解くことで求めることができる。さらに、電力が最大となる適正抵抗をｒｅｑ_ｏｐｔとすると、適正抵抗ｒｅｑ_ｏｐｔは（式１５）のように表される。つまり、未知係数ａ、ｂ、ｃの値が決まれば、適正抵抗ｒｅｑ_ｏｐｔを決めることができる。
【数１５】
2019216584.tif 000017
【００５４】
次に、第２の実施形態における発電システム１の動作について説明する。図９は、第２の実施形態における発電システム１の動作手順を示している。図９のステップＳ２０１において、振動発電機２は環境振動を受けて発電する。
【００５５】
ステップＳ２０２において、制御回路６は、スイッチオン時間ｔｏｎ１を設定する。この時点でのスイッチオン時間ｔｏｎ１は任意でよい。ステップＳ２０３において、電力計測処理部５は、スイッチオン時間ｔｏｎ１に対応する等価抵抗ｒ１に対する振動発電機２の発電電力ｐ１を計測する。発電電力ｐ１は、上述した（式１２）に基づいて算出される。そして、電力計測処理部５は、計測した発電電力ｐ１を制御回路６に入力する。
【００５６】
ステップＳ２０４において、制御回路６は、スイッチオン時間ｔｏｎ２を設定する。スイッチオン時間ｔｏｎ２はスイッチオン時間ｔｏｎ１と異なっていればよい。ステップＳ２０５において、電力計測処理部５は、スイッチオン時間ｔｏｎ２に対応する等価抵抗ｒ２に対する振動発電機２の発電電力ｐ２を計測する。そして、電力計測処理部５は、計測した発電電力ｐ２を制御回路６に入力する。
【００５７】
ステップＳ２０６において、制御回路６は、スイッチオン時間ｔｏｎ３を設定する。スイッチオン時間ｔｏｎ３はスイッチオン時間ｔｏｎ１及びスイッチオン時間ｔｏｎ２と異なっていればよい。ステップＳ２０７において、電力計測処理部５は、スイッチオン時間ｔｏｎ３に対応する等価抵抗ｒ３に対する振動発電機２の発電電力ｐ３を計測する。そして、電力計測処理部５は、計測した発電電力ｐ３を制御回路６に入力する。
【００５８】
ステップＳ２０８において、制御回路６は、スイッチオン時間ｔｏｎ１、ｔｏｎ２、ｔｏｎ３からそれぞれ算出される等価抵抗ｒ１、ｒ２、ｒ３と、発電電力ｐ１、ｐ２、ｐ３とを（式１４）に代入することで得られる連立方程式を解くことにより、上述した３つの未知係数ａ、ｂ、ｃの値を計算する。ステップＳ２０９において、制御回路６は、計算された未知係数ａ、ｂ、ｃの値を用いて、（式１５）から適正抵抗ｒｅｑ_ｏｐｔを計算する。そして、ステップＳ２１０において、制御回路６は、適正抵抗ｒｅｑ_ｏｐｔに対応するスイッチオン時間ｔｏｎを（式１１）に基づいて計算し、計算したスイッチオン時間ｔｏｎを信号発生回路７に設定する。
【００５９】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、第２の実施形態において、環境振動が定常的な振動（例えば正弦波振動）である場合の発電システム１の動作例を示す図である。図１０Ａは、振動発電機２からの平滑電圧に基づいて計測される平滑電力と、その平滑電力をある時間間隔毎にサンプリングしたサンプリング電力のグラフである。ここで、図１０Ａには、図９のステップＳ２０３、Ｓ２０５、Ｓ２０７の電力計測のタイミングが示されている。図１０Ｂは、回路の等価抵抗の時間変化を示すグラフである。ここで、図１０Ｂには、図９のステップＳ２０２、Ｓ２０４、Ｓ２０６、Ｓ２１０のスイッチオン時間の設定のタイミングが示されている。図１０Ｂに示されるように、３回のスイッチオン時間、言い換えれば等価抵抗の設定の後、ステップＳ２１０のタイミングにおいて等価抵抗は、最終的には適正抵抗に調整される。なお、平滑電力をサンプリングするタイミングは、スイッチオン時間の切り替え直後ではなく、スイッチオン時間の切り替え後の少なくとも時定数又は時定数の数倍後であることが好ましい。これは、振動発電機２による発電システムの場合、スイッチオン時間の切り替え直後は、環境振動の影響によって回路が不安定となっているためである。
【００６０】
また、制御回路６は、発電開始からある一定時間が経過した後で、スイッチオン時間、言い換えれば等価抵抗の値を元の値に戻すリフレッシュ機能を有していてもよい。このようなリフレッシュ機能により、万が一、スイッチオン時間が予期しない値に収束したときに、最大電力点追従制御をやり直すことができる。なお、第１の実施形態における制御回路６も、リフレッシュ機能を有していてもよい。
【００６１】
また、第２の実施形態における（式１４）の近似式は、２次の近似式であるが、さらに高次の近似式が用いられてもよい。高次の近似式が用いられることにより、適正抵抗の算出精度が高められる一方で、未知数が多くなるので計測の回数は増加することになる。
【００６２】
以上のように第２の実施形態では、スイッチオン時間ｔｏｎを３回切り替えて等価抵抗ｒｅｑを変化させ、各等価抵抗ｒ１、ｒ２、ｒ３での電力ｐ１、ｐ２、ｐ３を計測し、（式１４）に基づく連立方程式を解くことで３つの未知係数ａ、ｂ、ｃの値を決定し、さらに、これらの係数から（式１５）に基づいて適正抵抗を算出することで、適正抵抗に対応するスイッチオン時間が設定される。これにより、第１の実施形態に比べて適正抵抗を決定するまでに必要な時間と電力を低減することができる。
【００６３】
［第２の実施形態の変形例１］
第２の実施形態の変形例１では、第２の実施形態で説明した最大電力点追従制御アルゴリズムをさらに簡略化した最大電力点追従制御アルゴリズムを説明する。
【００６４】
振動発電機２の発電コイルの抵抗が、振動発電機２から見込む回路の等価抵抗ｒｅｑに対して無視できるほど小さい場合、（式１４）は（式１６）のように表される。
【数１６】
2019216584.tif 000018
【００６５】
また、このとき、適正抵抗ｒｅｑ_ｏｐｔを表す（式１５）は（式１７）のように表される。
【数１７】
2019216584.tif 000019
【００６６】
このように、振動発電機２の発電コイルの抵抗が十分に小さい場合には、適正抵抗ｒｅｑ_ｏｐｔを求める式を簡略化できる。したがって、第２の実施形態と同様に、スイッチオン時間ｔｏｎを３回切り替えて等価抵抗ｒｅｑを変化させ、各等価抵抗ｒ１、ｒ２、ｒ３での電力ｐ１、ｐ２、ｐ３を計測し、（式１４）に基づく連立方程式を解くことで２つの未知係数ａ、ｃの値を決定し、さらに、これらの未知係数ａ、ｃの値から（式１７）に基づいて適正抵抗ｒｅｑ_ｏｐｔを算出し、適正抵抗ｒｅｑ_ｏｐｔに相当するスイッチオン時間に設定することで、電力を最大化することができる。
【００６７】
［第２の実施形態の変形例２］
第２の実施形態の変形例２では、第２の実施形態の変形例１で説明した最大電力点追従制御アルゴリズムをさらに簡略化した最大電力点追従制御アルゴリズムについて説明する。
【００６８】
図１１は、第２の実施形態の変形例２を説明するための図である。図１１は、等価抵抗ｒｅｑに対する電力のグラフを示しており、このグラフのうち単調増加する区間を実線で示している。この単調増加する区間において、等価抵抗ｒｅｑに対する電力ｐは（式１８）のように近似される。
【数１８】
2019216584.tif 000020
【００６９】
また、適正抵抗ｒｅｑ_ｏｐｔは（式１９）のように表される。
【数１９】
2019216584.tif 000021
【００７０】
したがって、第２の実施形態の変形例２では、スイッチオン時間ｔｏｎを２回切り替えて等価抵抗ｒｅｑを変化させ、各等価抵抗ｒ１、ｒ２での電力ｐ１、ｐ２を計測し、（式１４）に基づく連立方程式を解くことで２つの未知係数ａ、ｂの値を決定し、さらに、これらの未知係数ａ、ｂの値から（式１９）に基づいて適正抵抗ｒｅｑ_ｏｐｔを算出し、適正抵抗ｒｅｑ_ｏｐｔに対応するスイッチオン時間に設定することで、電力を最大化することができる。つまり、最大電力点が求められればよいので、単調増加の区間を表す近似式を用いて適正抵抗を求めることができる。このようにして、適正抵抗を求める式をさらに簡略化できる。
【００７１】
［第３の実施形態］
図１２は、第３の実施形態に係る発電システムを示すブロック図である。図１２に示されるように、発電システム１は、振動発電機２、整流・平滑回路３、コンバータ４、電力計測処理部５、信号発生回路７に加えて、制御回路１０、リファレンス電力出力部１１、加速度計１２を備える。
【００７２】
制御回路１０は、電力計測処理部５で計測された電力を用いてコンバータ４のスイッチング動作の条件、例えばコンバータ４を駆動するパルス信号のスイッチオン時間を制御する。制御回路１０は、制御回路６による最大電力点追従制御アルゴリズムとは異なるアルゴリズムに従ってスイッチング動作の条件を制御する。制御回路１０は、ＣＰＵ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ又はＤＳＰ等のデジタル信号処理器を有している。制御回路１０は、アナログ回路によってスイッチング動作の条件を制御するように構成されていてもよい。また、制御回路１０は、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ等のメモリを有していてもよい。また、制御回路１０は、複数のデジタル信号処理器や、メモリを有していてもよい。さらに、制御回路１０は、電力計測処理部５を含んでいてもよい。制御回路１０によって制御されるスイッチング動作の条件は、スイッチオン時間でなくてもよく、スイッチング周期又はデューティ比であってもよい。以降では、スイッチング動作の条件はスイッチオン時間であるとして説明する。制御回路１０の動作の詳細については後で説明する。
【００７３】
リファレンス電力出力部１１は、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ等のメモリを有している。リファレンス電力出力部１１は、リファレンス電力を記憶している。リファレンス電力は、例えば、電力の制御の基準となる上限値である。リファレンス電力出力部１１は、アナログ回路によってリファレンス電力としての閾値を出力するように構成されていてもよい。
【００７４】
加速度計１２は、環境振動に起因して振動発電機２にかかっている環境加速度を計測する。環境加速度は、環境振動の加速度に対応する。このため、環境加速度から環境振動の波形を計測することができる。
【００７５】
次に、第３の実施形態における発電システムの動作について説明する。図１３は、第３の実施形態における発電システム１の最も簡単な動作手順を示すフローチャートである。図１３のステップＳ３０１において、振動発電機２は環境振動を受けて発電する。なお、発電開始時のスイッチオン時間ｔｏｎは、整流・平滑回路３から見込む等価抵抗ｒｅｑが適正抵抗ｒｒとなる時間に設定されていてもよい。適正抵抗ｒｒは、振動発電機２の発電電力を最大化する等価抵抗の値である。環境振動の周波数が振動発電機２の固有振動数と一致しており、かつ、環境振動の振動波形が正弦波状であるときには、適正抵抗ｒｒは前述した（式１３）で表される。また、適正抵抗ｒｒは、環境振動の振動波形がランダム波状であるときの適正抵抗ｒｒ,ｒａｎｄｏｍに設定されていてもよい。環境振動の振動波形がランダム波状であるときの適正抵抗ｒｒ,ｒａｎｄｏｍは（式２０）で表される。
【数２０】
2019216584.tif 000022
【００７６】
環境振動の振動波形が正弦波状であるときの適正抵抗と環境振動の振動波形がランダム波状であるときの適正抵抗との何れを用いるかを判断するために、制御回路１０は、加速度計１２を用いて計測される環境加速度から環境振動の振動波形がランダム波状であるか否かを判定してもよい。また、環境振動の振動波形がランダム波状であるか否かを判定の別の方法として、制御回路１０は、振動発電機２から出力された電気信号に対して振動発電機２の逆特性フィルタを適用することにより環境振動の振動波形を算出してもよい。
【００７７】
ステップＳ３０２において、電力計測処理部５は、振動発電機の発電電力を計測する。電力計測処理部５は、上述した（式１２）から発電電力を算出する。そして、電力計測処理部５は、算出した発電電力を制御回路１０に入力する。制御回路１０は、算出された発電電力をある時間間隔毎にサンプリングする。
【００７８】
ステップＳ３０３において、制御回路１０は、現在の発電電力ｐｃがリファレンス電力出力部１１に記憶されているリファレンス電力ｐｒｅｆよりも大きいか否かを判定する。リファレンス電力ｐｒｅｆは、例えば、環境振動の周波数が振動発電機２の固有振動数であり、環境振動の振動波形が正弦波状であるときの発電電力と変位の関係から、（式２１）のように決定することができる。ここで、ｘｒｅｆはリファレンス変位、すなわち制限したい可動部の変位の閾値である。
【数２１】
2019216584.tif 000023
【００７９】
ステップＳ３０３において、現在の発電電力ｐｃがリファレンス電力出力部１１に記憶されているリファレンス電力ｐｒｅｆよりも大きいと判定されたときには、処理はステップＳ３０４に移行する。ステップＳ３０３において、現在の発電電力ｐｃがリファレンス電力出力部１１に記憶されているリファレンス電力ｐｒｅｆよりも大きくないと判定されたときには、処理はステップＳ３０２に戻る。
【００８０】
ステップＳ３０４において、制御回路１０は、スイッチオン時間ｔｏｎを増加させる。上述したように、スイッチオン時間ｔｏｎが増加することにより、等価抵抗ｒｅｑが低下し、電流が増加する。これにより、減衰力が増加し、可動部の変位が小さくなる。その後、処理はステップＳ３０２に戻る。
【００８１】
次に、環境振動が定常的（例えば正弦波）である場合の発電システム１の動作例を説明する。図１４Ａは、振動発電機の電力を平滑化した平滑電力と、その平滑電力をある時間間隔毎にサンプリングしたサンプリング電力と、リファレンス電力との関係を示すグラフである。図１４Ｂは、図１４Ａの制御に伴う回路の等価抵抗ｒｅｑの時間変化を示すグラフである。図１４Ｃは、図１４Ａの制御に伴う回路の可動部の変位の時間変化を示すグラフである。ここで、サンプリング電力が現在の電力ｐｃに対応する。
【００８２】
サンプリング電力がリファレンス電力よりも大きいとき、制御回路１０は、スイッチオン時間ｔｏｎを増加させる。これにより、図１４Ｂに示すように、等価抵抗ｒｅｑは低下する。つまり、図１４Ａに示すように、サンプリング電力も徐々に低下していく。最終的にはサンプリング電力はリファレンス電力付近に収束する。一方、等価抵抗ｒｅｑの低下により、図１４Ｃに示すように、可動部の変位も小さくなる。最終的には、可動部の変位もある一定値の付近に収束する。なお、平滑電力をサンプリングするタイミングと、平滑電力とサンプリング電力を比較するタイミングは位相遅れがあるほうが好ましい。
【００８３】
以上のように、第３の実施形態に係る発電システムにおいては、振動発電機２の電力を予め設定した電力以下に制御することにより、可動部の変位を抑制することができる。
【００８４】
ここで、第１の実施形態の変形例１で説明したように、電力制御の発散を防ぐため、スイッチオン時間ｔｏｎには上限値、下限値又はその両方が設定されてもよい。
【００８５】
また、現在の発電電力ｐｃがリファレンス電力ｐｒｅｆよりも小さい限りにおいて、電力計測処理部５によって計測される電力が最大となるように、第１の実施形態又は第２の実施形態で説明した最大電力点追従制御が併用されてもよい。
【００８６】
また、図１３の例では、現在の発電電力ｐｃがリファレンス電力ｐｒｅｆよりも大きいときにスイッチオン時間ｔｏｎを増加させる例が示されている。スイッチオン時間ｔｏｎを増加させるのではなく、スイッチオン時間を２値で切り替えることでも、振動発電機２の電力を予め設定した電力以下に制御することができる。
【００８７】
また、第３の実施形態では、電力計測処理部５は、出力電圧ｖｖｐｇとスイッチオン時間ｔｏｎとに基づいて測定している。第３の実施形態においては、電力計測処理部５は、他の電力計測手法、例えば電圧と電流を計測しそれらを掛け合わせることにより振動発電機２の電力を算出してもよい。
【００８８】
［第３の実施形態の変形例１］
図１５は、第３の実施形態の変形例１に係る発電システムを示している。図１５に示されるように、発電システム１は、振動発電機２、整流・平滑回路３、コンバータ４、電力計測処理部５、信号発生回路７、制御回路１０、リファレンス電力出力部１１、加速度計１２に加えて、電力計測処理部１３を備える。
【００８９】
電力計測処理部１３は、ＣＰＵ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ又はＤＳＰ等のデジタル信号処理器を有している。また、電力計測処理部１３は、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ等のメモリを有していてもよい。また、電力計測処理部１３は、複数のデジタル信号処理器や、メモリを有していてもよい。電力計測処理部１３は、負荷によって消費される平均消費電力を計測する。電力計測処理部１３は、例えば、負荷に印加される電圧と負荷に流れる電流とを計測し、それらを掛け合わせることにより平均消費電力を算出してもよい。そして、電力計測処理部１３は、負荷によって消費される平均消費電力に従ってリファレンス電力出力部１１に記憶するリファレンス電力を決定する。例えば、電力計測処理部１３は、リファレンス電力を平均消費電力×１．５として決定することができる。
【００９０】
第３の実施形態の変形例１では、負荷の平均消費電力が既知ではないときであっても、自動でリファレンス電力が決定される。
【００９１】
［第３の実施形態の変形例２］
図１６は、第３の実施形態の変形例２に係る発電システムを示している。図１６に示されるように、発電システム１は、振動発電機２、整流・平滑回路３、コンバータ４、電力計測処理部５、信号発生回路７、制御回路１０、リファレンス電力出力部１１、加速度計１２に加えて、変位計測処理部１４及びリファレンス変位出力部１５を備える。
【００９２】
変位計測処理部１４は、ＣＰＵ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ又はＤＳＰ等のデジタル信号処理器を有している。また、変位計測処理部１４は、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ等のメモリを有していてもよい。また、変位計測処理部１４は、複数のデジタル信号処理器や、メモリを有していてもよい。変位計測処理部１４は、振動発電機２の可動部の変位を計測する。例えば、変位計測処理部１４は、加速度計１２で計測される加速度を２回積分することによって可動部の変位を計測する。
【００９３】
リファレンス変位出力部１５は、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ等のメモリを有している。リファレンス変位出力部１５は、リファレンス変位を記憶している。リファレンス変位は、例えば可動部の変位の上限値である。
【００９４】
第３の実施形態の変形例２では、制御回路１０は、現在の発電電力ｐｃがリファレンス電力ｐｒｅｆよりも大きいときだけでなく、現在の可動部の変位がリファレンス変位よりも大きいときにもスイッチオン時間ｔｏｎを増加させる。この時のスイッチオン時間ｔｏｎの増加幅は、例えば、発電電力に基づくスイッチオン時間ｔｏｎの増加幅よりも大きな増加幅であってよい。この場合、環境加速度が突発的に大きくなった場合においても、可動部の変位が素早く抑制され得る。
【００９５】
第３の実施形態の変形例２において、電力計測処理部１３が設けられてもよい。この場合、電力計測処理部１３は、負荷によって消費される平均消費電力に従ってリファレンス電力出力部１１に記憶するリファレンス電力を決定してよい。
【００９６】
［その他の変形例］
前述した発電システム１においては、コンバータ４の一例としてバックブーストコンバータが用いられている。これに対し、前述した実施形態及びその変形例の技術は、発電機から見込む回路の等価抵抗ｒｅｑが負荷によらずに（式１０）によって表すことができる各種のスイッチング方式のコンバータを用いた電力制御回路においても適用され得る。
【００９７】
また、制御回路６又は制御回路１０は、ＣＰＵ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ又はＤＳＰ等のデジタル信号処理器によってスイッチング回路４のスイッチング動作をするとしている。これに対し、制御回路６又は制御回路１０は、例えばスイッチング回路Ｓに接続される抵抗をジャンパにより変更することによりスイッチング動作をするものであってもよい。
【００９８】
また、前述した発電システム１における発電機は、振動発電機である。これに対し、前述した実施形態及び変形例の技術は、太陽光発電機、風力発電機といった電力制御に最大電力点追従制御が用いられる各種の発電システムに対して適用され得る。
【００９９】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【０１００】
１  発電システム、２  振動発電機、３  整流・平滑回路、４  コンバータ、５  電力計測処理部、６  制御回路、７  信号発生回路、８  リファレンス出力部、９  整流・平滑回路、１０  制御回路、１１  リファレンス電力出力部、１２  加速度計、１３  電力計測処理部、１４  変位計測処理部、１５  リファレンス変位出力部。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１５】
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【図１６】
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