微撲翼飛行器驅動電路設計*

吳　凡， 張衛平， 胡　楠， 鄒　陽

(上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240)

?

微撲翼飛行器驅動電路設計*

吳凡， 張衛平， 胡楠， 鄒陽

(上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240)

撲機械昆蟲是很小、高機動的仿昆飛行機器人，在勘探、環境監測、搜索和救援、監視等一系列任務中非常有用。壓電執行器有小尺寸、高效率、高功率密度的優勢，這展示了在微機器人領域的應用前景。實驗是通過升壓轉換器將3.7 V鋰電池增加到250 V以上實現的。通過展現壓電驅動器的驅動要求、電路拓撲和用于微機器人的壓電驅動器的不同控制方式來探索驅動電路設計，并提出克級驅動電路。

微撲翼飛行器; 壓電驅動器; 驅動電路; 升壓轉換器

0　引　言

應用于機器人，特別是在仿生機器人這種小尺寸機械系統中，小型化又能提供動力的驅動器有很多。近些年，一些驅動方式，如壓電[1]、靜電[2]和非傳導彈性驅動器[3]已經被提出或已應用于微機器人。上述的驅動方式都是通過向不同電極充電或放電來產生高電壓偏置實現機械輸出的。電路實現主要有兩個難點：1)從低壓電源獲得高壓驅動信號。2)回收未使用的能量。

大多數的小型能量源都可以適用于微機器人應用，比如鋰電池、超級電容器[4]、太陽能電池[5]、燃料電池都可以產生小于5 V電壓。通常，壓電陶瓷驅動器的電壓轉換電路需要有50～100 L壓率。所以,需要慎重地選擇并最優電壓轉換電路，以避免質量大、效率低的電路降低系統整體性能。

除了有提升電壓的功能，驅動電路必須能在壓電執行器的輸入電極上產生時變信號。這就面臨第二個問題：在執行器中只有小部分的電能轉變成有用的機械輸出[6]。為了使整體系統的效率最大化，希望產生一個合適的驅動信號并盡可能回收未使用的能量。

本文設計了一種可以產生時變高電壓的電路，可以達到微機器人系統嚴格的重量要求和系統效率最大化。

1　壓電執行器的驅動要求和方式

壓電驅動器適用于很多拓撲電路，包括線性設備如串聯驅動器和組合設備如單極與雙極驅動方式[7]。

1)壓電驅動器的等效電路

壓電部分可以用驅動器和負載的機械特性連接阻抗的等效電路來表示。盡管還有多種深化電路已經更好的展現了壓電驅動器的非線性特性，但該電路模型已被IEEE采納為壓電陶瓷的通用標準[8]。

如圖1，電路包括了靜態部分，包括基礎電容C0，非傳導損耗Rp和磁滯損耗Rs，還有很多共振分支，每個分支都代表了一個機械振動模型。在每個分支中Li，Ri，Ci代表了振動方式的等效質量、阻尼系數、彈性系數。雖然磁滯是非線性損失，不能完全通過線性電路元件表現，但等效電路參數可以在一個特定的工作電壓和頻率下提供很好的磁滯損耗近似。

圖1　壓電陶瓷等效電路圖

2)驅動電路要求

為了確保驅動器的功能和最大效率，高電壓驅動電路應該能產生任意波形的單極驅動信號，且可以從驅動器回收未使用的能量。

壓電驅動器可以用單極或是雙極信號驅動。用雙極驅動時，驅動信號在正負電壓之間變換使壓電片伸縮。用單極驅動時，電壓只能是正的，使壓電片收縮，在微機械的應用中，壓電驅動器通過應變提供給機械系統運動能量，因此高驅動電壓可以使翅膀拍打。由于反接高壓驅動信號會使壓電部件去極化，所以，在壓電陶瓷施加的驅動信號必須是正向的[9]。

3)驅動方式

為了驅動單層壓電片，驅動器的電極上直接連接一個可變的單極源，如圖2(a)所示。雙壓電片有兩種驅動方法如圖2(b)和(c)。圖2(b)的方法稱為“交替驅動器”，包括連接到各自相應外電極并且操作相位差180°的兩個可變的單極源，在中心電極上有共接點。圖2(c)的方法中，稱為"同步驅動"，由單極源施加一個恒定的高電壓偏置，雙壓電片共接點連接可變單級源。

圖2　壓電片的驅動方式

2　兩級驅動電路

開關電源，結合無源元件與有源半導體開關，可以有效地從電源轉換低功率能量，最適合于解決微型機器人應用的小型化要求。本節描述了包括電壓變換階段和驅動信號階段，可用來驅動一個或多個雙晶片，如圖2(c)中的雙級驅動電路。

1)電壓轉換階段

自耦的升壓轉換器如圖3所示。在低功耗、高升壓應用中，這種拓撲結構比其他升壓拓撲結構擁有更多優勢[10]。該設計也很容易小型化，而小型化對于其它拓撲來說可能會降低效率或可制造性。

當開關晶體管Q導通時，電流積聚在自耦變壓器的初級繞組Lp。當Q關斷時，存儲在該磁芯中的能量通過初級和次級繞組被釋放成高電壓輸出。

該轉換器工作在非連續模式下，自耦變壓器中的電流必須在一個新的開關周期開始前返回到零。在低功率能級輸出這種操作模式通常有更高的效率，并簡化了控制回路的設計。

圖3　升壓轉換電路圖

在非連續模式下，電壓升壓比由下式給出

(1)

式中Vin，Vhv為輸入和輸出電壓，T為開關周期，Iout為負載電流，ton為導通時間開關，Lp為初級繞組的變壓器的電感。

如圖4，輸出電壓是通過電阻分壓反饋器和一個模擬比較器監測。當輸出電壓降到某個閾值之下時，開關晶體管導通，提供一定能量到輸出。這種控制方法在有負載的情況下通過改變充電脈沖的占空比使輸出電壓達到期望的數值。

圖4　升壓轉換器電路電壓電流圖

2)高電壓驅動級

圖5的驅動電路是一個雙向轉換器：傳遞能量到負載和從負載中回收能量。通過使用理論上無損的LC網絡(包括電感器和驅動器的主電容)，這樣的設計能夠產生一個任意的單極輸出波形的同時，可以從負載回收未使用的能量。當高側開關QH導通時，電感電流開始上升。當QH關閉，慣性電流通過二極管DL完成節點Va的充電，相反，打開低側開關QL從Va移除電荷和將它返回到電源，通過電容器Chv代表電源，當Ql關斷電流通過二極管DH放電。通過在適當的時間發出充電和放電脈沖的序列，能夠在Va產生任意波形。電壓和電流波形的單個開關周期示于圖6。

圖5　驅動信號產生電路

圖6　驅動信號產生電路的電壓電流圖

充電脈沖和放電脈沖之后在輸出電壓的變化計算公式如下

(2)

(3)

式中Va為在放大器的輸出電壓，Ca為致動器的電容，L為電感值，Ipk為峰值電感電流。此外，通過一個電感器的恒定電壓和隨時間變化的電流(V=Ldi/dT)之間的關系可以用來計算高側和低側開關的導通時間，tonH和tonL，這將導致一個電感電流IPK

(4)

(5)

式中Vhv為驅動級的電源電壓,所有其他量的定義如上。

3　實驗實現

前述的電路是采用分立元件的PCB電路來實現。在概念證明階段中，控制功能是通過板外STM32單片機的片上ADC和模擬比較器實現。在未來的實施中，這將是由一個自定義、低功耗、預計裸模重量2 mg、功耗不到的100 μW集成電路取代。由于理想的高效的控制電路的重量和功率消耗與STM32的差別很大，所以，將單片機控制設備排除在總重量和效率的計算外。

定制的微型變壓器使用3×15 mm的軟磁鐵氧體作為線軸，重量0.463 g。初級線圈15 mg，次級線圈279 mg，在單級驅動器和雙級驅動器的直流轉換級中使用的變壓器具有10～12 μH初級電感，匝數比為20，有20～40 Ω的串聯電阻，和0.7～0.8的耦合系數。該升壓轉換器輸入電壓為3.7 V(典型的鋰聚合物電池)，圖7為230 V和270 V的輸出電壓測量的效率，該升壓轉換器在0.1～0.15 W的輸出功率時效率最高。

圖7　輸出為230 V和270 V的效率

當負載連接至雙壓電陶瓷時，升壓轉換器輸出電壓如圖8。

圖8　升壓電路的輸出電壓波形圖

在一個靜止的測試臺上，將微撲翼飛行器固定在兩根導軌上以限制其運動路徑，雙壓電陶瓷片連接至飛行器的機械轉動軸和機翼上，采取外部供電方式來驗證本驅動電路的性能。圖9顯示為該雙級驅動電路工作于該微飛行器系統的高速攝像圖，翅膀拍打角度大約90°，翅膀拍動頻率為60 Hz。

圖9　升壓電路及微撲翼飛行器展示

由于飛行是微型機器人運動最耗電的模式之一，所以飛行運動的成功表明:該驅動電路也將適用于其他能量消耗較小的機械系統，如壓電式爬行機器人。

4　結　論

本文設計了用于驅動壓電執行器的小型化克級升壓電路的設計。對壓電驅動器的電氣特性進行了討論，并建立最佳的驅動要求。對電路的實驗結論進行了描述，包括克級別、升壓比60的電壓轉換器，功率密度超過1 600 W/kg，并有產生任意的輸出信號和從負載回收能量的能力。同時展現該驅動電路應用到撲翼機器人昆蟲的適用性。

下一步工作將集中在升壓電路的持續優化和小型化上。將通過定制磁性元件以提高線圈耦合，減輕重量，并減少電磁干擾。使用集成電路進行電路控制將進一步降低電子器件封裝的重量。

未來低功耗的集成電路將會是微型機器人實現獨立系統必需的方式。

[1]陳文元，張衛平．微型撲翼式仿生飛行器[M]．上海：上海交通大學出版社，2001．

[2]Hollar S,Flynn A,Pister K S J.Solar powered 10mg silicon robot[J].Micro-Electro-Mechanical Systems,2003,60:706-711.

[3]Kornbluh R D.Electroelastomers:Applications of dielectric elastomer transducers for actuation,generation,and smart structure-s[J].Industrial and Commercial Applications of Smart Structures Technologies,2002,254:254-270.

[4]Schneuwly A.Charge ahead (ultracapacitor technology and applications)[J].Power Engineer,2005,19:34-37.

[5]Bellew C L,Hollar S,Pister K S J.An SOI process for fabrication of solar cells,transistors and electrostatic actuators[C]∥Solid-State Sensors and Actuators Conf, 2003:1075-1078.

[6]Campolo D,Sitti M,Fearing R S.Efficient charge recovery method for driving piezoelectric actuators with quasi-square wave-s[J].IEEE Trans on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,2003,50:237-244.

[7]Wood R J,Steltz E,Fearing R S.Optimal energy density piezo-electric bending actuators[J].Sensors & Actuators:A，Physical,2005,119:476-488.

[8]Guan M,Lao W H.Studies on the circuit models of piezoelectric ceramics[J].Information Acquisition,2004,50:26-31.

[9]Sahai R,Avadhanula S,Groff R,et al.Towards a 3g crawling robot through the integration of microrobot technologies[J].IEEE Robotics and Automation,2006,30:296-302.

[10] Vazquez N,Estrada L,Hernandez C.The tapped-inductor boost converter[C]∥IEEE Int’l.Symposium on Industrial Electro-nics,2007:538-543.

Design of driver circuit for micro ornithopter*

WU Fan, ZHANG Wei-ping, HU Nan, ZOU Yang

(School of Electronic,Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

Flapping-wing robotic insects are small,highly maneuverable flying robots inspired by biological insects and useful for a wide range of tasks,including exploration,environmental monitoring,search and rescue,and surveillance.Piezoelectric actuator has advantages of high efficiency and power density in very small geometries,which shows application prospect in microrobotic field.Experiment is realized by boost converter stepping up a 3.7 V Li cell to 250 V.By establishing drive requirements of piezoelectric actuators,circuit topologies and different control mode suitable for different driving types of piezoelectric actuators in microrobotic applications,and present G level drive circuits.

micro ornithopter; piezoelectric actuator; drive circuit; boost converter

10.13873/J.1000—9787(2016)09—0075—03

2015—11—20

教育部新世紀優秀人才支持計劃資助項目(NVET 10—0583);教育部支撐項目(62501040303);國防項目(9140A26020313JW03371)

TM 423；TM 133

A

1000—9787(2016)09—0075—03

吳凡(1991-)，男，陜西西安人，碩士研究生，主要研究方向為微撲翼飛行器驅動電路研究。