吳彬彬， 張衛平， 鄒 陽， 王晨陽， 孫 浩， 陳 暢

(微米/納米加工技術重點實驗室 薄膜與微細技術教育部重點實驗室上海市北斗導航與位置服務重點實驗室 上海交通大學 電子信息與電氣工程學院 微納電子學系，上海 200240)

0 引 言

微型飛行器不管在軍用還是民用方面都具有非凡的實用價值，由于其體積微小，可應用于偵查、救災、環境監測、監控等領域。研究人員通過研究昆蟲的飛行機理，設計出了仿昆撲翼微飛行器。除結構設計之外，控制也是設計中非常重要的一部分。

文獻[1]設計并制造了一個電磁驅動方式的仿昆撲翼微飛行器，質量為80 mg，翼展(兩翼展開時的寬度)3.5 cm。針對該飛行器本文設計了驅動系統，對其成功起飛起到了極其重要的作用。選擇電磁驅動因其具有結構簡單、響應快、帶寬大，最重要的是，整個飛行器能夠實現結構緊湊。該飛行器上的電磁驅動器包括釹鐵硼磁鐵和鍍銅線圈，磁鐵放在兩個四連桿組系統和線圈之間。將驅動器置于機器人胸部的中間，更接近真實昆蟲的撲翼機制。

本文設計的電磁驅動系統，由電源模塊供電，由信號發生器提供電壓控制信號，該電路能夠驅動仿昆撲翼微飛行器撲動雙翼，翅膀拍打頻率高達80 Hz，拍打幅度約±70°。

設計的電磁驅動電路為該微飛行器的驅動器提供交流驅動信號。當驅動電流通過線圈，線圈產生交變磁場，從而使電磁驅動系統上下往復運動。該電路可分為三個模塊，電磁驅動模塊、電源模塊和信號模塊。電磁驅動模塊輸出兩路驅動電流，可以分別控制微飛行器的雙翼。電源模塊為電磁驅動模塊提供±15 V直流電壓，通過電池組和升壓(BOOST)電路實現。信號模塊是一個基于STM32F103RB的最小系統板，編寫相應程序并燒寫，可以輸出一定波形，并可在上位機端實現在線實時控制輸出信號的幅值和頻率，但因功率過小未直接作為電磁驅動電路的電壓控制信號源。

1 電磁驅動模塊

在微型機器人應用中，需要較高的驅動電壓來完成腿部或翅膀的動作。基于此，迫切需要一種能夠產生高驅動電壓的驅動電路，同時要具備微型機器人應用中所需滿足的性能，比如驅動電流穩定、安全、可靠性好等。針對現有技術[2～5]的缺陷，最終選擇高頻電磁驅動器[3,4]作為該飛行器的驅動系統。

將兩個相同的電磁驅動電路通過共用VCC和VEE實現一個雙路電磁驅動電路，如圖1所示，其作用是控制電源的通斷，從而控制整個電路的工作狀態。兩個雙刀單擲開關分別獨立控制兩路電磁驅動電路。

圖1 雙路電磁驅動電路

在運算放大器OPA548T限流控制接口Ilim與負電壓之間接一個限流電阻器Rc1，則該器件的最大輸出電流為

(1)

式中Rcl阻值為4 kΩ。

這個電路的目的是讓輸出的驅動電流，即通過電磁線圈的電流與輸入電壓波形一致(頻率，相位等)。輸出電流Iout與輸入電壓幅值Uin滿足Uin=Iout×R2。

電磁線圈作為負載，連接在運算放大器OPA548T的輸出端。將電源接入OPA548T運算放大器，并在輸入端施加電壓控制信號，經過OPA548T后，輸出一個穩定的驅動電流。另外，通過控制輸入電壓信號的波形，可以控制電磁線圈的運動位移，從而控制撲翼動作。

2 電源模塊

驅動電路模塊的正常工作需要±15 V直流電壓供電，由于15 V的電池一般體積大、質量大，不適用于微型飛行器，因此，可將若干個電池通過一個升壓電路進行升壓，這樣可以大幅減小該電源模塊的質量和體積。

DC-DC的轉換方式[6]有多種，基于XL6009搭建一個簡單的BOOST電路，如圖2所示，啟動電壓為3 V，該電路能輸出具有一定功率的恒定電壓，模塊效率高、成本低、外圍器件少。

圖2 基于XL6009的BOOST升壓電路

XL6009的引腳3作為開關，當輸出低電平時，二極管D1截止，電感L1作為儲能元件儲存電壓，C1與Rv和R1組成一個回路放電，使輸出電壓下降；當引腳3輸出高電平時，D1導通，L1向C1兩端充電，輸出電壓升高。Rv與R1作為負反饋穩定輸出電壓，并能控制電壓放大倍數[7]。C3與C4為高頻旁路電容，能有效濾除高頻噪聲。

輸出直流電壓的功率要求達到6 W左右，而BOOST升壓電路的升壓效率為90 %左右，因此，對于微小電池的選擇也有限制。該電路的輸出電壓為Vout=1.25(RV/R1+1)，為了得到15 V的輸出電壓，可由該式選擇R1和RV的大小。

為了得到±15 V電壓，需要兩個這樣的升壓電路和兩組電池，具體實現方式如圖3所示。

圖3 ±15 V電壓產生電路

調節兩個升壓模塊的電位器，使得空載時輸出電壓大小為15 V，然后將這兩個模塊按照圖3所示進行連接，并在兩個模塊輸出端分別接上30 Ω負載，測試得U1=14.4 V，I1=0.45 A，U2=14.53 V，I2=0.48 A，因此功率大小為P1=6.48 W，P2=6.97 W。可根據負載大小及所需功率調整電池型號和數量，只要保證足夠的功率和最大輸出電流，就可以在輸出端得到穩定的、具有一定功率的±15 V電壓。

將該升壓模塊應用到電磁驅動電路上，測得輸出端的驅動波形如圖4(a)所示，再將這兩個模塊一起應用到微飛行器上，電壓控制信號為50 Hz/0.5Vpp的正弦信號，由信號發生器產生，飛行器同樣能夠撲動雙翼，如圖4(b)所示。

圖4 升壓模塊應用結果

3 信號模塊

電磁驅動電路所需的電壓控制信號可由最小系統板產生，利用芯片STM32F103RB設計并繪制所需的外圍電路。實驗者可在上位機端發送相應指令，從而實現在線實時控制輸出信號的頻率和幅值。若要實現無線控制，可以將有線串口模塊換為無線串口模塊。

3.1 最小系統板電路與工作原理

本文研制的最小系統板采用STM32F103RB芯片，利用內部通用定時器TIMx產生兩路脈寬調制(pulse width modulation,PWM)輸出，接著經過兩級的RC濾波和運算放大器，輸出兩路信號。

實際電路中典型的PWM波高低電平分別為VH和VL，理想情況下VL為0。可以用分段函數表示為

(2)

式中T為計數脈沖的基本周期，N為PWM 1個周期的計數脈沖個數，n為PWM 1個周期中高電平的計數脈沖個數，k為諧波次數，t為時間。式(2)傅里葉級數展開，有

f(t)=VDC+VHC+VHO

(3)

式中VDC為直流分量，VDC=(n/N)(VH-VL)，VHC為1次諧波分量，VHO為大于1次的高次諧波分量。

直流分量VDC與n呈線性關系，并隨著n從0～N變化，直流分量從VL～(VH-VL)之間變化，即所需的輸出電壓。因此，只要將式(3)中除了直流分量VDC以外的高次諧波過濾掉，則可以完成PWM波到電壓的數/模轉換(digital to anolog conversion,DAC)，即PWM波可以通過一個低通濾波器進行解調。

PWM到DAC電壓輸出的電路實現如圖5所示，R與C的具體參數可以根據式(3)中VHC的1次諧波頻率來選擇，因為若能將1次諧波很好地過濾，則基本不存在高次諧波。

圖5 RC低通濾波電路

綜上所述，STM32最小系統板從只讀存儲器(read only memory,ROM)中獲得波形信息，根據表中的數值產生占空比以正弦規律變化的PWM，最后經過低通濾波器濾除高次諧波，最終產生正弦波。

最小系統板和上位機通過串口進行通信，在確定通信規則后，就可以在上位機端通過發送指令的方式對輸出信號的幅值和頻率進行控制。若安裝無線串口模塊，就可以實現無線控制。

最后，將這個信號模塊輸出的驅動信號作為電壓控制信號，加到前面設計的電磁驅動模塊上，用電源模塊作為供電源，測試輸出端信號，結果發現波形發生畸變，未得到正確輸出，經過研究，信號模塊雖然能輸出想要的波形，并能在線實時控制幅值和頻率，但功率達不到要求。

3.2 劈裂信號的產生與控制

3.2.1 劈裂信號的產生

劈裂信號為

(4)

將一個劈裂信號周期分為128個點，ω取2π/128，δ分別取π/150和-π/150，那么分別計算得σ1=π/22，ξ1= - 64π/11，σ2= -π/278，ξ2=64π/139，以這兩組參數建立兩個劈裂信號式(5)、式(6)，其中x為1～127的整數

(5)

(6)

將得到的兩個劈裂信號波形表分別存入最小系統板的ROM中，然后在板子輸出端用示波器觀察，結果如圖6。

圖6 δ=±π/150時的劈裂信號波形

因此，保持劈裂信號總頻率不變，改變δ的值就可改變波形形狀，而且δ的正負決定了波形“傾斜”的方向，值的大小影響“傾斜”的程度。

3.2.2 劈裂信號幅值的控制

以式(5)的波形為例，在上位機端通過串口在線實時改變波形幅值。保持一路波形幅值穩定不變，改變另一路的幅值，分別為1，1.8，2.5，3 V，改變過程如圖7所示。

圖7 劈裂信號幅值的改變

3.2.3 劈裂信號總頻率控制

同樣以式(5)的波形為例，在上位機端通過串口改變頻率，保持一路波形總頻率穩定不變，改變另一路的總頻率，分別為280，350，800，1 000 Hz，如圖8所示。

圖8 劈裂信號頻率的改變

4 實驗結果

在實際電路中，圖1中的R2用4個并聯的10 Ω電阻器替換，電磁線圈用10 Ω電阻器代替，測試電磁線圈兩端的電壓波形。根據Uin，輸出電流Iout為600 mA，所以,電磁線圈兩端電壓為6 V，測得的輸出電壓信號的峰峰值應約為12 V。通過控制雙刀單擲開關，先讓一路單獨工作。如圖9(a)所示，上方波形為函數發生器輸出信號，峰峰值設置為3Vpp，下方波形為測得的輸出電壓信號，可見峰峰值為12 V左右。控制開關使兩路同時工作，函數發生器輸出的信號如圖9(b)所示，兩個信號峰峰值均為3 V左右，圖9(c)為測得的兩路輸出信號，可見峰峰值均為12 V左右，但波形有畸變，這是功率過大引起的，增大電源功率可解決這個問題。

圖9 輸出信號

綜上可見，兩路電磁驅動電路相互獨立，僅僅共用電源，可通過開關進行控制，只要適當提高電源功率，就可以各自輸出穩定的驅動電流。

將該電磁驅動電路連接在文獻[1]的仿昆微飛行器上，即飛行器上的電磁線圈接入到該電路的輸出端，利用外部電源和激勵信號，該微飛行器的雙翼撲動，如圖10所示。

圖10 微飛行器驅動結果

5 結束語

本文設計了一個電磁驅動電路，利用電源模塊供電，用信號發生器提供電壓控制信號，輸出的驅動電流用于驅動撲翼微飛行器上的電磁線圈，交變電流通過電磁線圈產生交變的電磁力，進而驅動永磁體做往復運動，然后經過四連桿傳動機構使得微飛行器產生一些特定的撲翼動作。信號模塊通過改變ROM中存儲的波形數據可以產生相應波形，并能通過上位機發送的指令在線實時改變輸出波形的頻率、相位與幅值，但由于輸出功率有限，還不能應用在該電磁驅動電路上。

該電路系統目前還存在一定的不足，比如微小化還未實現，升壓模塊所需的電池組質量和體積不夠小，串口工具發送指令后，波形的改變需要反應時間，最小系統板輸出的信號功率有待提高等，所以還存在一定的研究發展空間。