吳　凡， 張衛(wèi)平， 胡　楠， 鄒　陽(yáng)

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

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微撲翼飛行器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)*

吳凡， 張衛(wèi)平， 胡楠， 鄒陽(yáng)

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

撲機(jī)械昆蟲(chóng)是很小、高機(jī)動(dòng)的仿昆飛行機(jī)器人，在勘探、環(huán)境監(jiān)測(cè)、搜索和救援、監(jiān)視等一系列任務(wù)中非常有用。壓電執(zhí)行器有小尺寸、高效率、高功率密度的優(yōu)勢(shì)，這展示了在微機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用前景。實(shí)驗(yàn)是通過(guò)升壓轉(zhuǎn)換器將3.7 V鋰電池增加到250 V以上實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)展現(xiàn)壓電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)要求、電路拓?fù)浜陀糜谖C(jī)器人的壓電驅(qū)動(dòng)器的不同控制方式來(lái)探索驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，并提出克級(jí)驅(qū)動(dòng)電路。

微撲翼飛行器; 壓電驅(qū)動(dòng)器; 驅(qū)動(dòng)電路; 升壓轉(zhuǎn)換器

0　引　言

應(yīng)用于機(jī)器人，特別是在仿生機(jī)器人這種小尺寸機(jī)械系統(tǒng)中，小型化又能提供動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)器有很多。近些年，一些驅(qū)動(dòng)方式，如壓電[1]、靜電[2]和非傳導(dǎo)彈性驅(qū)動(dòng)器[3]已經(jīng)被提出或已應(yīng)用于微機(jī)器人。上述的驅(qū)動(dòng)方式都是通過(guò)向不同電極充電或放電來(lái)產(chǎn)生高電壓偏置實(shí)現(xiàn)機(jī)械輸出的。電路實(shí)現(xiàn)主要有兩個(gè)難點(diǎn)：1)從低壓電源獲得高壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)。2)回收未使用的能量。

大多數(shù)的小型能量源都可以適用于微機(jī)器人應(yīng)用，比如鋰電池、超級(jí)電容器[4]、太陽(yáng)能電池[5]、燃料電池都可以產(chǎn)生小于5 V電壓。通常，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的電壓轉(zhuǎn)換電路需要有50～100 L壓率。所以,需要慎重地選擇并最優(yōu)電壓轉(zhuǎn)換電路，以避免質(zhì)量大、效率低的電路降低系統(tǒng)整體性能。

除了有提升電壓的功能，驅(qū)動(dòng)電路必須能在壓電執(zhí)行器的輸入電極上產(chǎn)生時(shí)變信號(hào)。這就面臨第二個(gè)問(wèn)題：在執(zhí)行器中只有小部分的電能轉(zhuǎn)變成有用的機(jī)械輸出[6]。為了使整體系統(tǒng)的效率最大化，希望產(chǎn)生一個(gè)合適的驅(qū)動(dòng)信號(hào)并盡可能回收未使用的能量。

本文設(shè)計(jì)了一種可以產(chǎn)生時(shí)變高電壓的電路，可以達(dá)到微機(jī)器人系統(tǒng)嚴(yán)格的重量要求和系統(tǒng)效率最大化。

1　壓電執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)要求和方式

壓電驅(qū)動(dòng)器適用于很多拓?fù)潆娐?，包括線性設(shè)備如串聯(lián)驅(qū)動(dòng)器和組合設(shè)備如單極與雙極驅(qū)動(dòng)方式[7]。

1)壓電驅(qū)動(dòng)器的等效電路

壓電部分可以用驅(qū)動(dòng)器和負(fù)載的機(jī)械特性連接阻抗的等效電路來(lái)表示。盡管還有多種深化電路已經(jīng)更好的展現(xiàn)了壓電驅(qū)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)[8]。

如圖1，電路包括了靜態(tài)部分，包括基礎(chǔ)電容C0，非傳導(dǎo)損耗Rp和磁滯損耗Rs，還有很多共振分支，每個(gè)分支都代表了一個(gè)機(jī)械振動(dòng)模型。在每個(gè)分支中Li，Ri，Ci代表了振動(dòng)方式的等效質(zhì)量、阻尼系數(shù)、彈性系數(shù)。雖然磁滯是非線性損失，不能完全通過(guò)線性電路元件表現(xiàn)，但等效電路參數(shù)可以在一個(gè)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(qū)動(dòng)電路要求

為了確保驅(qū)動(dòng)器的功能和最大效率，高電壓驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該能產(chǎn)生任意波形的單極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，且可以從驅(qū)動(dòng)器回收未使用的能量。

壓電驅(qū)動(dòng)器可以用單極或是雙極信號(hào)驅(qū)動(dòng)。用雙極驅(qū)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)在正負(fù)電壓之間變換使壓電片伸縮。用單極驅(qū)動(dòng)時(shí)，電壓只能是正的，使壓電片收縮，在微機(jī)械的應(yīng)用中，壓電驅(qū)動(dòng)器通過(guò)應(yīng)變提供給機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)能量，因此高驅(qū)動(dòng)電壓可以使翅膀拍打。由于反接高壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)會(huì)使壓電部件去極化，所以，在壓電陶瓷施加的驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須是正向的[9]。

3)驅(qū)動(dòng)方式

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

圖2　壓電片的驅(qū)動(dòng)方式

2　兩級(jí)驅(qū)動(dòng)電路

開(kāi)關(guān)電源，結(jié)合無(wú)源元件與有源半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，可以有效地從電源轉(zhuǎn)換低功率能量，最適合于解決微型機(jī)器人應(yīng)用的小型化要求。本節(jié)描述了包括電壓變換階段和驅(qū)動(dòng)信號(hào)階段，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)或多個(gè)雙晶片，如圖2(c)中的雙級(jí)驅(qū)動(dòng)電路。

1)電壓轉(zhuǎn)換階段

自耦的升壓轉(zhuǎn)換器如圖3所示。在低功耗、高升壓應(yīng)用中，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比其他升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擁有更多優(yōu)勢(shì)[10]。該設(shè)計(jì)也很容易小型化，而小型化對(duì)于其它拓?fù)鋪?lái)說(shuō)可能會(huì)降低效率或可制造性。

當(dāng)開(kāi)關(guān)晶體管Q導(dǎo)通時(shí)，電流積聚在自耦變壓器的初級(jí)繞組Lp。當(dāng)Q關(guān)斷時(shí)，存儲(chǔ)在該磁芯中的能量通過(guò)初級(jí)和次級(jí)繞組被釋放成高電壓輸出。

該轉(zhuǎn)換器工作在非連續(xù)模式下，自耦變壓器中的電流必須在一個(gè)新的開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始前返回到零。在低功率能級(jí)輸出這種操作模式通常有更高的效率，并簡(jiǎn)化了控制回路的設(shè)計(jì)。

圖3　升壓轉(zhuǎn)換電路圖

在非連續(xù)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(kāi)關(guān)周期，Iout為負(fù)載電流，ton為導(dǎo)通時(shí)間開(kāi)關(guān)，Lp為初級(jí)繞組的變壓器的電感。

如圖4，輸出電壓是通過(guò)電阻分壓反饋器和一個(gè)模擬比較器監(jiān)測(cè)。當(dāng)輸出電壓降到某個(gè)閾值之下時(shí)，開(kāi)關(guān)晶體管導(dǎo)通，提供一定能量到輸出。這種控制方法在有負(fù)載的情況下通過(guò)改變充電脈沖的占空比使輸出電壓達(dá)到期望的數(shù)值。

圖4　升壓轉(zhuǎn)換器電路電壓電流圖

2)高電壓驅(qū)動(dòng)級(jí)

圖5的驅(qū)動(dòng)電路是一個(gè)雙向轉(zhuǎn)換器：傳遞能量到負(fù)載和從負(fù)載中回收能量。通過(guò)使用理論上無(wú)損的LC網(wǎng)絡(luò)(包括電感器和驅(qū)動(dòng)器的主電容)，這樣的設(shè)計(jì)能夠產(chǎn)生一個(gè)任意的單極輸出波形的同時(shí)，可以從負(fù)載回收未使用的能量。當(dāng)高側(cè)開(kāi)關(guān)QH導(dǎo)通時(shí)，電感電流開(kāi)始上升。當(dāng)QH關(guān)閉，慣性電流通過(guò)二極管DL完成節(jié)點(diǎn)Va的充電，相反，打開(kāi)低側(cè)開(kāi)關(guān)QL從Va移除電荷和將它返回到電源，通過(guò)電容器Chv代表電源，當(dāng)Ql關(guān)斷電流通過(guò)二極管DH放電。通過(guò)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間發(fā)出充電和放電脈沖的序列，能夠在Va產(chǎn)生任意波形。電壓和電流波形的單個(gè)開(kāi)關(guān)周期示于圖6。

圖5　驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路

圖6　驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)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(jì)算公式如下

(2)

(3)

式中Va為在放大器的輸出電壓，Ca為致動(dòng)器的電容，L為電感值，Ipk為峰值電感電流。此外，通過(guò)一個(gè)電感器的恒定電壓和隨時(shí)間變化的電流(V=Ldi/dT)之間的關(guān)系可以用來(lái)計(jì)算高側(cè)和低側(cè)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間，tonH和tonL，這將導(dǎo)致一個(gè)電感電流IPK

(4)

(5)

式中Vhv為驅(qū)動(dòng)級(jí)的電源電壓,所有其他量的定義如上。

3　實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)

前述的電路是采用分立元件的PCB電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。在概念證明階段中，控制功能是通過(guò)板外STM32單片機(jī)的片上ADC和模擬比較器實(shí)現(xiàn)。在未來(lái)的實(shí)施中，這將是由一個(gè)自定義、低功耗、預(yù)計(jì)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(jī)控制設(shè)備排除在總重量和效率的計(jì)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(jí)線圈15 mg，次級(jí)線圈279 mg，在單級(jí)驅(qū)動(dòng)器和雙級(jí)驅(qū)動(dòng)器的直流轉(zhuǎn)換級(jí)中使用的變壓器具有10～12 μH初級(jí)電感，匝數(shù)比為20，有20～40 Ω的串聯(lián)電阻，和0.7～0.8的耦合系數(shù)。該升壓轉(zhuǎn)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(cè)量的效率，該升壓轉(zhuǎn)換器在0.1～0.15 W的輸出功率時(shí)效率最高。

圖7　輸出為230 V和270 V的效率

當(dāng)負(fù)載連接至雙壓電陶瓷時(shí)，升壓轉(zhuǎn)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(gè)靜止的測(cè)試臺(tái)上，將微撲翼飛行器固定在兩根導(dǎo)軌上以限制其運(yùn)動(dòng)路徑，雙壓電陶瓷片連接至飛行器的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)軸和機(jī)翼上，采取外部供電方式來(lái)驗(yàn)證本驅(qū)動(dòng)電路的性能。圖9顯示為該雙級(jí)驅(qū)動(dòng)電路工作于該微飛行器系統(tǒng)的高速攝像圖，翅膀拍打角度大約90°，翅膀拍動(dòng)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)最耗電的模式之一，所以飛行運(yùn)動(dòng)的成功表明:該驅(qū)動(dòng)電路也將適用于其他能量消耗較小的機(jī)械系統(tǒng)，如壓電式爬行機(jī)器人。

4　結(jié)　論

本文設(shè)計(jì)了用于驅(qū)動(dòng)壓電執(zhí)行器的小型化克級(jí)升壓電路的設(shè)計(jì)。對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器的電氣特性進(jìn)行了討論，并建立最佳的驅(qū)動(dòng)要求。對(duì)電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行了描述，包括克級(jí)別、升壓比60的電壓轉(zhuǎn)換器，功率密度超過(guò)1 600 W/kg，并有產(chǎn)生任意的輸出信號(hào)和從負(fù)載回收能量的能力。同時(shí)展現(xiàn)該驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用到撲翼機(jī)器人昆蟲(chóng)的適用性。

下一步工作將集中在升壓電路的持續(xù)優(yōu)化和小型化上。將通過(guò)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(jìn)行電路控制將進(jìn)一步降低電子器件封裝的重量。

未來(lái)低功耗的集成電路將會(huì)是微型機(jī)器人實(shí)現(xiàn)獨(dú)立系統(tǒng)必需的方式。

[1]陳文元，張衛(wèi)平．微型撲翼式仿生飛行器[M]．上海：上海交通大學(xué)出版社，2001．

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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(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(NVET 10—0583);教育部支撐項(xiàng)目(62501040303);國(guó)防項(xiàng)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?yàn)槲湟盹w行器驅(qū)動(dòng)電路研究。