應用於微型機器人毫克級別的壓電陶瓷驅動電路系統的製作方法

2023-05-13 12:25:46 1

本發明涉及微機電系統技術領域，具體地，涉及一種應用於微型機器人毫克級別的壓電陶瓷驅動電路系統。

背景技術：

微機械電子系統(MEMS)主要包括微型機構、微型傳感器、微型執行器和相子通信以及微電子技領域最新成果的基礎上，逐漸成為了高科技前沿學科。

撲翼機械昆蟲是一種微型飛行器(MAVs)，設計靈感來源於生物昆蟲，為了實現小尺寸、高機動性和懸停的能力。這樣的機器人平臺有許多應用程式，包括勘探、環境監測、搜索和救援、監視。對於微機器人應用的大多數緻密能源，如鋰電池或燃料電池，產生的輸出電壓小於等於5V。如果把許多電池單元串聯在一起獲得高電壓通常是不實際的，因為封裝導致能量密度顯著減少。因此，壓電驅動器在微機器人應用很有優勢：質量輕、帶寬高、輸出力大、功率消耗低和集成簡單。然而，壓電驅動器的主要缺點是需要高驅動電壓來滿足足夠的力和位移輸出。由於質量和必要的電力電子的複雜性限制了這一類驅動器在自主的微機器人上的應用。驅動器高電壓的生成需要電壓轉換電路和升壓的比率從50到100不等。

雖然現在的研究已經出現了一些能夠輸出高電壓的電路拓撲，但是這些電路大多數不能輕易的小型化，在微機器人的應用中輸出功率效率很低。

技術實現要素：

針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種應用於微型機器人毫克級別的壓電陶瓷驅動電路系統，能夠在低壓直流電輸入的系統中產生高壓交流輸出驅動信號，完成驅動器內未轉化為機械能的大部分能量的回收，具有重量輕、體積小、性能穩定等特點。

為實現以上目的，本發明採用以下技術方案：

本發明的目標是提供一種應用於微型機器人毫克級別的壓電陶瓷驅動電路系統，包括：直流升壓轉換模塊，直流電壓校準模塊，開關放大器驅動模塊，交流電壓校準模塊，以及控制模塊；其中：

所述直流升壓轉換模塊，將輸入端直流低壓電信號轉換為所要求的直流高壓電信號，並將直流高壓電信號傳輸給所述直流電壓校準模塊和開關放大器驅動模塊；

所述直流電壓校準模塊，採樣實時直流高壓電壓並傳給控制模塊，通過控制模塊輸出校準信息至直流升壓轉換模塊，形成負反饋系統，對直流高壓電信號進行校準；

所述開關放大器驅動模塊，將直流高壓電信號轉化為所要求的交流高壓電信號，並將交流高壓電信號傳輸給交流電壓校準模塊和輸出端；

所述交流電壓校準模塊，採集傳輸給輸出端的交流高壓電壓，並將採集到的交流高壓電壓模擬值轉換為數字值，並傳給控制模塊，通過控制模塊輸出校準信息至開關放大器驅動模塊，形成負反饋系統，對交流高壓電信號進行校準；

所述控制模塊用於直流電壓校準和交流電壓校準，控制內部時鐘產生一定佔空比的PWM波，該模塊將用戶設定值和實時採樣值相比較，一方面產生對直流高壓電壓的校準信息，輸入直流升壓轉換模塊；另一方面產生交流高壓電壓的校準信息，輸入開關放大器驅動模塊。

優選地，所述直流升壓轉換模塊由自耦變壓器初級線圈Lp、次級線圈Ls、MOS管Q、二極體D、電容Chv、電阻R1和R2組成，初級線圈Lp一端連接低壓直流電源正極，另一端與次級線圈Ls連接，次級線圈Ls的另一端連接二極體D的正極，二極體D的負極連接電容Chv一端和分壓電阻R1一端，分壓電阻R1的另一端連接分壓電阻R2一端，分壓電阻R2的另一端連接電容Chv的另一端；低壓直流電源正極連接MOS管Q控制的串聯的初級、次級線圈Lp和Ls，通過控制電流流向的二極體D正極，流經二極體D在電容Chv中積聚能量，然後接入低壓直流電源負極；分壓電阻R1和R2串聯後再與電容Chv並聯，MOS管Q的漏極接入串聯的初級、次級線圈Lp和Ls之間，源極接地、柵極連接控制模塊的PWM波輸出管腳；直流升壓轉換模塊的輸出端正極為二極體D負極，直流升壓轉換模塊的輸出端負極為低壓直流電源負極。

優選地，所述直流升壓轉換模塊將輸入端直流低壓電信號通過MOS管Q控制的初級、次級線圈Lp、Ls轉換為所要求的直流高壓電信號。

優選地，所述直流電壓校準模塊將採集到的直流高壓電信號與用戶自定義的電壓標準模擬值進行比較，並通過控制模模塊採用PID算法控制內部時鐘所產生的波形，對MOS管Q的通斷時間進行調整，改變初級、次級線圈Lp和Ls與電容Chv的充放電時間，從而對直流高壓電信號進行校準，最後將校準後的直流高壓電信號傳輸給所述開關放大器驅動模塊。

優選地，所述開關放大器驅動模塊由高側MOS管開關QH、低側MOS管開關QL、限定電流流向的二極體DH和DL、電感L、壓電陶瓷片C1和C2、電阻R3和R4組成，高側MOS管開關QH的漏極連接直流升壓轉換模塊的輸出端正極，高側MOS管開關QH的源極連接低側MOS管開關QL的漏極，低側MOS管開關QL的源極接直流升壓轉換模塊的輸出端負極，高側MOS管開關QH、低側MOS管開關QL的柵極分別連接控制模塊的PWM波的兩路輸出管腳，二極體DH和DL為串聯，二極體DH的正極接二極體DL的負極，二極體DH的負極接直流升壓轉換模塊的輸出端正極，二極體DL的正極接直流升壓轉換模塊的輸出端負極，二極體DH的正極連接MOS管QH的源極，壓電陶瓷片C1和C2串聯接入開關放大器驅動模塊，作為能量回收儲存元件的電感L兩端分別連接二極體DH的正極和壓電陶瓷片C2；由兩路PWM波控制的高側MOS管開關QH和低側MOS管開關QL控制二極體DH和DL的通斷，電阻R3和R4分壓電阻，電阻R3和R4串聯後再與壓電陶瓷片C2並聯。

優選地，所述開關放大器驅動模塊將直流高壓電信號通過MOS管QH和QL控制的電感L與壓電陶瓷片C1、C2的充放電轉化為所要求的交流高壓電信號。

優選地，所述直流電壓校準模塊通過採集一對分壓電阻R1和R2中的一個電阻所分擔的小電壓，通過比較器與用戶自定義的電壓標準模擬值進行比較，採用控制力的PID算法控制內部時鐘所產生PWM波的佔空比，對MOS管Q通斷時間進行校準，從而使初級、次級線圈Lp和Ls與電容Chv充放電時間變化，產生用戶所需要的直流高壓電信號。

優選地，所述交流電壓校準模塊採集傳輸給輸出端的交流高壓電信號，並將採集到的交流高壓電信號通過控制模塊的ADC模塊轉化成數位訊號，與用戶自定義的電壓標準數字值進行比較，通過查表算法，使用控制模塊控制內部時鐘輸出兩路PWM波對串聯的MOS管QH和QL通斷時間分別進行調整，改變電感L與壓電陶瓷片C1和C2的充放電時間，從而對交流高壓電信號進行校準，最後將校準後的交流高壓電信號經所述開關放大器驅動模塊輸出給輸出端。

優選地，所述交流電壓校準模塊輸出的一定佔空比的PWM波由用戶自定義控制，所產生的PWM波信號前半個周期和後半個周期頻率不同，形成產生所需要的劈裂PWM波信號使壓電陶瓷上下振動頻率不同，從而控制機器人的撲翼拍打速度。

進一步的，由於高側MOS管QH和二極體DH、低側MOS管QL和二極體DL可以簡化為兩個帶PWM波控制的串聯的晶閘管D1、D2。這裡提出另一種簡化的開關放大器驅動模塊電路方案。簡化的開關放大器驅動模塊電路方案電路元器件包括晶閘管D1和D2、電感L、壓電陶瓷片C1和C2、電阻R3和R4。晶閘管D1和D2為串聯，晶閘管D1的正極接晶閘管D2的負極，晶閘管D1的負極接直流升壓轉換模塊的輸出端正極，晶閘管D2的正極接直流升壓轉換模塊的輸出端負極，晶閘管D1和D2的控制端分別接PWM波的兩路輸出管腳。壓電陶瓷片C1和C2串聯接入開關放大器驅動模塊，作為能量回收儲存元件的電感L兩端分別連接晶閘管D1的正極和壓電陶瓷片C2的正極。分壓電阻R3和R4串聯後再與壓電陶瓷片C2並聯。

所述開關放大器驅動模塊將直流高壓電信號通過晶閘管D1和D2控制的電感L與壓電陶瓷片C1、C2的充放電轉化為所要求的交流高壓電信號。

本發明中，通過控制輸出合適佔空比的PWM波，選擇高速開關MOS管和較高採樣率和採樣位數的ADC晶片，與簡單的電路元器件，可以改變整套壓電陶瓷驅動電路系統的構建成本和驅動能力。在對檢測精度和檢測速度要求較高的場合，可以選擇有較高採樣率和採樣位數的ADC晶片和高速開關MOS管，配合控制模塊(可以採用ARM)控制良好的PWM波佔空比以及精確的查表構建系統，同時當硬體水平獲得發展的同時，通過更換系統中的部分模塊便可以提升驅動電路系統的驅動能力以及系統穩定性。在對檢測精度和檢測速度要求不高的場合，可以選擇採樣率和採樣位數不高的ADC晶片和開關MOS管，配合控制模塊構建系統，從而降低構建系統所需的成本。

與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：

本發明通過直流電壓校準模塊和交流電壓校準模塊的設計與運用，實現了當驅動電路所處環境和用戶需求變化時，可以不修改電路參數繼續對壓電陶瓷進行穩定驅動的功能。同時，為實現對驅動電路系統性能的進一步升級預留了發展空間。另外，本發明可以針對不同場合對驅動電路系統構建的成本進行控制。本發明集中適用於壓電驅動的輕量級、高壓電源電路物理實現和壓電驅動器在微機器人的應用。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯：

圖1為本發明—優選實施例的系統的模塊原理框圖；

圖2為本發明—優選實施例的系統的原理框圖；

圖3為本發明一優選實施例的直流升壓轉換模塊和直流電壓校準模塊的電路圖；

圖4為本發明一優選實施例的開關放大器驅動模塊和交流電壓校準模塊的電路圖；

圖5為本發明另一優選實施例的開關放大器驅動模塊的電路圖。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。

如圖1、圖2所示，一種應用於微型機器人毫克級別的壓電陶瓷驅動電路系統，包括：直流升壓轉換模塊，直流電壓校準模塊，開關放大器驅動模塊，交流電壓校準模塊；其中：

所述直流升壓轉換模塊，將輸入端直流低壓電信號轉換為所要求的直流高壓電信號，並將直流高壓電信號傳輸給所述直流電壓校準模塊和開關放大器驅動模塊；

所述直流電壓校準模塊，採樣實時直流高壓電壓並傳給控制模塊，通過控制模塊輸出校準信息至直流升壓轉換模塊，形成負反饋系統，對直流高壓電信號進行校準；

所述開關放大器驅動模塊，將直流高壓電信號轉化為所要求的交流高壓電信號，並將交流高壓電信號傳輸給交流電壓校準模塊和輸出端；

所述交流電壓校準模塊，採集傳輸給輸出端的交流高壓電壓，並將採集到的交流高壓電壓模擬值轉換為數字值，並傳給控制模塊，通過控制模塊輸出校準信息至開關放大器驅動模塊，形成負反饋系統，對交流高壓電信號進行校準；

所述控制模塊用於直流電壓校準和交流電壓校準，控制內部時鐘產生一定佔空比的PWM波，該模塊將用戶設定值和實時採樣值相比較，一方面產生對直流高壓電壓的校準信息，輸入直流升壓轉換模塊；另一方面產生交流高壓電壓的校準信息，輸入開關放大器驅動模塊。

在一優選實施例中，控制模塊採用ARM實現，以下基於該設計提供以下詳細實施細節，應當理解的是，在其他實施例中，控制模塊也可以採用其他實現方式，這對本發明的實質沒有影響。

如圖3所示，在一實施例中，所述直流升壓轉換模塊由自耦變壓器初級線圈Lp、次級線圈Ls、MOS管Q、二極體D、電容Chv和電阻R1和R2組成。低壓直流電源(3-5V)正極連接MOS管Q控制的串聯的初級、次級線圈Lp和Ls，通過控制電流流向的二極體D正極，流經二極體D在電容Chv中積聚能量，然後接入低壓直流電源負極。分壓電阻R1和R2串聯後與電容Chv並聯，MOS管Q的漏極接入串聯的初級、次級線圈Lp和Ls之間，源極接地，柵極連接直流電壓校準模塊中ARM的PWM波輸出管腳。直流升壓轉換模塊的輸出端正極為二極體D負極，直流升壓轉換模塊的輸出端負極為低壓直流電源負極。

所述直流升壓轉換模塊用於將輸入端直流低壓電信號通過開關控制的自耦變壓器(初級、次級線圈分別用電感Lp、Ls表示)轉換為所要求的直流高壓電信號。

所述直流電壓校準模塊採集直流高壓並將採集到的直流高壓電信號通過比較器與電壓標準模擬值進行比較，通過PID算法對ARM內部時鐘的調整，控制輸出PWM波的佔空比，將PWM波輸入圖3中發揮開關作用的MOS管Q，從而調節通斷時間，改變初級、次級線圈Lp和Ls與電容Chv的充放電時間，對直流高壓電信號進行校準，最後將校準後的直流高壓電信號傳輸給所述開關放大器驅動模塊。

所述直流升壓轉換模塊採用升壓和回掃式拓撲結構的組合升壓轉換器——自耦變壓器。在低功耗與高升壓的要求下應用這種拓撲結構比應用其它升壓拓撲結構擁有更多優勢，並且簡化了設計，易於小型化，提高了效率和可製造可實現性。

具體的，如圖3所示，當開關電晶體Q導通時，電流積聚在自耦變壓器初級繞組的電感Lp；當開關電晶體Q關斷時，存儲在自耦變壓器中的能量通過初級和次級繞組被高電壓輸出釋放。電壓升壓比由下式給出：

式中：Vin和Vhv分別為輸入電壓和輸出電壓，T為開關周期，Iout為負載電流，ton為開關導通時間，Lp為自耦變壓器初級繞組的電感。

如圖1、圖2所示，所述直流電壓校準模塊將實時採集到的電阻R1和R2中的阻值較小的R2所分擔的電壓輸入ARM晶片，與用戶自定義的電壓標準模擬值進行比較，通過ARM的PID算法程序調整內部時鐘所產生的PWM波形的佔空比，並將PWM波輸入MOS管Q的柵極，對圖3中發揮開關作用的MOS管Q的通斷時間進行實時調整，從而使初級、次級線圈Lp和Ls充放電時間變化，產生用戶所需要的高壓直流電信號。

所述開關放大器驅動模塊將直流高壓電信號轉化為所要求的交流高壓電信號，並將交流高壓電信號傳輸給輸出端。

如圖4所示，在一實施例中，所述開關放大器驅動模塊由高側MOS管開關QH、低側MOS管開關QL、限定電流流向的二極體DH和DL、電感L、壓電陶瓷片C1和C2(壓電陶瓷片屬於容性負載，因此可簡化用電容表示)、電阻R3和R4組成。QH的漏極連接直流升壓轉換模塊的輸出端正極，QH的源極連接QL的漏極，QL的源極接直流升壓轉換模塊的輸出端負極，QH與QL的柵極分別連接ARM的PWM波的兩路輸出管腳。二極體DH和DL為串聯關係，二極體DH的正極接二極體DL的負極，二極體DH的負極接直流升壓轉換模塊的輸出端正極，二極體DL的正極接直流升壓轉換模塊的輸出端負極。二極體DH的正極連接MOS管QH的源極。壓電陶瓷片C1和C2所驅動的壓電陶瓷片C1和C2串聯接入開關放大器驅動模塊。作為能量回收儲存元件的電感L兩端分別連接二極體DH的正極和壓電陶瓷片C2。由兩路PWM波控制的高側MOS管開關QH和低側MOS管開關QL控制二極體DH和DL的通斷，電阻R3和R4為串聯分壓電阻與壓電陶瓷片C2並聯，根據ADC模塊採樣電壓範圍選擇合適大小R3和R4的阻值。

所述開關放大器驅動模塊具有雙向轉換器的功能：一方面將能量進行傳遞，另一方面從負載中回收能量。開關放大器驅動模塊由於包括電感L和壓電陶瓷片C1和C2組成的理論無損的LC網絡，因此能夠產生任意正弦波，並將壓電陶瓷片C1和C2中未使用的能量回收至電感L中。

所述交流電壓校準模塊採集傳輸給輸出端的交流高壓電信號，並將採集到的交流高壓電信號通過輸入ARM外圍的ADC模塊轉化成數位訊號，然後輸入ARM，通過查表算法，使用ARM控制內部時鐘輸出兩路PWM波對圖4中發揮開關作用串聯的MOS管QH和QL通斷時間分別進行調整，改變電感L與壓電陶瓷片C1和C2的充放電時間，從而對交流高壓電信號進行校準，最後將校準後的交流高壓電信號經所述開關放大器驅動模塊輸出給輸出端。

如圖4所示：當高側開關QH導通時，電感電流開始上升；當高側開關QH關斷時，慣性電流通過二級管DL完成節點Va的充電；

相反，當低側開關QL導通時，從節點Va移除電荷至電源Chv；當低側開關QL關斷時，電感通過二級管DH放電。通過適當的時間發出充電和放電脈衝序列，能夠在Va處產生任意波形。由於在每個開關周期只有少量能量被傳遞，從而減輕了對最小電感大小的限制。

所述交流電壓校準模塊將採集到的開關放大器驅動模塊輸出的高壓交流電信號通過ARM外圍的ADC(ADC為模數轉換晶片)模塊轉化成數位訊號，使用ARM進行查表，與用戶自定義的電壓標準數字值進行比較，並控制內部時鐘對開關時間進行校準。

所述交流電壓校準模塊將實時採集到的電阻R3和R4中的阻值較小的R3所分擔的電壓通過ARM外圍的ADC模塊轉化成數位訊號，使用ARM運行現有查表程序輸出查表結果，與用戶自定義的電壓標準數字值的查表結果進行比較，調整ARM內部時鐘產生兩路一定佔空比的PWM波，對高側MOS管開關QH和低側MOS管開關QL的通斷時間分別進行調整。

所述的交流電壓校準模塊輸出的一定佔空比的PWM波是可以用戶自定義控制的，所產生的PWM波信號前半個周期和後半個周期頻率可以不同，從而產生所需要的劈裂PWM波信號使壓電陶瓷上下振動頻率不同，從而控制機器人，如微型機器人的撲翼拍打速度。

在另一實施例中，由於高側MOS管QH和二極體DH、低側MOS管QL和二極體DL可以簡化為兩個帶PWM波控制的串聯的晶閘管D1、D2。如圖5所示，這裡提出另一種簡化的開關放大器驅動模塊電路方案。簡化的開關放大器驅動模塊電路方案電路元器件包括晶閘管D1和D2、電感L、壓電陶瓷片C1和C2、電阻R3和R4。晶閘管D1和D2為串聯，晶閘管D1的正極接晶閘管D2的負極，晶閘管D1的負極接直流升壓轉換模塊的輸出端正極，晶閘管D2的正極接直流升壓轉換模塊的輸出端負極，晶閘管D1和D2的控制端分別接PWM波的兩路輸出管腳。壓電陶瓷片C1和C2串聯接入開關放大器驅動模塊，作為能量回收儲存元件的電感L兩端分別連接晶閘管D1的正極和壓電陶瓷片C2的正極。分壓電阻R3和R4串聯後再與壓電陶瓷片C2並聯。所述開關放大器驅動模塊將直流高壓電信號通過晶閘管D1和D2控制的電感L與壓電陶瓷片C1、C2的充放電轉化為所要求的交流高壓電信號。該實施例的具體實現與上述圖4所示類似，再次不再贅述。

以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本發明的實質內容。