应用于微型机器人毫克级别的压电陶瓷驱动电路系统的制作方法

本发明涉及微机电系统技术领域，具体地，涉及一种应用于微型机器人毫克级别的压电陶瓷驱动电路系统。

背景技术：

微机械电子系统(MEMS)主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相子通信以及微电子技领域最新成果的基础上，逐渐成为了高科技前沿学科。

扑翼机械昆虫是一种微型飞行器(MAVs)，设计灵感来源于生物昆虫，为了实现小尺寸、高机动性和悬停的能力。这样的机器人平台有许多应用程序，包括勘探、环境监测、搜索和救援、监视。对于微机器人应用的大多数致密能源，如锂电池或燃料电池，产生的输出电压小于等于5V。如果把许多电池单元串联在一起获得高电压通常是不实际的，因为封装导致能量密度显著减少。因此，压电驱动器在微机器人应用很有优势：质量轻、带宽高、输出力大、功率消耗低和集成简单。然而，压电驱动器的主要缺点是需要高驱动电压来满足足够的力和位移输出。由于质量和必要的电力电子的复杂性限制了这一类驱动器在自主的微机器人上的应用。驱动器高电压的生成需要电压转换电路和升压的比率从50到100不等。

虽然现在的研究已经出现了一些能够输出高电压的电路拓扑，但是这些电路大多数不能轻易的小型化，在微机器人的应用中输出功率效率很低。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种应用于微型机器人毫克级别的压电陶瓷驱动电路系统，能够在低压直流电输入的系统中产生高压交流输出驱动信号，完成驱动器内未转化为机械能的大部分能量的回收，具有重量轻、体积小、性能稳定等特点。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的目标是提供一种应用于微型机器人毫克级别的压电陶瓷驱动电路系统，包括：直流升压转换模块，直流电压校准模块，开关放大器驱动模块，交流电压校准模块，以及控制模块；其中：

所述直流升压转换模块，将输入端直流低压电信号转换为所要求的直流高压电信号，并将直流高压电信号传输给所述直流电压校准模块和开关放大器驱动模块；

所述直流电压校准模块，采样实时直流高压电压并传给控制模块，通过控制模块输出校准信息至直流升压转换模块，形成负反馈系统，对直流高压电信号进行校准；

所述开关放大器驱动模块，将直流高压电信号转化为所要求的交流高压电信号，并将交流高压电信号传输给交流电压校准模块和输出端；

所述交流电压校准模块，采集传输给输出端的交流高压电压，并将采集到的交流高压电压模拟值转换为数字值，并传给控制模块，通过控制模块输出校准信息至开关放大器驱动模块，形成负反馈系统，对交流高压电信号进行校准；

所述控制模块用于直流电压校准和交流电压校准，控制内部时钟产生一定占空比的PWM波，该模块将用户设定值和实时采样值相比较，一方面产生对直流高压电压的校准信息，输入直流升压转换模块；另一方面产生交流高压电压的校准信息，输入开关放大器驱动模块。

优选地，所述直流升压转换模块由自耦变压器初级线圈L_p、次级线圈L_s、MOS管Q、二极管D、电容C_hv、电阻R₁和R₂组成，初级线圈L_p一端连接低压直流电源正极，另一端与次级线圈L_s连接，次级线圈L_s的另一端连接二极管D的正极，二极管D的负极连接电容C_hv一端和分压电阻R₁一端，分压电阻R₁的另一端连接分压电阻R₂一端，分压电阻R₂的另一端连接电容C_hv的另一端；低压直流电源正极连接MOS管Q控制的串联的初级、次级线圈L_p和L_s，通过控制电流流向的二极管D正极，流经二极管D在电容C_hv中积聚能量，然后接入低压直流电源负极；分压电阻R₁和R₂串联后再与电容C_hv并联，MOS管Q的漏极接入串联的初级、次级线圈L_p和L_s之间，源极接地、栅极连接控制模块的PWM波输出管脚；直流升压转换模块的输出端正极为二极管D负极，直流升压转换模块的输出端负极为低压直流电源负极。

优选地，所述直流升压转换模块将输入端直流低压电信号通过MOS管Q控制的初级、次级线圈L_p、L_s转换为所要求的直流高压电信号。

优选地，所述直流电压校准模块将采集到的直流高压电信号与用户自定义的电压标准模拟值进行比较，并通过控制模模块采用PID算法控制内部时钟所产生的波形，对MOS管Q的通断时间进行调整，改变初级、次级线圈L_p和L_s与电容C_hv的充放电时间，从而对直流高压电信号进行校准，最后将校准后的直流高压电信号传输给所述开关放大器驱动模块。

优选地，所述开关放大器驱动模块由高侧MOS管开关Q_H、低侧MOS管开关Q_L、限定电流流向的二极管D_H和D_L、电感L、压电陶瓷片C₁和C₂、电阻R₃和R₄组成，高侧MOS管开关Q_H的漏极连接直流升压转换模块的输出端正极，高侧MOS管开关Q_H的源极连接低侧MOS管开关Q_L的漏极，低侧MOS管开关Q_L的源极接直流升压转换模块的输出端负极，高侧MOS管开关Q_H、低侧MOS管开关Q_L的栅极分别连接控制模块的PWM波的两路输出管脚，二极管D_H和D_L为串联，二极管D_H的正极接二极管D_L的负极，二极管D_H的负极接直流升压转换模块的输出端正极，二极管D_L的正极接直流升压转换模块的输出端负极，二极管D_H的正极连接MOS管Q_H的源极，压电陶瓷片C₁和C₂串联接入开关放大器驱动模块，作为能量回收储存元件的电感L两端分别连接二极管D_H的正极和压电陶瓷片C₂；由两路PWM波控制的高侧MOS管开关Q_H和低侧MOS管开关Q_L控制二极管D_H和D_L的通断，电阻R₃和R₄分压电阻，电阻R₃和R₄串联后再与压电陶瓷片C₂并联。

优选地，所述开关放大器驱动模块将直流高压电信号通过MOS管Q_H和Q_L控制的电感L与压电陶瓷片C₁、C₂的充放电转化为所要求的交流高压电信号。

优选地，所述直流电压校准模块通过采集一对分压电阻R₁和R₂中的一个电阻所分担的小电压，通过比较器与用户自定义的电压标准模拟值进行比较，采用控制力的PID算法控制内部时钟所产生PWM波的占空比，对MOS管Q通断时间进行校准，从而使初级、次级线圈L_p和L_s与电容C_hv充放电时间变化，产生用户所需要的直流高压电信号。

优选地，所述交流电压校准模块采集传输给输出端的交流高压电信号，并将采集到的交流高压电信号通过控制模块的ADC模块转化成数字信号，与用户自定义的电压标准数字值进行比较，通过查表算法，使用控制模块控制内部时钟输出两路PWM波对串联的MOS管Q_H和Q_L通断时间分别进行调整，改变电感L与压电陶瓷片C₁和C₂的充放电时间，从而对交流高压电信号进行校准，最后将校准后的交流高压电信号经所述开关放大器驱动模块输出给输出端。

优选地，所述交流电压校准模块输出的一定占空比的PWM波由用户自定义控制，所产生的PWM波信号前半个周期和后半个周期频率不同，形成产生所需要的劈裂PWM波信号使压电陶瓷上下振动频率不同，从而控制机器人的扑翼拍打速度。

进一步的，由于高侧MOS管Q_H和二极管D_H、低侧MOS管Q_L和二极管D_L可以简化为两个带PWM波控制的串联的晶闸管D₁、D₂。这里提出另一种简化的开关放大器驱动模块电路方案。简化的开关放大器驱动模块电路方案电路元器件包括晶闸管D₁和D₂、电感L、压电陶瓷片C₁和C₂、电阻R₃和R₄。晶闸管D₁和D₂为串联，晶闸管D₁的正极接晶闸管D₂的负极，晶闸管D₁的负极接直流升压转换模块的输出端正极，晶闸管D₂的正极接直流升压转换模块的输出端负极，晶闸管D₁和D₂的控制端分别接PWM波的两路输出管脚。压电陶瓷片C₁和C₂串联接入开关放大器驱动模块，作为能量回收储存元件的电感L两端分别连接晶闸管D₁的正极和压电陶瓷片C₂的正极。分压电阻R₃和R₄串联后再与压电陶瓷片C₂并联。

所述开关放大器驱动模块将直流高压电信号通过晶闸管D₁和D₂控制的电感L与压电陶瓷片C₁、C₂的充放电转化为所要求的交流高压电信号。

本发明中，通过控制输出合适占空比的PWM波，选择高速开关MOS管和较高采样率和采样位数的ADC芯片，与简单的电路元器件，可以改变整套压电陶瓷驱动电路系统的构建成本和驱动能力。在对检测精度和检测速度要求较高的场合，可以选择有较高采样率和采样位数的ADC芯片和高速开关MOS管，配合控制模块(可以采用ARM)控制良好的PWM波占空比以及精确的查表构建系统，同时当硬件水平获得发展的同时，通过更换系统中的部分模块便可以提升驱动电路系统的驱动能力以及系统稳定性。在对检测精度和检测速度要求不高的场合，可以选择采样率和采样位数不高的ADC芯片和开关MOS管，配合控制模块构建系统，从而降低构建系统所需的成本。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明通过直流电压校准模块和交流电压校准模块的设计与运用，实现了当驱动电路所处环境和用户需求变化时，可以不修改电路参数继续对压电陶瓷进行稳定驱动的功能。同时，为实现对驱动电路系统性能的进一步升级预留了发展空间。另外，本发明可以针对不同场合对驱动电路系统构建的成本进行控制。本发明集中适用于压电驱动的轻量级、高压电源电路物理实现和压电驱动器在微机器人的应用。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明—优选实施例的系统的模块原理框图；

图2为本发明—优选实施例的系统的原理框图；

图3为本发明一优选实施例的直流升压转换模块和直流电压校准模块的电路图；

图4为本发明一优选实施例的开关放大器驱动模块和交流电压校准模块的电路图；

图5为本发明另一优选实施例的开关放大器驱动模块的电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1、图2所示，一种应用于微型机器人毫克级别的压电陶瓷驱动电路系统，包括：直流升压转换模块，直流电压校准模块，开关放大器驱动模块，交流电压校准模块；其中：

所述直流升压转换模块，将输入端直流低压电信号转换为所要求的直流高压电信号，并将直流高压电信号传输给所述直流电压校准模块和开关放大器驱动模块；

所述直流电压校准模块，采样实时直流高压电压并传给控制模块，通过控制模块输出校准信息至直流升压转换模块，形成负反馈系统，对直流高压电信号进行校准；

所述开关放大器驱动模块，将直流高压电信号转化为所要求的交流高压电信号，并将交流高压电信号传输给交流电压校准模块和输出端；

所述交流电压校准模块，采集传输给输出端的交流高压电压，并将采集到的交流高压电压模拟值转换为数字值，并传给控制模块，通过控制模块输出校准信息至开关放大器驱动模块，形成负反馈系统，对交流高压电信号进行校准；

所述控制模块用于直流电压校准和交流电压校准，控制内部时钟产生一定占空比的PWM波，该模块将用户设定值和实时采样值相比较，一方面产生对直流高压电压的校准信息，输入直流升压转换模块；另一方面产生交流高压电压的校准信息，输入开关放大器驱动模块。

在一优选实施例中，控制模块采用ARM实现，以下基于该设计提供以下详细实施细节，应当理解的是，在其他实施例中，控制模块也可以采用其他实现方式，这对本发明的实质没有影响。

如图3所示，在一实施例中，所述直流升压转换模块由自耦变压器初级线圈L_p、次级线圈L_s、MOS管Q、二极管D、电容C_hv和电阻R₁和R₂组成。低压直流电源(3-5V)正极连接MOS管Q控制的串联的初级、次级线圈L_p和L_s，通过控制电流流向的二极管D正极，流经二极管D在电容C_hv中积聚能量，然后接入低压直流电源负极。分压电阻R₁和R₂串联后与电容C_hv并联，MOS管Q的漏极接入串联的初级、次级线圈L_p和L_s之间，源极接地，栅极连接直流电压校准模块中ARM的PWM波输出管脚。直流升压转换模块的输出端正极为二极管D负极，直流升压转换模块的输出端负极为低压直流电源负极。

所述直流升压转换模块用于将输入端直流低压电信号通过开关控制的自耦变压器(初级、次级线圈分别用电感L_p、L_s表示)转换为所要求的直流高压电信号。

所述直流电压校准模块采集直流高压并将采集到的直流高压电信号通过比较器与电压标准模拟值进行比较，通过PID算法对ARM内部时钟的调整，控制输出PWM波的占空比，将PWM波输入图3中发挥开关作用的MOS管Q，从而调节通断时间，改变初级、次级线圈L_p和L_s与电容C_hv的充放电时间，对直流高压电信号进行校准，最后将校准后的直流高压电信号传输给所述开关放大器驱动模块。

所述直流升压转换模块采用升压和回扫式拓扑结构的组合升压转换器——自耦变压器。在低功耗与高升压的要求下应用这种拓扑结构比应用其它升压拓扑结构拥有更多优势，并且简化了设计，易于小型化，提高了效率和可制造可实现性。

具体的，如图3所示，当开关晶体管Q导通时，电流积聚在自耦变压器初级绕组的电感L_p；当开关晶体管Q关断时，存储在自耦变压器中的能量通过初级和次级绕组被高电压输出释放。电压升压比由下式给出：

式中：V_in和V_hv分别为输入电压和输出电压，T为开关周期，I_out为负载电流，t_on为开关导通时间，L_p为自耦变压器初级绕组的电感。

如图1、图2所示，所述直流电压校准模块将实时采集到的电阻R₁和R₂中的阻值较小的R₂所分担的电压输入ARM芯片，与用户自定义的电压标准模拟值进行比较，通过ARM的PID算法程序调整内部时钟所产生的PWM波形的占空比，并将PWM波输入MOS管Q的栅极，对图3中发挥开关作用的MOS管Q的通断时间进行实时调整，从而使初级、次级线圈L_p和L_s充放电时间变化，产生用户所需要的高压直流电信号。

所述开关放大器驱动模块将直流高压电信号转化为所要求的交流高压电信号，并将交流高压电信号传输给输出端。

如图4所示，在一实施例中，所述开关放大器驱动模块由高侧MOS管开关Q_H、低侧MOS管开关Q_L、限定电流流向的二极管D_H和D_L、电感L、压电陶瓷片C₁和C₂(压电陶瓷片属于容性负载，因此可简化用电容表示)、电阻R₃和R₄组成。Q_H的漏极连接直流升压转换模块的输出端正极，Q_H的源极连接Q_L的漏极，Q_L的源极接直流升压转换模块的输出端负极，Q_H与Q_L的栅极分别连接ARM的PWM波的两路输出管脚。二极管D_H和D_L为串联关系，二极管D_H的正极接二极管D_L的负极，二极管D_H的负极接直流升压转换模块的输出端正极，二极管D_L的正极接直流升压转换模块的输出端负极。二极管D_H的正极连接MOS管Q_H的源极。压电陶瓷片C₁和C₂所驱动的压电陶瓷片C₁和C₂串联接入开关放大器驱动模块。作为能量回收储存元件的电感L两端分别连接二极管D_H的正极和压电陶瓷片C₂。由两路PWM波控制的高侧MOS管开关Q_H和低侧MOS管开关Q_L控制二极管D_H和D_L的通断，电阻R₃和R₄为串联分压电阻与压电陶瓷片C₂并联，根据ADC模块采样电压范围选择合适大小R₃和R₄的阻值。

所述开关放大器驱动模块具有双向转换器的功能：一方面将能量进行传递，另一方面从负载中回收能量。开关放大器驱动模块由于包括电感L和压电陶瓷片C₁和C₂组成的理论无损的LC网络，因此能够产生任意正弦波，并将压电陶瓷片C₁和C₂中未使用的能量回收至电感L中。

所述交流电压校准模块采集传输给输出端的交流高压电信号，并将采集到的交流高压电信号通过输入ARM外围的ADC模块转化成数字信号，然后输入ARM，通过查表算法，使用ARM控制内部时钟输出两路PWM波对图4中发挥开关作用串联的MOS管Q_H和Q_L通断时间分别进行调整，改变电感L与压电陶瓷片C₁和C₂的充放电时间，从而对交流高压电信号进行校准，最后将校准后的交流高压电信号经所述开关放大器驱动模块输出给输出端。

如图4所示：当高侧开关Q_H导通时，电感电流开始上升；当高侧开关Q_H关断时，惯性电流通过二级管D_L完成节点V_a的充电；

相反，当低侧开关Q_L导通时，从节点V_a移除电荷至电源C_hv；当低侧开关Q_L关断时，电感通过二级管D_H放电。通过适当的时间发出充电和放电脉冲序列，能够在V_a处产生任意波形。由于在每个开关周期只有少量能量被传递，从而减轻了对最小电感大小的限制。

所述交流电压校准模块将采集到的开关放大器驱动模块输出的高压交流电信号通过ARM外围的ADC(ADC为模数转换芯片)模块转化成数字信号，使用ARM进行查表，与用户自定义的电压标准数字值进行比较，并控制内部时钟对开关时间进行校准。

所述交流电压校准模块将实时采集到的电阻R₃和R₄中的阻值较小的R₃所分担的电压通过ARM外围的ADC模块转化成数字信号，使用ARM运行现有查表程序输出查表结果，与用户自定义的电压标准数字值的查表结果进行比较，调整ARM内部时钟产生两路一定占空比的PWM波，对高侧MOS管开关Q_H和低侧MOS管开关Q_L的通断时间分别进行调整。

所述的交流电压校准模块输出的一定占空比的PWM波是可以用户自定义控制的，所产生的PWM波信号前半个周期和后半个周期频率可以不同，从而产生所需要的劈裂PWM波信号使压电陶瓷上下振动频率不同，从而控制机器人，如微型机器人的扑翼拍打速度。

在另一实施例中，由于高侧MOS管Q_H和二极管D_H、低侧MOS管Q_L和二极管D_L可以简化为两个带PWM波控制的串联的晶闸管D₁、D₂。如图5所示，这里提出另一种简化的开关放大器驱动模块电路方案。简化的开关放大器驱动模块电路方案电路元器件包括晶闸管D₁和D₂、电感L、压电陶瓷片C₁和C₂、电阻R₃和R₄。晶闸管D₁和D₂为串联，晶闸管D₁的正极接晶闸管D₂的负极，晶闸管D₁的负极接直流升压转换模块的输出端正极，晶闸管D₂的正极接直流升压转换模块的输出端负极，晶闸管D₁和D₂的控制端分别接PWM波的两路输出管脚。压电陶瓷片C₁和C₂串联接入开关放大器驱动模块，作为能量回收储存元件的电感L两端分别连接晶闸管D₁的正极和压电陶瓷片C₂的正极。分压电阻R₃和R₄串联后再与压电陶瓷片C₂并联。所述开关放大器驱动模块将直流高压电信号通过晶闸管D₁和D₂控制的电感L与压电陶瓷片C₁、C₂的充放电转化为所要求的交流高压电信号。该实施例的具体实现与上述图4所示类似，再次不再赘述。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。