应用于微型机器人毫克级别的压电陶瓷驱动电路系统技术方案

本发明专利技术提供了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；所述直流升压转换模块将输入端直流低压转换为所要求的直流高压；所述直流电压校准模块将采集到的直流高压进行校准；所述开关放大器驱动模块将直流高压电流转化为所要求的高压交流电信号；所述交流电压校准模块将在输出端采集到的高压交流电信号进行校准；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。本发明专利技术为应用于微型机器人的压电陶瓷提供了一种毫克级别的驱动电路，实现了对压电陶瓷振动形变的控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微机电系统
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术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，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术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Lp、次级线圈Ls、MOS管Q、二极管D、电容Chv、电阻R1和R2组成，初级线圈Lp一端连接低压直流电源正极，另一端与次级线圈Ls连接，次级线圈Ls的另一端连接二极管D的正极，二极管D的负极连接电容Chv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Chv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Lp和Ls，通过控制电流流向的二极管D正极，流经二极管D在电容Chv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Chv并联，MOS管Q的漏极接入串联的初级、次级线圈Lp和Ls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Lp、Ls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Lp和Ls与电容Chv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QH、低侧MOS管开关QL、限定电流流向的二极管DH和DL、电感L、压电陶瓷片C1和C2、电阻R3和R4组成，高侧MOS管开关QH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QH的源极连接低侧MOS管开关QL的漏极，低侧MOS管开关QL的源极接直流升压转换模块的输出端负极，高侧MOS管开关QH、低侧MOS管开关QL的栅极分别连接控制模块的PWM波的两路输出管脚，二极管DH和DL为串联，二极管DH的正极接二极管DL的负极，二极管DH的负极接直流升压转换模块的输出端正极，二极管DL的正极接直流升压转换模块的输出端负极，二极管DH的正极连接MOS管QH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DH的正极和压电陶瓷片C2；由两路PWM波控制的高侧MOS管开关QH和低侧MOS管开关QL控制二极管DH和DL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QH和QL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Lp和Ls与电容Chv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QH和QL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QH和二极管DH、低侧MOS管QL和二极管DL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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于，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。...

【技术特征摘要】
1.一种应用于微型机器人毫克级别的压电陶瓷驱动电路系统，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的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，其特征在于，所述直流升压转换模块由自耦变压器初级线圈Lp、自耦变压器次级线圈Ls、MOS管Q、二极管D、电容Chv、电阻R1和R2组成，初级线圈Lp一端连接低压直流电源正极，另一端与次级线圈Ls一端连接，次级线圈Ls的另一端连接二极管D的正极，二极管D的负极连接电容Chv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Chv的另一端；低压直流电源正极连接MOS管Q控制的串联的初级线圈Lp、次级线圈Ls，通过控制电流流向的二极管D正极，流经二极管D在电容Chv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Chv并联，MOS管Q的漏极接入串联的初级线圈Lp、次级线圈Ls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；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控制的初级线圈Lp、次级线圈Ls转换为所要求的直流高压电信号。3.根据权利要求2所述的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，其特征在于，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，改变初级线圈Lp、次级线圈Ls与电容Chv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。4.根据权利要求1-3任一项所述的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，其特征在于，所述开关放大器驱动模块由高侧MOS管开关QH、低侧MOS管开关QL、限定电流流向的二极管DH和DL、电感L、压电陶瓷片C1和C2、电阻R3和R4组成，高侧MOS管开关QH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QH的源极连接低侧MOS管开关QL的漏极，低侧MOS管开关QL的源极接直流升压转换模块的输出端负极，高侧MOS管开关QH、低侧MOS管开关QL的栅极分别连接控制模块的PWM波的两路输出管脚，二极...

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫平，孙浩，邹阳，周岁，陈畅，吴彬彬，崔峰，刘武，楼星梁，李一帆，朱甲强，柯希俊，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31