2016年第35卷第9期
传感器与微系统（Transducer and Microsystem Technologies）
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DOI;10.13873/J.10009787(2016)09007503
微扑翼飞行器驱动电路设计
吴兄，张卫平，胡楠，邹阳
（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240）
摘要：扑机械昆虫是很小、高机动的仿昆飞行机器人，在勘探、环境监测、搜索和教援、监视等-系列任务中非常有用。压电执行器有小尺寸、高效率、高功率密度的优势，这展示了在微机器人领域的应用前景。实验是通过升压转换器将3.7V锂电池增加到250V以上实现的。通过展现压电驱动器的驱动要求、电路
拓扑和用于微机器人的压电驱动器的不同控制方式来探索驱动电路设计，并提出克级驱动电路。关键调：微扑翼飞行器；压电驱动器；驱动电路；升压转换器
文章编号：1000-9787(2016)09-0075-03
中图分类号：TM423；TM133
文献标识码：A
Designof drivercircuitformicroornithopter*
WU Fan, ZHANG Wei-ping, HU Nan, ZOU Yang
(School of Electronic,Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,
Shanghai 200240, China)
Abstract; Flapping-wing robotie 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 piezoelectrice actuators,circuit topologies and different control mode suitable for different driving types of piezoelectric actuators in microrobotic applications,and present G level drive cireuits.
Key words: micro ornithopter; piezoelectric actuator; drive circuit; boost converter
草0
应用于机器人，特别是在仿生机器人这种小尺寸机械系统中，小型化又能提供动力的驱动器有很多。近些年，一些驱动方式，如压电"、静电[2]和非传导弹性驱动器3]已经被提出或已应用于微机器人。上述的驱动方式都是通过向不同电极充电或放电来产生高电压偏置实现机械输出的。电路实现主要有两个难点：1)从低压电源获得高压驱动信号。2)回收未使用的能量。
大多数的小型能量源都可以适用于微机器人应用，比如锂电池、超级电容器[4】、太阳能电池(5]、燃料电池都可以产生小于5V电压。通常，压电陶瓷驱动器的电压转换电路需要有50~100L压率。所以，需要慎重地选择并最优电压转换电路，以避免质量大、效率低的电路降低系统整体性能。
除了有提升电压的功能，驱动电路必须能在压电执行器的输入电极上产生时变信号。这就面临第二个问题：在
执行器中只有小部分的电能转变成有用的机械输出(]。为了使整体系统的效率最大化，希望产生一个合适的驱动信号并尽可能回收未使用的能量。
本文设计了一种可以产生时变高电压的电路，可以达到微机器人系统严格的重量要求和系统效率最大化。
压电执行器的驱动要求和方式 1
压电驱动器适用于很多拓扑电路，包括线性设备如串联驱动器和组合设备如单极与双极驱动方式"。
1)压电驱动器的等效电路
压电部分可以用驱动器和负载的机械特性连接阻抗的等效电路来表示。尽管还有多种深化电路已经更好的展现了压电驱动器的非线性特性，但该电路模型已被IEEE采纳为压电陶瓷的通用标准*。
如图1，电路包括了静态部分，包括基础电容G。，非传导损耗R，和磁滞损耗R，还有很多共振分支，每个分支都代表了一个机械振动模型。在每个分支中L,，R,,C,代表了
收稿日期：2015-11-20
*基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目（NVET10-0583）：敦育部支撑项目（62501040303）；国防项目（9140A26020313JW03371）