仿昆撲翼微飛行器電磁驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與制造*

吳彬彬， 張衛(wèi)平， 鄒 陽， 王晨陽， 孫 浩， 陳 暢

(微米/納米加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 薄膜與微細(xì)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室上海市北斗導(dǎo)航與位置服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 微納電子學(xué)系，上海 200240)

0 引 言

微型飛行器不管在軍用還是民用方面都具有非凡的實(shí)用價(jià)值，由于其體積微小，可應(yīng)用于偵查、救災(zāi)、環(huán)境監(jiān)測、監(jiān)控等領(lǐng)域。研究人員通過研究昆蟲的飛行機(jī)理，設(shè)計(jì)出了仿昆撲翼微飛行器。除結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之外，控制也是設(shè)計(jì)中非常重要的一部分。

文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)并制造了一個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)方式的仿昆撲翼微飛行器，質(zhì)量為80 mg，翼展(兩翼展開時(shí)的寬度)3.5 cm。針對(duì)該飛行器本文設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)其成功起飛起到了極其重要的作用。選擇電磁驅(qū)動(dòng)因其具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、帶寬大，最重要的是，整個(gè)飛行器能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊。該飛行器上的電磁驅(qū)動(dòng)器包括釹鐵硼磁鐵和鍍銅線圈，磁鐵放在兩個(gè)四連桿組系統(tǒng)和線圈之間。將驅(qū)動(dòng)器置于機(jī)器人胸部的中間，更接近真實(shí)昆蟲的撲翼機(jī)制。

本文設(shè)計(jì)的電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由電源模塊供電，由信號(hào)發(fā)生器提供電壓控制信號(hào)，該電路能夠驅(qū)動(dòng)仿昆撲翼微飛行器撲動(dòng)雙翼，翅膀拍打頻率高達(dá)80 Hz，拍打幅度約±70°。

設(shè)計(jì)的電磁驅(qū)動(dòng)電路為該微飛行器的驅(qū)動(dòng)器提供交流驅(qū)動(dòng)信號(hào)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流通過線圈，線圈產(chǎn)生交變磁場，從而使電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。該電路可分為三個(gè)模塊，電磁驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊和信號(hào)模塊。電磁驅(qū)動(dòng)模塊輸出兩路驅(qū)動(dòng)電流，可以分別控制微飛行器的雙翼。電源模塊為電磁驅(qū)動(dòng)模塊提供±15 V直流電壓，通過電池組和升壓(BOOST)電路實(shí)現(xiàn)。信號(hào)模塊是一個(gè)基于STM32F103RB的最小系統(tǒng)板，編寫相應(yīng)程序并燒寫，可以輸出一定波形，并可在上位機(jī)端實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)控制輸出信號(hào)的幅值和頻率，但因功率過小未直接作為電磁驅(qū)動(dòng)電路的電壓控制信號(hào)源。

1 電磁驅(qū)動(dòng)模塊

在微型機(jī)器人應(yīng)用中，需要較高的驅(qū)動(dòng)電壓來完成腿部或翅膀的動(dòng)作?；诖?，迫切需要一種能夠產(chǎn)生高驅(qū)動(dòng)電壓的驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)要具備微型機(jī)器人應(yīng)用中所需滿足的性能，比如驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)定、安全、可靠性好等。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)[2～5]的缺陷，最終選擇高頻電磁驅(qū)動(dòng)器[3,4]作為該飛行器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

將兩個(gè)相同的電磁驅(qū)動(dòng)電路通過共用VCC和VEE實(shí)現(xiàn)一個(gè)雙路電磁驅(qū)動(dòng)電路，如圖1所示，其作用是控制電源的通斷，從而控制整個(gè)電路的工作狀態(tài)。兩個(gè)雙刀單擲開關(guān)分別獨(dú)立控制兩路電磁驅(qū)動(dòng)電路。

圖1 雙路電磁驅(qū)動(dòng)電路

在運(yùn)算放大器OPA548T限流控制接口Ilim與負(fù)電壓之間接一個(gè)限流電阻器Rc1，則該器件的最大輸出電流為

(1)

式中Rcl阻值為4 kΩ。

這個(gè)電路的目的是讓輸出的驅(qū)動(dòng)電流，即通過電磁線圈的電流與輸入電壓波形一致(頻率，相位等)。輸出電流Iout與輸入電壓幅值Uin滿足Uin=Iout×R2。

電磁線圈作為負(fù)載，連接在運(yùn)算放大器OPA548T的輸出端。將電源接入OPA548T運(yùn)算放大器，并在輸入端施加電壓控制信號(hào)，經(jīng)過OPA548T后，輸出一個(gè)穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流。另外，通過控制輸入電壓信號(hào)的波形，可以控制電磁線圈的運(yùn)動(dòng)位移，從而控制撲翼動(dòng)作。

2 電源模塊

驅(qū)動(dòng)電路模塊的正常工作需要±15 V直流電壓供電，由于15 V的電池一般體積大、質(zhì)量大，不適用于微型飛行器，因此，可將若干個(gè)電池通過一個(gè)升壓電路進(jìn)行升壓，這樣可以大幅減小該電源模塊的質(zhì)量和體積。

DC-DC的轉(zhuǎn)換方式[6]有多種，基于XL6009搭建一個(gè)簡單的BOOST電路，如圖2所示，啟動(dòng)電壓為3 V，該電路能輸出具有一定功率的恒定電壓，模塊效率高、成本低、外圍器件少。

圖2 基于XL6009的BOOST升壓電路

XL6009的引腳3作為開關(guān)，當(dāng)輸出低電平時(shí)，二極管D1截止，電感L1作為儲(chǔ)能元件儲(chǔ)存電壓，C1與Rv和R1組成一個(gè)回路放電，使輸出電壓下降；當(dāng)引腳3輸出高電平時(shí)，D1導(dǎo)通，L1向C1兩端充電，輸出電壓升高。Rv與R1作為負(fù)反饋穩(wěn)定輸出電壓，并能控制電壓放大倍數(shù)[7]。C3與C4為高頻旁路電容，能有效濾除高頻噪聲。

輸出直流電壓的功率要求達(dá)到6 W左右，而BOOST升壓電路的升壓效率為90 %左右，因此，對(duì)于微小電池的選擇也有限制。該電路的輸出電壓為Vout=1.25(RV/R1+1)，為了得到15 V的輸出電壓，可由該式選擇R1和RV的大小。

為了得到±15 V電壓，需要兩個(gè)這樣的升壓電路和兩組電池，具體實(shí)現(xiàn)方式如圖3所示。

圖3 ±15 V電壓產(chǎn)生電路

調(diào)節(jié)兩個(gè)升壓模塊的電位器，使得空載時(shí)輸出電壓大小為15 V，然后將這兩個(gè)模塊按照圖3所示進(jìn)行連接，并在兩個(gè)模塊輸出端分別接上30 Ω負(fù)載，測試得U1=14.4 V，I1=0.45 A，U2=14.53 V，I2=0.48 A，因此功率大小為P1=6.48 W，P2=6.97 W。可根據(jù)負(fù)載大小及所需功率調(diào)整電池型號(hào)和數(shù)量，只要保證足夠的功率和最大輸出電流，就可以在輸出端得到穩(wěn)定的、具有一定功率的±15 V電壓。

將該升壓模塊應(yīng)用到電磁驅(qū)動(dòng)電路上，測得輸出端的驅(qū)動(dòng)波形如圖4(a)所示，再將這兩個(gè)模塊一起應(yīng)用到微飛行器上，電壓控制信號(hào)為50 Hz/0.5Vpp的正弦信號(hào)，由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生，飛行器同樣能夠撲動(dòng)雙翼，如圖4(b)所示。

圖4 升壓模塊應(yīng)用結(jié)果

3 信號(hào)模塊

電磁驅(qū)動(dòng)電路所需的電壓控制信號(hào)可由最小系統(tǒng)板產(chǎn)生，利用芯片STM32F103RB設(shè)計(jì)并繪制所需的外圍電路。實(shí)驗(yàn)者可在上位機(jī)端發(fā)送相應(yīng)指令，從而實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)控制輸出信號(hào)的頻率和幅值。若要實(shí)現(xiàn)無線控制，可以將有線串口模塊換為無線串口模塊。

3.1 最小系統(tǒng)板電路與工作原理

本文研制的最小系統(tǒng)板采用STM32F103RB芯片，利用內(nèi)部通用定時(shí)器TIMx產(chǎn)生兩路脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)輸出，接著經(jīng)過兩級(jí)的RC濾波和運(yùn)算放大器，輸出兩路信號(hào)。

實(shí)際電路中典型的PWM波高低電平分別為VH和VL，理想情況下VL為0?？梢杂梅侄魏瘮?shù)表示為

(2)

式中T為計(jì)數(shù)脈沖的基本周期，N為PWM 1個(gè)周期的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)，n為PWM 1個(gè)周期中高電平的計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)，k為諧波次數(shù)，t為時(shí)間。式(2)傅里葉級(jí)數(shù)展開，有

f(t)=VDC+VHC+VHO

(3)

式中VDC為直流分量，VDC=(n/N)(VH-VL)，VHC為1次諧波分量，VHO為大于1次的高次諧波分量。

直流分量VDC與n呈線性關(guān)系，并隨著n從0～N變化，直流分量從VL～(VH-VL)之間變化，即所需的輸出電壓。因此，只要將式(3)中除了直流分量VDC以外的高次諧波過濾掉，則可以完成PWM波到電壓的數(shù)/模轉(zhuǎn)換(digital to anolog conversion,DAC)，即PWM波可以通過一個(gè)低通濾波器進(jìn)行解調(diào)。

PWM到DAC電壓輸出的電路實(shí)現(xiàn)如圖5所示，R與C的具體參數(shù)可以根據(jù)式(3)中VHC的1次諧波頻率來選擇，因?yàn)槿裟軐?次諧波很好地過濾，則基本不存在高次諧波。

圖5 RC低通濾波電路

綜上所述，STM32最小系統(tǒng)板從只讀存儲(chǔ)器(read only memory,ROM)中獲得波形信息，根據(jù)表中的數(shù)值產(chǎn)生占空比以正弦規(guī)律變化的PWM，最后經(jīng)過低通濾波器濾除高次諧波，最終產(chǎn)生正弦波。

最小系統(tǒng)板和上位機(jī)通過串口進(jìn)行通信，在確定通信規(guī)則后，就可以在上位機(jī)端通過發(fā)送指令的方式對(duì)輸出信號(hào)的幅值和頻率進(jìn)行控制。若安裝無線串口模塊，就可以實(shí)現(xiàn)無線控制。

最后，將這個(gè)信號(hào)模塊輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)作為電壓控制信號(hào)，加到前面設(shè)計(jì)的電磁驅(qū)動(dòng)模塊上，用電源模塊作為供電源，測試輸出端信號(hào)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)波形發(fā)生畸變，未得到正確輸出，經(jīng)過研究，信號(hào)模塊雖然能輸出想要的波形，并能在線實(shí)時(shí)控制幅值和頻率，但功率達(dá)不到要求。

3.2 劈裂信號(hào)的產(chǎn)生與控制

3.2.1 劈裂信號(hào)的產(chǎn)生

劈裂信號(hào)為

(4)

將一個(gè)劈裂信號(hào)周期分為128個(gè)點(diǎn)，ω取2π/128，δ分別取π/150和-π/150，那么分別計(jì)算得σ1=π/22，ξ1= - 64π/11，σ2= -π/278，ξ2=64π/139，以這兩組參數(shù)建立兩個(gè)劈裂信號(hào)式(5)、式(6)，其中x為1～127的整數(shù)

(5)

(6)

將得到的兩個(gè)劈裂信號(hào)波形表分別存入最小系統(tǒng)板的ROM中，然后在板子輸出端用示波器觀察，結(jié)果如圖6。

圖6 δ=±π/150時(shí)的劈裂信號(hào)波形

因此，保持劈裂信號(hào)總頻率不變，改變?chǔ)牡闹稻涂筛淖儾ㄐ涡螤睿姚牡恼?fù)決定了波形“傾斜”的方向，值的大小影響“傾斜”的程度。

3.2.2 劈裂信號(hào)幅值的控制

以式(5)的波形為例，在上位機(jī)端通過串口在線實(shí)時(shí)改變波形幅值。保持一路波形幅值穩(wěn)定不變，改變另一路的幅值，分別為1，1.8，2.5，3 V，改變過程如圖7所示。

圖7 劈裂信號(hào)幅值的改變

3.2.3 劈裂信號(hào)總頻率控制

同樣以式(5)的波形為例，在上位機(jī)端通過串口改變頻率，保持一路波形總頻率穩(wěn)定不變，改變另一路的總頻率，分別為280，350，800，1 000 Hz，如圖8所示。

圖8 劈裂信號(hào)頻率的改變

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)際電路中，圖1中的R2用4個(gè)并聯(lián)的10 Ω電阻器替換，電磁線圈用10 Ω電阻器代替，測試電磁線圈兩端的電壓波形。根據(jù)Uin，輸出電流Iout為600 mA，所以,電磁線圈兩端電壓為6 V，測得的輸出電壓信號(hào)的峰峰值應(yīng)約為12 V。通過控制雙刀單擲開關(guān)，先讓一路單獨(dú)工作。如圖9(a)所示，上方波形為函數(shù)發(fā)生器輸出信號(hào)，峰峰值設(shè)置為3Vpp，下方波形為測得的輸出電壓信號(hào)，可見峰峰值為12 V左右?？刂崎_關(guān)使兩路同時(shí)工作，函數(shù)發(fā)生器輸出的信號(hào)如圖9(b)所示，兩個(gè)信號(hào)峰峰值均為3 V左右，圖9(c)為測得的兩路輸出信號(hào)，可見峰峰值均為12 V左右，但波形有畸變，這是功率過大引起的，增大電源功率可解決這個(gè)問題。

圖9 輸出信號(hào)

綜上可見，兩路電磁驅(qū)動(dòng)電路相互獨(dú)立，僅僅共用電源，可通過開關(guān)進(jìn)行控制，只要適當(dāng)提高電源功率，就可以各自輸出穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流。

將該電磁驅(qū)動(dòng)電路連接在文獻(xiàn)[1]的仿昆微飛行器上，即飛行器上的電磁線圈接入到該電路的輸出端，利用外部電源和激勵(lì)信號(hào)，該微飛行器的雙翼撲動(dòng)，如圖10所示。

圖10 微飛行器驅(qū)動(dòng)結(jié)果

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)電磁驅(qū)動(dòng)電路，利用電源模塊供電，用信號(hào)發(fā)生器提供電壓控制信號(hào)，輸出的驅(qū)動(dòng)電流用于驅(qū)動(dòng)撲翼微飛行器上的電磁線圈，交變電流通過電磁線圈產(chǎn)生交變的電磁力，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)永磁體做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，然后經(jīng)過四連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使得微飛行器產(chǎn)生一些特定的撲翼動(dòng)作。信號(hào)模塊通過改變ROM中存儲(chǔ)的波形數(shù)據(jù)可以產(chǎn)生相應(yīng)波形，并能通過上位機(jī)發(fā)送的指令在線實(shí)時(shí)改變輸出波形的頻率、相位與幅值，但由于輸出功率有限，還不能應(yīng)用在該電磁驅(qū)動(dòng)電路上。

該電路系統(tǒng)目前還存在一定的不足，比如微小化還未實(shí)現(xiàn)，升壓模塊所需的電池組質(zhì)量和體積不夠小，串口工具發(fā)送指令后，波形的改變需要反應(yīng)時(shí)間，最小系統(tǒng)板輸出的信號(hào)功率有待提高等，所以還存在一定的研究發(fā)展空間。