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高压驱动压电致动器在微型机器人中的应用
Michael Karpelsonlowast;, Gu-Yeon Wei,Robert J. Wood
摘要：压电致动器已被成功地应用于空中运动机器人和门诊微型机器人的领域。然而，使用压电致动器时在电子电力设计方面面临两大挑战：在系统中产生高电压驱动信号通常是由低电压供电的,并且如何从致动器中回收未使用的能量。由于这些挑战，常规驱动电路在低质量的应用中太笨重或效率低下。本应用描述了电特性和低质量的压电致动器的驱动器的要求，设计和优化了合适的驱动电路拓扑，这些拓扑在物理实例的方面包括极轻的磁性元件制造和定制以及超低功耗集成电路，主要被用于驱动电路实现控制功能。这里提出的原理和模块能满足微型机器人应用中要求严格重量和功率很严格的高电压驱动器电路。
关键词：压电致动器;微型机器人; 电力电子;高电压
1.简介
因为有高带宽，高功率密度，并扩展到小尺寸的能力, 压电驱动器很有希望应用于微型机器人[1]。在哈佛微机器人实验室，压电弯曲致动器已被应用在多个机器人运动平台，包括有扑翼微型飞行器（MAV）[2]，多分段蜈蚣机器人[3]和蟑螂六足机器人[4]（图1）。但是，从电力电子设计的角度来看,在压电致动器被使用时,它与两大挑战密不可分。
首先,高电压必须能够产生足够的力和位移;例如,图1所示的致动器要在150 - 300 v的电压范围内进行驱动。大多数紧密的能源适合微型机器人的应用程序,如锂电池,超级电容器、太阳能电池和燃料电池,它们产生输出电压低于5 V。而这一系列的单元由于包装费用通常是不实用的,所以需要接口电路与高压升压比率。其次,压电材料只将一小部分输入电能转换成机械功,而其余的是储存在致动器的电容结构里,所以必须恢复到最大化系统效率。
之前Stilts等人关于压电致动器的高压驱动在微型机器人方面的研究,演示了一个微型电压转换器和没有能量回收的驱动平台[5]。坎波洛等人提出了一个使用额外组件的压电致动器充电复苏计划[6]，并且Edamana等人考虑了一个在相似的概念上用20V电源供电压电微型机器人的计划[7]。然而,大多数现有的出版作品的重点在压电驱动效率大规模、高功率(如汽车、工业、或海军)等方面的应用[8-11]。
本文描述的总体目标是可以克服在微型机器人应用方面低质量和高功率密度挑战的电路拓扑，实现电控制效率最大化，并且实现电源电路和控制功能在极端轻量包装方面的技术。大部分的分析将集中在图1(a) ,代表
了重量和能源要求最高的扑翼平台。这项工作侧重于描述压电致动器的许多概念,但是可以很容易地适应其他高压电容式致动器,如静电或介电弹性体驱动器。
本文首先描述了关于图1平台中的致动器的电气行为和驱动需求.提供了两种适合驱动致动器在高电压使用低压供给时的开关电路拓扑,以及这些拓扑实现效率的最大化控制方法。本文的其余部分主要关注驱动电路的物理实现,包括在较低的程序计算需求下进行电路优化,以及轻量级的磁性元件制造和电路组装,和一个实现控制功能的集成电路的设计。
2电气领域的压电致动器
压电致动器在许多设备配置中是可用的,包括堆栈致动器和单、双压电晶片零件等悬臂弯曲结构。弯曲致动器通常更适合为大位移需要应变放大的应用场合(例如在微型机器人中的扑翼或腿运动)。图1中的致动器是由两个有镀镍电极连着一个中央碳纤维层压电层的PZT层组成的复合双压电晶片零件,并且有高强度玻璃纤维的扩展。这优化了最大能量密度并且设计出来的致动器可以在在有限断裂电场进行操作,但是因为采用了商用材料,导致了较高的驱动电压[1]。
2.1驱动的要求和方法
传统的压电驱动方法使用交流电压源,导致压电层由于逆压电效应产生扩张和收缩。由于压电材料暴露在正反两种极化方向的电场 (双相驱动信号)，如果电场超过一定的阈值将会发生脱芯。然而, 考虑到这里的致动器,为了最大化能量密度, 也许会是4 - 6倍脱芯阈值,将压电材料暴露在电场中会使它容易断裂[1]。
为了防止脱芯,每个压电层必须被控制在有关偏振化方向的正域中(单极驱动信号)。在这些约束条件下为了驱动单层压电片或其他双电极压电致动器,一个单极驱动可以直接连接到致动器的电极,如图2（a）所示。图2(b)和(c)展示了两种单极驱动信号应用于双压电晶片零件的方法。图2(b)的方法,称为“交替驱动,”包括了两种与外部电极连接并且有180°异相操作的单极驱动,和中央电极有共同之处。图2(c)的方法,称为“同步驱动,”包括了一个应用在致动器的恒定的高压偏差和一个连接在中央电极的单极驱动。交替驱动中每n个双压电晶片零件需要2 n个驱动阶段,而同步驱动允许共享多个致动器之间的高电压偏差,因此每n个双压电驱动晶片需要n个驱动阶段和一个高压偏差。
除了生成一个单极驱动信号,驱动阶段还必须满足两个重要的需求。首先, 为了最大化在不同的应用程序中的多功能性，必须能够生成任意驱动信号波形。其次,必须能够回收致动器未使用的电能来最大化系统效率。
2.2 电气模型
为了设计一个高效的驱动电路, 必须开发出一个负载电气模型。压电致动器的电气响应会随着的驱动信号的振幅和频率发生变化。重要的是这些电路规格的变化要确保在预期的操作范围内，驱动电路可以提供足够的能量给致动器。
在频域中,一个压电元件可以被一个等效电路模型所代表,这个电路阻抗反映了电介质和致动器的机械性能和负载能力。开始于范戴克模型，在相关文献中很多这样的类型以IEEE标准的模型在压电方面都被描述过。Sherrit等人开发了一个增强版范戴克模型,使用复杂的电路元件值更好地表现压电陶瓷的非线性损失[12],而管等人试图估计这些线性电路组件的损耗来找出更明确的电路元件的平行物理意义 [13]。其他模型中如Puttmer等人[14]和Dahiya 等人[15]所描述的一个模型,使用有损传输线代表机械域,并且用真的或者复合电容表示介质域。一般来说,这些图(a)中的模型是不同的，无论机械域是使用集总元件模型或分布式模型来建模的,图（b）中的模型也是不同的不论是使用了线性或者非线性的电路元件。
在很多文献中,机械域是用集中总元件模型表示,但是分布式模型具有简单的优势,可以更容易地线性化有关机械模型[16]。机械共振模式的并行组合系列表示电感电容电阻测量电路,电感与质量,合规电容,电阻的阻尼系数。电介质域表示一个复杂的电容,相当于电容与频率相关电阻。图3所示可以充分代表堆栈或单弯晶致动器或对一个压电层的检测,虽然R0是代表介质的各种损失机制导出量,但是压电元件的结构(两个镀电极的电介质) 完整的为一个压电元件等效电路。
为了延长幅度域的等效电路模型,电路元件的值在图3可以参数化驱动信号振幅。高压特性的压电双压电晶片零件配置图1（a）驱动微型飞机进行使用牛顿四代PSM1700频率响应分析仪和trek PZD350放大器。压电层双压电晶片零件的加工从127微米压电系统PSI-5H4E材料开始。图4显示了频率响应双压电晶片零件的压电陶瓷层及其等效电路的参数拟合测量数据,几个驱动信号振幅(表1)中给出的等效电路参数,理论计算频率响应在MATLAB使用等效电路的传递函数。有两个著名的谐振模式:第一,在sim;100 Hz,对应于翼拍动,第二,在sim;230 Hz,对应于被动翼旋转(细节在飞行器设计和共振模式可以在[2]中找到)。在这个媒介里面,致动器驱动接近第一共振模式最大化翼中风振幅。
大部分的输入电能存储在介质电容C0,因此C0和tan(ı)(损耗角正切)是特别重要的。图5显示了这些参数改变驱动电压;结果提供的检测装置200 V(对应于一个领域sim;1.58 V / m),和一个卸载压电陶瓷样品600 V(4.72V / m)来描述行为超出了双压电晶片零件断裂的极限。电容C0规范化是用小信号测量值(1 V)激发。还划分一个四阶多项式适合C0:
（1）
CL 是C0测量小信号激励,并且V是驱动电压。5阶多项式适合用于tan :
（2）
共振的组件LN,CN,RN的价值也改变驱动电压而改变;特别是,共振频率往往由于压电在高磁场软化而降低,以增加遵从性[1]。这些变化可以参数化的方式类似于特定致动器负载 C0和tan(ı)配置。然而,考虑系统这里, 即使在共振系统中的驱动,对于C0和tan(ı) 在高电压驱动中占大多数电力,这是一个压电陶瓷的机电耦合系数较低弯曲执行机构的自然结果[17]。
4集成控制电路
为了确保产生一个全自动的电力电子装置，章节3.1和3.2中描述的控制功能需要有一个紧凑和超低功耗的装置。为了对质量和整体效率的影响几乎可以忽略不计,一个定制的集成电路(IC) 来作为驱动电路来满足这些需求是一个显而易见很好的选择。
参考当前控制,在0.13米CMOS集成电路设计技术和包含两个渠道,控制寄存器储库和一个串行编程接口。图14显示了一个框图单通道以及共享组件。根据图6的简化描述,给出的控制体系结构频道包括ADC, ,脉冲生成逻辑和电流电路。图6中每个通道通过编程适当的值查询表可以控制的动力之一描述阶段。然而,集成电路没有实现烤瓷控制器从图6的转换阶段块和PFM控制,并且没有集成电源开关,在文献里有清楚的记录和商业上广泛使用,但是超出了这项工作的范围。
选择ADC使用逐次逼近寄存(SAR)架构实现了6 - 8位的分辨率200ksps。因为,在大多数情况下,V0的变化由小于2 个ADC连续之间的最低有效位(lsb)采集阶段, 在每个新采集阶段的开始内置ADC逻辑记录前面的转换价值和运作德尔塔编码ADC。这降低了ADC转换时间2 - 4 ADC时钟周期。由于一个德尔塔编码搜索失败异常事件(如电压瞬态由于外部刺激致动器)的ADC返回二进制搜索算法,更多典型的SAR 型adc,可选择(8)的周期数。
目前电路检测当电感(或回程动变压器)已达到比较器监控终端的绕组的电压(二次绕组的回扫变压器),才允许一个新的采集阶段开始。如果比较器触发失败, 一个适当的时间后防故障装置控制器定时器自动转移到采集阶段。
控制算法有许多时间要求,包括生成精确的定时脉冲充电阶段并提供一个时钟ADC。为了感应电流达到正确的高水平条件di / dt(短脉冲), 在这个工作10 ns分辨率被认为是需要的。低分辨率是可以接受的较低的di / dt(长脉冲)。在充电阶段,宽调谐范围现场数控振荡器(DCO)在50 MHz 50%的工作周期,允许10 ns的分辨率,在低25兆赫di / dt条件降低功率消耗。在采集过程中,DCO在5 MHz进一步划分到生成ADC时钟。DCO被禁用从充电的结束阶段,直到下一个采集阶段。
控制回路逻辑依赖门闩开关确保半异步的架构,以及变速DCO,提供高时间分辨率并且不需要全球高速时钟。当可选信号波形存储器使用时, 控制电压信号的序列中为了准确的时间存储一个低于100千赫外部时钟是需要的。
为了降低切换损失（由于ADC误差),一个可选的模式跟踪之前VCTRL样品和抑制脉冲这将降低V0时期当VCTRL单调增加或相反的,脉冲将增加V0当控制电压是单调递减。这样可以减少错误的开关脉冲,而且还降低了控制器的能力来弥补V0的意外
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