超聲刀具功率自適應(yīng)電路研究

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摘要：介紹一種夾心式超聲刀驅(qū)動電路。在實現(xiàn)自動頻率追頻功能的基礎(chǔ)上，加入自動增益控制電路達(dá)到恒流驅(qū)動和功率自適應(yīng)的功能，最大程度地保證換能器工作效率的要求。設(shè)計了自動增益控制電路和整個驅(qū)動電路，并通過實驗進行了測試驗證。

關(guān)鍵詞：夾心式換能器；超聲刀具；自動增益控制（AGC）

引言

夾心式壓電陶瓷換能器[1]是一種電聲轉(zhuǎn)換裝置，一般結(jié)構(gòu)如圖1所示，廣泛應(yīng)用與超聲和水聲學(xué)研究領(lǐng)域[2-4]。王英健等[5]基于300kHz超聲波換能器研制的高精度測距裝置，應(yīng)用于各種液位和具有良好反射面距離的高精度測量；魏兵陽等[6]基于夾心超聲換能器的超聲齒輪研磨，材料去除率達(dá)到普通研磨的3倍，齒面質(zhì)量明顯提高；劉婷等[7]將其應(yīng)用于超聲助焊，可明顯提高焊錫對導(dǎo)線的浸潤能力，提高導(dǎo)線焊接質(zhì)量。自動頻率跟蹤電路實現(xiàn)對壓電振子諧振頻率的自動跟蹤功能，但壓電振子兩端的驅(qū)動電壓是一定的，要增大驅(qū)動電壓需手工調(diào)整；且當(dāng)負(fù)載變大時，壓電振子里的電流會變得很大，這都是不利的。在頻率跟蹤電路中加入自動增益控制電路就可以很好地克服上述缺點，實現(xiàn)恒流驅(qū)動和功率自適應(yīng)功能[8]。本文首先介紹自動增益控制（AGC）電路[9]的設(shè)計，然后對整個電路進行了設(shè)計與制作，最后使用設(shè)計的電路對夾心式超聲切割刀具進行驅(qū)動測試。

1自動增益控制驅(qū)動電路

1.1自動增益

控制原理本文在頻率追蹤電路中加入AGC電路。AGC使放大電路的增益自動地隨信號強度而調(diào)整的自動控制方法，能夠很好地克服前述缺點，實現(xiàn)恒流驅(qū)動和功率自適應(yīng)功能。

1.2自動增益控制電路原理圖

加入AGC的電路框圖如圖2所示，AGC電路由有效值運算電路、積分器和反相器、乘法器等3個基本部分組成。采樣電流信號經(jīng)有效值運算后得到電流的有效值，再經(jīng)積分器與參考電壓比較，將差值積分放大；所得電壓經(jīng)反相后與繞線變壓器輸出的正弦信號相乘作為壓電振子的驅(qū)動信號。積分器主要是將采樣電流的有效值與參考電壓的差值進行積分放大，達(dá)到功率自適應(yīng)的功能；反相器使AGC電路構(gòu)成負(fù)反饋，將采樣電流的有效值維持在與參考電壓相等。它們是AGC電路能夠?qū)崿F(xiàn)恒流驅(qū)動和功率自適應(yīng)的關(guān)鍵。

1.3整體驅(qū)動電路

加上濾波、鑒相等模塊之后的整體電路驅(qū)動電路原理圖如圖3所示。

2實驗

2.1搭建實驗平臺

根據(jù)圖3，在面包板上搭建各部分驅(qū)動電路。將驅(qū)動電路、超聲切割刀具樣件、功率放大器、變壓器、示波器結(jié)合起來，構(gòu)成一個完整的超聲切割刀具測試系統(tǒng)，如圖4所示。

2.2實驗結(jié)果

超聲切割刀具樣機在自由狀態(tài)（無負(fù)載）時，諧振頻率約為34kHz，實驗電路能很好地完成恒流驅(qū)動和功率自適應(yīng)的功能。調(diào)節(jié)參考相位可以調(diào)節(jié)超聲切割刀具工作時壓電振子上的電流和電壓的相位大小，找到最佳工作點；調(diào)節(jié)參考電流可以調(diào)節(jié)振子內(nèi)電流的大小，即在恒流驅(qū)動的同時其對外輸出功率可調(diào)；在負(fù)載變化時，超聲切割刀具的輸出功率也能自動調(diào)整，負(fù)載變大時振子兩端的電壓增大。

2.2.1加載過程壓刀具中電流及兩端電壓的變化當(dāng)振子的負(fù)載發(fā)生改變，驅(qū)動電路會自動調(diào)節(jié)加在振子上的電壓大小來調(diào)節(jié)輸出功率，而振子中的電流保持在參考電流附近波動，不會隨負(fù)載不同而變化。用超聲刀切割紙張（即帶載），并對壓電振子的電流和電壓采樣，采樣頻率為400kHz，采樣點40000個，捕捉到在加載過程中0.1s內(nèi)電流和電壓的變化過程，如圖5所示。從圖中可以看出，在加載過程中壓電振子中的電流基本不變，而其兩端的電壓隨負(fù)載的變大而變大。

2.2.2超聲刀具帶載切割紙張測試超聲刀具工作時壓電振子內(nèi)的電流與參考電流保持相等，壓電振子上的電壓隨負(fù)載的變化可自動調(diào)節(jié)，即可自動調(diào)整輸出功率的大小。為了驗證以上恒流驅(qū)動和功率自適應(yīng)的功能，對超聲刀具在參考電流220mA下進行切割紙張的實驗。在空載、帶載切紙兩種狀態(tài)下，對壓電振子中的電流和兩端的電壓采樣，采樣頻率選為5MHz，采樣點2000個，采樣時間為400μs。電流和電壓的波形如圖6所示。由圖可知，在220mA和260mA兩種參考電流下，電壓隨著切割帶載的增加而增加，而電流和電壓的相位差及電流的幅值無明顯變化，由于采用自動增益控制和功率自適應(yīng)，電路很好地實現(xiàn)恒流驅(qū)動和功率自適應(yīng)功能。

3結(jié)論

本文超聲切割刀具的驅(qū)動電路采用自動增益控制（AGC）電路來達(dá)到恒流驅(qū)動和功率自適應(yīng)功能。實驗結(jié)果證明了超聲切割刀具壓電振子能很好地實現(xiàn)恒流驅(qū)動和功率自適應(yīng)的功能，驅(qū)動電路都能正常工作，達(dá)到了預(yù)期的各項要求。

[參考文獻]

[1]林書玉.夾心式壓電陶瓷功率超聲換能器的優(yōu)化設(shè)計[J].壓電與聲光,2003(3):199-202.

[5]王英健,張柳.基于300kHz超聲波換能器的高精度測距裝置[J].儀表技術(shù)與傳感器,2014(1):37-40,46.

[6]魏冰陽,鄧效忠,楊建軍,等.超聲研齒換能器的設(shè)計與研齒試驗[J].聲學(xué)技術(shù),2007(4):767-770.

[7]劉婷,高椿明.基于壓電換能器的新型超聲波助焊技術(shù)[J].壓電與聲光,2012(2):247-248,252.

[8]許文俊,瞿少成,秦天柱,等.一種基于STM32的超聲波發(fā)射與接收電路的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子測量技術(shù),2018(17):90-94.

[9]張?zhí)煳?李廷軍.基于MC34063負(fù)反饋支路自動增益控制電路設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器,2019(7):114-116.

作者：賀提喜 舒送 單位：華北水利水電大學(xué) 機械學(xué)院