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(dòng)電路。在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)頻率追頻功能的基礎(chǔ)上，加入自動(dòng)增益控制電路達(dá)到恒流驅(qū)動(dòng)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(jì)了自動(dòng)增益控制電路和整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了測試驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：夾心式換能器；超聲刀具；自動(dòng)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(duì)導(dǎo)線的浸潤能力，提高導(dǎo)線焊接質(zhì)量。自動(dòng)頻率跟蹤電路實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電振子諧振頻率的自動(dòng)跟蹤功能，但壓電振子兩端的驅(qū)動(dòng)電壓是一定的，要增大驅(qū)動(dòng)電壓需手工調(diào)整；且當(dāng)負(fù)載變大時(shí)，壓電振子里的電流會(huì)變得很大，這都是不利的。在頻率跟蹤電路中加入自動(dòng)增益控制電路就可以很好地克服上述缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)和功率自適應(yīng)功能[8]。本文首先介紹自動(dòng)增益控制（AGC）電路[9]的設(shè)計(jì)，然后對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)與制作，最后使用設(shè)計(jì)的電路對(duì)夾心式超聲切割刀具進(jìn)行驅(qū)動(dòng)測試。

1自動(dòng)增益控制驅(qū)動(dòng)電路

1.1自動(dòng)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(dòng)地隨信號(hào)強(qiáng)度而調(diào)整的自動(dòng)控制方法，能夠很好地克服前述缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)和功率自適應(yīng)功能。

1.2自動(dòng)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(yùn)算電路、積分器和反相器、乘法器等3個(gè)基本部分組成。采樣電流信號(hào)經(jīng)有效值運(yùn)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(hào)相乘作為壓電振子的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。積分器主要是將采樣電流的有效值與參考電壓的差值進(jìn)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(dòng)和功率自適應(yīng)的關(guān)鍵。

1.3整體驅(qū)動(dòng)電路

加上濾波、鑒相等模塊之后的整體電路驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3所示。

2實(shí)驗(yàn)

2.1搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

根據(jù)圖3，在面包板上搭建各部分驅(qū)動(dòng)電路。將驅(qū)動(dòng)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(gè)完整的超聲切割刀具測試系統(tǒng)，如圖4所示。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

超聲切割刀具樣機(jī)在自由狀態(tài)（無負(fù)載）時(shí)，諧振頻率約為34kHz，實(shí)驗(yàn)電路能很好地完成恒流驅(qū)動(dòng)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(shí)壓電振子上的電流和電壓的相位大小，找到最佳工作點(diǎn)；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(dòng)的同時(shí)其對(duì)外輸出功率可調(diào)；在負(fù)載變化時(shí)，超聲切割刀具的輸出功率也能自動(dòng)調(diào)整，負(fù)載變大時(shí)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(dòng)電路會(huì)自動(dòng)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(dòng)，不會(huì)隨負(fù)載不同而變化。用超聲刀切割紙張（即帶載），并對(duì)壓電振子的電流和電壓采樣，采樣頻率為400kHz，采樣點(diǎn)40000個(gè)，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(shí)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(dòng)調(diào)節(jié)，即可自動(dòng)調(diào)整輸出功率的大小。為了驗(yàn)證以上恒流驅(qū)動(dòng)和功率自適應(yīng)的功能，對(duì)超聲刀具在參考電流220mA下進(jìn)行切割紙張的實(shí)驗(yàn)。在空載、帶載切紙兩種狀態(tài)下，對(duì)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(diǎn)2000個(gè)，采樣時(shí)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(dòng)增益控制和功率自適應(yīng)，電路很好地實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路采用自動(dòng)增益控制（AGC）電路來達(dá)到恒流驅(qū)動(dòng)和功率自適應(yīng)功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了超聲切割刀具壓電振子能很好地實(shí)現(xiàn)恒流驅(qū)動(dòng)和功率自適應(yīng)的功能，驅(qū)動(dòng)電路都能正常工作，達(dá)到了預(yù)期的各項(xiàng)要求。

[參考文獻(xiàn)]

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[6]魏冰陽,鄧效忠,楊建軍,等.超聲研齒換能器的設(shè)計(jì)與研齒試驗(yàn)[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.

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[9]張?zhí)煳?李廷軍.基于MC34063負(fù)反饋支路自動(dòng)增益控制電路設(shè)計(jì)[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(jī)械學(xué)院