超声刀具功率自适应电路研究

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摘要：介绍一种夹心式超声刀驱动电路。在实现自动频率追频功能的基础上，加入自动增益控制电路达到恒流驱动和功率自适应的功能，最大程度地保证换能器工作效率的要求。设计了自动增益控制电路和整个驱动电路，并通过实验进行了测试验证。

关键词：夹心式换能器；超声刀具；自动增益控制（AGC）

引言

夹心式压电陶瓷换能器[1]是一种电声转换装置，一般结构如图1所示，广泛应用与超声和水声学研究领域[2-4]。王英健等[5]基于300kHz超声波换能器研制的高精度测距装置，应用于各种液位和具有良好反射面距离的高精度测量；魏兵阳等[6]基于夹心超声换能器的超声齿轮研磨，材料去除率达到普通研磨的3倍，齿面质量明显提高；刘婷等[7]将其应用于超声助焊，可明显提高焊锡对导线的浸润能力，提高导线焊接质量。自动频率跟踪电路实现对压电振子谐振频率的自动跟踪功能，但压电振子两端的驱动电压是一定的，要增大驱动电压需手工调整；且当负载变大时，压电振子里的电流会变得很大，这都是不利的。在频率跟踪电路中加入自动增益控制电路就可以很好地克服上述缺点，实现恒流驱动和功率自适应功能[8]。本文首先介绍自动增益控制（AGC）电路[9]的设计，然后对整个电路进行了设计与制作，最后使用设计的电路对夹心式超声切割刀具进行驱动测试。

1自动增益控制驱动电路

1.1自动增益

控制原理本文在频率追踪电路中加入AGC电路。AGC使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的自动控制方法，能够很好地克服前述缺点，实现恒流驱动和功率自适应功能。

1.2自动增益控制电路原理图

加入AGC的电路框图如图2所示，AGC电路由有效值运算电路、积分器和反相器、乘法器等3个基本部分组成。采样电流信号经有效值运算后得到电流的有效值，再经积分器与参考电压比较，将差值积分放大；所得电压经反相后与绕线变压器输出的正弦信号相乘作为压电振子的驱动信号。积分器主要是将采样电流的有效值与参考电压的差值进行积分放大，达到功率自适应的功能；反相器使AGC电路构成负反馈，将采样电流的有效值维持在与参考电压相等。它们是AGC电路能够实现恒流驱动和功率自适应的关键。

1.3整体驱动电路

加上滤波、鉴相等模块之后的整体电路驱动电路原理图如图3所示。

2实验

2.1搭建实验平台

根据图3，在面包板上搭建各部分驱动电路。将驱动电路、超声切割刀具样件、功率放大器、变压器、示波器结合起来，构成一个完整的超声切割刀具测试系统，如图4所示。

2.2实验结果

超声切割刀具样机在自由状态（无负载）时，谐振频率约为34kHz，实验电路能很好地完成恒流驱动和功率自适应的功能。调节参考相位可以调节超声切割刀具工作时压电振子上的电流和电压的相位大小，找到最佳工作点；调节参考电流可以调节振子内电流的大小，即在恒流驱动的同时其对外输出功率可调；在负载变化时，超声切割刀具的输出功率也能自动调整，负载变大时振子两端的电压增大。

2.2.1加载过程压刀具中电流及两端电压的变化当振子的负载发生改变，驱动电路会自动调节加在振子上的电压大小来调节输出功率，而振子中的电流保持在参考电流附近波动，不会随负载不同而变化。用超声刀切割纸张（即带载），并对压电振子的电流和电压采样，采样频率为400kHz，采样点40000个，捕捉到在加载过程中0.1s内电流和电压的变化过程，如图5所示。从图中可以看出，在加载过程中压电振子中的电流基本不变，而其两端的电压随负载的变大而变大。

2.2.2超声刀具带载切割纸张测试超声刀具工作时压电振子内的电流与参考电流保持相等，压电振子上的电压随负载的变化可自动调节，即可自动调整输出功率的大小。为了验证以上恒流驱动和功率自适应的功能，对超声刀具在参考电流220mA下进行切割纸张的实验。在空载、带载切纸两种状态下，对压电振子中的电流和两端的电压采样，采样频率选为5MHz，采样点2000个，采样时间为400μs。电流和电压的波形如图6所示。由图可知，在220mA和260mA两种参考电流下，电压随着切割带载的增加而增加，而电流和电压的相位差及电流的幅值无明显变化，由于采用自动增益控制和功率自适应，电路很好地实现恒流驱动和功率自适应功能。

3结论

本文超声切割刀具的驱动电路采用自动增益控制（AGC）电路来达到恒流驱动和功率自适应功能。实验结果证明了超声切割刀具压电振子能很好地实现恒流驱动和功率自适应的功能，驱动电路都能正常工作，达到了预期的各项要求。

[参考文献]

[1]林书玉.夹心式压电陶瓷功率超声换能器的优化设计[J].压电与声光,2003(3):199-202.

[5]王英健,张柳.基于300kHz超声波换能器的高精度测距装置[J].仪表技术与传感器,2014(1):37-40,46.

[6]魏冰阳,邓效忠,杨建军,等.超声研齿换能器的设计与研齿试验[J].声学技术,2007(4):767-770.

[7]刘婷,高椿明.基于压电换能器的新型超声波助焊技术[J].压电与声光,2012(2):247-248,252.

[8]许文俊,瞿少成,秦天柱,等.一种基于STM32的超声波发射与接收电路的设计与实现[J].电子测量技术,2018(17):90-94.

[9]张天文,李廷军.基于MC34063负反馈支路自动增益控制电路设计[J].仪表技术与传感器,2019(7):114-116.

作者：贺提喜 舒送 单位：华北水利水电大学 机械学院