基于自動增益控制的超聲刀具功率自適應電路

2020-07-14 09:49:30賀提喜舒送

機械工程師 2020年6期

賀提喜, 舒送

（1. 華北水利水電大學機械學院，鄭州450045; 2. 國營蕪湖機械廠,安徽蕪湖241007）

0 引言

夾心式壓電陶瓷換能器[1]是一種電聲轉換裝置，一般結構如圖1所示，廣泛應用與超聲和水聲學研究領域[2-4]。王英健等[5]基于300 kHz超聲波換能器研制的高精度測距裝置，應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，材料去除率達到普通研磨的3倍，齒面質量明顯提高；劉婷等[7]將其應用于超聲助焊，可明顯提高焊錫對導線的浸潤能力，提高導線焊接質量。

自動頻率跟蹤電路實現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動電壓是一定的，要增大驅動電壓需手工調整；且當負載變大時，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，實現恒流驅動和功率自適應功能[8]。

本文首先介紹自動增益控制（AGC）電路[9]的設計，然后對整個電路進行了設計與制作，最后使用設計的電路對夾心式超聲切割刀具進行驅動測試。

1 自動增益控制驅動電路

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整的自動控制方法，能夠很好地克服前述缺點，實現恒流驅動和功率自適應功能。

圖1 夾心式壓電陶瓷換能器結構示意圖

1.2 自動增益控制電路原理圖

圖2 加入AGC電路的鎖相環法頻率追蹤電路

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。

采樣電流信號經有效值運算后得到電流的有效值，再經積分器與參考電壓比較，將差值積分放大；所得電壓經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，達到功率自適應的功能；反相器使AGC電路構成負反饋，將采樣電流的有效值維持在與參考電壓相等。它們是AGC電路能夠實現恒流驅動和功率自適應的關鍵。

1.3 整體驅動電路

加上濾波、鑒相等模塊之后的整體電路驅動電路原理圖如圖3所示。

2 實驗

2.1 搭建實驗平臺

根據圖3，在面包板上搭建各部分驅動電路。將驅動電路、超聲切割刀具樣件、功率放大器、變壓器、示波器結合起來，構成一個完整的超聲切割刀具測試系統，如圖4所示。

2.2 實驗結果

超聲切割刀具樣機在自由狀態（無負載）時，諧振頻率約為34 kHz，實驗電路能很好地完成恒流驅動和功率自適應的功能。調節參考相位可以調節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；調節參考電流可以調節振子內電流的大小，即在恒流驅動的同時其對外輸出功率可調；在負載變化時，超聲切割刀具的輸出功率也能自動調整，負載變大時振子兩端的電壓增大。

圖3 驅動電路原理圖

圖4 超聲切割刀具測試系統

2.2.1 加載過程壓刀具中電流及兩端電壓的變化

圖5 加載過程中壓電振子電流及電壓幅度的變化

當振子的負載發生改變，驅動電路會自動調節加在振子上的電壓大小來調節輸出功率，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400 kHz，采樣點40 000個，捕捉到在加載過程中0.1 s內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的電流與參考電流保持相等，壓電振子上的電壓隨負載的變化可自動調節，即可自動調整輸出功率的大小。為了驗證以上恒流驅動和功率自適應的功能，對超聲刀具在參考電流220 mA下進行切割紙張的實驗。在空載、帶載切紙兩種狀態下，對壓電振子中的電流和兩端的電壓采樣，采樣頻率選為5 MHz，采樣點2000個，采樣時間為400 μs。電流和電壓的波形如圖6所示。由圖可知，在220 mA和260 mA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，電路很好地實現恒流驅動和功率自適應功能。