基于鎖相環法的夾心式超聲刀具追頻電路

文/闞 艷（國營蕪湖機械廠）

夾心式壓電陶瓷換能器[1]是一種電聲轉換裝置，因其響應快、電聲效率高、功率容量大等優點，在很多領域得到了廣泛的應用[2]。國內外學者對其進行了深入的理論[3-5]和實踐研究[6,7]。WANG F J 等[8]研制了一種新型高頻換能器，用于微電子組裝的新型焊接技術。柏德恩等[9]研制的基于壓電換能器的超聲電鉆，可對砂巖進行有效鉆進，而且所需的鉆壓力較小，可用于彗星等弱引力場的地外天體表面巖石的鉆取采樣。

超聲換能器工作頻率會隨著負載的不同而改變。當裝置電路驅動的激勵頻率與裝置實際工作頻率有偏差時，整個裝置的效率不能最大程度發揮，長時間工作會引起裝置發熱、無法正常工作甚至損壞。因此，裝置的驅動電路必須具備頻率自適應功能。本文針對此需要進行驅動電路設計和研究[10]：首先根據鎖相環（Phase-locked loop）[11]設計頻率追蹤電路，然后對整個電路進行設計制作，并使用設計的電路對夾心式超聲切割刀具進行驅動測試。

一、基于鎖相環頻率追蹤驅動電路

1.鎖相環頻率追蹤原理

由振動理論及對壓電換能器等效電路在諧振頻率附近的阻抗特性分析可以得出：當壓電換能器工作于諧振狀態時，加在它兩端的電壓信號與流過其中的電流信號是同相位的；當激勵信號的頻率偏離換能器的諧振頻率時，換能器工作于失諧狀態，其兩端的電壓信號與流過的電流信號不再同相位。壓電振子的諧振特性如圖1 所示。根據這一特性，通過獲取電流和電壓的相位差信號，將其轉化為控制頻率發生器（此處為壓控振蕩器）所發出的電信號頻率變化的信號。

2.鎖相環電路原理圖

根據上述原理分析，本文設計了鎖相環法頻率追蹤電路的原理框圖，見圖2。它由二型鑒相器（PDⅡ）、低通濾波器（LPF）、積分器、壓控振蕩器（VCO）、帶通濾波器（BPF）、功率放大器（PA）、繞線變壓器、壓電振子、比較器等基本部分組成。

圖1 壓電振子的導納曲線

圖2 鎖相環法頻率追蹤電路原理框圖

電流采樣和電壓采樣的信號經過比較器將波形變換為方波后一同送入二型鑒相器PDⅡ的兩個輸入端，由PDⅡ給出它們的相位差信號；相位差信號經低通濾波器LPF 濾去高頻成分后得到直流信號；該直流信號再經過積分器將電流和電壓的相位差與參考相位流信號差比較并積分放大后作為壓控振蕩器VCO 的控制電壓，這個控制電壓決定了VCO 的振蕩頻率；VCO 輸出的一定頻率的方波信號再經帶通濾波器濾去直流和高次諧波分量得到基頻正弦信號；該正弦信號包含了壓控振蕩器輸出的頻率信息，經功率放大器PA 功率放大和變壓器變壓后用來驅動壓電振子振動。

在正常工作時電路的振蕩頻率自動鎖定到壓電振子的諧振頻率，采樣電流和電壓信號的相位差一定；如果諧振頻率發生漂移，則采樣電流和電壓之間的相位差也發生漂移。當振蕩頻率高于諧振頻率時，電流與電壓的相位差減小，經積分器與參考相位差比較積分后使壓控振蕩器VCO 的控制電壓變低，振蕩頻率也降低；而當振蕩頻率低于諧振頻率時，電流與電壓的相位差增大，經積分器與參考相位差比較積分后使壓控振蕩器VCO 的控制電壓變高，振蕩頻率也升高。這樣就使得電流和電壓的相位差保持與參考相位差相等，壓電振子一直處于諧振狀態。

3.整體驅動電路

在鎖相環法頻率追蹤電路原理框圖的基礎上，加上濾波、鑒相等模塊之后，在面包板上搭建各部分電路，選取合適的參數進行測試，然后將各部分組成整體進行測試，搭建的電路實物和超聲切割刀具如圖3 所示。

圖3 電路圖和超聲刀具實物

二、實驗

1.驅動電路搭建頻率追蹤范圍

用該電路驅動不同諧振頻率的振子，實驗證明，該電路能很好地完成前述頻率追蹤、恒流驅動和功率自適應功能。其中頻率追蹤的范圍至少可達30～80kHz。超聲切割刀具在自由狀態（無負載）時，諧振頻率約為34kHz。

2.追頻時壓電振子中電流及兩端電壓的變化

由實驗可知，驅動電路的振蕩頻率自動追蹤到壓電振子的諧振頻率（壓電振子中電流和兩端電壓的相位差追蹤到與設定相位差相等）；壓電振子中的電流追蹤到設定好的參考電流并保持與之相等；壓電振子兩端的電壓根據負載情況自動調節。追蹤過程對壓電振子中的電流及其兩端的電壓采樣，采樣頻率400 kHz，采樣點40000 個，捕捉到追蹤過程在0.1s 內電流及電壓變化的過程，如圖4 所示。從圖4 可見，壓電振子中的電流在緩慢增大，而其兩端的電壓則有明顯的增大趨勢。

圖4 追蹤過程壓電振子電流及電壓幅度的變化

用示波器觀察并記錄在追蹤過程中切割刀具中電流及電壓兩路信號的波形變化情況，截取的記錄過程如圖5所示，直觀地展示了在啟動過程中驅動電路能很好地實現追頻。

圖5 追蹤過程壓電振子電流及電壓波形的變化

三、結語

本文利用基于鎖相環法設計和制作的驅動電路，對夾心式超聲切割刀具進行了測試實驗，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。

實驗電路能快速完成該諧振頻率自動追蹤功能，驅動電路都能正常工作，超聲切割刀具能穩定對外做功，達到了預期的各項要求。