以Arduino Due為基礎的超音波刀驅動電路

全文

(1)大華科技大學電機與電子工程系碩士班碩士論文以 Arduino Due 為基礎的超音波刀驅動電路 Ultrasonic knife drive circuit based on Arduino Due. 研究生：范玟壇指導教授：温兆俊中華民國一○五年七月十二日.

(2)

(3) 以 Arduino Due 為基礎的超音波刀驅動電路 Ultrasonic knife drive circuit based on Arduino Due 研究生：范玟壇. Student：Wen-Tan Fan. 指導教授：温兆俊. Advisor：Chao-Chun Wen. 大華科技大學電機與電子工程系碩士班碩士論文. A Thesis Submitted to Department of Electrical and Electronic Engineering College of Engineering and Design Ta Hwa University of Science and Technology in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science in Electrical and Electronic Engineering July 2016 Hsinchu， Taiwan， Republic of China。. 中. 華. 民. 國. 一. ○. 五. I. 年. 七. 月.

(4) 摘要超音波切斷是藉由超音波振動信號傳導於刀具的切刃，使得刀具切刃與工作物之間的摩擦力降低，以提升其切斷的效果。超音波切斷應用包括有：超音波刀、超音波手術刀、超音波鋸、超音波切片機、超音波布料切斷裝置。通常超音波刀係由四個機構組成：刀具、振動子、共振腔、驅動電路。而不同的超音波刀應用需使用不同形狀及材質的刀具，且透過共振腔可將機械振動的振幅放大，然驅動電路是控制整個超音波刀效能的最大關鍵組件。至於超音波刀驅動電路的核心則是調諧技術，其傳統的匹配調諧方法有自激式與他激式的 RLC 兩種，而此兩種技術均有各自的缺點。為了克服它們的問題，近年來已往數位式振盪調諧的方向發展。然數位式振盪調諧的晶片單價昂貴，導致超音波刀系統的成本過高。有鑑於此，本論文利用 Arduino Due 微控器可程式內建 12 位元之 ADC 及 DAC 的優勢，以替代數位式振盪調諧的控制晶片。經由實測的結果，本研究設計的超音波刀追頻技術，其頻率控制精準度可達到振盪調諧的最佳化，且可滿足一般超音波刀應用的需求。關鍵字：振動子、超音波刀、數位式振盪調諧。. II.

(5) Abstract Ultrasonic cutting is operated by ultrasonic vibration signaling to the tool cutting edge so that the friction between the tool cutting edge and the work piece is reduced in order to enhance its cutting effect. Ultrasonic cutting applications include: ultrasonic knives, ultrasonic scalpels, ultrasonic saws, ultrasonic cutting machines, ultrasonic fabric cutting devices. Typically ultrasonic knife system consists of four parts: the tool, the vibrator, the resonance cavity, the drive circuit. Ultrasound knives in various applications require the different design in shapes and materials for the tool, and the mechanical vibration amplitude can be enlarged through those resonant horn. Also, the drive circuit to control the entire ultrasound knife plays a critical component to get the maximum performance. As the core technique of an ultrasonic drive circuit is a tunable model, there are two kinds of matching R.L.C. circuits with this traditional tuning method: self-excited and external-excited circuits. Actually, both of them have their own benefits and disadvantages, respectively. In order to overcome their problems in recent years, a digital tuning oscillation is a vital developing direction. However, the unit price of a digital tuning oscillation chip is expensive resulting that the cost of an ultrasonic knife system is still too high. For this reason, this thesis has discussed that an Arduino Due programmable microcontroller built on 12 bits of ADC and DAC has benefits to replace the tunable digital oscillation control chip. According to the experimental results measured by the designed ultrasonic knife frequency tracking technology, the accuracy of frequency control can be tuned to optimize the oscillation, and it can meet the needs of the general applications of ultrasound knives. Key Words: Vibrator, ultrasonic knife, tunable digital oscillation.. III.

(6) 目錄中文摘要··········································································II 英文摘要·········································································III 目錄···············································································IV 圖目錄············································································VI 表目錄··········································································X 第一章緒論····································································1 1-1 研究背景··························································1 1-2 研究方法··························································2 1-3 研究範圍··························································3 1-4 其他章節論文架構··············································4 第二章共振腔及超音波刀外殼製作····································5 2-1 尋找振動子的共振頻率······································6 2-2 共振腔製作··················································7 2-3 超音波刀外殼製作··············································12 2-4 使用 HP 4194A 阻抗分析儀測試振動子阻抗···············15 第三章驅動電路的設計·····················································18 3-1 電壓控制震盪器(VCO)·········································22 3-2 電壓轉換電路····················································26. IV.

(7) 3-3 電流檢測電路···················································27 3-4 電壓檢測電路···················································28 3-5 半橋式驅動、濾波及穩壓電路·································31 3-6 追頻程式的流程················································36 第四章系統參數的最佳化···············································38 4-1 電路量測·················································38 4-2 濾波電路變更對輸出的影響·································38 4-3 半橋式驅動電路電壓不同的影響····························40 第五章實驗與討論················································42 5-1 振動子動作與不動作其切割阻力的比較···················46 5-2 使用信號產生器掃頻瞭解阻力的變化······················49 5-3 使用程式掃頻瞭解阻力的變化······························51 5-4 電壓與阻力的變化······································53 5-5 啟動追頻時阻力的變化······································54 第六章結論與未來發展建議················································56 6-1 結論································································56 6-2 未來研究方向····················································56 參考文獻·········································································57. V.

(8) 圖目錄圖 2-1 功率放大器···························································7 圖 2-2 信號產生器···························································7 圖 2-3 示波器································································7 圖 2-4 振動子實體圖························································10 圖 2-5 振動子尺寸圖··············································11 圖 2-6 共振腔尺寸圖··················································12 圖 2-7 共振腔示意圖··················································12 圖 2-8 超音波刀外殼(共振腔外殼)尺寸圖·······················13 圖 2-9 超音波刀外殼(共振腔外殼)示意圖························13 圖 2-10 鎖定共振腔尺寸圖···················································13 圖 2-11 鎖定共振腔示意圖···················································14 圖 2-12 組裝完成示意圖······················································14 圖 2-13 共振腔製作中·························································14 圖 2-14 完成圖···································································14 圖 2-15 HP 4194A 阻抗分析儀·················································15 圖 2-16 選擇等效電路模型····················································16 圖 2-17 頻率從頻率 35 kHz 到 50 kHz 之阻抗值與相位圖··············16 圖 2-18 頻率從頻率 20 kHz 到 80 kHz 之阻抗值與相位圖··············17. VI.

(9) 圖 3-1 串聯共振線路示意圖··················································19 圖 3-2 自激式 R.L.C 匹配調諧示意圖······································20 圖 3-3 他激式 R.L.C 匹配調諧示意圖······································20 圖 3-4 數位式振盪調諧示意圖···············································20 圖 3-5 新數位式振盪調諧示意圖············································21 圖 3-6 電路方塊圖·····························································21 圖 3-7 頻率產生電路··························································22 圖 3-8 電容為 0.00047uf 時 VCO 輸出 85.4 kHz·······················23 圖 3-9 ICL8038 pin10 之 C1 電容值與 VCO 輸出頻率關係圖············24 圖 3-10 ICL8038 Pin8 的電壓值約 10.687 V 時，VCO 輸出為 40 kHz··25 圖 3-11 VOC 工作周期·······················································26 圖 3-12 電壓轉換電路圖·····················································27 圖 3-13 電流檢測電路圖·····················································29 圖 3-14 電壓檢測電路圖·····················································30 圖 3-15 超音波刀等效電路模型(基本等效電路)·······················31 圖 3-16 超音波刀等效電路模型(簡化後之電路)······················32 圖 3-17 由 LC 低通濾波器組成的超音波刀驅動電路·················33 圖 3-18 半橋式驅動、濾波及穩壓電路圖································35 圖 3-19 半橋式驅動電路之振動子驅動頻率與振幅關係圖·····36. VII.

(10) 圖 3-20 追頻程式流程圖··················································37 圖 4-1 量測振動子兩端電壓值 VO+與 VO-··································39 圖 4-2 MOS 輸入電壓與振動子驅動電壓的關係圖·······················40 圖 4-3 系統參數最佳化後振動子驅動頻率與振幅關係圖·············41 圖 4-4 頻率 40 kHz 時半橋式驅動電路電壓及電流關係圖·············41 圖 5-1 全自動荷重試驗機·····················································42 圖 5-2 全自動荷重試驗機設定畫面·········································44 圖 5-3 測試架設圖······························································44 圖 5-4 示波器監視圖··························································44 圖 5-5 Load cell 特性圖······················································45 圖 5-6 測試中圖·································································45 圖 5-7 振動子動作與不動作測試圖-1······································47 圖 5-8 振動子動作與不動作測試圖-2······································48 圖 5-9 振動子動作與不動作測試圖-3······································48 圖 5-10 振動子動作與不動作測試圖-4····································49 圖 5-11 放大器輸出波形圖···················································50 圖 5-12 頻率與阻力的關係圖-1············································50 圖 5-13 頻率與阻力的關係圖-2············································51 圖 5-14 頻率與阻力的關係圖-3············································52. VIII.

(11) 圖 5-15 頻率與阻力的關係圖-4···········································52 圖 5-16 頻率與阻力的關係圖-5···········································53 圖 5-17 調整電壓時阻力的變化圖·········································54 圖 5-18 啟動追頻與阻力的關係圖········································55. IX.

(12) 表目錄表 3-1 ICL8038 電容值與頻率關係··········································24 表 3-2 超音波刀各參數之物理意義········································32 表 4-1 頻率 40 kHz 時半橋式驅動電源的電壓與電流關係··············41 表 5-1 Load cell 規格表······················································43. X.

(13) 第一章緒論 1-1 研究背景超音波是頻率高於 20,000 Hz 的機械波，此機械波能透過聲耦合介質(如機油或水等)進入材料，並在其中以一定的速度與方向傳播[1]。倘超音波遇到聲阻抗不同的異質介面(如缺陷或被測物件的底面)時，其部分反射能量會沿原途徑返回探頭(用壓電陶瓷或石英晶片製成的元件)，探頭又將其轉變為電脈衝，且經儀器放大將其所測知結果顯示在示波管的螢光屏上，故超音波多應用於不同產業上。例如超音波測距可應用於汽車保險桿上的測距防撞及車旁的防視線死角提醒[2]；在無人機的應用，則為飛行前方的防撞與低空停懸的高度偵測。利用超音波產生摩擦力可應用於單眼相機鏡頭對焦的超音波馬達[3-4]及機械加工機上使用的超音波離合器[5]。超音波的振動則應用於液體的分散[6]、油水攪拌或器具洗淨等等。醫療診斷應用有超音波影像，在治療上是利用音波的能量在人體內轉換成熱能而達到治療的效果，手術裝置[7]則是利用高週波振動器械，使組織破碎然後吸引，達到如刀切的效果，對於腦部開刀及肝臟等細緻手術，其優於於傳統手術刀之處在於它能完整的保留 0.5mm 以上的血管，致使其在醫療應用上有其獨特的優勢。. 超音波切斷是將超音波振動信號傳導於刀具的切刃，使得刀刃與工作物的摩擦力降低，以提升其切斷的效果。而超音波刀係由四個機構組成：刀具、振動子、共振腔、驅動電路。其中，驅動電路[8]是控制整個超音波切斷效能的最大關鍵組件。至於超音波刀驅動電路的核心則是調諧技術[9]，其傳統的匹配調諧方法有自激式與他激式的 RLC 兩種，而 1.

(14) 此兩種匹配調諧[10]技術的共同缺點是壓電及共振腔(Resonance Cavity) 材料易受溫度影響。此乃壓電及共振腔材料因熱脹冷縮而會改變原有尺寸，因而導致其諧振偏移致使效率變差，且系統穩定度也變差。此外，他激式 RLC 匹配調諧的另一個缺點是在負載差異性很大時，此系統無法使用。. 此外，為解決自激式與他激式 RLC 匹配調諧的缺點，其 RLC 匹配調諧可往數位式振盪調諧方向發展。然目前市販之數位式振盪調諧的控制晶片製作成本相對高，且其邏輯閘設計的 IC 功能固定無彈性，以及外加電路複雜與維修不易。另外，Arduino Due 微控器可程式是一個開放源碼、簡單易學，且為低成本的微控制器平台，故本研究利用 Arduino Due 微控器可程式的優勢來替代數位式振盪調諧的控制晶片，由於 Arduino Due 內建 12 位元之 ADC 及 DAC，對於溫度變化、加工負載變動、刀具更換…等問題造成諧振偏移，經由本研究設計的超音波追頻 [11-12]技術，其頻率控制的精準度可達到振盪調諧的最佳化。經實測的結果證明，此系統可滿足一般超音波刀應用的需求。. 1-2 研究方法為瞭解超音波[13]做動原理，首先可對振動子的機電耦合特性做分析，將利用 HP 4194A 阻抗分析儀(Impedance Analyzer) 對振動子做阻抗與相位的測試與分析，經由頻域的阻抗特性結果獲得振動子的共振頻率。然後依照這個振動子的尺寸與前述所測得的共振頻率，設計出一個含有共振腔及刀具的超音波刀，再利用 HP 4194A 阻抗分析儀對超音波刀做 2.

(15) 阻抗與相位的測試與分析，可以得到超音波刀的共振頻率；又從阻抗分析儀中選擇等效電路模型(Equivalent Circuit Mode)CKTE，根據運算結果將獲得振動子等效串聯、並聯電路中各組成元件的參數。另外，為符合實際運作的需求，也使用訊號產生器與功率放大器對超音波刀做掃頻工作，以驗證和阻抗分析儀獲取的共振頻率是否相符合。依前述特性與參數再設計出驅動電路的阻抗匹配電路和頻率特性相關的電路，以構成完整的超音波刀系統。本系統使用的晶片是 Arduino Due 控制板內建 12 位元之 ADC 及 DAC，其可使用簡便的電路即可驅動電壓控制震盪器 (Voltage-Controlled Oscillator，VCO)，以產生解析度較高的頻率變化。當使用不同刀具或不同工作條件狀況下所導致共振頻率偏移時，其能夠以軟體程式做掃頻與追頻的功能以找出共振頻率，且維持超音波刀最佳的工作效能。. 1-3 研究範圍整個超音波刀製作完成後，需經實際測試以驗證其效果。本研究所使用的測試方法是直接將超音波刀進行切割的動作，直接量取其阻力值 [14-15]，比較接近真實使用中的狀況。最後從所得到的數據結果，藉以分析其效果為何，此與使用顯微鏡[16]或光學位移計[17]量測方式不同。另外，超音波刀進行切割的動作中，以研究頻率相對於阻力的影響、調整半橋式驅動電路的電壓振幅相對於阻力的影響，以此特性評估超音波刀的性能。. 3.

(16) 1-4 其他章節論文架構本研究其他章節架構：第二章共振腔及外殼設計，其主要內容尋找振動子的共振頻率、共振腔設計、超音波刀外殼設計。第三章電路設計，其主要內容探討電壓控制震盪器(Voltage-Controlled Oscillator, VCO)、電壓轉換電路、電流檢測電路、電壓檢測電路、半橋式驅動、濾波及穩壓電路、Arduino Due 程式流程。第四章系統參數的最佳化，其主要內容探討電路量測、濾波電路變更對輸出的影響、供應電壓不同的影響。第五章實驗與討論，其主要內容探討超音波刀後級放大開與關的比較、使用信號產生器掃頻瞭解阻力的變化、使用程式掃頻瞭解阻力的變化、電壓與阻力的變化、啟動追頻時阻力的變化。最後第六章結論與未來研究方向，其主要內容說明本論文研究結論及未來的研究方向。. 4.

(17) 第二章共振腔及超音波刀外殼製作藍杰文振動子(Langevin Vibrator)是法國科學家 Paul Langevin 於 1922 年為了研究水中超音波而開發的元件，其於設計超音波驅動電路之前要先要瞭解振動子。振動子因為壓電效應(Piezoelectricity），而產生振動。壓電效應是壓電材料中一種機械能與電能互換的現象，此因係晶格內原子間特殊排列方式，使得材料於有應力場(Stress Field)與電場耦合的效應，而壓電效應又可分成正壓電效應(Direct Piezoelectric Effect)和逆壓電效應(Inverse Piezoelectric Effect)。正壓電效應係對壓電材料施以物理壓力時，壓電材料體內之電偶極矩會因壓縮而變短，此時壓電材料為抵抗這變化會在材料相對的表面上產生等量正負電荷，以保持原狀。此種由於形變而產生電極化的現象稱為「正壓電效應」。正壓電效應實質上是機械能轉化為電能的過程。其公式為. ，其中，為晶體的電極. 強度，單位是C/m ；為壓電常數，單位是C/N；為應力，單位是N/m 。至於逆壓電效應係於壓電材料表面施加電場(電壓)，此因電場作用時電偶極矩會被拉長，壓電材料為抵抗變化，會沿電場方向伸長。此種通過電場作用而產生機械形變的過程稱為「逆壓電效應」。逆壓電效應實質上是電能轉化為機械能的過程。其公式為. ，其中，為晶體的. 應變，為壓電常數，單位是m/V；為電場強度向量，單位是V/m。. 當在壓電材料表面施加正電場（電壓），因電場作用時電偶極矩會被拉長，壓電材料為抵抗變化，會沿電場方向伸長，相反的，在壓電材料上施加負電壓，壓電材料就會往擠壓，當施予規律的頻率和電壓，就會使壓電材料因此產生震盪。然振動子本身的表面振幅並不大，為了提 5.

(18) 高振動子的振幅與整體效率，故會加入共振腔的設計，藉以放大振動子振幅。因為共振腔的設計涉及使用的材料與形狀尺寸規格等，其均會對整體的超音波振幅造成影響，且鋁材料具有優異之振動波傳遞效果，故本研究使用鋁做為共振腔的材料。此外，考量製作困難與成本因素，本研究之共振腔形狀將以錐形體為設計對象。另外，為瞭解振動子的特性於共振腔設計之初，要先測試振動子本體的共振頻率 (Resonance Frequency)為何。 . 2-1 尋找振動子的共振頻率因為壓電材料在一特定的頻率之下，會以最大振幅做振動的情形，此一特定頻率稱之為諧振頻率或共振頻率。為了解振動的特性及壓電陶瓷特性[18-19] ，可以採用兩種方法對振動子做測試與分析:(1)利用 HP 4194A 阻抗分析儀對振動子做阻抗與相位的測試與分析，這種方法是採用儀器以低電壓(10mVrms~1Vrms)[20]做頻域掃描再以所得的阻抗特性判定振動子的共振頻率。(2)利用信號產生器與功率放大器做頻域掃描，這種方法是信號產生器輸出端接在放大器輸入端，振動子接上放大器輸出端，然後測試頻率與電流關係。實驗設備: 功率放大器(圖 2-1)、信號產生器(圖 2-2)、電流探棒、示波器(圖 2-3)。步驟: 1. 將信號產生器輸出接到放大器輸入端。 2. 將放大器輸出接到振動子輸入端。 3. 打開信號產生器電源及設定頻率及輸出電壓。 4. 設定放大器最小倍率後打開放大器電源。 5. 觀察示波器顯示的波形。 6.

(19) 6. 再設定放大器倍率及信號產生器輸出電壓。 7. 變更信號產生器輸出頻率記錄電流。實際應用加在振動子是高壓不同於 HP 4194A 阻抗分析儀低電壓測試振動子，因此兩種測試方法所獲取的振動子共振頻率會略有不同，一般驅動電壓高者由於振動子消耗功率增加，使得振動子本體發熱而產生溫度提升的現象，導致共振頻率降低[12]。. 圖 2-1 功率放大器. 圖 2-2 信號產生器. 圖 2-3 示波器. 2-2 共振腔製作振動子由金屬體、壓電陶瓷、電極所組成，其實體照片，如圖 7.

(20) 2-4 所示。依照振動子實體經量測再繪製成尺寸圖，如圖 2-5 所示，振動子接觸面 45mm，所以共振腔的大端直徑設定為 45mm。共振腔規格設定: 1. 設定放大率 3 倍[21]，所以共振腔小端直徑為 15mm 2. 刀具長度設定 10mm，刀具軟鋼密度 7.8 g/cm. 3. 3. 共振腔材質為鋁，鋁的密度為 2.7 g/cm3 5. 4. 音速為 5.2*10 cm/s 5. 振動子頻率暫定 40 kHz 共振腔計算符號說明如下: S1 : 共振腔的大端面積，單位:cm2 2. S2 : 共振腔的小端面積，單位:cm. D1 : 共振腔大端部的直徑，單位:cm D2 : 共振腔小端部的直徑，單位:cm 3. : 共振腔材料的密度，單位:g/cm α : 波長常數 : 半波長共振的共振腔長度 c. : 共振腔材料中的音速度. f. : 共振腔的共振頻率. M. : 振幅放大率. XN : 從大端面到節面的距離，單位:cm 共振腔計算如下: 3 α 2=3.22 8.

(21) 設定 f=40000 Hz ∗ ∗. α=. 0.4833. . ∗. 三角錐的長度為. 2. =. .. /cm. 6.662 cm ≒ 67 mm. .. α. α. α. tanα 1=. =0.3366 α. α. α 1=0.3246 大面積延伸的長度為 1=0.658 cm ≒ 7 mm 振幅放大率 M=. α. ∗. α. α. ∗. =2.719. α. α. 以振幅 u1 驅動共振腔的大端面端時，大面端起χ處的斷面之振幅 ux 表成下式[21]. cos 其中. ∗. ∗. sin. ∗. (2-1). (2-2). 當共振腔的大端面端近χ處的振幅為零，. 及. 分別是考慮振. 幅相位的振幅)=0 為在振動節面設凸緣(圖 2-7 的 Flange)時的重要處。從式(2-1 及 2-2)得下式 ∗ 1. 9.

(22) . Flange 位置χ=. ∗ 2.82 cm ≒ 28 mm. .. 經過計算後繪製尺寸圖，如圖 2-6 所示，其示意圖，如圖 2-7 所示。. 圖 2-4 振動子實體圖. 10.

(23) 圖 2-5 振動子尺寸圖. 11.

(24) 圖 2-6 共振腔尺寸圖. 圖 2-7 共振腔示意圖. 2-3 超音波刀外殼製作超音波刀的外殼能包覆住振動子及共振腔，採用塑膠料 CNC 加工完成。採用塑膠料原因是加工較容易，有少許避震效果，其絕緣性佳可防止高壓感應觸電，使用中萬一高壓接觸到外殼可避免發生觸電的危險。根據共振腔及振動子組合後的尺寸，再設計外殼的尺寸，如圖 2-8 所示，超音波刀外殼示意圖，如圖 2-9 所示，還需要鎖住共振腔及振動子設計，如圖 2-10 鎖定共振腔尺寸圖所示，其示 12.

(25) 意圖，如圖 2-11 所示，利用此壓住共振腔的 Flange 達到固定共振腔。超音波刀組裝完成示意圖，如圖 2-12 所示，共振腔製作中的照片，如圖 2-13 所示超音波刀完成組裝後再拆開拍照，如圖 2-14 所示。. 圖 2-8 超音波刀外殼尺寸圖. 圖 2-9 超音波刀外殼示意圖. 圖 2-10 鎖定共振腔尺寸圖. 13.

(26) 圖 2-11 鎖定共振腔示意圖. 圖 2-12 組裝完成示意圖. 圖 2-13 共振腔製作中. 圖 2-14 完成圖. 14.

(27) 2-4 使用 HP 4194A 阻抗分析儀測試振動子阻抗將振動子接上 HP 4194A 阻抗分析儀(圖 2-15)，選擇等效電路模型(equivalent circuit mode)的 CKT E，如圖 2-16 所示。頻率從頻率 35 kHz 到 50 kHz 之阻抗值與相位圖，如圖 2-17 所示。從圖 2-16 中可以看到 R=561Ω，Ca=490.104 pF，L=29.1286 mH，Cb= 4.5 nF。Z=R. j wL. , 頻率在 f=42.1226 kHz 時 j wL. 0，. Z=561Ω。頻率從頻率 20 kHz 到 80 kHz 之阻抗值與相位圖，如圖 2-18 所示。雖然最低阻抗在約 70 kHz 頻率附近，但是低頻約 42 kHz 的共振頻率點能夠輸出最大的機電耦合效能，此即實際操作的共振頻率。. 圖 2-15 HP 4194A 阻抗分析儀. 15.

(28) 圖 2-16 選擇等效電路模型. 圖 2-17 頻率 35 kHz 到 50 kHz 之阻抗值與相位圖 16.

(29) 圖 2-18 頻率 20 kHz 到 80 kHz 之阻抗值與相位圖. 17.

(30) 第三章驅動電路的設計驅動電路中重要的一環是串聯共振(Series Resonance)[22]電路示意圖，如圖 3-1 所示。一般超音波共振電路的方式可分自激式 R.L.C 匹配調諧(圖 3-2)、他激式 R.L.C 匹配調諧(圖 3-3)和數位式振盪調(圖 3-4)。 1.自激式 R.L.C 匹配調諧：為了使超音波震動零件達到諧振，在超音波驅動電路的部分，就必須對振動子做一個所謂的＂阻抗匹配＂的動作，其通常調整的元件以電感、電容和電阻為最常見，一般是以改變電感值為最方便，其有使用簡單及製造方便的好處；超音波振動子在震盪的過程當中，會產生熱，熱會使振動子產生所謂的＂熱脹冷縮＂效應，振動子發熱，尺寸就會變化，尺寸變化超音波波長就會變化，波長一變化，頻率就會變化，這些效應會有連鎖影響。當頻率一變化，超音波驅動電路就必須對振動子重新做＂阻抗匹配＂。若超音波驅動電路沒和振動子作阻抗匹配，輕則效率變差，嚴重情況時驅動電路會燒毀，且振動子可能會損壞，所以在自激式 R.L.C 匹配調諧的機器，需注意(頻率、溫度)的變化，當有頻率與溫度變化時，須重新調整其阻抗匹配，故此類的機型比較不適用於長時間工作且易熱的加工環境，更須注意散熱的問題。 2.他激式 R.L.C 匹配調諧：因自激式 R.L.C 匹配調諧在做阻抗匹配時，需花費相當的人力及時間，遂發展出另一套振盪電路，基本線路也是要做匹配，但準確度無需像自激式，其原理是利用時脈電路產生信號，欲達到諧振 18.

(31) 目的只需調整信號的頻率。當頻率與超音波振動零件的諧振頻率相同時，即達諧振。由於無法自動調整共振頻率，在負載差異性很大時，此系統無法使用。 3.數位式振盪調諧：是利用諧振的特性及原理，再搭配輔助電路對諧振電路作信號取樣，使超音波振盪電路對振動子達到諧振的目的，數位式振盪調諧的電路也必須對振動子作＂阻抗的匹配＂，一般都是取一個近似值，再搭配輔助電路做一個強迫諧振的方式，以達到諧振電路與振動子諧振的目的。. 圖 3-1 串聯共振線路示意圖. 19.

(32) 圖 3-2 自激式 R.L.C 匹配調諧示意圖. 圖 3-3 他激式 R.L.C 匹配調諧示意圖. 圖 3-4 數位式振盪調諧示意圖. 20.

(33) 信號電容電感. 數位式控制超音波驅動信號. 振動子比流器. 電阻. 信號. 圖 3-5 新數位式振盪調諧示意圖 D.新數位式振盪調諧電路: 使用他激式 R.L.C 匹配調諧為主加上數位式振盪調諧方式，由微控制器 Arduino Due 取得電流信號、電壓信號，且及時調整共振頻率，成為新數位式振盪調諧示意圖，如圖 3-5 所示。依據新數位式振盪調諧構想設計電路，電路方塊圖，如圖 3-6 所示:. 圖 3-6 電路方塊圖. Arduino Due 用 Atmel 公司的 ATSAM3X8E 晶片，核心是 32 位 21.

(34) 元架構 Cortex-M3，它有 54 個輸入/輸出腳，其中 12 個可以用作 PWM 輸出，12 個類比電壓輸入，2 個類比電壓輸出，512KB Flash Memory， 96KB SRAM，由兩個連續空間 64 KB 和 32 KB 组成，時脈為 84MHz，具有 USB OTG 功能，1 個 SPI 介面， 1 JTAG 介面，bootloader 預燒寫進 ROM 裡，整個晶片提供更高的效能與更大的儲存空間，還有 12 位元的 ADC 類比轉數位及 DAC 數位轉類比可以使用減少很多外加元件。Arduino 有許多 IC 廠商支援，擁有豐富的函式庫可以使用。. 3-1 電壓控制震盪器(VCO). 圖 3-7 頻率產生電路電壓控制震盪器(Voltage-Controlled Oscillator, VCO)[23-24]為使用 ICL8038 頻率產生電路的核心，其周邊調整電路，如圖 3-7 所示。其中 C1 為充放電電容結合 R1、R2 與 VR1 來決定 VCO 的工作週期(duty 22.

(35) cycle)。在電路中以程式來控制 Ardoino Due DAC 的輸出以調整 Pin8 的 VCO 控制電壓輸入。. 1.C1 電容值的選擇由於不適當的 C1 值將無法調整到需要的頻率，Pin8 輸入電壓範圍很小約 0.5V，超過範圍會導致 VCO 沒有工作而停止 Pin9 頻率輸出。Pin10 選擇 0.01uf 電容，Pin9 輸出得到最高頻率為 4.5 kHz， C1 選擇 0.001uf 電容，Pin9 輸出得到最高頻率為 49.5 kHz，C1 選擇 0.0001uf 電容，Pin9 輸出得到最高頻率為 295 kHz，C1 選擇 0.00047uf 電容，Pin9 輸出得到最高頻率為 85.4 kHz，如圖 3-8 所示。從以上資料製作表 3-1 ICL8038 電容值與頻率關係數據，再得到 ICL8038 電容值與頻率關係圖，如圖 3-9 所示，最後決定電容為 0.00047uf 最符合需求。. 圖 3-8 電容為 0.00047uf 時 VCO 輸出 85.4 kHz 23.

(36) 表 3-1 ICL8038 電容值與頻率關係數據 VOC pin10 的 C1 電容值(uF). VOC 輸出最高頻率(kHz). 0.0001 0.00047 0.001 0.01. 295 854 49.5 4.5. ICL8038 之C1電容值與VCO輸出頻率關係圖頻率(Hz). 400000 300000 200000 100000 0 0.0001. 0.00047. 0.001. 0.01. pin10電容值(uF). 圖 3-9. ICL8038 pin10 之 C1 電容值與 VCO 輸出頻率關係圖. 2.VCO 控制電壓輸入值調整依據實驗數據得知，調整 ICL8038 Pin8 的電壓值約 10.875 V 時，VCO 輸出最低頻率為 35 kHz，調整 ICL8038 Pin8 的電壓值約 10.562 V 時，VCO 輸出最高頻率為 45 kHz，調整 ICL8038 Pin8 的電壓值約 10.687 V 時，VCO 輸出為中心頻率為 40 kHz 如圖 3-10 所示；以此 VCO 所需輸入的控制電壓範圍，Arduino Due DAC 將經由電壓轉換電路送出適當的電壓位準來改變 VCO 輸出的頻率。 3.VR1 電阻值調整 VR1 用來調整 VCO 的工作週期(Duty Cycle) ，如圖 3-11 所示。 ICL8038 設定 Pin8 輸入電壓為 VCC 依照 datasheet 其 t1、t2、f 公 24.

(37) 式如下: t t. f. 1 ∗ 1 3 0.22 ∗ 1 1∗ 3. 1∗. 2 0.22. 2. 1 1 1 0.66. 1∗ 1 0.66 1∗ 1∗ 2 0.66 ∗ 2 1 2. 0.22. 1 1 1∗ 3. if R1=R2=R 則. 1. f. 2 1. 2. 2. .. 圖 3-10 ICL8038 Pin8 的電壓值約 10.687 V 時，VCO 輸出為 40 kHz. 25.

(38) 圖 3-11 VCO 的工作週期(Duty Cycle). 3-2 電壓轉換電路要使用 Arduino Due DAC output 就要先瞭解輸出的電壓情形，於是先寫一個測試程式，電腦輸入數值改變 Arduino Due DAC output，程式先設定 8 bit 解析度輸出，電腦輸入數值 0 與 255 用電錶量測輸出電壓值為 0.5572 V 與 2.755 V 。從 3-1 節電壓控制震盪器(VCO) 測試得知，輸入 ICL8038 Pin8 的電壓輸入範圍是 10.875V 至 10.562V，因此需要將 Arduino Due DAC 輸出電壓 0.5572 V 到 2.755 V 做位準的調整；電壓轉換電路使用加法電路，做 offset 電位提升，以達到 ICL8038 Pin8 所需要的輸入範圍。其電路接線，如圖 3-12 所示。. 26.

(39) 圖 3-12 電壓轉換電路圖. 3-3 電流檢測電路電流檢測[25]電路，如圖 3-13 所示。 1. 信號放大電路這是從振動子 VO-端接一個 1Ω電阻串聯到地來檢測其電壓，此電阻如同比流器一樣；由於轉換後所得的信號振幅較小，因此需要使用 TL082 運算放大器做信號放大，如圖 3-13 內的 1 區塊所示。 2. 位準提升電路由 LM385-2.5V 參考電壓源，以使光耦合器 4N35 產生近似線性 27.

(40) 輸出的結果，如圖 3-13 內的 2 區塊所示。 3. 電氣隔離電路光耦合器 4N35 扮演電氣隔離的角色避免高壓側電路萬一故障時，損壞低壓側的電路，4N35 產生近似線性輸出的結果，再經過分壓後連接到 Arduino Due ADC 輸入端，Arduino Due 監測振動子工作電流的變化。如圖 3-13 內的 3 區塊所示。. 3-4 電壓檢測電路電壓檢測電路，如圖 3-14 所示。 1. 信號放大電路由於振動子 VO+端屬於高電壓驅動，所以必須經過衰減電路分壓後連接到 TL082 運算放大器，如圖 3-14 內的 1 區塊所示。 2. 位準提升電路由 LM385-2.5V 參考電壓源，以使光耦合器 4N35 產生近似線性輸出的結果，如圖 3-14 內的 2 區塊所示。 3. 電氣隔離電路光耦合器 4N35 扮演電氣隔離的角色避免高壓側電路萬一故障時，損壞低壓側的電路，4N35 輸出的電壓，再經過分壓後連接到 Arduino Due 另一個 ADC 輸入端與電流監測不同， Arduino Due 監測振動子工作電壓的變化。如圖 3-14 內的 3 區塊所示。. 28.

(41) 圖 3-13 電流檢測電路圖. 29.

(42) 圖 3-14 電壓檢測電路圖. 30.

(43) 3-5 半橋式驅動、濾波及穩壓電路超音波刀等效電路模型[26] ，如圖 3-15 所示。超音波刀之電 ’. 源切換頻率必須接近機械共振頻率，等效電阻 RL=ro+R L，其簡化後之電路，如圖 3-16 所示。其各參數之物理意義，如表 3-2 所示。半橋式驅動電路[27]的輸出端結構為超音波刀與一個電容器 C 並聯後，再與一個電感器 L 串聯，如圖 3-17 所示，以此電路構成 LC 低通濾波器的功能，將切換頻率的高次諧波濾除，低通濾波器的截止頻率為f. √. ，選擇適當的 LC 數值即可決定f 。. 圖 3-15 超音波刀等效電路模型(基本等效電路). 31.

(44) 圖 3-16 超音波刀等效電路模型(簡化後之電路). 表 3-2 超音波刀各參數之物理意義參數. 物理意義. V. 驅動電壓. Cb. 壓電陶瓷的電容量. Lm. 壓電陶瓷與金屬體、共振腔質量作用所換算的等效電感. Ca. 壓電陶瓷與金屬體、共振腔質量作用所換算的等效電容. ro. 壓電陶瓷與金屬體、共振腔質量作用所換算的等效電阻. R’L. 實際負載之電阻. RL. 負載的等效電阻. 32.

(45) 圖 3-17. 由 LC 低通濾波器組成的超音波刀驅動電路. 1. 半橋式驅動電路: IR21834 是屬於整合半橋式單輸入驅動 IC，能提供快速的開關速度，提供閂鎖關閉功能，輸入與閘極驅動輸出之間的延遲極低，功率消耗也較低 [28] ， Floating Channel Designed For Bootstrap Operation[29-30]。半橋式驅動電路，如圖 3-18 內的 1 區塊所示，電壓控制震盪器(VCO)產生的頻率經由 IR21834 半橋式驅動 IC，再到 MOSFET 功率電晶體放大，構成完整的半橋式驅動電路。 2. 濾波電路: 濾波電路為電容及電感構成，如圖 3-18 內的 2 區塊所示。 3.高壓電源穩壓: 將外部直流電源再做一次穩壓，如圖 3-18 內的 3 區塊所示， 33.

(46) 避免外部電源不穩定影響測試結果，提高外部直流電源的電壓將會提高超音波刀的效能，在第五章實驗可以看到其效果。振動子在無作用力時，半橋式驅動電路高壓電源設定 DC70V，改變振動子驅動頻率從 20 kHz 到 51 kHz 測得振動子驅動電壓振幅，如圖 3-19 所示，與第 2-4 節所述使用 HP 4194A 阻抗分析儀測試振動子阻抗所得到的共振頻率相呼應。. 34.

(47) 圖 3-18 半橋式驅動、濾波及穩壓電路圖. 35.

(48) 半橋式驅動電路電源DC70V振動子頻率與振幅關係圖 350 300. 振幅 (V). 250 200 150 100 50 0 20. 24. 26. 28. 30. 32. 34. 36. 38. 40. 42. 43. 44. 45. 46. 47. 48. 49. 50. 51. 頻率 (kHz). 圖 3-19 半橋式驅動電路之振動子驅動頻率與振幅關係圖. 3-6 追頻程式的流程 Arduino Due 程式先掃瞄大範圍(36 kHz to 45 kHz)尋找共振頻率，然後不斷去偵測是否飄移，如果共振頻率飄移，則程式先往低頻下修，如果沒有改善則往高頻上修，如果還是沒有改善則執行掃瞄小範圍尋找共振頻率，其流程圖，如圖 3-20 所示。. 36.

(49) 圖 3-20 追頻程式流程圖. 37.

(50) 第四章系統參數的最佳化 4-1 電路量測超音波刀接在 VO+， VO- ，DC power 60V 接到 VBB，如圖 3-18 所示，沒有負載只是要量測波形，頻率設定只要有明顯波形輸出就可以，暫定約 40 kHz。如圖 3-18 內的 2 區塊所示，紅色虛線框內有三組串聯的電容，電容值相當於 0.005uF 並聯 3 個，電容值等於 0.015uF，量測得到一些輸入及輸出的波形，再來變更電路的看其影響程度。 4-2 濾波電路變更對輸出的影響 4-2-1 先去掉一組電容先去掉一組電容 C33、C39，保留 C35、C36、C37、C38 電容，其電容值相當於 0.005uF 並聯 2 個，等於 0.01uF，頻率暫定約 40 kHz，電源設定 DC 60V ，電源供應器顯示電流 0.07A，頻率暫定約 40 kHz ， CH2(VO+) 測得 Vpp=136V. 。. 4-2-2 去掉二組電容去掉二組電容只剩下一組電容 c35、c36，其電容值相當於 0.068uF 串聯 2 個，等於 0.005uF，頻率暫定約 40 kHz，DC 60V 電源供應器顯示電流 0.12A，CH2(VO+)測得 Vpp=174V，電壓及電流比去掉一組電容大。經過這個測試可以發現去掉兩組電容電流突波變大許多，但是如此可以取得最大電壓，很明顯低通濾掉太多，所以最終方案是只使用一組電容。量測 IR21834 輸出到 MOS 的電壓(圖 4-1 之 A 點)示波器 CH1 與振動子驅動電壓(圖 4-1 之 VO+)示波器 CH4 的關係，如 38.

(51) 圖 4-2 所示。經過修改後再次檢測驅動頻率與振動子驅動電壓振幅關係，了解異動情況。在無作用力時，半橋式驅動電路高壓電源設定 DC60V，改變振動子驅動頻率從 38 kHz 到 41.5 kHz 測得振動子驅動電壓振幅，如圖 4-3 所示，Cb= 4.5 nF 與 c35、c36，其電容值相當於 0.001uF 串聯 2 個，並聯振動子的 Cb= 4.5 nF 等於 0.0095uF，與 L1=600 uH 形成低通濾波器，其截止頻率. f. √. √ ∗. = 66.66 kHz。修改後如圖 4-1 所示。. 圖 4-1 量測振動子兩端電壓值 VO+與 VO-. 39. ∗ . ∗.

(52) 4-3 半橋式驅動電路電壓不同的影響驅動頻率先固定在 40 kHz，電源供應器從 60V 調整到 200V，看電源供應器的電流變化，記錄電源供應器的電壓與電流值，記錄如下表 4-1 所示。頻率 40 kHz 時電源電壓及電流資料畫成圖，如圖 4-4 所示，調整半橋式驅動電路電壓越高，量測得到電流越高，電壓與電流的關係成正比，所以在共振頻率時阻抗是電阻性，經過多次測試結果 DC100V 在效能與耗能是最佳的選擇，其於第五章之 5-4 節中的變化會證明。. 圖 4-2 MOS 輸入電壓與振動子驅動電壓的關係圖. 40.

(53) 半橋式驅動電路電源DC70V振動子頻率與振幅關係圖振幅 (V). 400 300 200 100 0 38. 38.5. 39. 39.5. 40. 40.5. 41. 41.5. 頻率 (Hz) 圖 4-3 系統參數最佳化後振動子驅動頻率與振幅關係圖. 表 4-1 頻率 40 kHz 時半橋式驅動電源的電壓與電流關係 VBB 電壓 (V). VBB 電流 (A). 60. 0.12. 80. 0.14. 100. 0.16. 150. 0.18. 200. 0.2. 頻率40 kHz時電源電壓及電流關係 0.25. 電流 A. 0.2 0.15 0.1 0.05 0 60. 80. 100. 150. 200. 電壓 V. 圖 4-4 頻率 40 kHz 時半橋式驅動電路電壓及電流關係圖. 41.

(54) 第五章實驗與討論本文利用全自動荷重試驗機(圖 5-1)，量測切割阻力，如此可以很直觀看到啟動超音波刀切割物品可以減少摩擦力[14]。這是首次使用這種實際切割物品量測阻力變化，不同於其他的論文是使用顯微鏡量測震動或光學位移計量測震動的振幅分析其效能。. 圖 5-1 全自動荷重試驗機啟動全自動荷重試驗機，進入設定畫面。設定這次測試需要的條件，如圖 5-2 所示。這實驗是讓超音波刀劃過直徑 8mm 透明壓克力棒，全自動荷重試驗機的機構只能上下移動，把超音波刀固定到可上下移動柱上比較麻煩，所以改變方式將超音波刀固定不動，再利用夾具把壓克力棒固定到可上下移動柱上，如圖 5-3 所示，夾具上面連接著 Load cell(SE-AL-50K)做為量測阻力之用，阻力值傳到電腦記錄，夾具及 Load cell 是被固定在由電腦控制上下移動的柱子上，電腦設定壓克力棒下降的速率為 30 mm/min，如圖 5-2 所示。當自動荷重試驗機使得透明壓克力棒下降時就會讓超音波刀鋒畫過 42.

(55) 透明壓克力棒，這時候透明壓克力棒受到的阻力經由 Load cell 傳送到電腦記錄，如此就可以看到阻力的曲線圖。超音波刀的半橋式驅動電路電源外接電源供應器，除了可以設定不同的電壓值也可以看到半橋式驅動電路消耗的電流，在旁邊同時也架設示波器觀察振動子上電壓波形大小的變化，如圖 5-4 所示，測試中圖片，如圖 5-6 所示。 Load Cell 利用應變計和橋式電路組合成，當其受到了拉力或壓力時，將產生與作用力成正比的電壓輸出。Load cell 經過 TAF 認證合格的校正實驗室三聯科技校正，校正編號: MT1050403。擴充不確定度:0.015 kgf Load cell 特性圖，如圖 5-5 所示。可以看到其顯示值與實際值是成正比。. 表 5-1 Load cell 規格表 Standard Specification Model Capacity Output Nonlinear Repeat Recommend Voltage Voltage Tolerance Input Resistance Output Resistance Insulation Resistance Temperature Influence. AL 0.2kg-500kg 2mv/v±10% 0.2%RO 0.1%RO 10V DC or AC 18V DC or AC 350Ω 350Ω 2000MΩabove 0.01％RO/℃. Temperature Range. 0℃-50℃ 120％ capacity. Overload Capacity. 全自動荷重試驗機經過 TAF 認證合格的校正實驗室量測科技校 43.

(56) 正，校正編號: A05-05-073-01 (速度) 擴充不確定度:1.6 mm/min 及校正編號:：A05-05-073-02 (位移) 擴充不確定度:0.027 mm. 圖 5-2 全自動荷重試驗機設定畫面. 44.

(57) 圖 5-3 測試架設圖. 圖 5-4 示波器監視圖. Load cell特性 60. 顯示值 (kgf). 50 40 30 20 10 0 5.1. 10.2. 15.3. 20.39 25.49 30.59 35.69 40.79 45.89 50.99. 實際值 (kgf). 圖 5-5 Load cell 特性圖. 圖 5-6 測試中圖. 45.