一种等离子切割电源电流闭环控制装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种等离子切割电源电流闭环控制装置，该装置基于带四路斩波模块的全数字控制大功率等离子切割电源系统实现，包括总输出指令电流值设定电路、斩波模块指令电流分配电路，每一至第四数字PI算法模块，每一至第四PWM信号电路，以及每一至第四电流信号采样电路；对每路斩波模块的输出电流独立阶跃闭环控制实现等离子切割电源高精度切割。本实用新型采用输出电压开环控制，输出电流独立闭环控制，无需实时检测输出电压，控制简单。本实用新型不用在电压环和电流环之间不停地切换，容易引弧成功，可靠性高，并且可以延长使用寿命。
【专利说明】—种等离子切割电源电流闭环控制装置
【技术领域】
[0001]本实用新型属于等离子切割电源【技术领域】，具体涉及一种等离子切割电源电流闭环控制装置，该装置基于带四路斩波模块的全数字控制大功率等离子切割电源系统实现。
【背景技术】
[0002]空气等离子弧切割是一种热切割技术，利用等离子弧的高温将被切金属局部熔化并蒸发，同时借助高速等离子气流将已经熔化的金属吹离母材，从而形成狭窄切口。等离子弧柱温度高，通常可达18000?24000K,远远超过所有金属的熔点,可以切割任何黑色和有色金属材料，使用范围广。与激光切割相比，具有生产效率高、被切割材料的品种范围广、厚度大和成本低等优势；与火焰切割相比，具有可实现无挂渣切割、明显减少了二次加工、热影响区较小等优势。
[0003]等离子切割电源是等离子切割过程中提供和控制能量的关键设备，其性能的好坏对等离子弧产生的可靠性、切割质量和生产效率都起着至关重要的作用。目前等离子切割电源主要分为逆变式和斩波式两种拓扑结构。逆变式等离子切割电源采用了高频逆变技术，具有体积小，重量轻等优点，然而逆变式等离子切割电源对功率器件要求高，控制电路复杂，工作环境恶劣，存在可靠性低的问题。逆变式等离子切割电源输出电流多为30A?200A，一般应用在20kW以下的场合。功率等级在20kW以上的等离子切割电源一般采用斩波式拓扑结构，同时为了进一步提高系统的容量，减小功率开关管的电流应力，采用多路斩波模块并联的方式。具有控制电路简单、开关频率高、控制特性好、可靠性高等优点，是当前大功率等离子切割电源的主流。
[0004]等离子切割电源控制系统设计的目的是通过电流闭环负反馈调节，来获得切割电源所需要的外特性、调节特性和动特性。对于具有单个斩波模块的等离子切割电源，目前已具有较成熟的控制方法，但对于多个斩波模块并联的等离子切割电源，还需要协调各个斩波模块之间的工作状态，以减小输出电流的纹波，最大效率的利用斩波模块，延长使用寿命。因此，发明一种多个斩波模块的等离子切割电源控制方法，实现等离子切割电源的高精度控制，提高整个系统的运行效率，具有重要意义。
【发明内容】
[0005]本实用新型针对模块化斩波式等离子切割电源的斩波模块电路，提供了一种等离子切割电源电流闭环控制装置，对每路斩波模块的输出电流独立阶跃闭环控制实现等离子切割电源高精度切割。
[0006]本实用新型提供的一种等离子切割电源电流闭环控制装置，其特征在于，该装置包括总输出指令电流值设定电路、斩波模块指令电流分配电路，每一至第四数字PI算法模块，每一至第四PWM信号电路，以及每一至第四电流信号采样电路；
[0007]总输出指令电流值设定电路的输出端与斩波模块指令电流分配电路的输入端相连，斩波模块指令电流分配电路的输出端分别与每一至第四数字PI算法模块的一输入端相连，每一至第四数字PI算法模块的输出端分别与每一至第四PWM信号电路的输入端对应相连，每一至第四PWM信号电路的输出端分别与每一至第四斩波模块的输入端对应相连，每一至第四电流信号采样电路的输入端与每一至第四斩波模块的输出端对应相连，它们的输出端分别与每一至第四数字PI算法模块的另一输入端对应相连；
[0008]其中，总输出指令电流值设定电路用于根据工件的切割工艺参数确定总输出指令电流值iz，并输入给斩波模块指令电流分配电路；
[0009]斩波模块指令电流分配电路用于根据总输出指令电流值iz分别计算出四个斩波模块的指令电流值，并将对应的电流信号输入给各路数字PI算法模块；
[0010]各路电流信号采样电路用于采集同路斩波模块的输出电流值，并分别输出至同路数字PI算法模块；
[0011]各路数字PI算法模块将同路电流信号采样电路得到的斩波模块输出电流值与同路斩波模块的指令电流值比较，通过数字PI算法得到PWM驱动信号脉冲的占空比，并输入给同路PWM信号电路；
[0012]各路PWM信号电路通过控制同路斩波模块，完成等离子切割电源电流的闭环控制。
[0013]本实用新型基于带四路斩波模块的全数字控制大功率等离子切割电源系统实现，具体而言，本实用新型具有以下有益效果:
[0014](I)等离子切割电源采用输出电压开环控制，输出电流独立闭环控制，无需实时检测输出电压，控制简单。控制系统不用在电压环和电流环之间不停地切换，容易引弧成功，
可靠性高。
[0015](2)输出电压软启动减少了输出电压对各功率器件的冲击，延长了功率器件的使用寿命。
[0016](3)输出电流启动时阶梯缓上升和切割结束时采用输出电流阶梯缓降可以使等离子弧缓慢消失，从而延长割炬等易损件的使用寿命。
[0017](4)根据不同的总输出指令电流值选择相应的斩波模块工作，确保每个斩波模块的工作效率最高，同时延长了使用寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是一种全数字控制大功率等离子切割电源系统的结构示意图。
[0019]图2是斩波模块的结构示意图。
[0020]图3是等离子切割电源电流闭环控制装置的结构框图。
[0021 ] 图4是四路斩波模块指令电流时序图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此夕卜，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0023]如图1所示，具有四路斩波模块的大功率等离子切割电源系统由主变压器2、四路斩波模块3、汇流板4、高频引弧电路5以及控制装置6组成，其中主变压器2原边是一组输入绕组21，用于接三相380VAC交流电网1，副边是四组相互隔离的输出绕组22，23，24，25，分别连接四路斩波模块3的31，32，33，34。如图2所示，每一路斩波模块均由整流桥模块301，滤波储能电容302，斩波开关管303，滤波电感304依次连接组成。其中整流桥模块301输入端连接主变压器的其中一组副边绕组，滤波电感304均与汇流板4连接。所述每一路斩波模块还包含电流霍尔互感器305，用于检测斩波模块的输出电流，以及PWM驱动电路306，用于控制斩波模块上开关管的通断。其中，电流霍尔互感器305 —端与滤波电感304相连接，另一端连接控制装置6 ;PWM驱动电路306 —端与斩波开关管相连接，另一端连接控制装置6。汇流板4的输入接四路斩波模块3，用于汇流四个斩波模块3的输出电流，形成总的工作电流，输出连接高频引弧电路5和工件8。高频引弧电路串联在汇流板4和割炬7之间，用于引弧过程中产生高频高压脉冲信号，击穿工件和电极之间的气隙，点燃等离子弧。控制装置6以TI公司的数字处理芯片为控制核心，完成等离子切割电源的控制，同时与数控机床进行通讯，实现工业自动化切割。
[0024]如图3所示，等离子切割电源电流闭环控制装置包括总输出指令电流值设定电路、斩波模块指令电流分配电路，每一至第四数字PI算法模块，每一至第四PWM信号电路，以及每一至第四电流信号采样电路，用于实现对每一至第四斩波模块的控制。
[0025]总输出指令电流值设定电路的输出端与斩波模块指令电流分配电路的输入端相连，斩波模块指令电流分配电路的输出端分别与每一至第四数字PI算法模块的一输入端相连，每一至第四数字PI算法模块的输出端分别与每一至第四PWM信号电路的输入端对应相连，每一至第四PWM信号电路的输出端分别与每一至第四斩波模块的输入端对应相连，每一至第四电流信号采样电路的输入端与每一至第四斩波模块的输出端对应相连，它们的输出端分别与每一至第四数字PI算法模块的另一输入端对应相连。
[0026]其中，总输出指令电流值设定电路根据工件的切割工艺参数确定总输出指令电流值12，并输入给斩波模块指令电流分配电路，斩波模块指令电流分配电路根据总输出指令电流值iz分别计算出各斩波模块的指令电流值，并输入给各数字PI算法模块。各路电流信号采样电路用于采集该路斩波模块的输出电流值，并分别输出至该路数字PI算法模块；各路数字PI算法模块将该路电流信号采样电路得到的斩波模块输出电流值与该路斩波模块的指令电流值比较，通过数字PI算法得到PWM驱动信号脉冲的占空比，并输入给该路PWM信号电路，该路PWM信号电路通过控制该路斩波模块，完成等离子切割电源电流的闭环控制。
[0027]基于全数字控制大功率等离子切割电源系统的控制过程如下:
[0028]1、电源输出电压开环控制软启动
[0029]开始切割时，等离子切割电源对输出电压进行开环控制，控制装置6控制单个斩波模块31的PWM驱动信号脉冲的占空比从O开始逐渐增大，电源输出直流电压从O开始斜坡上升，减小了突加电压对电源功率器件的冲击。
[0030]2、斩波模块输出电流独立阶跃闭环控制
[0031]当气隙击穿引弧成功后，控制装置6对斩波模块的输出电流进行独立阶跃闭环控制，采用常规的比例积分(PI)控制算法。并依据等离子切割电源总输出电流指令值込选择不同的斩波模块进行闭环控制，具体的:[0032]a.总输出指令电流值iz小于或等于电源额定电流值的1/4
[0033]总输出电流全部由斩波模块31提供，斩波模块31的最大稳态指令电流值为总输出指令电流值iz。斩波模块32，33，34不输出电流，斩波模块32，33，34的指令电流值始终为O。斩波模块31的输出电流采用阶梯方式从O逐渐上升到最大稳态指令电流值iz。
[0034]切割完成后，斩波模块31的输出电流采用阶梯方式从iz逐渐下降为O。每个阶梯跳跃的电流值is和持续时间Ti与阶梯上升时相同。
[0035]b.总输出指令电流值iz大于电源额定电流值的1/4并小于或等于电源额定电流值的1/2
[0036]总输出电流由斩波模块31，33共同提供，斩波模块31，33的最大稳态指令电流值均为总输出指令电流值iz的1/2。斩波模块32，34不输出电流，斩波模块32，34的指令电流值始终为O。
[0037]斩波模块31的输出电流先进行闭环控制，输出电流采用阶梯方式从O逐渐上升到最大稳态指令电流值iz/2，当斩波模块31的输出电流达到iz/2时，斩波模块33再进行闭环控制，输出电流同样采用阶梯方式从O逐渐上升到最大稳态指令电流值iz/2，使总输出电流达到指令电流值iz。
[0038]切割完成后，斩波模块31输出电流先进行闭环控制，采用阶梯方式从iz/2逐渐下降为0，然后斩波模块33再进行闭环控制。为加快电流下降时间，不采用阶梯方式下降，输出电流从iz/2直接降为0，最后使总输出电流降为O。
[0039]c.总输出指令电流值大于电源额定电流值的1/2
[0040]总输出电流由四个斩波模块31，32，33，34共同提供。最大稳态指令电流值均为总输出指令电流值iz的1/4。斩波模块31，32先同时进行闭环控制，输出电流采用阶梯方式分别从O逐渐上升到最大稳态指令电流值iz/4，当斩波模块31，32的输出电流达到iz/4时，维持不变；斩波模块33，34再进行闭环控制，输出电流同样采用阶梯方式从O逐渐上升到最大稳态指令电流值iz/4,使总输出电流达到给定指令值iz。
[0041]切割完成后，斩波模块31，32输出电流先进行闭环控制，同时从iz/4阶梯下降到斩波模块31，32的最大稳态指令电流值iz/4的一半，即iz/8，斩波模块33，34输出电流值维持在原指令值iz/4。然后斩波模块31，32输出电流值维持在iz/8不变，斩波模块33，34输出电流进行闭环控制，同时从iz/4阶梯下降到0，最后斩波模块31，32输出电流进行闭环控制，为加快电流下降时间，不采用阶梯方式下降，同时从iz/8直接降为O。最后使总输出电流降为O。
[0042]三种情况的阶梯上升或下降阶段的每个阶梯跳跃的电流值is和持续时间Ti是相同的。电流值is可以根据等离子切割电源额定输出电流确定为is = iMto/40，持续时间Ti根据控制装置6采用的控制芯片的运算速度一般为10?20ms。
[0043]如，采用TI公司的TMS320LF28335芯片或者TMS320LF2812芯片为控制核心，其中TMS320LF28335芯片运算速度较快，持续时间Ti可以选为10ms，加快调节过程。TMS320LF2812芯片价格相对较低，但运算速度相对较慢，持续时间Ti可以选为20ms。
[0044]下面通过一台额定功率80kW额定输出电流400A的斩波式等离子切割电源实施例更加详细地说明本实用新型。但以下实施例仅是说明性的，本实用新型的保护范围并不受这些实施例的限制。该实例包括电压软启动和电流闭环控制两部分:[0045]1、电压软启动
[0046]开始切割时，控制装置6控制斩波模块31的输出直流电压从O开始斜坡上升，其他斩波模块32，33，34不工作。
[0047]斩波模块31的PWM驱动信号脉冲的占空比从O开始逐渐增大，其中PWM驱动信号周期为80 μ S，每个周期中PWM信号的占空比增加0.00016，当PWM驱动信号的占空比增大到最大占空比0.95时，此时输出电压达到360V。由于还未引弧，没有电流通路，等离子切割电源输出电流为O。
[0048]2、输出电流闭环控制
[0049]控制装置6控制高频引弧电路5击穿工件和割炬之间的气隙，点燃等离子弧，等离子切割电源与工件之间的回路形成。
[0050]控制装置6对斩波模块3的输出电流进行独立闭环控制，如图4所示。
[0051]控制装置6中的总输出指令电流值设定电路根据工件的切割工艺参数确定总输出指令电流值iz，范围为10?400A。控制装置6中的斩波模块指令电流分配电路根据总输出指令电流值iz选择不同的斩波模块进行闭环控制，同时给出每个斩波模块的指令电流值。然后每个斩波模块的输出电流通过自身的电流霍尔互感器305采样，反馈到控制装置6的电流信号采样电路。数字PI控制算法模块将每个电流信号采样电路得到的电流值与该斩波模块的指令电流值比较，经过数字PI控制算法得到PWM驱动信号脉冲的占空比，输出到PWM信号电路，PWM信号电路通过控制斩波模块的PWM驱动电路306触发开关管的导通和关断，完成等离子切割电源的闭环控制。
[0052]控制芯片采用TI公司的TMS320LF28335芯片，其中每个阶梯跳跃的电流值is为10A，持续时间为Ti选择10ms。
[0053]具体的:
[0054]a.总输出指令电流值iz小于或等于电源额定电流值irate的1/4(100A)
[0055]总输出电流全部由斩波模块31提供,斩波模块31的最大稳态指令电流值为总输出指令电流值iz。斩波模块32，33，34不输出电流，斩波模块32，33，34的指令电流值始终为O。
[0056]斩波模块31的输出电流采用阶梯上升到最大稳态指令电流值iz，即斩波模块的输出电流闭环控制的指令值从O开始阶跃到is，持续时间为Ti,然后继续阶跃到2is，持续时间仍为Ti,以此类推，最后上升到系统要求的最大稳态指令电流值iz，从而实现斩波模块的输出电流稳定精确控制。每个阶梯跳跃的电流值is和持续时间Ti根据等离子切割电源功率器件参数确定。
[0057]切割完成后，控制装置6对斩波模块31的输出电流进行闭环控制，从iz阶梯下降为O。即斩波模块的输出电流闭环控制的指令值从iz开始阶跃到iz_is，持续时间为Ti，然后继续阶跃到iz_2is，持续时间仍为1\，以此类推。最后下降到O。每个阶梯跳跃的电流值is和持续时间Ti与阶梯上升时相同。
[0058]b.总输出指令电流值iz大于电源额定电流值irate的1/4(100A)并小于或等于电源额定电流值irate的1/2(200A)
[0059]总输出电流由斩波模块31，33共同提供，斩波模块31，33的最大稳态指令电流值均为总输出指令电流值iz的1/2。斩波模块32，34不输出电流，斩波模块32，34的指令电流值始终为O。
[0060]斩波模块31的输出电流先进行闭环控制，输出电流采用阶梯方式从O逐渐上升到最大稳态指令电流值iz/2，每个阶梯跳跃的电流值为is和持续时间为Ti,斩波模块33的输出电流维持O不变。当斩波模块31的输出电流达到iz/2时，斩波模块33再进行闭环控制，输出电流同样采用阶梯方式从O逐渐上升到最大稳态指令电流值iz/2，每个阶梯跳跃的电流值为is和持续时间为1\。最后使总输出电流达到给定指令值iz。
[0061]为减小输出电流纹波，斩波模块31，33功率开关管上的驱动信号相位相差180°。
[0062]切割完成后，控制装置6对斩波模块31输出电流先进行闭环控制，采用阶梯方式从iz/2逐渐下降为0，每个阶梯跳跃的电流值为is和持续时间为T”然后斩波模块33再进行闭环控制，为加快电流下降时间，不采用阶梯方式下降，输出电流从iz/2直接降为0，最后使总输出电流降为O。
[0063]c.总输出指令电流值大于电源额定电流值iMte的1/2 (200A)
[0064]总输出电流由四个斩波模块31，32，33，34共同提供，最大稳态指令电流值均为总输出指令电流值12的1/4。
[0065]斩波模块31，32先同时进行闭环控制，输出电流采用阶梯方式从O逐渐上升到最大稳态指令电流值iz/4，每个阶梯跳跃的电流值为is和持续时间为Titj斩波模块33，34的输出电流维持O不变。当斩波模块31，32的输出电流达到iz/4时，斩波模块33，34再进行闭环控制，输出电流同样采用阶梯方式从O逐渐上升到最大稳态指令电流值iz/4，每个阶梯跳跃的电流值为is和持续时间为T”最后使总输出电流达到给定指令值iz。
[0066]为减小输出电流纹波，斩波模块31，32中功率开关管上的驱动信号相位相同，斩波模块33，34中功率开关管上的驱动信号相位相同，并与斩波模块31，32中功率开关管上的驱动信号相位相差180°
[0067]切割完成后，控制装置6对斩波模块31，32输出电流先进行闭环控制，同时从iz/4阶梯下降到斩波模块31，32的最大稳态指令电流值iz/4的一半，即iz/8，每个阶梯跳跃的电流值为is和持续时间为Ti,斩波模块33，34输出电流值维持在原指令值iz/4。然后斩波模块31，32输出电流值维持在iz/8不变，斩波模块33，34输出电流进行闭环控制，同时从iz/4阶梯下降到0，每个阶梯跳跃的电流值为is和持续时间为Ti,最后斩波模块31，32输出电流进行闭环控制，为加快电流下降时间，不采用阶梯方式下降，同时从iz/8直接降为O。最后使总输出电流降为O。
[0068]本实用新型不仅局限于上述【具体实施方式】，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开的内容，可以采用其它多种【具体实施方式】实施本实用新型，因此，凡是采用本实用新型的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本实用新型保护的范围。
【权利要求】
1.一种等离子切割电源电流闭环控制装置，其特征在于，该装置包括总输出指令电流值设定电路、斩波模块指令电流分配电路，每一至第四数字PI算法模块，每一至第四PWM信号电路，以及每一至第四电流信号采样电路； 总输出指令电流值设定电路的输出端与斩波模块指令电流分配电路的输入端相连，斩波模块指令电流分配电路的输出端分别与每一至第四数字PI算法模块的一输入端相连，每一至第四数字PI算法模块的输出端分别与每一至第四PWM信号电路的输入端对应相连，每一至第四PWM信号电路的输出端分别与每一至第四斩波模块的输入端对应相连，每一至第四电流信号采样电路的输入端与每一至第四斩波模块的输出端对应相连，它们的输出端分别与每一至第四数字PI算法模块的另一输入端对应相连； 其中，总输出指令电流值设定电路用于根据工件的切割工艺参数确定总输出指令电流值iz，并输入给斩波模块指令电流分配电路； 斩波模块指令电流分配电路用于根据总输出指令电流值iz分别计算出四个斩波模块的指令电流值，并将对应的电流信号输入给各路数字PI算法模块； 各路电流信号采样电路用于采集同路斩波模块的输出电流值，并分别输出至同路数字PI算法模块； 各路数字PI算法模块将同路电流信号采样电路得到的斩波模块输出电流值与同路斩波模块的指令电流值比较，通过数字PI算法得到PWM驱动信号脉冲的占空比，并输入给同路PWM信号电路； 各路PWM信号电路通过控制同路斩波模块，完成等离子切割电源电流的闭环控制。
【文档编号】G05F1/46GK203397249SQ201320491427
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年8月12日 优先权日:2013年8月12日
【发明者】王兴伟, 林桦, 钟和清, 邓禹, 蔡涛, 林磊 申请人:华中科技大学