一種模塊化斬波式等離子切割電源控制方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了模塊化斬波式等離子切割電源控制方法及裝置，該方法為：電源輸出電壓開環(huán)控制軟啟動(dòng)，然后斬波模塊輸出電流獨(dú)立階躍閉環(huán)控制：當(dāng)氣隙擊穿引弧成功后，數(shù)字化控制器對(duì)斬波模塊的輸出電流進(jìn)行獨(dú)立階躍閉環(huán)控制，并依據(jù)等離子切割電源總輸出電流指令值iz選擇不同的斬波模塊進(jìn)行閉環(huán)控制。裝置包括在數(shù)字控制器內(nèi)的總輸出指令電流設(shè)定模塊、斬波模塊指令電流分配模塊、四路數(shù)字PI算法模塊、四路PWM信號(hào)模塊和四路電流信號(hào)采樣模塊。本發(fā)明采用輸出電壓開環(huán)控制，輸出電流獨(dú)立閉環(huán)控制，無需實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出電壓，控制簡(jiǎn)單。本發(fā)明不用在電壓環(huán)和電流環(huán)之間不停地切換，容易引弧成功，可靠性高，并且可以延長(zhǎng)使用壽命。
【專利說明】一種模塊化斬波式等離子切割電源控制方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于等離子切割電源【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于模塊化斬波式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的等離子切割電源的控制方法，該方法基于帶四路斬波模塊的全數(shù)字控制大功率等離子切割電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
【背景技術(shù)】
[0002]空氣等離子弧切割是一種熱切割技術(shù)，利用等離子弧的高溫將被切金屬局部熔化并蒸發(fā)，同時(shí)借助高速等離子氣流將已經(jīng)熔化的金屬吹離母材，從而形成狹窄切口。等離子弧柱溫度高，通?？蛇_(dá)18000?24000K,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過所有金屬的熔點(diǎn),可以切割任何黑色和有色金屬材料，使用范圍廣。與激光切割相比，具有生產(chǎn)效率高、被切割材料的品種范圍廣、厚度大和成本低等優(yōu)勢(shì)；與火焰切割相比，具有可實(shí)現(xiàn)無掛渣切割、明顯減少了二次加工、熱影響區(qū)較小等優(yōu)勢(shì)。
[0003]等離子切割電源是等離子切割過程中提供和控制能量的關(guān)鍵設(shè)備，其性能的好壞對(duì)等離子弧產(chǎn)生的可靠性、切割質(zhì)量和生產(chǎn)效率都起著至關(guān)重要的作用。目前等離子切割電源主要分為逆變式和斬波式兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。逆變式等離子切割電源采用了高頻逆變技術(shù)，具有體積小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)，然而逆變式等離子切割電源對(duì)功率器件要求高，控制電路復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，存在可靠性低的問題。逆變式等離子切割電源輸出電流多為30A?200A，一般應(yīng)用在20kW以下的場(chǎng)合。功率等級(jí)在20kW以上的等離子切割電源一般采用斬波式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的容量，減小功率開關(guān)管的電流應(yīng)力，采用多路斬波模塊并聯(lián)的方式。具有控制電路簡(jiǎn)單、開關(guān)頻率高、控制特性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前大功率等離子切割電源的主流。
[0004]等離子切割電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是通過電流閉環(huán)負(fù)反饋調(diào)節(jié)，來獲得切割電源所需要的外特性、調(diào)節(jié)特性和動(dòng)特性。對(duì)于具有單個(gè)斬波模塊的等離子切割電源，目前已具有較成熟的控制方法，但對(duì)于多個(gè)斬波模塊并聯(lián)的等離子切割電源，還需要協(xié)調(diào)各個(gè)斬波模塊之間的工作狀態(tài)，以減小輸出電流的紋波，最大效率的利用斬波模塊，延長(zhǎng)使用壽命。因此，發(fā)明一種多個(gè)斬波模塊的等離子切割電源控制方法，實(shí)現(xiàn)等離子切割電源的高精度控制，提高整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)模塊化斬波式等離子切割電源的斬波模塊電路，提供了一種模塊化斬波式等離子切割電源控制方法，對(duì)每路斬波模塊的輸出電流獨(dú)立階躍閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)等離子切割電源高精度切割。
[0006]本發(fā)明提供的一種用于模塊化斬波式等離子切割電源的控制方法，包括下述步驟:
[0007]第I步開始切割時(shí)，等離子切割電源對(duì)輸出電壓進(jìn)行開環(huán)控制，數(shù)字化控制器控制第一斬波模塊的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖的占空比從O開始逐漸增大，電源輸出直流電壓從O開始斜坡上升，減小突加電壓對(duì)電源功率器件的沖擊；
[0008]第2步當(dāng)氣隙擊穿引弧成功后，數(shù)字化控制器對(duì)各斬波模塊的輸出電流進(jìn)行獨(dú)立階躍閉環(huán)控制，依據(jù)等離子切割電源總輸出電流指令值iz選擇不同的斬波模塊進(jìn)行閉環(huán)控制，使控制系統(tǒng)不用在電壓環(huán)和電流環(huán)之間不停地切換；
[0009]第3步結(jié)束。
[0010]作為上述技術(shù)方案的優(yōu)先方案，第2步具體包括下述過程:
[0011]如果總輸出指令電流值小于或等于電源額定電流值的1/4，則進(jìn)入第2.1步，如果總輸出指令電流值大于電源額定電流值的1/4并小于或等于電源額定電流值的1/2，則進(jìn)入第2.3步，其它情況，則進(jìn)入第2.5步；
[0012]第2.1步總輸出電流全部由第一斬波模塊提供，第一斬波模塊的最大穩(wěn)態(tài)指令電流值為總輸出指令電流值iz ;第二、第三和第四斬波模塊不輸出電流，第二、第三和第四斬波模塊的指令電流值始終為O ;第一斬波模塊的輸出電流采用階梯方式從O逐漸上升到最大穩(wěn)態(tài)指令電流值iz ；
[0013]第2.2步切割完成后，第一斬波模塊的輸出電流采用階梯方式從iz逐漸下降為0，每個(gè)階梯跳躍的電流值is和持續(xù)時(shí)間Ti與階梯上升時(shí)相同，然后進(jìn)入第3步；
[0014]第2.3步總輸出電流由第一斬波模塊,第三斬波模塊共同提供,第一、第三斬波模塊的最大穩(wěn)態(tài)指令電流值均為總輸出指令電流值iz的1/2 ;第二、第四斬波模塊不輸出電流，第二、第四斬波模塊的指令電流值始終為O ;第一斬波模塊的輸出電流先進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出電流采用階梯方式從O逐漸上升到最大穩(wěn)態(tài)指令電流值iz/2，當(dāng)?shù)谝粩夭K的輸出電流達(dá)到iz/2時(shí)，第三斬波模塊再進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出電流同樣采用階梯方式從O逐漸上升到最大穩(wěn)態(tài)指令電流值iz/2，使總輸出電流達(dá)到指令電流值iz ；
[0015]第2.4步切割完成后，第一斬波模塊輸出電流先進(jìn)行閉環(huán)控制，采用階梯方式從iz/2逐漸下降為0，然后第三斬波模塊再進(jìn)行閉環(huán)控制；為加快電流下降時(shí)間，不采用階梯方式下降，輸出電流從iz/2直接降為0，最后使總輸出電流降為0，然后進(jìn)入第3步；
[0016]第2.5步總輸出電流由四個(gè)第一至第四斬波模塊共同提供；最大穩(wěn)態(tài)指令電流值均為總輸出指令電流值iz的1/4 ;第一、第二斬波模塊先同時(shí)進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出電流采用階梯方式分別從O逐漸上升到最大穩(wěn)態(tài)指令電流值iz/4，當(dāng)?shù)谝?、第二斬波模塊的輸出電流達(dá)到iz/4時(shí)，維持不變；第三、第四斬波模塊再進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出電流同樣采用階梯方式從O逐漸上升到最大穩(wěn)態(tài)指令電流值iz/4，使總輸出電流達(dá)到給定指令值iz ；
[0017]第2.6步切割完成后，第一、第二斬波模塊輸出電流先進(jìn)行閉環(huán)控制，同時(shí)從iz/4階梯下降到第一、第二斬波模塊的最大穩(wěn)態(tài)指令電流值iz/4的一半，即iz/8，第三、第四斬波模塊輸出電流值維持在原指令值iz/4 ;然后第一、第二斬波模塊輸出電流值維持在iz/8不變，第三、第四斬波模塊輸出電流進(jìn)行閉環(huán)控制，同時(shí)從iz/4階梯下降到0，最后第一、第二斬波模塊輸出電流進(jìn)行閉環(huán)控制，為加快電流下降時(shí)間，不采用階梯方式下降，同時(shí)從iz/8直接降為O ;最后使總輸出電流降為O。
[0018]實(shí)現(xiàn)上述控制方法的裝置包括設(shè)置在數(shù)字控制器內(nèi)的總輸出指令電流設(shè)定模塊、斬波模塊指令電流分配模塊、四路數(shù)字PI算法模塊、四路PWM信號(hào)模塊和四路電流信號(hào)采樣模塊；
[0019]其中，總輸出指令電流值設(shè)定模塊用于根據(jù)工件的切割工藝參數(shù)確定總輸出指令電流值iz，并輸入給斬波模塊指令電流分配模塊；
[0020]斬波模塊指令電流分配模塊用于根據(jù)總輸出指令電流值iz分別計(jì)算出四個(gè)斬波模塊的指令電流值，并將對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)輸入給各路數(shù)字PI算法模塊；
[0021]各路電流信號(hào)采樣模塊用于采集同路斬波模塊的輸出電流值，并分別輸出至同路數(shù)字PI算法模塊；
[0022]各路數(shù)字PI算法模塊將同路電流信號(hào)采樣模塊得到的斬波模塊輸出電流值與同路斬波模塊的指令電流值比較，通過數(shù)字PI算法得到PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖的占空比，并輸入給同路PWM信號(hào)模塊；
[0023]各路PWM信號(hào)模塊通過控制同路斬波模塊，完成等離子切割電源電流的閉環(huán)控制。
[0024]本發(fā)明方法基于帶四路斬波模塊的全數(shù)字控制大功率等離子切割電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，具體而言，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0025](I)等離子切割電源采用輸出電壓開環(huán)控制，輸出電流獨(dú)立閉環(huán)控制，無需實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出電壓，控制簡(jiǎn)單?？刂葡到y(tǒng)不用在電壓環(huán)和電流環(huán)之間不停地切換，容易引弧成功，
可靠性高。
[0026](2)輸出電壓軟啟動(dòng)減少了輸出電壓對(duì)各功率器件的沖擊，延長(zhǎng)了功率器件的使用壽命。
[0027](3)輸出電流啟動(dòng)時(shí)階梯緩上升和切割結(jié)束時(shí)采用輸出電流階梯緩降可以使等離子弧緩慢消失，從而延長(zhǎng)割炬等易損件的使用壽命。
[0028](4)根據(jù)不同的總輸出指令電流值選擇相應(yīng)的斬波模塊工作，確保每個(gè)斬波模塊的工作效率最高，同時(shí)延長(zhǎng)了使用壽命。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是一種全數(shù)字控制大功率等離子切割電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖2是斬波模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖3是等離子切割電源電流閉環(huán)控制裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
[0032]圖4是四路斬波模塊指令電流時(shí)序圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步說明。在此需要說明的是，對(duì)于這些實(shí)施方式的說明用于幫助理解本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0034]如圖1所示，具有四路斬波模塊的大功率等離子切割電源系統(tǒng)由主變壓器2、四路斬波模塊3、匯流板4、高頻引弧電路5以及數(shù)字化控制器6組成，其中主變壓器2原邊是一組輸入繞組21，用于接三相380VAC交流電網(wǎng)1，副邊是四組相互隔離的輸出繞組22，23，24，25，分別連接四路斬波模塊3的31，32，33，34。如圖2所示，每一路斬波模塊均由整流橋模塊301，濾波儲(chǔ)能電容302，斬波開關(guān)管303，濾波電感304依次連接組成。其中整流橋模塊301輸入端連接主變壓器的其中一組副邊繞組，濾波電感304均與匯流板4連接。所述每一路斬波模塊還包含電流霍爾互感器305，用于檢測(cè)斬波模塊的輸出電流，以及PWM驅(qū)動(dòng)電路306，用于控制斬波模塊上開關(guān)管的通斷。其中，電流霍爾互感器305 —端與濾波電感304相連接，另一端連接數(shù)字化控制器6 ;PWM驅(qū)動(dòng)電路306 —端與斬波開關(guān)管相連接，另一端連接數(shù)字化控制器6。匯流板4的輸入接四路斬波模塊3，用于匯流四個(gè)斬波模塊3的輸出電流，形成總的工作電流，輸出連接高頻引弧電路5和工件8。高頻引弧電路串聯(lián)在匯流板4和割炬7之間，用于引弧過程中產(chǎn)生高頻高壓脈沖信號(hào)，擊穿工件和電極之間的氣隙，點(diǎn)燃等離子弧。數(shù)字化控制器6以TI公司的數(shù)字處理芯片為控制核心，完成等離子切割電源的控制，同時(shí)與數(shù)控機(jī)床進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化切割。
[0035]本發(fā)明方法基于全數(shù)字控制大功率等離子切割電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括四路斬波模塊，控制方法包括下述步驟:
[0036]1、電源輸出電壓開環(huán)控制軟啟動(dòng)
[0037]開始切割時(shí)，等離子切割電源對(duì)輸出電壓進(jìn)行開環(huán)控制，數(shù)字化控制器6控制單個(gè)斬波模塊31的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖的占空比從O開始逐漸增大，電源輸出直流電壓從O開始斜坡上升，減小了突加電壓對(duì)電源功率器件的沖擊。
[0038]2、斬波模塊輸出電流獨(dú)立階躍閉環(huán)控制
[0039]當(dāng)氣隙擊穿引弧成功后，數(shù)字化控制器6對(duì)斬波模塊的輸出電流進(jìn)行獨(dú)立階躍閉環(huán)控制，采用常規(guī)的比例積分(PI)控制算法。并依據(jù)等離子切割電源總輸出電流指令值iz選擇不同的斬波模塊進(jìn)行閉環(huán)控制，具體的:
[0040]a.總輸出指令電流值iz小于或等于電源額定電流值的1/4
[0041]總輸出電流全部由斬波模塊31提供,斬波模塊31的最大穩(wěn)態(tài)指令電流值為總輸出指令電流值iz。斬波模塊32，33，34不輸出電流，斬波模塊32，33，34的指令電流值始終為O。斬波模塊31的輸出電流采用階梯方式從O逐漸上升到最大穩(wěn)態(tài)指令電流值iz。
[0042]切割完成后，斬波模塊31的輸出電流采用階梯方式從iz逐漸下降為O。每個(gè)階梯跳躍的電流值is和持續(xù)時(shí)間Ti與階梯上升時(shí)相同。
[0043]b.總輸出指令電流值iz大于電源額定電流值的1/4并小于或等于電源額定電流值的1/2
[0044]總輸出電流由斬波模塊31，33共同提供，斬波模塊31，33的最大穩(wěn)態(tài)指令電流值均為總輸出指令電流值iz的1/2。斬波模塊32，34不輸出電流，斬波模塊32，34的指令電流值始終為O。
[0045]斬波模塊31的輸出電流先進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出電流采用階梯方式從O逐漸上升到最大穩(wěn)態(tài)指令電流值iz/2，當(dāng)斬波模塊31的輸出電流達(dá)到iz/2時(shí)，斬波模塊33再進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出電流同樣采用階梯方式從O逐漸上升到最大穩(wěn)態(tài)指令電流值iz/2，使總輸出電流達(dá)到指令電流值iz。
[0046]切割完成后，斬波模塊31輸出電流先進(jìn)行閉環(huán)控制，采用階梯方式從iz/2逐漸下降為0，然后斬波模塊33再進(jìn)行閉環(huán)控制。為加快電流下降時(shí)間，不采用階梯方式下降，輸出電流從iz/2直接降為0，最后使總輸出電流降為O。
[0047]c.總輸出指令電流值大于電源額定電流值的1/2
[0048]總輸出電流由四個(gè)斬波模塊31，32，33，34共同提供。最大穩(wěn)態(tài)指令電流值均為總輸出指令電流值iz的1/4。斬波模塊31，32先同時(shí)進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出電流采用階梯方式分別從O逐漸上升到最大穩(wěn)態(tài)指令電流值iz/4，當(dāng)斬波模塊31，32的輸出電流達(dá)到iz/4時(shí)，維持不變；斬波模塊33，34再進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出電流同樣采用階梯方式從O逐漸上升到最大穩(wěn)態(tài)指令電流值iz/4,使總輸出電流達(dá)到給定指令值iz。
[0049]切割完成后，斬波模塊31，32輸出電流先進(jìn)行閉環(huán)控制，同時(shí)從iz/4階梯下降到斬波模塊31，32的最大穩(wěn)態(tài)指令電流值iz/4的一半，即iz/8，斬波模塊33，34輸出電流值維持在原指令值iz/4。然后斬波模塊31，32輸出電流值維持在iz/8不變，斬波模塊33，34輸出電流進(jìn)行閉環(huán)控制，同時(shí)從iz/4階梯下降到0，最后斬波模塊31，32輸出電流進(jìn)行閉環(huán)控制，為加快電流下降時(shí)間，不采用階梯方式下降，同時(shí)從iz/8直接降為O。最后使總輸出電流降為O。
[0050]三種情況的階梯上升或下降階段的每個(gè)階梯跳躍的電流值is和持續(xù)時(shí)間Ti是相同的。電流值is可以根據(jù)等離子切割電源額定輸出電流確定為is = iMto/40，持續(xù)時(shí)間Ti根據(jù)數(shù)字化控制器6采用的控制芯片的運(yùn)算速度一般為10?20ms。
[0051]如，采用TI公司的TMS320LF28335芯片或者TMS320LF2812芯片為控制核心，其中TMS320LF28335芯片運(yùn)算速度較快，持續(xù)時(shí)間Ti可以選為10ms，加快調(diào)節(jié)過程。TMS320LF2812芯片價(jià)格相對(duì)較低，但運(yùn)算速度相對(duì)較慢，持續(xù)時(shí)間Ti可以選為20ms。
[0052]如圖3所示，等離子切割電源電流閉環(huán)控制裝置包括設(shè)置在數(shù)字控制器內(nèi)的總輸出指令電流設(shè)定模塊、斬波模塊指令電流分配模塊，每一至第四數(shù)字PI算法模塊，每一至第四PWM信號(hào)模塊，以及每一至第四電流信號(hào)采樣模塊，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)每一至第四斬波模塊的控制。其中總輸出指令電流值設(shè)定模塊根據(jù)工件的切割工藝參數(shù)確定總輸出指令電流值iz，并輸入給斬波模塊指令電流分配模塊，斬波模塊指令電流分配模塊根據(jù)總輸出指令電流值iz分別計(jì)算出各斬波模塊的指令電流值，并輸入給各數(shù)字PI算法模塊。各路電流信號(hào)采樣模塊用于采集該路斬波模塊的輸出電流值，并分別輸出至該路數(shù)字PI算法模塊；各路數(shù)字PI算法模塊將該路電流信號(hào)采樣模塊得到的斬波模塊輸出電流值與該路斬波模塊的指令電流值比較，通過數(shù)字PI算法得到PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖的占空比，并輸入給該路PWM信號(hào)模塊，該路PWM信號(hào)模塊通過控制該路斬波模塊，完成等離子切割電源電流的閉環(huán)控制。
[0053]下面通過一臺(tái)額定功率80kW額定輸出電流400A的斬波式等離子切割電源實(shí)施例更加詳細(xì)地說明本發(fā)明。但以下實(shí)施例僅是說明性的，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受這些實(shí)施例的限制。該實(shí)例包括電壓軟啟動(dòng)和電流閉環(huán)控制兩部分:
[0054]1、電壓軟啟動(dòng)
[0055]開始切割時(shí)，數(shù)字化控制器6控制斬波模塊31的輸出直流電壓從O開始斜坡上升，其他斬波模塊32，33，34不工作。
[0056]斬波模塊31的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖的占空比從O開始逐漸增大，其中PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)周期為80 μ S，每個(gè)周期中PWM信號(hào)的占空比增加0.00016，當(dāng)PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比增大到最大占空比0.95時(shí)，此時(shí)輸出電壓達(dá)到360V。由于還未引弧，沒有電流通路，等離子切割電源輸出電流為O。
[0057]2、輸出電流閉環(huán)控制
[0058]數(shù)字化控制器6控制高頻引弧電路5擊穿工件和割炬之間的氣隙，點(diǎn)燃等離子弧，等離子切割電源與工件之間的回路形成。
[0059]數(shù)字化控制器6對(duì)斬波模塊3的輸出電流進(jìn)行獨(dú)立閉環(huán)控制，如圖4所示。
[0060]數(shù)字化控制器6中的總輸出指令電流值設(shè)定模塊根據(jù)工件的切割工藝參數(shù)確定總輸出指令電流值iz，范圍為10?400A。數(shù)字化控制器6中的斬波模塊指令電流分配模塊根據(jù)總輸出指令電流值iz選擇不同的斬波模塊進(jìn)行閉環(huán)控制，同時(shí)給出每個(gè)斬波模塊的指令電流值。然后每個(gè)斬波模塊的輸出電流通過自身的電流霍爾互感器305采樣，反饋到數(shù)字化控制器6的電流信號(hào)采樣模塊。數(shù)字PI控制算法模塊將每個(gè)電流信號(hào)采樣模塊得到的電流值與該斬波模塊的指令電流值比較，經(jīng)過數(shù)字PI控制算法得到PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖的占空比，輸出到PWM信號(hào)模塊，PWM信號(hào)模塊通過控制斬波模塊的PWM驅(qū)動(dòng)電路306觸發(fā)開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，完成等離子切割電源的閉環(huán)控制。
[0061]控制芯片采用TI公司的TMS320LF28335芯片，其中每個(gè)階梯跳躍的電流值is為10A，持續(xù)時(shí)間為Ti選擇10ms。
[0062]具體的:
[0063]a.總輸出指令電流值iz小于或等于電源額定電流值irate的1/4(100A)
[0064]總輸出電流全部由斬波模塊31提供,斬波模塊31的最大穩(wěn)態(tài)指令電流值為總輸出指令電流值iz。斬波模塊32，33，34不輸出電流，斬波模塊32，33，34的指令電流值始終為O。
[0065]斬波模塊31的輸出電流采用階梯上升到最大穩(wěn)態(tài)指令電流值iz，即斬波模塊的輸出電流閉環(huán)控制的指令值從O開始階躍到is，持續(xù)時(shí)間為Ti,然后繼續(xù)階躍到2is，持續(xù)時(shí)間仍為Ti,以此類推，最后上升到系統(tǒng)要求的最大穩(wěn)態(tài)指令電流值iz，從而實(shí)現(xiàn)斬波模塊的輸出電流穩(wěn)定精確控制。每個(gè)階梯跳躍的電流值is和持續(xù)時(shí)間Ti根據(jù)等離子切割電源功率器件參數(shù)確定。
[0066]切割完成后，數(shù)字化控制器6對(duì)斬波模塊31的輸出電流進(jìn)行閉環(huán)控制，從iz階梯下降為O。即斬波模塊的輸出電流閉環(huán)控制的指令值從込開始階躍到iz_is，持續(xù)時(shí)間為Ti,然后繼續(xù)階躍到 213，持續(xù)時(shí)間仍為1\，以此類推。最后下降到O。每個(gè)階梯跳躍的電流值is和持續(xù)時(shí)間Ti與階梯上升時(shí)相同。
[0067]b.總輸出指令電流值iz大于電源額定電流值irate的1/4(100A)并小于或等于電源額定電流值irate的1/2(200A)
[0068]總輸出電流由斬波模塊31，33共同提供，斬波模塊31，33的最大穩(wěn)態(tài)指令電流值均為總輸出指令電流值iz的1/2。斬波模塊32，34不輸出電流，斬波模塊32，34的指令電流值始終為O。
[0069]斬波模塊31的輸出電流先進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出電流采用階梯方式從O逐漸上升到最大穩(wěn)態(tài)指令電流值iz/2，每個(gè)階梯跳躍的電流值為is和持續(xù)時(shí)間為Ti,斬波模塊33的輸出電流維持O不變。當(dāng)斬波模塊31的輸出電流達(dá)到iz/2時(shí)，斬波模塊33再進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出電流同樣采用階梯方式從O逐漸上升到最大穩(wěn)態(tài)指令電流值iz/2，每個(gè)階梯跳躍的電流值為is和持續(xù)時(shí)間為1\。最后使總輸出電流達(dá)到給定指令值iz。
[0070]為減小輸出電流紋波，斬波模塊31，33功率開關(guān)管上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位相差180°。
[0071]切割完成后，數(shù)字化控制器6對(duì)斬波模塊31輸出電流先進(jìn)行閉環(huán)控制，采用階梯方式從iz/2逐漸下降為0，每個(gè)階梯跳躍的電流值為is和持續(xù)時(shí)間為1\。然后斬波模塊33再進(jìn)行閉環(huán)控制，為加快電流下降時(shí)間，不采用階梯方式下降，輸出電流從iz/2直接降為0，最后使總輸出電流降為O。
[0072]c.總輸出指令電流值大于電源額定電流值iMte的1/2(200A)[0073]總輸出電流由四個(gè)斬波模塊31，32，33，34共同提供，最大穩(wěn)態(tài)指令電流值均為總輸出指令電流值12的1/4。
[0074]斬波模塊31，32先同時(shí)進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出電流采用階梯方式從O逐漸上升到最大穩(wěn)態(tài)指令電流值iz/4，每個(gè)階梯跳躍的電流值為is和持續(xù)時(shí)間為Titj斬波模塊33，34的輸出電流維持O不變。當(dāng)斬波模塊31，32的輸出電流達(dá)到iz/4時(shí)，斬波模塊33，34再進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出電流同樣采用階梯方式從O逐漸上升到最大穩(wěn)態(tài)指令電流值iz/4，每個(gè)階梯跳躍的電流值為is和持續(xù)時(shí)間為T”最后使總輸出電流達(dá)到給定指令值iz。
[0075]為減小輸出電流紋波，斬波模塊31，32中功率開關(guān)管上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位相同，斬波模塊33，34中功率開關(guān)管上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位相同，并與斬波模塊31，32中功率開關(guān)管上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位相差180°
[0076]切割完成后，數(shù)字化控制器6對(duì)斬波模塊31，32輸出電流先進(jìn)行閉環(huán)控制，同時(shí)從iz/4階梯下降到斬波模塊31，32的最大穩(wěn)態(tài)指令電流值iz/4的一半，即iz/8，每個(gè)階梯跳躍的電流值為is和持續(xù)時(shí)間為Ti,斬波模塊33，34輸出電流值維持在原指令值iz/4。然后斬波模塊31，32輸出電流值維持在iz/8不變，斬波模塊33，34輸出電流進(jìn)行閉環(huán)控制，同時(shí)從iz/4階梯下降到0，每個(gè)階梯跳躍的電流值為is和持續(xù)時(shí)間為Ti,最后斬波模塊31，32輸出電流進(jìn)行閉環(huán)控制，為加快電流下降時(shí)間，不采用階梯方式下降，同時(shí)從iz/8直接降為
O。最后使總輸出電流降為O。
[0077]本發(fā)明不僅局限于上述【具體實(shí)施方式】，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)實(shí)施例和附圖公開的內(nèi)容，可以采用其它多種【具體實(shí)施方式】實(shí)施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和思路，做一些簡(jiǎn)單的變化或更改的設(shè)計(jì)，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于模塊化斬波式等離子切割電源的控制方法，包括下述步驟: 第I步開始切割時(shí)，等離子切割電源對(duì)輸出電壓進(jìn)行開環(huán)控制，數(shù)字化控制器控制第一斬波模塊的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖的占空比從O開始逐漸增大，電源輸出直流電壓從O開始斜坡上升，減小突加電壓對(duì)電源功率器件的沖擊； 第2步當(dāng)氣隙擊穿引弧成功后，數(shù)字化控制器對(duì)各斬波模塊的輸出電流進(jìn)行獨(dú)立階躍閉環(huán)控制，依據(jù)等離子切割電源總輸出電流指令值iz選擇不同的斬波模塊進(jìn)行閉環(huán)控制，使控制系統(tǒng)不用在電壓環(huán)和電流環(huán)之間不停地切換； 第3步結(jié)束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化斬波式等離子切割電源控制方法，其特征在于，第2步具體包括下述過程: 如果總輸出指令電流值-小于或等于電源額定電流值的1/4，則進(jìn)入第2.1步，如果總輸出指令電流值-大于電源額定電流值的1/4并小于或等于電源額定電流值的1/2，則進(jìn)入第2.3步，其它情況，則進(jìn)入第2.5步； 第2.1步總輸出電流全部由第一斬波模塊提供，第一斬波模塊的最大穩(wěn)態(tài)指令電流值為總輸出指令電流值iz ;第二、第三和第四斬波模塊不輸出電流，第二、第三和第四斬波模塊的指令電流值始終為O ;第一斬波模塊的輸出電流采用階梯方式從O逐漸上升到最大穩(wěn)態(tài)指令電流值iz ; 第2.2步切割完成后，第一斬波模塊的輸出電流采用階梯方式從iz逐漸下降為O，每個(gè)階梯跳躍的電流值is和持續(xù)時(shí)間Ti與階梯上升時(shí)相同，然后進(jìn)入第3步； 第2.3步總輸出電流由第一斬波模塊，第三斬波模塊共同提供，第一、第三斬波模塊的最大穩(wěn)態(tài)指令電流值均為總輸出指令電流值iz的1/2 ;第二、第四斬波模塊不輸出電流,第二、第四斬波模塊的指令電流值始終為O ;第一斬波模塊的輸出電流先進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出電流采用階梯方式從O逐漸上升到最大穩(wěn)態(tài)指令電流值iz/2，當(dāng)?shù)谝粩夭K的輸出電流達(dá)到iz/2時(shí)，第三斬波模塊再進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出電流同樣采用階梯方式從O逐漸上升到最大穩(wěn)態(tài)指令電流值iz/2，使總輸出電流達(dá)到指令電流值iz ； 第2.4步切割完成后，第一斬波模塊輸出電流先進(jìn)行閉環(huán)控制，采用階梯方式從iz/2逐漸下降為O，然后第三斬波模塊再進(jìn)行閉環(huán)控制；為加快電流下降時(shí)間，不采用階梯方式下降，輸出電流從iz/2直接降為O，最后使總輸出電流降為O，然后進(jìn)入第3步； 第2.5步總輸出電流由四個(gè)第一至第四斬波模塊共同提供；最大穩(wěn)態(tài)指令電流值均為總輸出指令電流值iz的1/4 ;第一、第二斬波模塊先同時(shí)進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出電流采用階梯方式分別從O逐漸上升到最大穩(wěn)態(tài)指令電流值iz/4，當(dāng)?shù)谝?、第二斬波模塊的輸出電流達(dá)到iz/4時(shí)，維持不變；第三、第四斬波模塊再進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出電流同樣采用階梯方式從O逐漸上升到最大穩(wěn)態(tài)指令電流值iz/4，使總輸出電流達(dá)到給定指令值iz ； 第2.6步切割完成后，第一、第二斬波模塊輸出電流先進(jìn)行閉環(huán)控制，同時(shí)從iz/4階梯下降到第一、第二斬波模塊的最大穩(wěn)態(tài)指令電流值iz/4的一半，即iz/8，第三、第四斬波模塊輸出電流值維持在原指令值iz/4 ;然后第一、第二斬波模塊輸出電流值維持在iz/8不變，第三、第四斬波模塊輸出電流進(jìn)行閉環(huán)控制，同時(shí)從iz/4階梯下降到O，最后第一、第二斬波模塊輸出電流進(jìn)行閉環(huán)控制，為加快電流下降時(shí)間，不采用階梯方式下降，同時(shí)從iz/8直接降為O ;最后使總輸出電流降為O。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的模塊化斬波式等離子切割電源控制方法，其特征在于，電流值is根據(jù)等離子切割電源額定輸出電流iMte設(shè)定為is =仁_/40。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的模塊化斬波式等離子切割電源控制方法，其特征在于，持續(xù)時(shí)間Ti根據(jù)等離子切割電源控制芯片的運(yùn)算速度設(shè)為IOms?20ms。
5.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述控制方法的裝置，其特征在于，該裝置包括設(shè)置在數(shù)字控制器內(nèi)的總輸出指令電流設(shè)定模塊、斬波模塊指令電流分配模塊、四路數(shù)字PI算法模塊、四路PWM信號(hào)模塊和四路電流信號(hào)采樣模塊； 其中，總輸出指令電流值設(shè)定模塊用于根據(jù)工件的切割工藝參數(shù)確定總輸出指令電流值iz，并輸入給斬波模塊指令電流分配模塊； 斬波模塊指令電流分配模塊用于根據(jù)總輸出指令電流值iz分別計(jì)算出四個(gè)斬波模塊的指令電流值，并將對(duì)應(yīng)的電流信號(hào)輸入給各路數(shù)字PI算法模塊； 各路電流信號(hào)采樣模塊用于采·集同路斬波模塊的輸出電流值，并分別輸出至同路數(shù)字PI算法模塊； 各路數(shù)字PI算法模塊將同路電流信號(hào)采樣模塊得到的斬波模塊輸出電流值與同路斬波模塊的指令電流值比較，通過數(shù)字PI算法得到PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖的占空比，并輸入給同路PWM信號(hào)模塊； 各路PWM信號(hào)模塊通過控制同路斬波模塊，完成等離子切割電源電流的閉環(huán)控制。
【文檔編號(hào)】H02M7/12GK103433608SQ201310350153
【公開日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年8月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月12日
【發(fā)明者】王興偉, 林樺, 鐘和清, 鄧禹, 蔡濤, 林磊 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)