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一种新型逆变式空气等离子切割系统的设计 1 等离子切割电源电磁干扰 与传统的火焰钻孔和激光钻孔相比，该孔具有切割质量好、速度快、成本低等优点。随着逆变技术的发展,半桥式或者全桥式的主电路拓扑结构已成功地应用到等离子切割电源领域。在国内,大多数等离子切割机采用高频引弧方式,但高频高压的引弧过程带来了严重的电磁干扰,且装置体积较大,这不仅影响到了电源自身的正常工作,而且对周边数控机的工作带来了严重的电磁干扰,更不能和数控机床有效地配合,从而影响等离子切割机走向全自动化的进展。这里采用先进控制器DSP2812为核心,研制了一台功率为17 kW,切割电流30~100 A连续可调,并有切割、切网格、气刨3种工作模式的低频逆变式空气等离子切割电源。 2 电流和电流检测电路 主电路选用了Boost-半桥逆变的拓扑结构,其主电路拓扑结构如图1所示。 图中VQ1为Boost电路IGBT驱动;VQ2,VQ3为半桥PWM驱动信号,由DSP控制;VQ4用于引弧IGBT驱动。H1为升压电感电流传感器,检测到的电流值送往UC3854,用于控制VQ1,完成APFC;H2为用于过流检测的电流传感器;H3,H4为分别用于切割电流和引弧电流采样的电流传感器。前级Boost电路由控制器UC3854完成控制,实现升压和功率因数校正功能;考虑到整个电源的功率及成本,后级采用半桥逆变拓扑结构。通过前级的三相不控整流和Boost电路的闭环控制,将输入的三相交流电控制为稳定的750 V直流电,通过后级的半桥逆变电路将直流电转换为交流方波,送往中频变压器的输入端。半桥逆变电路主控芯片采用DSP2812,PWM为控制方式,通过改变半桥IGBT驱动的占空比,来实现对输出电流30~100 A连续可调的闭环控制。整个系统共用到4个电流霍尔传感器,分别对Boost电感电流、半桥交流电流、引弧电流、切割电流进行采样,从而完成前级的APFC、后级的电流闭环及电弧转移控制。 3 低参考分辨率机的分析和算法的实现 3.1 引弧的类型 一种好的引弧方法,首先是可靠性高,其次是成本低、结构小巧、经久耐用。引弧方式可分为接触引弧和非接触引弧,非接触引弧又可分为高压脉冲引弧和高频引弧,若采用前者来击穿气隙使电弧引燃,则要求变压器较大,且成本高,故很少用;后者应用较广泛,但其要求在引弧时,能使工件与电极之间产生2.5 kV以上的高压和150~250 kHz以上的高频振荡,然而这种高频振荡必然会产生不可避免的电磁干扰,严重影响了周边数控设备或切割电源自身的可靠性,同时对人体健康不利。 3.2 半桥及引弧控制回路 低频引弧属于接触式引弧方式,其原理为:未引弧时电极(电源输出负极)与喷嘴(电源输出正极)处于短路状态,当有引弧信号给定时,使能半桥IGBT和引弧IGBT驱动,气路电磁阀导通。由于气路存在延时,前一阶段电源工作在近似短路状态,此时通过控制回路将短路电流控制在恒定值。当气流到达喷嘴,利用高压的气体推力,将喷嘴与电极从短路状态瞬间吹开,此时会在割据内壁产生小弧,该电弧随着气流向外滑动,最终从喷嘴喷出,形成可维持的等离子弧。根据上述分析,引弧过程的时序如图2所示。 3.3 增量式pid算法 由于等离子切割电源的特殊要求,电流控制的速度和精度成为引弧成功与否的关键因素。引弧过程中存在一短路过程,若控制精度不够,很小的控制偏差就会带来很大的电流波动,导致系统过流。引弧过程属于负载突变过程,若在此阶段控制速度不够快,电流下降过多,也不能成功引弧。这里将高性能的DSP2812作为控制芯片,采用改进型的增量式PID算法。 增量式基本原理为: 由上式递推可得: 用式(1)减去式(2)可得到增量式PID为: 式中:A=kp+ki+kd。 故当前的控制量为: 此次设计在增量式PID算法基础上,通过对低频引弧过程中独特性的分析,采用了改进的增量型PID算法。由图2可知,引弧过程中存在两次负载突变,即由短路状态到等离子弧负载状态的突变。由于负载类型为电离空气,突变时非常剧烈,采用最基本的PID算法不能及时调节,以致电流下降过多而出现电流断续,无法引燃电弧。若采用改进型PID算法,按下引弧开关后,当电流上升至给定引弧值时,需设置恰当的误差阈值,来判断空气负载的到来。当检测到负载突变到来时,通过突增控制量的方法实现负载突变过程的过渡。此算法的关键是要对负载突变点进行准确检测。 图3a示出采用普通PID算法的引弧电流I1和半桥IGBT驱动ug的实验波形,图3b示出采用改进型PID算法的引弧电压U1、电流I1的实验波形。可知,通过采用改进的PID算法有效解决了负载突变时电流断续问题,最终成功引燃了电弧。 4 设备结构设计和软件流程 4.1 引弧的关闭方式 设计基于DSP2812的主控制器,使用C语言进行程序编写。按照其工作原理,引