1、基 金项目 ： 陕西省工业攻关研究发展计划 （2011K09-05）；西安市科技局工业应用技术研发项目 （CXY1017（1）定稿日期 ： 2011-01-04作者简介 ：孙 强 （1955-），男 ，安徽丹凤人 ，教授 ，研究方向为开关电源理论与应用 。1 引 言与传统的火焰切割或激光切割相比，等离子切割机具有切割质量好 、速度快 、成本低等优势1。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
2、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 30100 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 主电路拓扑结构主电路选用了 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，
3、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逆变式空气等离子切割机低频引弧技术的研究孙 强 ， 刘延明（西安理工大学，自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048）摘要 ：研制了一种全数字化控制的新型逆变式空气等离子切割机 。该等离子机采用非高频的引弧技术，有效地解决了传统技术中存在的高电磁干扰 、引弧电路复杂 、引弧成功率低等问题 。设计以高性能数字信号处理器DSP2812 作为主控制芯片，通过理论分析 、计算与仿真 、控
4、制算法的改进等措施，解决了低频引弧技术中的问题 。实验结果表明，该机具有可靠性高 、电磁干扰小 、一次引弧成功率高等特点 。关键词 ：切割机；低频引弧；半桥逆变中图分类号 ：TP13 文献标识码 ：A 文章编号 ：1000-100X（ 2011） 07-0121-03Research on the Inverter Air-plasma Cutting Machine of LF Contact Pilot ArcSUN Qiang， LIU Yan-ming（ Xian University of Technology， Xian 710048， China）Abstract： The di
5、gital control system for air-plasma cutting inverter power supply has developed.This cutting machinebased on low frequency contact pilot arc and has successfully solved the plenty of short-comings in conventional con-tact pilot arc technique， such as high electronic magnetic interference（ EMI）， comp
6、lex circuit and lower successful ra-tio of pilot arc and so on.The high performance DSP2812 is utilized as the mainly control chip.By theory analyse，calculate and simulation， the difficulty in low frequency contact pilot arc has been solved.The experimental resultsverify that the power supply system
7、 has higher stability， lower EMI and higher successful ratio of pilot arc.Keywords： cutting machine； low frequency contact pilot arc； half bridge inverterFoundation Project： Supported by the Industrial Research and Development Projects of Shaanxi Provincial（ No.2011K09-05）； The Industrial Research a
8、nd Development Projects of Xian Science & Technology Bureau（ No.CXY1017（ 1）图 1 等离子切割机主电路拓扑第 45 卷第 7 期2011 年 7 月电力电子技术Power ElectronicsVol.45， No.7July 2011电力电子技术121第 45 卷第 7 期2011 年 7 月电力电子技术Power ElectronicsVol.45， No.7July 2011电力电子技术成本，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
9、 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 30100 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 低频引弧机理分析及算法实现3.1 传统的引弧方式一种好的引弧方法，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
10、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 150250 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2，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 低频引弧方式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
11、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 低频引弧过程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
12、：u（ k） =kpe（ k） +kikj = 0e（ j） +kde（ k） -e（ k-1 ） （1）由上式递推可得：u（ k-1） =kpe（ k-1） +kik-1j = 0e（ j） +kde（ k-1） -e（ k-2 ） （2）用式（ 1）减去式（ 2）可得到增量式 PID 为：u（ k） =Ae（ k） -（ kp+2kd） e（ k-1） +kde（ k-2）（ 3）式中： A=kp+ki+kd。故当前的控制量为：u（ k） =u（ k-1） +u（ k） （ 4）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
13、 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
14、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 控制器结构设计及软件流程4.1 DSP 软件功能设计设计基于 DSP2812 的主控制器，使用 C 语言图 2 引弧逻辑时序图 3 采用普通 PID 和改进型 PID 算法的实验波形图122进 行程序编写 。按照其工作原理，引弧过程如下：电源闸闭合，软启动结束后，检测引弧开关是否按下，当开关按下后判断气压是否正常 。若正常，使能引弧 IGBT 和半桥 IGBT 驱动，同时打开气阀使高压气流流向喷嘴，然后利用增量式 PID 算法进行引弧 。当检测到引弧失败后则自动关闭半桥管及引弧管驱动 。通过
15、上述分析可知，控制器电路由A/D 采样 、PWM 电路 、开入开出口及捕获口组成 。A/D 电路充当控制系统的反馈环节，其性能直接影响整个电源的可靠性和准确性3。由于 DSP2812的 A/D 采样电路精度不高，且采样频率不宜设计过高，所以基于系统的要求，此次设计中 ADS7864作为采样芯片，通过 DSP2812 外扩电路接口，将芯片内嵌到主控制板中4。ADS7864 为 6 通道的 12 位的 A/D 转换器，其最高采样频率可达 500 kHz。在软件上，通过设置标志位方法，将主要参数的采样频率扩大到 20 倍的次要参数采样频率，使资源得到合理应用 。采样到的数据通过递推平均值的数字滤波技
16、术，最终输入到反馈环节； PWM 电路是将 DSP 发出的 PWM 波进行隔离和放大，再经过驱动电路后加到 IGBT 的 GE 端；开入开出口实现割据安装检测 、启动按钮检测 、气阀控制 、上电检测等；捕获口主要实现过压保护 。综上所述， DSP 软件流程如图 4 所示 。4.2 双机通讯设计了带有摸屏的上位机系统，可方便地实现电源调试阶段的参数给定与监控 。由于数据传输量小， DSP 与触摸屏之间相互通信采用基于RTU 模式的 MODBUS 协议进行数据传输，便于快速实现，且可靠性高，完全可以满足系统要求 。协议中使用按字节查表的快速 CRC 算法校验串口数据，降低系统串口通信的误码率 。串
17、口传输的主要数据有：增量式 PID 参数的设定 、气压值 、温度及限值等数据 。5 实验结果对此次研制的切割电源进行 100 次引弧实验，成功率高达 99%，并用此对低碳钢 、不锈钢和铝进行了切割实验，切割实验条件为：三相输入电压为 380 V/50 Hz；三相输入电流为 20 A；等离子气体类型为空气 0.51 MPa；输出电压为 130170 V；输出电流为 30100 A。图 5a 为半桥上管驱动电压 uge1， uge2波形，图 5b为切割电压 Uo和切割电流 Io波形 。在 IGBT 驱动波形中，导通正基极电压为 15 V，关断基极电压为 -10 V，半桥开关频率为 18 kHz。逆
18、变输出波形为交流方波，其通过后级变压器隔离 、次级整流 、滤波电感等最终输出为稳定直流，最大值为 100 A。6 结 论设计基于 DSP2812 的逆变式非高频等离子切割电源，具有稳定性高 、功能强大 、操作灵活 、引弧成功率高等优点 。所采用的低频引弧技术，有效降低了传统高频引弧技术中的高电磁干扰 。采用改进的 PID 算法，能够有效解决低频引弧过程中电流断续的问题 。参考文献1 孔德杰，张光先，乔立强，等 .数控等离子切割技术在我国的现状与发展 J.电焊机， 2005， 35（ 1）： 36-38.2 雷 斌，刘雪峰 .TIG 焊程控接触引弧的实现 J.电焊机， 2002， 32（ 12）： 16-17.3 Adam T,Ajtonyi I,Toth F.High precision ACAC PowerSupplyunit Based on DSP Controlled PWM InverterA.Proceedings of the Power Conversion Conference-OsakaC.2002（ 3）： 11661169.4 陈天锦 ,姚为正 .基于 DSP 控制的逆变电源装置的研究 J.继电器 .2004， 31（ 7）： 3943.图 4 主程序流程图图 5 实验波形逆变式空气等离子切割机低频引弧技术的研究123
