CN103433607B - 一种数字化等离子切割机控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种数字化等离子切割机控制系统，包括均采用DSP作为控制中心，主电源控制器通过CAN总线与气体控制器、冷却器控制器通信连接；主电源控制器用于完成等离子切割电源系统流程控制与管理，状态过程的检测与故障诊断；气体控制器用于根据主电源控制器发送的指令控制等离子切割电源工作时所需的气体流向和气压，同时将这些信息反馈给主电源控制器进行监控；冷却器控制器用于控制离子切割机系统中冷却液的流量和温度，同时将这些信息反馈给主电源控制器进行状态监控。本发明通过主电源、气体系统、冷却系统之间的协调控制，实现整个等离子切割机控制系统的总体功能和优化处理，提高整个系统的运行效率。
Description
技术领域
本发明属于等离子弧切割设备技术领域，具体涉及一种数字化等离子切割电机控制系统。
背景技术
等离子切割技术是集数控技术，计算机软、硬件技术，等离子切割技术，精密机械技术于一体的高新技术。等离子切割在改善加工精度、节约材料、提高劳动生产率等方面显示出巨大的优势。等离子切割的质量与切割电流、切割速度、电弧电压、工作气体与流量和喷嘴高度等多种工艺参数相关，因此等离子切割机控制系统应具有多任务、实时性等特点。
目前等离子切割机多以中小功率为主，为了减小设备体积，大多采用集中式控制，由一个控制器完成电源、气体系统、冷却系统的协调控制。但集中式控制系统有其自身的局限性。等离子切割机集成了大量的传感器，如电流传感器、电压传感器、温度传感器、气压传感器、流量传感器等，输入输出通道数庞大，因此集中式控制必然面对接口复杂，控制器设计复杂的问题；等离子切割电源在切割时产生的电磁干扰非常大，严重影响了控制系统可靠性工作，集中式控制不利于提高系统的电磁兼容性；等离子切割机由电源系统、气体控制系统、冷却控制系统等多个子系统组成，集中式控制并不适用于模块化开发。等离子切割机切割时会产生大量的工件残渣、粉尘、废水、废气，这些污染物对控制器可靠性工作影响很大，集中式控制不利于对控制器进行有效防护。
传统等离子切割机的控制回路是由无源或有源器件组成的模拟系统。模拟控制系统最大的缺点是进行复杂处理的能力有限、元器件数量多，并且控制器的参数由电阻、电容等分立元件的参数决定，控制器的调试复杂、灵活性差。同时电阻、电容的参数分布影响控制器的一致性，参数的稳定性差，如温度漂移影响控制器的稳定性。
发明内容
本发明提供了一种数字化等离子切割机控制系统，目的在于克服集中式控制的缺点，能够降低系统接线复杂性，实现模块化开发，提高了系统的处理速度和可靠性，同时采用高性能的数字信号处理(DSP)芯片，精确控制，简化设计，实现实时切割过程控制、监控和诊断工作过程。
本发明提供的一种数字化等离子切割机控制系统，包括均采用DSP作为控制中心的主电源控制器、气体控制器和冷却器控制器；
主电源控制器通过CAN总线与气体控制器、冷却器控制器通信连接；
主电源控制器用于完成等离子切割电源系统流程控制与管理，状态过程的检测与故障诊断；
气体控制器用于根据主电源控制器发送的指令控制等离子切割电源工作时所需的气体流向和气压，同时将这些信息反馈给主电源控制器进行监控；
冷却器控制器用于控制离子切割机系统中冷却液的流量和温度，同时将这些信息反馈给主电源控制器进行状态监控。
作为上述技术方案的改进，所述的主电源控制器包括第一DSP，第一PWM信号电路，电流信号采样电路，继电控制电路，第一CAN通信电路和串口通信电路；所述第一DSP分别与第一PWM信号电路，电流信号采样电路，继电控制电路，第一CAN通信电路和串口通信电路电信号连接；所述第一PWM信号电路输出高频PWM驱动信号控制主电源的功率开关模块，所述电流信号采样电路采集功率开关模块的输出电流信号；第一DSP将功率开关模块的输出电流信号与用户设定的指令信号比较，经过闭环控制算法输出到第一PWM信号电路，通过控制功率开关模块中开关管的导通和关断，完成系统的闭环电流控制；同时当采集功率开关模块的输出电流过大时关闭第一PWM信号电路输出，实现保护控制；继电控制电路控制主电源的高频引弧电路，用于击穿工件和割炬之间的气隙，点燃等离子弧；第一CAN通信电路与气体控制器和冷却器控制器相连接，实现各部件的信息交换；串口通信电路用于与数控机床相连接，实现等离子切割的自动化控制。
作为上述技术方案的进一步改进，所述气体控制器包括第二DSP，电磁阀控制电路，气压信号采样电路和第二CAN通信电路；第二DSP分别与电磁阀控制电路，气压信号采样电路和第二CAN通信电路电信号连接；电磁阀控制电路用于与电磁阀相连，用于控制等离子切割电源工作中所需的气体流向和气压；第二DSP通过CAN总线接收主电源控制器发送过来的气体状态信息，然后根据气体状态信息控制相应的电磁阀，实现等离子切割过程中所需气体的流向和气压；同时通过CAN总线将气压信号采样电路采集的气压值传给主电源控制器进行监控。
作为上述技术方案的更进一步改进，所述冷却器控制器包括第三DSP，水泵控制电路，水温流量信号采样电路和第三CAN通信电路；第三DSP与水泵控制电路，水温流量信号采样电路和第三CAN通信电路相连接；水泵控制电路与微型水泵相连，第三DSP通过水泵控制电路实现等离子切割电源中冷却水循环，冷却切割过程中的割炬；同时CAN总线将水温和流量信号传给主电源控制器进行监控。
本发明是一种可靠性高、配置灵活、易于维护的数字化等离子切割机控制系统，该系统通过主电源、气体系统、冷却系统之间的协调控制，实现整个等离子切割机控制系统的总体功能和优化处理，提高整个系统的运行效率。具体而言，本发明具有以下技术效果：
(1)等离子切割电源系统采用主电源控制器集中管理，主电源控制器、气体控制器和冷却器控制器分散控制，改善了控制的可靠性，不会由于个别控制回路发生故障而影响全局，提高了控制系统的反应速度和控制精确度。而且在结构上更加灵活、布局更为合理，便于各部分分别升级与修改，降低成本。
(2)采用数字信号处理器，体积小、成本低、功耗低，通过处理器的精确运算来控制切割的各项性能及工作全过程，控制电路高度集成、简化，控制性能得到了很大的提高，产品一致性好。
(3)采用CAN总线通信技术，线束简单，可靠性高，抗干扰性强，传输效率高。
附图说明
图1为本发明实例一种数字化等离子切割电源系统的控制系统的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明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发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明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。
如图1所示，本发明实例提供的数字化等离子切割机控制系统，主要由主电源控制器10、气体控制器20和冷却器控制器30组成。
各控制器均采用具有信号处理能力强、实时性好、计算精度高的DSP作为控制中心。
主电源控制器10通过具备同步和容错机制的CAN总线与气体控制器20、冷却器控制器30等辅助系统之间实现高速、可靠、实时和灵活的数据通信，完成全数字化高精度控制。
所述主电源控制器10一般还与数控机床相连，实现工件的工业自动化切割。数控机床根据切割工艺选择相关的参数通过串口通信发送给主电源控制器10。主电源控制器10主要负责等离子切割电源中功率电路的控制，通过CAN总线与气体控制器20和冷却器控制器30进行信息交互，实现等离子切割电源输出电流和气体状态的精确配合，实现高精度的精细切割。
采用TI公司的DSP作为控制器的核心，该芯片具有指令执行速度快、大部分指令都可以在单周期内执行完毕的优点。还具有非常强大的片内I/O端口和A/D模数转换器、CAN总线接口、串行通信接口等外围设备，可以简化外围电路设计，降低系统成本。
主电源控制器10通过CAN总线与气体控制器20、冷却器控制器30相连构成数字化等离子切割机的CAN网络。网络中各自独立的DSP处理系统之间可实现可靠的数据通信和实时、高效的任务调度。本发明的CAN通信符合CAN2.0扩展格式，波特率为250KB/s。
主电源控制器10采用TI公司的TMS320LF28335芯片，它是专门针对控制领域应用的DSP，具有高速信号处理和数字控制功能所必需的体系结构，其指令执行速度高达150MIPS且绝大部分的指令都可以在一个6.7ns的单周期内执行完毕。另外，它还具有非常强大的片内I/O端口和其它外围设备，可以简化外围电路设计，降低系统成本。
外围电路包括PWM信号电路101，电流信号采样电路102，继电控制电路103，CAN通信电路104和串口通信电路105。PWM信号电路101与DSP的ePWM外设接口相连，将DSP输出的高频PWM驱动信号进行电平转换后输出到功率开关模块11，对功率开关模块11中的开关管进行控制。
电流信号采样电路102与DSP的A/D转换外设接口相连，将功率开关模块中电流霍尔检测到的输出电流信号转换为0～3.3V电压后送入到DSP的A/D转换外设接口。
DSP将反馈的输出电流信号与给定指令信号比较，经过闭环控制算法输出到PWM信号电路，通过控制功率开关模块11的开关管的导通和关断，完成系统的闭环电流控制。同时当采集到斩波模块11的输出电流过大时关闭PWM信号电路101输出，实现保护控制。
继电控制电路103与DSP的通用I/O接口相连，控制等离子切割电源的高频引弧电路模块12，在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。
CAN通信电路104与DSP的eCAN外设接口相连，同时与气体控制器的CAN通信电路203和冷却器控制器的CAN通信电路303相连接，实现各部件的信息交换。
串口通信电路105与DSP的SCI外设接口相连，将SCI外设输出信号转换为RS485电平形式后与数控机床相连接，接收数控机床发送过来的指令信号，同时将各种状态信息反馈给数控机床，实现等离子切割的自动化控制。
气体控制器20的任务相对主电源更简单，因此气体控制器采用TI公司的TMS320LF2808芯片，相比TMS320LF28335芯片，前者体积小、成本低、功耗低，同时能满足气体控制的需要。
外围电路包括电磁阀控制电路201，气压信号采样电路202和CAN通信电路203相互连接组成。电磁阀控制电路201与DSP的通用I/O接口相连，DSP通过控制电磁阀的通断来控制等离子切割过程中气体的气压和流向。气压信号采样电路202与DSP的A/D转换外设接口相连，将气压传感器检测到的气压信号转换为0～3.3V电压后送入到DSP的A/D转换外设接口。CAN通信电路203与DSP的eCAN外设接口相连，接收主电源控制器发送过来的气体状态信息，然后根据气体状态信息通过电磁阀控制电路控制相应的电磁阀，实现所需气体的气压和流向。同时通过CAN总线将气压信号采样电路采集的气压值反馈给主电源控制器进行监控。
冷却器控制器30采用TI公司的TMS320LF2808芯片，外围电路包括水泵控制电路301，水温流量信号采样电路302和CAN通信电路303相互连接组成。水泵控制电路301与DSP的通用I/O接口相连，DSP通过控制水泵的转速来控制冷却水的循环流量，实现冷却切割中的割炬。水温流量信号采样电路302与DSP的A/D转换外设接口相连，将水温传感器检测到的温度信号和流量传感器检测到的流量信号转换为0～3.3V电压后送入到DSP的A/D转换外设接口。CAN通信电路303与DSP的eCAN外设接口相连，接收主电源控制器发送过来的水泵转速信息，同时将水温和流量信息反馈给主电源控制器进行监控。
整个数字化等离子切割机控制系统的主要工作过程如下：
(1)设置
数控机床根据切割工艺参数通过主电源控制器10的串口通信电路105将预流和切割时所用气体类型和对应的气压值发送给主电源控制器10，同时将等离子切割电源的输出电流值也发送给主电源控制器10。
(2)自检
主电源控制器10将预流时所用气体类型和对应的气压值通过CAN总线发送给气体控制器20，气体控制器20打开相应的气体开关阀22，根据主电源控制器10发送来的气压值调节气压调节阀21达到给定的气压值，并通过CAN总线将气压传感器23检测到的气压值传输给主电源控制器10进行实时监控。
主电源控制器10将微型水泵33的转速通过CAN总线发送给冷却器控制器30，冷却器控制器30控制微型水泵33工作，冷却水开始循环，并通过CAN总线将水温流量传感器32检测到的水温值和流量值传输给主电源控制器10进行实时监控。
主电源控制器10上的DSP进行功率开关模块自检，PWM信号电路101向功率开关模块发送驱动脉冲，电流信号采样电路102通过电流霍尔互感器检测到的电流值应该在系统设定范围内。
(3)切割
主电源控制器10将切割时的气体气压值通过CAN总线发送给气体控制器20，气体控制器20根据主电源控制器发送来的气压值调节气压调节阀21达到给定的气压值，并通过CAN总线将气压值传输给主电源控制器10进行实时监控。
主电源控制器10的继电控制电路103控制高频引弧电路12，产生高频高压脉冲信号，击穿工件和割炬之间的气隙，点燃等离子弧。
主电源控制器10的PWM信号电路101输出高频PWM驱动信号对功率斩波模块的输出电流进行闭环控制。
(4)结束
切割完成后，主电源控制器10对功率开关模块进行闭环控制，将输出电流降为0，主电源控制器10通过CAN总线发送关闭气体开关阀命令给气体控制器20，关闭切割气体。
30分钟后，如果没有切割任务，主电源控制器10通过CAN总线发送关闭微型水泵33命令给冷却器控制器30。冷却器控制器30通过水泵控制电路301关闭水泵。
本发明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发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。
Claims (3)
1.一种数字化等离子切割机控制系统，包括均采用DSP作为控制中心的主电源控制器(10)、气体控制器(20)和冷却器控制器(30)；
主电源控制器(10)通过CAN总线与气体控制器(20)、冷却器控制器(30)通信连接；
主电源控制器(10)用于完成等离子切割电源系统流程控制与管理，状态过程的检测与故障诊断；
气体控制器(20)用于根据主电源控制器(10)发送的指令控制等离子切割电源工作时所需的气体流向和气压，同时将这些信息反馈给主电源控制器(10)进行监控；
冷却器控制器(30)用于控制离子切割机系统中冷却液的流量和温度，同时将这些信息反馈给主电源控制器(10)进行状态监控；
所述的主电源控制器(10)包括第一DSP(100)，第一PWM信号电路(101)，电流信号采样电路(102)，继电控制电路(103)，第一CAN通信电路(104)和串口通信电路(105)；
所述第一DSP(100)分别与第一PWM信号电路(101)，电流信号采样电路(102)，继电控制电路(103)，第一CAN通信电路(104)和串口通信电路(105)电信号连接；所述第一PWM信号电路(101)输出高频PWM驱动信号控制主电源的功率开关模块，所述电流信号采样电路(102)采集功率开关模块的输出电流信号；第一DSP(100)将功率开关模块的输出电流信号与用户设定的指令信号比较，经过闭环控制算法输出到第一PWM信号电路(101)，通过控制功率开关模块中开关管的导通和关断，完成系统的闭环电流控制；同时当采集功率开关模块的输出电流过大时关闭第一PWM信号电路(101)输出，实现保护控制；继电控制电路(103)控制主电源的高频引弧电路，用于击穿工件和割炬之间的气隙，点燃等离子弧；第一CAN通信电路(104)与气体控制器(20)和冷却器控制器(30)相连接，实现各部件的信息交换；串口通信电路(105)用于与数控机床相连接，实现等离子切割的自动化控制。
2.根据权利要求1所述的数字化等离子切割机控制系统，其特征在于，所述气体控制器(20)包括第二DSP(200)，电磁阀控制电路(201)，气压信号采样电路(202)和第二CAN通信电路(203)；第二DSP(200)分别与电磁阀控制电路(201)，气压信号采样电路(202)和第二CAN通信电路(203)电信号连接；
电磁阀控制电路(201)用于与电磁阀相连，用于控制等离子切割电源工作中所需的气体流向和气压；
第二DSP(200)通过CAN总线接收主电源控制器(10)发送过来的气体状态信息，然后根据气体状态信息控制相应的电磁阀，实现等离子切割过程中所需气体的流向和气压；同时通过CAN总线将气压信号采样电路(202)采集的气压值传给主电源控制器(10)进行监控。
3.根据权利要求1或2所述的数字化等离子切割机控制系统，其特征在于，所述冷却器控制器(30)包括第三DSP(300)，水泵控制电路(301)，水温流量信号采样电路(302)和第三CAN通信电路(303)；第三DSP(300)与水泵控制电路(301)，水温流量信号采样电路(302)和第三CAN通信电路(303)相连接；水泵控制电路(301)与微型水泵相连，第三DSP(300)通过水泵控制电路(301)实现等离子切割电源中冷却水循环，冷却切割过程中的割炬；同时CAN总线将水温和流量信号传给主电源控制器(10)进行监控。
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