CN103551716A - 全数字强功率等离子弧精细化切割系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种全数字强功率等离子弧精细化切割系统，该系统包括功率电路、控制电路、高频引弧模块、耦合电抗模块、等离子弧切割枪、冷却系统、压缩空气系统以及切割行走机构；高频引弧模块、耦合电抗模块和等离子弧切割枪依次连接；控制电路分别与三相交流输入电源、功率电路、高频引弧模块连接；冷却系统、压缩空气系统和切割行走机构的输入端均与控制电路连接，输出端均与等离子弧切割枪连接；功率电路的一端与三相交流输入电源连接，另一端与耦合电抗模块连接。本发明实现了功率增强、电能高效变换和可靠传递，并在该系统中引入全数字控制技术和基于“ARM+RA8875+触摸屏”结构的可视化人机交互技术，提高了该系统的控制精度和可操作性。
Description
技术领域
本发明涉及高频逆变技术领域，更具体地说，涉及一种全数字强功率等离子弧精细化切割系统。
背景技术
目前，在等离子弧切割领域中，逆变式等离子切割系统已成为主流方向。但是目前的等离子切割系统功率较小，切割电流一般在100A以内，其控制系统主要由模拟电路加少量的集成电路来实现，导致产生分立元件多，电路复杂，受噪声、温度、器件老化等因素，从而对等离子切割系统的影响较大。再加上现有的等离子切割系统的固有元件参数漂移，导致采用现有切割系统的产品的一致性较差，切割工艺过程的控制不够精细。
此外，目前的逆变式等离子弧切割系统的人机交互功能较弱，其操作界面主要由数码管和开关按钮构成，可显示的工艺参数和状态信息也非常有限，参数设置精度也不够高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种体积小、重量轻、效率高、控制精度高、产品可靠性高和人机交互性好的全数字强功率等离子弧精细化切割系统；该切割系统由于采用了数字化控制，易于实现较复杂的控制算法，其工艺性能好，采用该切割系统的产品的可扩展性也更好。
为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种全数字强功率等离子弧精细化切割系统，其特征在于：其输入端与三相交流输入电源连接；包括功率电路、控制电路、高频引弧模块、耦合电抗模块、等离子弧切割枪、冷却系统、压缩空气系统以及切割行走机构；所述高频引弧模块、耦合电抗模块和等离子弧切割枪依次连接；所述控制电路分别与三相交流输入电源、功率电路、高频引弧模块连接；所述冷却系统、压缩空气系统和切割行走机构的输入端均与控制电路连接，输出端均与等离子弧切割枪连接；所述功率电路的一端与三相交流输入电源连接，另一端与耦合电抗模块连接。
所述功率电路由两组结构相同的功率模块一和功率模块二并联而成；所述功率模块一和功率模块二均由整流滤波模块、软启动模块、高频逆变模块、功率变压模块和整流平滑模块依次连接组成。
所述功率电路的一端与三相交流输入电源连接，另一端与耦合电抗模块连接是指功率模块一和功率模块二中的整流滤波模块与三相交流输入电源连接，整流平滑模块与耦合电抗模块连接；所述控制电路分别与功率模块一和功率模块二中的软启动模块连接。
所述高频逆变模块采用半桥逆变拓扑结构或全桥逆变拓扑结构；所述高频逆变模块采用软开关工作模式或者硬开关工作模式实现功率换流。本发明的高频逆变模块可根据实际功率输出的要求，采用半桥逆变拓扑结构或全桥逆变拓扑结构，其功率换流既可以采用软开关模式，也可以采用硬开关模式。
所述控制电路包括ARM最小系统；依次连接的峰值电流检测模块一、脉宽调制模块一和高频驱动模块一；依次连接的峰值电流检测模块二、脉宽调制模块二和高频驱动模块二；分别与ARM最小系统连接的故障检测模块、可视化人机交互模块、通信模块和继电器控制模块；电流电压检测模块一以及电流电压检测模块二；
其中，所述脉宽调制模块一和脉宽调制模块二均与ARM最小系统连接；所述高频驱动模块一与功率模块一连接，功率模块一与峰值电流检测模块一连接，同时功率模块一通过电流电压检测模块一与ARM最小系统连接；所述高频驱动模块二与功率模块二连接，功率模块二与峰值电流检测模块二连接，同时功率模块二通过电流电压检测模块二与ARM最小系统连接。
所述继电器控制模块分别与高频引弧模块、冷却系统、压缩空气系统以及切割行走机构连接，以实现控制高频引弧模块、冷却系统、压缩空气系统以及切割行走机构的工作。
所述高频驱动模块一与功率模块一的高频逆变模块连接，功率模块一的功率变压模块与峰值电流检测模块一连接，同时功率模块一的整流平滑模块通过电流电压检测模块一与ARM最小系统连接，用于将功率模块一的电流电压信号通过电流电压检测模块一反馈到ARM最小系统；所述高频驱动模块二与功率模块二的高频逆变模块连接，功率模块二的功率变压模块与峰值电流检测模块二连接，同时功率模块二的整流平滑模块通过电流电压检测模块二与ARM最小系统连接，用于将功率模块二的电流电压信号通过电流电压检测模块二反馈到ARM最小系统。
所述ARM最小系统由型号为TM4C123GH6PGE的ARM芯片、芯片供电电源、ADC供电电源、晶振振荡电路、复位电路以及JTAG调制接口通过外围电路连接组成。本发明的ARM最小系统主要嵌入了基于FreeRTOS实时内核的等离子弧切割工艺程序的SOC级Cortex-M4内核ARM芯片TM4C123GH6PGE。
所述可视化人机交互模块包括ARM微控制系统，分别与ARM微控制系统连接的RA8875驱动电路、供电模块、通信接口电路、SD卡存储接口电路和USB接口电路，以及显示模块；所述显示模块为触摸屏并与RA8875驱动电路连接。本发明的可视化人机交互模块具备“ARM+RA8875+触摸屏”的结构。
本发明的技术原理为：系统上电之后，三相380V交流电经整流滤波模块的全桥整流滤波形成直流电；在启动瞬间，由控制电路控制软启动模块工作，使得电流缓慢上升，减少电流冲击，提高系统的可靠性；然后通过高频逆变模块转换成20k Hz以上的高频交流脉冲，经高频降压后由快速恢复整流管整流、电抗器滤波后，输出适合切割用的直流电。控制电路控制高频引弧模块工作，引燃等离子弧，然后控制电路采样功率电路输出的电流电压值，经过数字化处理之后输出相应占空比的PWM脉宽调制信号，经过驱动隔离之后驱动功率电路高频逆变桥的IGBT功率开关，控制IGBT的开通和关断时间，从而形成闭环控制，实现切割系统输出功率和特性的调节。一方面，高频逆变技术大幅度提高了电源的工作频率，使得电源中的主变压器的体积、重量得到大幅度地减小；由于功率器件工作于高频开关状态，变压器等磁性器件可以采用铁损很小的磁芯材料，效率很高；主电路中存在电容，功率因数得到提高；由于工作频率高，主电路中的滤波电感值小，回路时间常数小，易于获得良好的动特性，反应更灵敏；另一方面，采用基于ARM的先进控制电路，实现脉宽调制信号、相关反馈信息以及切割工艺流程的数字化控制，参数预置、显示以及状态信息均由控制电路的可视化人机交互模块来完成，进一步提高了系统的控制精度和柔性。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：
1、本发明采用基于M4内核的SOC级ARM微处理器实现了大功率等离子弧切割系统的全数字控制，控制精度高，系统响应速度快，产品一致性更好。
2、本发明采用了基于“ARM+RA8875+触摸屏”结构的可视化人机交互系统，人机交互更为友好，参数设置更为精确，状态显示直观，操作便利，更加人性化。
3、本发明采用高频逆变型功率电路通过模块式结构实现功率增强、电能的高效变换和可靠传递，可将逆变式等离子弧切割系统的切割电流提高到500A级以上，整机高效节能，结构灵活，动态性能好，体积小巧，使得等离子弧切割系统的整体性能发生了质的飞跃。
附图说明
图1是本发明的系统结构框图；
图2是本发明的控制电路原理框图；
图3是本发明的功率模块原理图；
图4是本发明的ARM最小系统原理图；
图5是本发明的可视化人机交互系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。
实施例
本发明所述全数字强功率等离子弧精细化切割系统，如图1所示，主要包括由功率模块一100和功率模块二200并联而成的功率电路、控制电路300、高频引弧模块400、耦合电抗模块500、等离子弧切割枪600、冷却系统700、压缩空气系统800以及切割行走机构900。功率模块一100和功率模块二200的结构相同，分别由整流滤波模块101和201、软启动模块102和202、高频逆变模块103和203、功率变压模块104和204，整流平滑模块105和205依次连接组成。其中，整流滤波模块101和201外接三相交流输入电源，整流平滑模块105和205外接耦合电抗模块。控制电路300与功率模块一100和功率模块二200中的软启动模块102和202连接。高频逆变模块103和203可以根据实际功率输出的要求，采用半桥逆变拓扑结构或全桥逆变拓扑结构，并采用软开关工作模式或者硬开关工作模式实现功率换流。
高频引弧模块400、耦合电抗模块500和等离子弧切割枪600依次连接，控制电路300分别与三相交流输入电源、功率模块一100、功率模块二200、高频引弧模块400连接；冷却系统700、压缩空气系统800和切割行走机构900的输入端均与控制电路300连接，输出端均与等离子弧切割枪600连接。
如图2所示，控制电路包括ARM最小系统3020，依次连接的峰值电流检测模块一3051、脉宽调制模块一3041和高频驱动模块一3061，依次连接的峰值电流检测模块二3052、脉宽调制模块二3042和高频驱动模块二3062，分别与ARM最小系统3020连接的故障检测模块3090，主要用于过压欠压检测以及过热检测；可视化人机交互模块3030；通信模块3080和继电器控制模块3070；电流电压检测模块一3011以及电流电压检测模块二3012。其中，脉宽调制模块一3041和脉宽调制模块二3042均与ARM最小系统3020连接，用于接受ARM最小系统3020产生的给定信号。高频驱动模块一3061与功率模块一100的高频逆变模块连接，功率模块一100的功率变压模块与峰值电流检测模块一3051连接，同时功率模块一100的整流平滑模块105通过电流电压检测模块一3011与ARM最小系统3020连接，用于将功率模块一100的电流电压信号通过电流电压检测模块一3011反馈到ARM最小系统3020；高频驱动模块二3062与功率模块二200的高频逆变模块连接，功率模块二200的功率变压模块与峰值电流检测模块二3052连接，同时功率模块二200的整流平滑模块205通过电流电压检测模块二3012与ARM最小系统3020连接，用于将功率模块二200的电流电压信号通过电流电压检测模块二3012反馈到ARM最小系统3020。继电器控制模块3070分别与高频引弧模块、冷却系统、压缩空气系统以及切割行走机构连接，以实现控制高频引弧模块、冷却系统、压缩空气系统以及切割行走机构的工作。
功率电路包括两个结构相同的功率模块一100和功率模块二200，可以根据功率需求采用半桥拓扑结构或者全桥拓扑结构。其中，采用全桥拓扑结构的工作原理如图3所示，三相交流输入电源连接整流滤波模块101中的整流桥BR1，然后连接滤波环节L1、C5～C8，再连接到软启动模块102，然后接入到高频逆变模块103的逆变桥VT1-VT4、C11～C14、R5～R8。高频逆变模块103的输出连接功率变压模块104的高频功率变压器T1初级，变压器T1的次级通过整流平滑模块105的整流电路D1～D3、滤波环节L2、C9～C10、C15～C16、R1～R2、R9后输出直流电，以上环节构成功率电路。高频逆变模块103可根据实际功率输出情况，采用包括TR1和TR2两个逆变桥臂的全桥拓扑，每个桥臂均包含两个单元的IGBT。
如图4所示，ARM最小系统主要由SOC级的Cortex-M4内核ARM芯片U2-TM4C123GH6PGE、芯片供电电源U1、ADC供电电源U3、晶振振荡电路（Y1、C25-26）、复位电路以及JTAG调制接口通过外围辅助电路互相连接组成。3V稳压源U1主要为TM4C123GH6PGE的AD模块提供参考电压。JTAG调制接口主要实现调试功能。TM4C123GH6PGE为整个控制电路的中央处理器，是数字化控制的核心。在TM4C123GH6PGE芯片内嵌入了基于FreeRTOS实时内核的等离子弧切割工艺程序，能够完成输出参数和动态特性的数字化调节；能够完成各种状态信息的监测以及状态显示；还能通过控制继电器模块完成压缩空气系统、冷却系统、高频引弧模块以及切割行走机构辅助装置的动作；此外，还能通过通信接口与可视化人机交互模块进行数据通讯。本发明ARM最小系统中的TM4C123GH6PGE的多路GPIO口分别与脉宽调制模块一3041、脉宽调制模块二3042、故障检测模块3090、可视化人机交互模块3030和继电器控制模块3070相连；TM4C123GH6PGE的ADC接口分别与电流电压检测模块一3011以及电流电压检测模块二3012相连；TM4C123GH6PGE的CAN接口和UART接口均与通信模块3080相连。
如图5所示，可视化人机交互系统基于“ARM+RA8875+触摸屏”结构，主要包括SOC级Cortex-M3内核ARM芯片LM3S9B96的ARM微控制系统3031，分别与ARM微控制系统3031连接的RA8875驱动电路3032、USB接口电路3036、SD卡存储接口电路3037、通信接口电路3035和供电模块3034，以及TFT LCD显示模块AT070TN92电路3033。其中，ARM微控制系统3031为控制核心，显示模块AT070TN92电路3033为可视化人机交互系统的液晶彩色触摸屏并与驱动电路3032连接，驱动电路3032的RA8875为3033提供驱动。为提高系统的可扩展性，通信接口电路3035系统带有丰富的通信接口，包括RS232/485，CAN BUS等。
应用本发明的全数字强功率等离子弧精细化切割系统时，三相工频交流电分别经过整流滤波模块101和201之后成为平滑直流电，然后分别经过软启动模块102和202，然后分别进入高频逆变模块103和203；此时，控制电路300的ARM最小系统3020通过通信模块3080接收可视化人机交互系统3030的设定值，并采样电流电压检测模块3011和3012反馈的电流电压信号，在ARM最小系统3020内将采样值与给定值进行比较，按照嵌入在ARM最小系统3020芯片TM4C123GH6PGE内的切割工艺控制算法进行数字运算，获得期望的PWM信号，并传递给脉宽调制模块3041和3042。然后分别经高频驱动模块3061和3062隔离放大之后，驱动高频逆变模块103和203的功率开关管的开关和导通，获得合适占空比的高频交流方波脉冲，再分别经过整流平滑模块105和205得到平滑的直流电，两组功率模块的并联输出电流流入耦合电抗500，然后进入到等离子弧切割枪600。准备切割时，ARM最小系统3020通过继电器控制模块3070来分别控制高频引弧模块400、冷却系统700、压缩空气系统800以及切割行走机构900的工作。高频引弧模块400启动，通过高频高压脉冲引燃等离子弧；在引弧成功后，ARM最小系统3020通过继电器控制模块3070关闭高频引弧模块400，并根据嵌入在TM4C123GH6PGE内的切割工艺程序自动将等离子弧切割枪转入切割流程。为提高切割过程功率模块的保护效果，峰值电流检测模块3051和3052分别实时采集功率变压模块104和204的变压器原边电流值，并将该采样信号分别输入到脉宽调制模块3041和3042，与设定的门槛值进行比较，一旦采集到的变压器原边电流值超过了门槛值，脉宽调制模块3041和3042就会封锁PWM信号的输出，迅速关闭高频驱动模块3061和3062，确保功率开关管的安全。此外，故障检测模块3090一方面实时监测三相工频电压，把检测到的电压信号与预设的门槛电压进行比较，另一方面检测切割系统的温升情况，一旦出现过压、欠压以及过热的情况，故障检测模块3090将给ARM最小系统3020发送一个中断信号，促使ARM最小系统3020关断PWM输出，保护主电路的工作安全。最后，在切割系统合闸上电时，控制电路300控制软启动模块102和202工作，在系统稳定后，软启动模块的开关Sss闭合，这样可以控制输入电流的上升速度，避免较大的电流冲击，进一步提高系统的安全性和可靠性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种全数字强功率等离子弧精细化切割系统，其特征在于：其输入端与三相交流输入电源连接；包括功率电路、控制电路、高频引弧模块、耦合电抗模块、等离子弧切割枪、冷却系统、压缩空气系统以及切割行走机构；所述高频引弧模块、耦合电抗模块和等离子弧切割枪依次连接；所述控制电路分别与三相交流输入电源、功率电路、高频引弧模块连接；所述冷却系统、压缩空气系统和切割行走机构的输入端均与控制电路连接，输出端均与等离子弧切割枪连接；所述功率电路的一端与三相交流输入电源连接，另一端与耦合电抗模块连接。
2.根据权利要求1所述的全数字强功率等离子弧精细化切割系统，其特征在于：所述功率电路由两组结构相同的功率模块一和功率模块二并联而成；所述功率模块一和功率模块二均由整流滤波模块、软启动模块、高频逆变模块、功率变压模块和整流平滑模块依次连接组成。
3.根据权利要求2所述的全数字强功率等离子弧精细化切割系统，其特征在于：所述功率电路的一端与三相交流输入电源连接，另一端与耦合电抗模块连接是指功率模块一和功率模块二中的整流滤波模块与三相交流输入电源连接，整流平滑模块与耦合电抗模块连接；所述控制电路分别与功率模块一和功率模块二中的软启动模块连接。
4.根据权利要求2所述的全数字强功率等离子弧精细化切割系统，其特征在于：所述高频逆变模块采用半桥逆变拓扑结构或全桥逆变拓扑结构；所述高频逆变模块采用软开关工作模式或者硬开关工作模式实现功率换流。
5.根据权利要求2所述的全数字强功率等离子弧精细化切割系统，其特征在于：所述控制电路包括ARM最小系统；依次连接的峰值电流检测模块一、脉宽调制模块一和高频驱动模块一；依次连接的峰值电流检测模块二、脉宽调制模块二和高频驱动模块二；分别与ARM最小系统连接的故障检测模块、可视化人机交互模块、通信模块和继电器控制模块；电流电压检测模块一以及电流电压检测模块二；
其中，所述脉宽调制模块一和脉宽调制模块二均与ARM最小系统连接；所述高频驱动模块一与功率模块一连接，功率模块一与峰值电流检测模块一连接，同时功率模块一通过电流电压检测模块一与ARM最小系统连接；所述高频驱动模块二与功率模块二连接，功率模块二与峰值电流检测模块二连接，同时功率模块二通过电流电压检测模块二与ARM最小系统连接。
6.根据权利要求5所述的全数字强功率等离子弧精细化切割系统，其特征在于：所述继电器控制模块分别与高频引弧模块、冷却系统、压缩空气系统以及切割行走机构连接，以实现控制高频引弧模块、冷却系统、压缩空气系统以及切割行走机构的工作。
7.根据权利要求5所述的全数字强功率等离子弧精细化切割系统，其特征在于：所述高频驱动模块一与功率模块一的高频逆变模块连接，功率模块一的功率变压模块与峰值电流检测模块一连接，同时功率模块一的整流平滑模块通过电流电压检测模块一与ARM最小系统连接，用于将功率模块一的电流电压信号通过电流电压检测模块一反馈到ARM最小系统；所述高频驱动模块二与功率模块二的高频逆变模块连接，功率模块二的功率变压模块与峰值电流检测模块二连接，同时功率模块二的整流平滑模块通过电流电压检测模块二与ARM最小系统连接，用于将功率模块二的电流电压信号通过电流电压检测模块二反馈到ARM最小系统。
8.根据权利要求5所述的全数字强功率等离子弧精细化切割系统，其特征在于：所述ARM最小系统由型号为TM4C123GH6PGE的ARM芯片、芯片供电电源、ADC供电电源、晶振振荡电路、复位电路以及JTAG调制接口通过外围电路连接组成。
9.根据权利要求5所述的全数字强功率等离子弧精细化切割系统，其特征在于：所述可视化人机交互模块包括ARM微控制系统，分别与ARM微控制系统连接的RA8875驱动电路、供电模块、通信接口电路、SD卡存储接口电路和USB接口电路，以及显示模块；所述显示模块为触摸屏并与RA8875驱动电路连接。
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