CN105618911A - 逆变等离子切割机及其引弧阶段的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种逆变等离子切割机。其包括控制器和功率开关器件，所述控制器通过驱动电路控制功率开关器件，所述控制器包括：获取单元，用于获取与切割条件相关的信息；运算单元，用于根据所述信息与所述功率开关器件开通的占空比之间的对应关系以及获取到的所述信息，计算所述功率开关器件开通的所述占空比；以及控制单元，其用于根据所述运算单元计算的所述占空比，控制所述功率开关器件的开通量。其能够有效保证引导电弧回路的稳定性、可靠性，提高引弧成功率，并降低逆变等离子切割机的成本。

Description

逆变等离子切割机及其引弧阶段的控制方法

[技术领域]

本发明涉及焊接、切割领域，尤其涉及一种逆变等离子切割机及其引弧阶段的控制方法。

[背景技术]

等离子切割机因其切割速度快、切割效果好并且能够应对各种氧气切割难以切割的金属，而广泛应用于汽车、钢铁等制造业中。近年来，随着半导体功率开关器件(IGBT)技术的发展，逆变等离子切割机得以普及，其具有体积小、重量轻、高效节能等优点。此外，逆变等离子切割机采用控制器(MCU、DSP)通过PWM(脉宽调制)、移相或者有限双极性等技术来控制IGBT的导通，因此还具有控制灵活，切割精度高的优点。

但是，目前的逆变等离子切割机均未对引弧阶段的引导电弧的能量进行控制。而电极中的铪丝消耗最大就是在引弧阶段，引导电弧能量过大则会造成引导电弧回路部件可靠性下降，同时电极、割嘴的寿命缩短。

因此，为了提高引导电弧回路的稳定性和可靠性，通常是增加引导电弧回路中的限流功率电阻R的功率和继电器CR的容量(参见图5)。但是增大限流功率电阻R的功率和继电器CR的容量，会造成切割机体积变大，同时使得成本上升。此外，过大的限流功率电阻阻值会降低引弧成功率。

[发明内容]

[技术问题]

本发明旨在针对现有技术中的问题，提供一种逆变等离子切割机及其控制方法。其能够对引导电弧的能量进行控制，从而有效保证引导电弧回路的稳定性、可靠性，提高引弧成功率，并降低逆变等离子切割机的成本。

[解决方案]

本发明还提供一种逆变等离子切割机，其包括控制器和功率开关器件，所述控制器通过驱动电路控制功率开关器件。其特征在于，所述控制器包括：获取单元，用于获取与切割条件相关的信息；运算单元，用于根据所述信息与所述功率开关器件开通的占空比之间的对应关系以及获取到的所述信息，计算所述功率开关器件开通的所述占空比；以及控制单元，其用于根据所述运算单元计算出的所述占空比，控制所述功率开关器件的开通量；所述与切割条件相关信息为与三相交流电的相电压相关的第一信息、与用户输入的切割电流相关的第二信息以及与切割用压缩空气的压力相关的第三信息中的至少一个。

本发明提供一种逆变等离子切割机引弧阶段的控制方法。所述逆变等离子切割机包括控制器和功率开关器件。所述控制器通过驱动电路控制功率开关器件，其特征在于，所述控制器执行如下步骤：获取步骤，用于获取与切割条件相关的信息；运算步骤，用于根据所述信息与所述功率开关器件开通的占空比之间的对应关系以及在获取步骤获取到的所述信息，计算所述功率开关器件开通的所述占空比；以及控制单元，其根据在所述运算步骤计算出的所述占空比，控制所述功率开关器件的开通量；所述与切割条件相关的信息为与三相交流电的相电压相关的第一信息、与用户输入的切割电流相关的第二信息以及与切割用压缩空气的压力相关的第三信息中的至少一个。

[发明有益效果]

本发明通过上述技术方案，能够对引导电弧的能量进行控制，从而有效保证引导电弧回路的稳定性、可靠性，提高引弧成功率，并降低逆变等离子切割机的成本。

[附图说明]

图1是第一实施例的逆变等离子切割机的软件结构示意图；

图2是第一实施例的逆变等离子切割机引弧阶段的控制方法的工作流程图；

图3是第二实施例的逆变等离子切割机引弧阶段的控制方法的工作流程图；

图4是第三实施例的逆变等离子切割机引弧阶段的控制方法的工作流程图；以及

图5是现有逆变等离子切割机主回路的部分结构示意图。

[具体实施方式]

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

本发明的核心思想是根据切割条件(供电状况、气压状况以及切割电流)，对引弧阶段的电弧能量(IGBT的开通量)进行控制，从而有效保证引导电弧回路的稳定性、可靠性，提高引弧成功率，并降低逆变等离子切割机的成本。

[第一实施例]

首先，对本发明第一实施例的逆变等离子切割机的硬件结构进行简单说明。逆变等离子切割机包括控制器和功率开关器件(IGBT)，所述控制器通过驱动电路控制功率开关器件。

本实施例的逆变等离子切割机还包括用于检测三相交流供电的相电压的电压检测电路。所述电压检测电路的输出端与所述控制器相连。所述电压检测电路可以是检测任意两相之间的相电压。作为电压检测电路的结构，可以采用已知的电压互感器结合整流滤波电路的形式来实现。此外，电压检测电路也可以采用已知的控制电源变压器结合整流滤波电路的形式来实现。

作为控制器的示例，根据实际需要，可以采用现有通用的DSP芯片、MCU+DSP芯片或者MCU+PWM芯片。在本实施例中，控制器采用内置A/D转换模块的DSP芯片，该DSP芯片能够直接输出PWM信号。

图1是本发明第一实施例的逆变等离子切割机的软件结构示意图。如图1所示，控制器包括获取单元、运算单元和控制单元。所述获取单元用于获取与切割条件相关的信息(在本实施例中，为与三相交流电的相电压相关的第一信息)。所述运算单元用于根据所述信息与所述功率开关器件开通的占空比之间的对应关系，计算所述功率开关器件开通的所述占空比。所述控制单元用于根据所述运算单元计算的所述占空比，控制所述功率开关器件的开通量(输出相应的PWM信号)。

以下，参照图2描述第一实施例的逆变等离子切割机引弧阶段的控制方法。所述控制方法由逆变等离子切割机的控制器执行相应的软件程序来实现。在本实施例中，所述软件程序存储在DSP芯片的ROM中，但是本发明不限于此，所述软件程序可以存储在外部存储器(例如FLASH)中。

首先，对引弧阶段进行说明。引弧阶段是指在切割机接通电源而处于待机状态之后，从按下启动切割开关起到检测到实际切割电流输出为止的阶段。在此阶段切割机处于空载状态。图2所示的控制方法是指在该引弧阶段逆变等离子切割机的控制方法。

如图2所示，首先在获取步骤S201中，控制器(DSP芯片)获取与三相交流电的相电压相关的第一信息(与切割条件相关的信息)(获取步骤)。为了确保后期控制的准确性，在获取(采样)时，可以按照一定时间间隔获取多个电压采样值，并经过A/D转换后求其平均值作为相电压的值(第一信息)。例如，在本实施例中，每50us采集一个点，累计采集12ms的电压值，并求其平均值。

接着，在运算步骤S202中，控制器(DSP芯片)根据所述第一信息与所述功率开关器件开通的占空比之间的对应关系以及在步骤S201中获取到的第一信息，计算所述功率开关器件开通的所述占空比(运算步骤)。所述对应关系可以通过以标准供电电压(相电压380V)下的IGBT的占空比为基准，反复实验而获得。作为优选，在所述对应关系中，所述占空比随所述相电压的增大而减小。如此一来，当外电越高(相电压越高)，引弧阶段切割机的空载电压也越高，引导电弧能量也越大。因此，要保证引导电弧能量在合理的范围，就得减小IGBT的占空比，从而能够有效保证引导电弧回路的稳定性、可靠性。

之后，在控制步骤S203中，控制器(DSP芯片)根据在步骤S202中计算出的所述占空比，来控制述功率开关器件的开通量(控制步骤)。具体来说，DSP芯片输出PWM驱动信号，通过驱动电路控制IGBT的开通量。

与逆变等离子切割机引弧阶段的传统控制方法(IGBT开通量固定不变)相比，本发明的第一实施例根据供电的实际状况，动态地调整引导电弧的能量，从而能够有效保证引导电弧回路的稳定性和可靠性，提高引弧成功率。

[第二实施例]

下面描述本发明的第二实施例。首先描述第二实施例的逆变等离子切割机的硬件结构。与第一实施例相同，逆变等离子切割机包括控制器和功率开关器件(IGBT)，所述控制器通过驱动电路控制功率开关器件。与第一实施例的不同部分是，逆变等离子切割机还包括操作面板，用于输入切割电流。所述操作面板与所述控制器连接。

第二实施例的软件结构与第一实施例的基本相同(参见图1)，因此省略相关说明。需要注意的是，在本实施例中，与切割条件相关的信息是与用户通过操作面板输入的切割电流(也称预置电流)相关的第二信息。

接下来，参照图3描述第二实施例的逆变等离子切割机引弧阶段的控制方法。由于第二实施例与第一实施例的控制方法类似，因此与第一实施例相同的部分采用相同的附图标记。此外，与第一实施例相同，所述控制方法是逆变等离子切割机的控制器执行相应的软件程序来实现。

如图3所示，首先在获取步骤S301中，控制器获取与用户输入的切割电流相关的第二信息(与切割条件相关的信息)。

接着，在运算步骤S302中，控制器根据所述第二信息与所述功率开关器件开通的占空比之间的对应关系以及在步骤S301中获取到的第二信息，计算所述功率开关器件开通的所述占空比。作为优选，在所述对应关系中，所述占空比随所述切割电流的增加而增大。

之后，在控制步骤S203中，控制器根据在步骤S302中计算出的所述占空比，来控制述功率开关器件的开通量。具体来说，控制器输出PWM驱动信号，通过驱动电路控制IGBT的开通量。

与逆变等离子切割机引弧阶段的传统控制方法(IGBT开通量固定不变)相比，本发明的第二实施例根据用户输入的切割电流，动态地调整引导电弧的能量，从而能够有效保证引导电弧回路的稳定性和可靠性，提高引弧成功率。此外，由于用户输入的切割电流与割嘴的孔径大小相对应，割嘴的孔径越小，所需的引导电弧的能量就越小，因此动态地调整引导电弧的能量，能够提高割嘴、电极的使用寿命，从而降低切割成本。

[第三实施例]

下面描述本发明的第三实施例。首先描述第三实施例的逆变等离子切割机的硬件结构。与第一实施例相同，逆变等离子切割机包括控制器和功率开关器件(IGBT)，所述控制器通过驱动电路控制功率开关器件。与第一实施例的不同部分是，逆变等离子切割机还包括压力传感器，用于检测与切割用压缩空气的压力。所述压力传感器与所述控制器连接。

第三实施例的软件结构与第一实施例的基本相同(参见图1)，因此省略相关说明。需要注意的是，在本实施例中，与切割条件相关的信息是与切割用压缩空气的压力相关的第三信息。

接下来，参照图4描述第三实施例的逆变等离子切割机引弧阶段的控制方法。由于第三实施例与第一实施例的控制方法类似，因此与第一实施例相同的部分采用相同的附图标记。此外，与第一实施例相同，所述控制方法是逆变等离子切割机的控制器执行相应的软件程序来实现。

如图4所示，首先在步骤S401中，控制器获取与切割用压缩空气的压力相关的第三信息(与切割条件相关的信息)(获取步骤)。为了确保后期控制的准确性，在获取(采样)时，可以按照一定时间间隔获取多个压力采样值，并经过A/D转换后求其平均值作为压力的值(第三信息)。例如，在本实施例中，每50us采集一个点，累计采集12ms的电压值，并求其平均值。

接着，在步骤S402中，控制器根据所述第三信息与所述功率开关器件开通的占空比之间的对应关系以及在步骤S401中获取到的第三信息，计算所述功率开关器件开通的所述占空比(运算步骤)。所述对应关系可以通过以标准压力下的IGBT的占空比为基准，反复实验而获得。作为优选，在所述对应关系中，所述占空比随所述压力的减小而减小。如此一来，当压力越小，引导电弧越集中，需要的引导电弧能量就越小，从而能够有效保证引导电弧回路的稳定性、可靠性，提高引弧的成功率。

之后，在步骤S203中，控制器根据在步骤S402中计算出的所述占空比，来控制述功率开关器件的开通量(控制步骤)。具体来说，控制器输出PWM驱动信号，通过驱动电路控制IGBT的开通量。

与逆变等离子切割机引弧阶段的传统控制方法(IGBT开通量固定不变)相比，本发明的第三实施例根据切割用压缩空气的压力的变化，动态地调整引导电弧的能量，从而能够有效保证引导电弧回路的稳定性和可靠性，提高引弧成功率。

以上，已参照详细或特定的实施方式，对本发明进行了说明，但本领域技术人员理解，可以在不脱离本发明的思想与范围的前提下进行各种变更及修正。

例如，将上述三个实施例进行组合以实现本发明。即获取单元获取第一信息、第二信息和第三信息。运算单元根据所述第一信息、第二信息和第三信息与所述功率开关器件开通的占空比之间的对应关系以及获取到的第一信息、第二信息和第三信息计算功率开关器件开通的占空比。控制单元根据所述运算单元计算的所述占空比，控制所述功率开关器件的开通量(输出相应的PWM信号)。与上述实施例类似，所述对应关系也可以通过反复实验而得到。

作为变型例，也可以将上述三个实施例中的任意两个进行组合以实现本发明。即获取单元获取所述第一信息、第二信息和第三信息中的任意两个。运算单元根据所述任意两个信息与功率开关器件开通的占空比的对应关系以及获取到的所述任意两个信息，计算功率开关器件开通的占空比。控制单元根据所述运算单元计算的所述占空比，控制所述功率开关器件的开通量(输出相应的PWM信号)。

此外，虽然在上述实施例中，以PWM技术为例进行控制，但是本发明不限于此，也可以采用IGBT控制的其它技术，例如移相或者有限双极性。

[工业实用性]

本发明可以应用到现有的逆变等离子切割机，其能够有效保证引导电弧回路的稳定性、可靠性，提高引弧成功率，并降低逆变等离子切割机的成本。

Claims (8)

1.一种逆变等离子切割机，其包括控制器和功率开关器件，所述控制器通过驱动电路控制功率开关器件，其特征在于，所述控制器包括：

获取单元，用于获取与切割条件相关的信息；

运算单元，用于根据所述信息与所述功率开关器件开通的占空比之间的对应关系以及获取到的所述信息，计算所述功率开关器件开通的所述占空比；以及

控制单元，其用于根据所述运算单元计算的所述占空比，控制所述功率开关器件的开通量；

所述与切割条件相关信息为与三相交流电的相电压相关的第一信息、与用户输入的切割电流相关的第二信息以及与切割用压缩空气的压力相关的第三信息中的至少一个。

2.根据权利要求1所述的逆变等离子切割机，其中，在所述与切割条件相关信息为与三相交流电的所述相电压相关的第一信息的情况下，在所述对应关系中，所述占空比随所述相电压的增大而减小。

3.根据权利要求1所述的逆变等离子切割机，其中，在所述与切割条件相关信息为与用户输入的所述切割电流相关的第二信息的情况下，在所述对应关系中，所述占空比随所述切割电流的增加而增大。

4.根据权利要求1所述的逆变等离子切割机，其中，在所述与切割条件相关信息为与所述切割用压缩空气的压力相关的第三信息的情况下，在所述对应关系中，所述占空比随所述压力的减小而减小。

5.一种逆变等离子切割机引弧阶段的控制方法，所述逆变等离子切割机包括控制器和功率开关器件，所述控制器通过驱动电路控制功率开关器件，其特征在于，所述控制器执行如下步骤：

获取步骤，用于获取与切割条件相关的信息；

运算步骤，用于根据所述信息与所述功率开关器件开通的占空比之间的对应关系以及获取到的所述信息，计算所述功率开关器件开通的所述占空比；以及

控制步骤，其根据在所述运算步骤计算出的所述占空比，控制所述功率开关器件的开通量；

所述与切割条件相关的信息为与三相交流电的相电压相关的第一信息、与用户输入的切割电流相关的第二信息以及与切割用压缩空气的压力相关的第三信息中的至少一个。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其中，在所述与切割条件相关信息为与三相交流电的所述相电压相关的第一信息的情况下，在所述对应关系中，所述占空比随所述相电压的增大而减小。

7.根据权利要求5所述的控制方法，其中，在所述与切割条件相关信息为与用户输入的所述切割电流相关的第二信息的情况下，在所述对应关系中，所述占空比随所述切割电流的增加而增大。

8.根据权利要求5所述的控制方法，其中，在所述与切割条件相关信息为与切割用压缩空气的所述压力相关的第三信息的情况下，在所述对应关系中，所述占空比随所述压力的减小而减小。