CN109315059B - 用于提供用于等离子弧切割的功率的系统和方法 - Google Patents

Abstract

等离子切割系统包括具有头部的等离子焊炬和壳体。电源设置在壳体内并且与等离子焊炬通信。电源被配置成提供输出电流以用于由等离子焊炬生成和维持等离子切割弧，并且包括经由多节点通信总线与多个自主切换电路通信的控制处理器。自主切换电路中的每一个包括微控制器，所述微控制器被配置成基于从控制处理器接收的消息来控制输出电流的一部分的生成、监测自主切换电路的操作参数，以及当操作参数中的一个或多个超过预定阈值时，独立于且异步于多个自主切换电路中的其它自主切换电路来修改自主切换电路的控制参数。

Description

用于提供用于等离子弧切割的功率的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年4月12日提交的美国临时专利申请No.62/321,475的权益和优先权，所述美国临时申请通过引用以其整体并入本文中。

技术领域

本申请一般涉及等离子弧切割系统。特别地，本申请涉及用于从电源提供输出电流以用于由等离子焊炬生成和维持等离子切割弧的系统和方法。

背景技术

现有的等离子弧切割系统（例如，使用等离子弧用于切割、标记和刨削材料的系统）使用数字信号处理器（“DSP”）或微控制器用于控制针对特定应用生成必要或期望的电流的电源电路。电源通常接收高压交流（“VAC”）信号，并为等离子弧切割或标记提供高电流输出。用于等离子弧系统的电源接收这样的输入并产生近似10-400安培的高电流DC输出以用于等离子弧切割输出。

现有的等离子弧切割系统是不可分级的，以及因此使用许多不同的电源设计来支持各种输出电流要求。例如，由高容量电源生成的电流输出可能不具有用于执行较低电流操作的期望特性，从而必需采购两个不同的等离子弧切割系统以能够执行所有期望的操作。

此外，在采用具有多个功率转换电路的电源的现有等离子弧切割系统中，那些功率转换电路必须由中央DSP或微控制器配置、监测和管理，并且由于与它们的操作关联的处理开销而不能彼此独立地操作。

现有的等离子弧切割系统的物理架构抑制了有效的等离子电流控制，降低了系统可靠性，并且还增加了部件要求、系统大小和重量、制造成本以及有故障部件的可能性。

发明内容

因此，存在对于用于从电源提供输出电流以用于由等离子焊炬生成和维持等离子切割弧的改进的系统和方法的需要。

在一个方面中，等离子切割系统的特征在于：包括壳体、设置在壳体内并配置成提供输出电流以用于由焊炬头部生成和维持等离子弧的电源。电源包括一个或多个控制处理器。电源还包括与一个或多个控制处理器通信的多个自主切换电路。多个切换电路中的每一个包括微控制器，该微控制器被配置成控制输出电流的一部分的生成。电源还包括连接到电源以产生等离子弧的等离子焊炬。

在另一方面中，一种等离子切割系统的特征在于：包括具有头部的等离子焊炬和壳体。电源设置在壳体内并与等离子焊炬通信。电源被配置成提供输出电流以用于由等离子焊炬生成和维持等离子切割弧。电源包括一个或多个控制处理器和多个自主切换电路，其经由多节点通信总线与一个或多个控制处理器通信。多个自主切换电路中的每一个包括微控制器，所述微控制器被配置成：基于从一个或多个控制处理器接收的一个或多个消息来控制输出电流的一部分的生成；监测自主切换电路的一个或多个操作参数；以及当操作参数中的一个或多个超过预定阈值时，独立于并且异步于多个自主切换电路中的其它自主切换电路来修改自主切换电路的控制参数。

在另一方面中，以一种从电源提供输出电流以用于由等离子焊炬生成和维持等离子切割弧的方法为特征。多个自主切换电路中的每一个的微控制器从一个或多个控制处理器接收第一一个或多个消息。第一一个或多个消息包括针对多个自主切换电路中的每一个的电流设定点。多个自主切换电路中的每一个的微控制器将第二一个或多个消息发射到一个或多个控制处理器。第二一个或多个消息确认电流设定点的接收。多个自主切换电路中的每一个的微控制器基于电流设定点控制由多个自主切换电路中的每一个对输出电流的一部分的生成。多个自主切换电路中的每一个的微控制器监测自主切换电路的一个或多个操作参数。当操作参数中的一个超过预定阈值时，多个自主切换电路中的每一个的微控制器独立于并且异步于多个自主切换电路中的其它自主切换电路来修改自主切换电路的控制参数。

在另一方面中，以一种从包括多个自主切换电路的等离子弧系统电源提供输出电流的方法为特征。基于预定的选择方案，多个自主切换电路中的每一个的微控制器选择用于协调多个自主切换电路的操作的主微控制器。主微控制器确定用于要由等离子弧系统执行的过程的一个或多个参数。主微控制器从多个自主切换电路的其它微控制器中的每一个接收第一一个或多个消息，该消息包括自主切换电路的至少一个属性。主微控制器向多个自主切换电路的其它微控制器中的每一个发射包括针对每个微控制器的电流设定点的第二一个或多个消息，其中每个电流设定点基于每个自主切换电路的至少一个属性。基于电流设定点，多个自主切换电路中的每一个的微控制器控制来自等离子弧系统电源的输出电流的一部分的生成。多个自主切换电路中的每一个的微控制器监测自主切换电路的一个或多个操作参数。当操作参数中的一个或多个超过预定阈值时，多个自主切换电路中的每一个的微控制器独立于并且异步于多个自主切换电路中的其它自主切换电路来修改自主切换电路的控制参数。

以上方面可以包括以下特征中的一个或多个。在一些实施例中，等离子切割系统还包括连接在多个自主切换电路与一个或多个控制处理器之间的多个传输线终端电阻器。在一些实施例中，传输线终端电阻器的集合位于多节点通信总线的远端处或位于多节点通信总线的公共连接节点处。

在一些实施例中，控制板设置在壳体内，并且控制板包括一个或多个控制处理器和与多节点通信总线相关联的连接器。在一些实施例中，每个微控制器是数字信号处理器（DSP）。

在一些实施例中，多个自主切换电路中的每一个包括唯一标识符。在一些实施例中，多个自主切换电路中的自主切换电路的唯一标识符基于下列中的一个或多个：（i）壳体内的自主切换电路的物理位置，（ii）安装在自主切换电路上的电键，（iii）DIP开关设定，或（iv）安装在自主切换电路上的一个或多个跳线。在一些实施例中，基于自主切换电路的唯一标识符的值来启用或禁用自主切换电路的操作。

在一些实施例中，多节点通信总线包括多点拓扑结构，在其中一个或多个控制处理器并联连接到多个自主切换电路。

在一些实施例中，一个或多个操作参数包括DC电压、自主切换电路的温度和电流中的至少一个。在一些实施例中，每个微控制器还被配置成实时监测一个或多个操作参数。在一些实施例中，每个微控制器还被配置成检测单相故障或过载电流故障中的一个或多个、基于故障独立于并且异步于多个自主切换电路中的其它自主切换电路来修改切换电路的控制参数、并向一个或多个控制处理器提供故障的指示。在一些实施例中，在经由多节点通信总线发射的一个或多个消息中向一个或多个控制处理器提供故障的指示。

在一些实施例中，多节点通信总线被配置成支持控制器区域网络（CAN）协议、CANOpen协议、用于控制自动化技术的以太网（EtherCAT）协议、设备网协议或SERCOS协议中的至少一个。

在一些实施例中，一个或多个控制参数包括脉冲波调制（PWM）信号的频率、PWM信号的占空比、等离子弧点火的定时信号和关闭信号。在一些实施例中，从一个或多个控制处理器接收的一个或多个消息包括用于自主切换电路的电流参考的设定点。在一些实施例中，设定点对应于在临界斜升周期、稳态周期或斜降周期中的一个期间关于气体压力和时间的分布。

在一些实施例中，多个自主切换电路中的每一个生成输出电流的相等部分。在一些实施例中，多个自主切换电路中的至少两个生成输出电流的不同部分。在一些实施例中，由自主切换电路生成的输出电流的部分基于下列中的一个或多个：自主切换电路已经被操作的小时的数目、壳体内的自主切换电路的位置、由等离子切割系统执行的等离子切割操作的类型、由等离子切割系统执行的等离子切割操作的阶段以及自主切换电路的电流生成能力。在一些实施例中，由自主切换电路生成的输出电流的部分基于下列中的一个或多个：由等离子切割系统执行的等离子标记操作的类型、以及由等离子切割系统执行的等离子标记操作的阶段以及自主切换电路的电流生成能力。

附图说明

通过参考以下结合附图的详细描述，可以更好地理解上述系统和方法的优点连同进一步的优点。附图不一定按比例绘制，而是通常仅通过示例强调说明所描述的实施例的原理。

图1是根据本文中描述的实施例的示例性系统的框图。

图2是根据本文中描述的实施例的示例性系统的框图。

图3是根据本文中描述的实施例的示例性切换电路的框图。

图4是根据本文中描述的实施例的用于从电源提供输出电流以用于由等离子焊炬生成和维持等离子切割弧的方法的流程图。

图5是根据本文中描述的实施例的从包括多个自主切换电路的等离子弧系统电源提供输出电流的方法的流程图。

具体实施方式

本文中描述的系统和方法涉及等离子弧切割系统，其能够从电源提供输出电流以用于由等离子焊炬生成和维持等离子切割弧。系统使用一个或多个切换电路生成输出电流，并且可以如所需要的那样通过向电源添加附加的切换电路来将其输出分级。每个切换电路包括微控制器以从系统中的其它切换电路自主地配置、监测和管理其操作。例如，当在操作开始时接收到指示期望的电流输出的单个命令时，切换电路配置其功率转换电路以用于操作、监测其对生成电流关键的操作的参数、并管理其自身以将电流输出维持在期望的水平。每个自主切换电路独立于系统中的其它自主切换电路操作并且异步于其它自主切换电路执行其功能。

图1是根据本文中描述的系统和方法的实施例的等离子切割系统100的框图。系统100包括与等离子焊炬135和工件145电通信的电源105。电源105被配置成经由输出150向等离子焊炬135提供输出电流以用于生成和维持用于切割或标记工件145的等离子切割弧140。工件145经由公共部155与电源105电通信。如图1中所描绘的那样，公共部155连接到电接地。在一些实施例中，公共部155连接到除了电接地之外的电压电位，该电压电位低于或高于施加到等离子焊炬135的电压电位。

电源105包括控制处理器电路110和安装在一个或多个壳体（未示出）内的多个切换电路115。例如，控制处理器电路110和多个切换电路115各自可以包括填充有有源和无源部件的印刷电路板，并且利用紧固件或闩锁安装在一个或多个金属片壳体内。

如图1中所描绘的那样，多个切换电路115包括切换电路115a、切换电路115b和切换电路115n。然而，椭圆160表示电源105可包括任何数目的切换电路。在一些实施例中，电源105包括一个或两个切换电路。

控制处理器电路110包括总线接口130，所述总线接口130提供连接接口以用于连接到多节点通信总线120，所述通信总线120包括总线段120a、总线段120b、总线段120c和总线段120n。如与上述切换电路一样，椭圆160表示可以存在任何数目的总线段。

多个切换电路115中的每一个包括总线接口125（例如，125a、125b和125n），其提供用于连接到多节点通信总线120的连接点。可以通过将控制处理器电路110和多个切换电路115串联连接（例如，将它们“菊链”）来形成多节点通信总线120。例如，总线接口125a可以包括两个连接器（例如，外螺纹连接器和内螺纹连接器），并且总线段120a可以通过在总线接口130处的连接器与总线接口125a的外螺纹连接器之间连接电缆（例如，同轴电缆）或线束而形成。此外，总线接口125b可以包括两个连接器（例如，外螺纹连接器和内螺纹连接器），并且总线段120b可以通过在总线接口125a的内螺纹连接器与总线接口125b的外螺纹连接器之间连接电缆或线束而形成。可以通过以相同方式继续将附加切换电路115菊链连接在一起来形成其它总线段120中的每一个。这种用于多节点通信总线120的连接方案是有利的，这是因为控制处理器电路110仅需要具有用于访问切换电路115的单个连接器，而不管有多少切换电路115被添加到电源105。

在一些实施例中，多节点通信总线120是用于实现控制器区域网络（“CAN”）总线协议的介质，以用于促进控制处理器电路110与多个切换电路115之间的通信。在一些实施例中，多节点通信总线120被配置成支持CANopen协议、用于控制自动化技术的以太网（“EtherCAT”）协议、设备网协议或串联实时通信系统（“SERCOS”）自动化总线协议中的一个或多个。

控制处理器电路110包括控制处理器（例如，微处理器、微控制器、DSP、现场可编程门阵列、复杂可编程逻辑设备等），并且被编程用于管理电源105的操作。在一些实施例中，控制处理器电路110包括支持逻辑和其它部件（例如，易失性和非易失性存储器、无线通信模块、一个或多个通信PHY、传感器等），其与处理器结合地操作以用于管理电源105的操作。在一些实施例中，处理器经由EtherCAT接口与计算机数值控制（“CNC”）设备（未示出）通信，并且CNC设备管理由系统100执行的切割或标记操作。在一些实施例中，控制处理器电路110包括多个控制处理器。

图2是根据本文中描述的系统和方法的实施例的等离子切割系统200的框图。系统200包括与系统100基本上类似的部件。然而，代替多节点通信总线120的串联菊链实现方式，系统200的多节点通信总线220被实现为控制处理器210的总线接口230与多个切换电路215的总线接口225之间的并联连接。

图3是根据本文中描述的系统和方法的示例性切换电路115的框图。切换电路115包括印刷电路板（“PCB”）305、脉冲宽度调制（“PWM”）控制块310（以虚线示出）、功率转换块315和电流传感器350。电流传感器350可以是用于测量或量化电流的流动的任何有源或无源设备。在一些实施例中，电流传感器350是安装到PCB 305的电流感测或“分流”电阻器。在一些实施例中，电流传感器350是霍尔效应电流传感器设备。在一些实施例中，电流传感器350安装到附接到电源105的一个或多个壳体的金属板，并且使用导线和接线头连接到PCB305。

PWM控制块310包括电流参考325、误差确定电路330和PWM比较器电路320。 PWM比较器电路320包括微控制器或其它类型的处理器（例如，微处理器、数字信号处理器（“DSP”）、现场可编程门阵列、复杂可编程逻辑设备等）和支持逻辑和其它部件（例如，易失性和非易失性存储器、无线通信模块、一个或多个通信PHY、传感器等），其与微控制器结合地操作。在一些实施例中，微控制器是德州仪器TMS320LF2407A或来自C2000系列产品的类似DSP设备。在一些实施例中，微控制器是意法半导体STM32F405或具有ARM微控制器核心的类似设备。

误差确定电路330被配置成监测由切换电路115提供的输出电流，并基于测量的输出电流信号365与从电流参考325输出的指示期望的输出电流的电流设定点370的比较产生误差输出360。例如，测量的输出电流信号365和电流设定点370可以各自是被比较以确定误差输出360的模拟电压，其中误差输出360的大小取决于输出电流信号365与电流设定点370之间的差。在一些实施例中，电流参考325是与微控制器的管理接口电通信的可编程电流参考设备，并且电流参考325可以由微控制器编程以修改电流设定点370的值。在一些实施例中，电流参考325被实现为分立的模拟部件，并且可以通过调整与电流参考325电路电通信的微控制器的模数转换器（“ADC”）输出管脚的电压来修改电流设定点370的值。

在一些实施例中，误差确定电路330被实现为具有支持部件的运算放大器，并且被配置成生成误差输出360，所述误差输出360根据测量的输出电流信号365与电流设定点370之间的差而变化。在一些实施例中，PWM比较器电路320接收测量的输出电流信号365和电流设定点370，并且误差确定电路330在PWM比较器电路320的电路和软件中实现。

基于误差确定电路330的实现，PWM比较器电路320在ADC接口输入处接收误差输出360，或者PWM比较器电路320的微控制器计算软件中的误差并使用内部逻辑确定误差输出360的值。微控制器使用适当的内部外围设备来以预定频率（例如，15kHz）产生三角载波，并基于载波与误差输出360的值的比较生成PWM脉冲串375。PWM脉冲串375被提供给功率转换块315。

功率转换块315包括电压输入（“Vin”）335、电感器340、绝缘栅双极晶体管（“IGBT”）345和二极管355，其以斩波器或降压转换器配置来布置。IGBT 345可包括散热器。在一些实施例中，功率转换块315包括基于诸如所需电流输出、电源105的几何要求和IGBT的热特性之类的考虑的多于一个IGBT。

Vin 335是从AC输入整流的DC电压。在一些实施例中，功率转换块315包括用于对三相AC输入电压进行全波整流以创建Vin 335的二极管。PWM脉冲串375连接到IGBT 345的栅极，并用于根据PWM脉冲串375的占空比接通和关断IGBT 345，以控制从功率转换块315提供的输出电流。例如，IGBT 345被接通和关断的持续时间以及在切换电路115的输出处提供的相应电流量基于PWM脉冲串375的占空比。从IGBT 345上的PWM脉冲串375的操作生成的输出波形由电感器340滤波，从而产生具有最小脉动的DC输出。基于在切换电路115的输出处提供的电流和等离子弧性质（例如，一种或多种气体类型、一种或多种气体流速、一种或多种气体涡流），跨输出150和公共部155创建电压电位，其利用导线或汇流条电连接到功率转换块315。例如，结合通过等离子弧传导的电流的等离子弧性质产生电压降（例如，弧电压）。在一些实施例中，弧电压的特性用于确定工件上方的焊炬高度。焊炬高度信息转而用于获得最佳切割表面，该切割表面将尽可能为正方形（例如，与工件表面成直角）。在一些实施例中，一个或多个处理器或微控制器使用在题为“Arc voltage estimation and use of arcvoltage estimation in thermal processing systems”的美国申请序列号11/602,047中描述的技术来估计等离子弧电压，所述美国申请通过引用以其整体并入本文中。

输出电流在点380处被电流传感器350感测并且被反馈到如上所述的误差确定电路330以用于误差计算以及由微控制器对所产生PWM脉冲串375的调整，以将输出电流维持在由电流参考325指示的电平处。例如，如果微控制器确定所提供的电流小于所期望的电流输出，则PWM脉冲串375的正占空比增加，即在PWM信号的给定周期期间的PWM脉冲串375信号处于“接通”或“有效”状态的持续时间相对于PWM脉冲串375信号处于“关断”或“无效”状态的持续时间被增加。相反地，如果微控制器确定所提供的电流大于期望的电流输出，则PWM脉冲串375的负占空比增加，即在PWM信号的给定周期期间的PWM脉冲串375信号处于“关断”或“无效”状态的持续时间相对于PWM脉冲串375信号处于“接通”或“有效”状态的持续时间被增加。

在一些实施例中，每个切换电路115包括用于测量下列中的一个或多个的传感器：DC输入总线电压（例如，Vin 335的电压）、被施加到焊炬135的电压以及在切换电路155的一个或多个位置（例如，微控制器、IGBT的散热器的情况）处的温度。传感器的输出或值可以由切换电路115上的微控制器解释或读取，并且测量结果可以存储在与微控制器通信的板上数据存储设备中的微控制器内。

尽管已经关于特定实施例描述了功率转换块315的配置和操作，但是应当理解的是，在不背离本文中描述的技术的精神的情况下，可以实现其它功率转换器拓扑结构。在一些示例中，切换电路115是包括PWM控制块310的单个实例的PCB，所述PWM控制块310的单个实例与下列中的每一个的两个分离的实例电通信并对其进行控制：电流参考325、误差确定电路330、功率转换块315和电流传感器350。在这些示例中，可以独立地和异步地控制每个实例的输出。在一些实施例中，PWM控制块310控制每个实例的输出，使得它们的PWM信号波形异相180度，以最小化电源105的输出中的脉动。

在一些示例中，为了最小化输出脉动，多个切换电路115被配置成生成它们的输出，使得它们彼此异相。在一个实施例中，每个切换电路115的微控制器接收公共相位对准时钟的实例。时钟可以经由类似于针对多节点通信总线120实现的那些连接的连接从控制处理器电路110分配。在一些实施例中，针对每个菊链切换电路115，控制处理器电路110向切换电路115a提供时钟，并且切换电路115a向切换电路115b提供时钟的缓冲的相移版本，依此类推。在一些实施例中，对时钟进行编码，使得每个切换电路115可以从时钟取得同步信号，并根据系统100的配置确定适当的相移以施加到其PWM输出（例如，PWM脉冲串375）。例如，如果系统100包括两个切换电路115，则输出被移位到彼此异相180度。如果系统100包括三个切换电路115，则输出被移位到彼此异相120度，依此类推。在一些实施例中，切换电路115基于其唯一标识符确定适当的相移以施加到其输出，如以下详细描述的那样。

将参考图4描述系统100的附加特征和部件，图4示出了方法400的流程图，该方法400从电源提供输出电流，以用于由等离子焊炬生成和维持等离子切割弧。

多个切换电路115中的每个微控制器从一个或多个控制处理器接收（405）第一一个或多个消息，所述第一一个或多个消息包括用于每个多个切换电路115的电流设定点。例如，控制处理器电路110的控制处理器可以生成针对CAN协议格式化的一个或多个消息，其包括包含在用于指示切换电路115a对其电流参考325编程以提供特定电流设定点370的命令内的电流设定点数据。控制处理器可以基于利用等离子切割系统执行的切割或标记操作所需的总电流除以可用于共享输出电流负载（例如，相等的电流共享）的切换电路115的数目来确定指示电流设定点370的值或电压电平的电流设定点数据。控制处理器经由总线接口130通过多节点通信总线120发射第一一个或多个消息，并且切换电路115a上的微控制器经由总线接口125a接收消息。

在一些实施例中，由一个或多个控制器发送的设定点基于在切割系统电源105被操作的特定时间段（诸如临界斜升周期、稳态周期或斜降周期）期间的关于气体压力和时间的分布。

针对控制处理器执行基本上类似的操作，以发射包括在命令中的设定点数据，所述命令指示切换电路115b一直到切换电路115n对它们相应的电流参考325编程以提供特定的电流设定点370。

控制处理器能够将消息交给单独切换电路115，并且单独切换电路115能够基于分派给每个切换电路115的唯一标识符来确定哪些消息旨在由它们接收。例如，传到和来自控制处理器和每个切换电路115的微控制器的消息包括指示唯一标识符的值的数据。

为了设定唯一标识符的值，每个切换电路115具有用于接受识别电键的连接器或其它接口（例如，卡槽）。例如，连接器可以包括多个管脚，所述管脚中的每一个通过电阻器被拉到接地或VCC电压轨，以在不存在识别电键时将唯一标识符设定为默认值。在一个实施例中，唯一标识符包括通过默认被拉到接地的四个管脚，从而将其默认值设定为零。在另一实施例中，唯一标识符包括通过默认被拉到VCC的四个管脚，从而将其默认值设定为二进制的十六，或十六进制的0xF。

在一些实施例中，当切换电路115的唯一标识符被设定为默认值时，切换电路115的操作被禁用。在一些实施例中，微控制器感测唯一标识符的管脚的电压电平，并且微控制器被编程为当唯一标识符被设定为其默认值时将其切换电路115保持在禁用状态。在另一示例中，唯一标识符管脚中的一个或多个连接到微控制器的复位输入，并且当唯一标识符被设定为其默认值时微控制器保持在复位状态，所述默认值禁用切换电路115的操作。在一些实施例中，当切换电路115的唯一标识符被设定为默认值时，启用切换电路115的操作。

每个识别电键包括到切换电路115上的唯一标识符连接器的配对连接器，并且每个识别电键的特定管脚被拉到接地或VCC电压轨。在一些示例中，识别电键是使其连接器的特定管脚被接线到接地或到VCC电压轨的线束。在一些实施例中，将组成一个或多个壳体的面板接地，并且通过将识别电键的导线紧固到一个或多个壳体的面板而将识别电键的导线拉到接地。

当识别电键与切换电路115的唯一标识符连接器配对时，识别电键管脚的电压取代唯一标识符管脚的默认值以设定唯一标识符。在一些实施例中，唯一标识符包括四个管脚，并且在使用二进制或十六进制编码的情况下，可以将十五个唯一标识符分派给切换电路115（例如，十五个唯一标识符和一个默认值）。在使用四个管脚并且不编码的较简单的实现方式中，可以将四个唯一标识符分派给切换电路115（例如，连接器的每个管脚的一个唯一标识符值，以及其中所有管脚被设定到VCC或接地的一个默认值）。在一些实施例中，可以通过在位于每个切换电路115上的DIP开关上设定开关位置来设定唯一标识符。在一些实施例中，可以通过将一个或多个跳线安装到与唯一标识符相关联的连接器来设定唯一标识符，该唯一标识符将唯一标识符信号分流到VCC或接地以设定唯一标识符的值。

在一些实施例中，唯一标识符的值指示切换电路115在电源105的一个或多个壳体内的物理位置。例如，在包括多达四个切换电路115的电源105的实施例中，每个切换电路115安装在电源105的一个或多个壳体内的不同物理位置中。用于设定切换电路115中的一个的唯一标识符的四个识别电键中的每一个是具有固定长度的导线的线束，所述导线紧固到一个或多个壳体中的特定物理位置，使得每个识别电键仅可以与和其接近的一个切换电路115配对。

在一些实施例中，切换电路115基于唯一标识符的特定值进入自测试或诊断模式。

在一些实施例中，识别电键包括用于多节点通信总线120的传输线的终端负载。例如，在组成其总线接口的切换电路PCB上的信号传输线也可以被布线到唯一标识符连接器，使得当识别电键与唯一标识符连接器配对时，终端电阻器或终端电路被施加到传输线。在一些实施例中，终端负载是连接在多个切换电路115与一个或多个控制处理器之间的终端电阻器，并且电阻器的配置和值取决于PCB中的传输线的拓扑结构中的一个或多个以及针对多节点通信总线120实现的协议。在一些实施例中，终端电阻器位于多节点通信总线120的远端处。在一些实施例中，终端电阻器位于与多节点通信总线120相关联的公共或共享连接节点处。

多个切换电路115中的每一个的微控制器将第二一个或多个消息发射（410）到一个或多个控制处理器，第二一个或多个消息确认电流设定点的接收。在一些实施例中，第二一个或多个消息还包括基于来自切换电路115上的传感器的读数获得的一个或多个测量值（例如，输出电流、施加到焊炬125的输出电压、输入总线电压、一个或多个位置处的温度）的值。在一些实施例中，如果切换电路115在预定的超时周期内不确认第一一个或多个消息，则一个或多个控制处理器确定切换电路115未安装在特定位置或唯一标识符处。

多个切换电路115中的每一个的微控制器基于电流设定点控制（415）由多个自主切换电路中的每一个对输出电流的一部分的生成。在从一个或多个控制处理器接收到包括电流设定点的数据时，微控制器相应地对电流参考325编程并使其PWM生成电路能够开始生成输出电流以提供给焊炬135。多个切换电路115中的每一个的微控制器各自将一个或多个消息发射到一个或多个控制处理器，所述消息包括在它们相应的输出处取得的电流测量结果。控制处理器电路110的一个或多个控制处理器将来自每个切换电路115的测量的值加和，以确定由电源105提供的总输出电流是否匹配期望的电流输出。在一些实施例中，使用平均算法由一个或多个控制处理器将加和的测量结果进行滤波，以将加和的结果归一化。

多个切换电路115中的每一个的微控制器监测（420）切换电路115的一个或多个操作参数。例如，在电流生成操作期间，每个微控制器监测DC输入总线电压（例如，Vin 335的电压）、施加到焊炬135的电压和测量的输出电流信号365中的一个或多个。在一些实施例中，每个微控制器监测在切换电路115的一个或多个位置（例如，微控制器、IGBT 345的散热器的情况）处的温度。在一些实施例中，实时监测操作参数中的每一个，从而允许立即施加对控制参数的任何所需调整以维持输出处的稳定性。

当操作参数中的一个超过预定阈值时，多个切换电路115中的每一个的微控制器独立于并且异步于多个切换电路115中的其它切换电路115来修改（425）切换电路115的控制参数。例如，如上所述的那样，如果测量的输出电流信号365与电流设定点370的比较导致误差输出360超过微控制器中限定的特定阈值，则微控制器修改其PWM生成电路的控制参数以调整PWM脉冲串375，以及转而相应地调整电流输出，如上所述的那样。在一些实施例中，控制参数包括下列中的一个或多个：PWM信号的频率、PWM信号的占空比、与等离子弧点火有关的定时信号以及触发电流生成的终止的关闭信号。

贯穿系统100的操作，一个或多个控制处理器继续如所需要的那样以不同的时间延迟向切换电路115发出数据和命令以适应特定的等离子切割过程。例如，当电流需求基于被执行的切割操作增加或减少时，在切割循环期间多次重复发消息。此外，在切割操作期间发送更新的电流设定点，以便遵循存储在控制处理器电路110或与控制处理器电路110通信的CNC上的期望的斜升、稳态切割操作或斜降电流分布。在一些实施例中，时间临界的斜升和斜降电流分布在切割循环开始之前从控制处理器电路110发送到切换电路115。

在一些实施例中，一个或多个控制处理器配置多个切换电路115以成生成针对特定切割或标记操作所需的总共需要的输出电流的相等份额。在一些实施例中，一个或多个控制处理器配置多个切换电路115以成生成针对特定切割或标记操作所需的总共需要的输出电流的不同份额。例如，电源105可以包括具有不同输出电流生成能力的切换电路115（例如，切换电路115a和切换电路115b各自能够生成80A，并且切换电路115n能够生成130A）。因为可以独立地控制切换电路115，所以（如果期望的话）系统100的配置有利地使得能够通过“混合和匹配”具有不同能力的切换电路115来生成在电源105的输出处生成的总电流。

在一些实施例中，一个或多个控制处理器配置多个切换电路115以基于电源105的一个或多个壳体内的每个切换电路115的位置生成针对特定切割或标记操作所需的总共需要的输出电流的不同份额。例如，位于冷却风扇或通风口附近的切换电路115可以被配置成生成比位于具有很小空气流动来冷却其部件的区域中的切换电路115更大的总输出电流的份额。如以上所讨论的那样，每个切换电路115的唯一标识符可以指示其在电源壳体内的定位或位置，并且一个或多个控制处理器因此可以基于存储在控制处理器电路110或与控制处理器电路110通信的CNC上的系统100的预定义分布来确定每个切换电路115的位置。

在一些实施例中，一个或多个控制处理器配置多个切换电路115以基于每个切换电路115已经被操作的小时的数目来生成针对特定切割或标记操作所需的总共需要的输出电流的不同份额。例如，已经被操作达超过阈值的时间段的切换电路115可以被配置成提供比“新的”并且已经被操作达不超过阈值的时间段的切换电路115更小的输出电流的份额。

在一些实施例中，切换电路115的微控制器基于超过预定阈值的温度测量结果将一个或多个消息发送到一个或多个控制处理器。作为响应，一个或多个控制处理器将消息发送到切换电路115中的每一个，以重新分配由每个切换电路115生成的所需电流，使得由感测过温状况的切换电路115生成较小的电流。在一些示例中，切换电路115的微控制器基于传感器测量结果来检测单相故障或过流故障。作为响应，微控制器修改其控制参数以减小其电流输出，或者以在故障是关键的情况下停止电流的生成。此外，微控制器将一个或多个消息发送到一个或多个控制处理器以报告故障状况，因此一个或多个控制处理器可以相应地调整其它切换电路115的操作，或者关闭切割或标记操作。

在一些实施例中，一个或多个处理器仅配置多个切换电路115的子集以生成电流。在一个示例中，为了实现受控的启动分布，仅启用一个切换电路115直到电流需求超过阈值（例如，30A），然后其它切换电路115被配置成开始生成电流以共享负载。在一些实施例中，电源105由具有不同能力的切换电路115组成，并且一个或多个处理器基于由系统100执行的操作仅配置多个切换电路115的子集。例如，第一切换电路115可以具有具备高度准确的输出的低电流输出容量（例如，输出容量在5A至30A的范围中的低电流标记切换电路115），而第二切换电路115可以具有在其输出中具有更大可变性的高电流输出（例如，针对高速和/或高厚度切割被优化的并且具有在130A至170A的范围中的输出容量的高输出切换电路115）。在这样的情况下，一个或多个处理器可以仅配置第一切换电路115以生成用于要求高准确度但低电流的操作（例如，标记）的电流，并且一个或多个处理器可以仅配置第二切换电路115（或者第一和第二切换电路115二者）以生成用于要求较高电流但较低准确度的操作（例如，切割）的电流。

将参考图5描述系统100的附加特征和部件，图5示出了从包括多个自主切换电路的等离子弧系统电源提供输出电流的方法500的流程图。在采用方法500的系统100的实施例中，自主切换电路115使用主从方案来协调操作，并且启动和协调来自电源105的电流生成，而不需要与控制处理器电路110的交互或来自控制处理器电路110的监督。

基于预定的选择方案，多个自主切换电路115中的每一个的微控制器选择（505）主微控制器以用于协调多个自主切换电路的操作。在一些实施例中，用于确定主微控制器的选择方案基于多个自主切换电路115的唯一标识符的值。例如，如果微控制器的唯一标识符设定为预定义值，则可以将微控制器配置为变成主微控制器，以及在其它情况下变成从微控制器。在一些实施例中，在多个自主切换电路115启动时控制或“要求”多节点通信总线220的第一微控制器被选择为主微控制器。在一些实施例中，多个自主切换电路115中的每一个的微控制器在发送给彼此的一系列消息中通告它们的能力（例如，处理能力、启用的特征、电流输出容量等），并且主微控制器基于期望的能力的分级结构来选择（例如，对于主微控制器而言，比起大电流输出容量更期望额外的处理容量）。在一些实施例中，预定选择方案基于上述参数中的一个或多个。

主微控制器确定（510）用于要由等离子弧系统执行的过程的一个或多个参数。例如，主微控制器可以接收包括指示由电源105提供的用于切割或标记过程所需的输出电流量的数据的消息。在一些实施例中，主微控制器接收指示将要执行的过程（例如，切割、标记）和工件145的特性（例如，材料成分、厚度）的数据，并且主微控制器计算执行过程所需的输出电流量。在一些实施例中，主微控制器通过多节点通信总线220从控制处理器电路110或直接从CNC接收一个或多个参数。在一些实施例中，由用户通过系统100的用户接口或经由系统100的仪器设定（例如，拨号设定）将一个或多个参数提供给主微控制器。

主微控制器从多个切换电路115的其它微控制器中的每一个接收（515）包括切换电路115的至少一个属性的第一一个或多个消息。例如，主微控制器可以从每个从微控制器接收指示每个切换电路115的最大输出电流容量的数据。在一些实施例中，主微控制器从每个从微控制器接收指示每个切换电路115的型号中的一个或多个或每个自主切换电路115已经被操作的小时的数目的数据。

主微控制器向多个切换电路115的其它微控制器中的每一个发射（520）包括用于每个微控制器的电流设定点的第二一个或多个消息，其中每个电流设定点基于每个自主切换电路115的至少一个属性。主微控制器鉴于要由等离子弧系统执行的过程的一个或多个参数来分析每个切换电路115的至少一个属性，并确定每个切换电路115的电流设定点。例如，主微控制器确定用于每个切换电路115（包括其自身）的电流设定点，使得切换电路115将基于电流设定点生成的总电流将满足由系统100执行的过程的要求。然后，主微控制器通过多节点通信总线120传递的消息中向从微控制器发射它们的特定电流设定点。

响应于接收其电流设定点，每个微控制器以与上述方法400、步骤415、420和425类似的方式操作。多个切换电路115中的每一个的微控制器基于电流设定点控制（525）来自等离子弧系统电源的输出电流的一部分的生成。多个切换电路115中的每一个的微控制器监测（530）自主切换电路的一个或多个操作参数。当操作参数中的一个或多个超过预定阈值时，多个切换电路115中的每一个的微控制器独立于并且异步于多个切换电路115中的其它切换电路115来修改（535）切换电路115的控制参数。

在一些实施例中，微控制器执行先进的负载共享方案，通过所述方案不存在主微控制器，并且切换电路115基于诸如散热器温度、操作的弧小时以及甚至最大输出能力之类的参数来划分工作负载。

包括、包含和/或其各自的复数形式是开放式的并且包括列出的部分并且可以包括未列出的附加部分。和/或是开放式的并且包括列出的部分中的一个或多个和列出的部分的组合。

本领域技术人员将意识到，在不背离主题的精神或必要性质的情况下，主题可以以其它特定形式体现。因此，前述实施例要在所有方面中被视为说明性的而不是限制本文中所述的主题。

Claims (18)

1.一种等离子切割系统，包括：

等离子焊炬；

壳体；以及

电源，其设置在所述壳体内并且与所述等离子焊炬通信，所述电源配置成提供输出电流以用于由所述等离子焊炬生成和维持等离子弧，所述电源包括：

一个或多个控制处理器；以及

多个自主切换电路，其经由多节点通信总线与所述一个或多个控制处理器通信，其中所述多个自主切换电路中的每一个包括唯一标识符，所述多个切换电路中的每一个包括微控制器，所述微控制器配置成：

基于从所述一个或多个控制处理器接收的一个或多个消息来控制所述输出电流的一部分的所述生成；

监测所述自主切换电路的一个或多个操作参数；以及

当所述操作参数中的一个或多个超过预定阈值时，独立于并且异步于所述多个自主切换电路中的其它自主切换电路来修改所述自主切换电路的控制参数，

其中基于自主切换电路的唯一标识符的值启用或禁用所述多个自主切换电路中的自主切换电路的操作。

2.如权利要求1所述的等离子切割系统，还包括连接在所述多个自主切换电路与所述一个或多个控制处理器之间的多个传输线终端电阻器。

3.如权利要求2所述的等离子切割系统，其中所述传输线终端电阻器的集合位于所述多节点通信总线的远端处或位于所述多节点通信总线的公共连接节点处。

4.如权利要求1所述的等离子切割系统，还包括设置在所述壳体内的控制板，所述控制板包括所述一个或多个控制处理器和与所述多节点通信总线相关联的连接器。

5.如权利要求1所述的等离子切割系统，其中每个微控制器是数字信号处理器DSP。

6.如权利要求1所述的等离子切割系统，其中所述多节点通信总线包括多点拓扑结构，在其中所述一个或多个控制处理器并联连接到所述多个自主切换电路。

7.如权利要求1所述的等离子切割系统，其中所述一个或多个操作参数包括DC电压、自主切换电路的温度和电流中的至少一个。

8.如权利要求1所述的等离子切割系统，其中每个微控制器还配置成实时监测所述一个或多个操作参数。

9.如权利要求1所述的等离子切割系统，其中每个微控制器还配置成：

检测单相故障或过载电流故障中的一个或多个；以及

基于所述故障，独立于并且异步于所述多个自主切换电路中的所述其它自主切换电路来修改所述切换电路的控制参数；以及

向所述一个或多个控制处理器提供所述故障的指示。

10.如权利要求9所述的等离子切割系统，其中在经由所述多节点通信总线发射的一个或多个消息中，向所述一个或多个控制处理器提供所述故障的所述指示。

11.如权利要求1所述的等离子切割系统，其中所述多节点通信总线被配置成支持控制器区域网络CAN协议、CANOpen协议、用于控制自动化技术的以太网EtherCAT协议、设备网协议或SERCOS协议中的至少一个。

12.如权利要求1所述的等离子切割系统，其中所述一个或多个控制参数包括脉冲波调制PWM信号的频率、PWM信号的占空比、用于等离子弧点火的定时信号和关闭信号。

13.如权利要求1所述的等离子切割系统，其中所述多个自主切换电路中的每一个生成所述输出电流的相等部分。

14.如权利要求1所述的等离子切割系统，其中所述多个自主切换电路中的至少两个生成所述输出电流的不同部分。

15.一种等离子切割系统，包括：

等离子焊炬；

壳体；以及

电源，其设置在所述壳体内并且与所述等离子焊炬通信，所述电源配置成提供输出电流以用于由所述等离子焊炬生成和维持等离子切割弧，所述电源包括：

一个或多个控制处理器；以及

多个自主切换电路，其经由多节点通信总线与所述一个或多个控制处理器通信，其中所述多个自主切换电路中的每一个包括唯一标识符，所述多个自主切换电路中的每一个包括微控制器，所述微控制器配置成：

基于从所述一个或多个控制处理器接收的一个或多个消息来控制所述输出电流的一部分的所述生成；

监测所述自主切换电路的一个或多个操作参数；以及

当所述操作参数中的一个或多个超过预定阈值时，独立于并且异步于所述多个自主切换电路中的其它自主切换电路来修改所述自主切换电路的控制参数，

其中所述多个自主切换电路中的自主切换电路的所述唯一标识符基于下列中的一个或多个：(i)所述壳体内的所述自主切换电路的物理位置，(ii)安装在所述自主切换电路上的电键，(iii)DIP开关设定，或(iv)安装在所述自主切换电路上的一个或多个跳线。

16.一种等离子切割系统，包括：

等离子焊炬；

壳体；以及

电源，其设置在所述壳体内并且与所述等离子焊炬通信，所述电源配置成提供输出电流以用于由所述等离子焊炬生成和维持等离子切割弧，所述电源包括：

一个或多个控制处理器；以及

多个自主切换电路，其经由多节点通信总线与所述一个或多个控制处理器通信，所述多个自主切换电路中的每一个包括微控制器，所述微控制器配置成：

基于从所述一个或多个控制处理器接收的一个或多个消息来控制所述输出电流的一部分的所述生成，其中从所述一个或多个控制处理器接收的所述一个或多个消息包括用于所述自主切换电路的电流参考的设定点；

监测所述自主切换电路的一个或多个操作参数；以及

当所述操作参数中的一个或多个超过预定阈值时，独立于并且异步于所述多个自主切换电路中的其它自主切换电路来修改所述自主切换电路的控制参数。

17.如权利要求16所述的等离子切割系统，其中所述设定点对应于在临界斜升周期、稳态周期或斜降周期中的一个期间关于气体压力和时间的分布。

18.一种等离子切割系统，包括：

等离子焊炬；

壳体；以及

电源，其设置在所述壳体内并且与所述等离子焊炬通信，所述电源配置成提供输出电流以用于由所述等离子焊炬生成和维持等离子切割弧，所述电源包括：

一个或多个控制处理器；以及

多个自主切换电路，其经由多节点通信总线与所述一个或多个控制处理器通信，所述多个自主切换电路中的每一个包括微控制器，所述微控制器配置成：

基于从所述一个或多个控制处理器接收的一个或多个消息来控制所述输出电流的一部分的所述生成，其中由自主切换电路生成的所述输出电流的所述部分基于下列中的一个或多个：所述自主切换电路已经被操作的小时的数目、所述壳体内的所述自主切换电路的位置、由所述等离子切割系统执行的等离子切割操作的类型、由所述等离子切割系统执行的等离子切割操作的阶段以及所述自主切换电路的电流生成能力；

监测所述自主切换电路的一个或多个操作参数；以及

当所述操作参数中的一个或多个超过预定阈值时，独立于并且异步于所述多个自主切换电路中的其它自主切换电路来修改所述自主切换电路的控制参数。

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