DE112007002123T5

DE112007002123T5 - Bogenentladungsspannungsschätzung und Verwendung von Bogenentladungsspannungsschätzung in thermischen Prozessiersystemen

Info

Publication number: DE112007002123T5
Application number: DE112007002123T
Authority: DE
Inventors: Wayne Chin; John Miramonti; Norman Leblanc; Girish R. Kamath; Christopher S. Passage
Original assignee: Hypertherm Inc
Current assignee: Hypertherm Inc
Priority date: 2006-09-13
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2009-07-09
Also published as: WO2008033901A2; JP2010503539A; SE0950232L; WO2008033901A3; US20080083714A1

Abstract

Verfahren zum Regeln eines Prozessparameters eines thermischen Prozessiersystems, in welchem ein Schaltnetzteil einen Bogenentladungsstrom bereitstellt zum Erzeugen einer Plasma-Bogenentladung zwischen einer Plasma-Bogenentladungs-Brenner-Spitze und einem metallischen Werkstück, das Verfahren aufweisend:
• Schätzen einer Bogenentladungsspannung zwischen der Plasma-Bogenentladungs-Brenner-Spitze und dem metallischen Werkstück; und
• Regeln eines Prozessparameters des thermischen Prozessiersystems basierend auf der geschätzten Bogenentladungsspannung.

Description

HINTERGRUND
Plasma-Bogenentladungssysteme werden weit verbreitet verwendet zum thermischen Prozessieren metallischer Materialien inklusive Schneiden und Schweißen. Solche Plasma-Bogenentladungssysteme können eingerichtet sein zum automatischen Schneiden oder Schweißen eines metallischen Werkstücks. Im Allgemeinen kann ein Plasma-Bogenentladungs-Schneidsystem aufweisen einen Plasma-Bogenentladungs-Brenner, eine zugeordnete Energieversorgung, ein entferntes Hochfrequenz(Remote High Frequency, RHF)-Bediengerät, eine Gasversorgung, eine Positioniervorrichtung, einen Schneidtisch, einen Brenner-Höhenregler, und einen zugeordneten rechnergestützten numerischen Regler. 1 zeigt ein Beispiel eines Plasma-Bogenentladungssystems.
Im Betrieb platziert ein Nutzer ein Werkstück auf dem Schneidtisch und montiert den Plasma-Bogenentladungs-Brenner auf der Positioniervorrichtung, so dass eine relative Bewegung zwischen der Spitze des Brenners und dem Werkstück bereitgestellt wird und die Plasma-Bogenentladung entlang einem Verarbeitungspfad geführt wird. Der Nutzer stellt der rechnergestützten numerischen Regelung (Computerized Numeric Controller, CNC) einen Startbefehl bereit, so dass der Schneidprozess initiiert wird. Die CNC führt die Bewegung des Brenners und/oder des Schneidtischs exakt, so dass es ermöglicht wird, dass das Werkstück zu einem gewünschten Muster geschnitten wird. Die CNC ist in Kommunikation mit der Positioniervorrichtung. Die Positioniervorrichtung verwendet Signale von der CNC, um den Brenner entlang des gewünschten Schneidpfads zu führen. Positionsinformation wird von der Positioniervorrichtung zu der CNC zurückgegeben, so dass es der CNC ermöglicht wird, interaktiv mit der Positioniervorrichtung zu arbeiten, so dass ein exakter Schneidefad erhalten wird.
Die Energieversorgung stellt den elektrischen Strom bereit, der erforderlich ist zum Erzeugen der Plasma-Bogenendladung. Die Energieversorgung hat ein oder mehr DC-Energie-Module zum Erzeugen eines Konstantstroms für den Brenner. Typischerweise kann der Strom auf diskrete Werte eingestellt werden. Die Energieversorgung weist einen Mikroprozessor auf, der im Wesentlichen alle Plasmasystemfunktionen regelt, inklusive Startsequenz, CNC-Schnittstellenfunktionen, Gas- und Schneideparameter, und Beendigungssequenzen. Beispielsweise kann der Mikroprozessor den elektrischen Strom hochfahren (hochrampen) oder herunterfahren (herunterrampen). Das Haupt-Anschalten oder Haupt-Abschalten der Energieversorgung kann lokal oder entfernt gesteuert werden mittels der CNC. Die Energieversorgung beinhaltet ferner ein Kühlsystem zum Kühlen des Brenners.
Der Brenner-Höhenregler stellt die Höhe des Brenners relativ zu dem Werkstück ein. Der Brenner-Höhenregler weist typischerweise sein eigenes Regler-Modul auf zum Regeln einer Bogenentladungsspannung während des Schneidens, indem der Abstand eingestellt wird (das heißt der Abstand zwischen dem Brenner und dem Werkstück), so dass ein vorbestimmter Bogenentladungsspannungswert erhalten bleibt. Der Brenner-Höhenregler weist einen Heber auf, der von dem Regler-Modul mittels eines Motors geregelt wird, so dass der Brenner in einer vertikalen Richtung relativ zu dem Werkstück gleitet, so dass die gewünschte Spannung während des Schneidens aufrechterhalten wird.
Der Plasma-Bogenentladungs-Brenner weist im Allgemeinen einen Brennerkörper auf, eine Elektrode, die innerhalb des Körpers montiert ist, Passagen für Kühlfluid sowie Schneid- und Abschirmgase, einen Wirbelring zum Steuern des Fluidflussmusters, eine Düse mit einer zentralen Austrittsöffnung, und elektrische Verbindungen. Eine Abschirmung kann ebenso um die Düse herum vorgesehen sein zum Schützen der Düse und zum Bereitstellen eines Abschirmgasflusses zu dem Bereich neben der Plasma-Bogenentladung. Gase, die dem Brenner zugeführt werden, können nicht-reaktiv sein (beispielsweise Argon oder Stickstoff) oder reaktiv sein (beispielsweise Sauerstoff oder Luft).
Im Betrieb wird die Spitze des Brenners in der Nähe des Werkstücks positioniert mittels der Positioniervorrichtung. Eine Pilot-Bogenentladung wird zunächst zwischen der Elektrode (Kathode) und der Düse (Anode) erzeugt unter Verwendung beispielsweise eines hochfrequenten Signals hoher Spannung. Die Pilot-Bogenentladung ionisiert Gas von der Gas-Konsole, welches die Düsen-Austrittsöffnung passiert. Da das ionisierte Gas den elektrischen Widerstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück reduziert, überträgt sich die Bogenentladung von der Düse auf das Werkstück. Der Brenner wird in diesem Übertragungs-Plasma-Bogenentladungsmodus betrieben, welche charakterisiert wird von dem leitfähigen Fluss des ionisierten Gases von der Elektrode zu dem Werkstück, so dass das Werkstück geschnitten wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Thermische Prozessiersysteme, wie beispielsweise Laser- oder Plasma-Bogenentladungssysteme, werden beim Schneiden, beim Schweißen, bei der Hitzebehandlung und bei dem Verarbeiten metallischer Materialien häufig verwendet. Es gibt eine Anzahl von Prozessparametern, die in einem thermischen Prozessiersystem geregelt werden. Beispielsweise hängt bezogen auf Plasma-Bogenentladungssysteme die Qualität des Schnitts oder des Schweißens in dem Metall-Werkstück von dem Aufrechterhalten eines relativ konstanten Abstands zwischen der Spitze des Brenners und des metallischen Werkstücks ab. Dieser Abstand kann indirekt überwacht werden, indem die Bogenentladungsspannung zwischen der Brenner-Spitze und dem metallischen Werkstück erhalten wird. Je größer der Wert der Bogenentladungsspannung ist, umso größer ist der Abstand zwischen der Brenner-Spitze und dem Werkstück. Umgekehrt ist, je geringer der Wert der Bogenentladungsspannung ist, der Abstand zwischen der Brenner-Spitze und dem Werkstück umso geringer.
In vergangenen Systemen wird die Bogenentladungsspannung erhalten durch eine direkte Spannungsmessung zwischen der Spitze des Brenners und dem metallischen Werkstück. Beispielsweise ist 2 ein Diagramm, das ein Brenner-Höhenregelungssystem darstellt, welches eine Bogenentladungsspannung misst unter Verwendung einer Spannungsteiler-Baugruppe. Wie gezeigt weist ein Plasma- Bogenentladungs-Regler 50 auf einen Energie-Block 58, welcher unter der Kontrolle eines zugeordneten Energie-Regler-Blocks 56 ist. Der Energie-Block 58 gibt einen Strom I_ARC aus zum Erzeugen einer Plasma-Bogenentladung zwischen der Spitze des Plasma-Bogenentladungs-Brenners und einem metallischen Werkstück. Der Ausgangsstrom I_ARC wird durch die Eingabe/Ausgabe(E/A)-Baugruppe 54 mittels Kabelleitungen (nicht dargestellt) einer Elektrode zugeführt, die innerhalb des Brenners 10 enthalten ist.
Zum Messen der Bogenentladungsspannung zwischen der Spitze des Plasma-Bogenentladungs-Brenners und dem metallischen Werkstück weist der Plasma-Bogenentladungs-Regler 50 eine Spannungsteiler-Baugruppe 52 auf, die intern mit der E/A-Baugruppe 54 gekoppelt ist. Die E/A-Baugruppe 54 ist extern mittels Kabelleitungen (nicht dargestellt) gekoppelt mit der Spitze des Brenners 10 und dem metallischen Werkstück 20. Die Spannungsteiler-Baugruppe 52 misst die Spannungsdifferenz zwischen Spannungen V_T und V_W zum Messen der Bogenentladungsspannung V_ARC. Typischerweise weist die Spannungsteiler-Baugruppe 52 ein Widerstands-Netzwerk auf und andere komplexe Schaltkreise, die die tatsächliche Bogenentladungsspannung aus einem Bereich von beispielsweise 0–350 Volt auf 0–10 Volt skalieren.
Die Bogenentladungsspannungs-Messung wird dann zu dem Brenner-Höhenregler 42 übertragen über jede geeignete Kommunikationsverbindung inklusive serieller Kommunikationsverbindung und analoger Kommunikationsverbindung. In 2 ist der Brenner-Höhenregler dargestellt als eine integrale Komponente der rechnergestützten numerischen Reglerschnittstelle (CNC) 40. In anderen Ausführungsformen kann der Brenner-Höhenregler eine separate Komponente sein. Basierend auf der Bogenentladungsspannungs-Messung ermittelt der Brenner-Höhenregler 42 die Höhe des Brenners relativ zu dem Werkstück, vergleicht die aktuelle Brennerhöhe mit einer voreingestellten Höhenreferenz und führt dann Befehlssignale durch die CNC 40 zu der Positioniervorrichtung 30. In Reaktion darauf erniedrigt oder erhöht die Positioniervorrichtung 30 den Brenner 10, um eine konstante Distanz von dem Werkstück 20 aufrechtzuerhalten.
Ein Nachteil einer direkten Messung von einer Bogenentladungsspannung unter Verwendung einer Spannungsteiler-Baugruppe sind die Kosten und in einigen Fällen das Einführen von Transientenrauschen, das zum Beispiel die Stabilität des Brenner-Höhenreglers beeinflussen kann.
Gemäß einem Aspekt sind ein System und ein Verfahren bereitgestellt zum Regeln eines Prozessparameters eines thermischen Prozessiersystems, in dem ein Schaltnetzteil einen Bogenentladungsstrom bereitstellt zum Erzeugen einer Plasma-Bogenentladung zwischen einer Plasma-Bogenentladungs-Spitze und einem metallischen Werkstück. Das System und das Verfahren weisen eine Struktur oder Schritte auf zum Schätzen einer Bogenentladungsspannung zwischen der Plasma-Bogenentladungs-Brenner-Spitze und dem metallischen Wertstück und zum Regeln des Prozessparameters basierend auf der geschätzten Bogenentladungsspannung. Beispielsweise können bestimmte Ausführungsformen aufweisen ein Anpassen der Höhe eines Plasma-Brenners basierend auf einer geschätzten Bogenentladungsspannung.
Gemäß einer ersten Ausführungsform, in der das Schaltnetzteil einen Ausgangs-Induktor aufweist, wird die Bogenentladungsspannung geschätzt basierend auf einer Durchschnittsspannung, die an den Eingang des Induktors angelegt wird. Gemäß einer zweiten Ausführungsform wird die Bogenentladungsspannung geschätzt basierend auf der Differenz zwischen einer Durchschnittsspannung, die an den Eingang des Induktors angelegt wird, und einem Spannungsabfall entlang des Induktors. Gemäß einer dritten Ausführungsform wird die Bogenentladungsspannung geschätzt, indem ein zeitvariierendes Profil erwarteter Variationen in der Bogenentladungsspannung erhalten wird und die Bogenentladungsspannung aus einem Modell geschätzt wird, welches Veränderungen in dem Bogenentladungsstrom durch den Induktor repräsentiert. Das Modell kann basieren auf einer Durchschnittsspannung, die an einen Eingang des Induktors angelegt wird, und dem zeitvariierenden Profil von erwarteten Variationen in der Bogenentladungsspannung.
Gemäß einem anderen Aspekt werden ein System und Verfahren bereitgestellt zum Schätzen einer Bogenentladungsspannung in einem thermischen Prozessiersystem, in dem ein Schaltnetzteil einen Bogenentladungsstrom bereitstellt zum Erzeugen einer Plasma-Bogenentladung zwischen einer Plasma-Bogenentladungs-Brenner-Spitze und einem metallischen Werkstück.
Gemäß einer ersten Ausführungsform wird die Bogenentladungsspannung geschätzt, indem ein Tastverhältnis des Schaltnetzteils erhalten wird; indem ein Wert erhalten wird, welcher eine DC-Eingangsspannung des Schaltnetzteils repräsentiert; und indem die Bogenentladungsspannung zwischen der Plasma-Bogenentladungs-Brenner-Spitze und dem metallischen Werkstück geschätzt wird basierend auf einer Kombination des Tastverhältnisses des Schaltnetzteils und dem Wert, welcher die DC-Eingangsspannung des Schaltnetzteils repräsentiert. Die Kombination kann eine Summe oder ein Produkt sein. Das Tastverhältnis des Schaltnetzteils kann berechnet werden basierend auf einem Verhältnis eines abgetasteten Fehlersignals zu einem Spitzenwert eines Trägerwellensignals, wobei das abgetastete Fehlersignal einen Messwert des Bogenentladungsstroms mit einer voreingestellten Stromreferenz vergleicht. Der Wert, welcher die DC-Eingangsspannung des Schaltnetzteils repräsentiert, kann beispielsweise gemessen werden oder abgeleitet werden von einer AC-Eingangsspannung. Der Wert, welcher eine Eingangsspannung des Schaltnetzteils repräsentiert, enthaltend sowohl AC- als auch DC-Werte, kann skaliert werden.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform, in welcher das Schaltnetzteil einen Ausgangs-Induktor aufweist, wird die Bogenentladungsspannung geschätzt, indem eine Durchschnittsspannung erhalten wird, welche an einen Eingang des Induktors angelegt wird; indem ein Wert erhalten wird, der einem Spannungsabfall entlang des Induktors entspricht; und indem die Bogenentladungsspannung geschätzt wird basierend auf der Differenz zwischen der angelegten Durchschnittsspannung und dem Spannungsabfall. Die Durchschnittsspannung, welche an den Eingang des Induktors angelegt wird, kann auf dem Produkt des Tastverhältnisses des Schaltnetzteils und einem Wert, welcher die DC-Eingangsspannung des Schaltnetzteils repräsentiert, basieren. Der Spannungsabfall entlang des Induktors kann erhalten werden basierend auf einer zeitvariierenden Veränderung in dem Strom durch den Induktor.
Gemäß einer dritten Ausführungsform, in welcher das Schaltnetzteil einen Ausgangs-Induktor aufweist, wird die Bogenentladungsspannung geschätzt, indem ein zeitvariierendes Profil von erwarteten Variationen der Bogenentladungsspannung erhalten wird; indem eine Durchschnittsspannung erhalten wird, welche an einen Eingang des Induktors angelegt wird; und indem die Bogenentladungsspannung geschätzt wird aus einem Modell, welches Veränderungen in dem Bogenentladungsstrom durch den Induktor repräsentiert. Das Modell kann basieren auf einer Durchschnittsspannung, welche angelegt wird an den Eingang des Induktors, und dem zeitvariierenden Profil von erwarteten Variationen der Bogenentladungsspannung. Das zeitvariierende Profil kann eine mathematische oder statistische Repräsentation von erwarteten Variationen in der Bogenentladungsspannung sein.
Gemäß einem anderen Aspekt wird ein bestimmtes System zum Regeln eines Prozessparameters eines thermischen Prozessiersystem bereitgestellt. Das System weist auf ein Schaltnetzteil, welches einen Bogenentladungsstrom bereitstellt zum Erzeugen einer Plasma-Bogenentladung zwischen einer Plasma-Bogenentladungs-Brenner-Spitze und einem metallischen Werkstück; ein Bogenentladungsspannung-Schätz-Modul, welches eine Bogenentladungsspannung schätzt zwischen der Plasma-Bogenentladungs-Brenner-Spitze und dem metallischen Werkstück; und einen Prozessregler, welcher einen Prozessparameter des thermischen Prozessiersystems regelt basierend auf der geschätzten Bogenentladungsspannung. Der Prozessregler kann ein Brenner-Höhenregler sein, welche die Höhe eines Plasma-Bogenentladungs-Brenners einstellt basierend auf der geschätzten Bogenentladungsspannung.
Gemäß einer ersten Ausführungsform schätzt das Bogenentladungsspannung-Schätz-Modul die Bogenentladungsspannung basierend auf einer Durchschnittsspannung, welche an den Eingang des Induktors angelegt wird. Gemäß einer zweiten Ausführungsform schätzt das Bogenentladungsspannung-Schätz-Modul die Bogenentladungsspannung basierend auf der Differenz zwischen einer Durchschnittsspannung, welche an den Eingang des Induktors angelegt wird, und einem Spannungsabfall entlang des Induktors. Gemäß einer dritten Ausführungsform schätzt das Bogenentladungsspannung-Schätz-Modul die Bogenentladungsspannung aus einem Modell, welches Veränderungen in dem Strom durch den Induktor repräsentiert, wobei das Modell basiert auf einer Durchschnittsspannung, welche an einen Eingang des Induktors angelegt wird, und einem zeitvariierenden Profil von erwarteten Variationen in der Bogenentladungsspannung.
In jeder der Ausführungsformen kann das Schaltnetzteil basieren auf einer Aufwärtswandler-, Abwärtswandler-, oder Abwärtswandler-/Aufwärtswandler-Schaltkreis-Topologie, inklusive Variationen derselben.
KURZBESCHREIBUNG VON FIGUREN
1 zeigt ein Beispiel eines Plasma-Bogenentladungssystems.
2 ist ein Diagramm, welches ein Brenner-Höhenregelungssystem darstellt, das die Bogenentladungsspannung misst unter Verwendung einer Spannungsteiler-Baugruppe.
3 ist ein Diagramm, welches ein Brenner-Höhenregelungssystem darstellt, das die Bogenentladungsspannung mittels einer Bogenentladungsspannung-Schätztechnik erhält.
4 ist ein Schaltkreisdiagramm des Energie-Regler-Blocks, welcher ein Bogenentladungsspannung-Schätz-Modul aufweist.
5A und 5B sind Signaldiagramme, welche ein Gate-Signal über einen Zyklus repräsentiert für ein beispielhaftes Fehlersignal und Trägersignal.
6 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein Verfahren zur Bogenentladungsspannungsschätzung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
7 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein Verfahren zur Bogenentladungsspannungsschätzung gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt.
8 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein Verfahren zur Bogenentladungsspannungsschätzung gemäß der dritten Ausführungsform darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Gemäß einem Aspekt werden ein System und ein Verfahren bereitgestellt zum Regeln eine Prozessparameters eines thermischen Prozessiersystems mittels Schätzens einer Bogenentladungsspannung zwischen der Spitze des Plasma-Bogenentladungs-Brenners und einem metallischen Werkstück, und Regelns des Prozessparameters basierend auf der geschätzten Bogenentladungsspannung. Beispielsweise können bestimmte Ausführungsformen aufweisen ein Einstellen der Höhe eines Plasma-Brenners basierend auf einer geschätzten Bogenentladungsspannung.
Gemäß einem anderen Aspekt werden ein System und ein Verfahren bereitgestellt zum Schätzen einer Bogenentladungsspannung in einem thermischen Prozessiersystem, welches aufweist ein Schaltnetzteil zum Bereitstellen eines Bogenentladungsstroms zum Erzeugen einer Plasma-Bogenentladung zwischen der Spitze des Plasma-Bogenentladungs-Brenners und einem metallischen Werkstück.
3 ist ein Diagramm, welches ein Brenner-Höhenregelungssystem darstellt, welches die Bogenentladungsspannung erhält mittels einer Bogenentladungsspannung-Schätz-Technik. Obwohl Brenner-Höhenregelung eine Anwendung einer Bogenentladungsspannungsschätzung ist, können andere Ausführungsformen Bogenentladungsspannungsschätzungen verwenden zum Regeln anderer Prozessparameter in einem thermischen Prozessiersystem. Ein Unterschied zwischen 3 und 2 ist, dass der Plasma-Bogenentladungs-Regler 50 einen modifizierten Energie-Regler-Block 60 aufweist, der ein Bogenentladungsspannung-Schätz-Modul 62 enthält. Das Bogenentladungsspannung-Schätz-Modul 62 verwendet Informationen, die es von dem Energie-Block 58 und dem Energie-Regler-Block 60 zum Schätzen der Bogenentladungsspannung erhält.
4 ist ein Schaltkreisdiagramm des Energie-Regler-Blocks, der aufweist ein Bogenentladungsspannung-Schätz-Modul. Wie dargestellt weist der Schaltkreis 100 einen Pulsweitenmodulations(PWM)-Regler-Schaltkreisblock 200 auf, der mit einem Energie-Schaltkreisblock 300 gekoppelt ist. Der Energie-Schaltkreisblock 300 ist ein Schaltnetzteil, das eine ungeregelte DC-Eingangsspannungsquelle V_IN aufweist, eine Leistungstransistor-Schaltdiode-Kombination Q1, D1, einen Ausgansfilter-Induktor L1 und eine Plasma-Bogenentladungslast R_LD. Der Energie-Schaltkreisblock 300 wird betrieben als ein Standard-Chopper derart, dass der Ausgangsstrom I_ARC durch die Bogenentladungslast R_LD abhängt von dem Tastverhältnis des Schalters Q1. Obwohl der Energie-Schaltkreisblock 300 als ein Abwärtswandler dargestellt ist, können andere Ausführungsformen andere Schaltkreis-Topologien aufweisen, inklusive Aufwärtswandler, Abwärts-/Aufwärtswandler, und Variationen derselben. Beispielsweise ist ein Inverter eine Form eines Abwärtswandlers.
Der PWM-Regler-Schaltkreisblock 200 stellt ein Gate-Signal T3PWM dem Schalter Q1 bereit zum Regeln seines Tastverhältnisses, und somit des Ausgangsstroms I_ARC durch die Plasma-Bogenentladungslast R_LD. Wie gezeigt weist der PWM-Regler-Block 200 einen Stromreferenzblock 210 auf, einen Fehler-Regler-Block 220, einen Rückkopplungs-Stromsensor 240, einen PWM-Komparatorblock 230, und ein Bogenentladungsspannung-Schätz-Modul 250.
Ein Betreiber des Systems setzt Block 210 manuell auf eine gewünschte Stromreferenz I_REF, bei der der Ausgangsstrom I_ARC konstant gehalten werden soll. Der Ausgangsstrom I_ARC wird überwacht unter Verwendung des Stromsensors 240, wie beispielsweise einem Hall-Stromsensor. Der Stromsensor 240 überträgt einen Rückkopplungs-Strom I_FB zu einem Eingang des Fehler-Regler-Blocks 220. Der Fehler-Regler-Block 220 kann implementiert sein beispielsweise als ein Standard-Proportional-Integral-Differentialregler (PID-Regler), der einem Fachmann bekannt ist. Der Fehler-Regler-Block 220 vergleicht den Rückkopplungs-Strom I_FB mit der gewünschten Stromreferenz I_REF und gibt ein Modulations-Fehlersignal, Fehler, aus.
Das Fehlersignal, Fehler, wird dann dem PWM-Komparatorblock 230 eingegeben, wo es abgetastet wird und verwendet wird zum Erzeugen des geeigneten Gate-Signals T3PWM, welches das Tastverhältnis des Schaltnetzteils 300 einstellt, womit der Fehler in dem Ausgangsstrom korrigiert wird. Der PWM-Komparatorblock 230 und das Bogenentladungsspannung-Schätz-Modul 250 können realisiert sein unter Verwendung eines digitalen Signal-Prozessors (DSP), wie beispielsweise TMS320LF2407A von Texas Instruments. Diese Regler-Blöcke können ebenso realisiert sein unter Verwendung einer Kombination von einem oder mehr geeignet programmierten oder dedizierten Prozessoren (beispielsweise einem Mikroprozessor oder Mikrokontroller), hartverdrahteter Logik, einem applikationsspezifischen integrierten Schaltkreis (Applikation Specific Integrated Circuit, ASIC), oder einer programmierbaren Logikeinrichtung (Programmable Logic Device, PLD) (beispielsweise feldprogrammierbares Gate-Array (Field Programmable Gate Array, FPGA)), und dergleichen.
Um das geeignete Gate-Signal T3PWM zu erzeugen vergleicht der PWM-Komparatorblock 230 eine momentane Fehlerabtastung T3CMPR mit einem Trägerwellensignal T3CNT. Das Trägerwellensignal kann erzeugt werden als eine Sägezahn- oder Dreieck-Trägerwelle mit ihrer Frequenz in einem Bereich irgendwo von hunderten von Hertz bis Megahertz abhängig von der Anwendung. In einer Plasma-Schneide-Anwendung ist die Frequenz des Trägerwellensignals typischerweise um 15 kHz. Der Komparator verstärkt die Differenz zwischen den zwei Signalen und erzeugt ein Gate-Signal T3PWM, dessen Durchschnittswert über einen Schaltzyklus des Trägerwellensignals T3CNT gleich ist der momentanen Fehlerabtastung T3CMPR. Das Anlegen des Gate-Signals an den Schalter Q1 stellt das Tastverhältnis zum Treiben und Aufrechterhalten des Ausgangsstroms I_ARC bei einem gewünschten Stationärer-Zustand-Wert ein.
5A und 5B sind Signal-Diagramme, welche ein Gate-Signal T3PWM über einen Zyklus für ein beispielhaftes Fehlersignal und ein beispielhaftes Trägersignal, T3CMPR, T3CNT repräsentieren. Die Spitze des Zeitsteuerungssignals T3CNT wird bezeichnet mit T3PR. In diesem Beispiel ist der Ausgangsstrom I_ARC kleiner als die Stromreferenz I_REF, resultierend in einer momentanen Fehlerabtastung T3CMPR, wie in 5A gezeigt. Um diesen Fehler zu korrigieren vergleicht der PWM-Komparatorblock 230 die Fehlerabtastung T3CMPR mit dem Trägerwellensignal T3CNT. Für einen Schaltzyklus erzeugt der Komparatorblock 230 Pulse T3PWM, während der Wert der Fehlerabtastung T3CMPR größer ist als der inkrementierte Wert des Trägerwellensignals T3CNT. Diese Pulse werden, wie in 5B gezeigt, verwendet zum Aktivieren und Deaktivieren des Schalters Q1 des Schaltnetzteils 300. Indem der Schalter Q1 auf diese Weise AN- und AUS-geschaltet wird, kann das Tastverhältnis des Schaltnetzteils eingestellt werden zum Korrigieren und Aufrechterhalten des Ausgangsstroms bei der gewünschten Stromreferenz.
Gemäß einer ersten Ausführungsform basiert das Verfahren zur Bogenentladungsspannungsschätzung auf dem Prinzip, dass der Induktor-Spannungsabfall null ist bei konstantem Bogenentladungsstrom I_ARC. Dies impliziert, dass die Durchschnitts-DC-Spannung an dem Eingang des Induktors L1 gleich ist dem Durchschnittswert der Bogenentladungsspannung. V_ARC. Somit kann eine Schätzung der Durchschnitts-Bogenentladungsspannung V_ARC ermittelt werden, indem das Produkt des Stationärer-Zustand-Tastverhältnisses D_SS des Schalters Q1 und einer DC-Eingangsspannung V_IN berechnet wird gemäß Gleichung (1): VARC = DSS·VIN (1)
Wie dem Fachmann bekannt ist, ist es ebenso möglich, das Produkt als eine Summe zu implementieren.
6 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein Verfahren zur Bogenentladungsspannungsschätzung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt. In Schritt 400 erhält das Bogenentladungsspannung-Schätz-Modul 250 das Stationärer-Zustand-Tastverhältnis D_SS des Schaltnetzteils. Das Stationärer-Zustand-Tastverhältnis D_SS kann berechnet werden als das Verhältnis einer momentanen Fehlerabtastung T3CMPR zu der Spitze des Trägerwellensignals T3PR. Beispielsweise beträgt das Stationärer-Zustand-Tastverhältnis D_SS 50%, wenn die Spitze des Trägerwellensignals 1070 beträgt und die momentane Fehlerabtastung T3CMPR einem Zählerwert 535 entspricht.
Im Schritt 410 erhält das Bogenentladung-Schätz-Modul 250 die DC-Eingangsspannung V_IN. Wie in 4 gezeigt kann das Bogenentladungsspannung-Schätz-Modul 250 die DC-Eingangsspannung V_IN mittels einer Verzweigung 300a erhalten. Da die ungeregelte DC-Eingangsspannung V_IN einen Betrag aufweisen kann in dem Bereich von hunderten von Volt kann ein Signal-Konditionier-Schaltkreis 310 verwendet werden zum Herunterskalieren der Spannung V_IN auf eine Spannung, die geeignet ist zur Verarbeitung mittels des Bogenentladungsspannung-Schätz-Moduls 250.
Die DC-Eingangsspannung V_IN kann auch bestimmt werden aus der Eingangs-AC-Spannung V_ACIN (nicht gezeigt). Die Eingangs-AC-Spannung V_ACIN ist eine AC-Spannung, von der die DC-Eingangsspannung V_IN abgeleitet werden kann, beispielsweise mittels einer Gleichrichterstufe. Das Bogenentladungsspannung-Schätz-Modul 250 kann die DC-Eingangsspannung V_IN aus dem Spitzenwert der Eingangs-AC-Spannung V_ACIN ermitteln. Die DC-Eingangsspannung V_IN kann auch abgeleitet werden von dem Effektivwert (Root Means Square Value, RMS) der Eingangs-AC-Spannung V_ACIN. Andere Verfahren zum Umwandeln einer Eingangs-AC-Spannung zu einer DC-Eingangsspannung können ebenfalls implementiert werden. Da die Eingangs-AC-Spannung V_ACIN einen Betrag in dem Bereich von hunderten von Volt aufweisen kann, wird ein Signal-Konditionier-Schaltkreis 310 verwendet zum Herunterskalieren der Eingangs-AC-Spannung V_ACIN auf eine Spannung, die geeignet ist, um von dem Bogenentladungsspannung-Schätz-Modul 250 verarbeitet zu werden.
In Schritt 420 von 6 berechnet das Bogenentladungs-Schätz-Modul 250 die Bogenentladungsspannungs-Schätzung V_ARC als das Produkt des Tastverhältnisses D_SS des Schaltnetzteils und der DC-Eingangsspannung V_IN. Obwohl diese Schätzung der Bogenentladungsspannung V_ARC die gleiche oder nicht die gleiche Genauigkeit liefern kann wie es eine direkte Messung der Bogenentladungsspannung tun könnte, ist sie geeignet für den Zweck bestimmter Anwendungen, inklusive Brenner-Höhenregelung, in dem Sinne dass es das Transientenrauschen, welches Jitter oder andere Instabilität erzeugen könnte, herausfiltert. In anderen Anwendungen wie beispielsweise in Bogenentladungsstrom-Regelungsanwendungen, kann eine höhere Genauigkeit in der Schätzung der Bogenentladungsspannung erforderlich sein. Ein Beispiel einer Stromregelung, die eine Bogenentladungsspannungsschätzung verwendet, ist in der parallel anhängigen US-Patentanmeldung Nr. _____ (Anwalts-Aktenzeichen HYP-068) mit dem Titel "Lineare Induktanz-basierte Regelung von geregelten elektrischen Eigenschaften in einem Schaltnetzteil eines thermischen Prozessiersystems" (LINEAR INDUCTANCE BASED CONTROL OF REGULATED ELECTRICAL PROPERTIES IN A SWITCH MODE POWER SUPPLY OF A THERMAL PROCESSING SYSTEM), gleichzeitig mit der vorliegenden angemeldet, offenbart. Die gesamten Lehren der obigen Anmeldung sind mittels Bezugnahme in diese einbezogen.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform berücksichtigt das Verfahren zur Bogenentladungsspannungsschätzung zusätzlich den Spannungsabfall in dem Induktor gemäß der unten dargestellten Gleichung (2).
7 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein Verfahren zur Bogenentladungsspannungsschätzung gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt. Schritte 500, 510 und 520 sind gleich den jeweiligen Schritten 400, 410 beziehungsweise 420, wie sie zuvor in 6 beschrieben worden sind. In Schritt 530 berechnet das Bogenentladungsspannung-Schätz-Modul 250 den Spannungsabfall entlang des Induktors L1 aus dem Produkt seiner Induktanz und der Veränderung in dem Ausgangsstrom I_ARC. Gleichung (2), welche eine stetige lineare Gleichung ist, kann diskretisiert werden unter Verwendung von Strömen und Spannungen, die mit einer regelmäßigen Zeitbasis abgetastet werden. Beispielsweise kann Gleichung (2) transformiert werden in eine diskrete Darstellung für die Bogenentladungsspannung, indem die folgende Substitution durchgeführt wird:
wobei die Stromabtastung I_S eine aktuelle Abtastung des Induktorstroms ist, die Stromabtastung I_S·z^–1 eine vorangegangene Abtastung des Induktorstroms ist, und L die Induktivität des Induktors L1 ist. In diesem Beispiel ist Gleichung (2) diskretisiert unter Verwendung einer Rückwärts-Euler-Transformation. Jedoch können andere Diskretisierungs-Transformationen, die dem Fachmann bekannt sind, ebenfalls verwendet werden. Eine andere Diskretisierungs-Transformation ist beispielsweise die Tustin-Transformation (auch bezeichnet als die "Bilineare-Z"-Transformation). Andere Substitutionen können möglich sein.
In Schritt 540 berechnet das Bogenentladungsspannung-Schätz-Modul 250 die Schätzung der Bogenentladungsspannung V_ARC basierend auf der Differenz zwischen der Spannung, die an den Eingang des Induktors L1 angelegt worden ist, aus Schritt 520, und dem berechneten Spannungsabfall entlang des Induktors aus Schritt 530. Zum Beispiel kann nach Substitution von Gleichung (3) in Gleichung (2) die Bogenentladungsspannungsschätzung V_ARC erhalten werden aus dem Folgenden:
Gleichung (4) stellt eine genaue Schätzung der Bogenentladungsspannung bereit, sie ist jedoch in der Praxis zu empfindlich bezüglich Rauschens in der Strommessung I_S und benötigt eine Tiefpassfilterung, welche die Schätzung erheblich beeinflusst. Auch nimmt Gleichung (4) implizit an, dass die Ausgangsspannung sich so langsam verändert, dass sie im Wesentlichen konstant ist über die PWM-Schaltperiode hinweg und eine plötzliche stufenförmige Veränderung vornimmt zu dem Abtastzeitpunkt. In dem Fall von Plasma-Bogenentladungslasten gilt diese Annahme im Allgemeinen nicht. Die Spannung entlang einer Plasma-Bogenentladung kann eher hochdynamisch sein mit schnellen Veränderungen relativ zu typischen PWM-Schaltperioden.
Gemäß einer dritten Ausführungsform kann die Genauigkeit der Bogenentladungsspannungsschätzung zusätzlich verbessert werden, indem mit der Annahme gestartet wird, dass sich die Bogenentladungsspannung V_ARC während der PWM-Schaltperiode verändert. Viele unterschiedliche Profile können angenommen werden für die Veränderung in der Bogenentladungsspannung V_ARC inklusive einem linearen, einem parabolischen, einem exponentiellen Profil, als Beispiel.
8 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein Verfahren zur Bogenentladungsspannungsschätzung gemäß der dritten Ausführungsform darstellt. Die Schritte 600, 610 und 620 sind gleich den jeweiligen Schritten 400, 410 beziehungsweise 420, wie sie in 6 zuvor beschrieben worden sind. In Schritt 630 erhält das Bogenentladungsspannung-Schätz-Modul 250 ein zeitvariierendes Profil, welches eine erwartete Variation in der Bogenentladungsspannung repräsentiert. Solche Variationen können modelliert werden als linear, parabolisch, exponentiell, oder unter Verwendung einer beliebigen anderen mathematischen oder statistischen Repräsentation.
In Schritt 640 modelliert das Bogenentladungsspannung-Schätz-Modul 250 die Veränderung in dem Bogenentladungsstrom durch den Induktor basierend auf der Spannung, die an den Eingang des Induktors angelegt wird, und dem zeitvariierenden Profil der erwarteten Variationen in der Bogenentladungsspannung. In Schritt 650 leitet das Bogenentladungsspannung-Schätz-Modul 250 ein Modell der Bogenentladungsspannung ab basierend auf dem Modell der Veränderung in dem Bogenentladungsstrom durch den Induktor. In Schritt 660 berechnet das Bogenentladungsspannung-Schätz-Modul 250 die Bogenentladungsspannungsschätzung von dem in Schritt 650 abgeleiteten Modell.
Obwohl es darauf nicht beschränkt ist, ist das Folgende ein Beispiel eines Verfahrens zum Schätzen der Bogenentladungsspannung gemäß der dritten Ausführungsform. Nur für den Zweck eines Beispiels wird hierin angenommen, dass die Bogenentladungsspannung linear variiert über die PWM-Schaltperiode hinweg. Jedoch kann, wie oben diskutiert wurde, die Variation in der Bogenentladungsspannung über die Zeit modelliert werden als linear, parabolisch, exponentiell oder unter Verwendung einer beliebigen anderen mathematischen oder statistischen Repräsentation.

Die folgende Tabelle weist eine Beschreibung von Ausdrücken auf, die im folgenden Beispiel zum Schätzen der Bogenentladungsspannung gemäß der dritten Ausführungsform diskutiert werden. Tabelle 1

I_Abtastung oder I_S oder I_S·z⁰	Gegenwärtige Stromabtastung
z^–1	Zeitverzögerungsoperator, welcher eine Zeitverzögerung von "T" Sekunden bezeichnet
I_s·z^–1	Stromabtastung, die der gegenwärtigen aktuellen Abtastung vorangeht
D	Tastverhältnis der Strom-Schaltperiode
L	Induktivität in Henry.
T	Schaltperiode in Sekunden.
V_arc	Bogenentladungsspannungsschätzung
V_IN	Eingangs-DC-Spannung
V_angelegt	Durchschnittsspannung, angelegt an den Eingang des Induktors und die Last

Eine einzelne Schaltperiode beginnt mit einer Stromabtastung und endet mit einer Stromabtastung. Die Durchschnittsspannung, die an den Ausgangsschaltkreis angelegt wird (das heißt den Induktor und die Last) ist: Vangelegt = D·VIN (1)
Die Basisgleichung für die Spannung entlang dem Induktor ist:
Mit Umwandeln in eine diskrete Form erhalten wir:
Die Veränderung in der Bogenentladungsspannung zwischen Abtast-Zeitpunkten ist: ΔVarc = Varc – Varc·z–1 = Varc·(1 – z–1) (4)
Die Rate der Veränderung der Bogenentladungsspannung ist:
Die Veränderung in dem Bogenentladungsstrom zwischen Abtast-Zeitpunkten ist: ΔIS = IS – IS·z-1 = IS·(1 – z–1) (6)
Bei Annahme einer linear gleichförmigen Veränderung der Bogenentladungsspannung:
Vereinfachend:

Rücksubstituieren ΔVarc = Varc·(1 – z–1): (11)
Lösen nach VARC:
Lösen nach einer rekursiven, implementierbaren Form:
Diese Technik ist erweiterbar auf andere Modelle des Bogenentladungsspannung-Verhaltens inklusive beispielsweise parabolische Modelle, in denen die Bogenentladungsspannung mit t² variiert.
Hinsichtlich aller Ausführungsformen kann ein oder können mehr der beschriebenen Schritte kombiniert werden, wie dem Fachmann bekannt.
Während in dieser Erfindung insbesondere gezeigt und beschrieben worden ist mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen derselben wird ein Fachmann verstehen, dass verschiedene Veränderungen in Form und Details darin gemacht werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, wie er von den beigefügten Ansprüchen umfasst ist.
Zusammenfassung
Bogenentladungsspannungsschätzung und Verwendung von Bogenentladungsspannungsschätzung in thermischen Prozessiersystemen
Ein System und ein Verfahren werden bereitgestellt zum Regeln eines Prozessparameters eines thermischen Prozessiersystems mittels Schätzens einer Bogenentladungsspannung zwischen einer Plasma-Bogenentladungs-Brenner-Spitze und einem metallischen Werkstück, und Regelns des Prozessparameters basierend auf der geschätzten Bogenentladungsspannung. Besondere Ausführungsformen weisen auf ein Einstellen der Höhe eines Plasma-Brenners basierend auf der geschätzten Bogenentladungsspannung. Ferner werden ein System und ein Verfahren bereitgestellt zum Schätzen einer Bogenentladungsspannung in einem thermischen Prozessiersystem, in welchem ein Schaltnetzteil einen Bogenentladungsstrom bereitstellt zum Erzeugen eine Plasma-Bogenentladung zwischen einer Plasma-Bogenentladungs-Brenner-Spitze und einem metallischen Werkstück.

Claims

Verfahren zum Regeln eines Prozessparameters eines thermischen Prozessiersystems, in welchem ein Schaltnetzteil einen Bogenentladungsstrom bereitstellt zum Erzeugen einer Plasma-Bogenentladung zwischen einer Plasma-Bogenentladungs-Brenner-Spitze und einem metallischen Werkstück, das Verfahren aufweisend: • Schätzen einer Bogenentladungsspannung zwischen der Plasma-Bogenentladungs-Brenner-Spitze und dem metallischen Werkstück; und • Regeln eines Prozessparameters des thermischen Prozessiersystems basierend auf der geschätzten Bogenentladungsspannung.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Regeln des Prozessparameters aufweist: Einstellen der Höhe eines Plasma-Bogenentladungs-Brenners basierend auf der geschätzten Bogenentladungsspannung.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Schaltnetzteil einen Ausgangs-Induktor aufweist, wobei das Verfahren ferner aufweist: Schätzen der Bogenentladungsspannung basierend auf einer Durchschnittsspannung, die an den Eingang des Induktors angelegt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Schaltnetzteil einen Ausgangs-Induktor aufweist, wobei das Verfahren ferner aufweist: Schätzen der Bogenentladungsspannung basierend auf der Differenz zwischen einer Durchschnittsspannung, die an den Eingang des Induktors angelegt wird, und einem Spannungsabfall entlang des Induktors.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Schaltnetzteil einen Ausgangs-Induktor aufweist, wobei das Verfahren ferner aufweist: • Erhalten eines zeitvariierenden Profils von erwarteten Variationen in der Bogenentladungsspannung; und • Schätzen der Bogenentladungsspannung aus einem Modell, welches Änderungen in dem Bogenentladungsstrom durch den Induktor repräsentiert, wobei das Modell basiert auf einer Durchschnittsspannung, die an einen Eingang des Induktors angelegt wird, und dem zeitvariierenden Profil von erwarteten Variationen in der Bogenentladungsspannung.
Verfahren zum Schätzen einer Bogenentladungsspannung in einem thermischen Prozessiersystem, in welchem ein Schaltnetzteil einen Bogenentladungsstrom bereitstellt zum Erzeugen einer Plasma-Bogenentladung zwischen einer Plasma-Bogenentladungs-Brenner-Spitze und einem metallischen Werkstück, das Verfahren aufweisend: • Erhalten eines Tastverhältnisses des Schaltnetzteils; • Erhalten eines Werts, der eine DC-Eingangsspannung des Schaltnetzteils repräsentiert; und • Schätzen der Bogenentladungsspannung zwischen der Bogenentladungs-Brenner-Spitze und dem metallischen Werkstück basierend auf einer Kombination des Tastverhältnisses des Schaltnetzteils und dem Wert, der die DC-Eingangsspannung des Schaltnetzteils repräsentiert.
Verfahren gemäß Anspruch 6, ferner aufweisend: Berechnen des Tastverhältnisses des Schaltnetzteils basierend auf einem Verhältnis eines abgetasteten Fehlersignals zu einem Spitzenwert eines Trägerwellensignals, wobei das abgetastete Fehlersignal einen gemessenen Wert des Bogenentladungsstroms mit einer voreingestellten Stromreferenz vergleicht.
Verfahren gemäß Anspruch 6, ferner aufweisend: Messen des Werts der die DC-Eingangsspannung des Schaltnetzteils repräsentiert.
Verfahren gemäß Anspruch 6, ferner aufweisend: Ableiten des Werts, der die DC-Eingangsspannung des Schaltnetzteils repräsentiert, von einer AC-Eingangsspannung.
Verfahren gemäß Anspruch 6, ferner aufweisend: Skalieren eines Werts, welcher eine Eingangsspannung des Schaltnetzteils repräsentiert.
Verfahren zum Schätzen einer Bogenentladungsspannung in einem thermischen Prozessiersystem, in welchem ein Schaltnetzteil mit einem Ausgangs-Induktor einen Bogenentladungsstrom bereitstellt zum Erzeugen einer Plasma-Bogenentladung zwischen einer Plasma-Bogenentladungs-Brenner-Spitze und einem metallischen Werkstück, das Verfahren aufweisend: • Erhalten einer Durchschnittsspannung, die an einen Eingang des Induktors angelegt wird; • Erhalten eines Werts, der einem Spannungsabfall entlang des Induktors entspricht; und • Schätzen der Bogenentladungsspannung basierend auf der Differenz der angelegten Durchschnittsspannung und dem Spannungsabfall.
Verfahren gemäß Anspruch 11, ferner aufweisend: • Erhalten eines Tastverhältnisses des Schaltnetzteils; • Erhalten eines Werts, der eine DC-Eingangsspannung des Schaltnetzteils repräsentiert; und • Erhalten der Durchschnittsspannung, die an den Eingang des Induktors angelegt wird, basierend auf dem Produkt des Tastverhältnisses des Schaltnetzteils und dem Wert, welcher die DC-Eingangsspannung des Schaltnetzteils repräsentiert.
Verfahren gemäß Anspruch 11, ferner aufweisend: Erhalten des Spannungsabfalls entlang des Induktors basierend auf zeitvariierenden Veränderungen in einem Strom durch den Induktor.
Verfahren zum Schätzen einer Bogenentladungsspannung in einem thermischen Verarbeitungssystem, in welchem ein Schaltnetzteil mit einem Ausgangs-Induktor einen Bogenentladungsstrom bereitstellt zum Erzeugen einer Plasma-Bogenentladung zwischen einer Plasma-Bogenentladungs-Brenner-Spitze und einem metallischen Werkstück, das Verfahren aufweisend: • Erhalten eines zeitvariierenden Profils von erwarteten Variationen in einer Bogenentladungsspannung; • Erhalten einer Durchschnittsspannung, welche an einen Eingang des Induktors angelegt wird; und • Schätzen der Bogenentladungsspannung aus einem Modell, welches Veränderungen in einem Bogenentladungsstrom in einem Induktor repräsentiert, wobei das Modell basiert auf einer Durchschnittsspannung, die an den Eingang des Induktors angelegt wird und dem zeitvariierenden Profil von erwarteten Variationen in der Bogenentladungsspannung.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei das zeitvariierende Profil eine mathematische oder statistische Repräsentation von erwarteten Variationen in der Bogenentladungsspannung ist.
System zum Regeln eines Prozessparameters eine thermischen Prozessiersystems, das System aufweisend: • ein Schaltnetzteil, welches einen Bogenentladungsstrom bereitstellt zum Erzeugen einer Bogenentladung zwischen einer Plasma-Bogenentladungs-Brenner-Spitze und einem metallischen Werkstück; • ein Bogenentladungsspannung-Schätz-Modul, welches eine Bogenentladungsspannung zwischen der Plasma-Bogenentladungs-Brenner-Spitze und dem metallischen Werkstück schätzt; und • einen Prozessregler, der einen Prozessparameter des thermischen Prozessiersystems basierend auf der geschätzten Bogenentladungsspannung regelt.
System gemäß Anspruch 16, wobei der Prozessregler ein Brenner-Höhenregler ist, der die Höhe eines Plasma-Bogenentladungs-Brenners einstellt basierend auf der geschätzten Bogenentladungsspannung.
System gemäß Anspruch 16, wobei das Schaltnetzteil einen Ausgangs-Induktor aufweist, und das Bogenentladungsspannung-Schätz-Modul die Bogenentladungsspannung schätzt basierend auf einer Durchschnittsspannung, die an den Eingang des Induktors angelegt wird.
System gemäß Anspruch 16, wobei das Bogenentladungsspannung-Schätz-Modul die Bogenentladungsspannung schätzt basierend auf der Differenz zwischen einer Durchschnittsspannung, welche an den Eingang des Induktors angelegt wird, und einem Spannungsabfall entlang des Induktors.
System gemäß Anspruch 16, wobei das Schaltnetzteil einen Ausgangs-Induktor aufweist, und das Bogenentladungsspannung-Schätz-Modul die Bogenentladungsspannung schätzt aus einem Modell, welches Veränderungen in dem Strom durch den Induktor repräsentiert, wobei das Modell basiert auf einer Durchschnittsspannung, die an einen Eingang des Induktors angelegt wird und einem zeitvariierenden Profil von erwarteten Variation in der Bogenentladungsspannung.
Vorrichtung, die eine Bogenentladungsspannung in einem thermischen Prozessiersystem schätzt, in welchem ein Schaltnetzteil einen Bogenentladungsstrom bereitstellt zum Erzeugen einer Plasma-Bogenentladung zwischen einer Plasma-Bogenentladungs-Brenner-Spitze und einem metallischen Werkstück, die Vorrichtung aufweisend: • Verarbeitungsmittel zum Erhalten eines Tastverhältnisses des Schaltnetzteils; • Verarbeitungsmittel zum Erhalten eines Werts, welcher eine DC-Eingangsspannung des Schaltnetzteils repräsentiert; und • Verarbeitungsmittel zum Schätzen der Bogenentladungsspannung zwischen einer Plasma-Bogenentladungs-Brenner-Spitze und dem metallischen Werkstück basierend auf einer Kombination des Tastverhältnisses des Schaltnetzteils und dem Wert, der die DC-Eingangsspannung des Schaltnetzteils repräsentiert.
Vorrichtung, die eine Bogenentladungsspannung in einem thermischen Prozessiersystem schätzt, in welchem ein Schaltnetzteil mit einem Ausgangs-Induktor einen Bogenentladungsstrom bereitstellt zum Erzeugen einer Plasma-Bogenentladung zwischen einer Plasma-Bogenentladungs-Brenner-Spitze und einem metallischen Werkstück, die Vorrichtung aufweisend: • Verarbeitungsmittel zum Erhalten einer Durchschnittsspannung, die an einen Eingang des Induktors angelegt wird; • Verarbeitungsmittel zum Erhalten eines Werts entsprechend einem Spannungsabfall entlang des Induktors; und • Verarbeitungsmittel zum Schätzen der Bogenentladungsspannung basierend auf der Differenz zwischen der angelegten Durchschnittsspannung und dem Spannungsabfall.
Vorrichtung, die eine Bogenentladungsspannung in einem thermischen Prozessiersystem schätzt, in welchem ein Schaltnetzteil mit einem Ausgangs-Induktor einen Bogenentladungsstrom bereitstellt zum Erzeugen einer Plasma-Bogenentladung zwischen einer Plasma-Bogenentladungs-Brenner-Spitze und einem metallischen Werkstück, das Verfahren aufweisend: • Verarbeitungsmittel zum Erhalten eines zeitvariierenden Profils von erwarteten Variationen in der Bogenentladungsspannung; • Verarbeitungsmittel zum Erhalten einer Durchschnittsspannung, die an einen Eingang des Induktors angelegt wird; und • Verarbeitungsmittel zum Schätzen der Bogenentladungsspannung aus einem Modell, welches Veränderungen in einem Bogenentladungsstrom durch den Induktor repräsentiert, wobei das Modell basiert auf einer Durchschnittsspannung, die an den Eingang des Induktors angelegt wird, und dem zeitvariierenden Profil von erwarteten Variationen in der Bogenentladungsspannung.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Schaltnetzteil basiert auf einer Aufwärtswandler-, Abwärtswandler-, oder Abwärts-/Aufwärtswandler-Schaltkreis-Topologie.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Schaltnetzteil basiert auf einer Aufwärtswandler-, Abwärtswandler-, oder Abwärts-/Aufwärtswandler-Schaltkreis-Topologie.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei das Schaltnetzteil basiert auf einer Aufwärtswandler-, Abwärtswandler-, oder Abwärts-/Aufwärtswandler-Schaltkreis-Topologie.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei das Schaltnetzteil basiert auf einer Aufwärtswandler-, Abwärtswandler-, oder Abwärts-/Aufwärtswandler-Schaltkreis-Topologie.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei die Kombination eine Summe oder ein Produkt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 21, wobei die Kombination eine Summe oder ein Produkt ist.