陳桂濤，劉春強(qiáng)，孫強(qiáng)，鐘彥儒

(西安理工大學(xué)電氣工程系，陜西西安710048)

用于網(wǎng)格狀金屬切割的等離子切割電源控制策略研究

陳桂濤，劉春強(qiáng)，孫強(qiáng)，鐘彥儒

(西安理工大學(xué)電氣工程系，陜西西安710048)

為解決金屬網(wǎng)格切割過程中精確控制弧電流的問題，在分析金屬網(wǎng)格切割弧轉(zhuǎn)移過程、建立電弧模型的基礎(chǔ)上，提出一種基于電弧負(fù)載模型的弧電流指令前饋的復(fù)合控制策略。控制策略外環(huán)為電流環(huán)，實(shí)現(xiàn)等離子電弧電流及能量控制;在電壓內(nèi)環(huán)引入基于電弧負(fù)載模型的弧電流指令前饋控制，通過前饋控制的快速性迅速建立弧柱電壓，達(dá)到維持電弧穩(wěn)定的目的。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的控制策略能夠快速響應(yīng)網(wǎng)格狀金屬切割時(shí)引弧過程及非轉(zhuǎn)移弧和轉(zhuǎn)移弧之間的快速切換需求，實(shí)現(xiàn)弧電流的快速精確控制。

金屬網(wǎng)格;等離子切割;負(fù)載模型;等離子弧

1 引言

等離子技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、化學(xué)、國防和通信等領(lǐng)域［1］。等離子弧切割(Plasma Arc Cutting，PAC)是一種高速高精度的金屬材料切割方法，與傳統(tǒng)的火焰切割相比，等離子切割憑借迅捷的切割速度、良好的切割質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)，在金屬切割領(lǐng)域應(yīng)用得越來越廣泛。等離子切割在陰極電極和噴嘴之間短路形成電弧，該電弧在氣體的作用下被吹出噴嘴，利用電弧的高能量熔化金屬，再利用等離子體射流的高動(dòng)量將融化材料排開吹走直至等離子氣流束穿透背面而形成割口［2，3］。文獻(xiàn)［4-6］采用高速成像的方法對(duì)等離子弧進(jìn)行了深入直觀的對(duì)比分析。這些研究成果表明，等離子弧受噴嘴形狀、氣壓和電流等諸多因素影響，并對(duì)切割速度、切割效果和噴嘴壽命等都有著重要作用。

由于等離子弧受諸多因素的影響，從PAC電源控制的設(shè)計(jì)角度，近年來如何滿足等離子弧快速多變的非線性控制需求成為研究熱點(diǎn)［7-10］。文獻(xiàn)［7］為了解決等離子的非線性及時(shí)變問題，采用電流和電壓環(huán)切換控制，空載電壓穩(wěn)定有利于小弧的穩(wěn)定，在正常切割過程中利用電流環(huán)控制輸出電流恒定。文獻(xiàn)［8］提出的電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制方式，解決了并聯(lián)雙閉環(huán)反復(fù)切換的問題，實(shí)現(xiàn)了空載電壓的穩(wěn)定。而文獻(xiàn)［9，10］考慮了電弧負(fù)載的非線性特征，將智能控制算法引入PAC控制，提高了系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾能力。然而，盡管這些控制策略不同程度上考慮了電弧負(fù)載的非線性因素，但均未建立被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，而精確的負(fù)載模型能夠提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度［11］。

針對(duì)網(wǎng)格狀金屬切割時(shí)的引弧以及頻繁弧轉(zhuǎn)移過程的快速性和控制精度問題，本文提出一種基于電弧負(fù)載模型的弧電流指令前饋復(fù)合控制策略，以解決金屬網(wǎng)格切割下的弧產(chǎn)生、弧轉(zhuǎn)移和弧電流的精確控制問題，保證切割精度，同時(shí)提高引弧成功率，減少噴嘴損傷。

2 網(wǎng)格狀金屬切割弧轉(zhuǎn)移過程分析

圖1為PAC電源主電路。其中，Ui由不控整流和三相單開關(guān)有源功率因數(shù)校正電路得到;Q1與Q2是半橋電路開關(guān)管，Q3為引弧管;電流傳感器IF1和IF2采樣的變量分別為電感電流iL、轉(zhuǎn)移弧電流icut。

網(wǎng)格狀金屬切割包括引弧和網(wǎng)格切割兩個(gè)階段，其中引弧過程采用陰極-噴嘴短路的低頻引弧方式，與傳統(tǒng)高頻引弧方式相比具有電磁干擾小的優(yōu)點(diǎn)。低頻引弧過程如圖2所示，非轉(zhuǎn)移弧是產(chǎn)生于噴嘴與陰極之間的等離子弧，而轉(zhuǎn)移弧建立在工件與陰極之間，工件切割時(shí)必須由非轉(zhuǎn)移弧轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)移弧。

圖1 逆變式空氣PAC電源主電路Fig．1Main circuit of PAC power supply inverter

圖2 低頻引弧過程Fig．2Process of low-frequency pilot arc

低頻引弧過程有兩個(gè)狀態(tài)，初始狀態(tài)為陰極與噴嘴短路，如圖2(a)所示，維持短路電流。當(dāng)?shù)皖l引弧氣路打開時(shí)，如圖2(b)所示，陰極受壓縮空氣的作用力回抽，與噴嘴之間產(chǎn)生間隙，利用陰極與噴嘴短路瞬間產(chǎn)生的火花將壓縮空氣電離，在陰極與噴嘴之間形成非轉(zhuǎn)移弧。噴嘴接近工件，陰極與工件之間形成電弧，關(guān)斷引弧管Q3，實(shí)現(xiàn)非轉(zhuǎn)移弧到轉(zhuǎn)移弧的轉(zhuǎn)換。

切割網(wǎng)格狀金屬的時(shí)序如圖3所示，網(wǎng)格金屬切割過程及等效電路如圖4所示。其工作過程為:在t3時(shí)刻，噴嘴越過空隙，遇到金屬導(dǎo)體時(shí)，對(duì)應(yīng)圖4(a)，轉(zhuǎn)移弧和非轉(zhuǎn)移弧共同存在，當(dāng)IF2檢測(cè)的電流陡升時(shí)，關(guān)斷引弧開關(guān)管Q3，此時(shí)電弧由非轉(zhuǎn)移弧轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)移弧。在t3～t4之間，切割金屬導(dǎo)體時(shí)僅存在陰極與工件之間的轉(zhuǎn)移弧，對(duì)應(yīng)圖4(b)。t4時(shí)刻，噴嘴遇到網(wǎng)格空隙，IF2檢測(cè)的電流陡降，當(dāng)達(dá)到閾值時(shí)，開通引弧管Q3，對(duì)應(yīng)圖4(c)，使電弧由轉(zhuǎn)移弧向非轉(zhuǎn)移弧轉(zhuǎn)換。在網(wǎng)格空隙時(shí)僅存在噴嘴與陰極之間的非轉(zhuǎn)移弧。此種工作模式的最大優(yōu)點(diǎn)是切割網(wǎng)格狀工件時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)不斷弧，避免頻繁引弧對(duì)噴嘴的損傷，延長噴嘴壽命。

圖3 網(wǎng)格狀金屬切割時(shí)的時(shí)序圖Fig．3Timing diagram of grid plates cutting

圖4 網(wǎng)格金屬切割過程及等效電路示意圖Fig．4Schematic diagram and equivalent circuit of grid plates cutting

由以上分析可知，切割網(wǎng)格狀金屬時(shí)不斷在非轉(zhuǎn)移弧和轉(zhuǎn)移弧之間切換，同時(shí)切割過程中氣體流量、切割速度等因素對(duì)電弧均有影響，等效的電弧阻抗在不斷變化，對(duì)電源控制有較高的要求。因此本文提出基于電弧負(fù)載模型的弧電流指令前饋的復(fù)合控制策略，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格狀金屬切割時(shí)PAC電源輸出電流的精確控制。

3 基于電弧模型的弧電流指令前饋復(fù)合控制策略

3.1 弧電流指令前饋復(fù)合控制策略

如第1節(jié)所述，引入精確的電弧模型來設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)迅速、精準(zhǔn)地控制弧電流。為了解決網(wǎng)格狀金屬切割時(shí)電流精確控制的問題，提出基于電弧負(fù)載模型的弧電流指令前饋復(fù)合控制策略，控制框圖如圖5所示。

圖5 弧電流指令前饋補(bǔ)償復(fù)合控制框圖Fig．5Composite control block of current reference feedforward compensation

對(duì)弧電流參考值的突變(圖5中iref)采取前饋補(bǔ)償措施，當(dāng)弧電流指令變化但未影響到被控量時(shí)，前饋控制已發(fā)揮作用。因此，加入弧電流指令前饋后受系統(tǒng)延遲的影響更小，輸出電流能夠更快地跟蹤指令電流iref。

3.2 等離子電弧模型的建立

圖5中Go(s)為等離子電弧的等效阻抗，精確的負(fù)載模型有利于提高PAC電源的控制性能。根據(jù)電弧質(zhì)量和能量積分守恒方程［12］，得到式(1)和式(2):

式中，p為壓強(qiáng);U為電弧電壓;I為電弧電流;qm為離子氣的質(zhì)量流速率;Aα為噴嘴出口處弧柱內(nèi)部高溫電傳導(dǎo)區(qū)面積;An為噴嘴截面積;An－Aα為外部低溫非導(dǎo)電環(huán)行區(qū)面積;K1、K2為比值;下標(biāo)α表示內(nèi)部高溫區(qū);下標(biāo)o表示外部低溫區(qū)。

根據(jù)式(1)和式(2)，計(jì)算得到等離子電弧負(fù)載伏安特性。為便于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用數(shù)值擬合方法對(duì)電弧模型進(jìn)行逼近，假設(shè)電弧伏安特性方程為:

結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)［12］，利用軟件Matlab求解電弧伏安特性曲線，并采用非線性最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到A=4098，B=102.8182，C=－0.0016。仿真得出的等離子電弧負(fù)載伏安特性及擬合曲線如圖6所示。

圖6 PAC電弧伏安特性曲線Fig．6Volt-ampere characteristics curve of PAC arc

根據(jù)等離子電弧伏安特性的擬合曲線，可求出PAC負(fù)載等效阻抗為:

3.3 電壓內(nèi)環(huán)校正器設(shè)計(jì)

應(yīng)用狀態(tài)空間平均法對(duì)電路建模，推導(dǎo)出輸出電壓對(duì)占空比的傳遞函數(shù)為:

電壓內(nèi)環(huán)控制器采用PI校正器，則補(bǔ)償環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為:

由圖5可得，電壓內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

電壓環(huán)的采樣調(diào)理電路的時(shí)間常數(shù)τv為0.5ms，其可用一階慣性環(huán)節(jié)等效為:

由于電壓環(huán)調(diào)理電路的時(shí)間常數(shù)比Gvd(s)的時(shí)間常數(shù)大得多，取PI環(huán)節(jié)的τ1=τv，期望的截止頻率為開關(guān)頻率的1/20，即1kHz?？傻肒p1= 0.0033，τ1=0.0005。利用Matlab繪制電壓內(nèi)環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)的伯德圖，如圖7所示，可以看出，校正后截止頻率降到了頻率設(shè)定值。

圖7 電壓內(nèi)環(huán)伯德圖Fig．7Bode diagram of voltage loop

3.4 電流外環(huán)及前饋補(bǔ)償校正器設(shè)計(jì)

為便于電流環(huán)控制參數(shù)的設(shè)計(jì)，將電流閉環(huán)與弧電流指令前饋控制器相結(jié)合，對(duì)圖5所示的控制系統(tǒng)進(jìn)行變換，得到的等效控制框圖如圖8所示。

圖8 弧電流指令前饋補(bǔ)償?shù)刃Э刂瓶驁DFig．8Equivalent control block of current reference feedforward compensation

引入電流外環(huán)，電流環(huán)仍采用PI校正器，令:

考慮基于負(fù)載模型的前饋補(bǔ)償，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)可表示為:

根據(jù)圖8可以寫出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

由式(11)可以看出，前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)Gf(s)只存在于系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的分子當(dāng)中，并不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。等離子弧補(bǔ)償環(huán)節(jié)取為:

電流環(huán)調(diào)理電路的時(shí)間常數(shù)為0.2ms，比電壓內(nèi)環(huán)的時(shí)間常數(shù)大得多。因此，電流外環(huán)的PI參數(shù)可取為Kp2=0.48，τ2=0.0002。圖9為電流外環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)Gi_o(s)伯德圖，校正后系統(tǒng)幅值閉環(huán)增益增大，有利于系統(tǒng)快速跟蹤弧電流指令。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9 電流外環(huán)伯德圖Fig．9Bode diagram of current loop

為了驗(yàn)證提出的控制策略的有效性，設(shè)計(jì)基于TMS320F2808主控芯片的數(shù)字控制器，并搭建一臺(tái)等離子切割電源樣機(jī)，樣機(jī)參數(shù)詳見表1。圖10給出了在本文所提控制方法作用下，PAC電源在網(wǎng)格切割工況下的運(yùn)行情況。

表1 PAC電源參數(shù)Tab．1Parameters of PAC power supply

圖10(a)為低頻引弧過程的實(shí)驗(yàn)波形，起弧前陰極與噴嘴處于短路狀態(tài)，引弧信號(hào)ug3置高，維持短路電流，氣路打開時(shí)壓縮空氣將噴嘴與陰極吹開，此時(shí)電流迅速跌落，從圖10(a)的拉弧時(shí)刻可以看出，此時(shí)弧電壓uo快速建立，維持電流穩(wěn)定，保證成功起弧。

非轉(zhuǎn)移弧穩(wěn)定后，將噴嘴靠近網(wǎng)格金屬，如圖10(b)所示，轉(zhuǎn)移弧電流icut逐漸增大，當(dāng)icut大于閾值時(shí)，引弧信號(hào)ug3變低，非轉(zhuǎn)移弧電流iarc跌落。此過程導(dǎo)致電弧能量跌落，需快速維持轉(zhuǎn)移弧電流到指令值，防止斷弧。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)不僅穩(wěn)定且能夠快速跟隨弧電流指令變化，達(dá)到了良好的控制效果。

圖10(c)為網(wǎng)格狀金屬切割過程實(shí)驗(yàn)波形。當(dāng)噴嘴遇到網(wǎng)格空隙，轉(zhuǎn)移弧電流icut陡降，轉(zhuǎn)移弧即將熄滅，此時(shí)開通引弧管Q3，迅速建立非轉(zhuǎn)移弧電流，實(shí)現(xiàn)弧能量的轉(zhuǎn)移，同時(shí)維持較低的弧電流，減少對(duì)噴嘴的損傷。噴嘴再次遇到金屬導(dǎo)體時(shí)，轉(zhuǎn)移弧電流icut開始增大，關(guān)斷引弧管Q3，此時(shí)電流快速轉(zhuǎn)移到陰極與工件之間，利用電流前饋的快速性，轉(zhuǎn)移弧電流icut迅速跟蹤到指令電流，形成轉(zhuǎn)移弧。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的控制策略是行之有效的，在網(wǎng)格狀金屬切割時(shí)能夠精確控制弧電流。

圖10 PAC樣機(jī)切割實(shí)驗(yàn)波形Fig．10Experimental waveforms of PAC prototype

5 結(jié)論

本文建立了用于等離子切割的等離子電弧數(shù)學(xué)模型，提出基于電弧模型的弧電流指令前饋復(fù)合控制策略。該策略具有以下優(yōu)點(diǎn):提出的控制策略對(duì)系統(tǒng)輸出電壓及弧電流均具備良好的魯棒性和動(dòng)態(tài)性能;對(duì)網(wǎng)格金屬負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)、響應(yīng)速度快;能夠精確控制網(wǎng)格狀金屬切割過程中的電弧能量、迅速實(shí)現(xiàn)弧轉(zhuǎn)移過程;引弧可靠性高，對(duì)噴嘴損傷小。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該策略能夠在網(wǎng)格狀金屬切割時(shí)精確控制弧電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子弧產(chǎn)生、頻繁弧轉(zhuǎn)移切換和切割過程的快速響應(yīng)和精確控制。

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Research on control strategy of plasma arc cutting power supply used for grid plates cutting

CHEN Gui-tao，LIU Chun-qiang，SUN Qiang，ZHONG Yan-ru
(Department of Electrical Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China)

For solving the problem that how to control arc current accurately in the process of cutting grid plates，an arc current reference feedforward composite control strategy was proposed，which was based on the analysis of arc transfer process and arc model．The external loop of control strategy is current loop，which can control arc current and achieve the precise control of arc energy．Arc current reference feedforward compensation based on load model was introduced into voltage inner loop．The voltage loop can quickly establish the arc voltage，which maintains the arc stable．Simulations and experimental results were given to verify that the proposed control method can respond quickly between non-transferred arc and transferred arc when cutting grid plates，and can achieve the precise control of arc current simultaneously．

grid plates;plasma arc cutting;load model;plasma arc

TG483

A

1003-3076(2015)08-0019-06

2014-04-18

陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化培育項(xiàng)目(2011JG08)、陜西省科技廳科技攻關(guān)項(xiàng)目(2011K09-05)

陳桂濤(1981-)，男，山東籍，講師，博士研究生，研究方向?yàn)樘胤N電源拓?fù)渑c控制方法;劉春強(qiáng)(1990-)，男，河南籍，碩士研究生，研究方向?yàn)樾滦碗娏﹄娮酉到y(tǒng)與裝置。