接试验研究ReveurehPuner
中厚板等离子切割电源数字化PID
调控策略及试验研究
华南理工大学机械与汽车工程学院（广州市510640）
季孟王振民朱磊
摘要针对中厚板精细热切割的需求，开发了基于Cortex-M4内核的大功率数字化等离子切割电源，设计了软件型电流软启动功能，有效杜绝浪涌电流引起的IGBT可见性炸管现象；开发了基于密平衡式霍尔检零电流传感器搭建的电流检测电路，有效监测电源输出电流电压特性；设计了数字化离散型PID控制算法，并研究对应参数对起弧性能和切割工艺的影响。最后，结合机器人与切割控制箱构建数字化中厚板机器人等离子切割系统，实现了切割电流60-320A的无级调节，有效切割钢板板厚可达50mm，运行稳定可靠，可以获得良好的切割质量
软启动数字化
关键词：中厚板切割等离子切割电源中图分类号：TG483.5
0序言
焊接结构件广泛应用手工程机械、船舶、交通运输、建筑、电力等行业，切割是板材加工的首要步骤。在中厚板切割的实际应用中，等离子切割技术应用广泛-3]，其中逆变式空气等离子切割作为一种新技术，与其他热切割技术(4-6)相比具有功率大、切割速度快、割缝质量高、性价比高等优点了。工业应用中，国内外的逆变式等离子电源多采用模拟控制且切割电流在200A以下。大功率数字化等离子切割电源实用及工艺研究较少且存在起弧时IGBT炸管和切割质量不佳等向问题。
文中设计了基于Cortex-M4内核的数字化等离子精细切割电源，结合机器人和切割控制箱，搭建数字化中厚板等离子精细切割系统。设计了等离子切割软件型电流软启动程序，有效解决广浪涌电流号引起的IGBT 炸管问题。通过大量的试验验证了数字化PID对起弧
性能及其参数对切割工艺的影响。 1基于PID的软件型软启动设计 1.1IGBT炸管原因分析
用IGBT具有载流密度大、开关速度快、驱动功率小和饱和压降低等优点，伴随着等离子切割电源朝着大功率化、高频化、小型化等方向发展，IGBT广泛应用
收稿日期：20160121
基金项目：国家自然科学基金面上项目（51375173）；广东省科技计划项
目(2014B010104002 ,2013 B011302006),
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32016年第6期
于电源逆变模块，由此带来的IGBT击穿甚至爆炸的故障率显著上升。试验分析证明，IGBT损坏原因主要分为三类：过压击穿、过流击穿、过温击穿"-10」。
全桥变模块单桥臂采用额定电流的IGBT，开关管采用了有效的RCD缓存吸收电路以及水冷式散热有效避免了过压击穿和过温击穿现象，但是缺乏有效的过流击穿措施。因此，文申提出软件型电流软启动控制策略，旨在解决起弧和再起弧阶段浪涌电流引起的IGBT过流炸管现象。
1.2基于PID软件型电流软启动工作原理
大功率等离子切割电源，主要采用高频高压起弧模式且属于转移型等离子弧切割。转移型等离子弧的等效电阻很小，当设置切割电流超过200A会引起IG-BT很大瞬间浪涌电流，这种浪涌电流是IGBT的寄生晶单管的掌住效应无法抵抗的。因此文中提出，在设定电流超过一定值时，采用基于PID的软件型电流软启动方法，以有效减少起弧和重起弧瞬间的IGBT可见性炸管现象。
起弧阶段，通过起弧条件判断，控制程序由空载模式转换为恒流模式，恒流至设定电流，当设定电流超过 80A，电流软启动程序模块，通过波形控制函数，限制电流上升时间，电流每个周期增加多少电流直至达到设定电流值，如图1所示。这种方式不仅能够有效减少浪涌电流过大对功率器件IGBT的冲击，而且能够减少对电极及喷嘴的烧蚀冲击。
递增式软件型电流软启动实现主要是通过波形控制器函数，使用Timer定时器周期性更新设定电流对应