逆变式等离子弧切割电源控制技术研究

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1、哈尔滨理工大学工学硕士学位论文1．1课题研究背景1．1．1课题工程背景第l章绪论在机械制造加工工业中，目前占主导地位的材料热加工方法有三种，分别是：氧乙炔火焰切割，等离子弧切割以及激光切割。形成当前切割方式“三分天下"的局面既有历史的因素也有市场选择的作用，然而随着技术的革新进步和用户需求的不断提高，等离子弧切割正在不断扩大市场份额，在切割方式中占据举足轻重的地位【ll。比较其他两种热切割方法可以看到等离子切割具有以下技术及经济优势，首先其材料适用范围极广，可切割一切金属和诸多非金属材料，而火焰切割由于会生成高熔点、

2、高粘度氧化物熔渣，需要二次处理且处理难度大，因此不适用铜、铝、不锈钢等熔点高、粘滞性大、导热性强的金属；其次等离子切割最高速度可达lOm／min，10倍于火焰切割，而且无需预热，可以很好地满足无人化操作的需要；再者从切割质量来看，火焰切割变形大，切口挂渣严重，难以适应当前高精度切割需要，而薄板等离子切割精度则可达0．65ram，其中水射流等离子切割其精度更是迫近激光切割的下限(士0．2mm)，切口平滑度近似，但切割成本却只约为其30％左右，而且精细切割厚度上限可达12mm，与激光切割相比其范围更广f2，31。因此，等

3、离子弧切割具有广阔的市场前景和应用价值，内部技术进步与外部市场推动的合力作用，使得等离子切割技术日益完善，在机械制造、造船、建筑、石化、汽车、锅炉等多个行业中均得到了广泛的应用【41。等离子弧又称压缩电弧，其本质是一种电弧，当气体导电后产生自由电弧，然后自由电弧弧柱经由小孔受到压缩，导电截面积变小使得电弧能量聚集更集中，温度更高，再借助电能转化的热能与机械能，实现切割的目的。等离子弧切割的原理与氧乙炔火焰切割有本质上的不同【5一，其原理主要是以高温高速等离子弧为热源，局部熔化并蒸发部分金属，同时通过高速气流将己熔化金

4、属吹离基体，伴随割炬的移动而形成连续切缝。等离子切割系统按操作方式可分为手动式和自动式两种，手动式切割机目哈尔滨理工大学工学硕士学位论文前己处于淘汰的边缘，自动式等离子切割系统又称数控等离子切割机，是当今市场的主流产品。数控等离子切割机主要部件包括切割电源，数控系统，割炬，供气与冷却水系统以及机床本体等，其中切割电源是整个等离子切割机的动力能源装置，相当于等离子切割系统的“心脏”，直接决定着材料切割的质量与效能。伴随着社会经济的高速发展，越来越多的高性能材料被应用在各行各业，今天的用户已经不仅仅满足于单一切割功能的实

5、现，而是对更精细的切割质量，更人性化的操作以及更高的切割效率提出了全面的要求，这一切无疑使得等离子切割电源的研究具有深远的现实意义和广阔的市场空间。等离子切割电源是--f-／涉及多学科的交叉融合的产物，是以电力变流技术，材料科学，计算机科学，自动控制等学科为基石的综合性技术。器件产品与拓扑技术各自发展的优势融合使得等离子电源已经完成硬件实现技术的发展，其相关技术业界已相当成熟，现在已从器件性能改善、拓扑结构设计逐步进入控制技术革新阶段it-g]。控制技术包括控制策略规划，控制方案设计以及控制系统软硬件平台的实现。20

6、世纪50年代以来，智能控制算法与数字控制技术不断发展完善吣121，现代工业产品已不可避免地向智能化、数字化方向发展，已有诸多技术成熟的产品出现在市场上，国内外相关学者和企业研发人员更是纷纷加大了技术研究投入。目前，我国与德国、日本、美国等发达国家在等离子切割电源的技术水平上还存在着较大的差距，因此以数字控制、智能控制为基石的等离子切割电源的研究已经迫在眉睫，而且其对国内切割电源的技术进步必将产生积极的推动作用。1．1．2研究目的及意义本课题源自黑龙江省教育厅科学技术研究项目(项目编号：11541044)，研究目的致力

7、于逆变式等离子弧切割电源的控制技术研究，在深入分析切割电源系统的电气特性、工艺特性以及电弧脉动特性的基础上，以提高切割质量为出发点，以逆变切割电源为落脚点，提出一套新型复合智能控制策略，并以高速高精度DSP控制芯片为核心实现控制系统，取代传统模拟控制方式，最终实现大电流、高精度切割。作为特种热加工设备，等离子切割电源是一类多参数聚合电力装置，起弧阶段要求陡降外特性，切割过程为非线性多参数耦合混杂特性，又因阳极斑点实时“跳跃”导致电弧脉动特性，综合被控对象以上特性，将RBF神经网络与模糊控制做算法优势融合，实现内外双层

8、复合控制，外层哈尔滨理工大学工学硕士学位论文针对工艺解耦，内层针对随动跟踪，提高稳态精度，改善切割质量。结合系统电气指标及工艺要求，以DSPTMS320LF2407A为核心芯片构建电源控制系统，最终实现控制方案的数字化、智能化和人性化。本课题的研究意义在于突破传统从电气指标的角度、以实现恒流控制为目标的单一控制结构，从切割现场实际工艺的角度出发