全数字强功率等离子弧精细化切割系统技术方案

本发明专利技术提供一种全数字强功率等离子弧精细化切割系统，该系统包括功率电路、控制电路、高频引弧模块、耦合电抗模块、等离子弧切割枪、冷却系统、压缩空气系统以及切割行走机构；高频引弧模块、耦合电抗模块和等离子弧切割枪依次连接；控制电路分别与三相交流输入电源、功率电路、高频引弧模块连接；冷却系统、压缩空气系统和切割行走机构的输入端均与控制电路连接，输出端均与等离子弧切割枪连接；功率电路的一端与三相交流输入电源连接，另一端与耦合电抗模块连接。本发明专利技术实现了功率增强、电能高效变换和可靠传递，并在该系统中引入全数字控制技术和基于“ARM+RA8875+触摸屏”结构的可视化人机交互技术，提高了该系统的控制精度和可操作性。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供一种全数字强功率等离子弧精细化切割系统，该系统包括功率电路、控制电路、高频引弧模块、耦合电抗模块、等离子弧切割枪、冷却系统、压缩空气系统以及切割行走机构；高频引弧模块、耦合电抗模块和等离子弧切割枪依次连接；控制电路分别与三相交流输入电源、功率电路、高频引弧模块连接；冷却系统、压缩空气系统和切割行走机构的输入端均与控制电路连接，输出端均与等离子弧切割枪连接；功率电路的一端与三相交流输入电源连接，另一端与耦合电抗模块连接。本专利技术实现了功率增强、电能高效变换和可靠传递，并在该系统中引入全数字控制技术和基于“ARM+RA8875+触摸屏”结构的可视化人机交互技术，提高了该系统的控制精度和可操作性。【专利说明】全数字强功率等离子弧精细化切割系统
本专利技术涉及高频逆变
，更具体地说，涉及一种全数字强功率等离子弧精 细化切割系统。
技术介绍
目前，在等离子弧切割领域中，逆变式等离子切割系统已成为主流方向。但是目前 的等离子切割系统功率较小，切割电流一般在100A以内，其控制系统主要由模拟电路加少 量的集成电路来实现，导致产生分立元件多，电路复杂，受噪声、温度、器件老化等因素，从 而对等离子切割系统的影响较大。再加上现有的等离子切割系统的固有元件参数漂移，导 致采用现有切割系统的产品的一致性较差，切割工艺过程的控制不够精细。此外，目前的逆变式等离子弧切割系统的人机交互功能较弱，其操作界面主要由 数码管和开关按钮构成，可显示的工艺参数和状态信息也非常有限，参数设置精度也不够 闻。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种体积小、重量轻、效率 高、控制精度高、产品可靠性高和人机交互性好的全数字强功率等离子弧精细化切割系统； 该切割系统由于采用了数字化控制，易于实现较复杂的控制算法，其工艺性能好，采用该切 割系统的产品的可扩展性也更好。为了达到上述目的，本专利技术通过下述技术方案予以实现:一种全数字强功率等离 子弧精细化切割系统，其特征在于:其输入端与三相交流输入电源连接；包括功率电路、控 制电路、高频引弧模块、耦合电抗模块、等离子弧切割枪、冷却系统、压缩空气系统以及切割 行走机构；所述高频引弧模块、耦合电抗模块和等离子弧切割枪依次连接；所述控制电路 分别与三相交流输入电源、功率电路、高频引弧模块连接；所述冷却系统、压缩空气系统和 切割行走机构的输入端均与控制电路连接，输出端均与等离子弧切割枪连接；所述功率电 路的一端与三相交流输入电源连接，另一端与耦合电抗模块连接。所述功率电路由两组结构相同的功率模块一和功率模块二并联而成；所述功率模 块一和功率模块二均由整流滤波模块、软启动模块、高频逆变模块、功率变压模块和整流平 滑模块依次连接组成。所述功率电路的一端与三相交流输入电源连接，另一端与耦合电抗模块连接是指 功率模块一和功率模块二中的整流滤波模块与三相交流输入电源连接，整流平滑模块与耦 合电抗模块连接；所述控制电路分别与功率模块一和功率模块二中的软启动模块连接。所述高频逆变模块采用半桥逆变拓扑结构或全桥逆变拓扑结构；所述高频逆变模 块采用软开关工作模式或者硬开关工作模式实现功率换流。本专利技术的高频逆变模块可根据 实际功率输出的要求，采用半桥逆变拓扑结构或全桥逆变拓扑结构，其功率换流既可以采 用软开关模式，也可以采用硬开关模式。所述控制电路包括ARM最小系统；依次连接的峰值电流检测模块一、脉宽调制模 块一和高频驱动模块一；依次连接的峰值电流检测模块二、脉宽调制模块二和高频驱动模 块二 ；分别与ARM最小系统连接的故障检测模块、可视化人机交互模块、通信模块和继电器 控制模块；电流电压检测模块一以及电流电压检测模块二；其中，所述脉宽调制模块一和脉宽调制模块二均与ARM最小系统连接；所述高频 驱动模块一与功率模块一连接，功率模块一与峰值电流检测模块一连接，同时功率模块一 通过电流电压检测模块一与ARM最小系统连接；所述高频驱动模块二与功率模块二连接， 功率模块二与峰值电流检测模块二连接，同时功率模块二通过电流电压检测模块二与ARM 最小系统连接。所述继电器控制模块分别与高频引弧模块、冷却系统、压缩空气系统以及切割行 走机构连接，以实现控制高频引弧模块、冷却系统、压缩空气系统以及切割行走机构的工作。所述高频驱动模块一与功率模块一的高频逆变模块连接，功率模块一的功率变压 模块与峰值电流检测模块一连接，同时功率模块一的整流平滑模块通过电流电压检测模块 一与ARM最小系统连接，用于将功率模块一的电流电压信号通过电流电压检测模块一反馈 到ARM最小系统；所述高频驱动模块二与功率模块二的高频逆变模块连接，功率模块二的 功率变压模块与峰值电流检测模块二连接，同时功率模块二的整流平滑模块通过电流电压 检测模块二与ARM最小系统连接，用于将功率模块二的电流电压信号通过电流电压检测模 块二反馈到ARM最小系统。所述ARM最小系统由型号为TM4C123GH6PGE的ARM芯片、芯片供电电源、ADC供电 电源、晶振振荡电路、复位电路以及JTAG调制接口通过外围电路连接组成。本专利技术的ARM 最小系统主要嵌入了基于FreeRTOS实时内核的等离子弧切割工艺程序的SOC级Cortex-M4 内核 ARM 芯片 TM4C123GH6PGE。所述可视化人机交互模块包括ARM微控制系统，分别与ARM微控制系统连接的 RA8875驱动电路、供电模块、通信接口电路、SD卡存储接口电路和USB接口电路，以及显示 模块；所述显示模块为触摸屏并与RA8875驱动电路连接。本专利技术的可视化人机交互模块具 备“ARM+RA8875+触摸屏”的结构。本专利技术的技术原理为:系统上电之后，三相380V交流电经整流滤波模块的全桥整 流滤波形成直流电；在启动瞬间，由控制电路控制软启动模块工作，使得电流缓慢上升，减 少电流冲击，提高系统的可靠性；然后通过高频逆变模块转换成20k Hz以上的高频交流脉 冲，经高频降压后由快速恢复整流管整流、电抗器滤波后，输出适合切割用的直流电。控制 电路控制高频引弧模块工作，引燃等离子弧，然后控制电路采样功率电路输出的电流电压 值，经过数字化处理之后输出相应占空比的PWM脉宽调制信号，经过驱动隔离之后驱动功 率电路高频逆变桥的IGBT功率开关，控制IGBT的开通和关断时间，从而形成闭环控制，实 现切割系统输出功率和特性的调节。一方面，高频逆变技术大幅度提高了电源的工作频率， 使得电源中的主变压器的体积、重量得到大幅度地减小；由于功率器件工作于高频开关状 态，变压器等磁性器件可以采用铁损很小的磁芯材料，效率很高；主电路中存在电容，功率 因数得到提高；由于工作频率高，主电路中的滤波电感值小，回路时间常数小，易于获得良 好的动特性，反应更灵敏；另一方面，采用基于ARM的先进控制电路，实现脉宽调制信号、相关反馈信息以及切割工艺流程的数字化控制，参数预置、显示以及状态信息均由控制电路 的可视化人机交互模块来完成，进一步提高了系统的控制精度和柔性。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点与有益效果:1、本专利技术采用基于M4内核的SOC级ARM微处理器实现了大功率等离子弧切割系 统的全数字控制，控制精度高，系统响应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全数字强功率等离子弧精细化切割系统，其特征在于：其输入端与三相交流输入电源连接；包括功率电路、控制电路、高频引弧模块、耦合电抗模块、等离子弧切割枪、冷却系统、压缩空气系统以及切割行走机构；所述高频引弧模块、耦合电抗模块和等离子弧切割枪依次连接；所述控制电路分别与三相交流输入电源、功率电路、高频引弧模块连接；所述冷却系统、压缩空气系统和切割行走机构的输入端均与控制电路连接，输出端均与等离子弧切割枪连接；所述功率电路的一端与三相交流输入电源连接，另一端与耦合电抗模块连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王振民，方小鑫，张新，冯允樑，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：