等離子切割電源前饋補償雙閉環(huán)復合控制策略

摘要：為滿(mǎn)足逆變式等離子切割電源在低頻引弧、弧轉移及能量突變情況下的控制需求，提出了一種前饋補償雙閉環(huán)復合控制策略。通過(guò)建立等離子電弧數學(xué)模型設計電壓前饋補償器，采用一種新型三角載波電流控制方法構建電壓源型變換器，以電壓為內環(huán)、電流為外環(huán)設計雙閉環(huán)控制。根據Simulink仿真設計TMS320F2808數字控制器。仿真和實(shí)驗結果證明所提控制策略可提高系統的穩定性和魯棒性，具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)響應能力，且電源非線(xiàn)性適應能力強，有效地解決了切割電源的控制需求。
關(guān)鍵詞：切割電源；等離子電弧；前饋補償；雙閉環(huán)復合控制

1 引言
目前，國內切割電源引弧方式普遍采用高頻引弧技術(shù)，但高頻引弧無(wú)法避免高頻高壓對電子設備產(chǎn)生電磁干擾。切割電流在100 A以下的切割機主要采用低頻引弧技術(shù)。
針對低頻引弧及其控制方式進(jìn)行研究，目前控制方式主要采用單環(huán)控制，一般為電壓(電流)單閉環(huán)與電流閉環(huán)電壓開(kāi)環(huán)控制切換控制。為解決切割電源的非線(xiàn)性及時(shí)變問(wèn)題，文獻采用電壓?jiǎn)苇h(huán)控制，由于切割電流直接影響切割質(zhì)量，電壓環(huán)的控制并不能及時(shí)響應電流的控制要求。文獻采用電流閉環(huán)電壓開(kāi)環(huán)控制切換控制，采用雙環(huán)切換控制時(shí)切換點(diǎn)設置困難，并且引弧瞬間的強干擾易造成控制器在電壓電流兩個(gè)環(huán)之間來(lái)回切換，導致電路不能正常起弧。文獻提出帶指令電流前饋的電流外環(huán)電壓內環(huán)的雙閉環(huán)控制方法，這種控制有較強的非線(xiàn)性負載適應能力，同時(shí)電流環(huán)具有較好的穩定性和動(dòng)態(tài)性能，而電壓環(huán)的動(dòng)態(tài)性能并不明顯，而低頻引弧情況下弧柱電壓的跟隨能力關(guān)系到引弧的成功率，因此，該方法在低頻引弧方式下存在一定的局限性。
為使切割電源在低頻引弧、弧轉移及多模式切割方式下具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能和穩定性，提出一種前饋補償雙閉環(huán)復合控制策略，分析并建立了非線(xiàn)性等離子電弧數學(xué)模型設計電弧電壓補償網(wǎng)絡(luò )，以電壓為內環(huán)，電流為外環(huán)構建新型三角載波電流控制的雙閉環(huán)復合控制策略，該策略具有較強的非線(xiàn)性適應能力，不僅實(shí)現了多模式切割，同時(shí)提高了電源的引弧率。

2 控制策略設計
等離子切割電弧形成于電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、流場(chǎng)的環(huán)境，具有非線(xiàn)性和時(shí)變問(wèn)題。電弧形成及轉移的過(guò)程都要具備快速性和穩定性。電源的非轉移弧產(chǎn)生于噴嘴與電極間，轉移弧形成于噴嘴與工件間，而切割過(guò)程中會(huì )出現非轉移弧與轉移弧互相切換，在維持電流恒定的情況下轉移電弧，這對系統快速性及穩定性的要求十分嚴格，若控制不佳將直接導致斷弧。同時(shí)，在不同切割模式(普通切割、網(wǎng)格切割和氣皰)下也必須維持電弧電流的恒定，才能使切割表面光滑，保證切割質(zhì)量和切割效果。故在此提出前饋補償雙閉環(huán)復合控制策略。
2．1 前饋補償雙閉環(huán)控制策略設計
文獻指出，用一階慣性環(huán)節去近似模擬傳統方法的三角載波電流控制變換器的頻率特性存在一定誤差，而采用前饋補償的方法設計的三角載波變換器可減小誤差且具有很好的跟蹤能力。因此，根據對給定擾動(dòng)進(jìn)行預先補償的原理，在反饋控制基礎上增加前饋控制。對給定的擾動(dòng)(圖1中指令電流Iref和Uo)采取預先補償措施，當擾動(dòng)出現但未來(lái)得及影響被控量時(shí)，前饋控制作用就產(chǎn)生了。因此，它比反饋控制更為及時(shí)且不受系統延遲的影響，變換器的輸出電流能快速跟蹤Iref，而前饋控制通常不單獨使用，應與反饋控制相結合構建復合控制，利用反饋作用最終消除跟蹤產(chǎn)生的誤差。新型電壓型變換器三角載波電流控制框圖如圖1所示。

可見(jiàn)，若變換器的輸出電流Io能快速有效地跟蹤給定電流Iref，則Iref=Io，系統能無(wú)誤差地跟蹤Iref，可得電壓環(huán)變換器輸出電壓的拉普拉斯方程：
Ue(s)=IrefGr(s)-Uo(s) (1)
可見(jiàn)，變換器受主要輸出電壓Uo及輸出阻抗的擾動(dòng)影響。三角載波控制變換器可近似為一個(gè)比例系數Uri／Udc，因此，對Uo的補償是在前饋補償器中設計一個(gè)變換器載波控制比例補償系數Udc／Utri；對輸出阻抗的補償則通過(guò)分析并建立等離子電弧數學(xué)模型，采用非線(xiàn)性曲線(xiàn)擬合方法對電弧進(jìn)行逼近處理，得到電弧方程為：

為了更有效地控制輸出電流及輸出電壓，結合前饋補償網(wǎng)絡(luò )，采用電壓內環(huán)電流外環(huán)雙閉環(huán)復合控制方式，系統結構框圖如圖2所示，控制結構圖如圖3所示。

對所提控制策略采用Matlab進(jìn)行單位階躍響應仿真。電壓環(huán)、電流環(huán)單位階躍響應曲線(xiàn)如圖4所示。由圖可見(jiàn)，電壓環(huán)單位階躍響應上升時(shí)間為3×10-4s，電流環(huán)單位階躍響應上升時(shí)間為1×10-5s。因此，控制策略的電流外環(huán)和電壓內環(huán)均具備良好的動(dòng)態(tài)能力和穩定性，十分有利于電源低頻引弧、弧轉移及能量突變的控制要求。