等離子切割電源前饋補償雙閉環(huán)復合控制策略

摘要：為滿足逆變式等離子切割電源在低頻引弧、弧轉(zhuǎn)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。通過建立等離子電弧數(shù)學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(gòu)建電壓源型變換器，以電壓為內(nèi)環(huán)、電流為外環(huán)設計雙閉環(huán)控制。根據(jù)Simulink仿真設計TMS320F2808數(shù)字控制器。仿真和實驗結(jié)果證明所提控制策略可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，具有優(yōu)異的動態(tài)響應能力，且電源非線性適應能力強，有效地解決了切割電源的控制需求。
關鍵詞：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(nèi)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)電壓開環(huán)控制切換控制。為解決切割電源的非線性及時變問題，文獻采用電壓單環(huán)控制，由于切割電流直接影響切割質(zhì)量，電壓環(huán)的控制并不能及時響應電流的控制要求。文獻采用電流閉環(huán)電壓開環(huán)控制切換控制，采用雙環(huán)切換控制時切換點設置困難，并且引弧瞬間的強干擾易造成控制器在電壓電流兩個環(huán)之間來回切換，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(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方法，這種控制有較強的非線性負載適應能力，同時電流環(huán)具有較好的穩(wěn)定性和動態(tài)性能，而電壓環(huán)的動態(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(zhuǎn)移及多模式切割方式下具有優(yōu)異的動態(tài)性能和穩(wěn)定性，提出一種前饋補償雙閉環(huán)復合控制策略，分析并建立了非線性等離子電弧數(shù)學模型設計電弧電壓補償網(wǎng)絡，以電壓為內(nèi)環(huán)，電流為外環(huán)構(gòu)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性適應能力，不僅實現(xiàn)了多模式切割，同時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、溫度場、流場的環(huán)境，具有非線性和時變問題。電弧形成及轉(zhuǎn)移的過程都要具備快速性和穩(wěn)定性。電源的非轉(zhuǎn)移弧產(chǎn)生于噴嘴與電極間，轉(zhuǎn)移弧形成于噴嘴與工件間，而切割過程中會出現(xiàn)非轉(zhuǎn)移弧與轉(zhuǎn)移弧互相切換，在維持電流恒定的情況下轉(zhuǎn)移電弧，這對系統(tǒng)快速性及穩(wěn)定性的要求十分嚴格，若控制不佳將直接導致斷弧。同時，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(jié)去近似模擬傳統(tǒng)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?shù)姆椒ㄔO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(jù)對給定擾動進行預先補償?shù)脑?，在反饋控制基礎上增加前饋控制。對給定的擾動(圖1中指令電流Iref和Uo)采取預先補償措施，當擾動出現(xiàn)但未來得及影響被控量時，前饋控制作用就產(chǎn)生了。因此，它比反饋控制更為及時且不受系統(tǒng)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(jié)合構(gòu)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，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(tǒng)能無誤差地跟蹤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，變換器受主要輸出電壓Uo及輸出阻抗的擾動影響。三角載波控制變換器可近似為一個比例系數(shù)Uri／Udc，因此，對Uo的補償是在前饋補償器中設計一個變換器載波控制比例補償系數(shù)Udc／Utri；對輸出阻抗的補償則通過分析并建立等離子電弧數(shù)學模型，采用非線性曲線擬合方法對電弧進行逼近處理，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(jié)合前饋補償網(wǎng)絡，采用電壓內(nèi)環(huán)電流外環(huán)雙閉環(huán)復合控制方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

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