一種數字化等離子切割機控制系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種數字化等離子切割機控制系統，包括用于完成等離子切割電源系統流程控制與管理，狀態過程的檢測與故障診斷的主電源控制器；用于根據主電源控制器發送的指令控制等離子切割電源工作時所需的氣體流向和氣壓，同時將這些信息反饋給主電源控制器進行監控的氣體控制器；用于控制離子切割機系統中冷卻液的流量和溫度，同時將這些信息反饋給主電源控制器進行狀態監控的冷卻器控制器；主電源控制器通過CAN總線與氣體控制器、冷卻器控制器通信連接。均可以采用DSP作為控制中心。本實用新型通過主電源、氣體系統、冷卻系統之間的協調控制，實現整個等離子切割機控制系統的總體功能和優化處理，提高整個系統的運行效率。
【專利說明】一種數字化等離子切割機控制系統
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于等離子弧切割設備【技術領域】，具體涉及一種數字化等離子切割電機控制系統。
【背景技術】
[0002]等離子切割技術是集數控技術，計算機軟、硬件技術，等離子切割技術，精密機械技術于一體的高新技術。等離子切割在改善加工精度、節約材料、提高勞動生產率等方面顯示出巨大的優勢。等離子切割的質量與切割電流、切割速度、電弧電壓、工作氣體與流量和噴嘴高度等多種工藝參數相關，因此等離子切割機控制系統應具有多任務、實時性等特點。
[0003]目前等離子切割機多以中小功率為主，為了減小設備體積，大多采用集中式控制，由一個控制器完成電源、氣體系統、冷卻系統的協調控制。但集中式控制系統有其自身的局限性。等離子切割機集成了大量的傳感器，如電流傳感器、電壓傳感器、溫度傳感器、氣壓傳感器、流量傳感器等，輸入輸出通道數龐大，因此集中式控制必然面對接口復雜，控制器設計復雜的問題；等離子切割電源在切割時產生的電磁干擾非常大，嚴重影響了控制系統可靠性工作，集中式控制不利于提高系統的電磁兼容性；等離子切割機由電源系統、氣體控制系統、冷卻控制系統等多個子系統組成，集中式控制并不適用于模塊化開發。等離子切割機切割時會產生大量的工件殘渣、粉塵、廢水、廢氣，這些污染物對控制器可靠性工作影響很大，集中式控制不利于對控制器進行有效防護。
[0004]傳統等離子切割機的控制回路是由無源或有源器件組成的模擬系統。模擬控制系統最大的缺點是進行復雜處理的能力有限、元器件數量多，并且控制器的參數由電阻、電容等分立元件的參數決定，控制器的調試復雜、靈活性差。同時電阻、電容的參數分布影響控制器的一致性，參數的穩定性差，如溫度漂移影響控制器的穩定性。

【發明內容】

[0005]本實用新型提供了一種數字化等離子切割機控制系統，目的在于克服集中式控制的缺點，能夠降低系統接線復雜性，實現模塊化開發，提高了系統的處理速度和可靠性，精確控制，簡化設計，實現實時切割過程控制、監控和診斷工作過程。
[0006]本實用新型提供的一種數字化等離子切割機控制系統，包括
[0007]用于完成等離子切割電源系統流程控制與管理，狀態過程的檢測與故障診斷的主電源控制器；
[0008]用于根據主電源控制器發送的指令控制等離子切割電源工作時所需的氣體流向和氣壓，同時將這些信息反饋給主電源控制器進行監控的氣體控制器；
[0009]用于控制離子切割機系統中冷卻液的流量和溫度，同時將這些信息反饋給主電源控制器進行狀態監控的冷卻器控制器；
[0010]主電源控制器通過CAN總線與氣體控制器、冷卻器控制器通信連接。
[0011]作為上述技術方案的改進，所述的主電源控制器采用DSP作為控制中心，它包括第一 DSP，第一 PWM信號電路，電流信號采樣電路，繼電控制電路，第一 CAN通信電路和串口通信電路；所述第一DSP分別與第一PWM信號電路，電流信號米樣電路,繼電控制電路,第一CAN通信電路和串口通信電路電信號連接；所述第一 PWM信號電路輸出高頻PWM驅動信號控制主電源的功率開關模塊，所述電流信號采樣電路采集功率開關模塊的輸出電流信號；第一 DSP將功率開關模塊的輸出電流信號與用戶設定的指令信號比較，經過閉環控制算法輸出到第一 PWM信號電路，通過控制功率開關模塊中開關管的導通和關斷，完成系統的閉環電流控制；同時當采集功率開關模塊的輸出電流過大時關閉第一 PWM信號電路輸出，實現保護控制；繼電控制電路控制主電源的高頻引弧電路，用于擊穿工件和割炬之間的氣隙，點燃等離子弧；第一 CAN通信電路與氣體控制器和冷卻器控制器相連接，實現各部件的信息交換；串口通信電路用于與數控機床相連接，實現等離子切割的自動化控制。
[0012]作為上述技術方案的進一步改進，所述氣體控制器采用DSP作為控制中心，它包括第二 DSP，電磁閥控制電路，氣壓信號采樣電路和第二 CAN通信電路；第二 DSP分別與電磁閥控制電路，氣壓信號采樣電路和第二 CAN通信電路電信號連接；電磁閥控制電路用于與電磁閥相連，用于控制等離子切割電源工作中所需的氣體流向和氣壓；第二 DSP通過CAN總線接收主電源控制器發送過來的氣體狀態信息，然后根據氣體狀態信息控制相應的電磁閥，實現等離子切割過程中所需氣體的流向和氣壓；同時通過CAN總線將氣壓信號采樣電路采集的氣壓值傳給主電源控制器進行監控。
[0013]作為上述技術方案的更進一步改進，所述冷卻器控制器采用DSP作為控制中心，它包括第三DSP，水泵控制電路，水溫流量信號采樣電路和第三CAN通信電路；第三DSP與水泵控制電路，水溫流量信號采樣電路和第三CAN通信電路相連接；水泵控制電路與微型水泵相連，第三DSP通過水泵控制電路實現等離子切割電源中冷卻水循環，冷卻切割過程中的割炬；同時CAN總線將水溫和流量信號傳給主電源控制器進行監控。
[0014]本實用新型是一種可靠性高、配置靈活、易于維護的數字化等離子切割機控制系統，該系統通過主電源、氣體系統、冷卻系統之間的協調控制，實現整個等離子切割機控制系統的總體功能和優化處理，提高整個系統的運行效率。可以采用高性能的數字信號處理(DSP)芯片實現。具體而言，本實用新型具有以下技術效果:
[0015](I)等離子切割電源系統采用主電源控制器集中管理，主電源控制器、氣體控制器和冷卻器控制器分散控制，改善了控制的可靠性，不會由于個別控制回路發生故障而影響全局，提高了控制系統的反應速度和控制精確度。而且在結構上更加靈活、布局更為合理，便于各部分分別升級與修改，降低成本。
[0016](2)采用數字信號處理器，體積小、成本低、功耗低，通過處理器的精確運算來控制切割的各項性能及工作全過程，控制電路高度集成、簡化，控制性能得到了很大的提高，產
品一致性好。
[0017](3)采用CAN總線通信技術，線束簡單，可靠性高，抗干擾性強，傳輸效率高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本實用新型實例一種數字化等離子切割電源系統的控制系統的結構圖。【具體實施方式】[0019]下面結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】作進一步說明。在此需要說明的是，對于這些實施方式的說明用于幫助理解本實用新型，但并不構成對本實用新型的限定。此夕卜，下面所描述的本實用新型各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0020]如圖1所示，本實用新型實例提供的數字化等離子切割機控制系統，主要由主電源控制器10、氣體控制器20和冷卻器控制器30組成。
[0021]各控制器均采用具有信號處理能力強、實時性好、計算精度高的DSP作為控制中心。
[0022]主電源控制器10通過具備同步和容錯機制的CAN總線與氣體控制器20、冷卻器控制器30等輔助系統之間實現高速、可靠、實時和靈活的數據通信，完成全數字化高精度控制。
[0023]所述主電源控制器10 —般還與數控機床相連，實現工件的工業自動化切割。數控機床根據切割工藝選擇相關的參數通過串口通信發送給主電源控制器10。主電源控制器10主要負責等離子切割電源中功率電路的控制，通過CAN總線與氣體控制器20和冷卻器控制器30進行信息交互，實現等離子切割電源輸出電流和氣體狀態的精確配合，實現高精度的精細切割。
[0024]采用TI公司的DSP作為控制器的核心，該芯片具有指令執行速度快、大部分指令都可以在單周期內執行完畢的優點。還具有非常強大的片內I/o端口和A/D模數轉換器、CAN總線接口、串行通信接口等外圍設備，可以簡化外圍電路設計，降低系統成本。
[0025]主電源控制器10通過CAN總線與氣體控制器20、冷卻器控制器30相連構成數字化等離子切割機的CAN網絡。網絡中各自獨立的DSP處理系統之間可實現可靠的數據通信和實時、高效的任務調度。本實用新型的CAN通信符合CAN2.0擴展格式，波特率為250KB/
So
[0026]主電源控制器10采用TI公司的TMS320LF28335芯片，它是專門針對控制領域應用的DSP，具有高速信號處理和數字控制功能所必需的體系結構，其指令執行速度高達150MIPS且絕大部分的指令都可以在一個6.7ns的單周期內執行完畢。另外，它還具有非常強大的片內I/O端口和其它外圍設備，可以簡化外圍電路設計，降低系統成本。
[0027]外圍電路包括PWM信號電路101，電流信號采樣電路102，繼電控制電路103，CAN通信電路104和串口通信電路105。PWM信號電路101與DSP的ePWM外設接口相連，將DSP輸出的高頻PWM驅動信號進行電平轉換后輸出到功率開關模塊11，對功率開關模塊11中的開關管進行控制。
[0028]電流信號采樣電路102與DSP的A/D轉換外設接口相連，將功率開關模塊中電流霍爾檢測到的輸出電流信號轉換為O?3.3V電壓后送入到DSP的A/D轉換外設接口。
[0029]DSP將反饋的輸出電流信號與給定指令信號比較，經過閉環控制算法輸出到PWM信號電路，通過控制功率開關模塊11的開關管的導通和關斷，完成系統的閉環電流控制。同時當采集到斬波模塊11的輸出電流過大時關閉PWM信號電路101輸出，實現保護控制。
[0030]繼電控制電路103與DSP的通用I/O接口相連，控制等離子切割電源的高頻引弧電路模塊12，在引弧過程中產生高頻高壓脈沖信號，擊穿工件和電極之間的氣隙，點燃等離子弧。[0031]CAN通信電路104與DSP的eCAN外設接口相連，同時與氣體控制器的CAN通信電路203和冷卻器控制器的CAN通信電路303相連接，實現各部件的信息交換。
[0032]串口通信電路105與DSP的SCI外設接口相連，將SCI外設輸出信號轉換為RS485電平形式后與數控機床相連接，接收數控機床發送過來的指令信號，同時將各種狀態信息反饋給數控機床，實現等離子切割的自動化控制。
[0033]氣體控制器20的任務相對主電源更簡單，因此氣體控制器采用TI公司的TMS320LF2808芯片，相比TMS320LF28335芯片，前者體積小、成本低、功耗低，同時能滿足氣體控制的需要。
[0034]外圍電路包括電磁閥控制電路201，氣壓信號采樣電路202和CAN通信電路203相互連接組成。電磁閥控制電路201與DSP的通用I/O接口相連，DSP通過控制電磁閥的通斷來控制等離子切割過程中氣體的氣壓和流向。氣壓信號采樣電路202與DSP的A/D轉換外設接口相連，將氣壓傳感器檢測到的氣壓信號轉換為O?3.3V電壓后送入到DSP的A/D轉換外設接口。CAN通信電路203與DSP的eCAN外設接口相連，接收主電源控制器發送過來的氣體狀態信息，然后根據氣體狀態信息通過電磁閥控制電路控制相應的電磁閥，實現所需氣體的氣壓和流向。同時通過CAN總線將氣壓信號采樣電路采集的氣壓值反饋給主電源控制器進行監控。
[0035]冷卻器控制器30采用TI公司的TMS320LF2808芯片，外圍電路包括水泵控制電路301，水溫流量信號采樣電路302和CAN通信電路303相互連接組成。水泵控制電路301與DSP的通用I/O接口相連，DSP通過控制水泵的轉速來控制冷卻水的循環流量，實現冷卻切割中的割炬。水溫流量信號采樣電路302與DSP的A/D轉換外設接口相連，將水溫傳感器檢測到的溫度信號和流量傳感器檢測到的流量信號轉換為O?3.3V電壓后送入到DSP的A/D轉換外設接口。CAN通信電路303與DSP的eCAN外設接口相連，接收主電源控制器發送過來的水泵轉速信息，同時將水溫和流量信息反饋給主電源控制器進行監控。
[0036]整個數字化等離子切割機控制系統的主要工作過程如下:
[0037](I)設置
[0038]數控機床根據切割工藝參數通過主電源控制器10的串口通信電路105將預流和切割時所用氣體類型和對應的氣壓值發送給主電源控制器10，同時將等離子切割電源的輸出電流值也發送給主電源控制器10。
[0039]⑵自檢
[0040]主電源控制器10將預流時所用氣體類型和對應的氣壓值通過CAN總線發送給氣體控制器20，氣體控制器20打開相應的氣體開關閥22，根據主電源控制器10發送來的氣壓值調節氣壓調節閥21達到給定的氣壓值，并通過CAN總線將氣壓傳感器23檢測到的氣壓值傳輸給主電源控制器10進行實時監控。
[0041]主電源控制器10將微型水泵33的轉速通過CAN總線發送給冷卻器控制器30，冷卻器控制器30控制微型水泵33工作，冷卻水開始循環，并通過CAN總線將水溫流量傳感器32檢測到的水溫值和流量值傳輸給主電源控制器10進行實時監控。
[0042]主電源控制器10上的DSP進行功率開關模塊自檢，PWM信號電路101向功率開關模塊發送驅動脈沖，電流信號采樣電路102通過電流霍爾互感器檢測到的電流值應該在系統設定范圍內。[0043](3)切割
[0044]主電源控制器10將切割時的氣體氣壓值通過CAN總線發送給氣體控制器20，氣體控制器20根據主電源控制器發送來的氣壓值調節氣壓調節閥21達到給定的氣壓值，并通過CAN總線將氣壓值傳輸給主電源控制器10進行實時監控。
[0045]主電源控制器10的繼電控制電路103控制高頻引弧電路12，產生高頻高壓脈沖信號，擊穿工件和割炬之間的氣隙，點燃等離子弧。
[0046]主電源控制器10的PWM信號電路101輸出高頻PWM驅動信號對功率斬波模塊的輸出電流進行閉環控制。
[0047]⑷結束
[0048]切割完成后，主電源控制器10對功率開關模塊進行閉環控制，將輸出電流降為0，主電源控制器10通過CAN總線發送關閉氣體開關閥命令給氣體控制器20，關閉切割氣體。
[0049]30分鐘后，如果沒有切割任務，主電源控制器10通過CAN總線發送關閉微型水泵33命令給冷卻器控制器30。冷卻器控制器30通過水泵控制電路301關閉水泵。
[0050]本實用新型不僅局限于上述【具體實施方式】，本領域一般技術人員根據實施例和附圖公開的內容，可以采用其它多種【具體實施方式】實施本實用新型，因此，凡是采用本實用新型的設計結構和思路，做一些簡單的變化或更改的設計，都落入本實用新型保護的范圍。
【權利要求】
1.一種數字化等離子切割機控制系統，包括； 用于完成等離子切割電源系統流程控制與管理，狀態過程的檢測與故障診斷的主電源控制器(10)； 用于根據主電源控制器(10)發送的指令控制等離子切割電源工作時所需的氣體流向和氣壓，同時將這些信息反饋給主電源控制器(10)進行監控的氣體控制器(20)； 用于控制離子切割機系統中冷卻液的流量和溫度，同時將這些信息反饋給主電源控制器(10)進行狀態監控的冷卻器控制器(30)； 主電源控制器(10)通過CAN總線與氣體控制器(20)、冷卻器控制器(30)通信連接。
2.根據權利要求1所述的數字化等離子切割機控制系統，其特征在于，所述的主電源控制器(10)采用DSP作為控制中心，它包括第一 DSP (100)，第一 PWM信號電路(101)，電流信號采樣電路(102)，繼電控制電路(103)，第一 CAN通信電路(104)和串口通信電路(105)； 所述第一DSP(IOO)分別與第一 PWM信號電路(101)，電流信號采樣電路(102)，繼電控制電路(103)，第一 CAN通信電路(104)和串口通信電路(105)電信號連接；所述第一 PWM信號電路(101)輸出高頻PWM驅動信號控制主電源的功率開關模塊，所述電流信號采樣電路(102)采集功率開關模塊的輸出電流信號；第一 DSP (100)將功率開關模塊的輸出電流信號與用戶設定的指令信號比較，經過閉環控制算法輸出到第一 PWM信號電路(101)，通過控制功率開關模塊中開關管的導通和關斷，完成系統的閉環電流控制；同時當采集功率開關模塊的輸出電流過大時關閉第一 PWM信號電路(101)輸出，實現保護控制；繼電控制電路(103)控制主電源的高頻引弧電路，用于擊穿工件和割炬之間的氣隙，點燃等離子弧；第一 CAN通信電路(104)與氣體控制器(20)和冷卻器控制器(30)相連接，實現各部件的信息交換；串口通信電路(105)用`于與數控機床相連接，實現等離子切割的自動化控制。
3.根據權利要求1或2所述的數字化等離子切割機控制系統，其特征在于，所述氣體控制器(20)采用DSP作為控制中心，它包括第二 DSP (200)，電磁閥控制電路(201)，氣壓信號采樣電路(202)和第二 CAN通信電路(203);第二 DSP(200)分別與電磁閥控制電路(201)，氣壓信號采樣電路(202)和第二 CAN通信電路(203)電信號連接； 電磁閥控制電路(201)用于與電磁閥相連，用于控制等離子切割電源工作中所需的氣體流向和氣壓； 第二 DSP(200)通過CAN總線接收主電源控制器(10)發送過來的氣體狀態信息，然后根據氣體狀態信息控制相應的電磁閥，實現等離子切割過程中所需氣體的流向和氣壓；同時通過CAN總線將氣壓信號采樣電路(202)采集的氣壓值傳給主電源控制器(10)進行監控。
4.根據權利要求1或2所述的數字化等離子切割機控制系統，其特征在于，所述冷卻器控制器(30)采用DSP作為控制中心，它包括第三DSP (300)，水泵控制電路(301)，水溫流量信號采樣電路(302)和第三CAN通信電路(303);第三DSP(300)與水泵控制電路(301)，水溫流量信號采樣電路(302)和第三CAN通信電路(303)相連接；水泵控制電路(301)與微型水泵相連，第三DSP (300)通過水泵控制電路(301)實現等離子切割電源中冷卻水循環，冷卻切割過程中的割炬；同時CAN總線將水溫和流量信號傳給主電源控制器(10)進行監控。
5.根據權利要求3所述的數字化等離子切割機控制系統，其特征在于，所述冷卻器控制器(30)采用DSP作為控制中心，它包括第三DSP (300)，水泵控制電路(301)，水溫流量信號采樣電路(302)和第三C AN通信電路(303);第三DSP(300)與水泵控制電路(301)，水溫流量信號采樣電路(302)和第三CAN通信電路(303)相連接；水泵控制電路(301)與微型水泵相連，第三DSP (300)通過水泵控制電路(301)實現等離子切割電源中冷卻水循環，冷卻切割過程中的割炬；同時CAN總線將水溫和流量信號傳給主電源控制器(10)進行監控。
【文檔編號】B23K10/00GK203459804SQ201320491873
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年8月12日 優先權日:2013年8月12日
【發明者】林樺, 王興偉, 林磊, 蔡濤, 鐘和清, 鄧禹 申請人:華中科技大學