切割机驱动电路、切割机控制装置和等离子切割机的制作方法

本发明属于切割机技术领域，尤其涉及一种切割机驱动电路、切割机控制装置和等离子切割机。

背景技术：

等离子技术已经被广泛应用于工业、化学、国防和通信的领域。等离子切割是一种高速高精度的金属材料切割方法，与传统火焰切割相比，等离子切割凭借迅速的切割速度、良好的切割质量等优势，在金属切割领域应用越来越广泛。

市场上空气等离子切割机在起弧控制上都采用一种固定方案，这种起弧方案无论是等离子切割枪喷嘴从工件边缘起弧还是等离子切割枪喷嘴从工件中间穿孔起弧，都采用同样的控制方案。

由于等离子切割机对于边缘起弧和穿孔起弧都是采用同样的控制方案，所以很难满足两种完全不同的起弧点对起弧控制的要求，如果控制方案满足了穿孔起弧要求，在边缘起弧时就可能出现起弧慢、效率低的问题；如果控制方案满足了边缘起弧要求，在穿孔起弧时就可能出现起弧电流大，熔化金属飞溅大，甚至出线飞溅金属导致喷嘴与工件短路而烧损。所以控制方案上一般就选择一种折中方案来兼容两种起弧方式，这种折中方案虽然能避免大的缺陷，但是却无法完全适应这两种起弧方式。

因此，传统的起弧控制存在无法兼容边缘起弧和穿孔起弧的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种切割机驱动电路，旨在解决传统的起弧控制存在无法兼容边缘起弧和穿孔起弧的问题。

本发明实施例的第一方面提了一种切割机驱动电路，切割机驱动电路包括逆变电路、电源转换电路、维弧驱动电路、第一电流检测电路、第二电流检测电路和控制电路；

所述逆变电路用于将接收到的外部电源转换为交流电源并输出至所述电源转换电路，所述电源转换电路的输出端负极与切割枪头的电极连接，所述电源转换电路的输出端正极与工件连接，所述维弧驱动电路分别与所述切割枪头的喷嘴和所述控制电路电性连接，所述控制电路还分别与所述逆变电路、第一电流检测电路和第二电流检测电路电性连接；

所述第一电流检测电路，用于检测所述交流电源的电流大小，并反馈第一电流检测信号至所述控制电路；

所述第二电流检测电路，用于检测流经所述工件的电流，并反馈第二电流检测信号至所述控制电路；

所述控制电路，用于：

接收到所述第一电流检测信号时控制所述维弧驱动电路在所述电极和所述喷嘴之间建立维弧电流，并在接收到所述第二电流检测信号时控制所述维弧驱动电路停止维弧；

检测接收到所述第二电流检测信号和所述第一电流检测信号的时间间隔；

当检测所述时间间隔大于预设时间间隔时，确定所述切割机边缘起弧，输出第一控制信号至所述逆变电路，以使所述电源转换电路输出第一起弧电流至所述电极和工件；

当检测所述时间间隔小于预设时间间隔时，确定所述切割机穿孔起弧，输出第二控制信号至所述逆变电路，以使所述电源转换电路输出第二起弧电流至所述电极和工件；

当所述第一起弧电流或所述第二起弧电流达到设定电流时，控制所述电源转换电路输出所述设定电流至所述电极和工件；其中，所述第一起弧电流的初始电流值大于所述第二起弧电流的初始电流值，且所述第一起弧电流的电流上升速度大于所述第二起弧电流的电流上升速度。

在一个实施例中，所述电源转换电路包括依次连接的主变耦合电路和整流输出电路；

所述主变耦合电路，用于将所述交流电源进行电压转换，并输出转换后的交流电源至所述整流输出电路；

所述整流输出电路，用于将所述主变耦合电路输出的交流电源进行整流转换，并输出所述直流电源。

在一个实施例中，所述控制电路包括控制器和pi调节电路；

所述第一电流检测电路的信号端与所述pi调节电路的第一信号输入端连接，所述pi调节电路的第二信号输入端与所述控制器的信号端连接，所述pi调节电路的信号输出端与所述逆变电路的受控端连接；

所述控制器，用于输出第一参考电流信号至所述pi调节电路；

所述pi调节电路，用于根据所述第一参考电流信号和所述第一电流检测信号输出脉宽与所述第一电流检测信号的电流大小成反比的pwm信号至所述逆变电路。

在一个实施例中，所述pi调节电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器、第一电容、第二电容、第三电容和第四电容；

所述第一电阻的第一端为所述pi调节电路的第二信号输入端，所述第一电阻的第二端、所述第一电容的第一端、所述第二电阻的第一端和所述第一运算放大器的反相输入端互连，所述第一电容的第二端和所述第三电阻的第一端均接地，所述第三电阻的第二端与所述第一运算放大器的正相输入端连接，所述第二电阻的第二端、所述第一运算放大器的输出端和所述第四电阻的第一端互连，所述第四电阻的第二端、所述第五电阻的第一端、所述第六电阻的第一端和所述第二运算放大器的反相输入端互连，所述第六电阻的第一端为所述pi调节电路的第一信号输入端，所述第五电阻的第二端与所述第二电容的第一端连接，所述第七电阻的第二端接地，所述第七电阻第二端与所述第二运算放大器的正相输入端连接，所述第二运算放大器的输出端、所述第二电容的第二端和所述第八电阻的第一端互连，所述第八电阻的第二端、所述第九电阻的第一端、所述第三电容的第一端和所述第三运算放大器的反相输入端互连，所述第九电阻的第二端和所述第三电容的第二端均接地，所述第三运算放大器的正相输入端、所述第三运算放大器的输出端和所述第十电阻的第一端互连，所述第十电阻的第二端和所述第四电容的第一端共接构成所述pi调节电路的信号输出端，所述第四电容的第二端接地。

在一个实施例中，所述维弧驱动电路包括维弧控制电路和维弧开关电路；

所述维弧控制电路的信号端分别与所述控制电路的信号端和所述维弧开关电路的受控端连接，所述维弧开关电路的输入端与所述电源转换电路的输出端正极连接，所述维弧开关电路的输出端与所述喷嘴连接；

所述控制电路，用于接收到所述第一电流检测信号时输出第一控制信号至所述维弧控制电路，以及在接收到所述第二电流检测信号时输出第二控制信号至所述维弧控制电路；

所述维弧控制电路，用于；

接收到所述第一控制信号时控制所述维弧开关电路导通，并在所述电极和所述喷嘴之间建立维弧电流；

接收到所述第二控制信号时控制所述维弧开关电路关断停止维弧。

在一个实施例中，所述维弧控制电路包括光耦，所述光耦的输入端与所述控制电路的信号端连接，所述光耦的输出端与所述维弧开关电路的受控端连接。

在一个实施例中，所述第一电流检测电路包括电流互感器和整流降压电路；

所述电流互感器的初级线圈连接在所述电源转换电路的电源输入端前级，所述电流互感器的次级线圈与所述整流降压电路的电源输入端连接，所述整流降压电路的电源输出端与所述控制电路的信号端连接。

在一个实施例中，所述第二电流检测电路包括电流传感器。

本发明实施例的第二方面提了一种切割机控制装置，切割机控制装置包括气阀和如上所述的切割机驱动电路，所述气阀通过气管与切割枪头连接。

本发明实施例的第三方面提了一种等离子切割机，等离子切割机包括切割枪头和如上所述的切割机控制装置。

本发明实施例通过采用逆变电路、电源转换电路、维弧驱动电路、第一电流检测电路、第二电流检测电路和控制电路组成切割机驱动电路，切割机驱动电路上电时，维弧驱动电路工作，当维弧引燃主弧时，工件、喷嘴与电源转换电路形成回路，根据边缘起弧和穿孔起弧的引燃主弧的时间间隔不同，确定当前切割机为边缘起弧还是穿孔起弧，并控制电源转换电路输出不同的起弧电流，从而适配边缘起弧和穿孔起弧，提高边缘起弧的起弧效率，同时减少穿孔起弧时金属飞溅。

附图说明

图1为本发明实施例提供的切割机驱动电路的第一种结构示意图；

图2为本发明实施例提供的切割机驱动电路的电流波形示意图；

图3为本发明实施例提供的切割机驱动电路的第二种结构示意图；

图4为本发明实施例提供的切割机驱动电路的第三种结构示意图；

图5为图4实施例中提供的pi调节电路的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的切割机驱动电路的第四种结构示意图；

图7为本发明实施例提供的切割机驱动电路的第五种结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本发明实施例的第一方面提了一种切割机驱动电路100。

如图1所示，图1为本发明实施例提供的切割机驱动电路100的第一种结构示意图，本实施例中，切割机驱动电路100包括逆变电路10、电源转换电路20、维弧驱动电路30、第一电流检测电路40、第二电流检测电路50和控制电路60；

逆变电路10用于将接收到的外部电源转换为交流电源并输出至电源转换电路20，电源转换电路20的输出端负极与切割枪头200的电极210连接，电源转换电路20的输出端正极与工件300连接，维弧驱动电路30分别与切割枪头200的喷嘴220和控制电路60电性连接，控制电路60还分别与逆变电路10、第一电流检测电路40和第二电流检测电路50电性连接；

第一电流检测电路40，用于检测交流电源的电流大小，并反馈第一电流检测信号至控制电路60；

第二电流检测电路50，用于检测流经工件300的电流，并反馈第二电流检测信号至控制电路60；

控制电路60，用于：

接收到第一电流检测信号时控制维弧驱动电路30在电极210和喷嘴220之间建立维弧电流，并在接收到第二电流检测信号时控制维弧驱动电路30停止维弧；

检测接收到第二电流检测信号和第一电流检测信号的时间间隔；

当检测时间间隔大于预设时间间隔时，确定切割机边缘起弧，输出第一控制信号至逆变电路10，以使电源转换电路20输出第一起弧电流i1至电极210和工件300；

当检测时间间隔小于预设时间间隔时，确定切割机穿孔起弧，输出第二控制信号至逆变电路10，以使电源转换电路20输出第二起弧电流i2至电极210和工件300；

当第一起弧电流i1或第二起弧电流i2达到设定电流i0时，控制电源转换电路20输出设定电流i0至电极210和工件300；其中，第一起弧电流i1的初始电流值大于第二起弧电流i2的初始电流值，且第一起弧电流i1的电流上升速度大于第二起弧电流i2的电流上升速度。

本实施例中，外部电源为直流电源，逆变电路10将接收到的外部电源进行逆变转换，并经过电源转换电路20进行交直流转换，电源转换电路20可包括升降压电路、整流电路等，具体根据切割机的切割需求具体设定。

初始上电时，逆变电路10上电，此时，喷嘴220和电极210短路，控制电路60先行控制维弧驱动电路30工作，并在喷嘴220和电极210之间施加维护电流，然后控制气阀开启，压缩空气通过气管到达切割枪头200，并控制喷嘴220和电极210脱离，维弧电流在电极210、喷嘴220之间拉弧并随压缩空气喷出喷嘴220形成维弧，维弧接触工件300即可引燃主弧，切割电流就通过电极210与工件300形成回路进行正常切割操作，此时，控制电路60接收到第二电流检测信号时，控制维弧驱动电路30停止工作，电源转换电路20的输出电流由维弧电流切换至切割电流。

维弧接触工件300的时间不同，工件300的切割电流出现的时间点不同，当切割机为边缘起弧时，维弧慢慢靠近工件300直至接触工件300引燃主弧形成电流，从初始上电到形成切割电流的时间间隔较长，当切割机为穿孔起弧时，维弧与工件300距离短，直接接触并引燃主弧，从初始上电到形成切割电流的时间间隔短，因此，根据切割电流形成的时间与初始上电的时间间隔即可判断出切割机当前为边缘起弧还是穿孔起弧，并对应适配不同的起弧控制策略。

控制电路60前后接收到第一电流检测信号和第二电流检测信号，当接收到第二电流检测信号与第一电流检测信号的时间间隔大于预设时间间隔时，则可判断当前切割机为边缘起弧，并控制逆变电路10输出第一交流电源，以使电源转换电路20输出第一起弧电流i1至电极210和工件300引弧，如图2所示，第一起弧电流i1初始电流值大，且电流上升速度大，从而在t1时间点即可快速达到设定电流i0，提高边缘起弧的起弧速度和效率。

0当接收到第二电流检测信号与第一电流检测信号的时间间隔小于预设时间间隔时，则可判断当前切割机为穿孔起弧，控制电路60控制逆变电路10输出第二交流电源，以使电源转换电路20输出第二起弧电流i2至电极210和工件300引弧，如图2所示，第二起弧电流i2初始电流值小，且电流上升速度小，从而在t2时间点慢速达到设定电流i0，避免在穿孔起弧时因起弧电流大造成融化金属飞溅，导致喷嘴220和工件300短路烧损的问题，提高起弧的安全性。

并在起弧电流达到设定电流i0时，控制电路60控制电源转换电路20输出的切割电流保持在设定电流i0，并进行正常的切割工作。

逆变电路10可采用由igbt管组成的逆变桥，可为全桥逆变电路10或者半桥逆变电路10，具体结构不限。

本发明实施例通过采用逆变电路10、电源转换电路20、维弧驱动电路30、第一电流检测电路40、第二电流检测电路50和控制电路60组成切割机驱动电路100，切割机驱动电路100上电时，维弧驱动电路30工作，当维弧引燃主弧时，工件300、喷嘴220与电源转换电路20形成回路，根据边缘起弧和穿孔起弧的引燃主弧的时间间隔不同，确定当前切割机为边缘起弧还是穿孔起弧，并控制电源转换电路20输出不同的起弧电流，从而适配边缘起弧和穿孔起弧，提高边缘起弧的起弧效率，同时减少穿孔起弧时金属飞溅。

如图3所示，在一个实施例中，电源转换电路20包括依次连接的主变耦合电路21和整流输出电路22；

主变耦合电路21，用于将交流电源进行电压转换，并输出转换后的交流电源至整流输出电路22；

整流输出电路22，用于将主变耦合电路21输出的交流电源进行整流转换，并输出直流电源。

本实施例中，逆变电路10输入外部电源，并分别经逆变电路10逆变、主变耦合电路21耦合升压以及整流输出电路22整流后输出高压直流电源至后级的切割枪头200和工件300，主变耦合电路21可采用不同线圈比例的变压器，整流输出电路2230可采用全波整流电路或者半波整流电路，主变耦合电路21和整流输出电路22的具体结构可根据需求对应设置，在此不做具体限制。

如图4所示，在一个实施例中，控制电路60包括控制器61和pi调节电路62；

第一电流检测电路40的信号端与pi调节电路62的第一信号输入端连接，pi调节电路62的第二信号输入端与控制器61的信号端连接，pi调节电路62的信号输出端与逆变电路10的受控端连接；

控制器61，用于输出第一参考电流信号至pi调节电路62；

pi调节电路62，用于根据第一参考电流信号和第一电流检测信号输出脉宽与第一电流检测信号的电流大小成反比的pwm信号至逆变电路10。

本实施例中，pi调节电路62根据由控制器61提供的第一参考电流信号以及检测到的原边电流输出对应脉宽大小的pwm信号至逆变电路10，从而实现恒流输出控制，其中，原边电流越大时，pwm信号的脉宽越小，原边电流越小时，pwm信号的脉宽越大，从而在小电流时实现电流快速上升，并逐步降低脉宽，以逐步控制电流上升至电流阈值，实现恒流控制。

控制器61可采用单片机、mcu、cpu等控制元件，具体结构不限，pi调节电路62可采用pi调节器或者对应的组合电路，如图5所示，在一个实施例中，pi调节电路62包括第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、第六电阻r6、第七电阻r7、第八电阻r8、第九电阻r9、第十电阻r10、第一运算放大器u1、第二运算放大器u2、第三运算放大器u3、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3和第四电容c4；

第一电阻r1的第一端为pi调节电路62的第二信号输入端，第一电阻r1的第二端、第一电容c1的第一端、第二电阻r2的第一端和第一运算放大器u1的反相输入端互连，第一电容c1的第二端和第三电阻r3的第一端均接地，第三电阻r3的第二端与第一运算放大器u1的正相输入端连接，第二电阻r2的第二端、第一运算放大器u1的输出端和第四电阻r4的第一端互连，第四电阻r4的第二端、第五电阻r5的第一端、第六电阻r6的第一端和第二运算放大器u2的反相输入端互连，第六电阻r6的第一端为pi调节电路62的第一信号输入端，第五电阻r5的第二端与第二电容c2的第一端连接，第七电阻r7的第二端接地，第七电阻r7第二端与第二运算放大器u2的正相输入端连接，第二运算放大器u2的输出端、第二电容c2的第二端和第八电阻r8的第一端互连，第八电阻r8的第二端、第九电阻r9的第一端、第三电容c3的第一端和第三运算放大器u3的反相输入端互连，第九电阻r9的第二端和第三电容c3的第二端均接地，第三运算放大器u3的正相输入端、第三运算放大器u3的输出端和第十电阻r10的第一端互连，第十电阻r10的第二端和第四电容c4的第一端共接构成pi调节电路62的信号输出端，第四电容c4的第二端接地。

其中，第一电阻r1接收第一参考电路信号，第六电阻r6接收第三电流检测信号，并分别运算放大器比例放大实现pi调节，进行脉宽调制输出，以对逆变电路10进行恒流输出控制。

如图6所示，在一个实施例中，维弧驱动电路30包括维弧控制电路31和维弧开关电路32；

维弧控制电路31的信号端分别与控制电路60的信号端和维弧开关电路32的受控端连接，维弧开关电路32的输入端与电源转换电路20的输出端正极连接，维弧开关电路32的输出端与喷嘴220连接；

控制电路60，用于接收到第一电流检测信号时输出第一控制信号至维弧控制电路31，以及在接收到第二电流检测信号时输出第二控制信号至维弧控制电路31；

维弧控制电路31，用于；

接收到第一控制信号时控制维弧开关电路32导通，并在电极210和喷嘴220之间建立维弧电流；

接收到第二控制信号时控制维弧开关电路32关断停止维弧。

本实施例中，当未正常引弧时，电源转换电路20的输出端正极与工件300之间无电流通过，正常工作时，当维弧电流在电极210和喷嘴220之间拉弧并随压缩空气喷出喷嘴220形成维弧时，维弧接触工件300引燃主弧，正常引弧，电流就通过电极210与工件300形成回路进行正常切割操作，此时，控制电路60接收到第二电流检测信号，并输出第二控制信号控制维弧控制电路31停止工作，维弧开关电路32关断，电极210与喷嘴220之间无维弧电流，切割机切换至切割工作。

维弧控制电路31用于对控制电路60输出的开关控制信号进行信号转换，可采用信号放大电路、隔离电路等，在一个实施例中，维弧控制电路31包括光耦，光耦的输入端与控制器61的信号端连接，光耦的输出端与维弧开关电路32的受控端连接，光耦进行信号隔离，并反馈开关控制信号至维弧开关电路32。

维弧开关电路32可采用具有受控功能的开关管，例如igbt管、三极管、mos管等中的任意一种。

如图7所示，在一个实施例中，第一电流检测电路40包括电流互感器t1和整流降压电路41；

电流互感器t1的初级线圈连接在电源转换电路20的电源输入端前级，电流互感器t1的次级线圈与整流降压电路41的电源输入端连接，整流降压电路41的电源输出端与控制电路60的信号端连接。

本实施例中，逆变电路10输出交流电源，因此，为了实现电流检测，第一电流检测电路40包括电流互感器t1以及整流降压电路41，电流互感器t1进行比例输出交流电源至整流降压电路41，同时经整流降压电路41进行整流降压转换，从而获取第一电流检测信号，整流降压电路41可包括整流电路、降压电路、限流电路等，具体结构不做限制，同时，流经工件300的电流为直流电源，因此，第二电流检测电路50采用电流传感器即可实现电流检测，在一个实施例中，第二电流检测电路50包括电流传感器。

本发明还提出一种切割机控制装置，该切割机控制装置包括气阀和切割机驱动电路100，该切割机驱动电路100的具体结构参照上述实施例，由于本切割机控制装置采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。其中，气阀通过气管与切割枪头200连接。

本实施例中，切割机驱动电路100进行维弧，同时气阀进行压缩空气输出，从而实现维弧引燃主弧操作，并通过切割机驱动电路100确定切割机的起弧方式，并适配不同的引弧电流，提高边缘起弧的起弧效率，同时减少穿孔起弧时金属飞溅。

本发明还提出一种等离子切割机，该等离子切割机包括切割枪头200和切割机控制装置，该切割机控制装置的具体结构参照上述实施例，由于本等离子切割机采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。