为满足逆变式等离子切割电源在低频引弧、弧转移及能量突变情况下的控制需求，提出了一种前馈补偿双闭环复合控制策略。通过建立等离子电弧数学模型设计电压前馈补偿器，采用一种新型三角载波电流控制方法构建电压源型变换器，以电压为内环、电流为外环设计双闭环控制。根据Simulink仿真设计TMS320F2808数字控制器。仿真和实验结果证明所提控制策略可提高系统的稳定性和鲁棒性，具有优异的动态响应能力，且电源非线性适应能力强，有效地解决了切割电源的控制需求。
1 引言
目前，国内切割电源引弧方式普遍采用高频引弧技术，但高频引弧无法避免高频高压对电子设备产生电磁干扰。切割电流在100 A以下的切割机主要采用低频引弧技术。
针对低频引弧及其控制方式进行研究，目前控制方式主要采用单环控制，一般为电压(电流)单闭环与电流闭环电压开环控制切换控制。为解决切割电源的非线性及时变问题，文献采用电压单环控制，由于切割电流直接影响切割质量，电压环的控制并不能及时响应电流的控制要求。文献采用电流闭环电压开环控制切换控制，采用双环切换控制时切换点设置困难，并且引弧瞬间的强干扰易造成控制器在电压电流两个环之间来回切换，导致电路不能正常起弧。文献提出带指令电流前馈的电流外环电压内环的双闭环控制方法，这种控制有较强的非线性负载适应能力，同时电流环具有较好的稳定性和动态性能，而电压环的动态性能并不明显，而低频引弧情况下弧柱电压的跟随能力关系到引弧的成功率，因此，该方法在低频引弧方式下存在一定的局限性。
为使切割电源在低频引弧、弧转移及多模式切割方式下具有优异的动态性能和稳定性，提出一种前馈补偿双闭环复合控制策略，分析并建立了非线性等离子电弧数学模型设计电弧电压补偿网络，以电压为内环，电流为外环构建新型三角载波电流控制的双闭环复合控制策略，该策略具有较强的非线性适应能力，不仅实现了多模式切割，同时提高了电源的引弧率。
2 控制策略设计
等离子切割电弧形成于电磁场、温度场、流场的环境，具有非线性和时变问题。电弧形成及转移的过程都要具备快速性和稳定性。电源的非转移弧产生于喷嘴与电极间，转移弧形成于喷嘴与工件间，而切割过程中会出现非转移弧与转移弧互相切换，在维持电流恒定的情况下转移电弧，这对系统快速性及稳定性的要求十分严格，若控制不佳将直接导致断弧。同时，在不同切割模式(普通切割、网格切割和气疱)下也必须维持电弧电流的恒定，才能使切割表面光滑，保证切割质量和切割效果。故在此提出前馈补偿双闭环复合控制策略。
2．1 前馈补偿双闭环控制策略设计
文献指出，用一阶惯性环节去近似模拟传统方法的三角载波电流控制变换器的频率特性存在一定误差，而采用前馈补偿的方法设计的三角载波变换器可减小误差且具有很好的跟踪能力。因此，根据对给定扰动进行预先补偿的原理，在反馈控制基础上增加前馈控制。对给定的扰动(图1中指令电流Iref和Uo)采取预先补偿措施，当扰动出现但未来得及影响被控量时，前馈控制作用就产生了。因此，它比反馈控制更为及时且不受系统延迟的影响，变换器的输出电流能快速跟踪Iref，而前馈控制通常不单独使用，应与反馈控制相结合构建复合控制，利用反馈作用最终消除跟踪产生的误差。新型电压型变换器三角载波电流控制框图如图1所示。
可见，若变换器的输出电流Io能快速有效地跟踪给定电流Iref，则Iref=Io，系统能无误差地跟踪Iref，可得电压环变换器输出电压的拉普拉斯方程：
Ue(s)=IrefGr(s)-Uo(s) (1)
可见，变换器受主要输出电压Uo及输出阻抗的扰动影响。三角载波控制变换器可近似为一个比例系数Uri／Udc，因此，对Uo的补偿是在前馈补偿器中设计一个变换器载波控制比例补偿系数Udc／Utri；对输出阻抗的补偿则通过分析并建立等离子电弧数学模型，采用非线性曲线拟合方法对电弧进行逼近处理，得到电弧方程为：
为了更有效地控制输出电流及输出电压，结合前馈补偿网络，采用电压内环电流外环双闭环复合控制方式，系统结构框图如图2所示，控制结构图如图3所示。
对所提控制策略采用Matlab进行单位阶跃响应仿真。电压环、电流环单位阶跃响应曲线如图4所示。由图可见，电压环单位阶跃响应上升时间为3×10-4s，电流环单位阶跃响应上升时间为1×10-5s。因此，控制策略的电流外环和电压内环均具备良好的动态能力和稳定性，十分有利于电源低频引弧、弧转移及能量突变的控制要求。
2．2 等离子切割电源系统框图设计
根据所提控制策略，设计基于TMS320F2808主控芯片，采用前馈补偿双闭环复合控制策略的数字控制器，切割电源拓扑结构包括半桥DC／DC环节及低频引弧装置。以低频引弧装置取代高频引弧装置，采用定电流短路引弧方式进行低频引弧。图5示出逆变式空气等离子切割电源系统框图。
3 仿真及实验
3．1 仿真结果分析
采用Simulink搭建等离子切割电源电路拓扑结构，对提出的前馈补偿双闭环控制策略进行仿真验证；对电源短路定电流低频引弧、引弧转移至切割及能量突变过程进行仿真，仿真结果如图6所示。仿真结果验证了采用的控制策略具有良好的稳定性和快速性，表明了该控制策略的可行性和正确性。
3．2 实验结果分析
根据仿真结果及控制策略的分析，设计TMS320F2808数字控制器，搭建20 kW，切割电流为100 A的实验样机。图7a示出低频引弧过程。
起弧前，电极与喷嘴处于短路状态，引弧电流为25 A，在压缩气体到来时，出现弧电流跌落，需快速建立弧电压来维持电流稳定，保证成功起弧。
图7b示出弧转移过程，此过程由非转移弧向转移弧转变，电弧转移时会出现弧柱电压跌落，此时需快速跟随电流变化并迅速稳定电弧，可见实验达到良好的控制效果。
图7c示出转移弧稳定时能量突变过程，电流由25 A突增至80 A，切割电流快速跟随且稳定。
图7d示出在50 A切割情况下的波形，具有良好的稳定性。
4 结论
提出了前馈补偿双闭环复合控制策略设计TMS320F2808数字控制器，搭建20 kW／100 A等离子切割电源实验平台进行验证，结果表明所提控制策略对系统输出电压及切割电流具备良好的动态响应过程和鲁棒性，结果表明控制策略能快速响应并跟踪系统突变，且系统超调很小，在引弧过程、弧转移及能量突变过程中具有优异的动态性能和稳定性，非线性处理能力强，十分适用于低频引弧方式下的逆变式切割电源。实验结果证明了该控制策略的可行性和正确性，同时，改善了电源性能，还提高了切割质量和切割效果。
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