摘要：為滿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復合控制策略。通過建立等離子電弧數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建電壓源型變換器，以電壓為內環、電流為外環設計雙閉環控制。根據Simulink仿真設計TMS320F2808數字控制器。仿真和實驗結果證明所提控制策略可提高系統的穩定性和魯棒性，具有優異的動態響應能力，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，但高頻引弧無法避免高頻高壓對電子設備產生電磁干擾。切割電流在100 A以下的切割機主要采用低頻引弧技術。
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控制，一般為電壓(電流)單閉環與電流閉環電壓開環控制切換控制。為解決切割電源的非線性及時變問題，文獻采用電壓單環控制，由于切割電流直接影響切割質量，電壓環的控制并不能及時響應電流的控制要求。文獻采用電流閉環電壓開環控制切換控制，采用雙環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電壓內環的雙閉環控制方法，這種控制有較強的非線性負載適應能力，同時電流環具有較好的穩定性和動態性能，而電壓環的動態性能并不明顯，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、弧轉移及多模式切割方式下具有優異的動態性能和穩定性，提出一種前饋補償雙閉環復合控制策略，分析并建立了非線性等離子電弧數學模型設計電弧電壓補償網絡，以電壓為內環，電流為外環構建新型三角載波電流控制的雙閉環復合控制策略，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、流場的環境，具有非線性和時變問題。電弧形成及轉移的過程都要具備快速性和穩定性。電源的非轉移弧產生于噴嘴與電極間，轉移弧形成于噴嘴與工件間，而切割過程中會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，在不同切割模式(普通切割、網格切割和氣皰)下也必須維持電弧電流的恒定，才能使切割表面光滑，保證切割質量和切割效果。故在此提出前饋補償雙閉環復合控制策略。
2．1 前饋補償雙閉環控制策略設計
文獻指出，用一階慣性環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，根據對給定擾動進行預先補償的原理，在反饋控制基礎上增加前饋控制。對給定的擾動(圖1中指令電流Iref和Uo)采取預先補償措施，當擾動出現但未來得及影響被控量時，前饋控制作用就產生了。因此，它比反饋控制更為及時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，系統能無誤差地跟蹤Iref，可得電壓環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Udc／Utri；對輸出阻抗的補償則通過分析并建立等離子電弧數學模型，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，結合前饋補償網絡，采用電壓內環電流外環雙閉環復合控制方式，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進行單位階躍響應仿真。電壓環、電流環單位階躍響應曲線如圖4所示。由圖可見，電壓環單位階躍響應上升時間為3×10-4s，電流環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和電壓內環均具備良好的動態能力和穩定性，十分有利于電源低頻引弧、弧轉移及能量突變的控制要求。