(57)【要約】プラズマ切断システムは、ヘッドを有するプラズマトーチと、ハウジングと、を備える。電源は、ハウジング内に配置され、プラズマトーチと連通している。電源は、プラズマトーチによってプラズマ切断アークを生成および維持するための出力電流を供給するように構成され、マルチノード通信バスを介して複数の自律スイッチング回路と通信する制御プロセッサを含む。自律スイッチング回路の各々は、制御プロセッサから受信したメッセージに基づいて出力電流の一部の生成を制御することと、自律スイッチング回路の動作パラメータを監視することと、動作パラメータのうちの１つ以上が所定の閾値を超える場合、複数の自律スイッチング回路のうちの他の自律スイッチング回路とは独立しかつ該他の自律スイッチング回路とは非同期である自律スイッチング回路の制御パラメータを変更することと、を行うように構成されたマイクロコントローラを含む。
2019513561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、
前記ハウジング内に配置され、トーチヘッドによってプラズマアークを生成および維持するための出力電流を供給するように構成された、電源と、を備える、プラズマ切断システムであって、前記電源は、
１つまたは複数の制御プロセッサと、
前記１つまたは複数の制御プロセッサと通信する複数の自律スイッチング回路であって、前記複数のスイッチング回路の各々は、前記出力電流の一部の生成を制御するように構成されたマイクロコントローラを含む、複数の自律スイッチング回路と、
前記電源に接続されて、前記プラズマアークを生成するプラズマトーチと、を含む、プラズマ切断システム。
【請求項２】
ヘッドを含むプラズマトーチと、
ハウジングと、
前記ハウジング内に配置され、前記プラズマトーチと連通し、前記プラズマトーチによってプラズマ切断アークを生成および維持するための出力電流を供給するように構成された、電源と、を備える、プラズマ切断システムであって、前記電源は、
１つまたは複数の制御プロセッサと、
マルチノード通信バスを介して前記１つまたは複数の制御プロセッサと通信する複数の自律スイッチング回路と、を含み、前記複数の自律スイッチング回路の各々は、
前記１つまたは複数の制御プロセッサから受信した１つまたは複数のメッセージに基づいて前記出力電流の一部の生成を制御することと、
前記自律スイッチング回路の１つまたは複数の動作パラメータを監視することと、
前記動作パラメータのうちの１つ以上が所定の閾値を超える場合、前記複数の自律スイッチング回路のうちの他の自律スイッチング回路から独立しかつ前記他の自律スイッチング回路とは非同期である前記自律スイッチング回路の制御パラメータを変更することと、を行うように構成された、マイクロコントローラを含む、プラズマ切断システム。
【請求項３】
前記複数の自律スイッチング回路と前記１つまたは複数の制御プロセッサとの間に接続された複数の伝送線終端抵抗をさらに備える、請求項２に記載のプラズマ切断システム。
【請求項４】
前記伝送線終端抵抗のセットは、前記マルチノード通信バスの先端または前記マルチノード通信バスの共通接続ノードに位置付けられている、請求項３に記載のプラズマ切断システム。
【請求項５】
前記ハウジング内に配置された制御盤をさらに備え、前記制御盤は、前記１つまたは複数の制御プロセッサと、前記マルチノード通信バスに関連付けられているコネクタと、を含む、請求項２に記載のプラズマ切断システム。
【請求項６】
各マイクロコントローラは、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）である、請求項２に記載のプラズマ切断システム。
【請求項７】
前記複数の自律スイッチング回路の各々は、固有識別子を含む、請求項２に記載のプラズマ切断システム。
【請求項８】
前記複数の自律スイッチング回路の自律スイッチング回路の前記固有識別子は、（ｉ）前記ハウジング内の前記自律スイッチング回路の物理的位置、（ｉｉ）前記自律スイッチング回路に設けられたキー、（ｉｉｉ）ＤＩＰスイッチの設定、および（ｉｖ）前記自律スイッチング回路に設けられた１つもしくは複数のジャンパ、のうちの１つまたは複数に基づく、請求項７に記載のプラズマ切断システム。
【請求項９】
自律スイッチング回路の動作は、当該自律スイッチング回路の固有識別子の値に基づいて有効化または無効化される、請求項７に記載のプラズマ切断システム。
【請求項１０】
前記マルチノード通信バスは、前記１つまたは複数の制御プロセッサが前記複数の自律スイッチング回路に並列に接続されたマルチドロップトポロジを含む、請求項２に記載のプラズマ切断システム。
【請求項１１】
前記１つまたは複数の動作パラメータは、ＤＣ電圧、自律スイッチング回路の温度、および電流、のうちの少なくとも１つを含む、請求項２に記載のプラズマ切断システム。
【請求項１２】
各マイクロコントローラは、リアルタイムで前記１つまたは複数の動作パラメータを監視するようにさらに構成されている、請求項２に記載のプラズマ切断システム。
【請求項１３】
各マイクロコントローラは、単相の異常および過負荷電流の異常のうちの１つまたは複数を検出することと、
前記異常に基づいて、前記複数の自律スイッチング回路のうちの前記他の自律スイッチング回路から独立しかつ前記他の自律スイッチング回路とは非同期である前記スイッチング回路の制御パラメータを変更することと、
前記１つまたは複数の制御プロセッサに前記異常の表示を提供することと、を行うようにさらに構成されている、請求項２に記載のプラズマ切断システム。
【請求項１４】
前記異常の前記表示は、前記マルチノード通信バスを介して送信される１つまたは複数のメッセージにおいて、前記１つまたは複数の制御プロセッサに提供される、請求項１３に記載のプラズマ切断システム。
【請求項１５】
前記マルチノード通信バスは、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）プロトコル、ＣＡＮＯｐｅｎプロトコル、制御自動化技術用のイーサネット（ＥｔｈｅｒＣＡＴ）プロトコル、ＤｅｖｉｃｅＮＥＴプロトコル、およびＳＥＲＣＯＳプロトコル、のうちの少なくとも１つをサポートするように構成されている、請求項２に記載のプラズマ切断システム。
【請求項１６】
前記１つまたは複数の制御パラメータは、パルス波変調（ＰＷＭ）信号の周波数、ＰＷＭ信号のデューティサイクル、プラズマアーク点火のタイミング信号、およびシャットダウン信号を含む、請求項２に記載のプラズマ切断システム。
【請求項１７】
前記１つまたは複数の制御プロセッサから受信された前記１つまたは複数のメッセージは、前記自律スイッチング回路の電流基準のための設定値を含む、請求項２に記載のプラズマ切断システム。
【請求項１８】
前記設定値は、クリティカルランプアップ期間、定常状態期間、およびランプダウン期間、のうちの１つの期間中のガス圧および時間に関連するプロファイルに対応する、請求項１７に記載のプラズマ切断システム。
【請求項１９】
前記複数の自律スイッチング回路の各々は、前記出力電流の均等な割り当て分を生成する、請求項２に記載のプラズマ切断システム。
【請求項２０】
前記複数の自律スイッチング回路のうちの少なくとも２つは、前記出力電流の異なる割り当て分を生成する、請求項２に記載のプラズマ切断システム。
【請求項２１】
自律スイッチング回路によって生成された前記出力電流の部分は、前記自律スイッチング回路が操作された時間数、前記ハウジング内の前記自律スイッチング回路の場所、前記プラズマ切断システムによって実行されているプラズマ切断動作の種類、前記プラズマ切断システムによって実行されているプラズマ切断動作の段階、および前記自律スイッチング回路の電流生成能力、のうちの１つまたは複数に基づく、請求項２に記載のプラズマ切断システム。
【請求項２２】
プラズマトーチによってプラズマ切断アークを生成および維持するための、電源からの出力電流を供給する方法であって、前記方法は、
複数の自律スイッチング回路各々のマイクロコントローラによって、１つまたは複数の制御プロセッサから、前記複数の自律スイッチング回路各々の電流設定値を含む１つまたは複数の第１のメッセージを受信することと、
前記複数の自律スイッチング回路各々の前記マイクロコントローラによって、前記１つまたは複数の制御プロセッサに、前記電流設定値の受信を確認応答する１つまたは複数の第２のメッセージを送信することと、
前記複数の自律スイッチング回路各々の前記マイクロコントローラによって、前記電流設定値に基づいて、前記複数の自律スイッチング回路の各々による前記出力電流の一部の生成を制御することと、
前記複数の自律スイッチング回路各々の前記マイクロコントローラによって、前記自律スイッチング回路の１つまたは複数の動作パラメータを監視することと、
前記動作パラメータのうちの１つが所定の閾値を超える場合、前記複数の自律スイッチング回路各々の前記マイクロコントローラによって、前記複数の自律スイッチング回路のうちの他の自律スイッチング回路から独立しかつ前記他の自律スイッチング回路とは非同期である前記自律スイッチング回路の制御パラメータを変更することと、を含む、方法。
【請求項２３】
複数の自律スイッチング回路を含むプラズマアークシステム電源からの出力電流を供給する方法であって、前記方法は、
所定の選択方式に基づいて、前記複数の自律スイッチング回路各々のマイクロコントローラによって、前記複数の自律スイッチング回路の動作を調整するためのマスターマイクロコントローラを選択することと、
前記マスターマイクロコントローラによって、プラズマアークシステムによって実行される処理のための１つまたは複数のパラメータを判定することと、
前記マスターマイクロコントローラによって、前記複数の自律スイッチング回路のうちの他のマイクロコントローラの各々から、前記自律スイッチング回路の少なくとも１つの属性を含む１つまたは複数の第１のメッセージを受信することと、
前記マスターマイクロコントローラが、前記複数の自律スイッチング回路のうちの前記他のマイクロコントローラの各々に、各マイクロコントローラの電流設定値を含む１つまたは複数の第２のメッセージを送信することであって、各電流設定値は、各自律スイッチング回路の前記少なくとも１つの属性に基づく、送信することと、
前記複数の自律スイッチング回路各々の前記マイクロコントローラによって、前記電流設定値に基づいて、前記プラズマアークシステム電源からの出力電流の一部の生成を制御することと、
前記複数の自律スイッチング回路各々の前記マイクロコントローラによって、前記自律スイッチング回路の１つまたは複数の動作パラメータを監視することと、
前記複数の自律スイッチング回路各々の前記マイクロコントローラによって、前記動作パラメータのうちの１つまたは複数が所定の閾値を超える場合、前記複数の自律スイッチング回路のうちの他の自律スイッチング回路から独立しかつ前記他の自律スイッチング回路とは非同期である前記自律スイッチング回路の制御パラメータを変更することと、を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的には、プラズマアーク切断システムに関する。特に、本発明は、プラズマトーチによってプラズマ切断アークを生成および維持するための、電源からの出力電流を供給するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
既存のプラズマアーク切断システム（例えば、材料を切断、マーキング、および削るためにプラズマアークを使用するシステム）は、特定の用途に対して必要または所望である電流を生成する電源回路を制御するためのデジタル信号プロセッサ（「ＤＳＰ：ｄｉｇｉｔａｌ  ｓｉｇｎａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ」）またはマイクロコントローラを使用する。電源は、通常、高電圧交流（「ＶＡＣ：ｖｏｌｔａｇｅ  ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  ｃｕｒｒｅｎｔ」）信号を受け取り、プラズマアーク切断またはマーキングのための高電流出力を供給する。プラズマアークシステム用の電源は、このような入力を受け取り、プラズマアーク切断出力として使用するために約１０〜４００アンペアの高電流ＤＣ出力を生成する。
【０００３】
既存のプラズマアーク切断システムは、スケーラブルではないため、様々な出力電流要件をサポートするために多くの異なる電源設計を使用する。例えば、大容量電源によって生成された電流出力は、低めの電流動作を実行するための所望の特性を有さず、すべての所望の動作を実行できるように、２つの異なるプラズマアーク切断システムの調達が必要となる場合がある。
【０００４】
さらに、複数の電力変換回路を有する電源を用いる既存のプラズマアーク切断システムでは、これらの電力変換回路は、中央ＤＳＰまたはマイクロコントローラによって構成、監視および管理される必要があり、これらの動作に関連する処理オーバーヘッドのために、互いから独立して動作できない。
【０００５】
既存のプラズマアーク切断システムの物理的アーキテクチャは、有効なプラズマ電流制御を阻害し、システムの信頼性を低下させ、さらに、部品要件、システムサイズおよび重量、製造コスト、ならびに異常部品の潜在性を増加させる。
【０００６】
したがって、プラズマトーチによってプラズマ切断アークを生成および維持するための、電源からの出力電流を供給するための改良されたシステムおよび方法が必要とされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、プラズマアーク切断のための電力を供給するシステムおよび方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一態様では、プラズマ切断システムは、ハウジングと、ハウジング内に配置され、トーチヘッドによってプラズマアークを生成および維持するための出力電流を供給するように構成された電源と、を備えることを特徴とする。電源は、１つまたは複数の制御プロセッサを含む。電源はまた、１つまたは複数の制御プロセッサと通信する複数の自律スイッチング回路を含む。複数のスイッチング回路の各々は、出力電流の一部の生成を制御するように構成されたマイクロコントローラを含む。電源は、電源に接続されて、プラズマアークを生成するプラズマトーチをさらに含む。
【０００９】
別の態様では、プラズマ切断システムは、ヘッドを有するプラズマトーチと、ハウジングと、を含むことを特徴とする。電源は、ハウジング内に配置され、プラズマトーチと連通している。電源は、プラズマトーチによってプラズマ切断アークを生成および維持するための出力電流を供給するように構成されている。電源は、１つまたは複数の制御プロセッサと、マルチノード通信バスを介して１つまたは複数の制御プロセッサと通信する複数の自律スイッチング回路と、を含む。複数の自律スイッチング回路の各々は、１つまたは複数の制御プロセッサから受信した１つまたは複数のメッセージに基づいて出力電流の一部の生成を制御することと、自律スイッチング回路の１つまたは複数の動作パラメータを監視することと、動作パラメータのうちの１つまたは複数が所定の閾値を超える場合、複数の自律スイッチング回路のうちの他の自律スイッチング回路から独立しかつ該他の自律スイッチング回路とは非同期である自律スイッチング回路の制御パラメータを変更することと、を行うように構成された、マイクロコントローラを含む。
【００１０】
別の態様では、プラズマトーチによってプラズマ切断アークを生成および維持するための、電源からの出力電流を供給する方法を特徴とする。複数の自律スイッチング回路各々のマイクロコントローラは、１つまたは複数の制御プロセッサから１つまたは複数の第１のメッセージを受信する。１つまたは複数の第１のメッセージは、複数の自律スイッチング回路の各々に対する電流設定値を含む。複数の自律スイッチング回路各々のマイクロコントローラは、１つまたは複数の第２のメッセージを１つまたは複数の制御プロセッサに送信する。１つまたは複数の第２のメッセージは、電流設定値の受信を確認応答する。複数の自律スイッチング回路各々のマイクロコントローラは、電流設定値に基づいて、複数の自律スイッチング回路の各々による出力電流の一部の生成を制御する。複数の自律スイッチング回路各々のマイクロコントローラは、自律スイッチング回路の１つまたは複数の動作パラメータを監視する。複数の自律スイッチング回路各々のマイクロコントローラは、動作パラメータのうちの１つが所定の閾値を超える場合、複数の自律スイッチング回路のうちの他の自律スイッチング回路から独立しかつ該他の自律スイッチング回路とは非同期である自律スイッチング回路の制御パラメータを変更する。
【００１１】
別の態様では、複数の自律スイッチング回路を含むプラズマアークシステム電源からの出力電流を供給する方法を特徴とする。所定の選択方式に基づいて、複数の自律スイッチング回路各々のマイクロコントローラは、複数の自律スイッチング回路の動作を調整するためのマスターマイクロコントローラを選択する。マスターマイクロコントローラは、プラズマアークシステムによって実行されるプロセスのための１つまたは複数のパラメータを判定する。マスターマイクロコントローラは、複数の自律スイッチング回路のうちの他のマイクロコントローラの各々から、自律スイッチング回路の少なくとも１つの属性を含む１つまたは複数の第１のメッセージを受信する。マスターマイクロコントローラは、複数の自律スイッチング回路のうちの他のマイクロコントローラの各々に、各マイクロコントローラの電流設定値を含む１つまたは複数の第２のメッセージを送信し、各電流設定値は、各自律スイッチング回路の少なくとも１つの属性に基づく。複数の自律スイッチング回路各々のマイクロコントローラは、電流設定値に基づいて、プラズマアークシステム電源からの出力電流の一部の生成を制御する。複数の自律スイッチング回路各々のマイクロコントローラは、自律スイッチング回路の１つまたは複数の動作パラメータを監視する。複数の自律スイッチング回路各々のマイクロコントローラは、動作パラメータのうちの１つまたは複数が所定の閾値を超える場合、複数の自律スイッチング回路のうちの他の自律スイッチング回路から独立しかつ該他の自律スイッチング回路とは非同期である自律スイッチング回路の制御パラメータを変更する。
【００１２】
上記態様は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含むことができる。いくつかの実施形態では、プラズマ切断システムは、複数の自律スイッチング回路と１つまたは複数の制御プロセッサとの間に接続された複数の伝送線終端抵抗をさらに含む。いくつかの実施形態では、伝送線終端抵抗のセットは、マルチノード通信バスの先端またはマルチノード通信バスの共通接続ノードに位置づけられる。
【００１３】
いくつかの実施形態では、制御盤がハウジング内に配置され、制御盤は、１つまたは複数の制御プロセッサと、マルチノード通信バスに関連付けられているコネクタと、を含む。いくつかの実施形態では、各マイクロコントローラは、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）である。
【００１４】
いくつかの実施形態では、複数の自律スイッチング回路の各々は、固有識別子を含む。いくつかの実施形態では、複数の自律スイッチング回路の自律スイッチング回路の固有識別子は、（ｉ）ハウジング内の自律スイッチング回路の物理的位置、（ｉｉ）自律スイッチング回路に設けられたキー、（ｉｉｉ）ＤＩＰスイッチの設定、および（ｉｖ）自律スイッチング回路に設けられた１つもしくは複数のジャンパ、のうちの１つまたは複数に基づく。いくつかの実施形態では、自律スイッチング回路の動作は、該自律スイッチング回路の固有識別子の値に基づいて有効化または無効化される。
【００１５】
いくつかの実施形態では、マルチノード通信バスは、１つまたは複数の制御プロセッサが複数の自律スイッチング回路に並列に接続されたマルチドロップトポロジを含む。
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の動作パラメータは、ＤＣ電圧、自律スイッチング回路の温度、および電流、のうちの少なくとも１つを含む。いくつかの実施形態では、各マイクロコントローラは、リアルタイムで１つまたは複数の動作パラメータを監視するようにさらに構成される。
【００１６】
いくつかの実施形態では、各マイクロコントローラは、単相の異常および過負荷電流の異常のうちの１つまたは複数を検出し、該異常に基づいて、複数の自律スイッチング回路のうちの他の自律スイッチング回路から独立しかつ該他の自律スイッチング回路とは非同期であるスイッチング回路の制御パラメータを変更し、１つまたは複数の制御プロセッサに異常の表示を提供するようにさらに構成される。いくつかの実施形態では、異常の表示は、マルチノード通信バスを介して送信された１つまたは複数のメッセージにおいて、１つまたは複数の制御プロセッサに提供される。
【００１７】
いくつかの実施形態では、マルチノード通信バスは、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）プロトコル、ＣＡＮＯｐｅｎプロトコル、制御自動化技術用のイーサネット（登録商標）（ＥｔｈｅｒＣＡＴ：Ｅｔｈｅｒｎｅｔ  ｆｏｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）プロトコル、ＤｅｖｉｃｅＮＥＴプロトコル、およびＳＥＲＣＯＳプロトコル、のうちの少なくとも１つをサポートするように構成されている。
【００１８】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の制御パラメータは、パルス波変調（ＰＷＭ）信号の周波数、ＰＷＭ信号のデューティサイクル、プラズマアーク点火のタイミング信号、およびシャットダウン信号を含む。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の制御プロセッサから受信された１つまたは複数のメッセージは、自律スイッチング回路の電流基準のための設定値を含む。いくつかの実施形態では、設定値は、クリティカルランプアップ期間、定常状態期間、およびランプダウン期間、のうちの１つの期間中のガス圧および時間に関連するプロファイルに対応する。
【００１９】
いくつかの実施形態では、複数の自律スイッチング回路の各々は、出力電流の均等な割り当て分を生成する。いくつかの実施形態では、複数の自律スイッチング回路のうちの少なくとも２つは、出力電流の異なる割り当て分を生成する。いくつかの実施形態では、自律スイッチング回路によって生成された出力電流の部分は、自律スイッチング回路が操作された時間数、ハウジング内の自律スイッチング回路の場所、プラズマ切断システムによって実行されているプラズマ切断動作の種類、プラズマ切断システムによって実行されているプラズマ切断動作の段階、および自律スイッチング回路の電流生成能力、のうちの１つまたは複数に基づく。いくつかの実施形態では、自律スイッチング回路によって生成された出力電流の部分は、プラズマ切断システムによって実行されているプラズママーキング動作の種類、プラズマ切断システムによって実行されているプラズママーキング動作の段階、および自律スイッチング回路の電流生成能力、のうちの１つまたは複数に基づく。
【００２０】
上述したシステムおよび方法の利点は、さらなる利点とともに、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって、よりよく理解されるであろう。図面は、必ずしも縮尺通りではなく、単なる例として説明された実施形態の原理を例示する際に大略的に強調されている。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本明細書に記載された実施形態による例示的なシステムのブロック図である。
【図２】本明細書に記載された実施形態による例示的なシステムのブロック図である。
【図３】本明細書に記載された実施形態による例示的なスイッチング回路のブロック図である。
【図４】本明細書に記載された実施形態による、プラズマトーチによるプラズマ切断アークを生成および維持するための、電源からの出力電流を供給する方法のフロー図である。
【図５】本明細書に記載された実施形態による、複数の自律スイッチング回路を含むプラズマアークシステム電源からの出力電流を供給する方法のフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本明細書に記載のシステムおよび方法は、プラズマトーチによってプラズマ切断アークを生成および維持するための、電源からの出力電流を供給することができるプラズマアーク切断システムに関する。システムは、１つまたは複数のスイッチング回路を使用して出力電流を生成し、必要に応じて、電源に対して追加のスイッチング回路を追加することによって出力をスケーリングできる。各スイッチング回路は、システム内の他のスイッチング回路から自律的に動作を構成、監視、および管理するためのマイクロコントローラを含む。例えば、動作開始時に所望の電流出力を示す単一のコマンドを受信すると、スイッチング回路は、自身の動作用の電力変換回路を構成し、電流を生成するのに不可欠である自身の動作のパラメータを監視し、自身を管理して、電流出力を所望のレベルに維持する。各自律スイッチング回路は、システム内の他の自律スイッチング回路から独立して動作し、かつ該他の自律スイッチング回路とは非同期的に自身の機能を実行する。
【００２３】
図１は、本明細書に記載のシステムおよび方法の実施形態によるプラズマ切断システム１００のブロック図である。システム１００は、プラズマトーチ１３５およびワークピース１４５と電気的に連通する電源１０５を備える。電源１０５は、ワークピース１４５を切断またはマーキングするためのプラズマ切断アーク１４０を生成および維持するために、出力部１５０を介してプラズマトーチ１３５に出力電流を供給するように構成されている。ワークピース１４５は、コモン１５５を介して電源１０５と電気的に連通している。図１に示すように、コモン１５５は、電気接地に接続されている。いくつかの実施形態では、コモン１５５は、プラズマトーチ１３５に印加される電圧電位より低いかまたは高い電気接地以外の電圧電位に接続される。
【００２４】
電源１０５は、制御プロセッサ回路１１０と、１つまたは複数のハウジング（図示せず）内に取り付けられた複数のスイッチング回路１１５と、を含む。例えば、制御プロセッサ回路１１０および複数のスイッチング回路１１５は、能動素子と受動素子とが配置されたプリント回路基板をそれぞれ含むことができ、ファスナーまたはラッチを有する１つまたは複数のシートメタルハウジング内に取り付けられる。
【００２５】
図１に示すように、複数のスイッチング回路１１５は、スイッチング回路１１５ａと、スイッチング回路１１５ｂと、スイッチング回路１１５ｎと、を含む。しかしながら、省略符号１６０は、電源１０５が任意の数のスイッチング回路を含むことができることを示している。いくつかの実施形態では、電源１０５は、１つまたは２つのスイッチング回路を含む。
【００２６】
制御プロセッサ回路１１０は、バスセグメント１２０ａと、バスセグメント１２０ｂと、バスセグメント１２０ｃと、バスセグメント１２０ｎと、からなるマルチノード通信バス１２０に接続するための接続インタフェースを提供するバスインタフェース１３０を含む。上述のスイッチング回路と同様に、省略符号１６０は、任意の数のバスセグメントが存在してもよいことを示している。
【００２７】
複数のスイッチング回路１１５の各々は、マルチノード通信バス１２０に接続するための接続点を提供するバスインタフェース１２５（例えば、１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｎ）を含む。マルチノード通信バス１２０は、制御プロセッサ回路１１０と複数のスイッチング回路１１５とを直列接続（例えば、これらを「デイジーチェーン接続」）することによって形成することができる。例えば、バスインタフェース１２５ａは、２つのコネクタ（例えば、雄コネクタと雌コネクタ）を含むことができ、バスセグメント１２０ａは、バスインタフェース１３０のコネクタとバスインタフェース１２５ａの雄コネクタとの間にケーブル（例えば、同軸ケーブル）またはワイヤハーネスを接続することにより形成できる。さらに、バスインタフェース１２５ｂは、２つのコネクタ（例えば、雄コネクタと雌コネクタ）を含むことができ、バスセグメント１２０ｂは、バスインタフェース１２５ａの雌コネクタとバスインタフェース１２５ｂの雄コネクタとの間にケーブルまたはワイヤハーネスを接続することによって形成することができる。他方のバスセグメント１２０の各々は、追加のスイッチング回路１１５を同じ方法で一緒にデイジーチェーン接続し続けることによって形成することができる。制御プロセッサ回路１１０が、電源１０５に何個のスイッチング回路１１５を追加するかにかかわらず、スイッチング回路１１５にアクセスするための単一のコネクタを有することのみが要求されるので、マルチノード通信バス１２０に対するこの接続方式が有利である。
【００２８】
いくつかの実施形態では、マルチノード通信バス１２０は、制御プロセッサ回路１１０と複数のスイッチング回路１１５との間の通信を容易にするためのコントローラエリアネットワーク（「ＣＡＮ」）バスプロトコルを実装するために使用される媒体である。いくつかの実施形態では、マルチノード通信バス１２０は、ＣＡＮｏｐｅｎプロトコル、制御自動化技術用のイーサネット（登録商標）（「ＥｔｈｅｒＣＡＴ」）プロトコル、ＤｅｖｉｃｅＮｅｔプロトコル、およびシリアルリアルタイム通信システム（「ＳＥＲＣＯＳ：ｓｅｒｉａｌ  ｒｅａｌｔｉｍｅ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ」）オートメーションバスプロトコル、のうちの１つまたは複数をサポートするように構成されている。
【００２９】
制御プロセッサ回路１１０は、制御プロセッサ（例えば、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、ＤＳＰ、フィールドプログラマブルゲートアレイ、コンプレックスプログラマブルロジックデバイスなど）を含み、電源１０５の動作を管理するようにプログラムされている。いくつかの実施形態では、制御プロセッサ回路１１０は、電源１０５の動作を管理するためのプロセッサとともに動作するサポートロジックおよび他の構成要素（例えば、揮発性および不揮発性メモリ、無線通信モジュール、１つまたは複数の通信ＰＨＹ、センサなど）を含む。いくつかの実施形態では、プロセッサは、ＥｔｈｅｒＣＡＴインタフェースを介してコンピュータ数値制御（「ＣＮＣ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  ｃｏｎｔｒｏｌ）」）デバイス（図示せず）と通信し、ＣＮＣデバイスは、システム１００によって実行されている切断またはマーキング動作を管理する。いくつかの実施形態では、制御プロセッサ回路１１０は、複数の制御プロセッサを含む。
【００３０】
図２は、本明細書に記載のシステムおよび方法の実施形態によるプラズマ切断システム２００のブロック図である。システム２００は、システム１００と実質的に同様の構成要素を含む。しかしながら、マルチノード通信バス１２０の直列デイジーチェーン接続ではなく、システム２００のマルチノード通信バス２２０は、制御プロセッサ２１０のバスインタフェース２３０と複数のスイッチング回路２１５のバスインタフェース２２５との間の並列接続として実装される。
【００３１】
図３は、本明細書に記載のシステムおよび方法による例示的なスイッチング回路１１５のブロック図である。スイッチング回路１１５は、プリント回路基板（「ＰＣＢ」）３０５と、パルス幅変調（「ＰＷＭ」）制御ブロック３１０（破線で示す）と、電力変換ブロック３１５と、電流センサ３５０と、を含む。電流センサ３５０は、電流を測定または定量化するために使用される任意の能動的装置または受動的装置であり得る。いくつかの実施形態では、電流センサ３５０は、ＰＣＢ３０５に搭載された電流検知部すなわち「シャント」抵抗である。いくつかの実施形態では、電流センサ３５０は、ホール効果電流センサデバイスである。いくつかの実施形態では、電流センサ３５０は、電源１０５の１つまたは複数のハウジングに取り付けられた金属プレートに搭載され、配線およびラグを使用してＰＣＢ３０５に接続される。
【００３２】
ＰＷＭ制御ブロック３１０は、電流基準３２５と、誤差判定回路３３０と、ＰＷＭ比較回路３２０と、を含む。ＰＷＭ比較回路３２０は、マイクロコントローラまたは他のタイプのプロセッサ（例えば、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（「ＤＳＰ」）、フィールドプログラマブルゲートアレイ、コンプレックスプログラマブルロジックデバイスなど）、ならびにマイクロコントローラと連動して動作するサポートロジックおよび他の構成要素（例えば、揮発性および不揮発性メモリ、無線通信モジュール、１つまたは複数の通信ＰＨＹ、センサなど）、を含むことができる。いくつかの実施形態では、マイクロコントローラは、テキサス・インスツルメンツ社（Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）のＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ＡまたはＣ２０００系製品由来の同様のＤＳＰデバイスである。いくつかの実施形態では、マイクロコントローラは、ＳＴマイクロエレクトロニクス社（ＳＴＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ）のＳＴＭ３２Ｆ４０５またはＡＲＭマイクロコントローラコアを有する同様のデバイスである。
【００３３】
誤差判定回路３３０は、スイッチング回路１１５によって供給される出力電流を監視し、測定された出力電流信号３６５と、所望の出力電流を示す電流基準３２５から出力される電流設定値３７０との比較に基づいて、誤差出力３６０を生成するように構成されている。例えば、測定された出力電流信号３６５および電流設定値３７０は、各々、誤差出力３６０を判定するために比較されるアナログ電圧であってよく、誤差出力３６０の大きさは、出力電流信号３６５と電流設定値３７０との間の差に依存する。いくつかの実施形態では、電流基準３２５は、マイクロコントローラの管理インタフェースと電気的に連通するプログラマブル電流基準デバイスであり、電流基準３２５は、電流設定値３７０の値を変更するようにマイクロコントローラによってプログラムすることが可能である。いくつかの実施形態では、電流基準３２５は、個別のアナログ構成要素として実装され、電流設定値３７０の値は、電流基準３２５回路と電気的に連通するマイクロコントローラのアナログ‐デジタル変換器（「ＡＤＣ」）の出力ピンの電圧を調整することにより変更することができる。
【００３４】
いくつかの実施形態では、誤差判定回路３３０は、サポートコンポーネントを有する演算増幅器として実装され、測定された出力電流信号３６５と電流設定値３７０との間の差に従って変化する誤差出力３６０を生成するように構成されている。いくつかの実施形態では、ＰＷＭ比較回路３２０は、測定された出力電流信号３６５および電流設定値３７０を受信し、誤差判定回路３３０は、ＰＷＭ比較回路３２０の回路およびソフトウェアにおいて実装される。
【００３５】
誤差比較回路３３０の実装に基づいて、ＰＷＭ比較回路３２０は、ＡＤＣインタフェース入力で誤差出力３６０を受信するか、またはＰＷＭ比較回路３２０のマイクロコントローラは、ソフトウェアの誤差を算出し、内部ロジックを使用して誤差出力３６０の値を判定する。マイクロコントローラは、適切な内部周辺機器を使用して、所定の周波数（例えば１５ｋＨｚ）で三角搬送波を生成し、誤差出力３６０の値に対する搬送波の比較に基づいて、ＰＷＭパルス列３７５を生成する。ＰＷＭパルス列３７５は、電力変換ブロック３１５に供給される。
【００３６】
電力変換ブロック３１５は、チョッパまたはバックコンバータ構成で配置された、電圧入力（「Ｖｉｎ」）３３５と、インダクタ３４０と、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（「ＩＧＢＴ」）３４５と、ダイオード３５５と、を含む。ＩＧＢＴ３４５は、ヒートシンクを含むことができる。いくつかの実施形態では、電力変換ブロック３１５は、要求される電流出力、電源１０５の形状要求、ＩＧＢＴの熱特性などの考慮事項に基づいて、２つ以上のＩＧＢＴを含む。
【００３７】
Ｖｉｎ３３５は、ＡＣ入力から整流されたＤＣ電圧である。いくつかの実施形態では、電力変換ブロック３１５は、Ｖｉｎ３３５を生成するために三相ＡＣ入力電圧を全波整流するためのダイオードを含む。ＰＷＭパルス列３７５は、ＩＧＢＴ３４５のゲートに接続され、電力変換ブロック３１５から供給される出力電流を制御するために、ＰＷＭパルス列３７５のデューティサイクルに従ってＩＧＢＴ３４５をオンおよびオフするために使用される。例えば、ＩＧＢＴ３４５がオンおよびオフされる時間の長さおよびスイッチング回路１１５の出力において供給される対応する電流量は、ＰＷＭパルス列３７５のデューティサイクルに基づく。ＩＧＢＴ３４５上のＰＷＭパルス列３７５の動作から生成される出力波形は、インダクタ３４０によってフィルタリングされ、その結果、最小のリップルを有するＤＣ出力が得られる。スイッチング回路１１５の出力に供給される電流と、プラズマアーク特性（例えば、１つまたは複数のガスタイプ、１つまたは複数のガス流量、１つまたは複数のガススワール）とに基づいて、電圧電位は、ワイヤまたはバスバーで電力変換ブロック３１５に電気的に接続されている出力部１５０とコモン１５５とに亘って生成される。例えば、プラズマアーク特性は、プラズマアークを通って流れる電流と関連して、電圧降下（例えば、アーク電圧）を生成する。いくつかの実施形態では、アーク電圧の特性は、ワークピース上のトーチ高さを判定するために使用される。トーチの高さ情報は、次に、可能な限り正方形（例えば、ワークピース表面に対して直角）になる最適な切断面を得るために使用される。いくつかの実施形態では、１つもしくは複数のプロセッサまたはマイクロコントローラは、その全体が参照により本明細書に組み込まれる「Ａｒｃ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｕｓｅ  ｏｆ  ａｒｃ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｔｈｅｒｍａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍｓ」と題する米国特許出願第１１／６０２０４７号に記載された技術を使ってプラズマアーク電圧を推定する。
【００３８】
出力電流は、電流センサ３５０によって点３８０で検知され、出力電流を電流基準３２５によって示されるレベルに維持するために、マイクロコントローラによる、結果として生じるＰＷＭパルス列３７５の誤差算出および調整のために、上述のように誤差判定回路３３０にフィードバックされる。例えば、マイクロコントローラが、供給されている電流が所望の電流出力よりも小さいと判断すると、ＰＷＭパルス列３７５の正のデューティサイクルが増加する、すなわち、ＰＷＭ信号の所与の期間中、ＰＷＭパルス列３７５信号が「オン」または「アクティブ」である時間が、ＰＷＭパルス列３７５信号が「オフ」または「非アクティブ」状態である時間に対して増加する。逆に、マイクロコントローラが、供給されている電流が所望の電流出力よりも大きいと判断すると、ＰＷＭパルス列３７５の負のデューティサイクルが増加する、すなわち、ＰＷＭ信号の所与の期間中、ＰＷＭパルス列３７５信号が「オフ」または「非アクティブ」である時間が、ＰＷＭパルス列３７５信号が「オン」または「アクティブ」状態である時間に対して増加する。
【００３９】
いくつかの実施形態では、各スイッチング回路１１５は、ＤＣ入力バス電圧（例えば、Ｖｉｎ３３５の電圧）、トーチ１３５に印加されている電圧、およびスイッチング回路１１５の１つまたは複数の場所における温度（例えば、マイクロコントローラの場合、ＩＧＢＴのヒートシンク）、のうちの１つまたは複数を測定するためのセンサを含む。センサの出力または値は、スイッチング回路１１５上のマイクロコントローラによって解釈または読み取られることができ、測定値は、マイクロコントローラと通信するオンボードデータ記憶装置内のマイクロコントローラ内に記憶され得る。
【００４０】
電力変換ブロック３１５の構成および動作が特定の実施形態に関して説明されてきたが、本明細書に記載された技術の趣旨から逸脱することなく、他の電力変換器トポロジを実装できることを理解されたい。いくつかの例では、スイッチング回路１１５は、電流基準３２５と、誤差判定回路３３０と、電力変換ブロック３１５と、電力センサ３５０と、の各々の２つの別個のインスタンスと電気的に連通し、かつこれらを制御するＰＷＭ制御ブロック３１０の単一のインスタンス化を含むＰＣＢである。これらの例では、各インスタンスの出力を独立して、かつ非同期的に制御することができる。いくつかの実施形態では、ＰＷＭ制御ブロック３１０は、ＰＷＭ信号波形が電源１０５の出力におけるリップルを最小化するために１８０度位相がずれるように各インスタンスの出力を制御する。
【００４１】
いくつかの例では、出力リップルを最小化するために、複数のスイッチング回路１１５は、互いに位相がずれるように自身の出力を生成するように構成されている。一実施形態では、各スイッチング回路１１５のマイクロコントローラは、共通の位相整列クロックのインスタンスを受信する。クロックは、マルチノード通信バス１２０のために実装されたものと同様の接続を介して、制御プロセッサ回路１１０から分配することができる。いくつかの実施形態では、制御プロセッサ回路１１０は、クロックをスイッチング回路１１５ａに供給し、スイッチング回路１１５ａは、バッファされ位相シフトされたバージョンのクロックをスイッチング回路１１５ｂに供給するなど、各デイジーチェーン接続されたスイッチング回路１１５に対して実行する。いくつかの実施形態では、クロックは、各スイッチング回路１１５がクロックから同期信号を取得し、システム１００の構成に従ってそのＰＷＭ出力（例えば、ＰＷＭパルス列３７５）に適用する適切な位相シフトを判定することができるように符号化される。例えば、システム１００が２つのスイッチング回路１１５を含む場合、出力は互いに１８０度位相がずれてシフトされる。システム１００が３つのスイッチング回路１１５を含む場合、出力は互いに１２０度ずれてシフトされる、などである。いくつかの実施形態では、スイッチング回路１１５は、以下に詳細に説明する固有識別子に基づいて、出力に適用する適切な位相シフトを判定する。
【００４２】
システム１００のさらなる特徴および構成要素を、図４を参照して説明する。図４は、プラズマトーチによってプラズマ切断アークを生成および維持するための、電源からの出力電流を供給する方法４００のフロー図を示す。
【００４３】
複数のスイッチング回路１１５の各マイクロコントローラは、１つまたは複数の制御プロセッサから１つまたは複数の第１のメッセージを受信し（４０５）、１つまたは複数の第１のメッセージは、各スイッチング回路１１５の電流設定値を含む。例えば、制御プロセッサ回路１１０の制御プロセッサは、特定の電流設定値３７０を提供するために、電流基準３２５をプログラムするようにスイッチング回路１１５ａに指示するためのコマンドに含まれた電流設定データを含むＣＡＮプロトコル用にフォーマットされた１つまたは複数のメッセージを生成することができる。制御プロセッサは、出力電流負荷を分担（例えば、均等電流分担）するために利用可能なスイッチング回路１１５の数で分割された、プラズマ切断システムで行われている切断またはマーキング動作に必要な全電流に基づいて、電流設定値３７０の値または電圧レベルを示す電流設定値データを判定することができる。制御プロセッサは、バスインタフェース１３０を介してマルチノード通信バス１２０によって１つまたは複数の第１のメッセージを送信し、スイッチング回路１１５ａ上のマイクロコントローラは、バスインタフェース１２５ａを介してメッセージを受信する。
【００４４】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数のコントローラによって送られた設定値は、クリティカルランプアップ期間、定常状態期間、またはランプダウン期間などの切断システムの電源１０５が動作する特定の期間中のガス圧および時間に関連するプロファイルに基づく。
【００４５】
制御プロセッサが、特定の電流設定値３７０を提供するために、それぞれの電流基準３２５をプログラムするように、スイッチング回路１１５ｎを介してスイッチング回路１１５ｂに指示するためのコマンドに含まれる設定値データを送信する、実質的に同様の動作が実行される。
【００４６】
制御プロセッサは、個々のスイッチング回路１１５にメッセージを差し向けることができ、個々のスイッチング回路１１５は、各スイッチング回路１１５に割り当てられた固有識別子に基づいて、どのメッセージが個々のスイッチング回路１１５によって受信されるべきかを判定することができる。例えば、制御プロセッサと各スイッチング回路１１５のマイクロコントローラとの間でやりとりされるメッセージには、固有識別子の値を示すデータが含まれる。
【００４７】
固有識別子の値を設定するために、各スイッチング回路１１５は、識別キーを受け入れるためのコネクタまたは他のインタフェース（例えば、カードスロット）を有する。例えば、コネクタは、複数のピンを含むことができ、これらのピンの各々は、識別キーが存在しないときに固有識別子をデフォルト値に設定するために抵抗器を介して接地またはＶＣＣ電圧レールにプルされる。一実施形態では、固有識別子は、デフォルトで接地されるようにプルされ、そのデフォルト値をゼロに設定する４つのピンを含む。別の実施形態では、固有識別子は、デフォルトでＶＣＣにプルされ、そのデフォルト値を２進数の１６または１６進数の０ｘＦに設定する４つのピンを含む。
【００４８】
いくつかの実施形態では、スイッチング回路１１５の固有識別子がデフォルト値に設定されている場合、スイッチング回路１１５の動作は無効化される。いくつかの実施形態では、マイクロコントローラは、固有識別子のピンの電圧レベルを検知し、固有識別子がデフォルト値に設定されると、マイクロコントローラは、スイッチング回路１１５を無効状態に保持するようにプログラムされる。別の例では、固有識別子のピンのうちの１つまたは複数がマイクロコントローラのリセット入力に接続され、マイクロコントローラは、スイッチング回路１１５の動作を無効化するデフォルト値に固有識別子が設定されると、リセット状態に保持される。いくつかの実施形態では、スイッチング回路１１５の固有識別子がデフォルト値に設定されると、スイッチング回路１１５の動作が有効化される。
【００４９】
各識別キーは、スイッチング回路１１５に固有識別子のコネクタに対する相手コネクタを含み、各識別キーの特定のピンは、接地またはＶＣＣ電圧レールにプルされる。いくつかの例では、識別キーは、コネクタの特定のピンが接地またはＶＣＣ電圧レールに配線されたワイヤハーネスである。いくつかの実施形態では、１つまたは複数のハウジングを構成するパネルは、接地され、識別キーのワイヤは、１つまたは複数のハウジングのパネルに固定されることによって接地するようにプルされる。
【００５０】
識別キーがスイッチング回路１１５の固有識別子のコネクタに噛合すると、識別キーのピンの電圧は、固有識別子を設定するために、固有識別子のピンのデフォルト値をオーバーライドする。いくつかの実施形態では、固有識別子は、４つのピンを含み、２進または１６進符号化を使用して、１５個の固有識別子をスイッチング回路１１５に割り当てることができる（例えば、１５個の固有識別子および１個のデフォルト値）。４つのピンを使用し、符号化を使用しない、より単純な実装では、４つの固有識別子をスイッチング回路１１５に割り当てることができる（例えば、コネクタのピンごとに１つの固有識別子の値およびすべてのピンをＶＣＣまたは接地に設定する１つのデフォルト値）。いくつかの実施形態では、固有識別子は、各スイッチング回路１１５に位置するＤＩＰスイッチ上のスイッチの位置を設定することによって設定することができる。いくつかの実施形態では、固有識別子は、固有識別子に関連付けられているコネクタに対して、固有識別子の値を設定するために、ＶＣＣまたは接地に固有識別子信号を分路する１つまたは複数のジャンパをインストールすることによって設定することができる。
【００５１】
いくつかの実施形態では、固有識別子の値は、電源１０５の１つまたは複数のハウジング内のスイッチング回路１１５の物理的位置を示す。例えば、最大で４つのスイッチング回路１１５を含む電源１０５の実施形態では、各スイッチング回路１１５は、電源１０５の１つまたは複数のハウジング内の異なる物理的位置に搭載される。スイッチング回路１１５のうちの１つの固有識別子を設定するための４つの識別キーの各々は、各識別キーが、その近接範囲内にある１つのスイッチング回路１１５とだけ噛合することができるように、１つまたは複数のハウジング内の特定の物理的位置に取り付けられている、固定長を有するワイヤを含むワイヤハーネスである。
【００５２】
いくつかの実施形態では、スイッチング回路１１５は、固有識別子の特定の値に基づいて自己テストまたは診断モードに入る。
いくつかの実施形態では、識別キーは、マルチノード通信バス１２０の伝送ライン用のターミネータを含む。例えば、バスインタフェースを構成するスイッチング回路ＰＣＢ上の信号伝送ラインはまた、識別キーが固有識別子のコネクタに噛合した場合、終端抵抗または終端回路が伝送ラインに適用されるように固有識別子のコネクタにルーティングできる。いくつかの実施形態では、ターミネータは、複数のスイッチング回路１１５と１つまたは複数の制御プロセッサとの間に接続された終端抵抗であり、抵抗の構成および値は、ＰＣＢにおける伝送ラインのトポロジの１つまたは複数と、マルチノード通信バス１２０のために実装されるプロトコルとに依存する。いくつかの実施形態では、終端抵抗は、マルチノード通信バス１２０の先端に位置する。いくつかの実施形態では、終端抵抗は、マルチノード通信バス１２０に関連付けられている共通または共有接続ノードに位置する。
【００５３】
複数のスイッチング回路１１５各々のマイクロコントローラは、１つまたは複数の制御プロセッサに、現在の設定値の受信を確認応答する１つまたは複数の第２のメッセージを送信する（４１０）。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の第２のメッセージはまた、スイッチング回路１１５上のセンサからの読み取り値に基づいて取得された１つまたは複数の測定値（例えば、出力電流、トーチ１２５に印加された出力電圧、入力バス電圧、１つまたは複数の場所における温度）の値を含む。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の制御プロセッサは、スイッチング回路１１５が所定のタイムアウト期間内に１つまたは複数の第１のメッセージを確認応答しない場合、スイッチング回路１１５が特定の場所または固有識別子に取り付けられていないと判定する。
【００５４】
複数のスイッチング回路１１５各々のマイクロコントローラは、電流設定値に基づいて、複数の自律スイッチング回路の各々による出力電流の一部の生成を制御する（４１５）。１つまたは複数の制御プロセッサから電流設定値を含むデータを受信すると、マイクロコントローラは、それに応じて電流基準３２５をプログラムし、そのＰＷＭ生成回路がトーチ１３５に供給するための出力電流を生成し始めることを有効化する。複数のスイッチング回路１１５各々のマイクロコントローラはそれぞれ、１つまたは複数のメッセージを、それぞれの出力で取得された電流測定値を含む１つまたは複数の制御プロセッサに送信する。制御プロセッサ回路１１０の１つまたは複数の制御プロセッサは、各スイッチング回路１１５からの測定値を合計して、電源１０５によって供給されている総出力電流が所望の電流出力と一致するかどうかを判定する。いくつかの実施形態では、合計測定値は、平均化アルゴリズムを使用して、１つまたは複数の制御プロセッサによってフィルタリングされ、合計された結果が正規化される。
【００５５】
複数のスイッチング回路１１５各々のマイクロコントローラは、スイッチング回路１１５の１つまたは複数の動作パラメータを監視する（４２０）。例えば、電流生成動作中、各マイクロコントローラは、ＤＣ入力バス電圧（例えば、Ｖｉｎ３３５の電圧）、トーチ１３５に印加されている電圧、および測定された出力電流信号３６５、のうちの１つまたは複数を監視する。いくつかの実施形態では、各マイクロコントローラは、スイッチング回路１１５の１つまたは複数の場所（例えば、マイクロコントローラの場合、ＩＧＢＴ３４５のヒートシンク）の温度を監視する。いくつかの実施形態では、動作パラメータの各々は、リアルタイムで監視され、その結果、制御パラメータに対する任意の必要な調整を直ちに適用することが可能になり、出力における安定性が維持される。
【００５６】
複数のスイッチング回路１１５各々のマイクロコントローラは、動作パラメータのうちの１つが所定の閾値を超える場合、複数のスイッチング回路１１５のうちの他のスイッチング回路１１５から独立しかつ該他のスイッチング回路１１５とは非同期であるスイッチング回路１１５の制御パラメータを変更する（４２５）。例えば、上述したように、測定された出力電流信号３６５と電流設定値３７０との比較が、マイクロコントローラ内で定義された特定の閾値を超える誤差出力３６０を生じる場合、マイクロコントローラは、そのＰＷＭ生成回路の制御パラメータを変更して、ＰＷＭパルス列３７５を調整し、次に、上述したように、電流出力をそれに応じて調整する。いくつかの実施形態では、制御パラメータは、ＰＷＭ信号の周波数、ＰＷＭ信号のデューティサイクル、プラズマアーク点火に関係するタイミング信号、および電流生成の停止をトリガするシャットダウン信号、のうちの１つまたは複数を含む。
【００５７】
システム１００の動作中ずっと、１つまたは複数の制御プロセッサは、特定のプラズマ切断プロセスに適合するように、必要に応じて異なる時間遅延でデータおよびコマンドをスイッチング回路１１５に発行し続ける。例えば、切断動作が実行中であることに基づいて、現在の要求が増減するにつれて、切断サイクル中にメッセージ送信が何度も繰り返される。さらに、制御プロセッサ回路１１０または制御プロセッサ回路１１０と通信するＣＮＣに記憶された所望のランプアップ、定常状態の切断動作、またはランプダウン電流プロファイルに従うように、最新の電流設定値が切断動作中に送信される。いくつかの実施形態では、時間‐クリティカルランプアップおよびランプダウン電流プロファイルが、切断サイクルの開始前に制御プロセッサ回路１１０からスイッチング回路１１５に送られる。
【００５８】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の制御プロセッサは、特定の切断またはマーキング動作に必要な総必要出力電流の均等な分担を生成するように、複数のスイッチング回路１１５を構成する。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の制御プロセッサは、特定の切断またはマーキング動作に必要な総必要出力電流の異なる分担を生成するように、複数のスイッチング回路１１５を構成する。例えば、電源１０５は、異なる出力電流生成能力を有するスイッチング回路１１５を含むことができる（例えば、スイッチング回路１１５ａおよびスイッチング回路１１５ｂはそれぞれ８０Ａを生成することができ、スイッチング回路１１５ｎは１３０Ａを生成することができる）。スイッチング回路１１５を独立して制御することができるので、システム１００の構成は、所望の場合、異なる能力を有するスイッチング回路１１５を「混合および適合させる」ことによって、電源１０５の出力で生成される総電流を有利に生成することができる。
【００５９】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の制御プロセッサは、電源１０５の１つまたは複数のハウジング内の各スイッチング回路１１５の場所に基づいて、特定の切断またはマーキング動作に必要とされる総必要出力電流の異なる分担を生成するように、複数のスイッチング回路１１５を構成する。例えば、冷却ファンまたはベントに隣接して位置するスイッチング回路１１５は、スイッチング回路１１５の部品を冷却するための空気流がわずかしかないエリアに位置付けられているスイッチング回路１１５よりも大きい分担の総出力電流を生成するように構成することができる。上述のように、各スイッチング回路１１５の固有識別子は、電源ハウジング内のその位置または場所を示すことができる。したがって、１つまたは複数の制御プロセッサは、制御プロセッサ回路１１０または制御プロセッサ回路１１０と通信するＣＮＣに記憶された、システム１００の事前に定義されたプロファイルに基づいて、各スイッチング回路１１５の場所を判定することができる。
【００６０】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数の制御プロセッサは、各スイッチング回路１１５が動作した時間数に基づいて、特定の切断またはマーキング動作に必要な総必要出力電流の異なる分担を生成するように、複数のスイッチング回路１１５を構成する。例えば、閾値を超える時間にわたって動作されたスイッチング回路１１５は、閾値を超えない時間にわたって動作された「フレッシュ」なスイッチング回路１１５よりも小さい分担の出力電流を供給するように構成することができる。
【００６１】
いくつかの実施形態では、スイッチング回路１１５のマイクロコントローラは、所定の閾値を超える温度測定値に基づいて、１つまたは複数の制御プロセッサに１つまたは複数のメッセージを送信する。これに応答して、１つまたは複数の制御プロセッサは、スイッチング回路１１５のそれぞれにメッセージを送信して、各スイッチング回路１１５によって生成された必要電流を再分配し、過熱状態を検知したスイッチング回路１１５によって発生する電流が少なくなるようにする。いくつかの例では、スイッチング回路１１５のマイクロコントローラは、センサ測定値に基づいて単相の異常または過電流の異常を検出する。これに応答して、マイクロコントローラは、マイクロコントローラの制御パラメータを変更して、電流出力を低減させるか、または異常が重大である場合には電流の生成を停止する。さらに、マイクロコントローラは、１つまたは複数の制御プロセッサに１つまたは複数のメッセージを送信して、異常の状態を報告するので、１つまたは複数の制御プロセッサは、それに応じて他のスイッチング回路１１５の動作を調整するか、または切断もしくはマーキング動作を停止することができる。
【００６２】
いくつかの実施形態では、１つまたは複数のプロセッサは、複数のスイッチング回路１１５のサブセットのみを構成して、電流を生成する。一例では、制御された始動プロファイルを達成するために、現在の要求が閾値（例えば３０Ａ）を超えるまで、１つのスイッチング回路１１５のみが有効化され、その後、他のスイッチング回路１１５は、負荷を分担するように、電流を生成し始めるように構成されている。いくつかの実施形態では、電源１０５は、異なる能力を有するスイッチング回路１１５で構成され、１つまたは複数のプロセッサは、動作がシステム１００によって実行されていることに基づいて、複数のスイッチング回路１１５のサブセットのみを構成する。例えば、第１のスイッチング回路１１５は、高精度の出力を有する低電流出力容量（例えば、５Ａ〜３０Ａの範囲の出力容量を有する低電流マーキングスイッチング回路１１５）を有することができる一方、第２のスイッチング回路１１５は、出力において変動性を有する高電流出力を有することができる（例えば、１３０Ａ〜１７０Ａの範囲の出力容量を有し、高速かつ厚さの大きい切断または高速もしくは厚さの大きい切断のために最適化された高出力スイッチング回路１１５）。このようなシナリオでは、１つまたは複数のプロセッサは、高精度であるが低電流を必要とする動作（例えば、マーキング）のための電流を生成するように第１のスイッチング回路１１５のみを構成することができ、１つまたは複数のプロセッサは、より高い電流を必要とするが、より低い精度を必要とする動作（例えば、切断）のための電流を生成するように、第２のスイッチング回路１１５のみ（または第１および第２のスイッチング回路１１５の両方）を構成することができる。
【００６３】
システム１００の追加の特徴および構成要素を、図５を参照して説明する。図５は、複数の自律スイッチング回路を含むプラズマアークシステム電源から出力電流を供給する方法５００のフロー図を示す。方法５００を用いるシステム１００の実施形態では、自律スイッチング回路１１５は、マスタ‐スレーブ方式を使用して動作を調整し、制御プロセッサ回路１１０との相互作用または制御プロセッサ回路１１０からの監視を必要とせずに電源１０５からの電流生成を開始および調整する。
【００６４】
所定の選択方式に基づいて、複数の自律スイッチング回路１１５各々のマイクロコントローラは、複数の自律スイッチング回路の動作を調整するためのマスターマイクロコントローラを選択する（５０５）。いくつかの実施形態では、マスターマイクロコントローラを判定するための選択スキームは、複数の自律スイッチング回路１１５の固有識別子の値に基づく。例えば、マイクロコントローラは、その固有識別子が事前に定義された値に設定されている場合にはマスターマイクロコントローラになるように構成され、そうでない場合にはスレーブマイクロコントローラになるように構成することができる。いくつかの実施形態では、複数の自律スイッチング回路１１５の起動時にマルチノード通信バス２２０を制御するかまたは「要求する」第１のマイクロコントローラが、マスターマイクロコントローラとして選択される。いくつかの実施形態では、複数の自律スイッチング回路１１５各々のマイクロコントローラは、相互に送信される一連のメッセージにおいて各々の能力（例えば、処理能力、有効化された機能、現在の出力能力など）を通知し、マスターマイクロコントローラは、所望の能力の階層に基づいて選択される（例えば、マスターマイクロコントローラにとって、大きな電流出力能力よりも、余剰の処理能力の方がより望ましい）。いくつかの実施形態では、所定の選択スキームは、上記のパラメータのうちの１つまたは複数に基づく。
【００６５】
マスターマイクロコントローラは、プラズマアークシステムによって実行されるプロセスのための１つまたは複数のパラメータを判定する（５１０）。例えば、マスターマイクロコントローラは、切断またはマーキングプロセスのために電源１０５によって供給される必要がある出力電流の量を示すデータを含むメッセージを受信することができる。いくつかの実施形態では、マスターマイクロコントローラは、実行されるプロセス（例えば、切断、マーキング）とワークピース１４５（例えば、材料組成、厚さ）の特性とを示すデータを受信し、マスターマイクロコントローラは、該プロセスを行うために必要な出力電力量を算出する。いくつかの実施形態では、マスターマイクロコントローラは、制御プロセッサ回路１１０からマルチノード通信バス２２０を介して、またはＣＮＣから直接、１つまたは複数のパラメータを受信する。いくつかの実施形態では、１つまたは複数のパラメータが、システム１００のユーザインタフェースを介して、またはシステム１００の機器設定（例えば、ダイヤル設定）を介して、ユーザによってマスターマイクロコントローラに提供される。
【００６６】
マスターマイクロコントローラは、複数のスイッチング回路１１５のうちの他のマイクロコントローラのそれぞれから、スイッチング回路１１５の少なくとも１つの属性を含む１つまたは複数の第１のメッセージを受信する（５１５）。例えば、マスターマイクロコントローラは、各スレーブマイクロコントローラから、各スイッチング回路１１５の最大出力電流容量を示すデータを受信することができる。いくつかの実施形態では、マスターマイクロコントローラは、各スレーブマイクロコントローラから、各スイッチング回路１１５の型番、および各自律スイッチング回路１１５が操作された時間数、のうちの１つまたは複数を示すデータを受信する。
【００６７】
マスターマイクロコントローラは、複数のスイッチング回路１１５のうちの他のマイクロコントローラのそれぞれに、各マイクロコントローラの電流設定値を含む１つまたは複数の第２のメッセージを送信する（５２０）。この場合、各電流設定値は、各自律スイッチング回路１１５の少なくとも１つの属性に基づく。マスターマイクロコントローラは、プラズマアークシステムによって実行されるプロセスの１つまたは複数のパラメータを考慮して、各スイッチング回路１１５の少なくとも１つの属性を分析し、各スイッチング回路１１５の電流設定値を判定する。例えば、マスターマイクロコントローラは、スイッチング回路１１５が電流設定値に基づいて生成することとなる総電流が、システム１００によって実行されているプロセスの要件を満たすように、マスターマイクロコントローラ自体を含む各スイッチング回路１１５の電流設定値を判定する。次に、マスターマイクロコントローラは、マルチノード通信バス１２０を介して送られるメッセージにおいて、その特定の電流設定値をスレーブマイクロコントローラに送信する。
【００６８】
各マイクロコントローラは、その現在の設定値を受信することに応答して、上述の方法４００、ステップ４１５、４２０および４２５と同様の方法で動作する。複数のスイッチング回路１１５各々のマイクロコントローラは、電流設定値に基づいてプラズマアークシステム電源からの出力電流の一部の生成を制御する（５２５）。複数のスイッチング回路１１５各々のマイクロコントローラは、自律スイッチング回路の１つまたは複数の動作パラメータを監視する（５３０）。複数のスイッチング回路１１５各々のマイクロコントローラは、動作パラメータのうちの１つまたは複数が所定の閾値を超える場合、複数のスイッチング回路１１５のうちの他のスイッチング回路１１５から独立しかつ該他のスイッチング回路１１５とは非同期であるスイッチング回路１１５の制御パラメータを変更する（５３５）。
【００６９】
いくつかの実施形態では、マイクロコントローラは、マスターマイクロコントローラがなく、スイッチング回路１１５がヒートシンク温度、動作アーク時間、さらには最大出力能力などのパラメータに基づいて作業負荷を分割する、高度負荷分担スキームを決定しておく。
【００７０】
「備える」、「含む」、および／またはそれぞれの複数形は、オープンエンドであり、列挙された部分を含み、列挙されていないさらなる部分を含むことができる。「および／または」は、オープンエンドであり、列挙された部分のうちの１つまたは複数、および列挙された部分の組み合わせを含む。
【００７１】
当業者であれば、主題が、主題の趣旨または本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で具体化され得ることを理解するであろう。したがって、前述の実施形態は、あらゆる点において、本明細書に記載された主題を限定するものとしてではなく、例示として捉えられるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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