JP2008220126A - パルスヒート電源 - Google Patents

Abstract

【課題】 設定された温度プロファイルへの追随性のよいパルスヒート電源を提供する。
【解決手段】 本発明になるパルスヒート電源は、設定された温度プロファイルを目標値としてＰＩＤ制御手段により温度制御を行うことで半田付けをするものであって、ＰＩＤ制御定数を前記温度プロファイルの温度上昇過程と温度維持過程とを設定する時間をもちいて切り換えることで、それぞれの過程で適切なＰＩＤ制御定数を使用することを特徴とするものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、半田付けツールであるヒータチップの温度をフィードバックしてデジタルＰＩＤ制御により出力制御素子を駆動する制御に係り、特にデジタルＰＩＤ制御に用いられるＰＩＤ制御定数の組合わせを用意し、ヒータチップの温度制御を温度上昇期間と温度維持期間とで異なるＰＩＤ制御定数を設定することで適切な半田付けを可能とする技術に関するものである。

半田付けではないが、溶接電極に流れる溶接電流およびこの溶接電極間の溶接電圧を検出してデジタルＰＩＤ技術によりフィードバック制御する電流制御、電圧制御および電力制御の３種類の制御モードを具備し、このうちいずれか一つ制御モードを選択し、溶接電極を介して被溶接物に溶接電流を供給する溶接機が公知である（特許文献１参照）。

この溶接機においては、デジタルＰＩＤ制御に用いるＰＩＤ制御定数の組合わせを予めテーブル化してあり、必要に応じていずれか一組のＰＩＤ制御定数を選択してＰＩＤ制御に供する。このデジタルＰＩＤ制御により制御される溶接電流は目標とする溶接電流は一定の値に定まっているが、溶接開始時には溶接電流には大きな増加が必要である。

一般的に溶接作業においては一連の溶接シーケンス中には１種類のＰＩＤ制御定数を用いている。そこで、溶接開始時の溶接電流の急速な増大に対処できるようなＰＩＤ制御定数を選択して設定するのか、または安定した溶接電流に対応するようなＰＩＤ制御定数を選択して設定するのかのうち、いずれか一方の設定方法を用いていた。このような設定方法は、簡便ではあるが、溶接電流が急激に増大する過程と安定している過程とでは適切なＰＩＤ制御定数が異なることは前述の通りであり、一連の溶接シーケンスを通してみると適切なＰＩＤ制御定数の設定方法ではなかった。

これを半田付けの温度制御状況で図示したものが図５と図６である。
図５は温度上昇過程において適切な温度制御を行うＰＩＤ制御定数に設定したときの目標となる温度プロファイル（太線で表示）とヒータチップ温度（細線で表示）を示す概要図である。この図から温度維持過程でも目標温度を上下して安定性が必要なところ、安定性にかけていることが分かる。

一方、図６は温度維持過程において適切な温度制御を行うＰＩＤ制御定数に設定したときの目標となる温度プロファイル（太線で表示）とヒータチップ温度（細線で表示）を示す概要図である。この図から温度上昇過程でも緩慢な温度上昇を示しており、急速な温度上昇が必要なところ、急速性にかけていることが分かる。

ＰＩＤ制御方法においては、これと似たような課題が従来から認識されており、その解決手段も提供されている。つまり、急速な変動を可能とすると、目標値に到達するときにオーバーシュートが発生したりする問題がそれであり、その解決方法としては急速な変動過程をいくつかの部分に区分して目標値を段階的に上げる方法（例えば、特許文献２）や応答過程を追従フェーズと収束フェーズと安定フェーズに分けて制御する方法（例えば、特許文献３）が提案されている。

特開２００２−１６００７１号公報 特開２００４−０２１３０９号公報 特開２００３−２０８２０１号公報

しかしながら、このように解決方法には次のような問題点がある。
先ず、急速な変動過程をいくつかの部分に区分して目標値を段階的に上げる方法は、急激な変動から安定した状態に移行するときのオーバーシュートを軽減するのには有力な方法であるが、本願発明が問題とする急激な変動過程と安定過程とでそれぞれ適切な制御方法とはならないという点である。

次に、応答過程を追従フェーズと収束フェーズと安定フェーズに分けて制御する方法は、本願発明が問題とする急激な変動過程と安定過程とでそれぞれ適切な制御方法を提供していることは事実であるが、半田付けを目的としたパルスヒート電源ではそれほど厳密な温度制御を要求されないものには構成が煩雑過ぎるという点である。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ＰＩＤ制御定数を一連の半田付けシーケンス中に温度制御の状態に合わせて適切な値を使用することで設定された温度プロファイルへの追随性のよい温度制御方法を用い、その結果信頼性の高い半田付けを可能とするパルスヒート電源を提供することを目的とする。

本発明になるパルスヒート電源は、設定された温度プロファイルを目標値としてＰＩＤ制御手段により温度制御を行うことで半田付けをするものであって、ＰＩＤ制御定数を前記温度プロファイルの温度上昇過程と温度維持過程とで異なる値に設定することを特徴とするものである。

また、本発明になるパルスヒート電源は、前記ＰＩＤ制御定数は予め決められた組み合わせの中から温度上昇過程と温度維持過程とで選択して個別に設定することを特徴とするものである。

また、本発明になるパルスヒート電源は、前記温度プロファイルの温度上昇過程と温度維持過程とで個別に設定するＰＩＤ制御定数は、この温度プロファイルの設定時間により設定されることを特徴とするものである。

また、本発明になるパルスヒート電源は、前記温度プロファイルの温度上昇過程と温度維持過程とで個別に設定するＰＩＤ制御定数は、この温度プロファイルの設定時間から予め決められた一定時間差をもって設定されることを特徴とするものである。

さらに、本発明になるパルスヒート電源は、設定された温度プロファイルを目標値としてＰＩＤ制御手段により温度制御を行うことで半田付けをするものであって、温度プロファイルデータを格納する温度プロファイルデータテーブルと、ＰＩＤ制御定数を格納するＰＩＤ制御定数テーブルと、対象物を半田付けする半田付け部の温度を検出する温度検出部と、別途設けた操作部からの動作開始指令を受けた時点から時間の経過にしたがって前記温度プロファイルデータテーブルから温度プロファイルデータの読み出し指示と前記ＰＩＤ制御テーブルからＰＩＤ制御定数の読み出し指示とを行う制御部と、時間の経過にしたがって読み出される前記温度プロファイルを目標値とし、前記半田付け部の温度を制御量とし、これらの目標値と制御量の偏差を算出し、時間の経過にしたがって読み出される前記ＰＩＤ制御定数を基にＰＩＤ処理を行うことで操作量を算出するＰＩＤ処理部と、このＰＩＤ処理部からの操作量に基づいて前記半田付け部への電流を制御する出力制御部と、を具備することを特徴とするものである。

そして、本発明になるパルスヒート電源は、前記制御部は、別途設けた操作部からの動作開始指令を受けた時点から時間の経過にしたがって前記温度プロファイルデータテーブルから温度プロファイルデータの読み出し指示とこの時間経過から予め決められた時間差をもって前記ＰＩＤ制御テーブルからＰＩＤ制御定数の読み出し指示とを行うことを特徴とするものである。

本発明によれば、設定された温度プロファイルを温度上昇過程と温度維持過程に分け、それぞれの過程に合ったＰＩＤ制御定数を設定できるようにしたので、ヒータチップの温度を適切に制御できる。したがって、信頼性の高い半田付けができるパルスヒート電源を提供できるという効果が得られる。

次に本発明について図を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の１実施例を示すパルスヒート電源のブロック図、図２はこのパルスヒート電源のブロック図のうちＰＩＤ制御部の詳細図、図３はこのパルスヒート電源の半田付け作業時の設定温度プロファイルを示す図である。図３において、（１）と（３）とは温度上昇過程、（２）と（４）とは温度維持過程を示している。図４は半田付け作業時の目標温度プロファイルとヒータチップの温度の実測値を示す概要図である。図４において、太線部が目標温度プロファイル、細線部が実際ヒータチップの温度を示している。

図１において、１はゲート信号に基づいて入力交流電流をオン／オフすることでトランスの１次側へ供給する電流を制御する位相制御部、２は入力交流電流を低電圧、大電流に変換するトランス、３は対象物を半田付けするヒータチップ、４はヒータチップ３に配設され、ヒータチップ３の温度に応じた電圧を検出する熱電対、５は熱電対４の出力電圧を所定の増幅度で増幅する差動増幅器を主要構成とする増幅部である。

また、６は温度プロファイルを設定するためのパラメータとなる温度と時間とを設定するパラメータ設定部、７はパラメータ設定部６からの温度と時間を受けて、増幅部５における温度と電圧の対応と同じ対応関係により目標電圧として規定される目標温度プロファイルを生成する目標温度プロファイル生成部、８は増幅部５からのヒータチップ３の温度に応じて検出され増幅された検出電圧と目標温度プロファイル生成部７からの目標温度に応じた目標電圧を受けて、この差分を算出すると共に位相制御信号生成に用いる操作量を算出して出力するＰＩＤ制御部である。

そして、９は入力交流電流からゼロクロス点を検出し、このゼロクロス点を基準とする同期信号を生成する同期信号生成部、１０は同期信号生成部９からの同期信号とＰＩＤ制御部８からの操作量に基づいて位相制御信号として同期信号生成部９からの同期信号を基準にしてこの操作量をもとに前記ゲート信号を生成する位相制御信号生成部である。

図２において、８１は別途設けた操作部からの半田付け作業開始信号であるスタート信号を受けて目標温度データとＰＩＤ制御定数をそれぞれ時系列で出力するタイミング信号を生成するタイミングコントローラ、８２は設定されたパラメータに応じた温度プロファイルデータを格納しているテーブルで前記タイミング信号を受けたとき時系列で目標温度データを出力する温度プロファイルデータテーブル、８３は予め定められた複数のＰＩＤ制御定数の組合わせであるＰＩＤゲインを格納しているテーブルで前記タイミング信号を受けたとき時系列で前記温度データが上昇過程にあるとき、そして維持過程にあるときのＰＩＤ制御定数を出力するＰＩＤゲインテーブル、８４は温度プロファイルデータテーブル８２からの目標温度データと増幅部５からのヒータチップの温度データの差分を算出し、この差分にＰＩＤゲインテーブル８３からのＰＩＤ制御定数を用いて公知のＰＩＤ処理により操作量を算出し、位相制御信号生成部１０へ出力するＰＩＤ処理部である。
次に、半田付け作業に用いるこのようなパルスヒート電源の動作について説明する。

［半田付け作業開始前の動作］
別途設けた半田付け作業開始手段（図示せず。）により、スタート信号が生成され、半田付けが開始されるまでは、位相制御信号生成部１０から出力されるゲート信号は全ての期間でオフとなるようにしておくので、位相制御部１がオンすることはないから、パルスヒート電源に入力交流電源が接続されていてもトランス２の１次側には交流電流が流れない。したがってトランス２の２次側には交流電流は生じないから、ヒータチップ３へ電流は流れないので、ヒータチップ３が発熱することはない。

［パラメータの設定］
半田付け作業開始前に、パラメータ設定部６から半田付け対象に合わせて次のパラメータを設定する。
温度としては、ヒータチップ３の温度が半田付け対象物に応じて定まる第１半田付け温度Ｔ１と第２半田付け温度Ｔ２との２つパラメータである。時間としては、半田付け開始温度から第１半田付け温度Ｔ１に到達するまでの温度上昇時間ｔ１、第１半田付け温度Ｔ１の維持時間ｔ２、第１半田付け温度Ｔ１から第２半田付け温度Ｔ２に到達するまでの温度上昇時間ｔ３、第２半田付け温度Ｔ２の維持時間ｔ４の４つのパラメータである。

これらのパラメータをもとに目標温度プロファイル生成部７で目標温度プロファイルが生成される。図３に、この目標温度プロファイルの設定状況を示す。パラメータの設定が終了すると、パラメータ設定部６から設定完了指令により、温度は温度プロファイルデータテーブル８２に、時間はタイミングコントローラ８１に転送される。
この温度プロファイルデータはＰＩＤ制御部８で熱電対４でヒータチップ３の温度に応じて検出された電圧と比較するために電圧で構成されるのは上述のとおりである。

［半田付け作業］
最後に、実際に半田付け作業動作を行うときのこのパルスヒート電源の動作について説明する。
前述の別途設けた半田付け作業開始手段（図示せず。）により、スタート信号を生成することで半田付け作業が開始される。このスタート信号は目標温度プロファイル生成部７、ＰＩＤ制御部８、および位相制御信号生成部１０へ送られる。

タイミングコントローラ８１はこのスタート信号を受けて目標温度プロファイルとしての電圧データを時系列で温度プロファイルデータテーブル８２から読み出してＰＩＤ制御部８に入力される（図４の太線表示）。これと同時に半田付け作業開始からの時間により、温度上昇過程にあるのかまたは温度維持過程にあるのかを判定し、この判定結果に基づきＰＩＤゲインテーブル８３に格納されたＰＩＤ制御定数の組合わせの中から適切なものを読み出し、同じくＰＩＤ制御部８４に入力される。
一方、熱電対４からのヒータチップ３の温度（図４の細線表示）に応じて検出された電圧は、増幅部５で所定の増幅の後、同じくＰＩＤ制御部８４に入力される。

ＰＩＤ処理部８４は、目標温度に応じた電圧とヒータチップ３の実際の温度に応じた電圧の差分を算出し、前記ＰＩＤ制御定数を基にＰＩＤ処理を行い、操作量を算出する。
一方、位相制御信号生成部１０はスタート信号を受けて、位相制御部１の位相制御量となるゲート信号を生成して出力する。この位相制御量は目標値と実際の値との差分をなくすような値であるから、周知のように前記操作量を基に算出される。半田付け開始直後はこの差分は大きいので位相制御部１が全期間オンになるようなゲート信号を生成し、位相制御部１に送出する。

位相制御部１はこのゲート信号を受けて、全期間オンとなるので入力交流電流はトランス２の一次側にそのまま流れる。そうすると、このトランス２の１次側の交流電流によりトランス２の２次側に交流電流が誘起され、ヒータチップ３を介してこの交流電流が流れる。この交流電流によりヒータチップ３は発熱し、半田付け対象物を加熱することで半田付け動作を開始する。

前記のように、このヒータチップ３の温度はヒータチップ３に取り付けられた熱電対４により常時温度に応じた電圧として検出されており、この検出電圧は主として差動増幅器で構成される増幅部５で所定の増幅度で増幅される。

また、前記のように、温度プロファイルデータテーブル８２から目標温度としての目標電圧と増幅部５からのヒータチップ３の温度に対応した検出電圧は共にＰＩＤ処理部８４に送出される。また、同様にＰＩＤ制御定数もＰＩＤゲインテーブルからＰＩＤ処理部８４に送出される。そして、前記のようにこれらの電圧値はＰＩＤ処理部８４で比較され、差分量に応じた位相制御信号生成用の操作量が算出され、位相制御信号生成部１０へ送出される。また、前記のように位相制御信号生成部１０には、この操作量のほかに、同期信号生成部９からの同期信号が送られてきており、ここで、この同期信号と操作量に基づいてゲート信号が生成される。

このような温度制御が半田付け作業期間中実行されるが、温度上昇過程（図３のｔ１とｔ３）と温度維持過程（図３のｔ２とｔ４）とで異なるそれぞれ適切な組合わせのＰＩＤ制御定数をＰＩＤゲインテーブルから読み出してＰＩＤ処理部８４に送る。

つまり、半田付け開始温度から第１半田付け温度Ｔ１に到達するまでの時間ｔ１が温度変化が最も大きいので比例動作（Ｐ）と積分動作（Ｉ）共に大き目のＰＩＤ制御定数を設定し、第１半田付け温度Ｔ１を維持している時間ｔ２と第２半田付け温度を維持している時間ｔ４は温度変化がないので積分動作（Ｉ）が大き目のＰＩＤ制御定数を設定し、第１半田付温度Ｔ１から第２半田付け温度Ｔ２に到達するまでの時間ｔ３は半田付け開始時に比べると温度上昇が少ないので比例動作（Ｐ）が大き目のＰＩＤ制御定数を設定して操作量を算出する。

このようにして得られた操作量を基にゲート信号が生成されるので、温度の上昇過程、温度の維持過程でそれぞれの過程に適切な温度制御が実行され、ヒータチップ３の温度が制御される（図４の細線表示）。つまり、上昇過程では変動が大きいが速やかな温度変化を、維持過程では変動が少なく穏やかな温度変化を実現している。この結果、設定された目標温度プロファイルを実現している。

［他の実施の形態］
これまでは、ＰＩＤ制御定数の切換を目標温度プロファイルの温度上昇時間（ｔ１、ｔ３）と温度維持時間（ｔ２、ｔ４）にそのまま合わせたものであった。
この実施の形態はこの温度上昇時間（ｔ１、ｔ３）と温度維持時間（ｔ２、ｔ４）に一定の時間差を付けてＰＩＤ制御定数を切り換えるものである。この一定の時間差を設ける趣旨は、ヒータチップ３からのフィードバック情報の遅れを考慮するものである。こうすることで、より確実に目標温度プロファイルに近づけることができる。

本発明の１実施例を示すパルスヒート電源のブロック図 図１のこのパルスヒート電源のブロック図のうちＰＩＤ制御部の詳細図 図１のパルスヒート電源の半田付け作業時の設定温度プロファイルを示す図 半田付け作業時の目標温度プロファイルとヒータチップの温度の実測値を示す概要図 従来のパルスヒート電源を用いたときの半田付けの温度制御状況の一例を示す概要図。 従来のパルスヒート電源を用いたときの半田付けの温度制御状況他の一例を示す概要図。

符号の説明

１ 位相制御部
２ トランス
３ ヒータチップ
４ 熱電対
５ 増幅部
６ パラメータ設定部
７ 目標温度プロファイル生成部
８ ＰＩＤ制御部
９ 同期信号生成部
１０ 位相制御信号生成部
８１ タイミングコントローラ
８２ 温度プロファイルデータテーブル
８３ ＰＩＤゲインテーブル
８４ ＰＩＤ処理部

Claims (6)

1. 設定された温度プロファイルを目標値としてＰＩＤ制御手段により温度制御を行うことで半田付けをするパルスヒート電源であって、
   ＰＩＤ制御定数を前記温度プロファイルの温度上昇過程と温度維持過程とで異なる値に設定することを特徴とするパルスヒート電源。
2. 前記ＰＩＤ制御定数は予め決められた組み合わせの中から温度上昇過程とで選択して個別に設定することを特徴とする請求項１記載のパルスヒート電源。
3. 前記温度プロファイルの温度上昇過程と温度維持過程とで個別に設定するＰＩＤ制御定数は、この温度プロファイルの設定時間により設定されることを特徴とする請求項１記載のパルスヒート電源。
4. 前記温度プロファイルの温度上昇過程と温度維持過程とで個別に設定するＰＩＤ制御定数は、この温度プロファイルの設定時間から予め決められた一定時間差をもって設定されることを特徴とする請求項１記載のパルスヒート電源。
5. 設定された温度プロファイルを目標値としてＰＩＤ制御手段により温度制御を行うことで半田付けをするパルスヒート電源であって、
   温度プロファイルデータを格納する温度プロファイルデータテーブルと、
   ＰＩＤ制御定数を格納するＰＩＤ制御定数テーブルと、
   対象物を半田付けする半田付け部の温度を検出する温度検出部と、
   別途設けた操作部からの動作開始指令を受けた時点から時間の経過にしたがって前記温度プロファイルデータテーブルから温度プロファイルデータの読み出し指示と前記ＰＩＤ制御テーブルからＰＩＤ制御定数の読み出し指示とを行う制御部と、
   時間の経過にしたがって読み出される前記温度プロファイルを目標値とし、前記半田付け部の温度を制御量とし、これらの目標値と制御量の偏差を算出し、時間の経過にしたがって読み出される前記ＰＩＤ制御定数を基にＰＩＤ処理を行うことで操作量を算出するＰＩＤ処理部と、
   このＰＩＤ処理部からの操作量に基づいて前記半田付け部への電流を制御する出力制御部と、
   を具備することを特徴とする請求項１記載のパルスヒート電源。
6. 前記制御部は、別途設けた操作部からの動作開始指令を受けた時点から時間の経過にしたがって前記温度プロファイルデータテーブルから温度プロファイルデータの読み出し指示とこの時間経過から予め決められた時間差をもって前記ＰＩＤ制御テーブルからＰＩＤ制御定数の読み出し指示とを行うことを特徴とする請求項５記載のパルスヒート電源。

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