JP2017046403A - インバータ制御回路、インバータ制御方法、および、電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力電流の変動幅を低減することができるインバータ制御回路、インバータ制御方法および電源装置を提供する。【解決手段】インバータ回路２を制御する制御回路５において、インバータ回路２の一方のアームに配置されているスイッチング素子２１（２３）に入力する先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）と、他方のアームに配置されているスイッチング素子２２（２４）に入力する追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）とを生成し、追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）の位相を、先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）の位相より遅らせて出力する駆動信号生成部５４を備えるようにした。駆動信号生成部５４は、先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）または追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）のパルス幅の所定の割合だけ、先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）のパルスと追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）のパルスとが重なるようにして出力する。所定の割合を適切に設定することで、インバータ回路２の出力電流の変動幅を低減することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ制御回路、インバータ制御方法、および、これらを用いた電源装置に関する。

溶接トーチと被加工物との間にアークを発生させて、アークの熱で被加工物の溶接を行うアーク溶接が知られている。アークには、溶接電源装置から電力が供給される。

図８は、一般的な溶接電源装置Ａ１００を説明するための図であり、溶接システムの全体構成を示している。溶接電源装置Ａ１００の一方の出力端子ａは、パワーケーブルＣ１を介して、溶接トーチＴの先端の電極に接続される。溶接電源装置Ａ１００の他方の出力端子ｂは、パワーケーブルＣ２を介して、被加工物Ｗに接続される。溶接電源装置Ａ１００は、溶接トーチＴの電極の先端と、被加工物Ｗとの間にアークを発生させ、アークに電力を供給する。溶接電源装置Ａ１００は、直流電流を出力する直流電源１、直流電流を交流電流に変換するインバータ回路２、インバータ回路２が出力する交流電圧を変圧する変圧器３、交流電流を直流電流に変換するための整流回路４、インバータ回路２を制御する制御回路５００、駆動信号を増幅するドライブ回路６、および、溶接電源装置Ａ１００の出力電流を検出する電流センサ７を備えている。制御回路５００は、電流センサ７が検出した電流信号Ｉに基づいて、出力電流制御を行う。

溶接電源装置Ａ１００において、低出力時の出力安定化を図るために、インバータ回路２の制御をパルス幅制御と位相シフト制御とで切り替えるものが知られている（例えば特許文献１参照）。このような溶接電源装置Ａ１００においては、低出力時に駆動信号のパルス幅が小さくなり過ぎないようにするために、制御回路５００は、パルス幅を固定したままで、パルスの位相をずらすことで出力の制御（位相シフト制御）を行っている。

特開２００９-１３１００７号公報

図９は、位相シフト制御を行った時の、溶接電源装置Ａ１００の出力電流波形を説明するための図である。

図９（ａ）は、インバータ回路２のスイッチング素子２１〜２４にそれぞれ入力される駆動信号Ｐ１〜Ｐ４の波形を示している。図９（ａ）に示すように、駆動信号Ｐ２の位相は駆動信号Ｐ１の位相より遅れており、駆動信号Ｐ４の位相は駆動信号Ｐ３の位相より遅れている。駆動信号Ｐ１（Ｐ３）のパルスと駆動信号Ｐ２（Ｐ４）のパルスとが重なるときにのみ、直流電源１が変圧器３の一次側巻線３１に接続されて、電圧が印加される。したがって、駆動信号Ｐ１（Ｐ３）と駆動信号Ｐ２（Ｐ４）との位相差を調整することで、溶接電源装置Ａ１００の出力を制御することができる。

図９（ｂ）は、電流センサ７が検出した電流信号Ｉの波形を示している。図９（ｂ）に示すように、電流信号Ｉは、駆動信号Ｐ１（Ｐ３）と駆動信号Ｐ２（Ｐ４）の両方がオンになっている時（両者のパルスが重なっている時）と、すべての駆動信号Ｐ１〜Ｐ４がオフになっている時（デッドタイム）に上昇し、駆動信号Ｐ１（Ｐ３）と駆動信号Ｐ２（Ｐ４）のいずれか一方がオンになっているときに低下している。つまり、電流信号Ｉは、図９（ｂ）に示す範囲ｈの間で上下動する。この範囲ｈが広い場合、すなわち、電流信号Ｉの最大値と最小値との差が大きい場合、電流信号Ｉの目標値が小さいので、電流信号Ｉの最小値が小さくなりすぎて、アークに流れる電流が不足してアーク切れが発生する場合がある。

本発明は上記した事情のもとで考え出されたものであって、出力電流の変動幅を低減することができるインバータ制御回路、インバータ制御方法および電源装置を提供することをその目的としている。

上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面によって提供される制御回路は、インバータ回路を制御する制御回路であって、前記インバータ回路の一方のアームに配置されているスイッチング素子に入力する先行駆動信号と、他方のアームに配置されているスイッチング素子に入力する追従駆動信号とを生成し、前記追従駆動信号の位相を、前記先行駆動信号の位相より遅らせて出力する駆動信号生成手段を備え、前記駆動信号生成手段は、前記先行駆動信号または前記追従駆動信号のパルス幅の所定の割合だけ、前記先行駆動信号のパルスと前記追従駆動信号のパルスとが重なるようにして出力することを特徴とする。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記所定の割合は、０より大きく１／２より小さい。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記所定の割合は、１／５である。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記インバータ回路の出力電流に基づいて、前記先行駆動信号のパルスと前記追従駆動信号のパルスとの重なる部分の長さである重なり幅を算出する重なり幅算出手段をさらに備えており、前記駆動信号生成手段は、前記重なり幅を前記所定の割合で除算した時間を、前記先行駆動信号および前記追従駆動信号のパルス幅とする。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記重なり幅算出手段は、前記インバータ回路の出力を変圧して整流した後の電流を検出した電流信号と、前回算出した重なり幅とからゲインを算出し、前記電流信号と目標値との偏差より算出した補償値に、前記ゲインを乗算することで、重なり幅を算出する。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記駆動信号生成手段は、前記インバータ回路の出力電流に基づいて、前記先行駆動信号および前記追従駆動信号のパルス幅を調整する。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記駆動信号生成手段は、前記インバータ回路の出力電流に基づいて、前記インバータ回路に入力する直流電圧を調整する。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記駆動信号生成手段は、前記インバータ回路の出力電流に基づいて、前記先行駆動信号および前記追従駆動信号の周波数を調整する。

本発明の第２の側面によって提供される電源装置は、本発明の第１の側面によって提供される制御回路と、前記インバータ回路とを備えていることを特徴とする。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記電源装置は、溶接システムにおいて、溶接トーチに電力を供給する。

本発明の第３の側面によって提供される制御方法は、インバータ回路を制御する制御方法であって、前記インバータ回路の出力電流に基づいて、先行駆動信号のパルスと追従駆動信号のパルスとの重なる部分の長さである重なり幅を算出する第１の工程と、前記重なり幅を所定の割合で除算することで、前記先行駆動信号および前記追従駆動信号のパルス幅を算出する第２の工程と、前記第２の工程で算出されたパルス幅に応じて、前記先行駆動信号および前記追従駆動信号を生成し、前記先行駆動信号を、前記インバータ回路の一方のアームに配置されているスイッチング素子に出力し、前記追従駆動信号を、他方のアームに配置されているスイッチング素子に出力する第３の工程とを備えており、前記第３の工程においては、前記先行駆動信号のパルスと前記追従駆動信号のパルスとが前記重なり幅だけ重なるようにして、前記追従駆動信号の位相を、前記先行駆動信号の位相より遅らせて出力することを特徴とする。

本発明によると、先行駆動信号のパルスと追従駆動信号のパルスの重なる時間が、先行駆動信号または追従駆動信号のパルス幅の所定の割合に固定される。当該所定の割合を適切に設定することによって、インバータ回路の出力電流の変動幅を低減することができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

第１実施形態に係る溶接電源装置を説明するための図である。 先行駆動信号の波形と追従駆動信号の波形とを説明するための図である。 所定の割合Ｒによって変化する電流波形を説明するための図である。 各スイッチング素子のオンオフの状態と流れる電流について説明するための図である。 各スイッチング素子のオンオフの状態と流れる電流について説明するための図である。 所定の割合Ｒによって変化する電流波形を説明するための図である。 第２および第３実施形態に係る溶接電源装置を説明するための図である。 従来の一般的な溶接電源装置を説明するための図である。 位相シフト制御を行った時の、溶接電源装置の出力電流波形を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態を、本発明に係る電源装置を溶接電源装置として用いた場合を例として、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、第１実施形態に係る溶接電源装置Ａ１を説明するための図である。図１（ａ）は、溶接電源装置Ａ１の全体構成を示しており、図１（ｂ）は、重なり幅算出部５３の詳細を示している。

溶接電源装置Ａ１は、溶接トーチの電極の先端と、被加工物との間にアークを発生させ、アークに電力を供給するものである。図１（ａ）においては、溶接トーチ、被加工物およびアークをまとめて負荷Ｌとして示している。図１（ａ）に示すように、溶接電源装置Ａ１は、直流電源１、インバータ回路２、変圧器３、整流回路４、制御回路５、ドライブ回路６、および、電流センサ７を備えている。

直流電源１は、直流電流を出力するものであり、例えば、電力系統から入力される交流電流を整流する整流回路と、平滑する平滑コンデンサとを備えている。なお、直流電源１は、交流電流を直流電流に変換して出力するものに限られない。例えば、燃料電池、蓄電池、太陽電池などの直流電流を出力するものであってもよく、インバータ回路２に直流電流を出力するものであればよい。

インバータ回路２は、直流電源１から入力される直流電流を高周波電流に変換して、変圧器３に出力する。インバータ回路２は、単相フルブリッジ型のインバータであり、４個のスイッチング素子２１〜２４を備えている。本実施形態では、スイッチング素子２１〜２４としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor : 絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ）を使用している。なお、スイッチング素子２１〜２４はＩＧＢＴに限定されず、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などであってもよい。

スイッチング素子２１とスイッチング素子２３とは、スイッチング素子２１のエミッタ端子とスイッチング素子２３のコレクタ端子とが接続されて、直列接続されている。スイッチング素子２１のコレクタ端子は直流電源１の正極側に接続され、スイッチング素子２３のエミッタ端子は直流電源１の負極側に接続されて、ブリッジ構造を形成している。同様に、スイッチング素子２４とスイッチング素子２２とが直列接続されてブリッジ構造を形成している。スイッチング素子２１とスイッチング素子２３とで形成されているブリッジ構造を先行アームとし、スイッチング素子２４とスイッチング素子２２とで形成されているブリッジ構造を追従アームとする。先行アームのスイッチング素子２１とスイッチング素子２３の接続点には出力ラインが接続され、追従アームのスイッチング素子２４とスイッチング素子２２の接続点にも出力ラインが接続されている。これら２つの出力ラインの間に、変圧器３の一次側巻線３１が接続されている。各スイッチング素子２１〜２４には、それぞれ逆並列にフライホイールダイオードが接続されている。各スイッチング素子２１〜２４のゲート端子には、ドライブ回路６から出力される駆動信号Ｐ１〜Ｐ４が入力される。各スイッチング素子２１〜２４は、それぞれ駆動信号Ｐ１〜Ｐ４に基づいて、オン状態とオフ状態とを切り替えられる。これにより、直流電流が交流電流に変換される。なお、インバータ回路２は、これに限られない。

変圧器３は、インバータ回路２が出力する交流電圧を変圧して、整流回路４に出力する。変圧器３の二次側巻線３２には、２つの出力端子とは別にセンタタップが設けられている。

整流回路４は、変圧器３のセンタタップを用いた両波整流回路であり、変圧器３が出力する交流電流を整流して、直流電流として出力する。整流回路４は、２個の整流用ダイオード４１，４２と、直流リアクトル４３とを備えている。整流用ダイオード４１，４２は、変圧器３の二次側巻線３２の各出力端子に、それぞれアノード端子が接続されて、直列接続されている。直流リアクトル４３は、整流用ダイオード４１，４２のカソード端子側での接続点ｃと、溶接電源装置Ａ１の出力端子ａとの間に直列接続されており、出力電流を安定させる。変圧器３のセンタタップは、溶接電源装置Ａ１の出力端子ｂに接続されている。整流回路４が出力する直流電流が、溶接電流として、負荷Ｌ（アーク等）に流れる。

電流センサ７は、変圧器３のセンタタップと出力端子ｂとの間の接続線に配置されており、溶接電源装置Ａ１の出力電流を検出して、電流信号Ｉとして制御回路５に出力する。なお、電流センサ７は、直流リアクトル４３と出力端子ａとの間の接続線に配置してもよい。

制御回路５は、インバータ回路２を制御するものであり、インバータ回路２を制御するための駆動信号を生成して、ドライブ回路６に出力する。制御回路５は、出力電流制御を行っており、電流センサ７より入力される電流信号Ｉに基づいて、溶接電源装置Ａ１の出力電流をフィードバック制御する。

制御回路５は、高出力時には、通常のパルス幅制御を行う。すなわち、電流センサ７より入力される電流信号Ｉと目標値Ｉ^*との偏差ΔＩ（＝Ｉ^*−Ｉ）を算出し、偏差ΔＩに基づいて、例えばＰＩ制御（比例積分制御）による補償値を算出する。そして、補償値の信号と内部で生成した三角波などのキャリア信号とを比較することでＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成し、当該ＰＷＭ信号を駆動信号として出力する。この場合、スイッチング素子２１とスイッチング素子２２には同じ駆動信号が入力され、スイッチング素子２３とスイッチング素子２４には同じ駆動信号が入力される。すなわち、スイッチング素子２１（２３）に入力される駆動信号とスイッチング素子２２（２４）に入力される駆動信号とでは位相差を設けていない。なお、図１においては、通常のパルス幅制御のための構成の記載を省略している。

また、制御回路５は、低出力時には、スイッチング素子２２（２４）に入力する駆動信号の位相を、スイッチング素子２１（２３）に入力する駆動信号の位相より遅らせる。以下では、スイッチング素子２１（２３）に入力する駆動信号を先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）とし、スイッチング素子２２（２４）に入力する駆動信号を追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）とする。位相をずらすことで、先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）のパルスと追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）のパルスとが重なる部分が小さくなるので、パルス幅が同じでも、位相をずらさない場合より出力を小さくすることができる。

本実施形態では、出力電流の目標値が小さくて、通常のパルス幅制御を行ったとしたら、ＰＷＭ信号のパルス幅が狭くなりすぎて、適切に制御を行うことができなくなる場合を、低出力設定時としている。例えば、ＰＷＭ信号のデューティ比が数％以下になる場合であり、出力電流の目標値が数Ａ以下になる場合である。なお、低出力をどの範囲とするかは、これに限られない。本実施形態では、出力電流の目標値に応じて、２つの制御を切り替える。なお、図１においては、当該制御を切り替えるための構成の記載を省略している。なお、出力電流の目標値により切り替えるのではなく、パルス幅に基づいて切り替えるようにしてもよい。

また、低出力時において、制御回路５は、先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）のパルスと追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）のパルスとが重なる部分の長さの、パルス幅に対する割合を、所定の割合Ｒに固定する。

図２は、先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）の波形と追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）の波形とを説明するための図である。上側の波形が先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）であり、下側の波形が追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）である。各駆動信号Ｐ１〜Ｐ４の周期Ｔは固定されている。また、各駆動信号Ｐ１〜Ｐ４のパルス幅はＴｏｎであり、先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）のパルスと追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）のパルスとの重なる部分の長さ（以下では、「重なり幅」とする）はＴｘである。パルス幅Ｔｏｎおよび重なり幅Ｔｘは、溶接電源装置Ａ１の出力によって変化するが、パルス幅Ｔｏｎに対する重なり幅Ｔｘの割合Ｒは固定されている。したがって、重なり幅Ｔｘが決まれば、パルス幅Ｔｏｎ（＝Ｔｘ／Ｒ）が決まり、パルス幅Ｔｏｎが決まれば、重なり幅Ｔｘ（＝Ｔｏｎ・Ｒ）が決まる。本実施形態においては、先に、重なり幅Ｔｘを算出して決定し、算出された重なり幅Ｔｘに基づいて、パルス幅Ｔｏｎ（＝Ｔｘ／Ｒ）を算出する。なお、先に、パルス幅Ｔｏｎを算出して決定し、算出されたパルス幅Ｔｏｎに基づいて、重なり幅Ｔｘ（＝Ｔｏｎ・Ｒ））を算出するようにしてもよい。また、本実施形態においては、割合Ｒを１／５（２０％）としている。以下では、パルス幅Ｔｏｎに対する重なり幅Ｔｘの割合Ｒを固定して行う制御を、「重なり幅割合固定制御」と記載する。

図３は、所定の割合Ｒによって変化する電流波形を説明するための図であり、溶接電源装置Ａ１の挙動をコンピュータでシミュレーションした結果を示したものである。

図３（ａ）は、Ｒ＝１（１００％）とした場合を示しており、図３（ｂ）は、Ｒ＝１／５（２０％）とした場合を示している。図３（ａ），（ｂ）とも、上の４段は各駆動信号Ｐ１〜Ｐ４の波形を示しており、５段目は、電流センサ７が検出した電流信号Ｉの波形を示しており、６段目は、溶接電源装置Ａ１の出力電圧Ｖの波形を示しており、７段目は、変圧器３の一次側巻線に印加される電圧Ｖ_TPの波形を示している。両者の出力電流を同程度とするために、駆動信号Ｐ１〜Ｐ４のパルス幅は異なっている（図３（ａ）におけるパルス幅が小さくなっている）。

図３（ａ）では、先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）のパルスの位相と追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）のパルスの位相とが一致しており、位相差がない状態である。この場合、電流信号Ｉの周期は、各駆動信号Ｐ１〜Ｐ４の周期の半分の周期になっている。一方、図３（ｂ）では、重なり幅Ｔｘが各駆動信号Ｐ１〜Ｐ４のパルス幅Ｔｏｎの２０％になっており、先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）のパルスの８０％が経過したときに、追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）のパルスが立ち上がっている。この場合、電流信号Ｉの周期は、各駆動信号Ｐ１〜Ｐ４の周期の１／４の周期になっている。すなわち、図３（ｂ）の場合、図３（ａ）の場合より周期が短くなって、電流信号Ｉの上昇および下降にかかる時間が短くなっており、電流信号Ｉの変動幅が小さくなっている。図３（ａ）の電流信号Ｉが０〜５００ｍＡの間で変動している（図に示す範囲ｈ参照）のに対し、図３（ｂ）の電流信号Ｉは５０〜３００ｍＡの間で変動している（図に示す範囲ｈ参照）。つまり、同程度の電流を出力する場合、Ｒ＝１／５としたときの電流信号Ｉの変動幅は、Ｒ＝１としたときの半分程度になっている。ま
た、Ｒ＝１の場合、電流信号Ｉが０ｍＡになる瞬間がある。このときにアークに流れる電流が不足してアーク切れが発生する場合がある。

図４および図５は、各スイッチング素子２１〜２４のオンオフの状態と流れる電流について説明するための図である。

図４（ａ）は、図３（ｂ）に示す期間Ａでの状態を示している。期間Ａでは、スイッチング素子２１，２２がオン状態となり、スイッチング素子２３，２４がオフ状態となっている。この期間では、変圧器３の一次側巻線に電圧が印加されて、破線矢印で示す電流が流れる。このとき、変圧器３の二次側巻線から、一点鎖線矢印で示す出力電流が流れる。期間Ａの間、一次側の電流は徐々に増加し、出力電流も徐々に増加する（図３（ｂ）のＩ参照）。

図４（ｂ）は、図３（ｂ）に示す期間Ｂでの状態を示している。期間Ｂでは、スイッチング素子２１がオフ状態に切り替わったことで、変圧器３の一次側巻線に印加されていた電圧が遮断されている。しかし、スイッチング素子２３のフライホイールダイオードを含む電流経路（破線矢印参照）があるので、電流は流れ続ける。このときも、変圧器３の二次側巻線から、一点鎖線矢印で示す出力電流が流れる。期間Ｂの間、一次側の電流は徐々に減少し、出力電流も徐々に減少する（図３（ｂ）のＩ参照）。

図４（ｃ）は、図３（ｂ）に示す期間Ｃでの状態を示している。期間Ｃでは、スイッチング素子２２もオフ状態に切り替わったので、すべてのスイッチング素子２１〜２４がオフ状態になり、変圧器３の一次側は無負荷になっている。このとき、変圧器３の二次側には、二次側巻線に蓄えられていたエネルギーが放出され、一点鎖線矢印で示す出力電流が流れる。期間Ｃの間、出力電流は徐々に増加する（図３（ｂ）のＩ参照）。

図４（ｄ）は、図３（ｂ）に示す期間Ｄでの状態を示している。期間Ｄでは、スイッチング素子２３がオン状態に切り替わったことで、スイッチング素子２２のフライホイールダイオードを含む電流経路ができるので、破線矢印で示す電流が流れる。これにより、一点鎖線矢印で示す出力電流は、徐々に減少する（図３（ｂ）のＩ参照）。

図５（ａ）は、図３（ｂ）に示す期間Ｅでの状態を示している。期間Ｅでは、スイッチング素子２４がオン状態に切り替わったことで、変圧器３の一次側巻線に電圧が印加されて、破線矢印で示す電流が流れる。このとき、変圧器３の二次側巻線から、一点鎖線矢印で示す出力電流が流れる。期間Ｅの間、一次側の電流は徐々に増加し、出力電流も徐々に増加する（図３（ｂ）のＩ参照）。

図５（ｂ）は、図３（ｂ）に示す期間Ｆでの状態を示している。期間Ｆでは、スイッチング素子２３がオフ状態に切り替わったことで、変圧器３の一次側巻線に印加されていた電圧が遮断されている。しかし、スイッチング素子２１のフライホイールダイオードを含む電流経路（破線矢印参照）があるので、電流は流れ続ける。このときも、変圧器３の二次側巻線から、一点鎖線矢印で示す出力電流が流れる。期間Ｆの間、一次側の電流は徐々に減少し、出力電流も徐々に減少する（図３（ｂ）のＩ参照）。

図５（ｃ）は、図３（ｂ）に示す期間Ｇでの状態を示している。期間Ｇでは、スイッチング素子２４もオフ状態に切り替わったので、すべてのスイッチング素子２１〜２４がオフ状態になり、変圧器３の一次側は無負荷になっている。このとき、変圧器３の二次側には、二次側巻線に蓄えられていたエネルギーが放出され、一点鎖線矢印で示す出力電流が流れる。期間Ｇの間、出力電流は徐々に増加する（図３（ｂ）のＩ参照）。

図５（ｄ）は、図３（ｂ）に示す期間Ｈでの状態を示している。期間Ｈでは、スイッチング素子２１がオン状態に切り替わったことで、スイッチング素子２４のフライホイールダイオードを含む電流経路ができるので、破線矢印で示す電流が流れる。これにより、一点鎖線矢印で示す出力電流は、徐々に減少する（図３（ｂ）のＩ参照）。

以上のように、電流信号Ｉは、図３（ｂ）に示すように、上昇と下降を繰り返す。期間Ａおよび期間Ｅを短くしたことで、これらの期間での電流信号Ｉの上昇を抑制し、出力電流を抑制している。また、期間Ａおよび期間Ｅを期間Ｂ，Ｄ，Ｆ，Ｈの１／４とする（すなわち、重なり幅Ｔｘを各駆動信号Ｐ１〜Ｐ４のパルス幅Ｔｏｎの１／５とする）ことで、期間Ａおよび期間Ｅでの電流信号Ｉの上昇と、期間Ｃおよび期間Ｇでの電流信号Ｉの上昇とを一致させており、これによって、電流信号Ｉの周期を、各駆動信号Ｐ１〜Ｐ４の周期の１／４の周期としている。この場合、電流信号Ｉの変動幅は最小になる。

図６は、割合Ｒの値を変更したときの電流信号Ｉの波形の一例を示すものである。図６（ａ）は、Ｒ＝１／１０（１０％）とした場合を示しており、図６（ｂ）は、Ｒ＝１／２（５０％）とした場合を示している。図３（ａ），（ｂ）とも、上の４段は各駆動信号Ｐ１〜Ｐ４の波形を示しており、５段目は、電流センサ７が検出した電流信号Ｉの波形を示している。割合Ｒが１／５より小さくなるにつれて、電流信号Ｉの波形はくずれてゆき（図６（ａ）参照）、電流信号Ｉの変動幅は大きくなっていく。また、割合Ｒが１／５より大きくなるにつれても、電流信号Ｉの波形はくずれてゆき（図６（ｂ）参照）、電流信号Ｉの変動幅は大きくなっていく。なお、負荷の状態によって電流信号Ｉの波形は変化する。

割合Ｒが１／２（５０％）以下である場合、電流信号Ｉの波形のくずれ方は限定的であり（図６（ｂ）参照）、電流信号Ｉの変動幅はあまり大きくならない。また、割合Ｒが「０」の場合、出力ができなくなってしまう。したがって、割合Ｒとして、１／２（５０％）以下で、「０」より大きい値を設定することで、電流信号Ｉの変動幅を抑制しつつ、出力を行うことができる。ただし、電流信号Ｉの波形がくずれない（電流信号Ｉの周期が各駆動信号Ｐ１〜Ｐ４の周期の１／４の周期になる）ように、割合Ｒを１／５（２０％）とするのが望ましい。

図１に戻って、制御回路５は、出力電流設定部５１、減算部５２、重なり幅算出部５３、および、駆動信号生成部５４を備えている。

出力電流設定部５１は、溶接電源装置Ａ１の出力電流の目標値Ｉ^*を設定するものであり、設定された目標値Ｉ^*を減算部５２に出力する。出力電流設定部５１は、作業者によって入力されたり、あらかじめプログラミングされている溶接条件に基づいて、目標値Ｉ^*を設定する。また、出力電流設定部５１は、目標値Ｉ^*に応じて、制御回路５が行う制御を切り替えるための切替部（図示しない）に、切替信号を出力する。減算部５２は、電流センサ７より入力される電流信号Ｉと、出力電流設定部５１より入力される目標値Ｉ^*との偏差ΔＩ（＝Ｉ^*−Ｉ）を算出して、重なり幅算出部５３に出力する。

重なり幅算出部５３は、重なり幅Ｔｘを算出するものである。重なり幅算出部５３は、減算部５２より入力される偏差ΔＩ、および、電流センサ７より入力される電流信号Ｉに基づいて、重なり幅Ｔｘを算出して、駆動信号生成部５４に出力する。図１（ｂ）に示すように、重なり幅算出部５３は、ＰＩ制御部５３ａ、ゲイン算出部５３ｂ、および、乗算部５３ｃを備えている。

ＰＩ制御部５３ａは、減算部５２より入力される偏差ΔＩに基づいて、ＰＩ制御（比例積分制御）による補償値を算出する。ＰＩ制御部５３ａは、算出した補償値を乗算部５３ｃに出力する。なお、ＰＩ制御以外の制御（例えば、ＰＩＤ制御など）を行うようにしてもよい。

ゲイン算出部５３ｂは、ＰＩ制御部５３ａから出力される補償値に乗算するためのゲインＧを算出するものである。ゲイン算出部５３ｂは、電流センサ７より入力される電流信号Ｉと、前回算出した重なり幅Ｔｘとから、下記（１）式に基づいて、ゲインＧを算出する。パラメータｂ，ｃ，ｄ（０＜ｂ，０＜ｃ，０＜ｄ）は、適宜設定される。アーク長が長くなってアーク負荷（負荷Ｌ）が大きくなると、負荷電流が小さくなるので電流信号Ｉは小さくなり、アーク長が短くなってアーク負荷が小さくなると、負荷電流が大きくなるので電流信号Ｉは大きくなる。つまり、下記（１）式の｛（Ｔｘ−ｂ）／Ｉ｝は、アーク負荷に応じて変化し、ゲインＧは、アーク負荷に対して線形的に変化する。０＜ｃなので、アーク負荷が大きくなるとゲインＧは大きくなる。また、ゲインＧは、前回の重なり幅Ｔｘに応じて大きくなる。ゲイン算出部５３ｂは、算出したゲインＧを乗算部５３ｃに出力する。
Ｇ＝ｃ・｛（Ｔｘ−ｂ）／Ｉ｝+ｄ ・・・・ （１）

乗算部５３ｃは、ＰＩ制御部５３ａより入力される補償値に、ゲイン算出部５３ｂより入力されるゲインＧを乗算するものである。乗算部５３ｃは、算出結果を重なり幅Ｔｘとして、駆動信号生成部５４に出力する。

駆動信号生成部５４は、各駆動信号Ｐ１〜Ｐ４を生成するものである。駆動信号生成部５４は、乗算部５３ｃより入力される重なり幅Ｔｘから割合Ｒ（例えば、Ｒ＝１／５）を除算した値をパルス幅Ｔｏｎ（＝Ｔｘ／Ｒ）として、各駆動信号Ｐ１〜Ｐ４を生成する。また、駆動信号生成部５４は、先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）のパルスと追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）のパルスとの重なり幅が重なり幅Ｔｘになるように、追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）の位相を先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）の位相より遅らせて生成する。位相差は、Ｔｏｎ−Ｔｘ＝Ｔｘ／Ｒ−Ｔｘ＝｛（１−Ｒ）／Ｒ｝・Ｔｘとなる。例えば、Ｒ＝１／５の場合、位相差は４・Ｔｘとなる。駆動信号生成部５４は、生成した各駆動信号Ｐ１〜Ｐ４を、ドライブ回路６に出力する。

制御回路５が行う重なり幅割合固定制御は、溶接電源装置Ａ１の出力電流に応じて重なり幅Ｔｘを算出し、重なり幅Ｔｘと固定値である割合Ｒからパルス幅Ｔｏｎを算出して、駆動信号のパルス幅で出力を制御するので、パルス幅制御の一種である。しかし、追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）の位相を先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）の位相より遅らせ、両者のパルスの重なり幅Ｔｘのパルス幅Ｔｏｎに対する割合を固定する点で、従来のパルス幅制御とは異なる。

なお、制御回路５は、アナログ処理を行うようにしてもよいし、デジタル処理を行うようにしてもよい。デジタル処理を行う場合は、制御回路５をマイクロコンピュータなどによって実現し、電流センサ７から入力される電流信号をアナログ/デジタル変換回路でデジタル信号に変換して入力するようにすればよい。

ドライブ回路６は、制御回路５より入力される各駆動信号Ｐ１〜Ｐ４を、各スイッチング素子２１〜２４を駆動できるレベルに増幅して、出力する。ドライブ回路６の構成は限定されず、パルストランス方式でもよいし、フォトカプラ方式であってもよい。

本実施形態によると、制御回路５は、低出力時に、追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）の位相を先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）の位相より遅らせる。先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）のパルスと追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）のパルスとが重なる部分が小さくなるので、位相をずらさない場合より出力を小さくすることができる。したがって、位相をある程度ずらしておけば、低出力時に駆動信号のパルス幅が小さくなり過ぎることを防ぐことができる。

また、本実施形態によると、制御回路５は、先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）のパルスと追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）のパルスとの重なり幅Ｔｘの、パルス幅Ｔｏｎに対する割合を、所定の割合Ｒに固定する。割合Ｒを適切に設定することで、溶接電源装置Ａ１の出力電流の変動幅を低減することができる。これにより、低出力時に出力電流の最小値が小さくなりすぎて、アーク切れが発生してしまうことを抑制することができる。本実施形態においては、割合Ｒを１／５（２０％）に設定しているので、電流信号Ｉの周期が各駆動信号Ｐ１〜Ｐ４の周期の１／４の周期になっている（図３（ｂ）参照）。したがって、電流信号Ｉの上昇および下降にかかる時間が最も短くなって、電流信号Ｉの変動幅が最も小さくなっている。これにより、溶接電源装置Ａ１の出力電流の変動幅を最も低減することができる。

本実施形態によると、制御回路５は、電流信号Ｉに基づいて、重なり幅算出部５３によって重なり幅Ｔｘを算出し、重なり幅Ｔｘを割合Ｒで除算することでパルス幅Ｔｏｎを算出する。したがって、パルス幅Ｔｏｎを調整することで出力電流をフィードバック制御しつつ、パルス幅Ｔｏｎに対する重なり幅Ｔｘの割合Ｒを固定した値とすることができる。

本実施形態によると、重なり幅算出部５３は、電流信号Ｉと前回算出した重なり幅ＴｘとからゲインＧを算出し、ＰＩ制御部５３ａが算出した補償値に当該ゲインＧを乗算することで重なり幅Ｔｘを算出する。ゲインＧは、アーク負荷に対して線形的に変化するので、アーク負荷に応じて重なり幅Ｔｘを変化させ、パルス幅Ｔｏｎを変化させることができる。したがって、短絡時などのアーク負荷が急に小さくなった場合に、パルス幅Ｔｏｎを小さくすることで、大電流が流れることを抑制することができる。

なお、本実施形態においては、先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）のパルス幅と追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）のパルス幅とが同一である場合について説明したが、これに限られない。パルス幅が異なっていても、どちらかのパルス幅に対する重なり幅Ｔｘの割合Ｒが固定されていればよい。例えば、先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）のパルス幅を追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）の前回のパルス幅としておいて、追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）のパルス幅を、重なり幅Ｔｘと割合Ｒから算出するようにしてもよい。また、先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）のパルス幅を固定値としておいて、追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）のパルス幅を、重なり幅Ｔｘと割合Ｒから算出するようにしてもよい。

本実施形態においては、各駆動信号Ｐ１〜Ｐ４の周期Ｔが固定である場合について説明したが、これに限られない。例えば、各駆動信号Ｐ１〜Ｐ４のオフ期間を固定にしておいて、算出された重なり幅Ｔｘに応じてパルス幅Ｔｏｎが変化することで、周期Ｔが変化するようにしてもよい。

本実施形態においては、高出力時と低出力時とで、通常のパルス幅制御と重なり幅割合固定制御とを切り替える場合について説明したが、これに限られない。出力に関係なく、重なり幅割合固定制御のみを行うようにしてもよい。ただし、重なり幅割合固定制御の場合、出力効率が悪くなるので、高出力時には通常のパルス幅制御に切り替えるのが望ましい。

本実施形態においては、先に、重なり幅Ｔｘを算出して決定し、算出された重なり幅Ｔｘに基づいて、パルス幅Ｔｏｎ（＝Ｔｘ／Ｒ）を算出する場合について説明したが、これに限られない。先に、パルス幅Ｔｏｎを算出して決定し、算出されたパルス幅Ｔｏｎに基づいて、重なり幅Ｔｘ（＝Ｔｏｎ・Ｒ））を算出するようにしてもよい。

また、先に、一般的なパルス幅制御の手法でＰＷＭ信号を生成して、追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）を先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）より所定の位相差だけ遅らせて出力するようにしてもよい。このような場合を、第２実施形態として、以下に説明する。

図７（ａ）は、第２実施形態に係る溶接電源装置Ａ２を説明するための図である。図７（ａ）においては、制御回路５のみを記載して、第１実施形態に係る溶接電源装置Ａ１(図１参照）と同一または類似の要素には、同一の符号を付している。溶接電源装置Ａ２の制御回路５以外の構成は、第１実施形態に係る溶接電源装置Ａ１のものと同様である。

図７（ａ）に示す溶接電源装置Ａ２は、重なり幅算出部５３および駆動信号生成部５４に代えて、ＰＩ制御部５５および駆動信号生成部５４’を備えている点で、第１実施形態に係る溶接電源装置Ａ１と異なる。

ＰＩ制御部５５は、ＰＩ制御部５３ａと同様のものであり、減算部５２より入力される偏差ΔＩに基づいて、ＰＩ制御（比例積分制御）による補償値を算出する。ＰＩ制御部５５は、算出した補償値を駆動信号生成部５４’に出力する。

駆動信号生成部５４’は、各駆動信号Ｐ１〜Ｐ４を生成して、ドライブ回路６に出力するものである。駆動信号生成部５４’は、ＰＩ制御部５５より入力される補償値の信号と内部で生成した三角波などのキャリア信号とを比較することでＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成する。そして、駆動信号生成部５４’は、生成したＰＷＭ信号を先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）として出力し、生成したＰＷＭ信号の位相を遅らせて、追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）として出力する。位相差は、Ｔｏｎ−Ｔｘ＝Ｔｏｎ−Ｔｏｎ・Ｒ＝Ｔｏｎ・（１−Ｒ）となる。例えば、Ｒ＝１／５の場合、位相差は（４／５）・Ｔｏｎとなる。なお、先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）と追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）とで位相をずらすことにより出力が小さくなるので、ＰＷＭ信号のパルス幅を小さくし過ぎる必要はない。

第２実施形態によると、制御回路５は、低出力時に、追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）の位相を先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）の位相より遅らせ、先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）のパルスと追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）のパルスとの重なり幅Ｔｘの、パルス幅Ｔｏｎに対する割合を、所定の割合Ｒに固定する。したがって、第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

上記第１および第２実施形態においては、各駆動信号Ｐ１〜Ｐ４のパルス幅を調整してデューティ比を調整することで、溶接電源装置Ａ１（Ａ２）の出力電流を制御しているが、これに限られない。例えば、各駆動信号Ｐ１〜Ｐ４の周波数を調整することで出力電流を制御するようにしてもよいし、インバータ回路２に入力する直流電圧を調整することで出力電流を制御するようにしてもよい。直流電圧を調整することで出力電流を制御する場合を、第３実施形態として、以下に説明する。

図７（ｂ）は、第３実施形態に係る溶接電源装置Ａ３を説明するための図である。図７（ｂ）においては、制御回路５および直流電源１’のみを記載して、第１実施形態に係る溶接電源装置Ａ１(図１参照）と同一または類似の要素には、同一の符号を付している。溶接電源装置Ａ３の制御回路５および直流電源１’以外の構成は、第１実施形態に係る溶接電源装置Ａ１のものと同様である。

図７（ｂ）に示す溶接電源装置Ａ３は、重なり幅算出部５３および駆動信号生成部５４に代えて、ＰＩ制御部５５および駆動信号生成部５４”を備えている点と、直流電源１に代えて直流電源１’を備えている点とで、第１実施形態に係る溶接電源装置Ａ１と異なる。

ＰＩ制御部５５は、ＰＩ制御部５３ａと同様のものであり、減算部５２より入力される偏差ΔＩに基づいて、ＰＩ制御（比例積分制御）による補償値を算出する。ＰＩ制御部５５は、算出した補償値を直流電源１’に出力する。

駆動信号生成部５４”は、各駆動信号Ｐ１〜Ｐ４を生成するものである。駆動信号生成部５４”は、所定のパルス幅Ｔｏｎで所定の周波数の各駆動信号Ｐ１〜Ｐ４を生成する。また、駆動信号生成部５４”は、先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）のパルスと追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）のパルスとの重なり幅が所定の重なり幅Ｔｘ（＝Ｔｏｎ・Ｒ）になるように、追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）の位相を先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）の位相より遅らせて生成する。位相差は、Ｔｏｎ−Ｔｘ＝Ｔｏｎ−Ｔｏｎ・Ｒ＝Ｔｏｎ・（１−Ｒ）となる。

直流電源１’は、出力電圧を変化させることができる直流電源であり、ＰＩ制御部５５より入力される補償値に応じて、出力電圧を変化させる。つまり、制御回路５は、いわゆる振幅制御を行う。

第３実施形態によると、制御回路５は、低出力時に、追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）の位相を先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）の位相より遅らせ、先行駆動信号Ｐ１（Ｐ３）のパルスと追従駆動信号Ｐ２（Ｐ４）のパルスとの重なり幅Ｔｘの、パルス幅Ｔｏｎに対する割合を、所定の割合Ｒに固定する。したがって、第３実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、振幅制御を行うので、各駆動信号Ｐ１〜Ｐ４のパルス幅Ｔｏｎを固定することができる。なお、各駆動信号Ｐ１〜Ｐ４の周波数を調整することで出力電流を制御する周波数制御を行う場合も、同様に、各駆動信号Ｐ１〜Ｐ４のパルス幅Ｔｏｎを固定することができる。

上記第１ないし第３実施形態においては、本発明に係る電源装置を溶接電源装置として用いた場合について説明したが、これに限られない。本発明は、その他の電源装置にも適用することができる。本発明は、出力電流の変動幅を低減して、出力電流を安定化させることに有効であり、特に、低出力に制御する必要がある電源装置において、出力を安定化させる場合に、より有効である。

本発明に係るインバータ制御回路、インバータ制御方法および電源装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係るインバータ制御回路、インバータ制御方法および電源装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

Ａ１，Ａ２，Ａ３ 溶接電源装置
１，１’ 直流電源
２ インバータ回路
２１，２２，２３，２４ スイッチング素子
３ 変圧器
３１ 一次側巻線
３２ 二次側巻線
４ 整流回路
４１，４２ 整流用ダイオード
４３ 直流リアクトル
５ 制御回路
５１ 出力電流設定部
５２ 減算部
５３ 重なり幅算出部
５３ａ ＰＩ制御部
５３ｂ ゲイン算出部
５３ｃ乗算部
５４，５４’，５４” 駆動信号生成部
５５ ＰＩ制御部
６ ドライブ回路
７ 電流センサ
Ｌ 負荷

Claims (11)

1. インバータ回路を制御する制御回路であって、
   前記インバータ回路の一方のアームに配置されているスイッチング素子に入力する先行駆動信号と、他方のアームに配置されているスイッチング素子に入力する追従駆動信号とを生成し、前記追従駆動信号の位相を、前記先行駆動信号の位相より遅らせて出力する駆動信号生成手段を備え、
   前記駆動信号生成手段は、前記先行駆動信号または前記追従駆動信号のパルス幅の所定の割合だけ、前記先行駆動信号のパルスと前記追従駆動信号のパルスとが重なるようにして出力する、
   ことを特徴とする制御回路。
2. 前記所定の割合は、０より大きく１／２より小さい、
   請求項１に記載の制御回路。
3. 前記所定の割合は、１／５である、
   請求項２に記載の制御回路。
4. 前記インバータ回路の出力電流に基づいて、前記先行駆動信号のパルスと前記追従駆動信号のパルスとの重なる部分の長さである重なり幅を算出する重なり幅算出手段をさらに備えており、
   前記駆動信号生成手段は、前記重なり幅を前記所定の割合で除算した時間を、前記先行駆動信号および前記追従駆動信号のパルス幅とする、
   請求項１ないし３のいずれかに記載の制御回路。
5. 前記重なり幅算出手段は、
   前記インバータ回路の出力を変圧して整流した後の電流を検出した電流信号と、前回算出した重なり幅とからゲインを算出し、
   前記電流信号と目標値との偏差より算出した補償値に、前記ゲインを乗算することで、重なり幅を算出する、
   請求項４に記載の制御回路。
6. 前記駆動信号生成手段は、前記インバータ回路の出力電流に基づいて、前記先行駆動信号および前記追従駆動信号のパルス幅を調整する、
   請求項１ないし３のいずれかに記載の制御回路。
7. 前記駆動信号生成手段は、前記インバータ回路の出力電流に基づいて、前記インバータ回路に入力する直流電圧を調整する、
   請求項１ないし３のいずれかに記載の制御回路。
8. 前記駆動信号生成手段は、前記インバータ回路の出力電流に基づいて、前記先行駆動信号および前記追従駆動信号の周波数を調整する、
   請求項１ないし３のいずれかに記載の制御回路。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載の制御回路と、
   前記インバータ回路と、
   を備えていることを特徴とする電源装置。
10. 溶接システムにおいて、溶接トーチに電力を供給する、
    請求項９に記載の電源装置。
11. インバータ回路を制御する制御方法であって、
    前記インバータ回路の出力電流に基づいて、先行駆動信号のパルスと追従駆動信号のパルスとの重なる部分の長さである重なり幅を算出する第１の工程と、
    前記重なり幅を所定の割合で除算することで、前記先行駆動信号および前記追従駆動信号のパルス幅を算出する第２の工程と、
    前記第２の工程で算出されたパルス幅に応じて、前記先行駆動信号および前記追従駆動信号を生成し、前記先行駆動信号を、前記インバータ回路の一方のアームに配置されているスイッチング素子に出力し、前記追従駆動信号を、他方のアームに配置されているスイッチング素子に出力する第３の工程と、
    を備えており、
    前記第３の工程においては、前記先行駆動信号のパルスと前記追従駆動信号のパルスとが前記重なり幅だけ重なるようにして、前記追従駆動信号の位相を、前記先行駆動信号の位相より遅らせて出力する、
    ことを特徴とする制御方法。