JP4420537B2 - 抵抗溶接電源装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、抵抗溶接のための電源装置に係り、特に溶接エネルギーとなる電力を蓄積するコンデンサからスイッチング素子を介して制御された溶接電流を被溶接材に供給する方式の電源装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、この種の抵抗溶接電源装置では、スイッチング素子をスイッチング用のトランジスタで構成し、パルス幅変調(PWM)で該スイッチング・トランジスタをスイッチング制御するようにしている。
【0003】
PWM方式は、クロックによって規定される一定のスイッチング・サイクル毎に各サイクル内のアクティブレベル(たとえばHレベル)のパルス幅を可変制御する技術である。溶接電流を設定電流値に一致させるための定電流制御にPWM方式を用いることで、スイッチング・サイクル毎に設定電流値に対する溶接電流の偏差を補正するためのスイッチング制御を行うことができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなトランジスタ式抵抗溶接電源装置は、主に電子部品等の精密小型金属部材を被溶接材とする精密スポット溶接に多用されている。この種の精密スポット溶接では、非常に短い通電時間(たとえば10m秒以下)の中で被溶接材に所要の溶接エネルギーを過不足なく供給しなければならず、より精細かつ高速の定電流制御が望まれる。
【0005】
しかるに、PWM方式による従来のトランジスタ式抵抗溶接電源装置では、スイッチング・サイクルの周期をTc、スイッチング・サイクル毎にスイッチング・トランジスタに与える制御パルスのパルス幅をTwとすると、各スイッチング・サイクル毎にスイッチング制御が0<Tw<Tcの条件に拘束されるため、定電流制御での電流立ち上げ時や予期しない電流変動時に偏差または誤差を高速かつ精細に補正するのは難しかった。
【0006】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、精細かつ高速の定電流制御を実現し、抵抗溶接の加工品質を向上させる抵抗溶接電源装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の抵抗溶接制御装置は、被溶接材に加圧接触する一対の溶接電極間に溶接電流を流して前記被溶接材を抵抗溶接するための抵抗溶接電源装置において、抵抗溶接用の電気エネルギーを電荷として蓄えるコンデンサと、前記コンデンサと前記溶接電極との間に電気的に接続される通電用のスイッチング手段と、抵抗溶接の通電中に前記溶接電流を制御するために、所定時間置きのモニタ時点で前記溶接電流が前記設定電流値を下回っているときは、その時点から前記溶接電流が前記設定電流値を上回る時点まで前記スイッチング手段のオン状態を持続させて、前記溶接電流が前記設定電流値を上回った時はその時点で前記スイッチング手段をオン状態からオフ状態に切り換え、当該モニタ時点で前記溶接電流が前記設定電流値を上回っているときは次のモニタ時点まで前記スイッチング手段のオフ状態を持続させるように前記スイッチング手段を制御するスイッチング制御手段とを具備する構成とした。
【0008】
本発明の抵抗溶接電源装置では、典型的にはクロックで与えられる所定時間置きのモニタ時点で溶接電流が設定電流値を下回っているときは、クロックのサイクルに影響されることなくその時点から溶接電流が設定電流値を上回る時点までスイッチング素子を持続的にオン状態に保持し、溶接電流が設定電流値を上回った時はその時点でスイッチング手段をオン状態からオフ状態に切り換える。そして、当該モニタ時点で溶接電流が設定電流値を上回っているときは、次のモニタ時点までスイッチング素子を持続的にオフ状態に保持する。このようなスイッチング制御により、スイッチング素子がクロックのサイクルに拘束されない不定(非サイクル式)のタイミングでオン・オフし、それによって設定電流値に対する溶接電流の偏差または誤差が最短時間で補正され(零に近づけられ)され、高速かつ精細な定電流制御が実現される。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
【0010】
図1に、本発明の一実施形態による抵抗溶接電源装置の構成を示す。この抵抗溶接電源装置は、抵抗溶接用のエネルギーを電荷として蓄える大容量コンデンサ10と、このコンデンサ10を所定の電圧まで充電する充電回路12と、コンデンサ10と一対の溶接電極14,16との間に電気的に接続されたスイッチング素子Qと、溶接通電中にこのスイッチング素子Qを駆動回路18を介してスイッチング動作させて溶接電流Iを制御する制御部20とを有している。溶接電極14,16は加圧機構(図示せず)に結合されており、溶接中は被溶接材(W1,W2)に加圧接触するようになっている。
【0011】
この実施形態におけるスイッチング素子Qは、1個または並列接続された複数個のスイッチング用トランジスタたとえばFET(電界効果トランジスタ)TR1〜TRnで構成されている。スイッチング素子Qの電流入側の端子はコンデンサ10の正極側電極に接続され、電流出側の端子は溶接電極14に接続されている。また、スイッチング素子Qの電流出側の端子とコンデンサ10の負極側電極との間にフライホイール・ダイオードDが接続されている。
【0012】
制御部20は、マイクロプロセッサ(CPU)または専用ロジック回路等で構成され、所定のプログラムまたは手順にしたがって通電シーケンス制御、定電流制御、コンデンサ充電制御等の各部の制御を行う。制御部20には、たとえばキーボード等を含む入力部22より各種設定値が入力されるとともに、クロック回路24よりスイッチング制御用のたとえば250kHzのクロック信号CKが与えられる。
【0013】
また、定電流制御において溶接電流Iを測定ないしフィードバックするために、フライホイール・ダイオードDと溶接電極14,16との間の導体に電流センサたとえばトロイダルコイル26が取り付けられ、この電流センサ26の出力信号に基づいて電流測定回路28が溶接電流Iの電流測定値(瞬時値)MIをアナログ信号でリアルタイムに制御部20に与えるようになっている。制御部20は、電流測定回路28からの電流測定値に基づいて後述するような非サイクル型の制御パルスCSを生成し、この制御パルスCSにより駆動回路18を介してスイッチング素子Qをスイッチング(オン・オフ)制御するようになっている。なお、電流測定回路28よりディジタルの電流測定値MIをクロック信号CKよりも大きなクロックレートで制御部20に与える構成も可能である。
【0014】
充電回路12には、交流電源ライン30より商用周波数の単相交流電源電圧Eが降圧トランス32を介して入力される。充電回路12は、トランス32からの単相交流電圧を整流して直流電圧に変換する単相整流回路で構成してよく、コンデンサ10の充電電圧をより精細または可変に制御するために、該整流回路の出力端子とコンデンサ10との間に充電用のスイッチング回路を設ける構成としてもよい。さらに、充電制御のために、コンデンサ10の充電電圧を測定する電圧測定手段(図示せず)等を設けてもよい。
【0015】
図2に本実施形態の制御部20による通電制御の手順を示し、図3に本実施形態における主要な各部の信号または電流の波形を示す。なお、図3には比較例としてPWM方式による制御パルスの波形および溶接電流の波形(I’)も示している。
【0016】
制御部20は、たとえばワーク搬送系の外部装置(図示せず)よりスタート信号STを入力すると、加圧機構を作動させて被溶接材(W1,W2)に溶接電極14,16を所定の加圧力で加圧接触させたうえで、溶接通電を実行する。
【0017】
先ず、通電制御系の各部を初期化し(ステップA1)、溶接通電条件の各種設定値(通電時間Tg、溶接電流値Is等)をそれぞれ所定のレジスタにセットする。この時点では、スイッチング素子Qをオフ状態に保持しておく。
【0018】
次に、クロックCKが入ると(ステップA2)、その立ち上がりエッジに応動し、その時点で電流測定回路28より取り込んだ溶接電流Iの測定値MIを電流設定値Isと比較する(ステップA4)。
【0019】
この比較で、電流測定値MIが電流設定値Isよりも小さいとき(MI<Is)は、制御パルスCSをアクティブレベルたとえばHレベルにする(ステップA5)。制御パルスCSがHレベルになると、スイッチング素子Qがオン状態となり、コンデンサ10の正極電極→スイッチング素子Q→溶接電極14、被溶接材(W1,W2)→溶接電極16→コンデンサ10の負極電極の経路または回路で直流の溶接電流Iが流れる。この溶接電流Iは、コンデンサ10の放電に基づくものであり、過渡的には時間の経過とともに増大する。
【0020】
制御部20は、上記のようにして制御パルスCSをHレベルにすると、クロックCKのサイクルを無視して電流測定回路28からの溶接電流測定値MIをモニタし続け(ステップA6→A3→A4→A5→A6)、溶接電流測定値MIが電流設定値Isを越えた時点で制御パルスCSをLレベルに戻す(ステップA4→A7)。したがって、通電開始直後は、図3に示すように、溶接電流Iが設定電流値Isを越えるまでほぼ一直線に立ち上がる。この電流立ち上げ中に、制御パルスCSはクロックCKのサイクルによって影響を受けることなく(中断することなく)Hレベルを持続する。制御部20は、溶接電流Iの立ち上げを終えて制御パルスCSをLレベルに戻したなら、その直後に入ってくるクロックCKの立ち上がりを待つ(ステップA8→A2)。
【0021】
制御パルスCSがLレベルになると、スイッチング素子Qがオフし、コンデンサ10の放電が止まる。そうすると、溶接電極14、被溶接材(W1,W2)→溶接電極16→フライホイール・ダイオードD→溶接電極14の回路で溶接電流Iが流れ続ける。もっとも、この回路で流れる溶接電流Iは、負荷側回路のインダクタンスに基づく還流電流であるため、時間の経過とともに減少する。
【0022】
制御パルスCSをLレベルにした状態で次のクロックCKが入ると、制御部20はそのクロックCKの立ち上がりエッジのタイミングでその時の溶接電流Iを設定電流値Isと比較する(ステップA4)。
【0023】
この比較で、電流測定値MIが電流設定値Isを上回っている場合(MI>Is)は、制御パルスCSをLレベルに維持し(ステップA7)、そのまま次のクロックCKが入るのを待つ(ステップA8→A2)。したがって、少なくとも当該クロックサイクルの期間中は溶接電流Iはほぼ単調に減少し続けることになる。
【0024】
しかし、電流測定値MIが電流設定値Isを下回っている場合(MI<Is)は、上記と同様に制御パルスCSをHレベルに立ち上げる(ステップA5)。これにより、当該クロックサイクルではクロックCKの立ち上がりエッジのタイミングでスイッチング素子Qがオンし、溶接電流Iが増大に転じる。制御部20は、クロックCKのサイクルを無視して制御パルスCSをHレベルに保持したまま(それによってスイッチング素子Qをオンにしたまま)溶接電流Iの増大を継続させ(ステップA6→A3→A4→A5→A6)、溶接電流Iが設定電流値Isを越えた時点で制御パルスCSをLレベルに戻してスイッチング素子Qをオフさせる(ステップA4→A7)。そして、次のクロックCKが入ってくるのを待つ(ステップA8→A2)。
【0025】
このように、本実施形態における定電流制御では、クロックCKの立ち上がりエッジの時点で溶接電流Iが設定電流値Isを下回っているときは、クロックCKのサイクルに影響されることなくその時点から溶接電流Iが設定電流値Isを上回る時点までスイッチング素子Qに対する制御パルスCSをアクティブなHレベルに保持し、クロックCKの立ち上がりエッジの時点で溶接電流Iが設定電流値Isを上回っているときは次のクロックCKの立ち上がりエッジの時点まで制御パルスCSを非アクティブなLレベルに保持する。
【0026】
図3に示すように、本実施形態における制御パルスCSは、上記のようなスイッチング制御によって生成されるため、クロックCKのサイクルに拘束されない不定のタイミングで立ち上がり立ち下がる。しかし、そのような非サイクル型の制御パルスCSであるがために、設定電流値Isに対する溶接電流Iの偏差または誤差に適確に対応することが可能であり、PWM方式よりも高速かつ精細な定電流制御を行うことができる。特に、通電開始直後や被溶接材(W1,W2)の急激なインピーダンス変動等により偏差が大きくなっている時に、偏差を直線的に、つまり最短時間でほぼ零に補正できるため、精密スポット溶接等において短い通電時間の中でも安定確実な定電流制御を可能とし、良好な溶接仕上がりを保証することができる。
【0027】
図4に、別の実施形態による抵抗溶接電源装置の構成を示す。図中、上記した第1実施形態の電源装置(図1)の構成要素と実質的に同一の構成または機能を有する部分には同一の符号を附してある。
【0028】
この実施形態の抵抗溶接電源装置は、コンデンサ10と溶接電極14,16との間に4つのスイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4を図4に示すように接続し、溶接通電中にこれらのスイッチング素子Q1〜Q4を選択的にスイッチング動作させて溶接電流Iを極性切換可能に制御するようにしている。スイッチング素子Q1〜Q4の各々は、1個または並列接続された複数個のスイッチング・トランジスタたとえばFET(TR1〜TRn)で構成されてよい。
【0029】
第1スイッチング素子Q1は、一方の端子が溶接電極14に電気的に接続され、他方の端子がコンデンサ10の正極側端子に電気的に接続されている。第2スイッチング素子Q2は、一方の端子が溶接電極16に電気的に接続され、他方の端子がコンデンサ10の負極側端子に電気的に接続されている。第3スイッチング素子Q3は、一方の端子が溶接電極16に電気的に接続され、他方の端子がコンデンサ10の正極側端子に電気的に接続されている。第4スイッチング素子Q4は、一方の端子が溶接電極14に電気的に接続され、他方の端子がコンデンサ10の負極側端子に電気的に接続されている。各スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4には、これと並列に通電の極性を逆向きにしてダイオードD1,D2,D3,D4が接続されている。
【0030】
これら第1〜第4スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4は、駆動回路18を介して与えられる制御部20からの第1〜第4制御パルスCS1 ,CS2,CS3,CS4によりそれぞれ独立的にスイッチング(オン・オフ)制御される。
【0031】
被溶接材(W1,W2)に対して溶接電流Iを正方向に流す正極性の通電モードでは、制御部20が、第3および第4スイッチング素子Q3,Q4をオフ状態に保持したまま、第1および第2スイッチング素子Q1,Q2を所定のタイミングでオン・オフ制御する。
【0032】
たとえば、図5および図6に示すように、正極性通電モードの期間中は、第3および第4スイッチング素子Q3,Q4をオフ状態に、第2スイッチング素子Q2をオン状態に保持したまま、第1スイッチング素子Q1をオン・オフ制御してよい。この場合、制御部20は、第1スイッチング素子Q1に与える制御パルスCP1を上記実施形態と同様(図2)の制御手順で生成してよい。
【0033】
被溶接材(W1,W2)に対して溶接電流Iを負方向に流す負極性の通電モードでは、第1および第2スイッチング素子Q1,Q2をオフ状態に保持したまま、第3および第4スイッチング素子Q3,Q4を所定のタイミングでオン・オフ制御する。
【0034】
たとえば、図7および図8に示すように、負極性通電モードの期間中は、第1および第2スイッチング素子Q1,Q2をオフ状態に、第4スイッチング素子Q4をオン状態に保持したまま、第3スイッチング素子Q3をオン・オフ制御してよい。この場合でも、制御部20は、第3スイッチング素子Q3に与える制御パルスCP3を上記実施形態と同様(図2)の制御手順で生成してよい。
【0035】
この実施形態の電源装置は、たとえば2点同時接合型の抵抗溶接(シリーズ溶接)に用いて好適であり、上記した第1実施形態の電源装置と同様に高速・精細・安定確実な定電流制御を可能とし、良好な溶接仕上がりを保証することができる。また、効率の良いスイッチングにより素子の長寿命化を図れる。
【0036】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の抵抗溶接電源装置によれば、精細かつ高速の定電流制御を実現し、抵抗溶接の加工品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態による抵抗溶接電源装置の構成を示す回路図である。
【図2】実施形態における通電制御の手順を示すフローチャート図である。
【図3】実施形態における主要な各部の電流または信号の波形を示す波形図である。
【図4】本発明の別の実施形態による抵抗溶接電源装置の構成を示す回路図である。
【図5】実施形態の電源装置において一スイッチング状態で溶接電流の流れる通電回路を示す回路図である。
【図6】実施形態の電源装置において一スイッチング状態で溶接電流の流れる通電回路を示す回路図である。
【図7】実施形態の電源装置において一スイッチング状態で溶接電流の流れる通電回路を示す回路図である。
【図8】実施形態の電源装置において一スイッチング状態で溶接電流の流れる通電回路を示す回路図である。
【符号の説明】
10 コンデンサ
12 充電回路
14,16 溶接電極
18 駆動回路
20 制御部
22 入力部
24 クロック回路
26 電流センサ
28 電流測定回路
W1,W2 被溶接材
Claims (3)
- 被溶接材に加圧接触する一対の溶接電極間に溶接電流を流して前記被溶接材を抵抗溶接するための抵抗溶接電源装置において、
抵抗溶接用の電気エネルギーを電荷として蓄えるコンデンサと、
前記コンデンサと前記溶接電極との間に電気的に接続される通電用のスイッチング手段と、
抵抗溶接の通電中に前記溶接電流を制御するために、所定時間置きのモニタ時点で前記溶接電流が前記設定電流値を下回っているときは、その時点から前記溶接電流が前記設定電流値を上回る時点まで前記スイッチング手段のオン状態を持続させて、前記溶接電流が前記設定電流値を上回った時はその時点で前記スイッチング手段をオン状態からオフ状態に切り換え、当該モニタ時点で前記溶接電流が前記設定電流値を上回っているときは次のモニタ時点まで前記スイッチング手段のオフ状態を持続させるように前記スイッチング手段を制御するスイッチング制御手段と
を具備することを特徴とする抵抗溶接電源装置。 - 前記スイッチング制御手段が、前記溶接電流の瞬時値を測定する電流測定手段を含むことを特徴とする請求項1に記載の抵抗溶接電源装置。
- 前記スイッチング制御手段が、前記モニタ時点を与えるクロック信号を生成するクロック回路を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の抵抗溶接電源装置。
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