JP4420537B2 - 抵抗溶接電源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【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)

1. 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。
2. 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。
3. 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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