JP5871603B2 - 抵抗溶接機およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、直流を交流に変換し交流電流を出力するインバータを備えた抵抗溶接機、およびその制御方法に関する。

抵抗溶接機は、商用の三相電源に接続され、三相交流を直流に変換し、直流をさらに交流に変換して、被溶接物を溶接する。三相交流を直流に変換するために、全波整流回路と平滑回路が設けられ、直流を交流に変換するために、インバータが設けられる。インバータは、直流から任意の波形、任意の周波数の交流電流を出力することができる。

抵抗溶接機としては、たとえば特許文献１に、溶接に必要な交流電源周波数を被溶接物の板厚及び／又は材質、溶接速度等の溶接条件に応じて変化させる周波数切替え手段を有するものが開示されている。

特許文献１の抵抗溶接機によれば、交流電源の交流電流が整流回路で整流され、整流された直流電流が平滑回路で平滑な直流電流とされる。整流回路および平滑回路を経て得られた直流電流は、複数のスイッチング素子を備えたインバータで高周波変換されるとともに、所望の交流波形が再現される。交流波形の電流は溶接トランスで増幅されて、二次側の溶接電極へと供給される。このため、溶接に必要な電源周波数の三角波、正弦波又は矩形波、台形波等の交流波形の溶接電流が溶接電極に供給されて、被溶接物は加圧されながら溶接される。

特開２００１−１０５１５５号公報

ところで、特許文献１の抵抗溶接機によれば、インバータはＰＷＭ制御により三角波、正弦波又は矩形波、台形波等の交流波形を再現している。そしてＰＷＭ制御は、交流電流の瞬時電流値を基本目標電流値としている。

しかし、インバータの二次側には負荷が接続されるため、基本目標電流値に達するまでに負荷の時定数に依存する交流電流の立ち上がり遅れが生じ、目標とした交流波形が得られない。負荷の時定数の大きさは機器や被溶接物によって変動するため、交流電流の立ち上がり遅れは一定ではない。

また交流電流は、矩形波のように交流波形の立ち上がりが急峻なほど、基本目標電流値と実測実効電流値とに差異が生じて立ち上がり遅れが生じる。したがって、瞬時電流値からの電流補正を利点とするインバータの特徴が希薄となってしまう。

本発明は、上記の事情に鑑みて創案されたものであり、インバータが再現する交流波形の立ち上がり遅れによる不足分電流を補正電流として基本目標電流値に補償して、負荷に対して理想的な通電が可能な抵抗溶接機およびその制御方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するための抵抗溶接機は、インバータ、電流センサおよび制御部を有する。インバータは、直流を交流に変換し交流電流を出力する。電流センサは、インバータが出力する交流電流の電流値を検出する。

制御部は、上記電流センサが検出した電流値とあらかじめ設定した基本目標電流値とを用いて基本目標電流値に対する不足分電流を演算し、基本目標電流値を不足分電流で補償した補正目標電流値を演算し、補正目標電流値の電流を上記インバータから出力させる。

本発明に係る抵抗溶接機によれば、制御部は、電流センサが検出した電流値とあらかじめ設定した基本目標電流値とを用いて、基本目標電流値に対する不足分電流を演算する。さらに制御部は、基本目標電流値を不足分電流で補償した補正目標電流値を演算し、補正目標電流値の電流を上記インバータから出力させる。

これにより、インバータに接続された負荷の時定数に依存する交流電流の立ち上がり遅れを瞬時に補正することができ、負荷に対して理想的な通電が可能な抵抗溶接機を提供することができる。

本実施形態に係る抵抗溶接機のブロック図である。 本実施形態に係る抵抗溶接機のインバータを示す回路図である。 本実施形態の抵抗溶接機の制御方法を示すフローチャートである。 本実施形態の抵抗溶接機の制御方法による補正前の交流電流を示す説明図である。 本実施形態の抵抗溶接機の制御方法による補正後の交流電流を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本実施形態に係る抵抗溶接機を説明する。

図１は本実施形態に係る抵抗溶接機のブロック図である。図２は本実施形態に係る抵抗溶接機のインバータを示す回路図である。

本発明に係る抵抗溶接機は、制御部が、電流センサが検出した電流値とあらかじめ設定した基本目標電流値とを用いて、基本目標電流値に対する不足分電流を演算する。さらに制御部が、基本目標電流値を不足分電流で補償した補正目標電流値を演算する。制御部は、補正目標電流値の電流をインバータから出力させることにより、負荷に対して理想的な通電が可能な抵抗溶接機を提供できるようになる。

本実施形態の抵抗溶接機１００は、三相交流を整流して得た直流をインバータ４０で高周波変換し、ＰＷＭ制御にて矩形波や台形波等の交流波形を再現し、トランス８０を用いて負荷９０を溶接する装置である。

本実施形態の抵抗溶接機１００は、図１に示すように、整流回路２０、平滑回路３０、インバータ４０、電流センサ６０、制御部７０およびトランス８０を有する。

整流回路２０は、商用の三相交流電源１０に接続され、三相交流電流を直流電流に整流する回路である。整流回路２０は、たとえば、ダイオード等の整流素子によって構成されている。

商用の三相交流電流を直流電流に整流する整流回路２０としては、たとえば、整流素子３個で三相交流電源１０の全相を半波整流し、三相整流する三相半波整流回路が挙げられる。その他の整流回路２０としては、整流素子６個で三相交流電源１０の全相を全波整流する六相整流回路が挙げられるが、本実施形態では三相全波整流回路を用いる。

平滑回路３０は、上記整流回路２０の二次側に接続され、整流回路２０で整流化された交流電流の脈流を平滑化してより平滑な直流電流に近づける回路である。平滑回路３０としては、たとえば、一定の電圧値以上で充電し、一定の電圧値未満で放電する性質を有するコンデンサを利用した平滑回路が挙げられる。

インバータ４０は、上記平滑回路３０の二次側に接続され、平滑回路３０から入力される直流電流を高周波変換するとともに、ＰＷＭ制御にて直流電流から矩形波や台形波、三角波、正弦波等の交流波形を再現する電源回路である。インバータ４０には、あらかじめ交流電流の基本目標電流値が設定されおり、矩形波や台形波等の電流波形は基本目標電流値の経時的変化を表している。

インバータ４０は、図２に示すように、通電経路を切り替える複数のスイッチング素子５１−５４を備えている。本実施形態のインバータ４０は、スイッチング素子として、二対のＩＧＢＴ５１、５２と５３、５４を備えており、各対のＩＧＢＴ５１、５２と５３、５４をある一定周期ごとに交互にスイッチング制御して、通電経路を切り替えることにより矩形波や台形波等の交流波形を出力する。

スイッチング素子としては、たとえば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、ダイオード、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ Ｏｆｆ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ−Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等が挙げられる。

電流センサ６０は、インバータ４０の二次側であって後述するトランス８０の一次側（入力側）に接続され、インバータ４０とトランス８０との間に流れる交流電流の電流値を検出するセンサである。電流センサ５０としては、たとえば、ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）等の交流電流計測用のセンサが用いられる。

制御部７０は、電流センサ６０の二次側に接続され、電流センサ６０の検出した電流値に基づいて演算処理を行い、ＩＧＢＴ５１−５４の開閉タイミングおよび開閉時間を変化させてインバータ４０のオン／オフ比率を制御する装置である。

制御部７０は、電流センサ６０が検出した電流値とあらかじめ設定した基本目標電流値とを用いて、この基本目標電流値に対する不足分電流を演算する。さらに制御部７０は、基本目標電流値を不足分電流で補償した補正目標電流値を演算し、補正目標電流値の電流をインバータ４０から出力させる。

不足分電流は、交流電流の半サイクルにおいて、インバータ４０に接続された負荷の時定数に依存する交流電流の立上がり時の基本目標電流値に対する追従遅れによる不足分を補償するための電流である。

トランス８０は溶接用の大電流が出力できる溶接トランスであって、インバータ４０の二次側に接続され、インバータ４０から出力される交流電流の大きさを増幅して負荷９０へと供給する装置である。

次に、図３から図５を参照して、以上のように構成された本実施形態の抵抗溶接機１００の制御方法をその作用とともに説明する。図３は、本実施形態の抵抗溶接機の制御方法を示すフローチャートである。図４は、本実施形態の抵抗溶接機の制御方法による補正前の交流電流を示す説明図である。図５は、本実施形態の抵抗溶接機の制御方法による補正後の交流電流を示す説明図である。

抵抗溶接機１００の制御方法は、インバータ４０、電流センサ６０および制御部７０を備えた抵抗溶接機１００において、電流センサ６０が検出した電流値とあらかじめ設定した基本目標電流値とを用いて、制御部７０がインバータ４０の出力電流を制御する方法である。

抵抗溶接機１００の制御方法は、まず、電流センサ６０によって交流電流の電流値を検出する段階を含んでいる。具体的には、図３に示すように、本実施形態の抵抗溶接機１００の電源をオンして通電を開始すると、制御部７０が、インバータ４０で再現する交流波形の半サイクルについて通電を開始する（Ｓ１）。

通電を開始すると、図４に示すように、交流電流が立ち上がり、たとえば台形波の電流波形が負荷９０に供給される。インバータ４０には、あらかじめ矩形状の交流電流の基本目標電流値Ｐが設定されているが、負荷９０に実際に流れる電流は矩形波にはならない。図４の台形波は負荷９０に実際に流れる電流の経時的変化を表している。

上述したように、インバータ４０の二次側には負荷９０が接続されるため、基本目標電流値Ｐに達するまでに負荷９０の時定数に依存する交流電流の立ち上がり遅れが生じ、目標とした交流波形が得られない。負荷の時定数の大きさは、機器や被溶接物によって変動するため、交流電流の立ち上がり遅れは一定ではない。また交流電流は、矩形波のように交流波形の立ち上がりが急峻なほど、基本目標電流値Ｐと実測実効電流値とに差異が生じて立ち上がり遅れが生じる。なお、図４中のＴは立ち上がり遅れ時間である。

そこで、本実施形態の抵抗溶接機１００の制御方法では、制御部７０が、交流波形の立ち上がり中（Ｓ２／ＹＥＳ）において、電流センサ６０によって検出される電流値の実測実効値を累積処理し（Ｓ３）、交流電流の立ち上がり遅れの不足分電流を求める。すなわち、本実施形態の抵抗溶接機１００の制御方法は、電流センサ６で検出した電流値とインバータ４０にあらかじめ設定した基本目標電流値とを用いて、基本目標電流値に対する不足分電流を演算する段階を含んでいる。

具体的には、制御部７０は、交流波形の立ち上がりが完了すると（Ｓ２／ＮＯ）、累積した実測実効値電流から立ち上がり遅れの不足分電流（図４の斜線三角形の面積）を演算する（Ｓ４）。ここで、不足分電流＝目標実効値電流−実測実効値電流を時間積分した値である。

次に、本実施形態の抵抗溶接機１００の制御方法は、上記基本目標電流値を不足分電流で補償した補正目標電流値を演算する段階を含んでいる。すなわち制御部７０は、ステップ４で演算した不足分電流に基づいて、基本目標電流値を不足分電流で補償した補正目標電流値を演算し、図５に示すように、当該基本目標電流値Ｐを補正する（Ｓ５）。

制御部７０による補正目標電流値Ｒの演算は、インバータ４０により再現される矩形波または台形波等の電流波形の平坦部Ｆの波高値を不足分電流Ｕの大きさに応じて上昇させて行う。電流波形の平坦部Ｆの波高値を不足分電流Ｕに応じて上昇させる補正区間Ｓは、電流センサ６０が検出した電流値が基本目標電流値に達した後、基本目標電流値が立下がるまでの区間である。図５において、電流波形の平坦部Ｆの波高値の上昇幅Ｄの部分が、交流電流の立ち上がり遅れによる不足分電流Ｕに相当する。したがって、不足分電流Ｕ＝（Ｒ−Ｐ）×Ｓで表すことができる。

そして、本実施形態の抵抗溶接機１００の制御方法は、補正目標電流値の電流をインバータ７０から出力させる段階を含んでいる。すなわち制御部７０は、ピーク制御を続行し（Ｓ６）、補正目標電流値の電流をインバータ７０から出力させる。このピーク制御は、半サイクルの通流中（Ｓ７／ＮＯ）において行う。このように電流センサ６０が検出した電流値が基本目標電流値に達した後、基本目標電流値が立下がるまでの区間において、基本目標電流値に対して不足分電流を補償することにより、負荷９０に対して理想的な通電が可能となる。

以上の半サイクルが終了すると（Ｓ７／ＹＥＳ）、制御部７０は、次の半サイクルがあるか否かを判断する（Ｓ８）。次の半サイクルがある場合（Ｓ８／ＹＥＳ）はステップ１からの一連の処理を行い、次の半サイクルがない場合（Ｓ８／ＮＯ）は通電を終了する。

なお、図５に示すように、次の半サイクルでは、前の半サイクルの平坦部Ｆの波高値を過ぎた後次の半サイクルの平坦部Ｆの波高値に到達するまでの２つ分の傾斜区間Ｌの立ち上がり遅れについて不足分電流Ｕを演算し、次の半サイクルの基本目標電流値Ｐに対して補償することになる。

以上のように、本実施形態の抵抗溶接機１００では、制御部７０が、電流センサ６０が検出した電流値とインバータ４０にあらかじめ設定した基本目標電流値とを用いて、基本目標電流値に対する不足分電流を演算する。さらに制御部７０は、基本目標電流値を不足分電流で補償した補正目標電流値を演算し、補正目標電流値の電流をインバータ４０から出力させるピーク制御を行う。

したがって、本実施形態の抵抗溶接機１００およびその制御方法は、インバータ４０の二次側に接続された負荷９０の時定数に依存する交流電流の立ち上がり遅れを、半サイクルごとに補正することができ、負荷に対して当初予定していた熱量を生じさせるための理想的な通電が可能であるという有利な効果を奏する。また、本実施形態の抵抗溶接機１００およびその制御方法は、インバータ４０の二次側に接続される負荷９０の状況を考慮する必要がなくなり、幅広い機器や被溶接物に対応することが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、これらは本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態とは異なる種々の態様で実施することができる。

１０ 三相交流電源、
２０ 整流回路、
３０ 平滑回路、
４０ インバータ、
５０ スイッチング素子、
６０ 電流センサ、
７０ 制御部、
８０ トランス、
９０ 負荷、
１００ 抵抗溶接機、
Ｆ 半サイクルの平坦部。

Claims (5)

1. 直流を交流に変換し交流電流を出力するインバータと、
   前記インバータが出力する交流電流の電流値を検出する電流センサと、
   前記電流センサが検出した電流値とあらかじめ設定した基本目標電流値とを用いて前記基本目標電流値に対する不足分電流を演算し、前記基本目標電流値を前記不足分電流で補償した補正目標電流値を演算し、前記補正目標電流値の電流を前記インバータから出力させる制御部と、を有し、
   前記制御部が演算する前記不足分電流は、前記交流電流の半サイクルにおいて、前記インバータに接続された負荷の時定数に依存する前記交流電流の立上がり時の前記基本目標電流値に対する追従遅れによる不足分を補償するものであり、
   前記基本目標電流値の経時的変化を表す電流波形は矩形波または台形波であり、前記制御部による前記補正目標電流値の演算は、前記矩形波または台形波の平坦部の波高値を前記不足分電流の大きさに応じて上昇させるものであり、
   前記矩形波または台形波の平坦部の波高値を前記不足分電流に応じて上昇させる区間は、前記電流センサが検出した電流値が前記基本目標電流値に達した後、前記基本目標電流値が立下がるまでの区間であることを特徴とする抵抗溶接機。
2. 前記インバータは、通電経路を切り替える複数のスイッチング素子を備え、前記制御部は、前記スイッチング素子の開閉タイミング及び開閉時間を変化させることによって、前記補正目標電流値の電流を前記インバータから出力させることを特徴とする請求項１に記載の抵抗溶接機。
3. 前記インバータの入力側には、交流電源から出力される交流電流を直流電流に変換する整流回路が接続され、前記インバータの出力側には、前記インバータから出力される交流電流の大きさを変化させて前記負荷に供給するトランスが接続されることを特徴とする請求項１または２に記載の抵抗溶接機。
4. 前記電流センサは、前記インバータと前記トランスとの間に流れる交流電流の電流値を検出することを特徴とする請求項３に記載の抵抗溶接機。
5. 直流を交流に変換し交流電流を出力するインバータと、前記インバータが出力する交流電流の電流値を検出する電流センサとを備えた抵抗溶接機の制御方法であって、
   前記電流センサによって前記交流電流の電流値を検出する段階と、
   検出した電流値とあらかじめ設定した基本目標電流値とを用いて前記基本目標電流値に対する不足分電流を演算する段階と、
   前記基本目標電流値を前記不足分電流で補償した補正目標電流値を演算する段階と、
   前記補正目標電流値の電流を前記インバータから出力させる段階と、を含み、
   前記不足分電流は、前記交流電流の半サイクルにおいて、前記インバータに接続された負荷の時定数に依存する前記交流電流の立上がり時の前記基本目標電流値に対する追従遅れによる不足分を補償するものであり、
   前記基本目標電流値の経時的変化を表す電流波形は矩形波または台形波であり、前記補正目標電流値の演算は、前記矩形波または台形波の平坦部の波高値を前記不足分電流の大きさに応じて上昇させるものであり、
   前記矩形波または台形波の平坦部の波高値を前記不足分電流に応じて上昇させる区間は、前記電流センサが検出した電流値が前記基本目標電流値に達した後、前記基本目標電流値が立下がるまでの区間であることを特徴とする抵抗溶接機の制御方法。

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