JP6781663B2 - 溶接用電源装置および溶接用電源装置の出力制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接用電源装置および溶接用電源装置の出力制御方法に関する。

アーク溶接装置等で用いられる電源装置として、商用電源（三相交流電源）を整流して直流電圧に変換する一次側変換回路と、複数のスイッチング素子を含み、一次変換回路から入力される直流電圧を高周波交流電圧に変換するインバータ回路と、インバータ回路から入力される高周波交流電圧をより低圧な交流電圧に変換する溶接トランスと、溶接トランスから入力される低圧な交流電圧を整流して直流電圧に変換し、溶接トーチおよび溶接対象に出力する二次側変換回路とを備え、溶接トーチの電極から溶接対象に流れる溶接電流の大きさを、インバータ回路のスイッチング制御によって調整するものが知られている（特許文献１参照）。また、特許文献１には、二次側変換回路の出力側に、溶接電流の変化を妨げるように逆起電力を発生することで、溶接電流およびアークプラズマを安定化させるリアクトルを設けることが記載されている。

特開２０１５−２２８７７３号公報

アーク溶接では、非常に大きな出力電流の目標値に対し、所望とする電流値を出力することが要求される。このため、アーク溶接装置等で用いられる電源装置では、数μＨ〜数十μＨ程度のリアクトルが設置されることが多い。リアクトルは、そのインダクタンスによって電流の変化を妨げるように逆起電力を発生する性質を有しており、この性質を利用して出力電流およびアークプラズマを安定化させている。このインダクタンス値は、使用する溶接ワイヤの材料やワイヤ径、あるいは溶接で使用する電流範囲などによって異なる。

また、溶接施工環境においては、電源装置を特定の場所に設置・固定し、アークを発生させる電極が搭載された溶接トーチを溶接施工箇所に移動させ、溶接装置と溶接トーチとの間は、溶接ケーブルによって結ばれる。この溶接ケーブルは、当然のことながら設置される施工環境によって長さは異なり、一般に数ｍから数十ｍに及ぶものが接続される。この長尺なケーブルもインダクタンス成分を有しているが、その大きさは、長さや配線経路によって大きく変化する。

これに対し、例えば電子リアクトル制御と呼ばれる技術が知られている。電子リアクトル制御とは、デジタルインバータ制御によって出力特性を任意に制御出来ることを利用し、あたかも適切なリアクトルが搭載されているかのような出力特性を再現するものである。

ところで、負荷のインダクタンス値が大きくなれば、その分、電流の変化を妨げ易くなるため、急峻な電流変化はしにくくなる。これを打開するためには、負荷のインダクタンス値を下げるか、インダクタンスと電流変化とによって発生する逆起電力を超える電圧を印加することが必要となる。前者は、例えば固定のリアクトルを除去することによってある程度は実現できるが、長尺なケーブルを接続しなければいけない場合、そのインダクタンス値は減じることは困難である。また、後者については、出力可能な最大電圧は、搭載されている変圧器の変圧比によって決まっている。変圧比を変えることによって対応することは可能であるが、一方で無負荷電圧が上昇することになるため、安全上好ましくない。

本発明は、無負荷電圧の上昇を抑制しつつ、出力電流の急峻な変化に対応することが可能な溶接用電源装置等を提供することを目的とする。

本発明の溶接用電源装置は、商用交流電源を整流して直流電圧を出力する一次整流回路と、前記一次整流回路から出力される直流電圧の大きさを変換する直流電圧変換回路と、前記直流電圧変換回路から出力される直流電圧を前記商用交流電源より周波数が高い交流電圧に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路から出力される交流電圧の大きさを変換する変圧器と、前記変圧器から出力される交流電圧を整流して直流電圧を出力する二次整流回路と、前記二次整流回路から溶接ワイヤを介して流れる溶接電流の大きさを検出する電流検出回路と、前記電流検出回路による前記溶接電流の検出値が当該溶接電流の目標値に近づくように前記インバータ回路を制御するとともに、当該目標値と当該検出値との差に応じて、出力する直流電圧の大きさを変更するように前記直流電圧変換回路を制御する制御回路とを有している。
また、他の観点から捉えると、本発明の溶接用電源装置は、商用交流電源を整流して直流電圧を出力する一次整流回路と、前記一次整流回路から出力される直流電圧の大きさを変換する直流電圧変換回路と、前記直流電圧変換回路から出力される直流電圧を前記商用交流電源より周波数が高い交流電圧に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路から出力される交流電圧の大きさを変換する変圧器と、前記変圧器から出力される交流電圧を整流して直流電圧を出力する二次整流回路と、前記二次整流回路から溶接ワイヤを介して流れる溶接電流の大きさを検出する電流検出回路と、前記電流検出回路による前記溶接電流の検出値が当該溶接電流の目標値に近づくように前記インバータ回路を制御するとともに、現制御周期の当該目標値と前制御周期の当該目標値との差に応じて、出力する直流電圧の大きさを変更するように前記直流電圧変換回路を制御する制御回路とを有している。
これらの溶接用電源装置において、前記制御回路は、前記直流電圧変換回路の電圧上昇後の電圧を一定値とすることを特徴とすることができる。
また、前記制御回路は、前記直流電圧変換回路の出力電圧を上昇する制御を行う際、１制御周期当たりの当該直流電圧変換回路の電圧上昇幅を一定値とすることを特徴とすることができる。
さらに、前記制御回路は、前記直流電圧変換回路の出力電圧を上昇する制御を行う際、１制御周期当たりの当該直流電圧変換回路の電圧上昇幅を可変とすることを特徴とすることができる。
また、他の観点から捉えると、本発明の溶接用電源装置の出力制御方法は、一次整流回路を用いて、商用交流電源を整流して直流電圧を出力し、直流電圧変換回路を用いて、前記一次整流回路から出力される直流電圧の大きさを変換し、インバータ回路を用いて、前記直流電圧変換回路から出力される直流電圧を前記商用交流電源より周波数が高い交流電圧に変換し、変圧器を用いて、前記インバータ回路から出力される交流電圧の大きさを変換し、二次整流回路を用いて、前記変圧器から出力される交流電圧を整流して直流電圧を出力し、電流検出回路を用いて、前記二次整流回路から溶接ワイヤを介して流れる溶接電流の大きさを検出し、前記電流検出回路による前記溶接電流の検出値が当該溶接電流の目標値に近づくように前記インバータ回路を制御するとともに、当該目標値と当該検出値との差に応じて、出力する直流電圧の大きさを変更するように前記直流電圧変換回路を制御することを特徴としている。
また、他の観点から捉えると、本発明の溶接用電源装置の出力制御方法は、一次整流回路を用いて、商用交流電源を整流して直流電圧を出力し、直流電圧変換回路を用いて、前記一次整流回路から出力される直流電圧の大きさを変換し、インバータ回路を用いて、前記直流電圧変換回路から出力される直流電圧を前記商用交流電源より周波数が高い交流電圧に変換し、変圧器を用いて、前記インバータ回路から出力される交流電圧の大きさを変換し、二次整流回路を用いて、前記変圧器から出力される交流電圧を整流して直流電圧を出力し、電流検出回路を用いて、前記二次整流回路から溶接ワイヤを介して流れる溶接電流の大きさを検出し、前記電流検出回路による前記溶接電流の検出値が当該溶接電流の目標値に近づくように前記インバータ回路を制御するとともに、現制御周期の当該目標値と前制御周期の当該目標値との差に応じて、出力する直流電圧の大きさを変更するように前記直流電圧変換回路を制御することを特徴としている。

本発明によれば、無負荷電圧の上昇を抑制しつつ、出力電流の急峻な変化に対応することが可能な溶接用電源装置等を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る溶接システムの概略構成を示す図である。 溶接システムにおける溶接電源装置の概略構成を示す図である。 制御回路の概略構成を示す図である。 実施の形態１の制御回路の動作を説明するためのフローチャートである。 （ａ）〜（ｃ）は、直流電圧変換装置の目標電圧補正値の設定手法を説明するための図である。 実施の形態２の制御回路の動作を説明するためのフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
＜実施の形態１＞
［溶接システムの構成］
図１は、本発明の実施の形態に係る溶接システム１の概略構成を示す図である。この溶接システム１は、消耗電極式（溶極式）のガスシールドアーク溶接法によって、被溶接物２００の溶接を行うものである。

この溶接システム１は、溶接ワイヤ１００を用いて被溶接物２００を溶接する溶接トーチ１０と、溶接トーチ１０を保持するとともに溶接トーチ１０の位置や姿勢を設定するロボットアーム２０とを備えている。また、溶接システム１は、溶接トーチ１０に溶接ワイヤ１００を送給するワイヤ送給装置３０と、溶接トーチ１０にシールドガス（例えば炭酸ガス）を供給するシールドガス供給装置４０とを備えている。さらに、溶接システム１は、溶接トーチ１０を介して溶接ワイヤ１００および被溶接物２００に直流の溶接電流の供給を行うとともに溶接電流を制御する溶接用電源装置５０と、ロボットアーム２０を制御するロボット制御装置６０とを備えている。なお、ここでは詳細な説明を行わないが、溶接用電源装置５０は、溶接電流の他に、溶接速度や溶接ワイヤ１００の送給速度等の制御も行っている。

［溶接用電源装置の構成］
図２は、溶接システム１における溶接用電源装置５０の概略構成を示す図である。ただし、図２は、溶接用電源装置５０のうち、溶接電流の供給および制御に関連する構成要素を示している。

溶接用電源装置５０は、商用交流電源５から供給されてくる三相交流電力に各種処理を施すことによって直流電力に変換し、溶接トーチ１０および被溶接物２００（図１参照）へと供給する。この間、溶接用電源装置５０では、各種電力変換を行うことにより、外部に出力する直流電力の電圧（直流電圧）および電流（直流電流）を調整する。そして、本実施の形態の溶接用電源装置５０は、一次整流回路５１と、直流電圧変換回路５２と、インバータ回路５３と、変圧器５４と、二次整流回路５５と、出力電流検出回路５６と、制御回路５７とを備えている。

（一次整流回路）
一次整流回路５１は、入力側が商用交流電源５に接続されており、出力側が直流電圧変換回路５２に接続されている。この一次整流回路５１は、商用交流電源５から入力されてくる三相交流電圧（例えば三相２００Ｖ：６０Ｈｚ）を、整流および平滑化することで直流電圧（例えば３００Ｖ）に変換する。この一次整流回路５１は、三相全波整流回路等で構成することができる。また、一次整流回路５１の出力側には、必要に応じて平滑コンデンサを並列に接続してもよい。

（直流電圧変換回路）
直流電圧変換回路５２は、入力側が一次整流回路５１に接続されており、出力側がインバータ回路５３に接続されている。この直流電圧変換回路５２は、一次整流回路５１から入力されてくる直流電圧を、より電圧値の高い直流電圧に変換する。ただし、この直流電圧変換回路５２は、一次整流回路５１から入力されてくる直流電圧を、必要に応じてそのまま（同じ電圧値のまま）出力することもできる。この直流電圧変換回路５２は、パワートランジスタ等のスイッチング素子を含む各種チョッパ回路や、さらに変圧器を含むＤＣ／ＤＣコンバータ等で構成することができる。

（インバータ回路）
インバータ回路５３は、入力側が直流電圧変換回路５２に接続されており、出力側が変圧器５４に接続されている。このインバータ回路５３は、直流電圧変換回路５２から入力されてくる直流電圧を、上記商用交流電源５よりも周波数の高い交流電圧に変換する。このインバータ回路５３は、パワートランジスタ等のスイッチング素子を含む各種インバータ等で構成することができる。また、本実施の形態のインバータ回路５３は、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によって動作する。

（変圧器）
変圧器５４は、入力側がインバータ回路５３に接続されており、出力側が二次整流回路５５に接続されている。そして、変圧器５４からみて入力側（図中左側）が一次側に、変圧器５４からみて出力側（図中右側）が二次側になっている。この変圧器５４は、インバータ回路５３から入力されてくる交流電圧（一次側電圧）を、より電圧値の低い交流電圧（二次側電圧）に変換する。この変圧器５４は、単相トランス等で構成することができる。

（二次整流回路）
二次整流回路５５は、入力側が変圧器５４に接続されており、出力側の正極は溶接トーチ１０（図１参照）に、出力側の負極は出力電流検出回路５６に、それぞれ接続されている。この二次整流回路５５は、変圧器５４から入力されてくる交流電圧を、整流および平滑化することで直流電圧に変換する。この二次整流回路５５は、変圧器５４における二次側のセンタータップ（図示せず）を利用する、センタータップ型全波整流回路等で構成することができる。また、二次整流回路５５の出力側の正極には、必要に応じて直流リアクトルを直列に接続してもよい。

（出力電流検出回路）
出力電流検出回路５６は、入力側が二次整流回路５５に接続されており、出力側が被溶接物２００（図１参照）に接続されている。この出力電流検出回路５６は、溶接トーチ１０から溶接ワイヤ１００およびアークを介して被溶接物２００に流れる、溶接電流（出力電流）の大きさである、検出値の一例としての出力電流値Ｉ_oを検出する。

（制御回路）
制御回路５７は、出力電流検出回路５６が検出した出力電流値Ｉ_oに基づき、直流電圧変換回路５２およびインバータ回路５３の動作を制御する。

［制御回路の構成］
図３は、制御回路５７の概略構成を示す図である。
この制御回路５７は、電流演算部５７１と、昇圧フラグ設定部５７２と、電圧決定部５７３と、制御指令値出力部５７４と、格納部５７５とを備えている。

（電流演算部）
電流演算部５７１は、出力電流検出回路５６から入力されてくる出力電流値Ｉ_oを用いて、出力電流の目標値の一例である出力電流目標値Ｉ_refに関する演算処理を行い、得られた演算結果を昇圧フラグ設定部５７２に出力する。

（昇圧フラグ設定部）
昇圧フラグ設定部５７２は、電流演算部５７１から入力されてくる演算結果に基づき、直流電圧変換回路５２の出力電圧（直流電圧）を昇圧させるか否かを判断するための基準となるフラグ（昇圧フラグと称する）の設定を行い、その結果を格納部５７５に書き込む。また、昇圧フラグ設定部５７２は、格納部５７５に書き込まれた昇圧フラグを読み出す。ここで、本実施の形態では、昇圧フラグとして、昇圧すべき場合には「ＯＮ（１）」が、昇圧すべきでない場合には「ＯＦＦ（０）」が、それぞれ設定されるようになっている。

（電圧決定部）
電圧決定部５７３は、昇圧フラグ設定部５７２から入力されてくる昇圧フラグの状態に基づき、直流電圧変換回路５２の出力電圧（直流電圧）の目標値である出力電圧目標値Ｖ_refを決定する。

（制御指令値出力部）
制御指令値出力部５７４は、電圧決定部５７３から入力されてくる出力電圧目標値Ｖ_refに基づき、直流電圧変換回路５２およびインバータ回路５３のそれぞれに対する制御指令値を作成するとともに、直流電圧変換回路５２とインバータ回路５３とに、それぞれの制御指令値を出力する。

（格納部）
格納部５７５は、電流演算部５７１および電圧決定部５７３で使用する各種パラメータや、各種演算結果等を格納する。また、格納部５７５は、昇圧フラグ設定部５７２が設定する昇圧フラグを格納する。

［制御回路の動作］
図４は、本実施の形態の制御回路５７の動作を説明するためのフローチャートである。
なお、初期状態において、二次整流回路５５の出力電流（直流電流）の目標値は、出力電流目標値Ｉ_refに設定されているものとする。また、初期状態において、直流電圧変換回路５２の出力電圧（直流電圧）の目標値である出力電圧目標値Ｖ_refは、初期出力電圧目標値Ｖ_tに設定されているものとする。ここで、初期出力電圧目標値Ｖ_tは、出力電流目標値Ｉ_refに基づいて決まる。なお、これら出力電流目標値Ｉ_refおよび初期出力電圧目標値Ｖ_tは、格納部５７５にパラメータとして格納されている。また、初期状態において、格納部５７５に格納される昇圧フラグは、「ＯＦＦ」に設定されているものとする。

溶接システム１において溶接が開始されると、電流演算部５７１は、出力電流検出回路５６から入力されてくる出力電流値Ｉ_oを読み込む（ステップ１０１）。続いて、電流演算部５７１は、格納部５７５から読み出した出力電流目標値Ｉ_refと、出力電流検出回路５６から入力されてきた出力電流値Ｉ_oとのずれである差分ΔＩ₁（＝Ｉ_ref−Ｉ_o）を算出する（ステップ１０２）。

次に、昇圧フラグ設定部５７２は、ステップ１０２で算出された差分ΔＩ₁が、予め定められた第２の閾値Ｉ_th2以上（ΔＩ₁≧Ｉ_th2）となっているか否かを判断する（ステップ１０３）。ここで、第２の閾値Ｉ_th2は、予め決められた数値であって、格納部５７５にパラメータとして格納されている。

ステップ１０３で肯定の判断（ＹＥＳ）を行った場合、すなわち、差分ΔＩ₁が第２の閾値Ｉ_th2以上であった場合、昇圧フラグ設定部５７２は、格納部５７５から昇圧フラグを読み出すととともに、読み出した昇圧フラグが「ＯＦＦ」であるか否かを判断する（ステップ１０４）。ステップ１０４で否定の判断（ＮＯ）を行った場合、すなわち、昇圧フラグが「ＯＮ」であった場合は、後述するステップ１０７へと進む。

一方、ステップ１０４で肯定の判断（ＹＥＳ）を行った場合、すなわち、昇圧フラグが「ＯＦＦ」であった場合、昇圧フラグ設定部５７２は、ステップ１０２で算出された差分ΔＩ₁が、予め定められた第１の閾値Ｉ_th1以上（ΔＩ₁≧Ｉ_th1）となっているか否かを判断する（ステップ１０５）。ここで、第１の閾値Ｉ_th1は、予め決められた数値であって、格納部５７５にパラメータとして格納されている。また、第１の閾値I_th1は、ステップ１０３で用いた第２の閾値I_th2よりも大（I_th1＞I_th2）となる関係を有している。ステップ１０５で否定の判断（ＮＯ）を行った場合、すなわち、差分ΔＩ₁が第１の閾値Ｉ_th1未満であった場合は、後述するステップ１０９へと進む。

これに対し、ステップ１０５で肯定の判断（ＹＥＳ）を行った場合、すなわち、差分ΔＩ₁が第１の閾値Ｉ_th1以上であった場合、昇圧フラグ設定部５７２は、昇圧フラグを「ＯＮ」に設定し（ステップ１０６）、格納部５７５に格納する。

また、ステップ１０４で否定の判断（ＮＯ）を行った場合、および、ステップ１０６において昇圧フラグを「ＯＮ」に設定した場合、換言すれば、昇圧フラグが「ＯＮ」となっている状態において、電圧決定部５７３は、直流電圧変換回路５２の出力電圧目標値Ｖ_refを、初期出力電圧目標値Ｖ_tと目標補正電圧値Ｖ_aとの和（Ｖ_ref＝Ｖ_t＋Ｖ_a）に設定する（ステップ１０７）。そして、後述するステップ１１０へと進む。なお、目標補正電圧値Ｖ_aは正の値をとるが、その決定手法については後述する。

一方、ステップ１０３において否定の判断（ＮＯ）を行った場合、すなわち、差分ΔＩ₁が第２の閾値Ｉ_th2未満であった場合、昇圧フラグ設定部５７２は、昇圧フラグを「ＯＦＦ」に設定し（ステップ１０８）、格納部５７５に格納する。

また、ステップ１０５で否定の判断（ＮＯ）を行った場合、すなわち、差分ΔＩ₁が第１の閾値Ｉ_th1未満であった場合、および、ステップ１０８で昇圧フラグを「ＯＦＦ」に設定した場合、換言すれば、昇圧フラグが「ＯＦＦ」となっている状態において、電圧決定部５７３は、直流電圧変換回路５２の出力電圧目標値Ｖ_refを、初期出力電圧目標値Ｖ_t（Ｖ_ref＝Ｖ_t）に設定する（ステップ１０９）。そして、後述するステップ１１０へと進む。

それから、制御指令値出力部５７４は、電圧決定部５７３から入力されてくる、ステップ１０７あるいはステップ１０９で決定された出力電圧目標値Ｖ_refに基づき、直流電圧変換回路５２用の制御指令値を作成し、直流電圧変換回路５２へ出力する（ステップ１１０）。このとき、制御指令値出力部５７４は、直流電圧変換回路５２の出力電圧が出力電圧目標値Ｖ_refとなるように、直流電圧変換回路５２用の制御指令値を作成する。なお、直流電圧変換回路５２用の制御指令値は、直流電圧変換回路５２を構成するスイッチング素子（ここではパワートランジスタ）をオン・オフ制御するためのデータ（デューティ比等）を含んでいる。

また、制御指令値出力部５７４は、上記出力電圧目標値Ｖ_refに基づき、インバータ回路５３用の制御指令値を作成し、インバータ回路５３へ出力する（ステップ１１１）。このとき、制御指令値出力部５７４は、ステップ１１０における直流電圧変換回路５２の出力電圧の調整に合わせて、インバータ回路５３用の制御指令値を作成する。なお、インバータ回路５３用の制御指令値は、インバータ回路５３を構成するスイッチング素子（ここではＩＧＢＴ）をオン・オフ制御するためのデータ（デューティ比等）を含んでいる。

そして、制御指令値出力部５７４は、上記出力電圧目標値Ｖ_refに基づいて出力電流目標値Ｉ_refを更新し（ステップ１１２）、格納部５７５に書き込む。

その後、溶接システム１における溶接が終了したか否かが判断され（ステップ１１３）、否定の判断（ＮＯ）を行った場合はステップ１０１へと戻って処理を続行し、肯定の判断（ＹＥＳ）を行った場合は一連の処理を完了する。なお、本実施の形態では、溶接システム１において溶接が行われている間、ステップ１０１からステップ１１３へと至る処理が、一定の周期で繰り返し実行される。本実施の形態では、ステップ１０１からステップ１１３へと至る処理にかかる時間を、制御周期Ｔと称する。

［目標電圧補正値の設定手法］
では、図４に示すステップ１０７で、直流電圧変換回路５２の出力電圧目標値Ｖ_refの算出に用いられる、目標電圧補正値Ｖ_aの設定手法について説明を行う。
図５は、直流電圧変換回路５２の目標電圧補正値Ｖ_aの設定手法を説明するための図である。ここで、図５（ａ）は第１の設定手法を説明するための図であり、図５（ｂ）は第２の設定手法を説明するための図であり、図５（ｃ）は第３の設定手法を説明するための図である。図５（ａ）〜（ｃ）のそれぞれにおいて、横軸は経過時間ｔであり、縦軸は出力電圧目標値Ｖ_refである。また、図５（ａ）〜（ｃ）のそれぞれの横軸には、制御周期Ｔを併せて示している（５周期分）。そして、図５（ａ）〜（ｃ）のそれぞれにおいて、最初の出力電圧目標値Ｖ_refの大きさは、初期出力電圧目標値Ｖ_tとなっている。

（第１の手法）
まず、第１の手法は、目標電圧補正値Ｖ_aの大きさを固定とするものである。この場合、ステップ１０７で決定される出力電圧目標値Ｖ_refの大きさ（＝Ｖ_t＋Ｖ_a）は、常に一定の値となる。例えば図５（ａ）に示す例では、１番目および４番目の制御周期Ｔにおける出力電圧目標値Ｖ_refが初期出力電圧目標値Ｖ_tとなっているのに対し、２番目、３番目および５番目の制御周期Ｔにおける出力電圧目標値Ｖ_refは、初期出力電圧目標値Ｖ_tと目標補正電圧値Ｖ_aとの和になっている。このように、第１の手法では、出力電圧目標値Ｖ_refが２値となる。

（第２の手法）
また、第２の手法は、目標電圧補正値Ｖ_aの大きさを可変とするが、１制御周期Ｔあたりの出力電圧目標値Ｖ_refの上昇幅を固定するものである。この場合、ステップ１０７で決定される出力電圧目標値Ｖ_refの大きさ（＝Ｖ_t＋Ｖ_a）は、変動し得ることになる。例えば図５（ｂ）に示す例では、１番目および５番目の制御周期Ｔにおける出力電圧目標値Ｖ_refが初期出力電圧目標値Ｖ_tとなっているのに対し、２番目〜４番目の制御周期Ｔにおける出力電圧目標値Ｖ_refは、初期出力電圧目標値Ｖ_tと目標補正電圧値Ｖ_aとの和になっている。ただし、上述した第１の手法とは異なり、１制御周期Ｔあたりの出力電圧目標値Ｖ_refの上昇幅が固定されていることから、１番目の制御周期Ｔと２番目の制御周期Ｔとの間での出力電圧目標値Ｖ_refの上昇幅と、２番目の制御周期Ｔと３番目の制御周期Ｔとの間での出力電圧目標値Ｖ_refの上昇幅と、３番目の制御周期Ｔと４番目の制御周期Ｔとの間での出力電圧目標値Ｖ_refの上昇幅とが同じになっている。このように、第２の手法では、出力電圧目標値Ｖ_refが多値となる。

（第３の手法）
さらに、第３の手法は、目標電圧補正値Ｖ_aの大きさを可変とし、１制御周期Ｔあたりの出力電圧目標値Ｖ_refの上昇幅も可変とするものである。この場合、ステップ１０７で決定される出力電圧目標値Ｖ_refの大きさ（＝Ｖ_t＋Ｖ_a）は、変動し得ることになる。例えば図５（ｃ）に示す例では、１番目および３番目の制御周期Ｔにおける出力電圧目標値Ｖ_refが初期出力電圧目標値Ｖ_tとなっているのに対し、２番目、４番目および５番目の制御周期Ｔにおける出力電圧目標値Ｖ_refは、初期出力電圧目標値Ｖ_tと目標補正電圧値Ｖ_aとの和になっている。ただし、上述した第２の手法とは異なり、１制御周期Ｔあたりの出力電圧目標値Ｖ_refの上昇幅が固定されていないことから、１番目の制御周期Ｔと２番目の制御周期Ｔとの間での出力電圧目標値Ｖ_refの上昇幅と、３番目の制御周期Ｔと４番目の制御周期Ｔとの間での出力電圧目標値Ｖ_refの上昇幅とが異なっている。このように、第３の手法では、出力電圧目標値Ｖ_refが多値となる。

（出力電圧目標値の上限）
図４に示すステップ１０７において、出力電圧目標値Ｖ_refを初期出力電圧目標値Ｖ_tと目標補正電圧値Ｖ_aとの和（Ｖ_ref＝Ｖ_t＋Ｖ_a）に設定する場合、出力電圧目標値Ｖ_refの大きさは、直流電圧変換回路５２およびインバータ回路５３を構成する各素子の耐圧を考慮して決定することが望ましい。出力電圧目標値Ｖ_refの大きさの目安としては、直流電圧変換回路５２およびインバータ回路５３のそれぞれに設けられるスイッチング素子の耐圧の７５％以下であって、それぞれに設けられるコンデンサの耐圧の９０％程度であることが望ましい。ただし、これらの数値に限定されるものではない。

［本実施の形態の効果］
直流電圧変換回路５２を有しない従来の電源装置では、インバータ回路５３の機能によって、被溶接物２００に実際に流れる出力電流値Ｉ_oの上限が定められていた。このため、出力電流値Ｉ_oが出力電流目標値Ｉ_refに対して不足する場合であっても、さらなる電流の供給が困難となることがあった。

これに対し、本実施の形態では、一次整流回路５１とインバータ回路５３との間に直流電圧変換回路５２を設け、インバータ回路５３における電流制御での限界値を超えて電圧を出力できるようにした。これにより、例えば、負荷のインダクタンス値が大きくとも、十分な応答性を持った電流変化を実現することができる。また、出力電流値Ｉ_oをある程度以上大きくしたいときにだけ直流電圧変換回路５２の出力電圧（直流電圧）を高くするようにしたので、溶接用電源装置５０における無負荷電圧の上昇を抑制することができる。

＜実施の形態２＞
実施の形態１では、実測した溶接用電源装置５０の出力電流値Ｉ_oに基づいて、直流電圧変換回路５２の出力電圧目標値Ｖ_refを決定していた。これに対し、本実施の形態では、制御周期Ｔ毎に定められる溶接用電源装置５０の出力電流目標値Ｉ_refに基づいて、直流電圧変換回路５２の出力電圧目標値Ｖ_refを決定するようにしたものである。なお、本実施の形態において、実施の形態１と同様のものについては、同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。

［制御回路の動作］
図６は、本実施の形態の制御回路５７の動作を説明するためのフローチャートである。
なお、初期状態において、二次整流回路５５の出力電流（直流電流）の目標値は、出力電流目標値Ｉ_refに設定されているものとする。ただし、本実施の形態では、現在（ｎ制御周期目とする）の出力電流目標値Ｉ_refである「今回の出力電流目標値Ｉ_ref(n)」と、現在の１制御周期前となるｎ−１制御周期目の出力電流目標値Ｉ_refである「前回の出力電流目標値Ｉ_ref(n-1)」とが存在し、格納部５７５にパラメータとして格納されているものとする。ここで、前者の「今回の出力電流目標値Ｉ_ref(n)」は、今回の目標値の一例であり後者の「前回の出力電流目標値Ｉ_ref(n-1)」は、前回の目標値の一例である。

溶接システム１において溶接が開始されると、電流演算部５７１は、格納部５７５から読み出した、今回の出力電流目標値Ｉ_ref(n)と前回の出力電流目標値Ｉ_ref(n-1)とのずれである差分ΔＩ₂（＝Ｉ_ref(n)−Ｉ_ref(n-1)）を算出する（ステップ２０１）。

次に、昇圧フラグ設定部５７２は、ステップ２０１で算出された差分ΔＩ₂が、予め定められた第４の閾値Ｉ_th4以上（ΔＩ₂≧Ｉ_th4）となっているか否かを判断する（ステップ２０２）。ここで、第４の閾値Ｉ_th4は、予め決められた数値であって、格納部５７５にパラメータとして格納されている。

ステップ２０２で肯定の判断（ＹＥＳ）を行った場合、すなわち、差分ΔＩ₂が第４の閾値Ｉ_th4以上であった場合、昇圧フラグ設定部５７２は、格納部５７５から昇圧フラグを読み出すととともに、読み出した昇圧フラグが「ＯＦＦ」であるか否かを判断する（ステップ２０３）。ステップ２０３で否定の判断（ＮＯ）を行った場合、すなわち、昇圧フラグが「ＯＮ」であった場合は、後述するステップ２０６へと進む。

一方、ステップ２０３で肯定の判断（ＹＥＳ）を行った場合、すなわち、昇圧フラグが「ＯＦＦ」であった場合、昇圧フラグ設定部５７２は、ステップ２０１で算出された差分ΔＩ₂が、予め定められた第３の閾値Ｉ_th3以上（ΔＩ₂≧Ｉ_th3）となっているか否かを判断する（ステップ２０４）。ここで、第３の閾値Ｉ_th3は、予め決められた数値であって、格納部５７５にパラメータとして格納されている。また、第３の閾値I_th3は、ステップ２０２で用いた第４の閾値I_th4よりも大（I_th3＞I_th4）となる関係を有している。ステップ２０４で否定の判断（ＮＯ）を行った場合、すなわち、差分Δ₂が第３の閾値Ｉ_th3未満であった場合は、後述するステップ２０８へと進む。

これに対し、ステップ２０４で肯定の判断（ＹＥＳ）を行った場合、すなわち、差分ΔＩ₂が第３の閾値Ｉ_th3以上であった場合、昇圧フラグ設定部５７２は、昇圧フラグを「ＯＮ」に設定し（ステップ２０５）、格納部５７５に格納する。

また、ステップ２０３で否定の判断（ＮＯ）を行った場合、および、ステップ２０５において昇圧フラグを「ＯＮ」に設定した場合、換言すれば、昇圧フラグが「ＯＮ」となっている状態において、電圧決定部５７３は、直流電圧変換回路５２の出力電圧目標値Ｖ_refを、初期出力電圧目標値Ｖ_tと目標補正電圧値Ｖ_bとの和（Ｖ_ref＝Ｖ_t＋Ｖ_b）に設定する（ステップ２０６）。そして、後述するステップ２０９へと進む。なお、目標補正電圧値Ｖ_bは正の値をとるが、その決定手法については後述する。

一方、ステップ２０２において否定の判断（ＮＯ）を行った場合、すなわち、差分ΔＩ₂が第４の閾値Ｉ_th4未満であった場合、昇圧フラグ設定部５７２は、昇圧フラグを「ＯＦＦ」に設定し（ステップ２０７）、格納部５７５に格納する。

また、ステップ２０４で否定の判断（ＮＯ）を行った場合、すなわち、差分ΔＩ₂が第３の閾値Ｉ_th3未満であった場合、および、ステップ２０７で昇圧フラグを「ＯＦＦ」に設定した場合、換言すれば、昇圧フラグが「ＯＦＦ」となっている状態において、電圧決定部５７３は、直流電圧変換回路５２の出力電圧目標値Ｖ_refを、初期出力電圧目標値Ｖ_t（Ｖ_ref＝Ｖ_t）に設定する（ステップ２０８）。そして、後述するステップ２０９へと進む。

それから、制御指令値出力部５７４は、電圧決定部５７３から入力されてくる、ステップ２０６あるいはステップ２０８で決定された出力電圧目標値Ｖ_refに基づき、直流電圧変換回路５２用の制御指令値を作成し、直流電圧変換回路５２へ出力する（ステップ２０９）。このとき、制御指令値出力部５７４は、直流電圧変換回路５２の出力電圧が出力電圧目標値Ｖ_refとなるように、直流電圧変換回路５２用の制御指令値を作成する。なお、直流電圧変換回路５２用の制御指令値は、直流電圧変換回路５２を構成するスイッチング素子（ここではパワートランジスタ）をオン・オフ制御するためのデータ（デューティ比等）を含んでいる。

また、制御指令値出力部５７４は、上記出力電圧目標値Ｖ_refに基づき、インバータ回路５３用の制御指令値を作成し、インバータ回路５３へ出力する（ステップ２１０）。このとき、制御指令値出力部５７４は、ステップ２０９における直流電圧変換回路５２の出力電圧の調整に合わせて、インバータ回路５３用の制御指令値を作成する。なお、インバータ回路５３用の制御指令値は、インバータ回路５３を構成するスイッチング素子（ここではＩＧＢＴ）をオン・オフ制御するためのデータ（デューティ比等）を含んでいる。

そして、制御指令値出力部５７４は、上記出力電圧目標値Ｖ_refに基づいて出力電流目標値Ｉ_refを更新し（ステップ２１１）、格納部５７５に書き込む。このとき、ステップ２０１で今回の出力電流目標値Ｉ_ref(n)として使用されたものが、前回の出力電流目標値Ｉ_ref(n-1)として更新され、新たに作成されたものが、今回の出力電流目標値Ｉ_ref(n)として更新される。

その後、溶接システム１における溶接が終了したか否かが判断され（ステップ２１２）、否定の判断（ＮＯ）を行った場合はステップ２０１へと戻って処理を続行し、肯定の判断（ＹＥＳ）を行った場合は一連の処理を完了する。なお、本実施の形態では、溶接システム１において溶接が行われている間、ステップ２０１からステップ２１２へと至る処理が、一定の周期で繰り返し実行される。本実施の形態では、ステップ２０１からステップ２１２へと至る処理にかかる時間が、制御周期Ｔとなる。

［目標電圧補正値の設定手法］
本実施の形態における目標電圧補正値Ｖ_bの設定手法は、基本的に、実施の形態１における目標電圧補正値Ｖ_aの設定手法と同じである。したがって、図５（ａ）〜（ｃ）に示した３つの手法（第１の手法〜第３の手法：ただし、図５に示す「Ｖ_a」を「Ｖ_b」に読み替えること）のいずれかを採用することが可能である。

［本実施の形態の効果］
実施の形態１では、被溶接物２００に実際に流れる出力電流値Ｉ_oに基づいて、直流電圧変換回路５２等の制御を行っていた。この場合、出力電流値Ｉ_oが不足する状態が発生しないと、出力電流値Ｉ_oを充足させるための制御は行えない。

これに対し、本実施の形態では、出力電流目標値Ｉ_refの履歴を用いて、予測制御を行うようにした。これにより、実際に出力電流値Ｉ_oの不足が検出されることを待つことなく、前もって、インバータ回路５３における電流制御での限界値を超えて電圧を出力することが可能になる。

１…溶接システム、５…商用交流電源、１０…溶接トーチ、２０…ロボットアーム、３０…ワイヤ送給装置、４０…シールドガス供給装置、５０…溶接用電源装置、５１…一次整流回路、５２…直流電圧変換回路、５３…インバータ回路、５４…変圧器、５５…二次整流回路、５６…出力電流検出回路、５７…制御回路、６０…ロボット制御装置、１００…溶接ワイヤ、２００…被溶接物

Claims (7)

1. 商用交流電源を整流して直流電圧を出力する一次整流回路と、
   前記一次整流回路から出力される直流電圧の大きさを変換する直流電圧変換回路と、
   前記直流電圧変換回路から出力される直流電圧を前記商用交流電源より周波数が高い交流電圧に変換するインバータ回路と、
   前記インバータ回路から出力される交流電圧の大きさを変換する変圧器と、
   前記変圧器から出力される交流電圧を整流して直流電圧を出力する二次整流回路と、
   前記二次整流回路から溶接ワイヤを介して流れる溶接電流の大きさを検出する電流検出回路と、
   前記電流検出回路による前記溶接電流の検出値が当該溶接電流の目標値に近づくように前記インバータ回路を制御するとともに、当該目標値と当該検出値との差に応じて、出力する直流電圧の大きさを変更するように前記直流電圧変換回路を制御する制御回路と
   を有する溶接用電源装置。
2. 商用交流電源を整流して直流電圧を出力する一次整流回路と、
   前記一次整流回路から出力される直流電圧の大きさを変換する直流電圧変換回路と、
   前記直流電圧変換回路から出力される直流電圧を前記商用交流電源より周波数が高い交流電圧に変換するインバータ回路と、
   前記インバータ回路から出力される交流電圧の大きさを変換する変圧器と、
   前記変圧器から出力される交流電圧を整流して直流電圧を出力する二次整流回路と、
   前記二次整流回路から溶接ワイヤを介して流れる溶接電流の大きさを検出する電流検出回路と、
   前記電流検出回路による前記溶接電流の検出値が当該溶接電流の目標値に近づくように前記インバータ回路を制御するとともに、現制御周期の当該目標値と前制御周期の当該目標値との差に応じて、出力する直流電圧の大きさを変更するように前記直流電圧変換回路を制御する制御回路と
   を有する溶接用電源装置。
3. 前記制御回路は、前記直流電圧変換回路の電圧上昇後の電圧を一定値とすることを特徴とする請求項１または２記載の溶接用電源装置。
4. 前記制御回路は、前記直流電圧変換回路の出力電圧を上昇する制御を行う際、１制御周期当たりの当該直流電圧変換回路の電圧上昇幅を一定値とすることを特徴とする請求項１または２記載の溶接用電源装置。
5. 前記制御回路は、前記直流電圧変換回路の出力電圧を上昇する制御を行う際、１制御周期当たりの当該直流電圧変換回路の電圧上昇幅を可変とすることを特徴とする請求項１または２記載の溶接用電源装置。
6. 一次整流回路を用いて、商用交流電源を整流して直流電圧を出力し、
   直流電圧変換回路を用いて、前記一次整流回路から出力される直流電圧の大きさを変換し、
   インバータ回路を用いて、前記直流電圧変換回路から出力される直流電圧を前記商用交流電源より周波数が高い交流電圧に変換し、
   変圧器を用いて、前記インバータ回路から出力される交流電圧の大きさを変換し、
   二次整流回路を用いて、前記変圧器から出力される交流電圧を整流して直流電圧を出力し、
   電流検出回路を用いて、前記二次整流回路から溶接ワイヤを介して流れる溶接電流の大きさを検出し、
   前記電流検出回路による前記溶接電流の検出値が当該溶接電流の目標値に近づくように前記インバータ回路を制御するとともに、当該目標値と当該検出値との差に応じて、出力する直流電圧の大きさを変更するように前記直流電圧変換回路を制御すること
   を特徴とする溶接用電源装置の出力制御方法。
7. 一次整流回路を用いて、商用交流電源を整流して直流電圧を出力し、
   直流電圧変換回路を用いて、前記一次整流回路から出力される直流電圧の大きさを変換し、
   インバータ回路を用いて、前記直流電圧変換回路から出力される直流電圧を前記商用交流電源より周波数が高い交流電圧に変換し、
   変圧器を用いて、前記インバータ回路から出力される交流電圧の大きさを変換し、
   二次整流回路を用いて、前記変圧器から出力される交流電圧を整流して直流電圧を出力し、
   電流検出回路を用いて、前記二次整流回路から溶接ワイヤを介して流れる溶接電流の大きさを検出し、
   前記電流検出回路による前記溶接電流の検出値が当該溶接電流の目標値に近づくように前記インバータ回路を制御するとともに、現制御周期の当該目標値と前制御周期の当該目標値との差に応じて、出力する直流電圧の大きさを変更するように前記直流電圧変換回路を制御すること
   を特徴とする溶接用電源装置の出力制御方法。

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