(57)【要約】【課題】　高速応答でアークを制御できる溶接方法および溶接装置を提供する。【解決手段】　溶接の方法および装置において、その出力は、好ましくは周期的ＣＶ　ＭＩＧ出力で、その各サイクルが複数のセグメントに分割される。出力パラメータは１つ以上の上記のセグメントの内部で複数回サンプリングされる。上記のＣＶ出力は少なくとも１つの上記のセグメントの内部で上記のサンプリングに応答して制御される。上記のパラメータは、多様な実施例において出力電力、負荷の抵抗、出力電流、出力電圧、またはそれらの関数である。制御ループは、好ましくはＰＩループまたはＰＩＤループである。このループは、ウィンドウ内部でだけ加えることができる。設定点は指令しても固定してもよい。このシステムは、制御されたアーク長を有する溶接に使用することができる。【選択図】　　　図３
2004130390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　溶接電源を制御する方法であって、
　電圧を有する周期的ＣＶ出力を提供することと、
　各サイクルを少なくとも２つのセグメントに分割することと、
　出力パラメータを少なくとも１つの前記セグメントの内部で複数回サンプリングを行うことと、
　前記ＣＶ出力を、前記少なくとも１つのセグメントの内部で実行された前記サンプリングに応答して前記少なくとも１つのセグメントの内部で制御することと、
を含むことを特徴とする溶接電源を制御する方法。
【請求項２】
　更に、前記パラメータを少なくとも第２の前記セグメントの内部で複数回サンプリングを行うことと、
　前記少なくとも第２のセグメントの内部で実行された前記サンプリングに応答して前記ＣＶ出力を前記少なくとも第２のセグメントの内部で制御することと、
を含む、請求項１に記載の溶接電源を制御する方法。
【請求項３】
　更に、前記パラメータを各前記セグメントの内部で複数回サンプリングを行うことと、
　各前記セグメントの内部で実行された前記サンプリングに応答して前記ＣＶ出力を前記セグメントの各々の内部で制御することと、
を含む、請求項１に記載の溶接電源を制御する方法。
【請求項４】
　前記パラメータのサンプリングは出力電力をサンプリングすることを含む、請求項２に記載の溶接電源を制御する方法。
【請求項５】
　前記パラメータのサンプリングは負荷の抵抗をサンプリングすることを含む、請求項２に記載の溶接電源を制御する方法。
【請求項６】
　前記パラメータのサンプリングは出力電圧をサンプリングすることを含む、請求項２に記載の溶接電源を制御する方法。
【請求項７】
　更に、前記のサンプリングされた電圧を所望電圧と比較することと、
　該比較によって誤差を求め、該誤差に応じて制御することと、
を含む、請求項６に記載の溶接電源を制御する方法。
【請求項８】
　更に、前記誤差にゲインを与えることを含み、ここで、前記ゲインは前記サンプリングの行われるセグメントに依存することを含む、請求項７に記載の溶接電源を制御する方法。
【請求項９】
　前記所望電圧は複数のデータポイントで教えられる、請求項８に記載の溶接電源を制御する方法。
【請求項１０】
　前記所望電圧は決まった一組のデータポイントからのものである、請求項８に記載の溶接電源を制御する方法。
【請求項１１】
　更に、ＰＩ制御スキームを適用することを含む、請求項８に記載の溶接電源を制御する方法。
【請求項１２】
　更に、ＰＩＤ制御スキームを適用することを含む、請求項８に記載の溶接電源を制御する方法。
【請求項１３】
　前記ＣＶ出力の制御は出力電流を変更することを含む、請求項６に記載の溶接電源を制御する方法。
【請求項１４】
　更に、最小出力電流を提供することを含む、請求項１３に記載の溶接電源を制御する方法。
【請求項１５】
　前記ＣＶ出力を制御することは出力電圧を変更することを含む、請求項６に記載の溶接電源を制御する方法。
【請求項１６】
　前記サンプリングに応答して制御することは各前記セグメントの内部のウィンドウにおいて実行され、ここで、該ウィンドウは各前記セグメントの始まりと終わりの少なくとも一方にまで延びていない、請求項２に記載の溶接電源を制御する方法。
【請求項１７】
　前記出力は少なくとも部分的に各前記ウィンドウの外側でＣＣ出力になるように制御される、請求項１６に記載の溶接電源を制御する方法。
【請求項１８】
　アーク長を所望のアーク長になるように制御するために使用される、請求項１に記載の溶接電源を制御する方法。
【請求項１９】
　前記ＣＶ出力はパルス化された出力である、請求項１に記載の溶接電源を制御する方法。
【請求項２０】
　前記ＣＶ出力はＣＭＴ出力である、請求項１に記載の溶接電源を制御する方法。
【請求項２１】
　前記ＣＶ出力はＡＣ　ＭＩＧ出力である、請求項１に記載の溶接電源を制御する方法。
【請求項２２】
　溶接電源であって、
　電圧を有する周期的ＣＶ出力を有するＣＶ電源と、
　前記ＣＶ電源を制御する手段であって、各サイクルを少なくとも２つのセグメントに分割する手段と、出力パラメータを少なくとも１つの前記セグメントの内部で複数回サンプリングを行う手段と、前記ＣＶ出力を、前記の少なくとも１つのセグメントの内部で、前記１つのセグメントで所与のセグメントの内部で実行された前記サンプリングに応答して、制御する手段と、を含むことを特徴とする溶接電源。
【請求項２３】
　前記サンプリングを行う手段は、パラメータを少なくとも第２の前記セグメントの内部で複数回サンプリングを行う手段と、前記の少なくとも第２のセグメントの内部で実行された前記サンプリングに応答して前記ＣＶ出力を前記少なくとも第２のセグメントの内部で制御する手段と、を含む、請求項２２に記載の溶接電源。
【請求項２４】
　前記サンプリングを行う手段は、前記パラメータを前記セグメントの各々の内部で複数回サンプリングを行う手段を含み、前記のＣＶ出力を制御する手段は、各前記セグメントの内部で実行された前記サンプリングに応答して前記ＣＶ出力を各前記セグメントの内部で制御する手段を含む、請求項２３に記載の溶接電源。
【請求項２５】
　前記パラメータは出力電力、負荷の抵抗および出力電圧のうちの少なくとも１つである、請求項２２に記載の溶接電源。
【請求項２６】
　更に、サンプリングされた電圧を所望電圧と比較し、該比較によって誤差を求める手段を含み、ここで、前記制御する手段は前記誤差に応じる、請求項２４に記載の溶接電源。
【請求項２７】
　更に、前記誤差にゲインを加える手段を含み、ここで、前記ゲインが前記サンプリングが行われるセグメントに依存する、請求項２６に記載の溶接電源。
【請求項２８】
　更に、前記所望電圧を複数のデータポイントで教えることによって設定する手段を含む、請求項２７に記載の溶接電源。
【請求項２９】
　前記のＣＶ出力を制御する手段は、所望の出力電圧が得られるように出力電流を変える手段を含む、請求項２２に記載の溶接電源。
【請求項３０】
　更に、最小出力電流を提供する手段を含む、請求項２９に記載の溶接電源。
【請求項３１】
　前記制御する手段は、前記少なくとも１つのセグメントの始まりと終わりの少なくとも一方からでないサンプリングに対してのみ応答する手段を含む、請求項２４に記載の溶接電源。
【請求項３２】
　更に前記少なくとも１つのセグメントの始まりと終わりでＣＣ出力を提供する手段を含む、請求項３１に記載の溶接電源。
【請求項３３】
　溶接電力を提供するシステムであって、
　ＣＶ出力を有する溶接電源であって、前記出力は、出力電圧を有し、各々のサイクルが少なくとも２つのセグメントを有する一連のサイクルであるＣＶ出力を有する溶接電源と、
　前記出力に接続されて、出力パラメータフィードバック信号を有するフィードバックモジュールと、
　サンプリングモジュールを含み、前記フィードバックモジュールに接続されて、前記サンプリングモジュールに応答する出力制御信号を出力するコントローラと、
を含むことを特徴とする溶接電力を提供するシステム。
【請求項３４】
　前記フィードバック信号は出力電力を示す、請求項３３に記載の溶接電力を提供するシステム。
【請求項３５】
　前記フィードバック信号は負荷の抵抗を示す、請求項３３に記載の溶接電力を提供するシステム。
【請求項３６】
　前記フィードバック信号は出力電圧を示す、請求項３３に記載の溶接電力を提供するシステム。
【請求項３７】
　前記コントローラは更に、前記サンプリングモジュールに接続されて、所望電圧入力を有するエラーモジュールを含み、ここで、前記出力制御信号は前記エラーモジュールに応答する、請求項３３に記載の溶接電力を提供するシステム。
【請求項３８】
　更に、前記エラーモジュールに接続されたゲインモジュールを含み、ここで、前記出力制御信号は前記ゲインモジュールに応答する、請求項３７に記載の溶接電力を提供するシステム。
【請求項３９】
　更に、所望電圧ティーチングモジュールを含み、ここで前記所望電圧の入力が教えられた複数のデータポイントに応答する、請求項３８に記載の溶接電力を提供するシステム。
【請求項４０】
　前記所望電圧の入力は決まった一組のデータポイントからである、請求項３８に記載の溶接電力を提供するシステム。
【請求項４１】
　前記コントローラはＰＩコントローラである、請求項３７に記載の溶接電力を提供するシステム。
【請求項４２】
　前記コントローラはＰＩＤコントローラである、請求項３７に記載の溶接電力を提供するシステム。
【請求項４３】
　前記出力制御信号は出力電流制御信号である、請求項３３に記載の溶接電力を提供するシステム。
【請求項４４】
　更に、最小出力電流モジュールを含む、請求項３３に記載の溶接電力を提供するシステム。
【請求項４５】
　前記出力制御信号は出力電圧制御信号である、請求項３３に記載の溶接電力を提供するシステム。
【請求項４６】
　前記コントローラは更にウィンドウモジュールを含み、ここで、前記のサンプリングに応答する制御は各前記セグメントの内部のウィンドウにおいて実行され、ここで、前記出力制御信号は更に前記ウィンドウモジュールに応答する、請求項３３に記載の溶接電力を提供するシステム。
【請求項４７】
　前記コントローラは更にＣＣ制御モジュールを含み、前記出力制御信号は、前記ウィンドウモジュールの状態に応じて、ＣＣ制御モジュールと前記サンプリングモジュールの一方または両方に応答する、請求項４６に記載の溶接電力を提供するシステム。
【請求項４８】
　前記コントローラはアーク長コントローラである、請求項４５に記載の溶接電力を提供するシステム。
【請求項４９】
　前記電源はパルス式電源である、請求項４５に記載の溶接電力を提供するシステム。
【請求項５０】
　前記電源がＣＭＴ電源である、請求項４５に記載の溶接電力を提供するシステム。
【請求項５１】
　前記電源がＡＣ　ＭＩＧ電源である、請求項４５に記載の溶接電力を提供するシステム。
【請求項５２】
　更に、前記の少なくとも１つのセグメントの時間に関連して第２のセグメントの時間を調整することによってアーク長を調整することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５３】
　更に、前記の少なくとも１つのセグメントの時間に関連して第２のセグメントの時間を調整することによってアーク長を調整する手段を含む、請求項２２に記載の溶接電源。
【請求項５４】
　更に、前記出力電流を前記最小出力電流より大きく増大させるようにアークパラメータを変更することを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項５５】
　更に、前記電流を前記最小出力電流より大きく増大させるようにアークパラメータを変更する手段を含む、請求項３０に記載の溶接電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、一般に溶接電源の技術に関する。より具体的には、これは、ＣＶ制御を有する溶接システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
　多種多様の溶接プロセスに使用される溶接システムには、多くのタイプのものが知られている。ここで使用されるような溶接システム、すなわち溶接用のシステムには、電源、コントローラ、ワイヤフィーダおよびガス供給源のうちの１つ以上が含まれ、また、ロボットなどの周辺機器も含まれる場合がある。ここで使用されるような溶接電源には、電力回路、制御回路およびこれらに関連する他の補助回路を含む、溶接電力、プラズマ切断電力および（または）誘導加熱電力を供給することができる何らかの装置が含まれる。
【０００３】
　溶接システムの１つには、ＣＣ溶接電源（CC welding power source）を含むタイプのものがある。ここで使用されるようなＣＣ溶接電源とは、出力電流が監視され、所望の電流を供給するように出力（ＣＣ出力）が調整される電流制御式電源（current controlled power source）のことである。電流は、溶接プロセスの間一定であってもよいし、所望の波形を有する変化する電流であってもよい。
【０００４】
　溶接システムにはまた、ＣＶ電源を含む別のタイプのものがある。ここで使用されるようなＣＶ溶接電源とは、出力電圧が監視され、所望の電圧を供給するように出力（ＣＶ出力）が調整される電圧制御式電源（voltage controlled power source）のことである。電圧は、溶接プロセスの間一定であってもよいし、所望の波形を有する変化する電圧であってもよい。ＣＶ溶接電源には、電流コマンドを使用して、監視された電圧に応じて電流を調整し、それによって、負荷を通る電流の変化によってアーク電圧を調整するものがある。
【０００５】
　周知の溶接プロセスの１つが、パルス式ＭＩＧプロセスである。パルス式ＭＩＧプロセスは、一般に、少なくとも、相対的に高い電流のピークセグメント（peak segment）と相対的に低い電流のバックグラウンドセグメント（background segment）とを有する周期的な出力を有する。一般に、各セグメントの間アーク長を一定に維持し、プロセスを一貫した状態に保つようにするのが望ましい。残念なことに、プロセスの間に、トーチ角（torch angle）および（または）加工材までの距離が溶接機によって不意に変えられてしまうことがある。その場合、アーク長に望ましくない変化が生じる結果となる。
【０００６】
　一般に、アーク（負荷）電圧は与えられた溶接電流に対するアーク長と関連するので、先行技術の制御スキームは、ＣＶ制御を使ってアーク長を制御しようとしていた。そうすることにより、与えられた電流に対して電圧を一定に保つことにより、一定のアーク長を維持する。先行技術のパルス式ＭＩＧプロセス用のＣＶコントローラは、ほとんどが、少なくとも１サイクルにわたってアーク電圧の平均を取り、その平均に応じて次のサイクルに対する出力を調整するものである。この平均は、複数のサイクルにわたって取られることも、１サイクル全体で取られることも、バックグラウンドセグメントだけで取られることも、また、ピークセグメントだけで取られることもあった。上記の平均を少なくとも１サイクルにわたって取る場合、出力（およびアーク長）は、少なくともその次のパルスサイクルまで変えられない。
【０００７】
　１サイクル以上にわたって平均を取ることは、相対的に遅い応答の制御スキームとなることになる。遅い応答は、よりしっかりしたアークとする（これは溶接パドル（puddle）のより良い制御を提供する）か、ショート（short）やスパッタ（spatter）の爆発的除去（これは溶接の質に悪影響を及ぼす）かの選択を強いることであった。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６，３２９，６３６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
　従って、パルス式ＭＩＧプロセスのためには、早い応答でアークを制御するようにし、結果的に望ましくないショートの除去にならない制御スキームが必要となる。このような制御スキームは、ＣＭＴ（controlled metal transfer or short circuit：制御された溶滴移行あるいは短絡回路）またはＡＣ　ＭＩＧのような他のプロセスに使用できるのが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
　本発明の第１の態様により溶接電源を制御する方法は、周期的なＣＶ出力を提供することと、その各サイクルを少なくとも２つのセグメントに分割することを含む。出力パラメータは少なくとも１つのセグメントの内部で複数回サンプリングされる。ＣＶ出力は少なくとも１つのセグメントの内部で上記のサンプリングに応答して制御される。
【００１１】
　本発明の第２の態様により溶接電力を提供するシステムは、溶接電源、フィードバックモジュールおよびコントローラを含む。電源は出力電圧のＣＶ出力を有し、これは、各々が少なくとも２つのセグメントを有する一連のサイクルである。フィードバックモジュールは上記の出力に接続されており、コントローラにフィードバックを提供する。コントローラは、このフィードバックを受け取るサンプリングモジュールと、このサンプリングモジュールに応答する出力制御信号を有する。
【００１２】
　別の実施例においては、パラメータは少なくとも第２のセグメントまたは各々のセグメントの内部で複数回サンプリングされ、このサンプリングに応答して、ＣＶ出力が第２のセグメントまたは各々のセグメントの内部で制御される。
　パラメータのサンプリングは、多様な実施例において出力電力、負荷抵抗、出力電流、出力電圧またはそれらの関数のサンプリングを含む。
【００１３】
　別の実施例においては、サンプリングされた電圧を所望電圧と比較して誤差を求め、この誤差に応じて電圧を制御する。多様な実施例において上記の誤差にゲインを、好ましくは、サンプリングが行われるセグメントに依存したゲインを加え、そして（あるいは）ＰＩ制御ループまたはＰＩＤ制御ループを加える。
【００１４】
　他の実施例においては、所望電圧は複数のデータポイントで教えられるか、または、決まった一組のデータポイントから取り出される。
　出力は、幾つかの別の実施例においては出力電流、出力電圧または出力電力を変えることによって制御される。別の代替実施例においては最小出力電流が提供される。
　サンプリングは、セグメント内部のウィンドウにおいて行われ、このウィンドウは、一実施例においては各セグメントの始まりまたは終わりにまでは延びない。出力は、少なくとも部分的にはウィンドウの外側でＣＣ出力（CC output）になるように制御されることができる。
　アーク長は、一実施例においては所望の長さになるように制御される。
　出力は、多様な実施例においてパルス式ＭＩＧ出力、ＣＭＴ出力、およびＡＣ　ＭＩＧ出力である。
【００１５】
　別の実施例においては、コントローラは、サンプリングモジュールに接続されたエラーモジュールを含み、所望電圧入力を有する。コントローラは、上記のエラーモジュールに接続されたゲインモジュールを有し、そして（あるいは）、追加の実施例においてはＰＩまたはＰＩＤ制御モジュールを有する。他の実施例においては所望電圧ティーチングモジュール（desired voltage teaching module）または、決まった一組のデータポイントが所望電圧入力を提供する。
【００１６】
　別の実施例においては、コントローラは、上記のサンプリングモジュールに接続されたウィンドウモジュールを含み、各セグメントの内部のウィンドウにおいてサンプリングに応じて制御することが行われる。システムコントローラは更に、ＣＣ制御モジュールを含み、また、ウィンドウモジュールの状態に応じて、ＣＣ制御モジュールとサンプリングモジュールの一方または両方に応答する出力制御モジュールを含む。
　別の実施例においては、コントローラはアーク長コントローラである。
　本発明の他の主な特徴および利点は、以下の図面、詳細な説明および特許請求の範囲の請求項を見れば、当業者には明らかとなろう。
【００１７】
　本発明の少なくとも１つの実施例を詳細に説明する前に理解しておかなければならないのは、本発明は、その適用が、以下の説明の中で述べられる、あるいは図面の中で描かれたコンポーネントの構造および配置の詳細に限定されないということである。本発明は、他の実施例で、あるいは多様な方法で実行または実施されることができる。また、ここで使用される術語および用語は、説明を目的とするものであり、限定するものと見なすべきではないということも理解すべきである。参照番号については、類似のコンポーネントを表すのに同じ番号を使用する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
　本発明は、特定のコンポーネントを有し、特定の処理のために使用される溶接電力を提供するための特定のシステムに関して図で説明されるが、本発明はまた他の溶接システム、溶接プロセス、コンポーネント、コントローラ等をもって実現することもできることを、最初に理解すべきである。
【００１９】
　概して、本発明は、非常に高速な制御のために、出力波形の各セグメントの内部で出力電圧（あるいはアーク電圧）をサンプリングし、そのサンプリングと所望電圧とに応答して出力を調整することによってパルス式ＣＶ　ＭＩＧ溶接などの溶接プロセスを制御することを提供する。出力は、各サンプルに応じて、または複数のサンプルに応じて調整されるが、この調整は、この１つまたは複数のサンプルが採取されるサイクルの中で行われる。
【００２０】
　好ましくは、制御スキームは、各セグメントにゲインを提供し、（所望電圧の）教えられた、またはプリセットされた多数のデータポイントを各セグメントの内部で提供する。多様な実施例において、積分項は現在のサイクルおよび（または）過去のサイクルにわたって引き継がれる。コントローラは、制御ループに誤差を提供し、好適実施例においてはＰＩ制御ループかまたはＰＩＤ制御ループを備える。制御は、所望の電圧を多数のポイントで教えられ、１サイクルの中でそのサイクルの出力に基づいて出力を変える点でアダプティブであることが好ましい。
【００２１】
　本発明はまた、他のプロセス、特に、安定したアーク長の利益が得られるＣＭＴやＡＣ　ＭＩＧのような多セグメントプロセス（multi-segment process）をもって実現してもよい。
　制御が、アーク長に関連した出力電圧フィードバックに基づいているので、本発明は、アーク長一定のプロセスを実行するのに容易に使用される。
【００２２】
　今、図１について説明すると、本発明による溶接電力１００を提供するシステムは、電源１０２およびワイヤフィーダ１０６を含み、これらが溶接アーク１０８を発生させるようにコントローラ１０４によって制御される。上記の各種コンポーネントは別々または共通のハウジングの中に配置してあってよく、また２つ以上のハウジングの中にあってよい（コントローラ１０４の一部が１つのハウジングを電源１０２と共有する一方、残りの部分が１つのハウジングをワイヤフィーダ１０６と共有することができる）。
【００２３】
　ここで使用されるようなコントローラは、ディジタル回路およびアナログ回路、ディスクリート回路または集積回路、ＤＳＰ、マイクロプロセッサなど、およびソフトウェア、ハードウェアおよびファームウェアが1つ以上のボードの上に設けられており、電源などの装置を制御するのに使用される。好適実施例では、電源１０２は、米国特許第６，３２９，６３６号に述べられたようなミラーネットワーク化電源（Miller networked power source）であり、ワイヤフィーダ１０６はミラーネットワーク化ワイヤフィーダである。コントローラ１０４は、本実施例においては市販のコンポーネントである。
【００２４】
　好ましくは、溶接電力１００を提供するシステムはＣＶ　ＭＩＧ電源であり、ＣＶ　ＭＩＧ出力を提供する。好適実施例の電源１０２は電流コマンドを有し、これに応じて出力電流、好ましくはパルス化された出力を提供する（従って、パルス式電源である）。この電源は、出力電圧をフィードバックし、出力電圧に所望の変化が生じるように出力電流を調整することによってＣＶモードで運転される。ここで使用されるようなＣＶ出力は、ＣＶ溶接に使用することができる制御された電圧を有する出力である。ここで使用されるようなＣＶ電源は、一定か、または変化する波形に従う所望出力電圧を提供する電源を含む。
【００２５】
　代替的な実施例では、溶接電力１００を提供するシステムはＣＭＴ電源またはＡＣ　ＭＩＧ電源であり、ＣＭＴ出力またはＡＣ　ＭＩＧ出力を提供する。ここで使用されるようなＣＭＴ出力は、ＣＭＴ溶接に使用することができる出力である。ここで使用されるようなＡＣ　ＭＩＧ出力は、ＡＣ　ＭＩＧ溶接に使用することができる出力である。ここで使用されるようなＣＭＴ電源は、ＣＭＴ出力を提供する電源を含む。ここで使用されるようなＡＣ　ＭＩＧ電源は、ＡＣ　ＭＩＧ出力を提供する電源である。他の代替的な実施例は、サンプリングされる出力パラメータは電流、電力、負荷抵抗またはアーク長であることを提供する。
【００２６】
　コントローラ１０４は、少なくともピークセグメントとバックグラウンドセグメントを有する周期的ＣＶ出力を提供するように電源１０２を制御する。今図２を参照すると、本発明に従って溶接電力を提供するシステムからの周期的ＣＶ出力の一例が示されており、ここで、グラフ２０２が電圧波形であり、グラフ２０８が電流波形である。セグメント２０４はバックグラウンドセグメントで、セグメント２０６はピークセグメントである。ここで使用されるような周期的溶接出力は、一連のサイクルとして特徴づけることができる溶接出力を含み、ここで、各サイクルは同じであっても、類似であっても、あるいは異なってもよい。ここで使用されるようなセグメントは、１つの溶接サイクルの一部を含む。
【００２７】
　コントローラ１０４はＣＶコントローラで、各サイクルにおいて出力電圧を多数回（好適実施例では約１００μｓごと、すなわちサイクル当たり約１００００回）サンプリングする。サンプリングは、バックグラウンドセグメント中とピークセグメント中の両方の間に行われる。各サイクルは、各種実施例において３つ以上のセグメントを有し、サンプリングは、セグメントの全部またはその一部において行われる。ここで使用されるようなサンプリングは、電圧、電流、アーク長、電力または負荷抵抗のような出力パラメータに応答するアナログ信号または離散的信号をフィードバックすることを含む。
【００２８】
　出力電圧フィードバックサンプルは、好適実施例においては各々、所望の出力電圧と比較される（他の実施例においては１サイクル内の多数のサンプルの平均を取って比較することができる）。この差あるいは誤差は、ＰＩ制御ループまたはＰＩＤ制御ループのような制御ループにおいて使用される。制御ループのゲインは、好適実施例においてはセグメントごとに異なる。従って、あるサンプルに対するゲインは、そのサンプルが採取されるセグメントに依存する。代替的実施例では、セグメント内部で同じゲインを与えたり、あるいは異なるゲインを与えたりする。
【００２９】
　制御ループの出力は、好適実施例においては電源１０２の出力電流を制御するのに使用される。出力電流を変えると、出力電圧に変化が生じ、従って、アーク長に変化が生じることになる。
【００３０】
　図２は、より静かなアークを提供するセグメント間の移行領域（transition）のコーナーの丸み付け（rounding）を示す。丸みを付けたコーナーは、移行領域付近でＣＣ出力を得るためにＣＣ制御（または部分的ＣＣ制御）スキームを使うことによって、また、移行領域から離れたウィンドウ（１セグメントの１サブセグメント）で前記のＣＶ制御スキームを使用することによって提供される。ＣＣ制御、ＣＶ制御、またはそれらの組み合わせが、各種実施例においてピークセグメントとバックグラウンドセグメントの間のランプ（ramp）のために使用される。
【００３１】
　コーナーの丸み付けは、別に、二次ループインダクタンス（secondary loop inductance）に対するイミュニティ（immunity）の増大という利益をもたらす。ＣＣランプモード（CC ramp mode）では、各ランプ部の開始時と停止時に電流変化率（ＤＩ／ＤＴ）に急激な変化があり得るけれども、電流に大きな急激な変化を誘導性システムで達成させることは難しい。電圧を維持し、コーナーに丸みを付けることにより、電流の変化はさほど厳しくなくなる。
【００３２】
　ここで使用されるようなＣＶ制御は、所望の出力電圧を一定にか、または変化する波形に従って提供するように電源を制御することを含む。ここで使用されるようなＣＣ制御は、所望の出力電流を一定にか、または変化する波形に従って提供するように電源を制御することを含む。ここで使用されるようなＣＣ出力は、ＣＣ溶接に使用することができる制御された電流を有する出力である。
　制御ループは、サンプルが採取されたセグメントの内部でその与えられたサンプルに応じて出力を変える。これを与えられたセグメントの内部のプロセス制御と呼ぶ。
【００３３】
　図２の波形は、各々、ウィンドウ内部のＣＶ制御とウィンドウの外側のＣＣ制御を有する２つのセグメントに分割される。この２つのセグメントがピークセグメントとバックグラウンドセグメントである。波形は、各々ゲインを持つ追加のセグメントに分割することもできよう。ウィンドウはセグメントの始まりまたは終わりにまでは延びてはおらず、好適実施例では、ウィンドウはセグメントの９０〜９５％をカバーし、ウィンドウの外側の部分はどちらの端も等しい。ここで使用されるような、各セグメントの始まりまたは終わりにまで延びていないことは、必ずしも、そのセグメントの始まりまたは終わりに０．５％分の延びていない部分があることとは限らない。一実施例では、ウィンドウがセグメントの始まりと終わりの一方にまで延びているが、他方には延びていない。
【００３４】
　好適実施例では、コントローラ１０４は、種々のワイヤ供給速度に対する所望電圧（これの電圧からサンプリングされた電圧との関連で誤差が導き出される）が教えられ、その値は教えられたポイントとポイントの間で内挿される。言い換えれば、ユーザが、波形のダウンロード、ティーチングモードの入力、データ入力などにより、特定の波形に対する所望電圧を設定する。他の実施例では、所望のデータポイントがプリセットされる。所望電圧の各々をデータポイントと呼ぶ。
【００３５】
　コントローラ１０４はまた、フィードバックループに関係なく最小出力電流を提供するように電源１０２に指令して、それで、アークが消えないようにする、すなわち、スプレー閾値（spray threshold）を下回らないようにする。上記の最小出力電流に達すると、他のパラメータは、電流をその最小値から遠ざけるように制御され、従って、一実施例では、ＣＶループがそのプロセスの制御に使用できるようになる。
【００３６】
　図３を参照すると、ここにはコントローラ１０４のブロック図が示されており、これには、フィードバックモジュールあるいはサンプリングモジュール３０２、所望電圧ティーチングモジュール（または固定データセット）３０４、エラーモジュール３０６、ゲインモジュール３０８、ＰＩモジュール３１０（または、代替実施例におけるＰＩＤモジュール）、最小電流モジュール３１２、ＣＣ制御モジュール３１４、ウィンドウモジュール３１６、および電流コマンドモジュール３１８が含まれ、これらは、電流コマンド信号を電源１０２に提供するように協働する。ここで使用されるようなモジュールは、1つ以上のタスクを実行するように協働するソフトウェアおよび（または）ハードウェアを含み、また、ディジタルコマンド、制御回路、電力回路、ネットワーキング・ハードウェア（networking hardware）などを含むことができる。
【００３７】
　コントローラ１０４は、ライン３０３上のフィードバック信号を受け取り、これをサンプリングモジュール３０２に提供する。このフィードバック信号は、好適実施例においては出力電圧を示すものであるが、上に述べたように他のパラメータであってもよい。出力電圧（または他の出力パラメータ）は、出力スタッド（output stud）、電源、ワイヤフィーダ、アーク、または、負荷電圧を示す他の場所で測定することができる。フィードバック信号はまた、導関数、積分、冪、対数、積、差など、またはそれらの組み合わせのようなフィードバックパラメータの関数であってもよい。サンプリングモジュール３０２はフィードバック信号をサンプリングする、すなわち、それは離散的なフィードバックサンプルを受け取ることができる。コントローラ１０４はディジタルコントローラで、好適実施例においてはソフトウェアで実施され、サンプリングモジュール３０２はＡ／Ｄ変換器を含む。これは、他の実施例においてはハードウェア（ディジタル型またはアナログ型）で実施される。
【００３８】
　サンプリングされた出力パラメータを示す信号は、サンプリングモジュール３０２からエラーモジュール３０６に提供される。セットポイントモジュールあるいは所望電圧ティーチングモジュール３０４からの所望電圧もエラーモジュール３０６に提供され、エラーモジュール３０６がそれらの差を求める。セットポイントモジュール３０４は、好適実施例においてはルックアップテーブルであり、エラーモジュール３０６は、好適実施例においてはディジタル的に実施される。所望電圧は、好適実施例においては特定のプロセス、ワイヤタイプ、サイズ、ガスおよびワイヤ供給速度に対して設定される（教えられる）。モジュール３０４は、教えられたポイントとポイントの間を内挿する。所望電圧をゼロのままにしておくと、ＣＶ適応ループは、その波形セグメントに対してアクティブでなくなる。従って、ＣＶ制御を特定のセグメントまたはセグメントの特定の部分に対してオフにすることができる。
【００３９】
　（図２に示した）移行領域での“丸み付け”は、移行領域付近で“教えられた”値をゼロに設定することによって、従って、ＣＶ制御を移行領域付近でオフにすることによって実行することができる。コーナーを緩和するために、（電圧誤差に基づいて）よりゆっくりしたＣＶランプ速度（CV rate of ramping）を使用することができるポイントへの移行に対して高速ＣＣランプ（fast CC ramp）を使用することができる。これは、（ユーザへのアピールのための）より静かなアークを発生させ、また、システムを溶接ケーブルのインダクタンスの問題の影響を受けにくくすることにもなる。
【００４０】
　エラーモジュール３０６からのエラー信号はゲインモジュール３０８に提供され、好適実施例では、ゲインモジュール３０８は、サンプルが採取されたセグメントに基づいたゲインを加える。セグメントに対するゲインは、そのセグメントにとって望ましい出力電圧を達成するために所望の応答を提供するように選択される（これはアーク長も決定する）。
　ゲインモジュール３０８の出力はＰＩ制御モジュール３１０に提供され、ＰＩ制御モジュール３１０はＰＩ制御スキームを適用し、出力として（誤差および誤差の積分に比例する値に基づいた）制御信号を提供する。代替実施例は、ＰＩ制御スキーム、または他の誤差の関数に基づいた制御スキームを含む。
【００４１】
　制御モジュール３１０の出力は電流コマンドモジュール３１８に提供され、好適実施例では、ここで、上記の出力は電流コマンドと合算されて、出力電流を変化させる。電流コマンドモジュール３１８は、電源１０２から供給される電流の大きさを指令する出力電流コマンド信号を提供する。出力コマンドは、代替実施例においては出力電圧または出力電力を指令する。
【００４２】
　最小電流モジュール３１２は最小電流信号を電流コマンドモジュール３１８に提供し、電流コマンドモジュールは、電流が所望の閾値を下回るように指令されないことを保証する。この最小電流は、適応スキームが電流を、アークを維持することができない（見た目でアーク不足と分かる）点にまで、あるいは、所望の転移特性（transfer characteristics）が失われるレベルにまで強制的に下げるのを防ぐ。
【００４３】
　ＣＣ制御モジュール３１４も信号を電流制御モジュール３１８に提供し、電流制御モジュールは、ＣＣ制御に使用されるＣＣコマンドを提供する。ＣＣ制御モジュールはまた、フィードバックを受け取り、既知の制御スキームに従って制御を行うこともできる。ＣＣコマンドは、好適実施例においてはセグメント間の変化率を設定する。
【００４４】
　ウィンドウモジュール３１６は、ＣＶ制御が適用される予定のウィンドウの中に出力波形があるか否かを示すウィンドウ信号を電流コマンドモジュール３１８に提供する。ウィンドウモジュール３１６の出力（状態）がオン（ウィンドウの内部）であるとき、電流コマンドモジュール３１８はＣＶコマンドを電流コマンドと合算し、その状態がオフ（ウィンドウの外側）であるとき、電流コマンドモジュール３１８はＣＶコマンドを電流コマンドと合算しないか、あるいは、それが、低減されたＣＶコマンド（scaled back CV command）が電流コマンドに加算されることを要求する場合もある。
【００４５】
　好適実施例のＣＶ制御とＣＣ制御を組み合わせた制御が相乗効果の利益をもたらす。ＣＶランプは、厳密にＣＣランプを行うシステムのオーバシュートおよびアンダシュートを防ぐ。ＣＣランプは、電流を急激に変化させ、それで、ＣＶゲインを波形の平坦な領域（plateau region）に対して最適化することができるようにする。
【００４６】
　制御モジュールは、下記の擬似コードを使って実行することができる。
【数１】
2004130390.tif 000003
【００４７】
　本発明の一態様では、ＣＶコントローラおよびコントローラ１０４をアーク長コントローラとして使用する。ここで使用されるようなアーク長コントローラは、アーク長が所望の長さ、好ましくは一定の長さになるように溶接システムの出力を制御するコントローラである。この制御は、トーチ角や突き出し（stickout）の変化に関係なく行われる。図４は、突き出し、アーク角およびアーク長を示す。
【００４８】
　アーク長コントローラは、アーク長が一般にアーク電圧に追従するので、ＣＶ制御で実施することができる。それはまた、出力電流、出力電圧、出力電力、負荷抵抗など他の溶接出力パラメータをフィードバックパラメータとして使用して実施することもできる。
【００４９】
　同じサイクルにおいて出力を頻繁にサンプリングし、変えることにより、アーク長の変化に対して極めて高速の応答が提供される。その結果、望ましくないスパッタ（spatter）なしに、より緊密で、より制御可能な溶接が得られる。より緊密なアークは、溶接物への良好な溶接の浸透を可能にするが、溶接パドル（weld puddle）を流動的すぎるほどにはしない。アーク長コントローラの実施は、上向きまたは下向きを含めて溶接機が多様な向きで溶接を行うのを助ける。
【００５０】
　一代替実施例では、最小ピーク電流設定が提供される。これは、（溶融金属の）ボールが分離しなくなるほどCV制御がピーク電流を低く抑えてしまうのを防ぐことになる。
　別の代替実施例は、ユーザがアークの微調整を行うためにアーク長を加減するように（微調整つまみを使って）周波数を変更することができるようにすることを提供する。別の代替実施例では、アーク長を調整する別の方法として、ピークおよびバックグラウンドの電圧を調整し、および（または）高電圧セグメントと低電圧セグメントの相対時間を調整することが可能であり得る。
　さらに別の代替実施例は、上記の制御スキームを溶解速度（melt rate）またはアーク長の数学的表現に適用する。
【００５１】
　本発明に対しては、本発明の意図した適用範囲内に入る多数の変更を行うことができる。よって、ここに本発明に従って提供されたアーク溶接のための方法および装置が、上に述べた目標および利点を十分に満たすものであることは明白であろう。以上、本発明を特定の実施例に則して説明したが、多数の代替、変更および変形があることは当業者には明白であろう。従って、本発明の精神と特許請求の広い範囲に属するそのような代替、変更および変形をすべて網羅することを意図している。
　独占的な所有権または特権を請求する本発明の実施例を特許請求の範囲の通り規定する。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に従って溶接電力を提供するシステムのブロック図である。
【図２】本発明による出力波形のグラフを示す図である。
【図３】本発明によるコントローラのブロック図である。
【図４】溶接アークを示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
３０２…サンプリングモジュール
３０４…ティーチングモジュール
３０６…エラーモジュール
３０８…ゲインモジュール
３１０…ＰＩモジュール
３１２…最小電流モジュール
３１４…ＣＣ制御モジュール
３１６…ウィンドウモジュール
３１８…電流コマンドモジュール
【図１】
2004130390.tif 000004
【図２】
2004130390.tif 000005
【図３】
2004130390.tif 000006
【図４】
2004130390.tif 000007