(57)【要約】システムおよび方法は、プラズマアークトーチ（１０）の先端と金属製品（２０）との間のアーク電圧を評価し、そして、評価されたアーク電圧に基づいて処理パラメータを制御することによって、熱処理システムの処理パラメータを制御することを特徴とする。特定の実施形態は、評価されたアーク電圧に基づいてプラズマトーチの高さを調節することを含む。システムおよび方法はまた、熱処理システムにおけるアーク電圧を評価することを特徴とし、該熱処理システムにおいては、切り替え方式の電源が、プラズマアークトーチの先端と金属製品との間のプラズマアークを生成するために電流を提供する。
2010503539.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱処理システムの処理パラメータを制御する方法であって、該熱処理システムにおいては、切り替え方式の電源が、プラズマアークトーチの先端と金属製品との間にプラズマアークを生成するためにアーク電流を提供し、該方法は、
該プラズマアークトーチの先端と該金属製品との間のアーク電圧を評価することと、
該評価されたアーク電圧に基づいて該熱処理システムの処理パラメータを制御することと
を包含する、方法。
【請求項２】
前記処理パラメータを制御することは、
前記評価されたアーク電圧に基づいてプラズマアークトーチの高さを調節すること
を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記切り替え方式の電源は、出力誘導子を含み、前記方法は、
該誘導子の入力に印加される平均電圧に基づいて前記アーク電圧を評価すること
をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記切り替え方式の電源は、出力誘導子を含み、前記方法は、
該誘導子の入力に印加される平均電圧と、該誘導子を横切る電圧の降下との間の差に基づいて前記アーク電圧を評価すること
をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記切り替え方式の電源は、出力誘導子を含み、前記方法は、
前記アーク電圧の期待される変化の時間変化する外形を獲得することと、
該誘導子にわたるアーク電流の変化を表すモデルから該アーク電圧を評価することであって、該モデルは、該誘導子の入力に印加される平均電圧と、該アーク電圧の期待される変化の該時間変化する外形とに基づいている、ことと
をさらに包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
熱処理システムにおけるアーク電圧を評価する方法であって、該熱処理システムにおいては、切り替え方式の電源が、プラズマアークトーチの先端と金属製品との間にプラズマアークを生成するためにアーク電流を提供し、該方法は、
該切り替え方式の電源のデューティサイクルを獲得することと、
該切り替え方式の電源のＤＣ入力電圧を表す値を獲得することと、
該切り替え方式の電源のデューティサイクルと、該切り替え方式の電源のＤＣ入力電圧を表す値との組み合わせに基づいて、該プラズマアークトーチの先端と該金属製品との間のアーク電圧を評価することと
を包含する、方法。
【請求項７】
搬送波のピーク値に対するサンプリングされた誤差信号の比に基づいて、前記切り替え方式の電源のデューティサイクルを計算することであって、該サンプリングされた誤差信号は、事前に設定された電流基準と前記アーク電流の測定値を比較する、こと
をさらに包含する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記切り替え方式の電源のＤＣ入力電圧を表す値を測定すること
をさらに包含する、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記切り替え方式の電源のＤＣ入力電圧を表す値を入力電圧から導き出すこと
をさらに包含する、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
入力電圧から前記切り替え方式の電源のＤＣ入力電圧を表す値を測ること
をさらに包含する、請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
熱処理システムにおけるアーク電圧を評価する方法であって、該熱処理システムにおいては、出力誘導子を含む切り替え方式の電源が、プラズマアークトーチの先端と金属製品との間にプラズマアークを生成するためにアーク電流を提供し、該方法は、
該誘導子の入力に印加される平均電圧を獲得することと、
該誘導子を横切る電圧の降下に対応する値を獲得することと、
該印加される平均電圧と、該電圧の降下との間の差に基づいて前記アーク電圧を評価することと
をさらに包含する、方法。
【請求項１２】
前記切り替え方式の電源のデューティサイクルを獲得することと、
該切り替え方式の電源のＤＣ入力電圧を表す値を獲得することと、
該切り替え方式の電源のデューティサイクルと、該切り替え方式の電源のＤＣ入力電圧を表す値との積に基づいて、前記誘導子の入力に印加される平均電圧を獲得することと
をさらに包含する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記誘導子にわたる電流の時間変化に基づいて、該誘導子を横切る電圧の降下を獲得すること
をさらに包含する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
熱処理システムにおけるアーク電圧を評価する方法であって、該熱処理システムにおいては、出力誘導子を含む切り替え方式の電源が、プラズマアークトーチの先端と金属製品との間にプラズマアークを生成するためにアーク電流を提供し、該方法は、
該アーク電圧の期待される変化の時間変化する外形を獲得することと、
該誘導子の入力に印加される平均電圧を獲得することと、
該誘導子にわたるアーク電流の変化を表すモデルから該アーク電圧を評価することであって、該モデルは、該誘導子の入力に印加される平均電圧と、該アーク電圧の期待される変化の該時間変化する外形とに基づいている、ことと
をさらに包含する、方法。
【請求項１５】
前記時間変化する外形は、アーク電圧の期待される変化の数学的な表現または統計的な表現である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
熱処理システムの処理パラメータを制御するシステムであって、該システムは、
プラズマアークトーチの先端と金属製品との間にプラズマアークを生成するためにアーク電流を提供する切り替え方式の電源と、
該プラズマアークトーチの先端と該金属製品との間のアーク電圧を評価するアーク電圧評価モジュールと、
該評価されたアーク電圧に基づいて該熱処理システムの処理パラメータを制御する処理コントローラと
を備えている、システム。
【請求項１７】
前記処理コントローラは、トーチの高さコントローラであり、該トーチの高さコントローラは、前記評価されたアーク電圧に基づいてプラズマアークトーチの高さを調節する、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記切り替え方式の電源は、出力誘導子を含み、そして、前記アーク電圧評価モジュールは、該出力誘導子に印加される平均電圧に基づいて前記アーク電圧を評価する、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
前記アーク電圧評価モジュールは、該誘導子の入力に印加される平均電圧と、該誘導子を横切る電圧の降下との間の差に基づいて前記アーク電圧を評価する、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２０】
前記切り替え方式の電源は、出力誘導子を含み、そして、前記アーク電圧評価モジュールは、該誘導子にわたる電流の変化を表すモデルから前記アーク電圧を評価し、該モデルは、該誘導子の入力に印加される平均電圧と、該アーク電圧の期待される変化の時間変化する外形とに基づいている、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２１】
熱処理システムにおけるアーク電圧を評価する装置であって、該熱処理システムにおいては、切り替え方式の電源が、プラズマアークトーチの先端と金属製品との間にプラズマアークを生成するためにアーク電流を提供し、該装置は、
該切り替え方式の電源のデューティサイクルを獲得する処理手段と、
該切り替え方式の電源のＤＣ入力電圧を表す値を獲得する処理手段と、
該切り替え方式の電源のデューティサイクルと、該切り替え方式の電源のＤＣ入力電圧を表す値との組み合わせに基づいて、該プラズマアークトーチの先端と該金属製品との間のアーク電圧を評価する処理手段と
を備えている、装置。
【請求項２２】
熱処理システムにおけるアーク電圧を評価する装置であって、該熱処理システムにおいては、出力誘導子を含む切り替え方式の電源が、プラズマアークトーチの先端と金属製品との間にプラズマアークを生成するためにアーク電流を提供し、該装置は、
該誘導子の入力に印加される平均電圧を獲得する処理手段と、
該誘導子を横切る電圧の降下に対応する値を獲得する処理手段と、
該印加される平均電圧と、該電圧の降下との間の差に基づいて前記アーク電圧を評価する処理手段と
を備えている、装置。
【請求項２３】
熱処理システムにおけるアーク電圧を評価する装置であって、該熱処理システムにおいては、出力誘導子を含む切り替え方式の電源が、プラズマアークトーチの先端と金属製品との間にプラズマアークを生成するためにアーク電流を提供し、
該アーク電圧の期待される変化の時間変化する外形を獲得する処理手段と、
該誘導子の入力に印加される平均電圧を獲得する処理手段と、
該誘導子にわたるアーク電流の変化を表すモデルから該アーク電圧を評価する処理手段であって、該モデルは、該誘導子の入力に印加される平均電圧と、該アーク電圧の期待される変化の時間変化する外形とに基づいている、処理手段と
を備えている、装置。
【請求項２４】
前記切り替え方式の電源は、昇圧型、降圧型、または昇降圧型の回路トポロジに基づいている、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記切り替え方式の電源は、昇圧型、降圧型、または昇降圧型の回路トポロジに基づいている、請求項６に記載の方法。
【請求項２６】
前記切り替え方式の電源は、昇圧型、降圧型、または昇降圧型の回路トポロジに基づいている、請求項１１に記載の方法。
【請求項２７】
前記切り替え方式の電源は、昇圧型、降圧型、または昇降圧型の回路トポロジに基づいている、請求項１４に記載の方法。
【請求項２８】
前記組み合わせは、総和または積のうちの１つである、請求項６に記載の方法。
【請求項２９】
前記組み合わせは、総和または積のうちの１つである、請求項２１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
プラズマアークシステムは、切断および溶接を含む、金属材料の熱処理のために幅広く使用されている。かかるプラズマアークシステムは、金属製品を自動的に切断または溶接するように構成され得る。概して、プラズマアーク切断システムは、プラズマアークトーチと、関連付けられる電源と、遠隔高周波（ＲＨＦ）コンソールと、ガス供給源と、位置決め装置と、切断テーブルと、トーチの高さ制御装置と、関連付けられるコンピュータ制御の数値コントローラとを含み得る。図１は、プラズマアークシステムの例を示す。
【０００２】
動作において、ユーザは、切断テーブルに製品を置き、そして、トーチの先端と製品との間の相対運動を提供し、かつ、処理経路に沿ってプラズマアークを導くために位置決め装置にプラズマアークトーチを据え付ける。ユーザは、切断処理を開始するために、コンピュータ制御の数値コントローラ（ＣＮＣ）に開始コマンドを提供する。ＣＮＣは、製品が所望のパターンに切断されることを可能にするように、トーチおよび／または切断テーブルの運動を正確に導く。ＣＮＣは、位置決め装置と通信する。位置決め装置は、ＣＮＣからの信号を使用することにより、所望の切断経路に沿ってトーチを導く。位置情報は、正確な切断経路を獲得するために、ＣＮＣが位置決め装置と相互作用するように動作することを可能にするために、位置決め装置からＣＮＣに返信される。
【０００３】
電源は、プラズマアークを生成するために必要な電流を提供する。電源は、トーチに定電流を生成するために１つ以上のＤＣ電力モジュールを有する。一般的に、電流は、離散値に設定され得る。電源は、マイクロプロセッサを有し、該マイクロプロセッサは、開始シーケンスと、ＣＮＣインタフェース機能と、ガスおよび切断のパラメータと、停止シーケンスとを含む実質的に全てのプラズマシステムの機能を調整する。例えば、マイクロプロセッサは、電流を増減し得る。電源の主オンオフ式スイッチが、ＣＮＣによって、局所的または遠隔的に制御され得る。電源はまた、トーチを冷却する冷却システムを収容し得る。
【０００４】
トーチの高さ制御装置は、製品に対するトーチの高さを設定する。トーチの高さ制御装置は、一般的に、所定のアーク電圧値を維持するために、スタンドオフ（すなわち、トーチと製品との間の距離）を調節することによって、切断中のアーク電圧を制御するために自身の制御モジュールを有する。トーチの高さ制御装置は、リフターを有し、該リフターは、切断中に所望の電圧を維持するために、製品に対して垂直方向にトーチを摺動させるように、モータを介して制御モジュールによって制御される。
【０００５】
プラズマアークトーチは、概して、トーチ本体と、本体の中に据え付けられた電極と、冷却流体と切断およびシールドのガスとに対する通路と、流体の流れのパターンを制御する渦巻リングと、中央出口オリフィスを有するノズルと、電気接続とを含む。シールドがまた、ノズルを保護し、そして、プラズマアークの近くの範囲にシールドガスの流れを提供するためにノズルの周りに提供され得る。トーチに加えられるガスは、非反応性（例えば、アルゴンまたは窒素）であり得るか、反応性（例えば、酸素、または空気）であり得る。
【０００６】
動作において、トーチの先端は、位置決め装置によって製品の近くに位置決めされる。最初に、パイロットアークが、例えば、高周波の高電圧信号を使用することによって、電極（カソード）とノズル（アノード）との間に生成される。パイロットアークが、ガスコンソールからノズルの出口オリフィスを通過するガスをイオン化する。イオン化ガスが、電極と製品との間の電気抵抗を減少させるので、アークが、ノズルから製品に移行する。トーチは、この移行式プラズマアーク方式において動作させられ、該移行式プラズマアーク方式は、製品を切断するための、電極から製品へのイオン化ガスの伝導流によって特徴付けられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
レーザシステムおよびプラズマアークシステムなどの熱処理システムが、金属材料の切断、溶接、加熱処理、および処理において幅広く使用されている。熱処理システムにおいて制御される多数の処理パラメータが存在する。例えば、プラズマアークシステムに関しては、金属製品における切断または溶接の質は、トーチの先端と金属製品との間の比較的に一定な距離を維持することに依存する。この距離は、トーチの先端と金属製品との間のアーク電圧を獲得することによって間接的にモニタリングされ得る。アーク電圧の値が大きくなるほど、トーチの先端と金属製品との間の距離は、大きくなる。逆に、アーク電圧の値が小さくなるほど、トーチの先端と金属製品との間の距離は、小さくなる。
【０００８】
従来のシステムにおいて、アーク電圧は、トーチの先端と金属製品との間の直接的な電圧測定を介して獲得される。例えば、図２は、分圧回路ボードを使用してアーク電圧を測定するトーチの高さ制御システムを例示する図である。示されているように、プラズマアークコントローラ５０は、関連付けられる電力制御ブロック５６の制御の下の電力ブロック５８を含む。電力ブロック５８は、プラズマアークトーチの先端と金属製品との間にプラズマアークを生成するために電流ＩＡＲＣを出力する。出力電流ＩＡＲＣは、ケーブルリード（図示せず）を経由してトーチ１０の中に含まれる電極に入力／出力（Ｉ／Ｏ）ボード５４を介して供給される。
【０００９】
プラズマアークトーチの先端と金属製品との間のアーク電圧を測定するために、プラズマアークコントローラ５０は、Ｉ／Ｏボード５４に内部で結合された分圧回路ボード５２を含む。Ｉ／Ｏボード５４は、ケーブルリード（図示せず）によって、トーチ１０の先端と金属製品２０とに外部で結合されている。分圧回路ボード５２は、アーク電圧ＶＡＲＣを測定するために、電圧ＶＴと電圧ＶＷとの間の電圧差を測定する。一般的に、分圧回路ボード５２は、抵抗器ネットワークと、他の複合回路網とを含み、該他の複合回路網は、例えば、０ボルト〜３５０ボルトの範囲から０ボルト〜１０ボルトの範囲までの実際のアーク電圧を測る。
【００１０】
次に、アーク電圧の測定値が、シリアル通信リンクおよびアナログ通信リンクを含む任意の適切な通信リンクによってトーチの高さコントローラ４２に伝送される。図２において、トーチの高さコントローラは、コンピュータ制御の数値コントローラインタフェース（ＣＮＣ）４０の一体のコンポーネントとして示されている。他の実施形態において、トーチの高さコントローラは、別個のコンポーネントであり得る。アーク電圧の測定値に基づいて、トーチの高さコントローラ４２は、製品に対するトーチの高さを決定し、事前に設定された高さの基準と現在のトーチの高さを比較し、そして、次に、ＣＮＣ４０を介して位置決め装置３０にコマンド信号を導く。それに応答して、位置決め装置３０は、製品２０から一定の距離を維持するために、トーチ１０を上げ下げする。
【００１１】
分圧回路ボードを使用した、アーク電圧の直接的な測定の不利な点は、費用であり、そして、一部の場合においては、例えば、トーチの高さ制御装置の安定性に影響を与え得る過渡ノイズの導入である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
一局面に従って、システムおよび方法は、熱処理システムの処理パラメータを制御することを特徴とし、該熱処理システムにおいては、切り替え方式の電源が、プラズマアークトーチの先端と金属製品との間にプラズマアークを生成するためにアーク電流を提供する。システムおよび方法は、プラズマアークトーチの先端と金属製品との間のアーク電圧を評価し、そして、評価されたアーク電圧に基づき処理パラメータを制御する構造またはステップを含む。例えば、特定の実施形態は、評価されたアーク電圧に基づいてプラズマアークトーチの高さを調節することを含み得る。
【００１３】
切り替え方式の電源が、出力誘導子を含む第１の実施形態に従って、アーク電圧は、誘導子の入力に印加される平均電圧に基づいて評価される。第２の実施形態に従って、アーク電圧は、誘導子の入力に印加される平均電圧と、該誘導子を横切る電圧の降下との間の差に基づいて評価される。第３の実施形態に従って、アーク電圧は、アーク電圧の期待される変化の時間変化する外形を獲得し、そして、誘導子にわたるアーク電流の変化を表すモデルからアーク電圧を評価することによって評価される。モデルは、誘導子の入力に印加される平均電圧と、アーク電圧の期待される変化の時間変化する外形とに基づき得る。
【００１４】
別の局面に従って、システムおよび方法は、熱処理システムにおけるアーク電圧を評価することを特徴とし、該熱処理システムにおいては、切り替え方式の電源が、プラズマアークトーチの先端と金属製品との間にプラズマアークを生成するためにアーク電流を提供する。
【００１５】
第１の実施形態に従って、アーク電圧は、切り替え方式の電源のデューティサイクルを獲得し、切り替え方式の電源のＤＣ入力電圧を表す値を獲得し、そして、切り替え方式の電源のデューティサイクルと、切り替え方式の電源のＤＣ入力電圧を表す値との組み合わせに基づいて、プラズマアークトーチの先端と金属製品との間のアーク電圧を評価することによって評価される。組み合わせは、総和または積のうちの１つであり得る。切り替え方式の電源のデューティサイクルは、搬送波のピーク値に対するサンプリングされた誤差信号の比に基づいて計算され得、サンプリングされた誤差信号は、事前に設定された電流基準とアーク電流の測定値を比較する。切り替え方式の電源のＤＣ入力電圧を表す値は、例えば、ＡＣ入力電圧から測定され得るか、導き出され得る。ＡＣ電圧値とＤＣ電圧値との両方を含む、切り替え方式の電源の入力電圧を表す値が、測られ得る。
【００１６】
切り替え方式の電源が、出力誘導子を含む第２の実施形態に従って、アーク電圧は、誘導子の入力に印加される平均電圧を獲得し、誘導子を横切る電圧の降下に対応する値を獲得し、そして、印加される平均電圧と、電圧の降下との間の差に基づいてアーク電圧を評価することによって評価される。誘導子の入力に印加される平均電圧は、切り替え方式の電源のデューティサイクルと、切り替え方式の電源のＤＣ入力電圧を表す値との積に基づき得る。誘導子を横切る電圧の降下は、誘導子にわたる電流の時間変化に基づいて獲得され得る。
【００１７】
切り替え方式の電源が、出力誘導子を含む第３の実施形態に従って、アーク電圧は、アーク電圧の期待される変化の時間変化する外形を獲得し、誘導子の入力に印加される平均電圧を獲得し、そして、誘導子にわたるアーク電流の変化を表すモデルからアーク電圧を評価することによって評価される。モデルは、誘導子の入力に印加される平均電圧と、アーク電圧の期待される変化の該時間変化する外形とに基づき得る。時間変化する外形は、アーク電圧の期待される変化の数学的な表現または統計的な表現であり得る。
【００１８】
別の局面に従って、特定のシステムは、熱処理システムの処理パラメータを制御することを特徴とする。該システムは、プラズマアークトーチの先端と金属製品との間にプラズマアークを生成するためにアーク電流を提供する切り替え方式の電源と、プラズマアークトーチの先端と金属製品との間のアーク電圧を評価するアーク電圧評価モジュールと、評価されたアーク電圧に基づいて熱処理システムの処理パラメータを制御する処理コントローラとを備えている。処理コントローラは、トーチの高さコントローラであり得、該トーチの高さコントローラは、評価されたアーク電圧に基づいてプラズマアークトーチの高さを調節する。
【００１９】
第１の実施形態に従って、アーク電圧評価モジュールは、誘導子の入力に印加される平均電圧に基づいてアーク電圧を評価する。第２の実施形態に従って、アーク電圧評価モジュールは、誘導子の入力に印加される平均電圧と、誘導子を横切る電圧の降下との間の差に基づいてアーク電圧を評価する。第３の実施形態に従って、アーク電圧評価モジュールは、誘導子にわたる電流の変化を表すモデルからアーク電圧を評価し、該モデルは、誘導子の入力に印加される平均電圧と、アーク電圧の期待される変化の時間変化する外形とに基づいている。
【００２０】
実施形態のうちのあらゆるものにおいて、切り替え方式の電源は、昇圧型、降圧型、または昇降圧型の回路トポロジに基づき得る。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、プラズマアークシステムの例を示す。
【図２】図２は、分圧回路ボードを使用してアーク電圧を測定するトーチの高さ制御システムを例示する図である。
【図３】図３は、アーク電圧評価技術によってアーク電圧を獲得するトーチの高さ制御システムを例示する図である。
【図４】図４は、アーク電圧評価モジュールを含む電力制御ブロックの回路図である。
【図５Ａ】図５Ａおよび図５Ｂは、例示的な誤差信号およびキャリア信号に対する、１サイクルにわたるゲート信号を表示する信号図である。
【図５Ｂ】図５Ａおよび図５Ｂは、例示的な誤差信号およびキャリア信号に対する、１サイクルにわたるゲート信号を表示する信号図である
【図６】図６は、第１の実施形態に従ったアーク電圧評価の方法を例示する流れ図である。
【図７】図７は、第２の実施形態に従ったアーク電圧評価の方法を例示する流れ図である。
【図８】図８は、第３の実施形態に従ったアーク電圧評価の方法を例示する流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
一局面に従って、システムおよび方法は、プラズマアークトーチの先端と金属製品との間のアーク電圧を評価し、そして、評価されたアーク電圧に基づいて処理パラメータを制御することによって、熱処理システムの処理パラメータを制御することを特徴とする。例えば、特定の実施形態は、評価されたアーク電圧に基づいてプラズマトーチの高さを調節することを含み得る。
【００２３】
別の局面に従って、システムおよび方法は、プラズマアークトーチの先端と金属製品との間にプラズマアークを生成するためにアーク電流を提供する切り替え方式の電源を含む熱処理システムにおけるアーク電圧を評価することを特徴とする。
【００２４】
図３は、アーク電圧評価技術によってアーク電圧を獲得するトーチの高さ制御システムを例示する図である。トーチの高さ制御は、アーク電圧評価の１つの用途ではあるが、他の実施形態は、熱処理システムにおける他の処理パラメータを制御するためにアーク電圧評価値を使用し得る。図３と図２との違いは、プラズマアークコントローラ５０が、改変された電力制御ブロック６０を含むということであり、該改変された電力制御ブロック６０は、アーク電圧評価モジュール６２を組み込む。アーク電圧評価モジュール６２は、アーク電圧を評価するために、電力ブロック５８と電力制御ブロック６０とから獲得された情報を利用する。
【００２５】
図４は、アーク電圧評価モジュールを含む電力制御ブロックの回路図である。示されているように、回路１００は、電力回路ブロック３００に結合されたパルス幅変調（ＰＷＭ）制御回路ブロック２００を含む。電力回路ブロック３００は、切り替え方式の電源であり、該切り替え方式の電源は、調整されていないＤＣ入力電圧源ＶＩＮと、電力トランジスタスイッチＱ１とダイオードＤ１との組み合わせと、出力フィルタ誘導子Ｌ１と、プラズマアーク負荷ＲＬＤとを含む。電力回路ブロック３００は、アーク負荷ＲＬＤを通る出力電流ＩＡＲＣが、スイッチＱ１のデューティサイクルに依存するように、標準的なチョッパとして動作する。示された電力回路ブロック３００は、降圧型コンバータであるが、他の実施形態は、昇圧型、昇降圧型、およびそれらの組み合わせを含む他の回路トポロジを含み得る。例えば、インバータが、降圧型コンバータの形態である。
【００２６】
ＰＷＭ制御回路ブロック２００は、スイッチＱ１のデューティサイクルを制御するためにスイッチＱ１にゲート信号Ｔ３ＰＷＭを提供し、その結果、プラズマアーク負荷ＲＬＤを通る出力電流ＩＡＲＣを制御する。示されているように、ＰＷＭ制御ブロック２００は、電流基準ブロック２１０と、誤差制御ブロック２２０と、フィードバック電流センサ２４０と、ＰＷＭ比較器ブロック２３０と、アーク電圧評価モジュール２５０とを含む。
【００２７】
システムのオペレータは、出力電流ＩＡＲＣを維持するために所望の電流基準ＩＲＥＦにブロック２１０をマニュアルで設定する。出力電流ＩＡＲＣは、ホール電流センサなどの電流センサ２４０を使用してモニタリングされる。電流センサ２４０は、誤差制御ブロック２２０の入力にフィードバック電流ＩＦＢを伝送する。誤差制御ブロック２２０は、例えば、当業者には公知の標準的な比例積分微分コントローラ（ＰＩＤコントローラ）として実装され得る。誤差制御ブロック２２０は、所望の電流基準ＩＲＥＦとフィードバック電流ＩＦＢを比較し、そして、変調誤差信号Ｅｒｒｏｒを出力する。
【００２８】
次に、誤差信号Ｅｒｒｏｒが、ＰＷＭ比較器ブロック２３０に入力され、ここで、誤差信号Ｅｒｒｏｒが、サンプリングされ、そして、切り替え方式の電源３００のデューティサイクルを調節する適切なゲート信号Ｔ３ＰＷＭを生成するために使用され、それにより、出力電流における誤差に対して補正を行う。ＰＷＭ比較器ブロック２３０とアーク電圧評価モジュール２５０とは、Ｔｅｘａｓ  ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓからのＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａなどのデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を使用して実現され得る。これらの制御ブロックはまた、１つ以上の適切にプログラミングされたプロセッサまたは１つ以上の専用のプロセッサ（例えば、マイクロプロセッサまたはマイクロコントローラ）、配線論理、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、またはプログラマブル論理デバイス（ＰＬＤ）（例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ））の組み合わせなどを使用して実現され得る。
【００２９】
適切なゲート信号Ｔ３ＰＷＭを生成するために、ＰＷＭ比較器ブロック２３０は、搬送波信号Ｔ３ＣＮＴと瞬時誤差サンプルＴ３ＣＭＰＲを比較する。搬送波信号は、鋸歯状の波または三角形の波として生成され得、搬送波信号の周波数は、用途に依存して、概して、数百ヘルツから数百メガヘルツまでの範囲にある。プラズマ切断の用途において、搬送波信号の周波数は、一般的に、１５ｋＨｚの辺りである。比較器は、２つの信号の差を増幅し、そして、ゲート信号Ｔ３ＰＷＭを生成し、搬送波信号Ｔ３ＣＮＴの１つの切り替えサイクルにわたる該ゲート信号Ｔ３ＰＷＭの平均値は、瞬時誤差サンプルＴ３ＣＭＰＲの値と等しい。スイッチＱ１にゲート信号を加えることが、所望の定常状態の値に出力電流ＩＡＲＣを強制し、そして、維持するようにデューティサイクルを調節する。
【００３０】
図５Ａおよび図５Ｂは、例示的な誤差信号Ｔ３ＣＭＰＲおよびキャリア信号Ｔ３ＣＮＴに対する、１サイクルにわたるゲート信号Ｔ３ＰＷＭを表示する信号図である。タイミング信号Ｔ３ＣＮＴのピークが、Ｔ３ＰＲとして識別されている。この例において、出力電流ＩＡＲＣは、電流基準ＩＲＥＦよりも小さく、結果として、図５Ａに示されているような瞬時誤差サンプルＴ３ＣＭＰＲとなる。この誤差に対して補正を行うために、ＰＷＭ比較器ブロック２３０は、搬送波信号Ｔ３ＣＮＴと誤差サンプルＴ３ＣＭＰＲを比較する。１つの切り替えサイクルに対して、比較器ブロック２３０は、誤差サンプルＴ３ＣＭＰＲの値が、搬送波信号Ｔ３ＣＮＴの増分値よりも大きい間、パルスＴ３ＰＷＭを生成する。図５Ｂに示されているようなこれらのパルスは、切り替え方式の電源３００のスイッチＱ１を使用可能にしたり、使用不可能にしたりするために使用される。このようにスイッチＱ１をオンにしたり、オフにしたりすることによって、切り替え方式の電源のデューティサイクルが、所望の電流基準に出力を補正し、そして、維持するように調節され得る。
【００３１】
第１の実施形態に従って、アーク電圧評価の方法は、誘導子の電圧の降下が、定常なアーク電流ＩＡＲＣにおいて０になるという原理に基づく。これは、誘導子Ｌ１の入力における平均ＤＣ電圧が、アーク電圧ＶＡＲＣの平均値に等しいということを意味する。したがって、平均アーク電圧ＶＡＲＣの評価は、方程式（１）：
ＶＡＲＣ＝ＤＳＳ＊ＶＩＮ                                                        （１）
に従って、スイッチＱ１の定常状態のデューティサイクルＤＳＳと、ＤＣ入力電圧ＶＩＮとの積を計算することによって決定され得る。当業者には公知であるように、この積を総和として実装することも可能である。
【００３２】
図６は、第１の実施形態に従ったアーク電圧評価の方法を例示する流れ図である。ステップ４００において、電圧評価モジュール２５０は、切り替え方式の電源の定常状態のデューティサイクルＤＳＳを獲得する。定常状態のデューティサイクルＤＳＳは、搬送波信号のピークＴ３ＰＲに対する即時誤差サンプルＴ３ＣＭＰＲの比として計算され得る。例えば、搬送波信号のピークは、１０７０カウントに等しく、そして、即時誤差サンプルＴ３ＣＭＰＲが、５３５カウントに対応する場合、定常状態のデューティサイクルＤＳＳは、５０％である。
【００３３】
ステップ４１０において、アーク電圧評価モジュール２５０は、ＤＣ入力電圧ＶＩＮを獲得する。図４に示されているように、アーク電圧評価モジュール２５０は、タップ３００ａを介してＤＣ入力電圧ＶＩＮを獲得し得る。調整されていないＤＣ入力電圧ＶＩＮは、数百ボルトの範囲内の大きさを有し得るので、信号調節回路網３１０は、アーク電圧評価モジュール２５０による処理に適した電圧に電圧ＶＩＮを縮小するために使用され得る。
【００３４】
ＤＣ入力電圧ＶＩＮはまた、入力ＡＣ電圧ＶＡＣＩＮ（図示せず）から決定され得る。入力ＡＣ電圧ＶＡＣＩＮは、ＤＣ入力電圧ＶＩＮが、例えば、整流器ステージを介して導き出され得るＡＣ電圧である。アーク電圧評価モジュール２５０は、入力ＡＣ電圧ＶＡＣＩＮのピーク値からＤＣ入力電圧ＶＩＮを決定し得る。ＤＣ入力電圧ＶＩＮはまた、入力ＡＣ電圧ＶＡＣＩＮの二乗平均（ＲＭＳ）値から導き出され得る。ＤＣ入力電圧に入力ＡＣ電圧を変換する他の方法がまた、実装され得る。入力ＡＣ電圧ＶＡＣＩＮが、数百ボルトの範囲内の大きさを有し得るので、信号調節回路網３１０は、アーク電圧評価モジュール２５０による処理に適した電圧に入力ＡＣ電圧ＶＡＣＩＮを縮小するために使用され得る。
【００３５】
図６のステップ４２０において、アーク電圧評価モジュール２５０は、切り替え方式の電源のデューティサイクルＤＳＳと、ＤＣ入力電圧ＶＩＮとの積として、アーク電圧評価ＶＡＲＣを計算する。アーク電圧ＶＡＲＣのこの評価は、アーク電圧の直接測定と同じ精度を提供することも、提供しないこともあり得るが、アーク電圧ＶＡＲＣのこの評価は、ジッタまたは他の不安定状態を生成し得る過渡ノイズをフィルタリングして取り除くという点で、トーチの高さ制御を含む特定の用途の目的に適している。電流制御の用途などの他の用途において、アーク電圧の評価にさらなる精度が求められ得る。アーク電圧評価を使用する電流制御の例が、本願と同時に出願された「ＬＩＮＥＡＲ，ＩＮＤＵＣＴＡＮＣＥ  ＢＡＳＥＤ  ＣＯＮＴＲＯＬ  ＯＦ  ＲＥＧＵＬＡＴＥＤ  ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬ  ＰＲＯＰＥＲＴＩＥＳ  ＩＮ  Ａ  ＳＷＩＴＣＨ  ＭＯＤＥ  ＰＯＷＥＲ  ＳＵＰＰＬＹ  ＯＦ  Ａ  ＴＨＥＲＭＡＬ  ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ  ＳＹＳＴＥＭ」と題される同時係属中の米国特許出願第 号（代理人整理番号第ＨＹＰ−０６８号）に開示されている。上記の出願の全教示が、本明細書において参考として援用される。
【００３６】
第２の実施形態に従って、アーク電圧評価の方法は、さらに、以下の方程式（２）
【００３７】
【数１】
2010503539.tif 000003
に従って誘導子における電圧の降下を考慮する。
【００３８】
図７は、第２の実施形態に従ったアーク電圧評価の方法を例示する流れ図である。ステップ５００、５１０、および５２０はそれぞれ、先に図６において記述されたようなステップ４００、４１０、および４２０と同様である。ステップ５３０において、電圧評価モジュール２５０は、誘導子Ｌ１のインダクタンスと、出力電流ＩＡＲＣの変化との積から誘導子Ｌ１にわたる電圧の降下を計算する。連続した一次方程式である方程式（２）は、定期的にサンプリングされた電流と電圧とを使用して離散化され得る。例えば、方程式（２）は、以下の代入
【００３９】
【数２】
2010503539.tif 000004
を行うことによって、アーク電圧に対する離散した表示に変換され得、ここで、電流サンプルＩｓは、誘導子の電流の現在のサンプルであり、電流サンプルＩｓ＊ｚ−１は、誘導子の電流の以前のサンプルであり、そして、Ｌは、誘導子Ｌ１のインダクタンスである。この例において、方程式（２）は、後退オイラー変換を使用して離散化される。しかしながら、当業者に公知の他の離散化変換もまた、使用され得る。例えば、別の離散化変換は、（「双一次Ｚ」変換とも呼ばれる）タスティン変換である。他の代入もまた可能であり得る。
【００４０】
ステップ５４０において、アーク電圧評価モジュール２５０は、ステップ５２０からの誘導子Ｌ１の入力に印加された電圧と、ステップ５３０からの誘導子を横切る計算された電圧の降下との差に基づいて、アーク電圧ＶＡＲＣの評価値を計算する。例えば、方程式（２）への方程式（３）の代入の後に、アーク電圧の評価値ＶＡＲＣが、以下
【００４１】
【数３】
2010503539.tif 000005
から獲得され得る。
【００４２】
方程式（４）は、アーク電圧の正確な評価値を提供するが、実際には、電流の測定値Ｉｓにおけるノイズに影響を受けやすく、そして、評価にかなり影響を与えるローパスフィルタを必要とする。また、方程式（４）は、出力電圧が、ＰＷＭの切り替え期間を通して実質的には一定になるように非常にゆっくりと変化し、そして、サンプリング時刻において、突然、ステップ変化させるということを暗黙のうちに想定している。プラズマアーク負荷の場合においては、この想定は、概ね当てはまらない。むしろ、プラズマアークにわたる電圧は、非常に動的であり得、一般的な切り替え期間と比較して急速な変化を伴う。
【００４３】
第３の実施形態に従って、アーク電圧評価の精度は、アーク電圧ＶＡＲＣがＰＷＭの切り替え期間の全体を通して変化するという想定のもとに開始することによってさらに改善され得る。例えば、直線状の外形、放物線状の外形、指数関数的な外形を含む多くの異なる外形が、電圧ＶＡＲＣの変化に対して想定され得る。
【００４４】
図８は、第３の実施形態に従ったアーク電圧評価の方法を例示する流れ図である。ステップ６００、６１０、および６２０はそれぞれ、先に図６において記述されたようなステップ４００、４１０、および４２０と同様である。ステップ６３０において、アーク電圧評価モジュール２５０は、アーク電圧の期待される変化を表す時間変化する外形を獲得する。かかる変化は、直線状、放物線状、指数関数としてモデリングされ得るか、他のあらゆる数学的な表現、または他のあらゆる統計学的な表現を使用してモデリングされ得る。
【００４５】
ステップ６４０において、アーク電圧評価モジュール２５０は、誘導子の入力に印加された電圧と、アーク電圧の期待される変化を表す時間変化する外形とに基づいて誘導子にわたるアーク電流の変化をモデリングする。ステップ６５０において、アーク電圧評価モジュール２５０は、誘導子にわたるアーク電流の変化のモデルに基づいてアーク電圧のモデルを導き出す。ステップ６６０において、アーク電圧評価モジュール２５０は、ステップ６５０において導き出されたモデル６５０からアーク電圧の評価値を計算する。
【００４６】
限定するものではないが、以下は、第３の実施形態に従った、アーク電圧を評価する方法の例である。単なる例示の目的で、アーク電圧は、本明細書において、ＰＷＭ切り替え期間全体にわたって直線状に変化するように想定されている。しかしながら、先に考察されたように、時間の経過に伴うアーク電圧の変化は、直線状、放物線状、指数関数としてモデリングされ得るか、他のあらゆる数学的な表示、または他のあらゆる統計学的な表示を使用してモデリングされ得る。
【００４７】
以下の表は、第３の実施形態に従ってアーク電圧を評価するための以下の例において考察される用語の説明を含む。
【００４８】
【表１】
2010503539.tif 000006
単一の切り替え期間は、電流サンプルで開始し、そして、電流サンプルで終了する。出力回路（すなわち、誘導子および負荷）に印加される平均電圧は、
Ｖａｐｐｌｉｅｄ＝Ｄ＊ＶＩＮ                                                    （１）
である。
【００４９】
誘導子にわたる電圧に対する基本的な方程式は、
【００５０】
【数４】
2010503539.tif 000007
である。
【００５１】
本発明者らが獲得した離散した形態に変換すると、
【００５２】
【数５】
2010503539.tif 000008
となる。
【００５３】
サンプリング時刻の間のアーク電圧の変化は、
ΔＶａｒｃ＝Ｖａｒｃ−Ｖａｒｃ＊ｚ−１＝Ｖａｒｃ＊（１−Ｚ−１）                      （４）
である。
【００５４】
アーク電圧の変化率は、
【００５５】
【数６】
2010503539.tif 000009
である。
【００５６】
サンプリング速度の間のアーク電流の変化は、
ΔＩｓ＝Ｉｓ−Ｉｓ＊ｚ−１＝Ｉｓ（１−ｚ−１）                                  （６）
である。
【００５７】
直線状の均一に変化するアーク電圧を想定すると、
【００５８】
【数７】
2010503539.tif 000010
となる。
【００５９】
簡約化すると、
【００６０】
【数８】
2010503539.tif 000011
となる。
【００６１】
【数９】
2010503539.tif 000012
を後退代入すると、
【００６２】
【数１０】
2010503539.tif 000013
となる。
【００６３】
ΔＶａｒｃ＝Ｖａｒｃ＊（１−Ｚ−１）を後退代入すると、
【００６４】
【数１１】
2010503539.tif 000014
となる。
【００６５】
ＶＡＲＣを解くと、
【００６６】
【数１２】
2010503539.tif 000015
となる。
【００６７】
再帰的な実装可能な形態を解くと、
【００６８】
【数１３】
2010503539.tif 000016
となる。
【００６９】
この技術は、例えば、アーク電圧がｔ２で変化する放物線状モデルを含む、アーク電圧の挙動の他のモデルに拡張可能である。
【００７０】
実施形態の全てに関して、記述されたステップのうちの１つ以上が、当業者には公知であるように組み合わせられ得る。
【００７１】
本発明は、好適な実施形態を参照して、特に、示され、かつ、記述されてきたが、形態および詳細の様々な変更が、添付の特許請求の範囲によって包含される本発明の範囲から逸脱することなく行われ得るということが、当業者によって理解される。
【図１】
2010503539.tif 000017
【図２】
2010503539.tif 000018
【図３】
2010503539.tif 000019
【図４】
2010503539.tif 000020
【図５Ａ】
2010503539.tif 000021
【図５Ｂ】
2010503539.tif 000022
【図６】
2010503539.tif 000023
【図７】
2010503539.tif 000024
【図８】
2010503539.tif 000025
【国際調査報告】
2010503539.tif 000026
2010503539.tif 000027
2010503539.tif 000028
2010503539.tif 000029
2010503539.tif 000030