(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接接触器を介して交流溶接電源から溶接変圧器負荷を接続および非接続とする型式の抵抗溶接用ディジタル溶接制御システムであって、溶接品質を保証するため、溶接シーケンスのタイミング周期と溶接内の熱強度のレベルを制御し、
Ａ．位相基準クロック、
Ｂ．電圧計、
Ｃ．電流計、
Ｄ．点弧制御、
Ｅ．前回溶接からのデータに基づき、負荷インピーダンス強度と力率を推定するためのインピーダンス推定器、
Ｆ．溶接電源の集中パラメータモデルに基づき電源を推定するための電源推定器、
Ｇ．集中パラメータモデルと推定負荷インピーダンスと溶接電源内に存在するラインインピーダンスにより生じる推定電圧降下とに応答して、次に継続するライン電圧サイクル内で溶接接触器の点弧点を調整し、溶接電源をライン電圧変動から独立に、また溶接変圧器負荷に流れる実際の溶接電流とは独立に維持することにより、希望する溶接シーケンスが維持される場合の予想ライン電圧を決定しライン電圧の変動を補償するための制御装置とを含む、前記ディジタル溶接制御システム。
【請求項２】
請求項１記載のディジタル溶接制御システムに於いて、溶接電源の集中パラメータモデルが、理想電源と集中ラインインピーダンスとを含む前記ディジタル溶接制御システム。
【請求項３】
請求項２記載のディジタル溶接制御システムに於いて、電源推定器が、理想電源の電圧と溶接電源の集中ラインインピーダンスを推定する前記ディジタル溶接制御システム。
【請求項４】
請求項１乃至３のディジタル溶接制御システムによって実行される抵抗溶接機制御アプリケーションで使用するために、溶接電源の理想電源とラインインピーダンスの値を推定するための方法であって、
ａ．第一ライン電圧サイクルのライン電圧とその結果生じる負荷電流を測定する手順と、
ｂ．負荷電流が第一サイクルの測定負荷電流と異なる、第二ライン電圧サイクルのライン電圧とその結果生じる負荷電流を測定する手順と、
ｃ．第一サイクルの測定ライン電圧と第二サイクルの測定ライン電圧との間の電圧差を計算する手順と、
ｄ．第一サイクルの測定負荷電流と第二サイクルの測定負荷電流との間の電流差を計算する手順と、
ｅ．電圧差を電流差で割り算してラインインピーダンスの推定値を求める手順と、
ｆ．推定されたラインインピーダンス値と１つのサイクルの溶接電流とを掛け算し、結果として得られた値をそのサイクルの測定ライン電圧に加算して推定された理想電源の値を計算し、希望する溶接シーケンスが維持される場合の予想されるライン電圧を決定する手順とを含む前記方法。
【請求項５】
請求項４記載の方法に於いて、第一ライン電圧サイクルが、電流を流す指令が出されていないサイクルであり、第二ライン電圧サイクルが、電流を流す指令が出されているサイクルである前記方法。
【請求項６】
請求項５記載の方法に於いて、第一ライン電圧サイクルが、指令された溶接パルスの開始直前のサイクルである前記方法。
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
出願人の発明は、一般的に溶接制御装置の分野に係わり、更に詳細には、入力ライン電圧内の変動を引き起こすラインインピーダンスの影響を自動的に補償して、溶接制御装置で溶接されているワークピースへの出力ＲＭＳ電流を一定に維持する溶接制御システムに関する。
従来の技術
抵抗溶接は、金属、例えば自動車の製造中に使用される鉄鋼などの接合が必要とされるほとんどの応用分野で幅広く使用されている。マイクロプロセッサの出現に伴い、溶接制御装置は、更に複雑化し種々の制御技術を用い、接触導体の使用期間を通して、それらが消耗しても溶接の品質を保証するようにしている。プロセスまたは用いられている制御技術に関係なく、ほとんどの溶接制御装置は、いくつかの基本要素で構成されている。これらは、溶接制御モジュール、電力モジュール、溶接変圧器そして接触導体を含む。電力モジュールは、通常、シリコン制御整流器（ＳＣＲ）の様な電力半導体を含み、これは、入力される電力を溶接変圧器にスイッチするが、これは、制御モジュールで生成された事前にセットされた溶接プログラムに基づいて行われる。溶接変圧器は、入力電力を高電流パルスに変換し、これは、接触導体に結合されて、接触導体の間にあるワークピースの溶接を生成する。
溶接プログラムは、位相角制御を用いて、電力モジュールを切り替える。溶接に供給される熱の必要なレベルを維持するために、ＳＣＲを点弧させる適切な位相角は、電力を溶接制御に、引き続いて溶接制御から溶接変圧器に供給する電源の状態の関数となるはずである。
初期の型式の電圧補償型溶接機制御が米国特許第４，２８９，９４８号に開示されており、これは、ライン電圧を測定して、その公称値を決定し、それに基づいてタイミング信号を求めるための方法を説明している。この公称値が予想される、または希望する電圧レベルと比較される。差を経験的に求められた式を用いて新たな点弧角を決定し、これは、溶接電流をライン電圧の変動とは独立に一定に保つために、溶接変圧器及び接触導体に供給される有効電圧を上昇または下降させるために必要である。負荷の大きさ及び力率が実際に既知であり、無限に安定な電圧源が溶接制御装置の入力に出現すると仮定すると、ＳＣＲの点弧により溶接電流が一定に保たれるはずである。しかしながら、負荷インピーダンスは、部分毎で変化し、接触導体の特性は、消耗の結果変化するため、実際のライン電圧が公称設計電圧であることはほとんど無い。
一般的に実際のライン電圧は、電源電圧のみの関数ではなく、またラインインピーダンスの関数でもある。ライン電圧は、公称設計電圧と異なるが、それは電圧源は、電力会社で生成された現実の電圧源であり、送電システムの影響を受けるため溶接制御の公称設計電圧とはならない。ラインインピーダンスが存在するため、溶接に流れる電流に比例して電圧降下を生じる。実際の溶接電流を目的とする負荷電流と比較すると、これは、実際のライン電圧と公称ライン電圧の比率に比例し、公称負荷電流と溶接部の全可能公称短絡電流との比率の関数である係数分、減じられたものである。
従来技術では電圧源は、固定されていて、ラインインピーダンスは、存在しないと仮定している。前提は、溶接制御装置は、溶接制御装置が現在の溶接パルスからライン電圧を測定することが可能で、次回の溶接パルスをこの測定値に基づいて訂正できるということである。静的な状態で、これは、希望する結果を与える。しかしながら、この方法に関連して過渡応答が存在し、これは、その有効性を制限する。この静的状態に於いて、実際の溶接負荷電流は、公称負荷電流となる。しかしながら、溶接電流の最初の２サイクルは、送電システムに対する公称希望電流よりも極端に低くなるが、それは、初期負荷電流が公称希望電流よりも大きくずれないため送電システムが非常に固定されているためである。従来技術は、優れた静的状態応答を提供する一方で、過渡特性を有し、これは、溶接のアプリケーションでは好ましいものではなく、特に、例えばアルミニウム溶接の様に溶接を行うために使用するサイクル数が少ない場合は、問題である。比較的高い電流で３−６サイクル程度しか含まない溶接パルスは、最新のアプリケーションでは非常に一般的であり、従って溶接制御の過渡応答の改善は、非常に有益である。
この過渡特性が取り除かれてラインインピーダンスの影響が補償出来て、その結果、現在の溶接制御装置の過渡性能を従来技術の制御装置に比較して著しく改善するシステムまたは方法を開発することが必要であろう。
発明の要約
従って、本発明の基本的な目的は、位相制御式溶接制御装置システムを提供することであり、これは、溶接ラインと負荷インピーダンス並びに開放回路溶接入力電圧の内部モデルを用いて、希望する溶接電流を維持するための公称点弧角シーケンスまたは導通角シーケンスを求める。
本発明の別の目的は、位相制御式溶接制御装置システムを提供することであり、これは、予想溶接ラインと負荷インピーダンス並びに開放回路ライン電圧を推定して内部モデルを求める。
本発明の更に別の目的は、溶接シーケンス中に溶接ラインと負荷インピーダンス並びにライン電圧を正確に測定するための方法並びに装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、測定並びに推定されたライン及び負荷インピーダンスを用いて、希望する溶接シーケンスが維持される場合の予想されるライン電圧を決定するための方法並びに装置を提供することである。
本発明の提供された実施例において、本発明は、これに限定するものではなく、溶接制御モジュール、電力モジュール、溶接変圧器及び単相電源で動作する接触動体といった基本要素のシステムを含む。電力モジュールは、例えばシリコン制御整流器（ＳＣＲ）またはサイリスタの様な電力半導体を含み、これは、溶接変圧器への入力電力を予め設定されたプログラムに基づいて切り替えて、制御モジュールで生成されるように希望する溶接シーケンスを維持する。溶接変圧器は、入力電力を高電流パルスに変換し、これは、接触導体に結合されて接触導体の間に在るワークピースの溶接を作り出す。
本発明の位相制御式溶接制御装置において、１つの制御変数は、入力ライン電圧に対するＳＣＲへの点弧パルスのタイミングに関する。この様にして溶接制御装置は、入力、出力並びに状態変数を具備し、連続的な時間可変量というより、むしろ、ＡＣ電源の半サイクルを時間で表現するシーケンスの最小単位を備えた数学的シーケンスで表現される離散時間システムとして取り扱われる。ほとんどの抵抗溶接アプリケーションの中で、特に自動車製造での抵抗溶接制御のアプリケーションでは、例えば工具故障または重大な部品据え付け事象の様な重大なプロセスの問題が無い限り、部署毎での負荷インピーダンスの変動は、ほとんど無い。本発明は、溶接電源の内部集中パラメータモデルを生成し、これは、理想電源と集中ラインインピーダンスと負荷インピーダンスの内部集中パラメータモデルを予想される負荷電流と伝導角との関係の形式で含む。溶接制御装置は、公称点弧角シーケンスをラインインピーダンス、開放ライン電圧及び負荷電流と伝導角との間の推定された関係、また点弧角、伝導角および負荷回路力率の推定モデルに基づいて計算し、これは、モデルが正確であれば希望する溶接シーケンスを実現するものである。このように先験的に開発されたモデルを用いて公称制御信号を計算する過程は、一般的にフィードフォワード制御として知られている。溶接制御装置は、続いて、溶接シーケンスが実行されている間に実時間で受信された測定値を用いて、公称点弧角を修正し希望する目的がより良く実現されるようにしている。目標と観測されたパラメータ値との間の誤差に応じて実時間で制御パラメータを調整するこの過程は、閉ループフィードバック制御と呼ばれている。この手法は、溶接制御装置が実際の負荷に対して、低いフィードバック利得で希望する溶接シーケンスを迅速に実現することを可能とし、その結果、過剰な感度を伴わずにシステムが迅速でかつ正確に応答できるようにしている。
新規で自明では無いと信じられる、本発明のその他の特徴ならびに長所は、本発明の提出された実施例を示す添付図面と共になされる以下の説明から明らかとなろう。この様な実施例で表現される必要の無い、本発明の全範囲を解釈するためには、特許請求項を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に基づく基本溶接制御装置１０の全体ブロック図を示す。
図２は、図１の溶接制御装置の簡略化された集中パラメータモデルであり、関連する分電システムと溶接負荷とを含む。
図３は、力率３０％で最大電流４０００アンペアでの実際の溶接電流と伝導角との関係のグラフ曲線を示す。
図４は、図１に示される溶接調整装置の詳細ブロック図である。
図５は、図１に示される公称点弧角発生器の詳細を示す。
図６は、図１に示される点弧角補償器の拡張ブロック図を示す。
図７は、図６のフィードバック補償機能を％Ｉ溶接モードに拡張する。
図８は、図６のフィードバック補償機能を定電流溶接モードに拡張する。
図９は、図１に示される溶接調整器のダイナミックＩ−ｇ推定機能を拡張する。
図１０は、図４に示されるダイナミック推定器で使用されるラインインピーダンスの新たな推定値を計算するための過程を示す。
実施例の詳細な説明
本発明は、多くの異なる形の実施例が考えられるが、１つの提出された実施例を此処に詳細に説明し図示する。本開示は、発明の原理を説明しており、本発明の広範な特徴を説明されている特定の実施例に限定するものとは考えていない。
図１は、基本的な溶接制御装置１０の概要ブロック図を示す。溶接電力の電源が溶接制御装置に入力ラインＬ１およびＬ２を介して接続されている。溶接制御装置は、溶接制御装置１０の外部にある溶接プログラム器１４に結ばれたシリアル通信リンク１２を経由してプログラムされる。溶接プログラム器経由でひとたびプログラムされると、溶接プログラムの実行が外部装置１６経由で開始され、これは、続いてプログラムを１つまたは複数の溶接指令パルス１９に分解する、溶接シーケンスＩ／Ｏ１８に結線されている。溶接制御装置１０の出力は、溶接変圧器２０とガン２２に結線されており、これは、接合されるべき２つまたはそれ以上の金属から成るワークピースを通して電流を通す。
溶接制御装置１０は、また溶接調整器２４、点弧制御モジュール２６、および位相基準クロック２８を含む。ディジタル電圧計３０は、入力ライン電圧Ｌ１−Ｌ２の種々のパラメータ、例えば電圧−時間領域および極性を測定するために使用される。電流センサ３２は、溶接変圧器２０の一次側を流れる電流に比例した電流信号Ｈ１，Ｈ２を生成する。ディジタル電流計３４は、一次負荷電流の種々のパラメータ、例えば、電流−時間領域、極性および導通時間を測定するために使用される。
溶接調整器２４は、マイクロプロセッサ、関連するプログラムとデータメモリ並びに水晶制御クロックの様な時間基準源で構成されている。溶接調整器２４は、溶接制御装置１０の機能的な中枢であり、その他の全ての機能と相互に作用しあって、点弧制御モジュール２６を通して半導体溶接接触器３６を点弧するための適切なタイミング信号を生成し、これは、ソフトウェアの制御の下位相基準クロック２８と同期されている。半導体溶接接触器３６は、点弧制御器からの点弧パルスの形式の指令に応じてライン電圧を切り替える。この接触器は、一般的に関連する緩衝器を具備した一対の背面接続サイリスタ、点弧パルスを受け付けるために必要なレベルシフト並びにパルス整形回路を含む。溶接シーケンスＩ／Ｏ１８は、外部装置１６へのハード配線ディジタル入力及び出力、または種々の商用標準であるいくつかのシリアル通信インタフェースの１つの形式であるハードウェアインタフェースと、溶接プログラムの開始に際して１つまたは複数の溶接指令パルス１９を溶接調整器に対して生成するソフトウェアとを含む。
位相基準クロック２８は、自走クロックであり、これは、ソフトウェア遅延とは無縁に動作する。位相基準クロックは、周波数と入力ライン電圧Ｌ１およびＬ２の位相の推定に基づく半導体溶接接触器点弧パルスに対する内部時間基準を提供する。位相基準クロックの周期は、ソフトウェア制御により設定及び修正する事が出来る。提出された実施例に於いて、位相基準クロックは、一般的に利用可能なプログラム可能カウンタを用いて、溶接調整器２４の外部のハードウェア内で実現される。動作に際してカウンタは、方形波を生成するようにプログラムされており、これは、溶接調整器２４で使用される割り込みシーケンスとなる。カウンタの周期は、溶接調整器２４でプログラムされ、これは、入力ライン電圧を追跡するクロックの周期をセットする。位相基準クロック２８、ディジタル電圧計３０およびディジタル電流計３４の詳細は、共通に委譲されている米国特許明細書連番０８／８６６，８２９号、１９９７年５月３０日受理、名称“溶接制御装置用位相歪み補償時間基準”に開示されておりその詳細は此処に記載することで参照されている。
溶接制御装置１０は、２種類の溶接制御型式をサポートする。パーセント電流（％Ｉ）溶接は、サイリスタ点弧角を調整して、最大溶接電流のパーセンテージを表す電圧並びにラインインピーダンス補償導通角を仮定された負荷インピーダンスに制御する、そして定電流溶接は、サイリスタ点弧角を調整して目標電流を直接実現する。％Ｉ溶接指令の一般的な形式は、最大制御可能電流のパーセンテージを示し、これは、半導体接触器導通角とＩ−γ表に格納されている予想溶接電流との間の推定された関係から決定される。最大制御可能電流という用語を次に定義する。％Ｉ指令の第一形式は、最大制御可能電流のＹＹパーセントに於けるＸＸサイクルの一定溶接パルスを出力するように意図されている。第二形式は、溶接電流を最大制御可能電流のＹ１からＹ２パーセントに、溶接のＸＸサイクルに渡って線形的にランプ状に変化させることを意図している。
溶接制御装置１０内の定電流溶接指令の一般形式は、第一形式を含み、これは、ＹＹアンペアＲＭＳの溶接電流を溶接変圧器の一次側にＸＸサイクルに渡って出力することを意図している。第二形式は、使用者が希望の二次電流をプログラムする事を可能とし、これを続いて溶接制御装置１０が既知の溶接変圧器巻線比から一次電流に変換する。同様に溶接指令の第三形式は、溶接電流をＹ１アンペアからＹ２アンペアにＸＸサイクルの周期に渡って線形的にランプ状変化させることを意図しており、第四指令は、使用者が溶接電流の目標を二次キロアンペアで線形的なランプ状に指定することを可能としており、これは、続いて溶接制御装置１０により一次アンペアに変換される。
図２は、抵抗溶接制御装置１０及び関連する電力分配システムと溶接負荷用の簡略化された集中パラメータ回路モデル４０であり、これは、溶接制御装置１０の数式を導き出すために使用される。集中パラメータモデル４０は、溶接電源４２、溶接制御装置１０及び溶接負荷インピーダンス４４を含む。溶接電源４２は、２つの回路要素、直列インピーダンスを持たない理想電圧源と仮定されている電圧源４６と、理想的で線形であり理想電源と溶接制御との間で溶接負荷電流に比例した電圧降下を生成すると仮定されている直列接続された集中ラインインピーダンス、Ｚlineとしてモデル化されている。溶接制御装置１０は、負荷電流Ｉloadとその入力端子に供給される電圧、Ｖwcを監視することが可能である。サイリスタに基づく位相制御を用いることにより、溶接制御装置は、溶接電圧Ｖloadをその出力端子に対応する溶接電流Ｉloadと共に生成する。溶接負荷インピーダンス４４は、溶接変圧器２０、ワークピース、生産設備２２、固定具並びにその他のインピーダンス源を含む。数式を簡略化するために、これら構成要素は、全て単一インピーダンス量に集中化されており、これは、溶接制御の出力端子にＺloadとして反映されている。溶接制御が電圧Ｖloadを負荷インピーダンスに供給すると、その結果生じる電流は、Ｉloadである。
通常の抵抗溶接アプリケーションの場合の様な誘導負荷に導通された際のサイリスタ電圧と電流との間の関係は、良く知られている。以下の説明の中で周波数との独立性を保つために、正弦波電圧源は、時間の代わりに角度にスケール変更されている。角度で定義された正弦波では、サイリスタは、通常、正弦波電圧源のゼロ交叉点を追従している位相基準クロックに対して角αで点弧され、この時点でサイリスタは、電流の導通を開始する。導通時のライン電圧とライン電流との間の関係は、以下に比例し、
0004319257.tif 000002
此処でΦは、実測角、αは、サイリスタが点弧されるライン電圧のゼロ交叉点に対する角度、θは、負荷の遅延角、そしてγは、サイリスタの導通角で、次式を満足する最小値である。
0004319257.tif 000003
負荷インピーダンスの遅延角、式（１）内のθは、回路力率、ｐｆに次のように関係している：
0004319257.tif 000004
図２の集中パラメータモデル４０が、ラインインピーダンス（４８）を含まない正規化された理想電源である溶接電圧４６と、その性質が誘導性である正規化された溶接負荷インピーダンス４４と仮定すると、溶接導通角と力率との関数としてサイリスタの半サイクルの導通の結果生じるＲＭＳ電流は、グラフ的に示すことが出来る。集中パラメータモデル４０に於いて、その負荷は、Ｉ−ｇ曲線で完全に特性表現出来る。そうするためには、回路力率の知識を持つだけで十分であり、これは、１つの導通条件と既知の電圧に於ける負荷インピーダンスと溶接電流の“形状”をユニークに記述する。全１８０度導通と公称ライン電圧で生成出来る最大電流は、従ってＩ180と呼ばれ公称負荷インピーダンスＺloadに次式で関連する。
0004319257.tif 000005
Ｉ180の値と負荷インピーダンスに対するＩ−γ曲線とが与えられると、導通角に対する実際の溶接電流に関する曲線が構築できる。図３は、力率３０％及び４０００アンペアの最大電流Ｉ180に対するその様な曲線を示す。図３と希望する溶接電流が与えられると、その希望する電流を実現するために必要な導通角は、そのグラフから決定できる。更に、先の式（３）及び（４）は、点弧角、導通角および負荷力率に関係する。この様に、点弧角および導通角方向への線形内挿を行う表対照技法を採用することにより、回路力率と点弧角が決定される。これはダイナミックＩ−γ曲線（ＤＩＧ）モデルとなり、溶接制御装置１０の中に保持されて導通角と公称ライン電圧Ｖnomに於いて結果として流れる予測溶接電流との間の予想される関係を提供する。この情報は、溶接制御装置溶接調整器制御戦略内のフィードフォワード項を計算するための基礎として使用される。
溶接制御装置調整器戦略内のフィードフォワード項の目的は、次の形式のライン電圧シーケンスを生成することである。
0004319257.tif 000006
ここでＶnomは、これに対して制御装置が設計された電源の値であって、例えば、米国内では４８０ＶＡＣである、そして％Ｉmax（ｎ）は、目標溶接電流で表現されＤＩＧモデルから決定された最大制御可能溶接電流のパーセンテージである。本発明に於いて、最大制御可能溶接電流、Ｉmaxは、１７０度導通角でのダイナミックＩ−γ曲線で与えられる電流として定義され、ライン電圧変動及び最大％Ｉ値でのラインインピーダンスの効果を補償するために、導通角目標を１０度訂正することを可能とする。％Ｉ溶接がプログラムされる時、目標電流は、示されたＩmaxのパーセンテージである。同時に定電流溶接での目標電流に対応する％Ｉは、目標電流をＩmaxで割り算して決定される。
指定された導通角で観測される実際の電流値の変動には、２つの原因がある。ライン電圧は、ＤＩＧモデルが基づいている公称ライン電圧では無いか、またはＤＩＧモデルが負荷インピーダンスを正確に表現していない。式（４）を使用し、溶接制御の入力にＶwc（ｎ）として現れるライン電圧のシーケンスを定義し、負荷インピーダンスの内部モデルが実際のと一致していると仮定し、溶接制御装置１０の第ｐ番目溶接指令の解釈に基づき、目標電流シーケンス、Ｉt（ｎ）および結果として得られる点弧角シーケンスα（ｎ）、溶接制御装置で結果として生成される実際の負荷電圧は、
0004319257.tif 000007
溶接制御装置のフィードフォワード路は、公称溶接電圧のこのパーセンテージを負荷に供給するように意図する点弧角を生成する。
本発明は、ＳＣＲが点弧される時に結果として生じるラインを推定する。この推定されたライン電圧シーケンスは、Ｖest（ｎ）として定義され、そして新たな目標電流シーケンス、Ｉtc（ｎ）は、次式を用いて推定できる。
0004319257.tif 000008
この新たな目標電流を（５）に代入して、項を整理すると、結果として得られる電圧は、次のように示される：
0004319257.tif 000009
（８）と（６）とを比較すると、システムが結果として生じるライン電圧シーケンスを正確に推定出来る。すなわち、Ｖwc（ｎ）とＶest（ｎ）とが等しいとすると、（８）の括弧内の表現は、１となり、溶接制御は、適切な目標ライン電圧シーケンス、Ｖt（ｎ）を（６）に基づいて生成する。
図４は、図１の溶接調整器２４のブロック図を示す。これは、溶接制御装置１０の中心となる構成要素であり、その他の全ての機能と相互作用して適切なタイミング信号を決定及び生成して、点弧制御モジュール２６を通してサイリスタを点弧する。その機能は、正しい溶接シーケンスを作り出すはずの公称点弧角シーケンスを作り出し、負荷インピーダンス、ラインインピーダンス及びライン電圧が正確に推定できると仮定し、続いて動作中にシステムの実際に観測された行動に基づいて、公称シーケンスの小さな調整を行うことである。溶接調整器２４の２つの主なブロックは、公称シーケンスを修正する補償点弧角生成器５０、そして公称点弧角生成器５２である。
公称点弧角と目標導通角及び電流シーケンスを生成するために、公称点弧角生成器５２は、いくつかの入力を必要とする。第一に溶接指令前処理機能５６は、オペレータによりプログラムされた第ｐ番目溶接指令から情報を導き出し、これは、この第ｐ番目パルスに対する一次電流の開始目標値、StartI（p）、この第ｐ番目パルスに対する一次電流の終了目標値、EndI（p）、第ｐ番目パルス内の溶接のサイクル数Cycles（p）、及びType（p）とラベル付けられた溶接型式（％ＩまたはＣＣＷＥＬＤ）を含む。
定電流溶接の場合、前処理は、入力された全ての二次電流を一次電流に変換し（特定の変圧器巻線比を用いて）、そして上記の情報を抽出することを含む。％Ｉ溶接の場合、プログラムされたパーセンテージは、目標一次電流に、使用者がプログラムしたパーセンテージにＩmaxを掛け算することで変換されるが、このＩmaxは、ＤＩＧからの電流であって、先に説明したように溶接制御から公称推定負荷に公称設計電圧で１７０度の導通角で供給されるはずのものである。StartI（p）、EndI（p）、Cycles（p）及びType（p）は、全て公称点弧角生成器５２への入力であり、Type（p）は、また補償点弧角生成器への入力でもある。
ラインインピーダンス推定器機能５８は、ラインインピーダンスＺlineの推定を公称点弧角生成器５２に提供する。ダイナミックＩ−γ推定器機能５４は、負荷力率、ＰＦ（ｐ）の先験推定、及び推定されたＩ−γ値，ＤＩＧ（ｐ）の表を保守し、これらは、共に前回の溶接から以下に説明する方法を用いて導かれる。ディジタル電圧計機能３０は、ライン電圧の各サイクルの負の半サイクルに対するＲＭＳライン電圧の推定Ｖ（ｎ）を公称点弧角生成器５２への供給する。ディジタル電流計機能３４は、各々の負半サイクルに対するＲＭＳ電流の推定されたシーケンスＩ（ｎ）を、公称点弧角生成器５２と補償点弧角生成器５０の両方に供給し、また同様に推定された正半サイクル電流、Ｉ+（ｎ−１）、負導通角シーケンス、γ-（ｎ）並びに正導通角シーケンスγ+（ｎ−１）を補償点弧角生成器５０に供給する。
上記のように与えられた入力によって、公称点弧角生成器５２は、公称点弧角のシーケンス、αnom（ｎ＋１）、補償目標導通角シーケンス、γτ（ｎ＋１）及び目標電流シーケンス、Ｉt（ｎ＋１）を補償点弧角生成器５０に提供する。補償点弧角生成器５０は、正半サイクル点弧角のシーケンス、α+（ｎ＋１）と負半サイクル点弧角のシーケンス、α-（ｎ＋１）を点弧制御装置２６に提供し、これは、サイリスタにトリガを掛ける電気的インパルスのシーケンスを出力して溶接電流を流す。
図５は、公称点弧角生成器５２の詳細を示す。溶接軌跡生成器６０は、公称目標電流のシーケンス、Ｉｔ（ｎ＋１）を生成し、ここでインデックス“ｎ＋１”は、その軌跡生成器の出力が溶接の次回サイクルに対する公称電流の値であることを表している。溶接軌跡生成器６０で生成されるシーケンスは、次式で与えられる。
0004319257.tif 000010
ラインインピーダンス補償器機能６２は、溶接軌跡生成器６０で計算された公称電流軌跡をラインインピーダンス及び電圧の変動の影響に対して、上記の数式で調節する。ラインインピーダンス推定器機能５８で生成された、第ｐ番目溶接パルスに対するラインインピーダンスＺｌｉｎｅ（ｐ）の推定は、サイクル数と同様にラインインピーダンス補償器６２への１つの入力である。前回溶接サイクルからのライン電圧推定値、Ｖ-（ｎ−１）は、ラインインピーダンス補償器６２にディジタル電圧計３０から供給される。これもまた供給されるのは、公称ライン電圧、Ｖｎｏｍであって、制御のアプリケーションに依存する設計パラメータである。ラインインピーダンス補償器６２の出力、Ｉtc（ｎ＋１）は、次式で与えられる。
％Ｉモードに於いて、
0004319257.tif 000011
そして、定電流モードに於いて、
0004319257.tif 000012
此処で、Ｖs*（ｐ）は、丁度、半サイクル前のライン電圧とライン電流を用いて現在の溶接パルスを開始するために次式を用いて計算される。
0004319257.tif 000013
電圧補償された目標電流シーケンスＩtc（ｎ＋１）は、溶接制御ソフトウェアに組み込まれ、新たなＩtc（ｎ＋１）が各サイクル毎に計算される。
ラインインピーダンス補償された目標電流のシーケンスＩtc（ｎ＋１）は、続いて目標導通角生成器６４に供給され、これは、ダイナミックＩ−γ推定器機能５４で生成されたダイナミックＩ−γ曲線シーケンスＤＩＧ（ｐ）を用いて、次回パルス用の目標導通角のシーケンス、γt（ｎ＋１）を計算する。この目標導通角シーケンスは、これもまたダイナミックＩ−γ推定器機能５４から供給されるシステム力率、ＰＦ（ｐ）の推定値と共に、公称点弧角生成器６６に供給され、これは、ディジタル化された表面関連点弧角、導通角そして力率と表対照技法並びに２次元内で線形内挿の組み合わせを用いて、公称点弧角シーケンスαnom（ｎ＋１）を計算する。この出力シーケンスαnom（ｎ＋１）は、溶接制御装置１０戦略内でフィードフォワード点弧角シーケンスとなり、点弧角補償器５０への１つの入力である、この内部動作の詳細は、溶接型式（％Ｉまたは定電流）によって異なる形式をとる。
点弧角補償器５０へのその他の入力は、測定された正及び負導通角シーケンスγ+（ｎ−１）およびγ-（ｎ）、測定された正及び負電流シーケンスＩ+（ｎ−１）およびＩ-（ｎ）、これらの全ては、ディジタル電流計３４で供給され、それと溶接型式（定電流または％Ｉ）である。点弧角補償器の出力は、点弧角の２つのシーケンス、α-（ｎ＋１）とα+（ｎ＋１）である。
図６は、点弧角補償器５０の拡張されたブロック図を示す。溶接型式、公称点弧角、目標導通角シーケンス、目標電流シーケンス並びに前回の正及び負半サイクルから測定された電流及び導通角がフィードバック補償器機能７０に入力される。フィードバック補償器機能７０の出力は、補償された点弧角のシーケンスαc（ｎ＋１）であり、溶接の次回全サイクルで採用される正しい点弧角に対するシステムの最適推定を表す。この点弧角のシーケンスαc（ｎ＋１）は、続いて遅延された点弧補償機能７２を通され、これは、ある環境下での溶接パルスの第一および最終半サイクルに対する下限値を与える。遅延点弧生成器７２の出力は、溶接の次回サイクルに対するそれぞれの目標点弧角、αdf-（ｎ＋１）およびαdf+（ｎ＋１）である。
計算された点弧角の１つの最終チェックがそれらをタイミング信号に変換して点弧パルスをサイリスタに供給するに先立って実施される。ダイナミック点弧角制限機能７４が点弧パルスに供給されるが、これは、前回負半サイクル点弧角αdf-（ｎ）および結果として観測される導通角γ-（ｎ）に基づいて、点弧角が半周期サイクリング条件を起こさないようにするために行われる。これらの値は、タイマ計数値に変換され、続いて点弧角タイマに供給される。
図７は、図６のフィードバック補償器７０を％Ｉモードの中で拡張している。このシステムブロックは、システムソフトウェアの中に組み込まれ、下記のテスト結果に基づいて溶接の各々のサイクルで条件付きで実行される。
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溶接制御装置１０は、前回溶接電流をテストし、それがその目標値のパーセンテージ内であることを確認する。この条件が侵されるのは、例えば、溶接ガンに供給される圧力が不十分で、それが閉じていない場合、または１つまたは両方の溶接電極とワークピースとの間に鋳型の様な絶縁物が存在した場合である。前回負半サイクルからの溶接電流が（１２）で与えられる、予想最小電流よりも大きい場合、溶接制御装置１０は、そのサイクルに対する閉ループフィードバック制御を凍結し、プログラムされたサイクル数が完了するか、更に重大なエラー状態が検出されるか、または電流が（１２）で指示された範囲内に落ちるまで、前回点弧角を使用する。本実施例に於いて、δは、０．２５に設定されており、これは、測定された溶接電流が実行される補償アルゴリズムに対して予想値の７５％以内である必要があることを意味している。（１２）に記述されている条件が満たされると、％Ｉモードに於いて溶接制御装置は、次式で与えられる状態変数ｘ１（ｎ）の値を計算する。
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そして次回目標点弧角、α（ｎ＋１）を次式で、
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計算し、ここでＫgは、制御ループの不均衡利得、そしてＫipctは、積分利得項である。本溶接制御装置１０に於いて、Ｋg及びＫipctは、各々０．５に設定されている。
図８は、定電流溶接モードに於けるフィードバック補償器機能７０を示す。此処でも、補償器は、上記の式（１２）に従って条件付きで実行される。この場合、公称点弧角は、公称溶接電流を観測された溶接電流との直接比較に基づいて調整される。ｘ１（ｎ）およびｘ２（ｎ）とラベルを付けられた２つの状態変数が図８に示されている。これらの各々のに関係するシーケンスは、次式で与えられる：
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および
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そしてα（ｎ＋１）を生成するシーケンスは、次式で与えられ。
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ここでＩＫ１およびＩＫ２は、定数である。溶接制御装置において、ＩＫ１およびＩＫ２の値は、現在、それぞれ１００／Ｉ180および１００／Ｉ180である。
図９は、溶接調整器５０のダイナミックＩ−γ推定器５４を拡張したものである。提出された実施例に於いて、点弧角αupd（ｐ）、結果としての導通角γupd（ｐ）、測定されたライン電圧Ｖupd（ｐ）および溶接パルスｐの最新の負半サイクルに対応する測定された負荷電流Ｉupd（ｐ）を用いて、負荷インピーダンス力率並びに対応するＩ−γ曲線の新たな推定値が計算される。αupd（ｐ）およびγupd（ｐ）は、ブロック図の中でパルス力率（ＰＥ１）計算として示される処理ルーチンに入力される。この機能は、先に説明した点弧角、導通角および力率の間のディジタル化された関係を内挿を用いた表対照技法の中で使用して、点弧角及び導通角の知識から溶接負荷力率を計算する。この機能の出力は、ＰＦp（ｐ）とラベルを付けられたスカラー量である。このスカラー力率は、ディジタルフィルタ（ＰＥ２）への入力を形成し、これは、推定されたシステムＰＦ（ｐ＋１）を計算し、推定されたシステム力率内での溶接間での変動を軽減する。溶接制御装置内で使用されるフィルタは、次の形式を取る。
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此処でｘ（ｎ＋１）は、フィルタの出力を表し、ｕ（ｎ）は、フィルタへの入力を表し、ｘ（ｎ）は、更新される前のフィルタ出力を表し、そしてｋfrは、０と１の間の定数である。本溶接制御装置１０に於いて、ｋfrは、現在のところ０．２５の値に設定されている。溶接制御装置１０内のフィルタの初期値は、３０％であり、これは、抵抗溶接アプリケーションの中で見られそうな力率の最小値を表している。
溶接制御装置１０に於いて、与えられた溶接スケジュールに対するＤＩＧは、１９点のベクトルで表現され、これは、０から１８０度の両端を含みこの範囲を導通角で１０度づつ更新することに対応する。図７の表面のディジタル化された表現は、マイクロプロセッサのメモリ内に格納される。推定された力率ｐｆ（ｐ＋１）がソフトウェア機能に入力され、これは、表対照と線形内挿の組み合わせを用いて、正規化されたＩ−ｇ値のベクトルを力率の関数として計算する（ＰＥ３）。この機能の出力は、Ｉ−γnom（ｐ＋１，γ）とラベルが付けられている。正規化されたＩ−ｇ表は、続いて更新された導通角、γupdで評価され（ＰＥ４）、導通角で表現された最大電流のパーセンテージを決定する。この値は、％Ｉabs（ｐ＋１）と表される。
１８０度導通角で得られる推定電流、Ｉ180m（ｐ＋１）は、実際に測定された更新電流、Ｉupd（ｐ）を％Ｉabs（ｐ＋１）で割り算して（ＰＥ５）決定される。Ｉ180m（ｐ＋１）は、全導通時に電源が一定と仮定して測定されたライン電圧がＶupd（ｐ）の時に、溶接制御装置で得ることの出来る最大電流の推定値である。ダイナミックＩ−γ表は、公称ライン電圧に於ける溶接制御の動作特性として定義されているので、Ｉ180m（ｐ＋１）は、ライン電圧に対して公称ライン電圧と測定されたライン電圧、Ｖupd（ｐ）の比率を掛け算して調整される（ＰＥ６）。この値は、続いてディジタルフィルタ（ＰＥ７）に、パルス力率と同一の方法で通されて、最大電流推定値Ｉ180m（ｐ＋１）を得る。正規化されたＩ−γ表、Ｉ−γnom（ｐ＋１）の各々の要素を最大電流推定値Ｉmax（ｐ＋１）に掛け算することにより（ＰＥ８）、溶接制御ＤＩＧ（ｐ＋１）に対するＩ−γ特性の推定値が得られる。
ＤＩＧ推定は、本発明の精神を侵すことなく、その他のいくつかの方法で行えることに留意されたい。成功裏に行われた１つの実現手法では、溶接電圧と溶接電流の平均値を更新値として第ｐ番目溶接パルスとしている。
ラインインピーダンス推定器５８は、前回溶接で測定されたライン電圧と電流を使用しラインインピーダンスの強度の推定値を求めている。ラインインピーダンスは、溶接パルスに比較して緩やかに変化するものと仮定している。例えば、抵抗溶接制御は１分間にいくつかの溶接を行うように要求されているが、ラインインピーダンスの変化はかなり長い時間周期で検出可能であると想定されている。図１の集中パラメータブロック図のテブナン等価電圧の変化に関してその様な想定はなされていなので、以下に示す推定過程に於いていくつかの注意が必要である。
図１０は、ラインインピーダンスの新たな推定値を計算するための過程を示す。この推定値は各々の“正常に完了した”溶接パルスの後に、データの確認をして計算される。図１０に於いて、量Ｖoc（ｐ）は、最新の既知の開放回路電圧、すなわち溶接電流が流れていないことが知られている最新の半サイクルのライン電圧である。Ｖoc（ｐ）は、図３の集中パラメータモデル内のテブナン等価電源Ｖｓの値を正確に表し、そしてその値は、溶接パルス中に明白には変化しないものと仮定されている。設計に於いては、これは、常に正確な仮定であるとは認識されておらず、初期テストとして、開放回路電圧、Ｖoc（ｐ）が最初更新電圧、Ｖupd（ｐ）に対して比較されＰＥ１０、これは、先に説明した様にＤＩＧを更新するために使用される溶接電流の最新負半サイクルに関連した同一ライン電圧である。更新電圧、Ｖupd（ｐ）がＶoc（ｐ）以上で、図３のテブナン等価電源Ｖｓがかなり明白に変化した場合、ラインインピーダンス推定値の更新は、行われない。
開放回路電圧が更新電圧より大きいと仮定すると、パルスに対するラインインピーダンスの推定値、Ｚnlp（ｐ）が次式を用いて計算されるＰＥ１１
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この値は、ディジタルフィルタＰＥ１２を通して、上記と同様な方法でフィルタを掛けられてラインインピーダンスＺline（ｐ＋１）の推定値が得られ、これは、ラインインピーダンス計算で使用される。
本発明の精神を侵すことなくラインインピーダンスの推定をその他のいくつかの方法で行えることを注意されたい。成功裏に行われた１つの実現手法では、溶接電圧と溶接電流の平均値を第ｐ番目溶接パルスに使用している。成功裏に行われた第二番目の実現手法では、溶接パルスの第一半サイクルからの溶接電圧と溶接電流を更新サイクルとして使用している。
特定の実施例を図示し説明してきたが、本発明の範囲または精神から逸脱することなく多数の修正変更が可能である。上記の説明は、１つの溶接制御装置アプリケーションを参照している。しかしながら説明されている原理は、電圧位相制御を使用し、ＡＣまたはＤＣ駆動装置の様なモータ制御、インバータ、電源供給などを含む全ての型式の制御システムに容易に適用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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