펄스출력구현이가능한디지털제어의 형 CO 2 용접시스템의개발 은종목 최규하 大韓熔接 接合學會誌第 32 卷 1 號別冊 2014. 2
102 연구논문 ISSN 1225-6153 Online ISSN 2287-8955 펄스출력구현이가능한디지털제어의 형 CO 2 용접시스템의개발 은종목 *, 최규하 ** * ( 주 ) 파워웰 ** 건국대학교전기기계및전력전자연구실 Development of Digital controlled type CO 2 Welding System for Implementation Pulse Output Jong-Mok Eun*, and Gyu-Ha Choe** *Powwel Co.,Ltd., Seoul 153-803, Korea **Department Electric Machine and Power Electronics, Konkuk University, Seoul 143-701, Korea Corresponding author : powwel@powwel.com (Received January 11, 2013 ; Revised February 1, 2014 ; Accepted February 11, 2014) Abstract (Thyristor) type CO 2 welders have widely used for the welding process of heavy industries such as shipbuilding and plant. Since the industrial fields of shipbuilding and plant are usually exposed to severe welding condition with lots of dust, extreme temperature, high humidity and vibration, it is not recommended to use inverter type welder despite its state-of-the-art technology. Many sophisticated functions in the inverter welder may not work due to malfunction of its sensitive components. Hence this study focused on digitalization of CO 2 welder by making use of microprocessor for phase control. By this application, fine control of output of the CO 2 welding systems is achieved. Also pulse output mode of operation is realized and its verification is carried out with aluminum sample welding. The experimental results showed sound weld bead. The front operation panel provide user with numerical parameter settings and monitors. It will help precise weld process monitoring and control with digital value. Key Words : CO 2 Welding,, Microprocessor, ASIC, Phase control, Pulse output 1. 서론 용접기기관련기술은모든산업분야에필요로하는제조업의뿌리기술로서다양한철강및금속산업과더불어발전해가고있다. 본논문에서연구한 (Silicon Controlled Rectifier; Thyristor) 형 CO 2 용접기는조선이나플랜트등의중공업분야의용접공정에서가장많이사용되는용접기지만다른용접기에비해발전은매우느리다. 과거 을이용하던전원장치는 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 와 IPM (Intelligent Power Module) 등의고성능스위 칭소자로빠르게대체되고있으며, 또한저속의프로세서를이용하던제어장치는고속의프로세서를이용하여보다정밀한디지털제어를구현하고있다 1). 최근에는용접기에도고속저가의 DSP(digital signal processor) 가사용되어퍼지제어에의한아크길이제어, 비드폭제어, 아크안정성제어및스패터저감기능을실현하였다 2). 이렇게용접기제어기술은고도화되어가면서정밀용접기기들도인버터화되고디지털화되었지만조선이나플랜트용의 CO 2 용접기는여전히 형제어방식에머물러있고심지어제어회로또한아나로그형태를벗어나지않고있다. 이는적용되는산업현장이분진, 온도, 습도, 침수, 진동등매우열악한조건으로 Journal of Welding and Joining, Vol.32 No.1(2014) pp102-107 http://dx.doi.org/10.5781/jwj.2014.32.1.102
펄스출력구현이가능한디지털제어의 형 CO 2 용접시스템의개발 103 용접기의고장은곧생산성을저하시키는원인으로부품수가많고진동이나습기등에약한정밀인버터형을선호하지않기때문이다. 그러나최근에는모든분야에디지털화가가속화되면서첨단기술을적용하려는움직임이있고 CO 2 용접기역시발전되어야한다는인식이커지고있다. 최근용접기의디지털화는용접조건을정밀하게제어가가능하여알루미늄용접시발생되는각종결함을효과적으로제어할수있다 3). 본연구에서는이런현실에즈음하여작업현장에서 형 CO 2 용접기를인버터로대체하는일이결코쉽지않으므로전력부는 형을그대로사용하고제어부를디지털화하는실험을하였다. 연구목적은마이크로프로세서 (Microprocessor) 를이용하여 의위상 (Phase) 을제어하여 CO 2 용접기의출력을정교하게제어하고, 이를활용하여펄스 (Pulse) 출력을구현하여알루미늄용접이가능한 형 CO 2 용접기를설계하고실험하였다. 또한용접아크의이행에필요한공정들을한개의마이크로프로세서로제어하고전면의조작부를디지털수치화함으로서용접품질규격을정확히판단하도록하는데도움을주었다. 본연구에서주로마이크로프로세서를이용하여 의위상을제어하고 CO 2 용접기의출력을가변하고펄스출력을얻어알루미늄용접의실험에역점을두었다. 2. CO 2 용접시스템의동작원리 2.1 CO 2 용접의원리 CO 2 용접방법은불활성가스인 CO 2 가스안에서 (+) 전극을이루는용가재 (Filler Metal) 와이어를용접하려는금속의 (-) 전극에일정속도로공급하게되면와이어와용접금속사이에단락이발생된다. 이때단락을급히해제시키기위해높은단락전류를흘러주면높은전류에의해와이어는단락이해지되면서아크를형성하게되고이순간스패터 (Spatter) 도발생된다. 아크가형성된상태에서는정전압모드가되어설정된용접전압으로유지되다가다시와이어가단락상태로가게되면한공정이되는것이다. 여기서용접전류는전력제어로설정되는것이아니라와이어를공급하는모터의속도에의해결정된다. 그러므로전원장치는출력전압과최대단락전류만을결정하고이것의곱이 CO 2 용접기의최대전력용량이된다. Fig. 1은기존의 CO 2 용접기의단락이행시의전압, 전류파형을보여주고있다. 여기서전압파형은일정하게설정값을유지하여최대전압이균일하게되지만전류의최대치는와이어의단 Fig. 1 Wave form of CO 2 welding voltage & current 락상태에의해발생되므로일정하지않다. 그러나최근의기술들은이들단락지연제어 (SCDC) 방식을이용하여단락파형을강제로제어하여스패터가적고고품질의용접상태를얻기도한다 4). 2.2 형 CO 2 용접기의구성 형 CO 2 용접시스템의구성은 Fig. 2 에서보면용접기, 와이어피더기, 모터부, 와이어, 가스통및가스라인, 토치등으로구성되며이들모두가정해진시퀀스에따라용접이시작될때가스가먼저나오고와이어가송출되어출력전압이생성되고단락이행이이루어지고끝날때는와이어가정지되고전압이순간적으로상승후 Off 되고가스는몇초후에정지되는순서를이루며이러한동작시퀀스는한개의마이크로프로세서에서이루어진다. CO 2 용접기전력부의구성은 60[Hz] 의 3상트랜스포머와 2차측의 정류기, 출력리액터및와이어송급장치가기본적으로구성되며부가적으로 1차측의마그네트스위치, 냉각팬, 위상검출트랜스포머등많은부품으로구성이된다. Fig. 3 에서는기본적인 4가지구성요소를나타내고있다 4). 여기서 제어를 1차측에서할경우는 2차측에별도의정류형 Diode 가필 Wire speed control Work Gas out Contactor cable Manually Held gun Work feed drive motor Switch Contactor control 110V supply Wire reel Gas in Voltage control Flowmeter Regulator Shielding Gas source Welding power source Fig. 2 Configuration of CO 2 welding system 大韓熔接 接合學會誌第 32 卷第 1 號, 2014 年 2 月 103
104 은종목 최규하 AC440V/3P TR1 AC15V/3P Photo coupler TRG_RSP 440M5 4N33 No buffer ASIC (GATE ARRAYS) MCU (Micro control unit) F/B Fig. 3 Block diagram of controlled CO 2 welding machin Photo coupler TR1 Phase 150 요하게되어반도체가이중으로사용되므로원가를절감하기위해 1차측은마그네트스위치를사용하여전력을 On-Off 하고 2차측에 를이용하여출력전력의크기를제어하고동시에정류기역할을행하고출력리액터를이용하여위상각의파형을평활하여 DC 전압을얻는다. 3. 마이크로프로세서제어 형 CO 2 용접기의설계 3.1 CO 2 용접기회로의구성 회로를구성하기에앞서실험장치의규격을설정하였다. Table 1에입출력관련규격을설정하고출력전류를산업현장에서가장많이사용하는 600[A] 로하였다. 용접기회로의구성은 Fig. 4에서트랜스포머의 2차측에서 6개의 제어로정류기및위상제어를동 Table 1 Specification of CO 2 welding machine Input power Output voltage Output current Pulse frequency Short current Control type 440V 60Hz 3Ph 15V - 45V DC 100A - 600A DC 10-100 Hz 750A DC max Constant voltage Phase 60 No buffer 4N33 Pulse transforms Fig. 5 Block diagram of MCU controller 시에하도록구성되어출력의 (-) 부는리액터로연결되어있어원하는 DC 전압을얻도록구성하였다. 제어의핵심은모두디지털화하여마이크로프로세서와 ASIC (Application Specific IC) 으로구성되며위상검출부와게이트드라이브는트랜스포머로구성된다. Fig. 5 에제어회로를나타내며먼저위상을검출을하여트리거신호를만든후 ASIC 으로보내고마이크로프로세서에서피드백값과설정값을비교하여각 3상의위상각을트리거신호의스타트신호에서시간을연산하여게이트 (Gate) 신호를만들어준다. 이신호는절연과증폭회로를거쳐 6개의 를각각트리거시킨다. 3.2 입력기준신호입력기준신호 (Reference Pulse Input) 는 AC 입력과정확한위상타이밍계산을위해 AC440[V] 를동기용트랜스포머를거쳐 AC15[V] 로변환한회로로입력시킨후절연하여 위상제어의기준으로사용한다. 이때입력전원과절연시키기위해포토커플러 (Photo Coupler) 로입력측다이오드의정현파와출력 TR측의구형파와의시간차는약수백 [ sec] 정도의지연이생긴다. 이것은다이오드측의저항값에따라차이가있기 INPUT A C440 3PH 440ACR T1 Main transformer 1 TT250N16KOF 2 TT250N16KOF 3 TT250N16KOF REACTOR DC-OUT 440ACS 440ACT GATE GATE GATE OUTPUT DC+OUT REACTOR T2 위상 Trans DRIVE BOARD Fig. 4 Block diagram of CO 2 welding machine 104 Journal of Welding and Joining, Vol. 32, No. 1, 2014
펄스출력구현이가능한디지털제어의 형 CO 2 용접시스템의개발 105 MCU Start signal Error signal Fig. 7 Circuit diagram of gate pulse output RS-P Input (Real) RS-N Input (Virtual) Delay 8msec 8.6msec 8msec Fig. 6 Time chart of reference pulse input signal 도하다. 또한 RS-P 펄스입력으로부터 RS-N 의펄스는 Fig. 6과같이펄스의실제의파형과는차이가있다. 이를보완하기위하여 RS-P 측을제어하는위상제어값과 RS-N 을제어하는위상제어값은약간의지연을두고다르게제어한다. ST-P, ST-N, TR-P, TR-N 의제어방식도위와동일하다. 3.3 위상값계수 (Phase value Counter) ASIC 내부에서사용되는기준클럭은 11.0592 [Mhz] 이며각 게이트의최소제어범위분해능을 0.1 도로정하고 0도에서 180 도 (120Hz) 사이를제어하게되면 0.1 도에대한클럭의수는아래와같이계산할수있다. (1) CKref ; 기준클럭 (11.0592 MHz) F1ph ; 3상중 1상의주파수 (120Hz) Dhaf ; 양파정류시사용각도 (180 도 ) Rs ; 분해능 (0.1) 상기식에의한계산에서클럭은 51.2[clk] 가된다. 즉내부클럭이 51.2 개가지나갈때 의위상각이 0.1 도씩변할수있는시간으로약 4.63 [ sec] 에해당한다. 위상은 16비트값을가지며 300 에서 1600 의값으로제어되며 1600 이하는실험결과출력이되지않았다. 다운카운터를거쳐기준입력에대해서위상값만큼지연을가진후출력된다. 3.4 게이트펄스출력 (Gate Pulse Output) 앞에서출력된펄스는일정시간유지가되어야하는데 그러한역할을하는회로가게이트펄스폭카운터 (Gate pulse width counter) 이다. 이것은입력받은시간만큼유지시키는기능을하는데, 약 100[ sec] 에서 200 [ sec] 정도유지하도록구성하였다. Fig. 7에서보면생성된펄스는출력버퍼를통한후포토커플러와펄스트랜스포머를통하여 게이트로전달되는데, 총 6개의펄스가출력된다. 이때내부의센서등에의해온도의이상이나과전류신호가있게되면에러신호에의해게이트출력이차단되도록설계하였다. 4. 실험및고찰 4.1 위상제어분석 마이크로프로세서와 ASIC 으로구성된전력제어회로를실제제품을제작한후출력변화의실험및펄스출력실험을행하였다. 또한용접조건에필요한시퀀스제어가포함되어최적의용접이되도록많은파라메터 (Parameter) 값을디지털방식으로조절하도록프로그램하였다. 이는크게 4가지모드로분류하는데아크전압, 단락전류, 용접전류, 시퀀스등이다. 아크전압은아크가형성될때에정전압출력을만드는데, 설정된최대전압값과출력전압을비교기에서비교하여오차의크기를피드백 (Feedback) 하여 의턴온 (Turn-on) 시간을 0도에서 180 도안에발생하여위상각을밀거나당겨서출력전압이일정하도록제어한다. 단락전류는아크가줄어단락모드가될때에단락전압은아주낮아서제어가되지않으나, 단락된와이어를녹일수있는최대전류가필요하며보통와이어직경이 1.2mm 일때 750A 의전류가흐르도록설정하고직경에따라단락전류는조절되도록프로그램하였다. 용접전류는와이어의속도에의해설정되며와이어가정속도를잘유지하도록별도의회로로제어되며전력제어와는분리된다. 이때정속도는용접품질에크게영향을미친다. 제어의위상각을턴온되는시간의위치에따라출력전력의크기가파형의크기와비례하여달라지며이는출력부에서적분되어실제출력전압의크기로나 大韓熔接 接合學會誌第 32 卷第 1 號, 2014 年 2 月 105
106 은종목 최규하 피크전압 0V 전압점 베이스전압 (a) Wave form of turn-on at 60 phase angle (max.) Fig. 9 Wave form of pulse output at aluminum welding (b) Wave form of turn-on at 100 phase angle (mid.) Fig. 10 Picture of aluminum sample by pulse welding 핫스타트전압 출력전압파형니풀전압적음 범백전압지연시간 (c) wave form of turn-on at 150 phase angle (min.) Fig. 8 Wave form of output at phase 타난다. Fig. 8은위상각의턴온각도에의한 의출력파형이며위상각이적으면출력전압이크고위상각이커질수록출력전압은작아지므로이를이용하여출력을조절할수있다. 4.2 펄스제어분석앞에서위상각의분해능은 0.1도단위로제어가가능하며 6개의 을정밀하게제어가능한것은마이크로프로세서를사용하기때문이며, 정밀제어의특징을이용하여 CO 2 용접기의 DC 전압을펄스로구현하는실험으로 1 [Hz] 에서 100[Hz] 까지가변해보았다. 그결과알곤가스를사용한알루미늄용접이별 Fig. 11 Wave form of output voltage at welding process 문제없이이루어졌고주로낮은주파수인 10[Hz] 미만에서더부드러운용접효과를얻었다. Fig. 9는 10 [Hz] 펄스의실제알루미늄용접시출력파형이다. 그림에서피크 (Peek) 전압은 25[V] 정도이며베이스 (Base) 전압은 15[V] 정도이다. Fig. 10은실제알루미늄의용접한시료이다. 본연구에서설계한디지털방식의제어는펄스의구현외에도많은장점을얻는다. 용접공정에필요한시퀀스를넓은파형으로측정한결과디지털제어의장점인명확한파라메터의설정과실행이잘이루어짐을 Fig. 11을통하여알수있다. 뿐만아니라위상제어의정확 106 Journal of Welding and Joining, Vol. 32, No. 1, 2014
펄스출력구현이가능한디지털제어의 형 CO 2 용접시스템의개발 107 성으로출력전압의리플 (Ripple) 수준이인버터형에비해부족함이없고핫스타트 (Hot start) 전압이나번백 (Burn back) 전압의명확성을볼수있었다. 5. 결론 본연구는펄스출력의구현이가능한디지탈제어기를사용한 형 CO 2 용접기의개발로서펄스출력에의해알루미늄용접의구현을하였다. 또한대전력 CO 2 용접기의디지털화을통하여정확한위상제어로출력전압의정밀도를한층높였을뿐만아니라아나로그방식에비해 3개의위상을각각제어하기위해위상각을 0.1 도단위로계산하여트리거함으로서각위상들이서로틀어지는고장의원인이없고역률을저하시키는원인도제거된다. 또한디지털수치의표시에의한설정등이가능하여모든파라메타를데이터화하여메모리에저장관리함으로서용접품질관리에큰장점을줄수있다. 본실험을통하여 IGBT 제어등의앞선기술속에서도현장의필요성에의해존속되는 제어의 CO 2 용접기도디지털화로개선하여한층정밀도를높일뿐만 아니라고장문제도해소할수있다. 본연구를기반으로보다더성능을개선할필요가있고향후더많은연구를통하여성능이우수한용접기를개발할필요가있다. Reference 1. Jaehoon. Oh, A Development of Inverter Spot Welding System 2006 Power Electronics annual Conference (2006), 172-174 2. Hoi-Soo Ryoo, Trends of Control Technology in GMA Welding Power Source, Journal of the KWJS 29-6 (2011), 9-14 (in Korean) 3. C. J. LEE, Y. C. KIM, J. D. KIM, Technology on Arc Welding Machine of Aluminum by Digital Control, Journal of KWJS, 31-1 (2013), 26-32 (in Korean) 4. J. S. Gho, K. N. Kim, A Study on Welding Performance Improvement of CO₂Inverter Arc Welding Machine by Short Circuiting Delay Control and Arc Reignition Detection Control, Journal of Power Electronics 7-3 (2002), 275 5. D. H. Woo, Y. M. Chae, G. H. Choe, Design of Digital Controller for Thyristor controlled Arc Welding Machine, Journal of Power Electronics 3-2 (1998), 93 大韓熔接 接合學會誌第 32 卷第 1 號, 2014 年 2 月 107