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KR20120001126A - Inverter DC resistance spot welding system, its welding process control method and fuzzy controller design method - Google Patents

Inverter DC resistance spot welding system, its welding process control method and fuzzy controller design method Download PDF

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KR20120001126A
KR20120001126A KR1020100061772A KR20100061772A KR20120001126A KR 20120001126 A KR20120001126 A KR 20120001126A KR 1020100061772 A KR1020100061772 A KR 1020100061772A KR 20100061772 A KR20100061772 A KR 20100061772A KR 20120001126 A KR20120001126 A KR 20120001126A
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welding
inverter
fuzzy controller
resistance spot
controller
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한양대학교 산학협력단
건국대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 인버터 직류 저항 점 용접 시스템, 그의 용접 공정 제어방법 및 그의 퍼지 제어기 설계방법에 관한 것으로서, 시스템 식별 모델과 시뮬레이션을 이용하여 많은 실험 과정을 거치지 않더라도 정전류 제어를 위한 퍼지 제어기를 설계하고 제어기의 환산 계수를 최적화할 수 있다.The present invention relates to an inverter DC resistance spot welding system, a welding process control method, and a fuzzy controller design method thereof. The system identification model and simulation are used to design a fuzzy controller for constant current control without a lot of experiments. The conversion factor can be optimized.

Description

인버터 직류 저항 점 용접 시스템, 그의 용접 공정 제어방법 및 그의 퍼지 제어기 설계방법 {INVERTER DC RESISTANCE SPOT WELDING SYSTEM, CONTROL METHOD FOR WELDING PROCESS THEREOF AND DESIGN METHOD FOR FUZZY CONTROLLER THEREOF}Inverter DC resistance spot welding system, its welding process control method and its fuzzy controller design method {INVERTER DC RESISTANCE SPOT WELDING SYSTEM,

본 발명은 인버터 직류 저항 점 용접 시스템, 그의 용접 공정 제어방법 및 그의 퍼지 제어기 설계방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 선행 실험 없이 최소한의 실험으로 제어기를 설계할 수 있는 인버터 직류 저항 점 용접 시스템, 그의 용접 공정 제어방법 및 그의 퍼지 제어기 설계방법에 관한 것이다.The present invention relates to an inverter DC resistance spot welding system, a welding process control method thereof, and a fuzzy controller design method thereof, and more particularly, an inverter DC resistance spot welding system capable of designing a controller with minimal experiment without prior experiments, The present invention relates to a welding process control method and a fuzzy controller design method thereof.

일반적으로 저항 점 용접 시스템은 기계적인 장치(mechanical equipments)와 전기적인 장치(electrical equipments)가 결합되어 용접에 필요한 용접 전류(welding current), 용접 가압력(welding force), 용접 시간(welding time)을 조절하여 금속을 접합하는 공정 시스템이다. In general, resistance spot welding systems combine mechanical and electrical equipment to adjust the welding current, welding force, and welding time required for welding. To join a metal.

저항 점 용접은 사용하는 용접 전원 특성에 따라 교류(AC, alternating current) 용접과 직류(DC, direct current) 용접으로 나누어 진다. 교류 전원은 50~60Hz의 단상 전원을 변압기 통해 2차 측에서 주전원과 동일한 50~60Hz 용접 전원이 유도된다. 교류 용접기는 사이리스터(thyristor)를 작동(firing)하여 전류 파형을 조절함으로써 용접 전류를 제어한다. 용접 전류는 변압기를 지나면서 증폭이 되어 용접이 가능한 대전류로 유도된다. Resistance spot welding is divided into alternating current (DC) welding and direct current (DC) welding according to the welding power supply used. AC power source is 50 ~ 60Hz single phase power source, and the transformer is induced 50 ~ 60Hz welding power source same as main power source on the secondary side. An AC welder controls the welding current by firing a thyristor to adjust the current waveform. The welding current is amplified through the transformer and led to a large current that can be welded.

최근 직류 저항 점 용접기가 각광을 받는 이유는 IGBT, 다이오드 등과 같은 인버터 구성에 필요한 전력 소자의 소형화 및 가격 저하로 인해 직류 저항 점 용접기 제작에 소요되는 제작 비용이 줄어들었고, 각 소자의 신뢰성이 향상되었기 때문이다. 또한, 교류 저항 점 용접기에 비해 직류 저항 점 용접기는 세밀한 제어가 가능하다. 현재 산업 현장에서 널리 사용되는 교류 저항 점 용접기의 제어는 사이리스터(thyristor)의 위상 제어를 이용하므로 1초에 120번의 제어가 가능하다. 교류 저항 점 용접기는 짧은 용접 과정의 동저항 변화에 대응할 수 없고, 순간 입열이 크기 때문에 스패터가 많이 발생된다. 발생된 스패터는 용접 품질의 저하 및 용접부 주위의 오염을 초래하는 단점이 있다.  The reason why DC resistance spot welders are in the spotlight recently is that manufacturing cost for DC resistance spot welders has been reduced due to the miniaturization and cost reduction of power devices required for inverter configuration such as IGBT, diode, etc., and improved reliability of each device. Because. In addition, the DC resistance spot welder can be finely controlled compared to the AC resistance spot welder. The control of AC resistance spot welding machine, which is widely used in current industrial field, uses thyristor phase control, which allows 120 times of control per second. The AC resistance spot welder cannot cope with the change in dynamic resistance in a short welding process, and a large amount of spatter is generated because of instantaneous heat input. The generated spatters have the disadvantage of causing deterioration of the welding quality and contamination around the weld.

반면, 직류 저항 점 용접은 1kHz의 PWM (Pulse Width Modulation)으로 제어하기 때문에 1초에 2000번의 제어가 가능하다. 그러므로 직류 저항 점 용접기는 세밀한 제어를 통해 교류 저항 점 용접기의 단점을 극복할 수 있다. 그리고 직류 용접기 장점으로는 전류 손실을 억제하여 에너지를 절약할 수 있어, 앞으로 환경 규제나 그린 IT 기술로 각광을 받고 있다. On the other hand, DC resistance spot welding is controlled by pulse width modulation (PWM) of 1kHz, so 2000 times of control is possible. Therefore, DC resistance spot welder can overcome the disadvantage of AC resistance spot welder through fine control. In addition, the advantages of the DC welding machine can save energy by suppressing current loss, which has attracted much attention in the future due to environmental regulations and green IT technology.

한편, 기계적인 장치와 전기적인 장치가 복잡하게 연결되어 있는 저항 점 용접 시스템의 경우 외부 입력에 대한 시스템의 동특성(dynamic characteristics)을 해석하기 위해서 실제 시스템을 대체할 수 있는 수학적 모델을 주로 이용하고 있다. 그 이유는 제어 시스템 설계를 위해서는 시스템의 특성에 대한 분석을 통해 적합한 제어 알고리즘을 선택하고, 그 특성을 평가하는 등 여러 과정을 거쳐야 하므로 실제 시스템보다 수학적 모델을 이용하는 것이 보다 효율적이기 때문이다. 특히, 저항 점 용접 시스템처럼 대전류를 사용하는 경우, 제어 시스템 개발 단계에서 시도되는 다양한 시스템 입력에 따른 출력 전류 응답이 과도한 특성을 가질 경우 발생하는 위험 요소를 제거하기 위해서라도 수학적 모델의 사용이 반드시 필요하다.Meanwhile, in the case of resistance spot welding system in which mechanical and electrical devices are intricately connected, a mathematical model that can replace the actual system is mainly used to analyze the dynamic characteristics of the system with respect to an external input. . The reason is that it is more efficient to use a mathematical model than the actual system because the control system design has to go through various processes such as selecting the appropriate control algorithm through analysis of the system characteristics and evaluating the characteristics. In particular, when using large currents, such as resistance spot welding systems, the use of mathematical models is essential to eliminate the hazards that arise when the output current response of various system inputs at the control system development stage is excessive. Do.

수학적 모델을 위한 모델링 방법으로는 주로 물리적인 법칙(physical principle)에 근거한 지배 방정식(govern equation)을 이용하여 시스템의 각 요소를 근사화한 뒤 미분 방정식 형태로 표현하는 방법을 사용한다. 그러나 용접 시스템은 금속의 용융, 용접 건에 대한 기계적인 반응, 전기 소자 스위칭 등의 용접 회로에 존재하는 비선형 요소들이 있기 때문에, 용접 시스템을 물리적인 법칙을 이용하여 수학적으로 표현하고 선형화 하는 것은 어려운 일이다. 실제로 시스템이 복잡해 지면 모든 상황에 대한 정보를 알 수 없으므로 시스템 동작에 대한 많은 가정이 요구되기 때문이다.As a modeling method for mathematical models, we use a governor equation based on the physical principle to approximate each element of the system and express it in the form of a differential equation. However, because welding systems have nonlinear elements in the welding circuit, such as melting of metals, mechanical reactions to the welding gun, switching of electrical elements, etc., it is difficult to mathematically represent and linearize the welding system using physical laws. to be. In fact, as the system becomes more complex, information about all situations is not available, which requires a lot of assumptions about system behavior.

따라서, 저항 점 용접 시스템의 모델링을 위한 보다 효율적인 방법에 대한 요구가 증대되고 있다.Thus, there is an increasing demand for more efficient methods for modeling resistance spot welding systems.

또한, 기존의 교류 단상 교류 저항 점 용접의 단점을 보완할 수 있는 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 개발 필요성이 대두되고 있다.In addition, there is a need to develop an inverter DC resistance spot welding system that can compensate for the disadvantages of conventional AC single phase AC resistance spot welding.

본 발명의 실시예는 교류 단상 교류 저항 점 용접의 단점을 보완할 수 있는 인버터 직류 저항 점 용접 시스템을 제공한다.Embodiments of the present invention provide an inverter DC resistance spot welding system that can compensate for the shortcomings of AC single phase AC resistance spot welding.

본 발명의 실시예는 임베디드 소프트웨어를 사용하는 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 용접 공정 제어방법을 제공한다.An embodiment of the present invention provides a welding process control method for an inverter DC resistance spot welding system using embedded software.

본 발명의 실시예는 시스템 식별 모델링 기법을 이용하여 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 퍼지 제어기를 설계하는 방법을 제공한다.Embodiments of the present invention provide a method of designing a fuzzy controller of an inverter DC resistance spot welding system using a system identification modeling technique.

본 발명의 실시예는 인버터 직류 저항 점 용접 시스템에 퍼지 제어기를 설계하고, 퍼지 제어기의 환산 계수를 조절할 수 있는 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 퍼지 제어기 설계방법을 제공한다.An embodiment of the present invention provides a fuzzy controller design method of an inverter DC resistance spot welding system that can design a fuzzy controller in an inverter DC resistance spot welding system and adjust a conversion factor of the fuzzy controller.

본 발명의 실시예는 다수의 선행 실험 없이 최소한의 실험으로 가능한 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 퍼지 제어기 설계방법을 제공한다.Embodiments of the present invention provide a method for designing a fuzzy controller of an inverter DC resistance spot welding system that can be performed with a minimum of experiments without many prior experiments.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 직류 저항 점 용접 시스템은 용접 전류를 생성하고 상기 용접 전류의 전류량 또는 통전 시간을 제어하는 전력 변환부; 피용접물에 전달되는 대전류를 생성하는 용접 변압부; 상기 피용접물의 용접 부위에 필요한 전극 가압력을 전달하는 용접 건 및 상기 전극 가압력을 발생하는 공압 장치를 구비하는 용접부; 및 상기 용접부의 구동을 제어하는 용접부 컨트롤러;를 포함하며, 상기 전력 변환부는 3상의 교류 전원을 정류하는 정류 다이오드; 정류된 전원을 평활하여 직류 파형을 생성하는 콘덴서; 및 상기 콘덴서에서 생성된 직류 파형을 소정의 펄스 폭을 가지는 교류로 만드는 인버터;를 포함한다.Inverter DC resistance point welding system according to an embodiment of the present invention for solving the above problems is a power conversion unit for generating a welding current and controlling the amount of current or the conduction time of the welding current; A welding transformer generating a large current transmitted to the object to be welded; A welding part including a welding gun for transmitting an electrode pressing force required to a welding part of the welded object, and a pneumatic device for generating the electrode pressing force; And a welding controller configured to control driving of the welding portion, wherein the power converter includes: a rectifier diode rectifying three-phase AC power; A capacitor for smoothing the rectified power to generate a DC waveform; And an inverter for making the DC waveform generated by the capacitor into an AC having a predetermined pulse width.

상기와 같이 구성함으로써, 기존의 교류 저항 점 용접의 단점을 보완할 수 있고 에너지를 절감할 수 있는 인버터 직류 저항 점 용접 시스템을 구현할 수 있다.By configuring as described above, it is possible to implement the inverter DC resistance point welding system that can compensate for the disadvantages of existing AC resistance point welding and save energy.

상기 인버터는 4개의 IGBT를 이용하여 풀 브릿지 인버터로 형성되고 상기 4개의 IGBT 중 2개의 IGBT를 묶어 2쌍의 IGBT 모듈을 형성하며, 상기 2쌍의 IGBT 모듈 중 어느 하나의 모듈에 PWM 펄스가 인가되면 상기 풀 브릿지의 출력은 양이 되고, 다른 하나의 모듈에 PWM 펄스가 인가되면 상기 풀 브릿지의 출력은 음이 될 수 있다.The inverter is formed as a full bridge inverter using four IGBTs, two IGBTs of the four IGBTs are bundled to form two pairs of IGBT modules, and a PWM pulse is applied to any one of the two pairs of IGBT modules. When the output of the full bridge is positive, when the PWM pulse is applied to the other module, the output of the full bridge may be negative.

이와 같이, 상기 2쌍의 IGBT 모듈에 교대로 PWM 펄스가 인가되면 상기 풀 브릿지의 출력이 교류 파형이 될 수 있다.As such, when PWM pulses are alternately applied to the two pairs of IGBT modules, the output of the full bridge may be an AC waveform.

상기 교류 파형은 상기 용접 변압부, 상기 정류 다이오드 및 상기 용접부를 거쳐 직류 파형을 변환된다.The AC waveform is converted into a DC waveform through the welding transformer, the rectifier diode, and the welding unit.

한편, 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명의 다른 분야에 따르면, 본 발명의 일 실시예는 정전류, 정전력, 정전압 또는 정열량이 되도록 PWM 출력을 조절하는 제1 프로세스; 전압 또는 전류를 모니터링하는 제2 프로세스; 상기 피용접물에 가해지는 용접 가압력을 제어하는 제3 프로세스; 지능형 제어를 수행하는 제4 프로세스; 용접 공정을 관리하는 제5 프로세스; 디스플레이 또는 위기 관리를 수행하는 제6 프로세스; 컴퓨터 단말기(PC)와 통신하는 제7 프로세스;를 포함하는 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 용접 공정 제어방법을 제공한다.On the other hand, according to another field of the present invention to solve the above problems, an embodiment of the present invention includes a first process for adjusting the PWM output to a constant current, constant power, constant voltage or constant amount; A second process of monitoring voltage or current; A third process of controlling a welding pressing force applied to the welded object; A fourth process of performing intelligent control; A fifth process of managing a welding process; A sixth process of performing display or crisis management; It provides a welding process control method of the inverter DC resistance spot welding system comprising a; seventh process in communication with the computer terminal (PC).

상기와 같이 저항 점 용접 시스템에 탑재된 임베디드 소프트웨어를 이용하여 용접 공정을 제어함으로써, 용접 공정을 정밀하게 제어할 수 있고 사용자가 용접 과정 중에 상해 등을 입는 것을 방지하여 안정적으로 용접이 되도록 관리할 수 있다.By controlling the welding process using the embedded software installed in the resistance spot welding system as described above, the welding process can be precisely controlled and the user can be managed to be stably welded by preventing the user from being injured during the welding process. have.

상기 제1 프로세스는 상기 컴퓨터 단말기의 지령치 선택에 의해 상기 정전류, 상기 정전압, 상기 정전력 또는 상기 정열량을 퍼지 제어하는 프로세스이다.The first process is a process of purging the constant current, the constant voltage, the constant power, or the constant heat amount by selecting a command value of the computer terminal.

상기 제2 프로세스는 용접 중에 상기 컨트롤러의 ADC로부터 측정된 전압 또는 전류를 지정된 위치에 저장하고, 디지털 필터(digital filter)를 이용하여 측정 데이터를 가공하는 프로세스이다.The second process is a process of storing the voltage or current measured from the ADC of the controller during welding at a designated position and processing the measurement data using a digital filter.

상기 제3 프로세스는 상기 용접 가압력을 상기 용접 건의 전극에 가하는 프로세스이다.The third process is a process of applying the welding pressing force to the electrode of the welding gun.

상기 제4 프로세스는 용접 중에 측정된 결과를 이용하여 용접 결과를 예측하고 용접 중에 전류와 가압력 지령치를 변경하는 프로세스이다.The fourth process is a process of predicting a welding result using a result measured during welding and changing a current and a pressing force command value during welding.

상기 제5 프로세스는 용접의 가압, 안정화 시간, 통전 시간 또는 유지 시간을 관리하고, 사용자의 응급 상황에 대처하는 프로세스이다.The fifth process is a process of managing the pressurization, stabilization time, energization time or maintenance time of the welding, and coping with the emergency situation of the user.

상기 제6 프로세스는 사용자가 입력한 지령치를 디스플레이하고, 용접 시스템의 상태를 표시하는 프로세스이다.The sixth process is a process of displaying a command value input by a user and displaying a state of a welding system.

상기 제7 프로세스는 상기 컴퓨터 단말기에서 사용자가 입력한 데이터를 통신하고, 용접 중에 계측된 데이터를 상기 컴퓨터 단말기로 전송하는 프로세스이다.The seventh process is a process of communicating data input by a user in the computer terminal and transmitting data measured during welding to the computer terminal.

상기 제1 프로세스 내지 상기 제7 프로세스는 동시에 실행되거나 독립적으로 실행될 수 있다. 이로 인해, 용접 시스템의 작동과 용접 공정을 관리함에 있어, 어느 하나의 프로세스에 의해 다른 프로세스가 영향 받는 것을 방지할 수 있다.The first to seventh processes may be executed simultaneously or independently. Thus, in managing the operation of the welding system and the welding process, it is possible to prevent another process from being affected by any one process.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 인버터 직류 저항 점 용접 시스템을 시스템 식별 모델로 모델링하는 단계; 상기 시스템 식별 모델을 검증하는 단계; 상기 검증 결과 구해진 상기 시스템 식별 모델을 이용하여 퍼지 제어기를 설계하는 단계; 상기 퍼지 제어기의 성능을 검증하는 단계; 상기 검증 결과 구해진 상기 퍼지 제어기의 최적 계수를 재조절하는 단계; 및 상기 퍼지 제어기를 최적화하는 단계;를 포함하는 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 퍼지 제어기 설계방법을 제공한다.According to an embodiment of the present invention, the method may further include: modeling the inverter DC resistance spot welding system as a system identification model; Verifying the system identification model; Designing a fuzzy controller using the system identification model obtained as a result of the verification; Verifying the performance of the fuzzy controller; Re-adjusting an optimal coefficient of the fuzzy controller obtained as a result of the verification; And a method of designing a fuzzy controller for an inverter DC resistance spot welding system including a step of optimizing the purge controller.

상기와 같은 방법에 의해 퍼지 제어기 내지 지능형 적응 제어기를 설계함으로써, 과도한 실험을 하지 않더라도 시뮬레이션을 이용하여 용접 시스템의 퍼지 제어기 또는 정전류 제어기를 설계할 수 있다.By designing the fuzzy controller or the intelligent adaptive controller by the above method, it is possible to design the fuzzy controller or the constant current controller of the welding system by using the simulation even without undue experimentation.

상기 인버터 직류 저항 점 용접 시스템을 모델링하는 단계는 상기 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 실험을 설계하고 시스템 식별을 위한 입력 및 출력을 계측하는 단계; 상기 계측된 입력 및 출력에서 유효한 값을 추출하거나 필터링하는 단계; 상기 시스템 식별 모델의 구조를 선택하는 단계; 기준값을 지정하고 상기 기준값을 만족시키는 최적의 시스템 식별 모델을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 시스템 식별 모델의 성능을 검증하는 단계;를 포함할 수 있다.Modeling the inverter DC resistance spot welding system includes designing an experiment of the inverter DC resistance spot welding system and measuring inputs and outputs for system identification; Extracting or filtering valid values from the measured input and output; Selecting a structure of the system identification model; Designating a reference value and calculating an optimal system identification model that satisfies the reference value; And verifying the performance of the calculated system identification model.

상기 시스템 식별 모델의 성능을 검증하는 단계에서 성능을 만족하지 못하면, 상기 최적의 시스템 식별 모델을 산출하는 단계(218)를 다시 수행할 수 있다.If the performance is not satisfied at the step of verifying the performance of the system identification model, step 218 of calculating the optimal system identification model may be performed again.

상기 퍼지 제어기를 설계하는 단계는 상기 퍼지 제어기의 구조를 선정하는 단계; 퍼지 추론 방법을 선정하는 단계; 상기 퍼지 제어기의 제어 규칙을 추출하는 단계; 상기 퍼지 제어기의 제어 파라미터 조정 또는 제어 규칙을 수정하는 단계; 및 상기 퍼지 제어기의 성능을 평가하는 단계;를 포함할 수 있다.Designing the fuzzy controller may include selecting a structure of the fuzzy controller; Selecting a fuzzy inference method; Extracting a control rule of the fuzzy controller; Modifying a control parameter adjustment or control rule of the fuzzy controller; And evaluating the performance of the fuzzy controller.

상기 시스템 식별 모델을 모델링하는 단계는 실험을 통해 상기 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 특성을 반영한 입력 데이터를 획득하고, 상기 퍼지 제어기를 설계하는 단계는 상기 시스템 식별 모델에 적절한 상기 퍼지 제어기의 계수를 조절하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 이용할 수 있다.The modeling of the system identification model may include obtaining input data reflecting characteristics of the inverter DC resistance spot welding system through experiments, and designing the fuzzy controller may adjust coefficients of the fuzzy controller suitable for the system identification model. Computer simulation can be used to do this.

상기 퍼지 제어기의 최적 계수를 재조절하는 단계는 반응 표면법을 이용하여 계수를 재조절하고, 상기 퍼지 제어기를 최적화하는 단계는 유전자 알고리즘을 이용할 수 있다.Re-adjusting the optimal coefficient of the fuzzy controller may use a response surface method to re-adjust the coefficient, and optimizing the fuzzy controller may use a genetic algorithm.

상기 퍼지 제어기를 설계하는 단계는 상기 시스템 식별 모델을 이용하여 속도형 퍼지 PI 제어기를 설계할 수 있다.The designing of the fuzzy controller may design a speed type fuzzy PI controller using the system identification model.

상기 퍼지 추론 방법을 선정하는 단계는 간략 추론법을 사용하고, 상기 퍼지 제어기의 성능을 평가하는 단계에서 성능을 만족하지 못하면 상기 퍼지 제어기의 환산 계수를 조정할 수 있다.The step of selecting the fuzzy inference method uses a simple inference method, and if the performance is not satisfied in the step of evaluating the performance of the fuzzy controller, the conversion factor of the fuzzy controller may be adjusted.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 인버터 직류 저항 점 용접 시스템은 교류 단상 교류 저항 점 용접의 단점을 보완할 수 있다.As described above, the inverter DC resistance spot welding system according to the embodiment of the present invention can compensate for the disadvantage of AC single phase AC resistance spot welding.

본 발명의 실시예에 따른 인버터 직류 저항 점 용접 시스템은 소모되는 에너지를 절감할 수 있다.Inverter DC resistance spot welding system according to an embodiment of the present invention can reduce the energy consumed.

본 발명의 실시예에 따른 용접 공정 제어방법에 의하면 임베디드 소프트웨어를 사용하여 용접 공정을 제어하기 때문에 용접 공정시 발생할 수 있는 다양한 상황을 고려할 수 있고, 사용자가 안정적으로 용접 공정을 수행할 수 있다.According to the welding process control method according to an embodiment of the present invention, since the welding process is controlled using embedded software, various situations that may occur during the welding process may be considered, and the user may stably perform the welding process.

본 발명의 실시예에 따른 인버터 직류 저항 점 용접 시스템은 사용자의 입력을 그래픽적으로 표현할 수 있기 때문에 다양한 입력 패턴을 파형으로 만들 수 있고, 용접 후 계측된 데이터를 사용자에게 보여줌으로써 사용자에게 용접의 완성도를 신속하고 정확하게 전달할 수 있다.Inverter DC resistance spot welding system according to an embodiment of the present invention can represent the user's input graphically, so that various input patterns can be made into a waveform, and after the welding shows the measured data to the user to complete the welding to the user Can be delivered quickly and accurately.

본 발명의 실시예에 따른 퍼지 제어기 설계방법은 시스템 식별 기법을 이용하여 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 퍼지 제어기를 설계하기 때문에 시스템 동작에 대한 많은 가정이 필요하지 않고 시스템이 복잡해지더라도 용이하게 제어기를 설계할 수 있다.In the fuzzy controller design method according to the embodiment of the present invention, since the fuzzy controller of the inverter DC resistance spot welding system is designed by using a system identification technique, many assumptions about the system operation are not required, and the controller can be easily configured even if the system becomes complicated. Can be designed.

본 발명의 실시예에 따른 퍼지 제어기 설계방법은 제어기의 성능이 불만족스러운 경우 다시 제어기 성능을 향상시킬 수 있다.The fuzzy controller design method according to the embodiment of the present invention may improve the controller performance again when the performance of the controller is unsatisfactory.

본 발명의 실시예에 따른 퍼지 제어기 설계방법은 선행 실험 없이 최소한의 실험으로 용이하게 퍼지 제어기를 설계할 수 있다.Fuzzy controller design method according to an embodiment of the present invention can easily design a fuzzy controller with a minimum of experiments without prior experiment.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 직류 저항 점 용접 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 따른 용접 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 3은 도 1에 따른 용접 시스템의 개략적인 회로를 도시한 도면이다.
도 4는 도 1에 따른 용접 시스템에서 전류 파형이 변화하는 모습을 보여주는 도면이다.
도 5는 도 1에 따른 용접 시스템의 인버터의 스위칭 제어 동작을 보여주는 도면이다.
도 6은 도 1에 따른 용접 시스템에 사용되는 임베디드 소프트웨어의 프로세스 간 관계를 보여주는 도면이다.
도 7은 도 1에 따른 용접 시스템에 사용되는 용접 관리 프로그램의 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)의 일례를 도시한 도면이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 퍼지 제어기를 설계하는 방법을 도시한 순서도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 퍼지 제어기 설계에 사용되는 퍼지 PI 제어기의 구성을 도시한 도면이다.
도 12는 도 11에 따른 퍼지 제어기에 사용되는 입력과 출력에 대한 소속함수를 도시한 도면이다.
1 is a view schematically showing an inverter DC resistance spot welding system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram schematically showing the configuration of the welding system according to FIG. 1.
3 shows a schematic circuit of the welding system according to FIG. 1.
4 is a view showing a change in the current waveform in the welding system according to FIG.
5 is a view showing a switching control operation of the inverter of the welding system according to FIG.
6 shows a relationship between processes of the embedded software used in the welding system according to FIG. 1.
FIG. 7 shows an example of a graphical user interface (GUI) of a welding management program used for the welding system according to FIG. 1.
8 through 10 are flowcharts illustrating a method of designing a fuzzy controller of an inverter DC resistance spot welding system according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration of a fuzzy PI controller used in a fuzzy controller design of an inverter DC resistance spot welding system according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram illustrating membership functions of an input and an output used in the fuzzy controller according to FIG. 11.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited or limited by the embodiments. Like reference numerals in the drawings denote like elements.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 직류 저항 점 용접 시스템을 개략적으로 도시한 도면, 도 2는 도 1에 따른 용접 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도, 도 3은 도 1에 따른 용접 시스템의 개략적인 회로를 도시한 도면, 도 4는 도 1에 따른 용접 시스템에서 전류 파형이 변화하는 모습을 보여주는 도면, 도 5는 도 1에 따른 용접 시스템의 인버터의 스위칭 제어 동작을 보여주는 도면이다.1 is a view schematically showing an inverter DC resistance spot welding system according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a block diagram schematically showing the configuration of the welding system according to FIG. 1, FIG. 3 is according to FIG. 1. 4 is a schematic circuit diagram of a welding system, FIG. 4 is a view illustrating a current waveform in a welding system according to FIG. 1, and FIG. 5 is a diagram illustrating a switching control operation of an inverter of the welding system according to FIG. 1. .

도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 직류 저항 점 용접 시스템(Inverter DC Resistance Spot Welding System, 100)은 용접 전류를 생성하고 생성된 용접 전류의 전류량 또는 통전 시간을 제어하는 전력 변환부(130), 피용접물에 전달되는 대전류를 생성하는 용접 변압부(170), 상기 피용접물의 용접 부위에 필요한 전극 가압력을 전달하는 용접 건 및 상기 전극 가압력을 발생하는 공압 장치를 구비하는 용접부(190) 및 용접부(170)의 구동을 제어하는 용접부 컨트롤러(110)를 포함할 수 있다. 여기서, 용접 구동부(150)는 용접 로봇(welding robot) 형태로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 구현될 수 있다.1 to 5, an inverter DC resistance spot welding system 100 according to an embodiment of the present invention generates a welding current and controls an amount of current or an energization time of the generated welding current. Power conversion unit 130, a welding transformer 170 for generating a large current transmitted to the object to be welded, a welding gun for transmitting the electrode pressing force required to the welding site of the welded object and a pneumatic device for generating the electrode pressing force The welding unit 190 and a welding unit controller 110 for controlling the driving of the welding unit 170 may be included. Here, the welding driver 150 may be configured in the form of a welding robot, but is not limited thereto and may be implemented in various forms.

전력 변환부(130)는 피용접물(예를 들면, 자동차 차체와 같은 박판)에 가해지는 용접 전류의 크기, 용접 전류를 피용접물에 인가하는 시간 즉, 통전 시간 등을 컨트롤할 수 있다. 용접 변압부(170)는 대전류 생성을 위한 변압기(transformer)를 구비할 수 있다. 용접부(190)는 피용접물의 용접 부위에 전극 가압력(electrode force)를 물리적으로 전달하는 용접 건(welding gun), 전극 가압력을 발생하는 공압 밸브 및 공압 실린더 등의 공압 장치, 용접 지그(jig) 등을 포함할 수 있다. 용접 건은 압축 공기 타입(pneumatic type)의 장치이며, 용접 건으로 서보 건(servo-gun)을 사용하는 경우에는 공압 장치 대신 모터를 사용하여 가압력을 발생시킬 수 있다.The power converter 130 may control the magnitude of the welding current applied to the welded object (for example, a thin plate such as an automobile body), a time for applying the weld current to the welded object, that is, an energization time. The welding transformer 170 may include a transformer for generating a large current. The welding unit 190 may include a welding gun that physically transmits electrode force to a welded portion of the welded object, a pneumatic device such as a pneumatic valve and a pneumatic cylinder that generates electrode pressure, a welding jig, and the like. It may include. The welding gun is a pneumatic type device. When a servo-gun is used as the welding gun, a pressing force may be generated by using a motor instead of a pneumatic device.

또한, 전력 변환부(130)는 3상의 교류 전원을 정류하는 정류 다이오드(bridge diode), 정류된 전원을 평활하여 직류 파형을 생성하는 콘덴서(condenser) 및 상기 콘덴서에서 생성된 직류 파형을 소정의 펄스 폭을 가지는 교류로 만드는 인버터(inverter)를 포함할 수 있다. 전력 변환부(130)의 보다 자세한 설명에 대해서는 후술하도록 한다.In addition, the power converter 130 includes a rectifier diode for rectifying three-phase AC power, a condenser for smoothing the rectified power to generate a DC waveform, and a predetermined pulse from the DC waveform generated by the capacitor. It may include an inverter for making an alternating current having a width. A more detailed description of the power converter 130 will be described later.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 직류 저항 점 용접 시스템(100)은 크게 3개의 모듈을 포함할 수 있다. 즉, 파워 모듈(power module), 제어 모듈(control module) 및 구동 모듈(driving module)을 포함할 수 있다. 파워 모듈은 IGBT와 변압기를 주요 요소로 하고, 제어 모듈은 고속 프로세서인 DSP와 LCD로 구성되고, 구동 모듈은 용접 건에 전극 가압력을 발생하는 공압 밸브와 공압 장치로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 저항 점 용접 시스템(100)을 구성하는 3개의 모듈은 서로 상호 작동하면서 원하는 용접 공정을 수행할 수 있다. 여기서, 용접 건은 파워 모듈과는 전기적으로 연결(E)되고 구동 모듈과는 기계적으로 연결(M)될 수 있다.On the other hand, as shown in Figure 2, the inverter DC resistance point welding system 100 according to an embodiment of the present invention may include three large modules. That is, the power module may include a power module, a control module, and a driving module. The power module is mainly composed of IGBT and transformer, the control module is composed of DSP and LCD which are high speed processors, and the drive module can be composed of pneumatic valve and pneumatic device to generate electrode pressure on the welding gun. As such, the three modules that make up the resistance spot welding system 100 may interact with each other to perform a desired welding process. Here, the welding gun may be electrically connected to the power module (E) and mechanically connected to the drive module (M).

도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 직류 저항 점 용접 시스템(100)의 전력 변환부(130) 및 용접 변압부(170) 등을 구성하는 간략한 회로가 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 직류 저항 점 용접 시스템(100)에서 전류 파형이 변화하는 모습이 도시되어 있다. 도 3 및 도 4를 참조하여 용접 전류의 변환 원리를 설명하면 다음과 같다. FIG. 3 is a simplified circuit diagram of the power converter 130 and the welding transformer 170 of the inverter DC resistance spot welding system 100 according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. In the inverter DC resistance spot welding system 100 according to an embodiment of the present invention is shown a change in the waveform. The conversion principle of the welding current will be described with reference to FIGS. 3 and 4 as follows.

우선 주전원인 50~60 Hz 3 상 440V 교류 전원을 정류 다이오드(bridge diode)를 이용하여 정류하고 콘덴서(condenser)로 평활화를 한다. 다이오드와 콘덴서를 결합해 DC-링크(DC-link)라고 부른다. DC 링크의 컨덴서를 지나면서 리플(ripple)등의 노이즈(noise)가 제거되어 깨끗한 파형의 직류 파형이 된다. DC-링크의 출력은 직류이므로 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 이용하여 사용자가 원하는 펄스 폭의 교류를 생성할 수 있다. First, the 50 ~ 60 Hz three-phase 440V AC power source, which is the main power source, is rectified by using a rectifier diode and smoothed by a condenser. The combination of diodes and capacitors is called a DC-link. Passing through the capacitor of the DC link, noise such as ripple is removed, resulting in a clean waveform DC waveform. Since the output of the DC-link is direct current, an Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) can be used to generate an alternating current of the desired pulse width.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 저항 점 용접 시스템(100)의 전력 변환부(130)의 인버터는 4개의 IGBT를 이용하여 풀 브릿지(Full-bridge) 인버터로 구성될 수 있다. PWM(Pulse Width Modulation) 제어 기법을 이용해 인버터를 1kHz의 주기로 스위칭하여 용접 변압부(170)의 1차측에서 1kHz의 사각파형의 교류를 생성할 수 있다. 용접 변압부(170)의 변압기는 55:1 권선비를 가지고 있으므로 용접 변압부(170)를 통과하면 전류는 증폭되고 전압은 감소할 수 있다. 최종적으로 직류의 용접 전류를 생성하기 위해 용접 변압부(170)를 통과한 교류를 다이오드로 다시 정류한다. 정류된 파형은 펄스 형태를 지고 있으므로 평활화가 필요하다. 용접부(190)의 용접 건은 구리로 구성되어 있는 구조물이므로 자체적인 저항과 인덕턴스(inductance) 성분을 가지고 있다. 따라서, 용접 건에 존재하는 인덕턴스 성분으로 인해 추가로 리액터(reactor)를 부착하지 않아도 직류 형태를 지니도록 평활화될 수 있다. 최종적으로 변환된 대전류는 용접 건을 통해 피용접물에 전달되고, 피용접물의 용접부위의 접촉 저항에 의해 발열하여 저항 점 용접이 수행될 수 있다.As shown in FIG. 5, the inverter of the power converter 130 of the resistance spot welding system 100 according to an embodiment of the present invention may be configured as a full-bridge inverter using four IGBTs. Can be. The inverter may be switched at a cycle of 1 kHz using a PWM (Pulse Width Modulation) control technique to generate an AC of 1 kHz square wave at the primary side of the welding transformer 170. Since the transformer of the welding transformer 170 has a 55: 1 turns ratio, the current may be amplified and the voltage may decrease when passing through the weld transformer 170. Finally, the alternating current passing through the welding transformer 170 is rectified back to the diode to generate a direct current welding current. The rectified waveform is pulsed and needs smoothing. Since the welding gun of the welding part 190 is made of copper, it has its own resistance and inductance. Therefore, due to the inductance component present in the welding gun, it can be smoothed to have a direct current form without attaching a reactor. Finally, the converted large current is transmitted to the object to be welded through the welding gun, and the resistance spot welding may be performed by generating heat by the contact resistance of the welded part of the object to be welded.

상기한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 변환부(130)의 인버터는 4개의 IGBT를 구비하여 사각 파형의 교류를 생성할 수 있다.As described above, the inverter of the power converter 130 according to an embodiment of the present invention may be provided with four IGBTs to generate an AC having a square waveform.

즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 전력 변환부(130)의 인버터는 4개의 IGBT를 이용하여 풀 브릿지(full bridge) 인버터로 형성되고 상기 4개의 IGBT 중 2개의 IGBT를 묶어 2쌍의 IGBT 모듈을 형성할 수 있다. 도 5(a)와 같이 IGBT 1과 IGBT 4에 PWM 펄스(pulse)가 인가되면 풀 브릿지 회로의 출력은 양(positive)의 파형을 출력할 수 있다. 반대로 도 5(b)와 같이 IGBT 2과 IGBT 3에 PWM 펄스가 인가되면 풀 브릿지 회로의 출력은 음(negative)의 파형을 가질 수 있다. 이와 같이, IGBT 1 및 IGBT 4를 포함하는 IGBT 모듈과 IGBT 2 및 IGBT 3을 포함하는 IGBT 모듈에 교대로 PWM 펄스가 인가되면 풀 브릿지 회로의 출력은 교류 파형이 될 수 있다. 즉, 상기 2쌍의 IGBT 모듈 중 어느 하나의 모듈에 PWM 펄스가 인가되면 상기 풀 브릿지의 출력은 양이 되고, 다른 하나의 모듈에 PWM 펄스가 인가되면 상기 풀 브릿지의 출력은 음이 될 수 있고, 상기 2쌍의 IGBT 모듈에 교대로 PWM 펄스가 인가되면 상기 풀 브릿지의 출력은 교류 파형이 될 수 있다.That is, as shown in FIG. 5, the inverter of the power converter 130 is formed as a full bridge inverter using four IGBTs, and two IGBT modules are bundled by binding two IGBTs among the four IGBTs. Can be formed. When a PWM pulse is applied to the IGBT 1 and the IGBT 4 as shown in FIG. 5A, the output of the full bridge circuit may output a positive waveform. On the contrary, when the PWM pulses are applied to the IGBT 2 and the IGBT 3 as shown in FIG. 5B, the output of the full bridge circuit may have a negative waveform. As such, when PWM pulses are alternately applied to the IGBT module including the IGBT 1 and the IGBT 4 and the IGBT module including the IGBT 2 and the IGBT 3, the output of the full bridge circuit may be an AC waveform. That is, when a PWM pulse is applied to one of the two pairs of IGBT modules, the output of the full bridge becomes positive, and when the PWM pulse is applied to the other module, the output of the full bridge becomes negative. When PWM pulses are alternately applied to the two pairs of IGBT modules, the output of the full bridge may be an AC waveform.

이러한 교류 파형은 용접 변압부(170)와 정류 다이오드, 용접부(190)의 용접 건을 거쳐 직류 파형으로 변환될 수 있다. 이 때, PWM 듀티비(Duty Ratio)가 큰 파형이 인가되면 전류가 커지고, 듀티비가 적은 파형이 입력되면 전류가 작아지게 된다.The AC waveform may be converted into a DC waveform through a welding gun of the welding transformer 170, the rectifier diode, and the welding unit 190. At this time, when a waveform having a large PWM duty ratio is applied, the current increases, and when a waveform having a small duty ratio is input, the current decreases.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 직류 저항 점 용접 시스템(100)에는 용접 공정을 제어하기 위한 임베디드 소프트웨어(Embedded Software)가 탑재될 수 있다. On the other hand, the inverter DC resistance spot welding system 100 according to an embodiment of the present invention may be embedded with embedded software (Embedded Software) for controlling the welding process.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 직류 저항 점 용접 시스템(100)에는 정전류, 정전력, 정전압 또는 정열량이 되도록 PWM 출력을 조절하는 제1 프로세스(P1), 전압 또는 전류를 모니터링하는 제2 프로세스(P2), 상기 피용접물에 가해지는 용접 가압력을 제어하는 제3 프로세스(P3), 지능형 제어를 수행하는 제4 프로세스(P4), 용접 공정을 관리하는 제5 프로세스(P5), 디스플레이 또는 위기 관리를 수행하는 제6 프로세스(P6) 및 컴퓨터 단말기와 통신하는 제7 프로세스(P7)를 포함하는 임베디드 소프트웨어가 탑재될 수 있다.That is, the inverter DC resistance spot welding system 100 according to an embodiment of the present invention, the first process (P1) for adjusting the PWM output to a constant current, constant power, constant voltage or constant amount, the second to monitor the voltage or current Process P2, third process P3 for controlling welding pressing force applied to the welded object, fourth process P4 for performing intelligent control, fifth process P5 for managing welding process, display or crisis Embedded software may be mounted that includes a sixth process P6 for performing management and a seventh process P7 for communicating with a computer terminal.

도 6은 도 1에 따른 용접 시스템(100)에 사용되는 임베디드 소프트웨어의 프로세스 간 관계를 보여주는 도면이다. 도 6을 참조하면, 제1 프로세스(P1)는 컴퓨터 단말기(PC)의 지령치 선택에 의해 상기 정전류, 상기 정전압, 상기 정전력 또는 상기 정열량을 퍼지 제어하는 프로세스이다. 제1 프로세스(P1)는 정전류, 정전압, 정전력 또는 정열량이 되도록 PWM 출력을 관리하는 프로세스라고 할 수 있다. 제2 프로세스(P2)는 용접 중에 용접부 컨트롤러(110)의 ADC(Analog-to-Digital Converter)로부터 측정된 전압 또는 전류를 모니터링하거나 지정된 위치에 저장하고, 디지털 필터(digital filter)를 이용하여 측정 데이터를 가공하는 프로세스이다. 제3 프로세스(P3)는 상기 용접 가압력을 제어하거나 상기 용접 건의 전극에 가하는 프로세스이다. 제4 프로세스(P4)는 지능형 제어 프로세스로서, 용접 중에 측정된 결과를 이용하여 용접 결과를 예측하고 용접 중에 전류와 가압력 지령치를 변경하여 용접성을 향상시키는 기능을 가지는 프로세스이다. 제5 프로세스(P5)는 용접 중 용접 공정을 관리하는 프로세스로서, 용접의 가압, 안정화 시간, 통전 시간 또는 유지 시간 등을 관리하고, 사용자의 응급 상황에 대처하는 프로세스이다. 제6 프로세스(P6)는 디스플레이 및 위기 관리 프로세스로서, 사용자가 입력한 지령치를 LCD 등에 디스플레이하고 용접부(190)의 상태를 표시하는 프로세스이다. 제7 프로세스(P7)는 컴퓨터 단말기(PC)와 통신하는 프로세스로서, 컴퓨터 단말기(PC)에서 사용자가 입력한 데이터를 통신을 통해 전달하고, 용접 중에 계측된 데이터를 컴퓨터 단말기(PC)로 전송하는 프로세스이다.FIG. 6 is a diagram showing the interprocess relationships of the embedded software used in the welding system 100 according to FIG. 1. Referring to FIG. 6, the first process P1 is a process of purging the constant current, the constant voltage, the constant power, or the constant heat amount by selecting a command value of the computer terminal PC. The first process P1 may be referred to as a process of managing the PWM output to be a constant current, constant voltage, constant power, or constant heat amount. The second process P2 monitors the voltage or current measured from the analog-to-digital converter (ADC) of the weld controller 110 during welding or stores the measured voltage or current at a designated location, and measures the measured data using a digital filter. Is the process of machining. The third process P3 is a process of controlling the welding pressing force or applying the electrode to the welding gun. The fourth process P4 is an intelligent control process, which is a process having a function of predicting welding results using the results measured during welding and improving weldability by changing the current and the pressing force command value during welding. The fifth process P5 is a process of managing a welding process during welding, and is a process of managing pressurization, stabilization time, energization time, or maintenance time of the welding, and coping with an emergency situation of a user. The sixth process P6 is a display and crisis management process, in which a command value input by a user is displayed on an LCD or the like and the state of the welding unit 190 is displayed. The seventh process P7 is a process for communicating with a computer terminal PC, which transmits data input by a user in the computer terminal PC through communication, and transmits data measured during welding to the computer terminal PC. Process.

상기한 제1 프로세스 내지 제7 프로세스(P1~P7)는 동시에 실행되거나 독립적으로 실행되어, 안정적으로 용접이 될 수 있도록 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 용정 공정을 제어할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 직류 저항 점 용접 시스템(100)의 용접 공정 제어방법은 제1 프로세스 내지 제7 프로세스(P1~P7)에 의해서 수행될 수 있다.The first to seventh processes P1 to P7 may be simultaneously or independently executed to control the melting process of the inverter DC resistance spot welding system to be stably welded. That is, the welding process control method of the inverter DC resistance spot welding system 100 according to an embodiment of the present invention may be performed by the first to seventh processes (P1 to P7).

한편, 도 6을 참조하면, 제1 프로세스 내지 제7 프로세스(P1~P7)들이 서로 연관되어 작동함을 알 수 있다. 도 6에 도시된 HMI 프로세스(Human Machine Interface Process)는 사용자가 저항 점 용접 시스템(100)을 작동하기 위해 티칭 패널(teaching panel, 미도시) 등을 사용하여 용접 시스템을 기동(start)시키거나 할 때 상기 티칭 패널과 사용자의 컴퓨터 단말기 간에 통신을 하게 하는 프로세스이다.Meanwhile, referring to FIG. 6, it can be seen that the first to seventh processes P1 to P7 operate in association with each other. The HMI process (Human Machine Interface Process) shown in FIG. 6 allows a user to start a welding system using a teaching panel (not shown) or the like to operate the resistance spot welding system 100. When the teaching panel and the user's computer terminal to communicate.

다시 말하면, 상기한 저항 점 용접 시스템(100)에 탑재된 제1 프로세스 내지 제7 프로세스(P1~P7)는 저항 점 용접 시스템(100)의 용접 공정을 제어하기 위해 서로 독립적이고 동시에 작동하는 작동 프로세스(operating process) 및 관리 프로세스 (management process)라고 할 수 있다.In other words, the first to seventh processes P1 to P7 mounted on the resistance spot welding system 100 operate independently and simultaneously with each other to control the welding process of the resistance spot welding system 100. It can be called an operating process and a management process.

도 7은 도 1에 따른 용접 시스템에 사용되는 용접 관리 프로그램의 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)의 일례를 도시한 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 직류 저항 점 용접 시스템(100)의 관리 프로그램의 그래픽 사용자 인터페이스(Graphic User Interface)는 사용자의 입력을 그래픽적으로 표현할 수 있으며, 다양한 입력 패턴을 파형으로 만들 수 있고, 다양한 전류 파형을 그래픽적으로 구현할 수 있다. 사용자가 그래픽적으로 생성한 데이터를 용접 시스템의 컨트롤러인 DSP(Digital Signal Processor)로 전송을 하는 역할을 할 수 있다. 또한, 용접부(190)에서 용접 후 계측된 데이터를 사용자에게 보여주는 기능을 가질 수 있으며, 용접 결과를 데이터 베이스(database)에 저장하는 기능을 가질 수도 있다. 이를 위해, 도 7에 도시된 관리 프로그램의 그래픽 사용자 인터페이스에는 제어모드(control mode), 전류모드(current mode), 가압력모드(pressure mode)를 선택할 수 있는 메뉴, 용접 세팅 정보를 전송하기 위한 메뉴 및 용접 계측 정보를 저장할 수 있는 메뉴 등을 구비할 수 있다.FIG. 7 shows an example of a graphical user interface (GUI) of a welding management program used for the welding system according to FIG. 1. As shown in FIG. 7, the graphical user interface of the management program of the inverter DC resistance spot welding system 100 according to an embodiment of the present invention may graphically represent a user input. Input patterns can be waveformd, and various current waveforms can be graphically implemented. It may play a role in transmitting data generated by a user to a digital signal processor (DSP), which is a controller of a welding system. In addition, the welding unit 190 may have a function of showing data measured after welding to a user, and may have a function of storing a welding result in a database. To this end, the graphical user interface of the management program shown in FIG. 7 includes a menu for selecting a control mode, a current mode, a pressure mode, a menu for transmitting welding setting information, and And a menu for storing the welding measurement information.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 직류 저항 점 용접 시스템(100)의 퍼지 제어기(Fuzzy Controller)를 설계하는 방법에 대해서 설명한다.Hereinafter, a method of designing a fuzzy controller of the inverter DC resistance spot welding system 100 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

도 8 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 퍼지 제어기를 설계하는 방법을 도시한 순서도, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 퍼지 제어기 설계에 사용되는 퍼지 PI 제어기의 구성을 도시한 도면, 도 12는 도 11에 따른 퍼지 제어기에 사용되는 입력과 출력에 대한 소속함수를 도시한 도면이다.8 to 10 are flowcharts illustrating a method for designing a fuzzy controller of an inverter DC resistance spot welding system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 11 is a flowchart of an inverter DC resistance spot welding system according to an embodiment of the present invention. FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration of a fuzzy PI controller used in a fuzzy controller design, and FIG. 12 is a diagram illustrating membership functions of inputs and outputs used in the fuzzy controller according to FIG. 11.

본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 직류 저항 점 용접 시스템(100)의 퍼지 제어기는 전력 변환부(130)에서 용접 전류의 세기 또는 통전 시간 등을 정밀하게 제어할 수 있도록 하고 최적 용접 조건에서 공정을 수행할 수 있게 하는 정전류 제어기로서, 종래는 설계자들이 다수의 실제 실험을 하여 시행 착오(trial and error) 방식으로 설계할 수 있었다. 하지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 지능형 적응 제어기 설계방법은 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하여 제어기를 산출하고, 최소의 실험을 하여 그 실험 결과와 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 얻은 제어기를 비교하여 최적의 제어기를 설계할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 퍼지 제어기 설계방법은 실험 횟수를 줄이고 비교적 용이하게 성능이 우수한 최적의 제어기를 설계할 수 있는 방법을 제공할 수 있다. 이하에서 도면을 참조하여 보다 자세히 설명한다.The purge controller of the inverter DC resistance spot welding system 100 according to an exemplary embodiment of the present invention enables the power converter 130 to precisely control the strength of the welding current or the energization time, and performs the process under the optimum welding conditions. As a constant current controller that can be performed, conventionally, designers have been able to design in a trial and error manner by performing a number of practical experiments. However, the intelligent adaptive controller design method according to an embodiment of the present invention calculates a controller using computer simulation, performs a minimum experiment, and compares the experimental result with the controller obtained through computer simulation to design an optimal controller. Can be. That is, the fuzzy controller design method according to an embodiment of the present invention can provide a method of reducing the number of experiments and designing an optimal controller having excellent performance relatively easily. Hereinafter, with reference to the drawings will be described in more detail.

도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 직류 저항 점 용접 시스템(100)의 퍼지 제어기의 설계방법은 인버터 직류 저항 점 용접 시스템(100)을 시스템 식별 모델(System Identification Model)로 모델링하는 단계(210), 상기 시스템 식별 모델을 검증하는 단계(220), 상기 검증 결과 구해진 상기 시스템 식별 모델을 이용하여 퍼지 제어기(Fuzzy controller)를 설계하는 단계(230), 상기 퍼지 제어기의 성능을 검증하는 단계(240), 상기 검증 결과 구해진 상기 퍼지 제어기의 최적 계수를 재조절하는 단계(250) 및 상기 퍼지 제어기를 최적화하는 단계(260)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 8, the design method of the fuzzy controller of the inverter DC resistance spot welding system 100 according to an embodiment of the present invention models the inverter DC resistance spot welding system 100 as a system identification model. Step 210, verifying the system identification model 220, designing a fuzzy controller using the system identification model obtained as a result of verification 230, and verifying the performance of the fuzzy controller. 240, re-adjusting an optimal coefficient of the fuzzy controller obtained from the verification result 250, and optimizing the fuzzy controller 260.

상기와 같은 저항 점 용접 시스템(100)의 퍼지 제어기 설계 방법은 인버터 직류 저항 점 용접 시스템(100)에 정전류 제어기를 효과적으로 설계하고 계수를 조절(tuning)하기 위한 방법으로써, 첫 번째로 인버터 직류 저항 점 용접 시스템을 시스템 식별 모델로 모델링하여 시스템 식별 모델을 검증하고, 구해진 시스템 식별 모델을 이용하여 퍼지 제어기(fuzzy controller)를 설계할 수 있다. 여기서, 퍼지 제어기는 지능형 적응 제어기(intelligent adaptation controller)의 일종이라고 할 수 있다.The method of designing a fuzzy controller of the resistance spot welding system 100 as described above is a method for effectively designing a constant current controller and tuning a coefficient in the inverter DC resistance spot welding system 100. The welding system can be modeled with a system identification model to verify the system identification model, and a fuzzy controller can be designed using the obtained system identification model. Here, the fuzzy controller may be referred to as a kind of intelligent adaptation controller.

또한, 시스템 식별 모델에 적절한 퍼지 제어기의 계수(scaling factor)를 조절하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션(simulation)을 이용하고, 퍼지 제어기의 계수를 최적화하는 방법으로는 유전 알고리즘(genetic algorithm)을 이용할 수 있다. 또한, 시스템 식별 모델과 실제 인버터 직류 저항 점 용접 시스템(100)과는 차이가 있기 때문에 컴퓨터 시뮬레이션으로 구해진 퍼지 제어기의 최적 계수를 실제 저항 점 용접 시스템에 적용하기 위해서 반응 표면법(response surface method)을 이용하여 계수를 재조절한다.In addition, a computer simulation may be used to adjust scaling factors of the fuzzy controller suitable for the system identification model, and a genetic algorithm may be used as a method of optimizing the coefficients of the fuzzy controller. In addition, since there is a difference between the system identification model and the actual inverter DC resistance spot welding system 100, the response surface method is applied to apply the optimal coefficient of the fuzzy controller obtained by computer simulation to the actual resistance spot welding system. To readjust the coefficients.

상기 설계 방법 중에서 인버터 직류 저항 점 용접 시스템(100)을 시스템 식별 모델(System Identification Model)로 모델링하는 단계(210), 상기 시스템 식별 모델을 검증하는 단계(220), 상기 검증 결과 구해진 상기 시스템 식별 모델을 이용하여 퍼지 제어기(Fuzzy controller)를 설계하는 단계(230) 및 상기 퍼지 제어기의 성능을 검증하는 단계(240)는 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하는 단계이고, 상기 검증 결과 구해진 상기 퍼지 제어기의 최적 계수를 재조절하는 단계(250) 및 상기 퍼지 제어기를 최적화하는 단계(260)는 실제 저항 점 용접 시스템(100)을 이용하여 실험하고 그 실험 결과와 컴퓨터 시뮬레이션에서 얻은 결과를 비교하는 단계라고 할 수 있다.Modeling the inverter DC resistance spot welding system 100 with a system identification model among the design methods (210), verifying the system identification model (220), the system identification model obtained as a result of the verification Designing a fuzzy controller (230) and verifying the performance of the fuzzy controller (240) using computer simulation is a step of using a computer simulation, and re-adjust the optimal coefficient of the fuzzy controller obtained as a result of the verification The step 250 and the step 260 of optimizing the purge controller may be referred to as experiments using an actual resistance spot welding system 100 and comparing the experimental results with those obtained by computer simulation.

본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 직류 저항 점 용접 시스템(100)의 제어기의 설계 순서와 사용된 방법을 요약하면 다음 [표 1]과 같다.Table 1 summarizes the design sequence and method used of the controller of the inverter DC resistance spot welding system 100 according to an embodiment of the present invention.

프로세스(Process)Process 알고리즘(Algorithm)Algorithm

시스템 식별 모델



System identification model

시스템 모델링System modeling ARX 모델 또는 ANN 모델ARX model or ANN model
제어기 설계Controller design 퍼지 PI 제어기Fuzzy PI Controller 성능지수
(Performance Index)
Performance index
(Performance Index)
IAE(절대 오차합, integral of the absolute error)IAE (integral of the absolute error)
계수 조절
(Parameter tuning)
Modulus adjustment
(Parameter tuning)
환산 계수(scaling factor)
(GE, GDE, GDU)
Scaling factor
(GE, GDE, GDU)
최적화 알고리즘Optimization algorithm 유전자 알고리즘
(Genetic Algorithm)
Genetic algorithm
(Genetic Algorithm)

실제 시스템
(저항 점 용접 시스템)

Real system
(Resistance spot welding system)
성능 지수Performance index IAE(절대 오차합, integral of the absolute error)IAE (integral of the absolute error)
계수 재조절
(Parameter re-tuning)
Modulating
(Parameter re-tuning)
환산 계수(scaling factor)
(GE, GDE, GDU)
Scaling factor
(GE, GDE, GDU)
최적화 알고리즘Optimization algorithm 반응 표면법
(Response surface method)
Response surface method
(Response surface method)

한편, 도 9에 도시된 바와 같이, 인버터 직류 저항 점 용접 시스템(100)을 시스템 식별 모델로 모델링하는 단계(210)는 인버터 직류 저항 점 용접 시스템(100)의 실험을 설계하고 시스템 식별을 위한 입력 및 출력을 계측하는 단계(212), 상기 계측된 입력 및 출력에서 유효한 값을 추출하거나 필터링하는 단계(214), 상기 시스템 식별 모델의 구조를 선택하는 단계(216), 기준값을 지정하고 상기 기준값을 만족시키는 최적의 시스템 식별 모델을 산출하는 단계(218), 상기 산출된 시스템 식별 모델의 성능을 검증하는 단계(222) 및 최적 모델을 검증하는 단계(224)를 포함할 수 있다. 여기서, 시스템 식별 모델의 성능을 검증하는 단계(222)에서 성능을 만족하지 못하면, 최적의 시스템 식별 모델을 산출하는 단계(218)를 다시 수행한다. 상기한 시스템 식별 모델링 단계(210)는 모델 구조의 선택, 최적의 모델 지수 선정, 모델에 대한 분석을 통해 원하는 기준 모델을 얻을 때까지 반복적으로 수행될 수 있다.On the other hand, as shown in Figure 9, the step of modeling the inverter DC resistance point welding system 100 as a system identification model (210) design an experiment of the inverter DC resistance point welding system 100 and input for system identification And measuring output 212, extracting or filtering valid values from the measured input and output 214, selecting a structure of the system identification model 216, specifying a reference value and specifying the reference value. Calculating 218 an optimal system identification model that satisfies, verifying 222 the performance of the calculated system identification model, and verifying 224 the optimal model. Here, if the performance is not satisfied at step 222 of verifying the performance of the system identification model, step 218 of calculating the optimal system identification model is performed again. The system identification modeling step 210 may be repeatedly performed until a desired reference model is obtained by selecting a model structure, selecting an optimal model index, and analyzing the model.

수학적 모델을 위한 모델링 방법으로는 주로 물리적인 법칙(physical principle)에 근거한 지배 방정식(govern equation)을 이용하여 시스템의 각 요소를 근사화한 뒤 미분 방정식 형태로 표현하는 방법을 사용한다. 그러나, 저항 점 용접 시스템(100)은 금속의 용융, 용접 건에 대한 기계적인 반응, 전기 소자 스위칭등의 용접 회로에 존재하는 비선형 요소들이 있기 때문에, 용접 시스템을 물리적인 법칙을 이용하여 수학적으로 표현하고 선형화 하는 것은 어려운 일이다. 실제로 시스템이 복잡해 지면 모든 상황에 대한 정보를 알 수 없으므로 시스템 동작에 대한 많은 가정이 요구되기 때문이다. 따라서, 용접 시스템의 모델링을 위해서는 효율적인 방법이 필요하며, 이를 위하여 본 발명에서는 시스템 식별 기법을 도입하였다. 시스템 식별 기법(system identification)은 미지의 시스템에서 물리적인 방정식을 사용하지 않고 입력과 출력과의 관계를 수학적으로 표현하는 방법으로, 수학적 모델은 선형 모델과 비선형 모델이 있다. 선형 모델에는 ARX, ARXMAX, OE, BJ, 모델 등이 있으며, 비선형 모델에는 인공 신경 회로망을 이용한 NARMA, Nonlinear ARX 등이 있다.As a modeling method for mathematical models, we use a governor equation based on the physical principle to approximate each element of the system and express it in the form of a differential equation. However, since the resistance spot welding system 100 has nonlinear elements present in the welding circuit such as melting of metal, mechanical reaction to the welding gun, switching of electrical elements, and so on, the welding system is mathematically represented using physical laws. And linearization is difficult. In fact, as the system becomes more complex, information about all situations is not available, which requires a lot of assumptions about system behavior. Therefore, an efficient method is required for modeling a welding system. To this end, the present invention introduces a system identification technique. System identification is a method of mathematically expressing the relationship between inputs and outputs without using physical equations in an unknown system. The mathematical models include linear and nonlinear models. Linear models include ARX, ARXMAX, OE, BJ, and models. Nonlinear models include NARMA and Nonlinear ARX using artificial neural networks.

인버터 직류 저항 점 용접 시스템(100)의 실험을 설계하고 시스템 식별을 위한 입력 및 출력을 계측하는 단계(212) 및 상기 계측된 입력 및 출력에서 유효한 값을 추출하거나 필터링하는 단계(214)에서, 입력은 IGBT에 인가되는 온/오프 펄스 신호에서 온(on)에 해당되는 구간 크기를 용접부 컨트롤러에서 PWM 제어 값으로 정의하고 용접 시스템의 출력인 용접 전류는 용접부 컨트롤러의 ADC에서 계측되는 값으로 정의할 수 있다. 또한, 상기 입력 및 출력을 계측하는 단계(212)는 실험을 통해 상기 인버터 직류 저항 점 용접 시스템(100)의 특성을 반영한 입력 데이터를 획득할 수 있다.In designing an experiment of the inverter DC resistance spot welding system 100 and measuring inputs and outputs for system identification 212 and extracting or filtering valid values from the measured inputs and outputs 214 In the on / off pulse signal applied to the IGBT, the section size corresponding to on can be defined as the PWM control value in the welding controller and the welding current output from the welding system can be defined as the value measured in the ADC of the welding controller. have. In operation 212, the input and output measurement may be performed to obtain input data reflecting characteristics of the inverter DC resistance spot welding system 100.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 설계방법은 시스템 식별 모델의 구조를 선택하는 단계(216)에서 하기 [수학식 1]과 같이 모델 구조를 정의한다.On the other hand, the design method according to an embodiment of the present invention defines the model structure as shown in the following [Equation 1] in the step 216 of selecting the structure of the system identification model.

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, y는 출력, u는 입력, e는 백색 잡음(white noise)이고, A, B, C, D, F 다항식의 존재 여부에 따라 여러 가지 모델이 존재할 수 있다.Here, y is an output, u is an input, e is white noise, and various models may exist depending on whether A, B, C, D, or F polynomials exist.

본 발명의 일 실시예는 상기한 [수학식 1]에 의거하여 모델 구조를 결정한 뒤, 인버터 직류 저항 점 용접 시스템(100)에서 요구하는 오차 또는 만족할 만한 범위에서 시스템 식별 모델의 성능을 검토하고, 다양한 모델 구조에 대해 그 성능을 비교하여 성능을 검증한다. 이러한 과정을 거쳐 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템 식별 모델링 방법은 ARMAX(25, 18, 15) 모델이 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 직류 저항 점 용접 시스템(100)에 가장 적합한 시스템 식별 모델로 선정하였다. 여기서, ARMAX는 "autoregressive moving average model with exogenous inputs model"이고, 25, 18, 15는 각각 [수학식 1]의 A, B, C에 해당하는 값이다. 각 검증 데이터의 입력에 따른 ARMAX(25,18,15) 모델을 이용하여 시스템 식별 모델에 의한 전류값과 실제 실험을 의하여 측정된 저항 점 용접 시스템(100)의 전류값을 비교하였고, 그 결과 ARMAX(25,18,15) 모델이 여러 입력 형태에 따른 실제 용접 시스템의 출력과 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.One embodiment of the present invention after determining the model structure based on the above [Equation 1], and examines the performance of the system identification model in the error or satisfactory range required by the inverter DC resistance point welding system 100, Performance is verified by comparing their performance against various model structures. Through this process, the system identification modeling method according to an embodiment of the present invention is a system identification model of the ARMAX (25, 18, 15) model is most suitable for the inverter DC resistance spot welding system 100 according to an embodiment of the present invention Was selected. Here, ARMAX is an "autoregressive moving average model with exogenous inputs model", and 25, 18, and 15 are values corresponding to A, B, and C of Equation 1, respectively. Using the ARMAX (25,18,15) model according to the input of each verification data, the current value by the system identification model and the current value of the resistance spot welding system 100 measured by actual experiments were compared. We can see that the model (25,18,15) appears similar to the output of the actual welding system according to various input types.

이하에서는 도면을 참조하여 퍼지 제어기를 설계하는 단계에 대해서 설명한다. Hereinafter, a step of designing a fuzzy controller with reference to the drawings will be described.

본 발명의 일 실시예에 따른 저항 점 용접 시스템에서는 피용접물에 따라 고유 저항이 다르고 용접 도중에 저항이 변하기 때문에 강건한 제어 특성이 요구되며 이 때문에 퍼지 제어기를 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 정전류 제어를 위한 퍼지 제어기 설계를 위해서 앞에서 언급된 시스템 식별 모델을 이용하여 속도형 퍼지 PI(Proportional Integral) 제어기를 설계한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 인버터 직류 저항 점 용접 시스템(100)의 경우 IGBT를 1kHz의 스위칭 주파수로 온(on)/오프(off) 하기 때문에 제어보드의 마이크로 컨트롤러에서 0.5 msec 마다 제어 입력을 발생시킬 수 있다. 또한, 전체 용접 전류를 흘리는 시간이 보통 수백 msec 정도이기 때문에 짧은 공정 동안 정밀한 제어를 위해서는 고속의 마이크로 프로세서와 연산속도를 고려한 제어기의 선택이 요구된다. 본 발명에서는 단일 루프 제어에서 연속형 제어 규칙 추출을 위해 간략 추론법을 사용하는 속도형 퍼지 PI 제어기를 사용한다. In the resistance point welding system according to an embodiment of the present invention, since the resistivity varies according to the welded object and the resistance changes during welding, robust control characteristics are required, and therefore, it is preferable to use a fuzzy controller. In the present invention, to design a fuzzy controller for constant current control, a speed-type fuzzy PI (Proportional Integral) controller is designed using the aforementioned system identification model. In the inverter DC resistance spot welding system 100 according to an embodiment of the present invention, since the IGBT is turned on / off at a switching frequency of 1 kHz, a control input is generated every 0.5 msec from the microcontroller of the control board. You can. In addition, since the total welding current flow time is usually about several hundred msec, the selection of the controller considering the high speed microprocessor and the calculation speed is required for precise control during the short process. In the present invention, we use a speed-type fuzzy PI controller using simple reasoning for continuous control rule extraction in single loop control.

속도형 퍼지 PI 제어기를 설계하는 방법 즉, 도 9의 퍼지 제어기를 설계하는 단계(230)는 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 퍼지 제어기의 구조를 선정하는 단계(232), 퍼지 추론 방법을 선정하는 단계(234), 상기 퍼지 제어기의 제어 규칙을 추출하는 단계(236), 상기 퍼지 제어기의 제어 파라미터 조정 또는 제어 규칙을 수정하는 단계(238) 및 상기 퍼지 제어기의 성능을 평가하는 단계(239)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 10, the method 230 for designing the speed-type fuzzy PI controller, that is, the design of the fuzzy controller of FIG. Step 234, extracting the control rule of the fuzzy controller 236, adjusting the control parameter of the fuzzy controller or modifying the control rule 238, and evaluating the performance of the fuzzy controller 239. It may include.

도 11에는 본 발명의 일 실시예에 사용된 퍼지 PI 제어기가 도시되어 있다. 도 11에서 플랜트는 상기에서 설명한 ARMAX(25,18,15) 모델을 사용하고, Ref 및 Yk는 각각 용접 시스템의 목표치와 실제 출력이다. 제어기의 입력 변수로는 오차(e)와 오차의 변화량(△e), 제어기의 출력으로는 출력 변화량(△u)의 차이로 하였다. 오차(e), 오차의 변화량(△e), 출력(u)의 관계는 [수학식 2]와 같다.11 shows a fuzzy PI controller used in one embodiment of the present invention. In Figure 11 the plant uses the ARMAX (25, 18, 15) model described above, where Ref and Yk are the target values and the actual output of the welding system, respectively. The difference between the error (e) and the change amount (Δe) of the error as the input variable of the controller, and the change amount of output (Δu) as the output of the controller. The relationship between the error (e), the change amount (Δe) of the error, and the output (u) is shown in [Equation 2].

Figure pat00002
Figure pat00002

Figure pat00003
Figure pat00003

Figure pat00004
Figure pat00004

이와 같이, 상기 퍼지 제어기를 설계하는 단계(230) 즉, 퍼지 제어기의 구조를 선정하는 단계(232)는 시스템 식별 모델에 적절한 퍼지 제어기의 계수를 조절하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 이용할 수 있다. 여기서, 상기 퍼지 추론 방법을 선정하는 단계(234)는 간략 추론법을 사용할 수 있다. 퍼지 추론 방법은 퍼지화(fuzzification), 퍼지추론엔진(fuzzy inference engine), 비퍼지화(defuzzyification)로 3 가지로 나눌 수 있다. 퍼지화는 외란의 영향을 많이 받아서 불확실하다고 간주될 때 입력값의 확률적인 특성을 적절한 퍼지 숫자로 변환시켜주는 이등변 삼각형법을 사용할 수 있다. 또한, 퍼지 추론법은 최대-최소법(min-max method)을 사용하며, 비퍼지화는 무게 중심법(center of gravity)을 사용할 수 있다.As such, designing the fuzzy controller 230, that is, selecting the structure of the fuzzy controller 232, may use computer simulation to adjust the coefficients of the fuzzy controller appropriate for the system identification model. Here, in the step 234 of selecting the fuzzy inference method, a simple inference method may be used. Fuzzy inference methods can be classified into three types: fuzzification, fuzzy inference engine, and defuzzyification. Fuzzy is an isosceles triangle method that converts the stochastic characteristics of input values into appropriate fuzzy numbers when they are considered uncertain due to disturbance. In addition, the fuzzy inference method uses a min-max method, and the non-fuzzy method may use a center of gravity method.

상기 퍼지 제어 규칙을 추출하는 단계(236)에서 추출된 제어 규칙은 [수학식 2]의 입력(e, △e) 및 출력(u)에 대한 퍼지 집합을 각각 7단계로 구성할 수 있다. 또한, 입력(e, △e) 및 출력(u)에 대한 소속 함수(membership function)는 도 12에 도시된 바와 같다. 도 12(a)는 오차(e)의 소속 함수이고, 도 12(b)는 오차의 변화량(△e)의 소속 함수이며, 도 12(c)는 출력(u)의 소속 함수이다.The control rule extracted in step 236 of extracting the fuzzy control rule may configure fuzzy sets for the inputs (e, Δe) and output (u) of Equation 2 in seven steps. Also, membership functions for the inputs e, Δe and output u are as shown in FIG. 12 (a) is a membership function of the error e, FIG. 12 (b) is a membership function of the amount of change Δe of the error, and FIG. 12 (c) is a membership function of the output u.

한편, 퍼지 제어기의 성능을 검증하는 단계(240)에서 설계된 퍼지 제어기의 성능이 만족스럽지 못하면 다시 퍼지 제어기의 성능을 향상시킬 수 있는데, 퍼지 제어기의 성능을 주로 입출력변수의 환산 계수(scaling factor), 소속 함수(membership function), 제어 규칙(control rules)에 의해 영향을 받을 수 있다. 본 발명에서는 퍼지 제어기의 성능 향상 방법으로 환산 계수를 조정하는 방법을 사용한다(도 8의 250 참조). On the other hand, if the performance of the designed fuzzy controller is not satisfactory in the step 240 of verifying the performance of the fuzzy controller, the performance of the fuzzy controller may be improved again. The performance of the fuzzy controller is mainly based on scaling factors of input / output variables, It can be influenced by membership functions and control rules. In the present invention, a method of adjusting the conversion factor is used as a method for improving the performance of the fuzzy controller (see 250 of FIG. 8).

상기 퍼지 제어기를 최적화하는 단계(260)는 퍼지 제어기의 환산 계수를 조정하기 위해 유전자 알고리즘을 사용한다. 본 발명에서는 퍼지 제어기의 제어 성능 향상을 위해 환산 계수(scaling factor)를 조정하는 방법을 이용하며, 또한 목적 함수는 IAE(integral of the absolute error, 절대오차합)지수를 성능 지수(performance index)로 선정하여 환산 계수 값을 최적화하고, 최적화 알고리즘으로는 유전알고리즘(genetic algorithm) 사용한다. 시스템 식별 모델의 퍼지 제어기를 최적화한 시뮬레이션의 환산 계수는 유전 알고리즘으로 53세대에서 수렴이 되었으며, GE = 0.4936, GD = 2.48683, GDU = 221.035이다.Optimizing the fuzzy controller 260 uses a genetic algorithm to adjust the conversion factor of the fuzzy controller. In the present invention, the scaling factor is adjusted to improve the control performance of the fuzzy controller, and the objective function is an integrated index of the absolute error (IAE) index as a performance index. The conversion factor value is selected and optimized, and genetic algorithm is used as an optimization algorithm. The conversion factor of the simulation, which optimized the fuzzy controller of the system identification model, was converged in the 53rd generation by genetic algorithm, and GE = 0.4936, GD = 2.48683, GDU = 221.035.

한편, 시스템 식별 모델과 최적화 알고리즘을 이용하고 시뮬레이션을 통해 설계된 퍼지 제어기는 처음부터 실제 플랜트 즉, 용접 시스템에 대하여 퍼지 제어기를 조절하는 것보다 시간과 비용면에서 무척 효과적이다. 그러나, 시스템 식별 모델은 실제 시스템의 복잡성, 비선형성 등으로 인해 기본적으로 모델링 오차를 포함하고 있기 때문에 시스템 식별 모델에 기초하여 설계된 제어기를 실제 용접 시스템에 적용하여 재조절해야 할 경우도 있다. 이와 같이, 퍼지 제어기의 최적 계수를 재조절하는 단계(250)는 반응 표면법(response surface method)을 이용하여 퍼지 제어 환산 계수를 재조절 또는 최적화할 수 있다.On the other hand, a fuzzy controller designed using a system identification model and an optimization algorithm and simulated is much more efficient in terms of time and cost than adjusting the fuzzy controller for the actual plant, that is, the welding system. However, since the system identification model basically includes modeling errors due to the complexity and nonlinearity of the actual system, a controller designed based on the system identification model may need to be re-adjusted by applying it to the actual welding system. As such, step 250 of re-adjusting the optimal coefficient of the fuzzy controller may re-adjust or optimize the fuzzy control conversion coefficient using a response surface method.

컴퓨터 시뮬레이션의 퍼지 제어 환산 계수를 실제 저항 점 용접 시스템에 적용하여 제어해 보면, 시스템 식별 모델이 실제 용접 시스템을 잘 표현했기 때문에 컴퓨터 시뮬레이션으로 설계된 퍼지 제어기가 잘 작동하는 것을 알 수 있다. 기존의 제어기를 설계하기 위해서는 많은 선행 실험을 하였지만, 본 발명에서는 단지 시스템 식별 모델과 시뮬레이션만으로도 충분히 제어기를 설계할 수 있다.By applying the fuzzy control conversion factor of the computer simulation to the actual resistance spot welding system, it can be seen that the fuzzy controller designed by the computer simulation works well because the system identification model represents the actual welding system. Although many prior experiments have been conducted to design the existing controller, in the present invention, only the system identification model and the simulation can design the controller sufficiently.

이상과 같이 본 발명의 일실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다. While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Accordingly, the spirit of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described, and all of the equivalents or equivalents of the claims, as well as the following claims, belong to the scope of the present invention .

100: 인버터 직류 저항 점 용접 시스템
110: 용접부 컨트롤러 130: 전력변환부
150: 용접 로봇 170: 용접 변압부
190: 용접부
100: Inverter DC Resistance Spot Welding System
110: welding unit controller 130: power conversion unit
150: welding robot 170: welding transformer
190: weld

Claims (21)

용접 전류를 생성하고 상기 용접 전류의 전류량 또는 통전 시간을 제어하는 전력 변환부;
피용접물에 전달되는 대전류를 생성하는 용접 변압부;
상기 피용접물의 용접 부위에 필요한 전극 가압력을 전달하는 용접 건 및 상기 전극 가압력을 발생하는 공압 장치를 구비한 용접부; 및
상기 용접부의 구동을 제어하는 용접부 컨트롤러;를 포함하며,
상기 전력 변환부는,
3상의 교류 전원을 정류하는 정류 다이오드;
정류된 전원을 평활하여 직류 파형을 생성하는 콘덴서; 및
상기 콘덴서에서 생성된 직류 파형을 소정의 펄스 폭을 가지는 교류로 만드는 인버터;
를 포함하는 인버터 직류 저항 점 용접 시스템.
A power conversion unit generating a welding current and controlling an amount of current or an energization time of the welding current;
A welding transformer generating a large current transmitted to the object to be welded;
A welding part including a welding gun for transmitting an electrode pressing force required to a welding portion of the welded object, and a pneumatic device for generating the electrode pressing force; And
And a welder controller configured to control driving of the welder.
The power converter,
Rectification diodes for rectifying three-phase AC power;
A capacitor for smoothing the rectified power to generate a DC waveform; And
An inverter for making a DC waveform generated by the capacitor into an AC having a predetermined pulse width;
Inverter DC resistance spot welding system comprising a.
제1항에 있어서,
상기 인버터는 4개의 IGBT를 이용하여 풀 브릿지 인버터로 형성되고 상기 4개의 IGBT 중 2개의 IGBT를 묶어 2쌍의 IGBT 모듈을 형성하며,
상기 2쌍의 IGBT 모듈 중 어느 하나의 모듈에 PWM 펄스가 인가되면 상기 풀 브릿지의 출력은 양이 되고, 다른 하나의 모듈에 PWM 펄스가 인가되면 상기 풀 브릿지의 출력은 음이 되는, 인버터 직류 저항 점 용접 시스템.
The method of claim 1,
The inverter is formed as a full bridge inverter using four IGBTs, and binds two IGBTs of the four IGBTs to form two pairs of IGBT modules.
When the PWM pulse is applied to any one of the two pairs of IGBT modules, the output of the full bridge is positive, the output of the full bridge is negative when the PWM pulse is applied to the other module, the inverter DC resistance Spot welding system.
제2항에 있어서,
상기 2쌍의 IGBT 모듈에 교대로 PWM 펄스가 인가되면 상기 풀 브릿지의 출력이 교류 파형이 되는, 인버터 직류 저항 점 용접 시스템.
The method of claim 2,
The inverter DC resistance point welding system of claim 2, wherein the output of the full bridge becomes an AC waveform when a PWM pulse is alternately applied to the two pairs of IGBT modules.
제3항에 있어서,
상기 교류 파형은 상기 용접 변압부, 상기 정류 다이오드 및 상기 용접부를 거쳐 직류 파형을 변환되는, 인버터 직류 저항 점 용접 시스템.
The method of claim 3,
And the AC waveform converts a DC waveform through the welding transformer, the rectifier diode, and the welding portion.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 용접 공정을 제어하는 방법에 있어서,
정전류, 정전력, 정전압 또는 정열량이 되도록 PWM 출력을 조절하는 제1 프로세스;
전압 또는 전류를 모니터링하는 제2 프로세스;
상기 피용접물에 가해지는 용접 가압력을 제어하는 제3 프로세스;
지능형 제어를 수행하는 제4 프로세스;
용접 공정을 관리하는 제5 프로세스;
디스플레이 또는 위기 관리를 수행하는 제6 프로세스; 및
컴퓨터 단말기와 통신하는 제7 프로세스;
를 포함하는 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 용접 공정 제어방법.
In the method for controlling the welding process of the inverter DC resistance spot welding system according to any one of claims 1 to 4,
A first process of adjusting the PWM output to be a constant current, constant power, constant voltage or constant heat amount;
A second process of monitoring voltage or current;
A third process of controlling a welding pressing force applied to the welded object;
A fourth process of performing intelligent control;
A fifth process of managing a welding process;
A sixth process of performing display or crisis management; And
A seventh process of communicating with the computer terminal;
Welding process control method of the inverter DC resistance point welding system comprising a.
제5항에 있어서,
상기 제1 프로세스는 상기 컴퓨터 단말기의 지령치 선택에 의해 상기 정전류, 상기 정전압, 상기 정전력 또는 상기 정열량을 퍼지 제어하는, 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 용접 공정 제어방법.
The method of claim 5,
And the first process purge-controls the constant current, the constant voltage, the constant power, or the constant heat amount by selecting a command value of the computer terminal.
제6항에 있어서,
상기 제2 프로세스는 용접 중에 상기 컨트롤러의 ADC로부터 측정된 전압 또는 전류를 지정된 위치에 저장하고, 디지털 필터(digital filter)를 이용하여 측정 데이터를 가공하는, 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 용접 공정 제어방법.
The method of claim 6,
The second process is a welding process control method of the inverter DC resistance point welding system, which stores the voltage or current measured from the ADC of the controller during welding in a specified position, and processing the measurement data using a digital filter. .
제7항에 있어서,
상기 제3 프로세스는 상기 용접 가압력을 상기 용접 건의 전극에 가하는, 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 용접 공정 제어방법.
The method of claim 7, wherein
And the third process applies the welding pressing force to an electrode of the welding gun.
제8항에 있어서,
상기 제4 프로세스는 용접 중에 측정된 결과를 이용하여 용접 결과를 예측하고 용접 중에 전류와 가압력 지령치를 변경하는, 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 용접 공정 제어방법.
The method of claim 8,
And said fourth process uses the results measured during welding to predict welding results and to change the current and force command values during welding.
제9항에 있어서,
상기 제5 프로세스는 용접의 가압, 안정화 시간, 통전 시간 또는 유지 시간을 관리하고, 사용자의 응급 상황에 대처하는, 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 용접 공정 제어방법.
10. The method of claim 9,
The fifth process is a welding process control method of the inverter DC resistance point welding system, which manages the pressurization, stabilization time, energization time or maintenance time of the welding, and copes with the emergency situation of the user.
제10항에 있어서,
상기 제6 프로세스는 사용자가 입력한 지령치를 디스플레이하고, 용접 시스템의 상태를 표시하는, 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 용접 공정 제어방법.
The method of claim 10,
And said sixth process displays a command value input by a user and displays a state of a welding system.
제11항에 있어서,
상기 제7 프로세스는 상기 컴퓨터 단말기에서 사용자가 입력한 데이터를 통신하고, 용접 중에 계측된 데이터를 상기 컴퓨터 단말기로 전송하는, 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 용접 공정 제어방법.
The method of claim 11,
And the seventh process communicates data input by a user in the computer terminal and transmits data measured during welding to the computer terminal.
제5항에 있어서,
상기 제1 프로세스 내지 상기 제7 프로세스는 동시에 실행되거나 독립적으로 실행되는, 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 용접 공정 제어방법.
The method of claim 5,
And wherein the first to seventh processes are executed simultaneously or independently.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 제어기를 설계하는 방법에 있어서,
상기 인버터 직류 저항 점 용접 시스템을 시스템 식별 모델로 모델링하는 단계;
상기 시스템 식별 모델을 검증하는 단계;
상기 검증 결과 구해진 상기 시스템 식별 모델을 이용하여 퍼지 제어기를 설계하는 단계;
상기 퍼지 제어기의 성능을 검증하는 단계;
상기 검증 결과 구해진 상기 퍼지 제어기의 최적 계수를 재조절하는 단계; 및
상기 퍼지 제어기를 최적화하는 단계;
를 포함하는 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 퍼지 제어기 설계방법.
A method for designing a controller of an inverter DC resistance spot welding system according to any one of claims 1 to 4,
Modeling the inverter DC resistance spot welding system as a system identification model;
Verifying the system identification model;
Designing a fuzzy controller using the system identification model obtained as a result of the verification;
Verifying the performance of the fuzzy controller;
Re-adjusting an optimal coefficient of the fuzzy controller obtained as a result of the verification; And
Optimizing the fuzzy controller;
Fuzzy controller design method of the inverter DC resistance spot welding system comprising a.
제14항에 있어서,
상기 인버터 직류 저항 점 용접 시스템을 모델링하는 단계는,
상기 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 실험을 설계하고, 시스템 식별을 위한 입력 및 출력을 계측하는 단계;
상기 계측된 입력 및 출력에서 유효한 값을 추출하거나 필터링하는 단계;
상기 시스템 식별 모델의 구조를 선택하는 단계;
기준값을 지정하고, 상기 기준값을 만족시키는 최적의 시스템 식별 모델을 산출하는 단계; 및
상기 산출된 시스템 식별 모델의 성능을 검증하는 단계;
를 포함하는 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 퍼지 제어기 설계방법.
The method of claim 14,
Modeling the inverter DC resistance spot welding system,
Designing an experiment of the inverter DC resistance spot welding system and measuring inputs and outputs for system identification;
Extracting or filtering valid values from the measured input and output;
Selecting a structure of the system identification model;
Designating a reference value and calculating an optimal system identification model that satisfies the reference value; And
Verifying the performance of the calculated system identification model;
Fuzzy controller design method of the inverter DC resistance spot welding system comprising a.
제15항에 있어서,
상기 시스템 식별 모델의 성능을 검증하는 단계에서 성능을 만족하지 못하면, 상기 최적의 시스템 식별 모델을 산출하는 단계를 다시 수행하는, 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 퍼지 제어기 설계방법.
16. The method of claim 15,
If the performance is not satisfied in the step of verifying the performance of the system identification model, the step of calculating the optimal system identification model is performed again, fuzzy controller design method of the inverter DC resistance point welding system.
제14항에 있어서,
상기 퍼지 제어기를 설계하는 단계는,
상기 퍼지 제어기의 구조를 선정하는 단계;
퍼지 추론 방법을 선정하는 단계;
상기 퍼지 제어기의 제어 규칙을 추출하는 단계;
상기 퍼지 제어기의 제어 파라미터 조정 또는 제어 규칙을 수정하는 단계; 및
상기 퍼지 제어기의 성능을 평가하는 단계;
를 포함하는 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 퍼지 제어기 설계방법.
The method of claim 14,
Designing the fuzzy controller,
Selecting a structure of the fuzzy controller;
Selecting a fuzzy inference method;
Extracting a control rule of the fuzzy controller;
Modifying a control parameter adjustment or control rule of the fuzzy controller; And
Evaluating the performance of the fuzzy controller;
Fuzzy controller design method of the inverter DC resistance spot welding system comprising a.
제17항에 있어서,
상기 시스템 식별 모델을 모델링하는 단계는 실험을 통해 상기 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 특성을 반영한 입력 데이터를 획득하고,
상기 퍼지 제어기를 설계하는 단계는 상기 시스템 식별 모델에 적절한 상기 퍼지 제어기의 계수를 조절하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하는, 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 퍼지 제어기의 설계방법.
The method of claim 17,
The modeling of the system identification model may include obtaining input data reflecting characteristics of the inverter DC resistance spot welding system through experiments.
And designing the purge controller uses computer simulation to adjust the coefficients of the purge controller suitable for the system identification model.
제14항에 있어서,
상기 퍼지 제어기의 최적 계수를 재조절하는 단계는 반응 표면법을 이용하여 계수를 재조절하고,
상기 퍼지 제어기를 최적화하는 단계는 유전자 알고리즘을 이용하는, 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 퍼지 제어기 설계방법.
The method of claim 14,
Re-adjusting the optimal coefficient of the fuzzy controller may re-adjust the coefficient using a response surface method,
And optimizing the fuzzy controller using a genetic algorithm.
제14항에 있어서,
상기 퍼지 제어기를 설계하는 단계는 상기 시스템 식별 모델을 이용하여 속도형 퍼지 PI 제어기를 설계하는, 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 퍼지 제어기 설계방법.
The method of claim 14,
The designing of the fuzzy controller may include designing a speed type fuzzy PI controller using the system identification model.
제17항에 있어서,
상기 퍼지 추론 방법을 선정하는 단계는 간략 추론법을 사용하고,
상기 퍼지 제어기의 성능을 평가하는 단계에서 성능을 만족하지 못하면 상기 퍼지 제어기의 환산 계수를 조정하는, 인버터 직류 저항 점 용접 시스템의 퍼지 제어기 설계방법.
The method of claim 17,
The step of selecting the fuzzy inference method using a simple reasoning method,
And if the performance is not satisfied in evaluating the performance of the fuzzy controller, adjusting the conversion factor of the fuzzy controller.
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