레이저 용접 고전압 피드백 루프에서 플라즈마 노이즈 억제

레이저 용접 고전압 피드백 루프에서 플라즈마 노이즈 억제

추상

용접 플라즈마는 고전압 출력을 조절하는 신호에 노이즈를 주입하고, 제어 회로는 이러한 교란에 자체 변조로 대응합니다. 본 논문에서는 세 가지 주입 경로를 분석하고, 플라즈마 대역과 제어 대역을 분리하는 필터 및 노치 연산을 제시하며, 온도 변화에 따른 노이즈 억제 안정성을 유지하는 감지, 필터링 및 차폐 단계를 설명합니다.

1. 소개

레이저 용접용 고전압 장치는 전압을 샘플링하고 기준 전압과 비교하여 스위칭 단계를 조정하는 피드백 루프를 통해 출력을 조절합니다. 루프 이득, 교차 주파수 및 위상 여유는 전력단 및 필터 모델에서 도출됩니다.

이러한 모델들은 용접 플라즈마를 거의 고려하지 않습니다. 플라즈마는 비선형적이고 시간에 따라 변하는 부하이며, 회로가 의존하는 신호에 잡음을 주입합니다. 플라즈마의 깜빡임은 1kHz에서 100kHz에 이르며, 메가헤르츠 범위의 버스트 현상도 발생합니다. 또한, 아크의 동적 특성은 부하 전류를 변조하고, 플라즈마의 전자기장은 차폐되지 않은 도체에 결합됩니다.

그 결과는 두 가지입니다. 플라즈마로 인한 리플이 샘플링된 전압에 나타나므로, 루프는 부하 노이즈를 출력 오류로 인식하고 팬텀 노이즈에 대한 보정을 수행하는데, 이로 인해 용접 교란에 진동이 추가됩니다. 방사 성분은 고임피던스 감지 노드에 결합되어 수 밀리볼트가 오류 임계값을 초과하면 잘못된 조절이 발생합니다.

실제 작동 중인 용접기에서 측정된 데이터는 문제의 심각성을 보여줍니다. 10kW급 용접기에서 피드백 노드는 1V 감지 신호에 대해 150~250mV의 플라즈마 노이즈를 전달했습니다. 그 결과 고전압 출력은 용접 출력의 ±5%만큼 변동했고, 용입 깊이는 0.2mm만큼 차이가 났는데, 이는 항공우주 및 자동차 분야의 용접 기준을 충족하지 못하는 수준입니다.

2. 핵심 메커니즘

2.1 피드백 노드로의 주입 경로

부하 경로가 출력 전류를 변조하고, 분배기는 이로 인해 버스에 발생하는 리플을 샘플링합니다.

V_noise = ΔI_plasma × Z_bus(f)

여기서 V_noise는 감지 노드의 잡음 전압이고, ΔI_plasma는 플라즈마 전류 스윙이며, Z_bus(f)는 해당 주파수에서의 버스 임피던스입니다. 5kHz에서 2A 및 0.1Ω의 버스 임피던스일 때 V_noise는 200mV입니다.

방사 경로는 아크장을 감지 배선으로 전달합니다.

V_pickup = h_eff × E_arc

여기서 V_pickup은 결합 전압, h_eff는 감지 루프의 유효 안테나 높이, E_arc는 아크에서 발생하는 전기장입니다. 10cm 거리와 5V/m 전압에서 최악의 경우 0.5V에 도달합니다. 용접 전류가 프레임을 통해 되돌아와 감지 접지를 상쇄하기 때문에 접지 경로는 세 번째 항을 추가합니다.

2.2 필터 토폴로지 및 코너 주파수

감지 노드에 있는 수동형 2차 저역 통과 필터는 플라즈마 대역을 차단하고 제어 대역을 통과시킵니다.

f_c = 1 / (2π × √(R1 × C1 × R2 × C2))

여기서 f_c는 코너 주파수이고, R1과 R2는 두 개의 직렬 저항이며, C1과 C2는 두 개의 병렬 커패시터입니다. R = 100 kΩ, C = 160 pF일 때 코너 주파수는 9.9 kHz이며, 이는 100 kHz 플라즈마 대역을 40 dB 감쇠시키고 1 kHz 미만의 조절 대역은 그대로 유지합니다.

플라즈마 깜빡임이 특정 주파수에 집중되는 경우, 트윈-T 노치는 제어 대역에 부하를 주지 않고 제거 기능을 추가합니다.

f_notch = 1 / (2π × R × C)

여기서 f_notch는 노치 중심 주파수입니다. R = 100 kΩ 및 C = 320 pF일 때 노치는 5 kHz에 위치하며, 지배적인 플라즈마 선에서 30 dB를 제거합니다.

2.3 필터 모서리의 드리프트

필터 구성 요소는 피드백 경로에 위치하므로 해당 구성 요소의 허용 오차와 드리프트가 루프에 직접 영향을 미칩니다. 코너는 커패시터 곱의 제곱근에 비례하여 이동합니다.

f_c ∝ 1 / √(C1 × C2)

여기서 f_c는 코너 주파수이고 C1과 C2는 필터 커패시터입니다. 2급 세라믹 커패시터는 기계가 가열됨에 따라 값이 20% 감소하므로 코너 주파수가 9.9kHz에서 12.4kHz로 높아집니다. 그러면 용접이 가장 강하게 진행되는 순간에 플라즈마 대역이 통과 대역 내에 위치하게 됩니다.

동일한 드리프트로 인해 교차점에서 위상차가 발생하므로, 2등급 부품으로 제작된 필터는 측정된 마진을 무효화합니다. ±30 ppm/°C 계수를 갖는 1등급 부품은 100°C에서 0.3%의 변동을 보이며, 코너 값을 0.5% 이내로 유지합니다.

2.4 공통 모드 제거

프레임을 통해 되돌아오는 용접 전류는 감지 접지를 제어 접지보다 5~8V 높게 만듭니다. 차동 프런트 엔드는 제거 비율만큼 이러한 오프셋을 감쇠시킵니다.

V_residual = V_cm / 10^(CMRR / 20)

여기서 V_residual은 프런트 엔드를 통과한 공통 모드 전압이고, V_cm은 접지 전위차이며, CMRR은 dB 단위의 제거율입니다. 오프셋이 8V이고 제거율이 90dB일 때, 필터에는 8V에서 0.25mV가 도달합니다.

그림 1 — 버스 리플 및 아크 유입으로 인해 1V 감지 라인에 150~250mV의 전압 변동이 발생합니다. 차동 샘플링, 5kHz 노치 및 클래스 I 필터를 통해 이러한 변동을 제거합니다.

3. 엔지니어링 문제점

문제점 1: 루프는 가상 플라즈마 오류를 방지하도록 조절됩니다.

1V 감지 신호에 200mV의 플라즈마 노이즈가 발생하면 적분기는 노이즈를 누적하고 출력은 플라즈마 플리커 주파수로 변조됩니다. 그 결과 가청 출력은 모터보팅 소리처럼 들리고, 출력 출력은 용접 레시피 탓으로 돌려지는 ±5%의 용접 전력 변동을 나타냅니다.

두 번째 문제점: 필터 구성 요소의 드리프트로 인해 노이즈 경로가 다시 열립니다.

2등급 세라믹으로 제작된 필터는 기계가 가열됨에 따라 주파수 응답이 저하됩니다. 냉간 시동 시 9.9kHz로 조정된 필터는 작동 온도에 도달하면 12.4kHz가 되며, 용접이 가장 강하게 진행되는 순간에 플라즈마 대역이 다시 통과 대역에 진입합니다.

문제점 3: 공통 모드 접지 잡음으로 인해 단일 종단 감지가 불가능해짐

감지 라인이 5~8V의 용접 귀환 전위를 전달하는 접지를 참조하는 경우, 단일 종단 샘플링은 오프셋을 정류하고 증폭기를 포화 상태로 만듭니다. 그러면 기계는 오작동과 데드 밴드 기간을 번갈아 경험하게 되며, 생산 용접 라인은 이 두 가지 모두 없이 작동할 수 없습니다.

문제점 4: 필터링 대역폭과 과도 응답 간의 충돌

피드백을 정화하는 필터링은 실제 부하 변화에 대한 루프의 응답 속도를 늦춥니다. 과도하게 필터링된 설계는 용접 시작 시 안정화 속도가 2배 느려져 모든 용접 이음매의 처음 10mm가 약해지고 규격에 맞지 않게 됩니다.

4. 설계 단계

전략 1: 높은 CMRR을 가진 프런트엔드를 사용하여 차별적으로 샘플링합니다.

10kHz에서 공통 모드 제거율이 90dB 이상인 차동 쌍을 통해 피드백을 얻으십시오. 이렇게 하면 필터에 도달하기 전에 5~8V의 접지 성분이 제거되며, 개조 측정 결과 전체 피드백 노이즈가 60% 감소합니다. 매칭된 회로를 사용하십시오. 후막 저항기 칸막이에 쌍을 넣어 온도가 변해도 비율이 유지되도록 합니다.

전략 2: 측정된 플라즈마 주파수에 맞춰 노치를 조정합니다.

시운전 시 플리커 스펙트럼을 측정하면 일반적으로 2kHz와 8kHz 사이에 지배적인 선이 나타나는데, 이 영역에 트윈-T 노치를 설치합니다. 30dB 노치는 팬텀 레귤레이션을 유발하는 주기적 성분을 제거하는 동시에 루프의 대역폭을 1kHz 미만으로 유지합니다.

전략 3: 모든 필터 노드에 1급 커패시터를 사용합니다.

지정 N4700 필터 및 디커플링 위치에 대해 소산 계수가 0.1% 이하이고 열팽창 계수가 ±30 ppm/°C인 1등급 세라믹을 사용합니다. 모서리 부분은 온도 상승 시 0.5% 이내의 열팽창률을 유지하므로 실험실에서 측정된 열 억제 성능이 용접 현장에서도 동일하게 적용됩니다.

전략 4: 감지 노드를 로컬에서 분리합니다.

1nF 커패시터를 분압기의 저전압 측을 통해 감지 노드와 접지 사이에 직접 연결하여 증폭기 전에 고주파 플라즈마 신호를 차단합니다. 낮은 ESL(등가 단락 전류)은 플라즈마 아크가 활발하게 발생하는 메가헤르츠 대역까지 차단 효과를 유지합니다. 필름 콘덴서 해당 위치에서는 유도성이 발생하고 1MHz 이상에서는 션팅이 멈춥니다.

전략 5: 과도 응답 및 잡음 요구 사항에 맞춰 루프를 분할합니다.

과도 응답을 위해 빠른 내부 전류 루프를, 전압 안정화를 위해 느린 외부 전압 루프를 실행합니다. 그러면 노이즈 필터는 외부 루프에 위치하게 되는데, 이 경우 노이즈 필터의 대역폭 손실이 용접 시작 시 과도 응답 속도를 저하시키지 않습니다.

전략 6: 감지 쌍을 보호하고 경로를 지정합니다.

감지선은 한쪽 끝이 접지된 트위스트 차폐 쌍선으로 연결하고, 고전압 및 용접 전원 배선과 멀리 떨어뜨려 놓으십시오. 차동 감지와 결합하면 방사되는 잡음을 0.5V에서 10mV 미만으로 줄일 수 있습니다.

구성 요소 매개변수	전형적인 가치	시험 조건
정격 전압(HVCT8G 시리즈)	10 kV DC	60초 동안 1.5배속으로 고전압 가열
정전 용량	4700 pF ±20% (472M)	1MHz, 1V rms
1MHz에서의 ESR	50mΩ 미만	-
루프 인덕턴스(E40 코드)	8nH 이하	단자 간격 40mm
절연 저항	500V DC에서 10GΩ 이상	25°C, 상대습도 60%
온도 범위	−40°C ~ +125°C	IEC 60068-2 시리즈
펄스 dv/dt 기능	50kV/µs 이상	정격 전압에서

5. 잡음이 적은 피드백 루프용 HVC N4700 커패시터

이 노드에서 선택을 결정하는 세 가지 요구 사항은 다음과 같습니다. 조정된 위치를 유지하는 코너, 메가헤르츠 대역에서 작동하는 션트, 그리고 최대 출력 전위를 전달하는 분배기입니다. HVC는 동관에 있는 6,000m² 규모의 자체 공장에서 1kV에서 100kV에 이르는 전압 범위에 걸쳐 SrTiO3 기반의 N4700(T3M) 1급 부품을 생산합니다.

여기서 중요한 6가지 매개변수

• 필터 안정성. ±30 ppm/°C의 계수와 0.1% 이하의 손실 계수는 전체 작동 범위에서 오차 범위를 0.5% 이내로 유지합니다.
• 메가헤르츠 대역으로 분리. ESL이 30nH 미만이고 주파수 평탄 정전 용량 드레인 플라즈마 픽업이 증폭기에 도달하기 전에 이루어지는 패키지.
• 자체 방전 노이즈가 없습니다. 정격 전압에서 5pC 미만의 공장 PD 차폐로 필터 및 디커플링 부품이 정화하는 신호에 버스트를 추가하지 않도록 합니다.
• 분압 회로의 전압 용량. 3kV ~ 20kV 감지 분압기의 경우 나사 단자 손잡이 커패시터 방사형 리드 디스크는 병렬 누설이 거의 없이 최대 출력 잠재력을 전달하므로 분배기 비율이 유지됩니다.
• 정확한 루프 튜닝을 위한 맞춤형 값. HVC는 맞춤형 정전 용량 및 전압 조합을 구축하여 장비 플랫폼의 측정된 플라즈마 스펙트럼에 맞게 코너를 설정할 수 있으며, ±1% 오차 범위 내에서 일치하는 세트를 선택합니다.
• 현장 수리 프로그램에서 검증된 우수한 성능을 자랑합니다. HVC 부품은 전기적 특성 및 패키지 크기와 일치합니다. Murata 석판 인쇄 광원 수리에 사용되는 나사형 콘덴서.

배송 및 지원

표준 제품은 4~8주, 맞춤형 제품은 6~10주 내에 배송됩니다. HVC 애플리케이션 엔지니어링팀은 필터 및 노치 커패시터 선정, 디커플링 레이아웃, 크로스오버 주파수에서의 임피던스 측정 등을 지원합니다.

감지 레벨, 플라즈마 플리커 밴드, 접지 오프셋, 크로스오버 주파수 및 수량을 보내주십시오. HVC는 5영업일 이내에 임피던스 데이터, 매칭 세트 허용 오차 보고서 및 프로토타입 검증용 샘플이 포함된 부품 번호를 회신해 드립니다.

6. 자주 묻는 질문

Q1: 용접 플라즈마가 피드백 신호에 얼마나 많은 노이즈를 발생시키나요?

10kW 용접기에서 1V 감지선에 150~250mV의 전압이 측정됩니다. 이 수치는 부하 경로에 따라 결정됩니다. 0.1Ω의 버스 임피던스에 2A의 플라즈마 리플이 흐르면 ​​200mV의 전압이 발생하고, 차폐되지 않은 10cm 루프에서 아크 자기장이 합쳐져 0.5V의 전압 픽업이 발생합니다.

Q2: 플라즈마에 잡음이 있을 때 루프가 진동하는 이유는 무엇입니까?

적분기는 노이즈를 출력 오차로 누적하고 가상 노이즈를 보정하여 출력이 플라즈마 플리커 주파수로 변조되도록 합니다. 그 결과 용접 출력은 ±5%, 용입 깊이는 0.2mm 정도 변동합니다.

Q3: 노치 필터는 어디에 설치해야 하나요?

측정된 플라즈마 주파수(일반적으로 2kHz~8kHz)에서 외부 전압 루프에 이중 T 노치가 적용되어 루프 자체의 1kHz 미만 대역폭은 그대로 유지하면서 주요 플리커 라인의 30dB를 제거합니다.

질문 4: 피드백 신호를 더 강하게 필터링하지 않는 이유는 무엇입니까?

그러면 회로가 실제 부하 변화에 느리게 반응하게 됩니다. 과도하게 필터링된 전원은 용접 시작 시 안정화 속도가 2배 느려져 용접 이음매의 처음 10mm 부분이 약해집니다. 따라서 회로를 분리하는 것이 좋습니다. 즉, 빠른 전류를 공급하는 내부 회로와 필터링된 전압을 공급하는 외부 회로로 나누는 것입니다.

Q5: 2급 도예는 정말 모서리를 그렇게까지 많이 옮기나요?

네. 20%의 정전 용량 손실은 2차 필터의 차단 주파수를 9.9kHz에서 12.4kHz로 높입니다. 차단 주파수는 정전 용량 곱의 역제곱근에 비례하여 이동하기 때문입니다. 그러면 플라즈마 대역은 통과 대역 내에 위치하게 됩니다.

Q6: 접지 루프 성분을 제거하는 방법은 무엇입니까?

10kHz에서 90dB 이상의 공통 모드 제거율을 갖는 차동 프런트 엔드입니다. 8V의 용접 리턴 오프셋을 0.25mV로 감쇠시키며, 차동 감지 기능을 추가한 개조를 통해 전체 피드백 노이즈를 60% 감소시켰습니다.

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