用于熔接焊机的熔接电源控制方法及装置与流程

本发明涉及材料焊接技术领域，尤其涉及一种用于熔接焊机的熔接电源控制方法及装置。

背景技术：

随着城市供水、供暖、燃气输送，农业排灌管网建设等方面的发展，氯乙烯材料的管道凭借其重量轻、耐腐蚀、绝缘性好、抗断裂的能力强、便于生产和安装且成本低等优点，在流体介质中得到越来越广泛的应用。管材之间连接质量的好坏将直接影响管道的持久强度和结构的完整性。

目前常用的焊接技术有承插焊接、对接焊接、电熔焊接。由于电熔焊接操作简单、携带方便、焊接的速度比较快，目前得到了很快的发展。

电熔焊焊接过程由4个基本阶段组成：①准备阶段，主要是焊接表面的准备，特别是清除掉塑料表面的氧化皮、油污和泥土等脏物；②定位阶段，将电熔管接头装人焊接的两个管道上；③焊接阶段，用焊接设备对管道和电熔管接头加热，根据不同的材质控制加热时间和加热电流或加热电压，保证焊接质量；④保持阶段，保持电熔管接头和管道的相对位置，直到它们完全冷却。

在电熔焊焊接工作的过程中，受管件材料性质、环境温度、压力等干扰因素的影响，焊接的输出电压和加热时间都会发生变化。现场操作人员不同，经验不同，以及熔接焊机的调节灵敏度的不同，导致操作人员很难准确的调整焊接输入电压和控制加热时间。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种用于熔接焊机的熔接电源控制方法及装置，用于至少解决现有技术中无法准确调整熔接焊机的焊接温度和焊接时间的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供一种用于熔接焊机的熔接电源控制方法，包括：预先获取根据待加工管材确定的设定温度；接通所述熔接焊机的所述熔接电源以启动所述熔接焊机对所述待加工管材进行焊接；在对所述待加工管材进行焊接过程中实时检测实际焊接温度；根据所述设定温度与所述实际焊接温度生成脉冲宽度调制信号用于调整所述熔接电源以使得检测到的所述实际焊接温度向所述设定温度靠近。

第二方面，本发明实施例还提供一种用于熔接焊机的熔接电源控制装置，包括：设定温度确定程序模块，用于预先获取根据待加工管材确定的设定温度；

电源接通程序模块，用于接通所述熔接焊机的所述熔接电源以启动所述熔接焊机对所述待加工管材进行焊接；

温度检测程序模块，用于在对所述待加工管材进行焊接过程中实时检测实际焊接温度；

调制信号生成程序模块，用于根据所述设定温度与所述实际焊接温度生成脉冲宽度调制信号用于调整所述熔接电源以使得检测到的所述实际焊接温度向所述设定温度靠近。

第三方面，本发明实施例提供一种非易失性计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有一个或多个包括执行指令的程序，所述执行指令能够被电子设备(包括但不限于计算机，服务器，或者网络设备等)读取并执行，以用于执行本发明上述任一项用于熔接焊机的熔接电源控制方法。

第四方面，提供一种电子设备，其包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明上述任一项用于熔接焊机的熔接电源控制方法。

第五方面，本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非易失性计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，使所述计算机执行上述任一项用于熔接焊机的熔接电源控制方法。

本发明实施例的有益效果在于：通过预先获取一个参考设定温度值，并实时采集焊接过程中的实际焊接温度，从而可以根据这两个值的差值来实时调整向熔接焊机供电的熔接电源，以使得检测到的实际焊接温度向参考设定温度靠近，保证焊接工作能够在参考设定温度附近以预定的焊接时间完成，实现了对焊接温度以及焊接时间的准确调整与控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明用于熔接焊机的熔接电源控制方法一实施例的流程图；

图2为温度检测电路的一种实施例的电路连接原理图；

图3为本发明用于熔接焊机的熔接电源控制方法的另一实施例的流程图；

图4为本发明的用于熔接焊机的熔接电源控制方法中的pid调节器的一实施例的原理框图；

图5为本发明的用于熔接焊机的熔接电源控制方法中的hpwm电源电路的一实施例的原理图；

图6为本发明的用于熔接焊机的熔接电源控制方法中的igbt开关的驱动电路一实施例的原理图；

图7为本发明的用于熔接焊机的熔接电源控制装置的一实施例的结构示意图；

图8为本发明的用于熔接焊机的熔接电源控制装置中的调制信号生成程序模块一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、元件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本发明，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

在本发明中，“模块”、“装置”、“系统”等等指应用于计算机的相关实体，如硬件、硬件和软件的组合、软件或执行中的软件等。详细地说，例如，元件可以、但不限于是运行于处理器的过程、处理器、对象、可执行元件、执行线程、程序和/或计算机。还有，运行于服务器上的应用程序或脚本程序、服务器都可以是元件。一个或多个元件可在执行的过程和/或线程中，并且元件可以在一台计算机上本地化和/或分布在两台或多台计算机之间，并可以由各种计算机可读介质运行。元件还可以根据具有一个或多个数据包的信号，例如，来自一个与本地系统、分布式系统中另一元件交互的，和/或在因特网的网络通过信号与其它系统交互的数据的信号通过本地和/或远程过程来进行通信。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”，不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

如图1所示，本发明的一实施例的用于熔接焊机的熔接电源控制方法，包括：

s10、预先获取根据待加工管材确定的设定温度；

s20、接通所述熔接焊机的所述熔接电源以启动所述熔接焊机对所述待加工管材进行焊接；

s30、在对所述待加工管材进行焊接过程中实时检测实际焊接温度；

s40、根据所述设定温度与所述实际焊接温度生成脉冲宽度调制信号用于调整所述熔接电源以使得检测到的所述实际焊接温度向所述设定温度靠近。

本实施例的有益效果在于：通过预先获取一个参考设定温度值，并实时采集焊接过程中的实际焊接温度，从而可以根据这两个值的差值来实时调整向熔接焊机供电的熔接电源，以使得检测到的实际焊接温度向参考设定温度靠近，保证焊接工作能够在参考设定温度附近以预定的焊接时间完成，实现了对焊接温度以及焊接时间的准确调整与控制。

上述实施例的方法可以由一个或者多个处理器(例如，51单片机)来执行。其中步骤s10，可以是工作人员预先通过键盘电路向处理器中写入设定温度，这里的设定温度是工作人员根据待加工管材的特性以及来确定的；或者可以是工作人员预先通过键盘电路向处理器中输入待加工管材的名称信息或者特性信息，然后由处理器自动根据预先存储的对应于多种不同管材的设定温度列表来确定相应的设定温度。

步骤s20在接收到工作人员的向处理器发出的启动焊接工作指令时执行。工作人员可以通过与处理器连接的启动按钮或者通过与处理器连接的语音识别模块或者通过遥控器来实现指令的发送。之后由处理器控制与之相连的熔接电源来对待加工管件进行焊接。

步骤s30中处理器通过与实施检测外部温度检测电路所采集的当前焊接的实际焊接温度值，并存储到缓存区以用于步骤s40中与设定温度的比较。

如图2所示，为温度检测电路的一种实施例的电路连接原理图，采用了热电偶变换器件max6675芯片，示出了热电偶、热电偶变换器件以及51单片机的连接关系。熔接焊机的温度控制范围为130-220℃，传感器选用k型热电偶，热电偶的测量采用专用的热电偶变换器件max6675芯片，将所测温度转换为12位二进制数字量。

步骤s40中根据所述设定温度与所述实际焊接温度之间的差值，来调整熔接电源。具体地，当实际焊接温度小于设定温度时，可以通过将熔接电源所输出的电压值提高或者提高输出直流电压的占空比的方式来提升焊接温度；当实际焊接温度大于设定温度时，可以通过将熔接电源输出的电压值减小或者减小直流电压的占空比的方式来降低焊接温度。

如图3所示，在一些实施例中，所述根据所述设定温度与所述实际焊接温度调整所述熔接电源以使得检测到的所述实际焊接温度向所述设定温度靠近包括：

s41、根据所述设定温度与所述实际焊接温度确定焊接温度偏差值e和焊接温度偏差率ec；

s42、至少根据所述焊接温度偏差值和所述焊接温度偏差率确定pid调节器的比例系数、积分系数和微分系数；

s43、根据所述比例系数、积分系数和微分系数生成脉冲宽度调制信号用于对所述熔接电源进行调整以使得检测到的所述实际焊接温度向所述设定温度靠近。

本实施例中的步骤s41中通过设定温度与实际焊接温度确定焊接温度偏差值e，通过多个时刻采集的实际焊接温度确定的多个焊接温度偏差值e确定出焊接温度偏差率ec。其中，焊接温度偏差值e所表示的是实际焊接温度与设定温度的大小关系，焊接温度偏差率表示的是实际焊接温度与设定温度之间差值的变化趋势。

步骤s42中通过确定的焊接温度偏差值和焊接温度偏差率确定了用于pid调节器程序的比例系数kp、积分系数kt和微分系数kd。其中，比例系数kp的作用是加快系统的相应速度，提高系统的调节精度，kp值越大系统响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定；kp越小，则会降低系统的调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。积分系数kt的作用是消除系统的稳态误差，取值越大，系统的静态误差消除越快，但取值过大在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调，若过小将使系统静态误差难以消除，从而影响系统的调节精度。微分系数kd的作用是改善系统的动态性能，主要是在响应过程中抑制偏差向粉盒方向的变化，对偏差变化进行提前预报，但取值过大将会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰能力。

步骤s43中调用pid调节器程序根据所述比例系数kp、积分系数kt和微分系数kd生成脉冲宽度调制信号。

如图4所示，本实施例中的pid调节器采用的是自适应模糊pid控制器(proportionintegrationdifferentiation，比例-积分-微分控制器)，其包括：pid调节器单元1，与所述pid调节器单元1的控制端连接的模糊推理单元2，模糊推理单元输出比例系数kp、积分系数ki和微分系数kd至pid调节器单元，与所述pid调节器单元1的第一输入端连接的微分器3(de/dt)，与所述pid调节器单元1的第二输入端连接的加法器4，所述加法器4的正向输入端输入设定温度值，加法器4的反向输入端输入由温度传感器5采集的实时温度值，所述pid调节器单元1的输出端与hpwm电源电路6的控制端连接，所述hpwm电源电路6的输出端用于连接熔接焊机7。

本实施例中采用h桥pwm直流-直流电源，pwm(pulse-widthmodulation，脉冲宽度调制)的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是pwm相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将pwm用于通信的主要原因。从模拟信号转向pwm可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的rc或lc网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式，总之，pwm既经济、节约空间、抗噪性能强。

在一些实施例中，所述至少根据所述焊接温度偏差值和所述焊接温度偏差率确定pid调节器的比例系数kp、积分系数kt和微分系数kd为：根据所述焊接温度偏差值和所述焊接温度偏差率以及模糊规则表确定pid调节器的比例系数kp、积分系数kt和微分系数kd。

本实施例中的模糊规则表为预先建立的，具体建立方法如下：

首先，选择描述输入输出变量的词集。

模糊控制规则表现为一组模糊条件语句。在条件语句描述输入输出变量状态的一些词汇(如在“正大”“负小”)的集合，称为这些变量的词集。一般选用“大、中、小”三个词汇描述模糊控制器的输入、输出变量的状态。由于人的行为在正负两个方向的判断基本上是对称的。将大、中、小再加上正、负两个方向并考虑变量为零的状态。共有七个词汇，即：

{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}

用英文字母收个字母缩写为

{nb、nm、ns、o、ps、pm、pb}

其中，n-negative，p-positive，b-big，m-medium，s-small，o-zero。

其次，建立模糊控制器的控制规则表。

根据pid参数比例系数kp、积分系数kt和微分系数kd对系统输出特性的影响，可得出在不同的焊接温度偏差值e和焊接温度偏差率ec时，参数自整定原则：

1)当e很大时，不论误差变化趋势如何，都应考虑控制器的输出应按最大(或最小)输出，以达到迅速调整误差，使得误差绝对值以最大速度减小，同时为了防止积分饱和，此时，应取较大kp，较小的kd，kt取零。

2)当e*ec＞0时，说明误差在朝误差绝对值增大方向变化，此时，若误差较大，可考虑由控制器实施较强的控制作用，以达到扭转误差绝对值朝减小方向变化，并迅速减小误差绝对值；此时取较大的kp，kd不能太大，取较小的kt值，若误差绝对值较小，控制器实施一般的控制作用，只要扭转误差的变化趋势，使其朝误差绝对值减小方向变化。

3)当e*ec＜0，或者e＝0时，说明误差的绝对值朝减小的方向变化，或者已经达到平衡状态，此时，可采取保持控制器输出不变。

4)当e*ec＝0，e不等于零时，表明系统的曲线与理论曲线平行或一致，为使系统具有良好的稳态性能，应采取较大kp和kt值，同时避免设定值附近振荡，并考虑系统的抗干扰性能，适当选取kd值，设：

式(1)中kp′、kt′、kd′为系统的经典pid参数，一般用z-n法则来确定。

根据pid参数的整定原则及专家经验，采用if-then形式，可得δkp、δkt、δkd的整定规则如下表1所示：

表1-1，δkp的模糊控制表

表1-2，δki的模糊控制表

表1-2，δkd的模糊控制表

在一些实施例中，所述熔接电源采用由多个igbt开关器件构成的h桥pwm直流-直流电源；所述igbt开关器件配置成，当所述igbt开关器件关断时，所述igbt开关器件的栅极和发射极之间为负电压。

如图5所示，h桥pwm电源电路包括：第一开关igbt1、第二开关igbt2、第三开关igbt3、第四开关igbt4，其中，所述第一开关igbt1和第三开关igbt3的栅极g连接第一驱动信号pwm1，所述第二开关igbt2和第四开关igbt4的栅极g连接第二驱动信号pwm2，所述第二开关igbt2和第四开关igbt4的发射极e连接电源负极，所述第一开关igbt1的集电极c连接电源正极，所述第一开关igbt1的发射极e与所述第二开关igbt2的集电极c连接，所述第三开关igbt3的发射极e与所述第四开关igbt4的集电极c连接。

本实施例中采用h桥pwm直流-直流电源，采用双极式调制，以igbt为主开关器件。首先采用双直流电压控制可以减少逆变电路、中间变换变压器等器件，从而简化电路设计，降低成本；另外，采用igbt作为核心开关器件，该器件具有高开关频率、高输人阻抗、电压驱动、无二次击穿和安全工作区较宽等优点，提升了安全与可靠性能。

在一些实施例中，所述第一开关igbt1和第三开关igbt3的栅极连接第一驱动信号为：所述第一开关igbt1和第三开关igbt3的栅极通过第一驱动电路连接至第一驱动信号；和/或所述第二开关igbt2和第四开关igbt4的栅极连接第二驱动信号为：所述第二开关igbt2和第四开关igbt4的栅极通过第二驱动电路连接至第二驱动信号。

在本实施例中，控制器(例如，51单片机)产生的pwm信号控制igbt开关的导通与关断，但是控制器输出的电压和电流较小，不满足驱动igbt的最小要求，因此设计了igbt开关驱动电路。

在一些实施例中，所述第一驱动电路采用光耦合器，所述光耦合器的输入端与第一驱动信号连接，所述光耦合器的输出端连接至所述第一开关igbt1和第四开关igbt4的栅极。

相应的，在一些实施例中，所述第二驱动电路也采用光耦合器，所述光耦合器的输入端与第二驱动信号连接，所述光耦合器的输出端连接至所述第二开关igbt2和第三开关igbt3的栅极。

在上述实施例中，所述光耦合器的型号为tlp250。

在一些实施例中，所述光耦合器的接地端通过稳压管与所述第一开关igbt1和第四开关igbt4的发射极连接。相应的，在一些实施例中，所述光耦合器的接地端通过稳压管与所述第二开关igbt2和第三开关igbt3的发射极连接。在上述实施例中，所述稳压管的型号为2cw7c。

如图6所示，在一些实施例中igbt开关的驱动电路包括型号为tlp250的光耦合器，电阻r1-r2，电容c1-c2，型号为2cw7c的稳压管。单片机从pwm1引脚发出pwm信号，输入至光耦合器。然后，光耦合器tlp250从g1和e1输出igbt的驱动信号，g1和e1分别接到igbt的栅极和发射极。

为了使igbt开关可以加速关断速度，使系统运行更加可靠，当igbt关断时，使栅极和发射极之间为负电压。在电路中，采用6v的稳压管2cw7c，供电电压为15v。当前端输入导通时，栅极和发射极之间产生9v电压，驱动igbt导通；当前端输入关断时，栅极和发射极之间产生负6v的电压，加快了igbt的关断，保证了系统的可靠运行。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作合并，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

如图7所示，本发明实施例提供一种用于熔接焊机的熔接电源控制装置700，包括：

设定温度确定程序模块710，用于预先获取根据待加工管材确定的设定温度；

电源接通程序模块720，用于接通所述熔接焊机的所述熔接电源以启动所述熔接焊机对所述待加工管材进行焊接；

温度检测程序模块730，用于在对所述待加工管材进行焊接过程中实时检测实际焊接温度；

调制信号生成程序模块740，用于根据所述设定温度与所述实际焊接温度生成脉冲宽度调制信号用于调整所述熔接电源以使得检测到的所述实际焊接温度向所述设定温度靠近。

如图8所示，本发明的一些实施例中，所述调制信号生成程序模块740包括：

偏差计算程序单元741，用于根据所述设定温度与所述实际焊接温度确定焊接温度偏差值和焊接温度偏差率；

模糊推理程序单元742，用于至少根据所述焊接温度偏差值和所述焊接温度偏差率确定pid调节器的比例系数、积分系数和微分系数；

pid调节器程序单元743，用于根据所述比例系数、积分系数和微分系数生成脉冲宽度调制信号用于对所述熔接电源进行调整以使得检测到的所述实际焊接温度向所述设定温度靠近。

在一些实施例中，所述模糊推理程序单元742用于根据所述焊接温度偏差值和所述焊接温度偏差率以及模糊规则表确定pid调节器的比例系数、积分系数和微分系数。

在一些实施例中，所述熔接电源采用由多个igbt开关器件构成的h桥pwm直流-直流电源；所述igbt开关器件配置成，当所述igbt开关器件关断时，所述igbt开关器件的栅极和发射极之间为负电压。

上述本发明实施例的用于熔接焊机的熔接电源控制装置可用于执行本发明实施例的用于熔接焊机的熔接电源控制方法，并相应的达到上述本发明实施例的用于熔接焊机的熔接电源控制方法所达到的技术效果，这里不再赘述。

本发明实施例中可以通过硬件处理器(hardwareprocessor)来实现相关功能模块。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质中存储有一个或多个包括执行指令的程序，所述执行指令能够被电子设备读取并执行，以用于执行本发明以上任一实施例所述的用于熔接焊机的熔接电源控制方法。

此外，本发明实施例还提供一种电子设备，其包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行本发明以上任一实施例所述的用于熔接焊机的熔接电源控制方法。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对相关技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。