武交峰

（廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院，廣東 佛山 528216）

基于智能控制技術(shù)的節(jié)能型熔接焊機電源設(shè)計

武交峰

（廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院，廣東 佛山 528216）

聚氯乙烯材料的管道在流體介質(zhì)中應(yīng)用非常廣泛。為保證管材之間連接質(zhì)量，利用智能控制技術(shù)和新型電力電子器件，設(shè)計節(jié)能型熔接焊機電源。該電源以單片機為控制核心，利用模糊PID自適應(yīng)控制技術(shù)，計算外部環(huán)境溫度和焊接界面溫度，根據(jù)電壓偏差大小，利用模糊自適應(yīng)調(diào)整PID參數(shù)，在線自校正，快速找出合適的輸出直流電壓占空比，提高焊接速度。在硬件電路設(shè)計方面，采用π型LC濾波電路和由IGBT構(gòu)成的雙直流HPWM變換電路，大大改善了輸出電壓質(zhì)量。對所設(shè)計電源進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，該電源節(jié)約了電路成本，提高了調(diào)節(jié)速度，輸出電壓穩(wěn)定。

電熔焊接；模糊自適應(yīng)；雙直流變流

0 前言

氯乙烯材料的管道憑借其質(zhì)量輕、耐腐蝕、絕緣性好、抗斷裂的能力強、便于生產(chǎn)和安裝且成本低等優(yōu)點，在流體介質(zhì)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。管材之間連接質(zhì)量的好壞將直接影響管道的持久強度和結(jié)構(gòu)的完整性。

目前常用的焊接技術(shù)有承插焊接、對接焊接、電熔焊接。由于電熔焊接操作簡單、攜帶方便、焊接速度較快，目前發(fā)展迅速。例如，楊曉玲等人[1]提出利用單片機加模糊PID調(diào)節(jié)輸出電壓，超調(diào)量減小，沒有采用自適應(yīng)控制，電源部分未做詳細(xì)介紹；李萍等人[2]采用專門的交流調(diào)壓模塊；金曉軍等人[3]提出利用單片機自動調(diào)節(jié)輸出電壓和加熱時間；謝佶雋等人[4]提出利用單片機調(diào)節(jié)電壓，主電源部分采用交直交直的模式，增加了中頻變壓器。這些控制方式在很大程度上提高了熔接電源的效率。

根據(jù)深圳民樂管業(yè)有限公司使用市場現(xiàn)有焊機的反饋信息得知，他們要求電熔焊機快速、智能、便攜、節(jié)能及高效。電力電子技術(shù)和智能控制技術(shù)的發(fā)展，使得開發(fā)滿足要求的電源成為可能。本研究設(shè)計的熔接電源利用先進(jìn)的智能控制理論進(jìn)行優(yōu)化控制，采用新型節(jié)能器件搭建電路，采用單片機實現(xiàn)控制要求。

1 聚乙烯管道焊接特點

1.1 焊接過程

將電熔管接頭裝入待焊接管件上；分析材料，設(shè)定加熱的時間和電流（或者電壓）；利用焊機進(jìn)行加熱，在加熱的過程中保持管接頭和管件位置不變直至完全冷卻。

1.2 焊接溫度和加熱時間的影響

焊接強度與加熱層的溫度和時間都有關(guān)系。聚乙烯的熔點為130℃～140℃。文獻(xiàn)[5]指出，加熱溫度越高，加熱時間越少；140℃～220℃，焊接效果好、強度高；超過220℃時，可能導(dǎo)致聚乙烯降解，焊接強度降低；溫度低于130℃，強度無法達(dá)到要求。

1.3 其他因素

焊接過程還與管件材料、厚度、壓力等因素有關(guān)。

2 智能控制的節(jié)能型熔接電源組成

2.1 電源總體設(shè)計

電源組成框圖如圖1所示，采用C8051單片機作為主控元件。

圖1 智能控制的節(jié)能型熔接電源組成Fig.1 Composition of intelligent control energy-saving welding power supply

單片機通過A/D轉(zhuǎn)換將環(huán)境溫度和焊接界面溫度轉(zhuǎn)換為電壓信號。首先通過與環(huán)境溫度的比較，計算出焊接時的設(shè)定電壓值；再通過比較設(shè)定電壓與界面檢測電壓，利用自適應(yīng)模糊PID控制算法，快速求出所需占空比；最后將所需的調(diào)制信號送到PWM，得到合適的電壓輸出值。焊接電壓、焊接電流、環(huán)境溫度等通過液晶顯示器顯示。焊接的相關(guān)工作參數(shù)可通過打印機打出。直流輸出采用恒電壓和恒電流在本質(zhì)上是一致的，都是通過加熱絲發(fā)熱實現(xiàn)管件熔接，本設(shè)計中采用了恒電壓源形式。

2.2 單元電路設(shè)計

（1）電壓選擇。

管件連接的施工場所有時會比較潮濕，為了保證作業(yè)人員的安全，輸出直流電壓選擇為39.5 V（電壓偏差≤2%），通過控制加熱時間來調(diào)整加熱能量。線圈采用導(dǎo)線不同，加熱過程有差異。

（2）整流及濾波環(huán)節(jié)。

整流濾波部分是將市電220 V交流電轉(zhuǎn)換為平穩(wěn)的直流電壓。采用單相橋式全控整流。電容濾波電路雖然簡單，但因電容充電的瞬時電流很大，形成了浪涌電流，容易損壞二極管，另外還需考慮熔接電源輸出負(fù)載電流大，所以本設(shè)計采用如圖2所示的π型LC濾波電路。輸出濾波中的電感還有減小負(fù)載電壓紋波、改善特性的作用。

圖2 π型LC濾波電路Fig.2 LC filter circuit

（3）驅(qū)動電路。

采用H橋PWM直流-直流電源和雙極式調(diào)制，以IGBT為主開關(guān)器件。采用雙直流電壓控制可以減少逆變電路、中間變換變壓器等器件；核心開關(guān)器件IGBT具有高開關(guān)頻率、高輸入阻抗、電壓驅(qū)動、無二次擊穿和安全工作區(qū)較寬等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種焊接電源中。

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件總體流程

電源部分軟件流程如圖3所示，主要包括初始化、溫度讀取及電壓調(diào)整等控制功能。其他有關(guān)液晶顯示、打印、時鐘等控制暫不討論。

圖3 電源部分軟件流程Fig.3 Software flow chart of Power part

焊接電壓控制采用自適應(yīng)模糊PID控制方法。系統(tǒng)可根據(jù)電壓偏差大小自適應(yīng)調(diào)整PID參數(shù)，在線自校正，快速找到合適的占空比，提高焊接速度

3.2 自適應(yīng)模糊PID控制器

在熔接電源工作過程中，受管件材料性質(zhì)、環(huán)境溫度、壓力等干擾因素的影響，焊接的輸出電壓和加熱時間都會發(fā)生變化?，F(xiàn)場操作人員不同，經(jīng)驗不同，很難用精確的數(shù)據(jù)或參數(shù)來描述。

本設(shè)計利用自適應(yīng)模糊PID控制器控制電壓將評價指標(biāo)、初始PID參數(shù)等存入計算機知識庫然后根據(jù)實際的電壓輸出運用模糊推理實現(xiàn)PID參數(shù)的最佳調(diào)整[6]。

該自適應(yīng)模糊PID控制中采用二維模糊控制器，選擇焊接電壓偏差和偏差變化率為輸入變量，PWM的占空比為輸出變量，分別記為E、EC、U。輸入和輸出隸屬函數(shù)均選用三角形，模糊推理規(guī)則選用經(jīng)驗法建立，控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 自適應(yīng)模糊PID控制器Fig.4 Adaptive fuzzy controller PID

3.3 仿真結(jié)果

3.3.1 整流濾波部分仿真

電源輸出電壓設(shè)定為39.5 V，所以選擇整流變壓器為220/20V。π 型濾波器中，L=100mH，C1、C2取為0.001 F，在Simulink中搭建電路并進(jìn)行仿真，如圖5所示。

圖5 整流電路仿真電路Fig.5 Simulation circuit of rectifier circuit

仿真結(jié)果如圖6所示，第一條曲線是π型LC濾波輸出，第二條曲線是電容濾波。分析仿真結(jié)果可知，采用π型LC濾波電路很大程度上減小了整流輸出電壓的脈動程度，更加平滑，效果良好。

3.3.2 自適應(yīng)模糊PID控制仿真

圖6 整流電路仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of rectifier circuit

熔接電源直流-直流變換電路部分的輸入和輸出電壓之間為線性關(guān)系；輸出采用溫度作為反饋量，這是一個典型的大慣性滯后系統(tǒng)，所以模糊自適應(yīng)PID控制器的性能可利用一個二階純滯后系統(tǒng)來模擬[7-8]。搭建Simulink電路如圖7所示，并進(jìn)行仿真。

仿真結(jié)果如圖8所示。采用自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)超調(diào)量明顯減小，其快速性也明顯提高，同時調(diào)節(jié)時間大大縮短，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

圖7 自適應(yīng)模糊PID控制器仿真Fig.7 Simulation diagram of adaptive fuzzy PID controller

圖8 自適應(yīng)模糊PID控制器仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of fuzzy adaptive PID controller

3.3.3 HPWM直流-直流電源仿真

搭建HPWM雙直流變換仿真如圖9所示，占空比為0.6，并進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，采用IGBT型HPWM直流變換電路可輸出理想電壓和電流。

4 結(jié)論

設(shè)計的基于智能控制技術(shù)節(jié)能型熔接電源，在整流濾波部分采用π型LC濾波器，有效減小了整流輸出電壓的波動；在調(diào)壓部分采用HPWM雙直流變換電路，省去了常規(guī)逆變和中頻變壓器部分電路，減小了電源的體積，節(jié)約了成本。采用先進(jìn)的自適應(yīng)模糊PID控制器控制觸發(fā)脈沖，大大提高了焊機工作的效率和輸出溫度控制的精度。通過MATLAB仿真驗證了該電源設(shè)計的可行性，具有較大的實際應(yīng)用價值。

[1]楊曉玲，朱群雄．基于單片機和模糊控制的電熔焊機設(shè)計及應(yīng)用[J]．儀器儀表學(xué)報，2002，29（7）：1507-1511.

[2]李萍，劉國忠，李運輝，等．聚乙烯管道電熔焊接機設(shè)計[J]．微計算機信息，2008，24（23）：119-120.

[3]金曉軍，霍立興，張玉鳳．微機控制的聚乙烯管道電熔焊機設(shè)計[J]．焊接，2002（9）：12-15．

[4]謝佶雋，吳為麟．智能式節(jié)能電熔焊機的研制[J]．能源工程，2004（3）：46-48.

[5]師春生，李家俊，王玉林新型聚乙烯管道電熔焊接方法[J]．焊接學(xué)報，2002，23（1）：23-26．

[6]劉金琨.先進(jìn)PID控制MATLAB仿真（第四版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016.

圖9 HPWM仿真電路Fig.9 Simulation diagram of HPWM

圖10 HPWM仿真輸出波形Fig.10 Simulation results of HPWM

[7]楊益興，崔大連，周愛軍.模糊自適應(yīng)PID控制器及Simulink仿真實現(xiàn)[J]．艦船電子工程，2010，30（4）：127-130.

[8]何繼愛，田亞菲．模糊自適應(yīng)整定PID控制及其仿真[J]甘肅科學(xué)學(xué)報，2004，16（1）：63-66.

Design of power supply for energy saving fusion welding machine based on intelligent control technology

WU Jiaofeng
（Guangdong Polytechnic of Environmental Protection Engineering，F(xiàn)oshan 528216，China）

PVC pipe is widely used in the fluid medium.In order to ensure the quality of the joining of pipes，the power supply for energy saving fusion welding machine is designed by using intelligent control technology and new power electronic devices.This power suppl takes SCM as control core and uses fuzzy adaptive PID control technology to calculate the external environment temperature and th temperature of welding interface，and according to the voltage deviation，it uses fuzzy adaptive PID parameters to realize online self correction and quickly find the appropriate duty cycle of output DC voltage and improves the welding speed.The π type LC filter circui and double DC HPWM converter circuit composed of IGBT are adopted for design of hardware circuit，which greatly improves the quality o output voltage.Finally，the designed power supply is simulated and analyzed.The result shows that the power supply saves the circuit cost improves the rate of regulation and the stability of output voltage.

electrofusion welding；fuzzy adaptive；HPWM

TN434.1

A

1001－2303（2017）06－0028-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.06.06

2016-12-26；

2017-06-02

武交峰（1978—），女，講師，碩士，主要從事先進(jìn)光機電液智能控制技術(shù)。E-mail：zhangwujiaofeng@163.com。

本文參考文獻(xiàn)引用格式：武交峰.基于智能控制技術(shù)的節(jié)能型熔接焊機電源設(shè)計[J].電焊機，2017，47（06）：28-32.