Electrical Engineering and Automation (EEA) September 2013, Volume 2, Issue 3, PP.31-37
The Design of Control Circuit for Electromagnetic Force Assisted Line Heating Device Qiang Liu 1, Ji Wang 1#, Yujun Liu 1, Lijun Zhang 2 1. State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment，Dalian University of Technology，Dalian 116024, China 2. Technical Center, Cosco Shipyard Group Co., Ltd, Dalian 116600, China #Email: wangji@dlut.edu.cn
Abstract In the process of line heating, a certain frequency and approximatively consecutive force of constraint can be applied to steel plates by using pulsed electromagnetic force. It can not only improve the condition of steel plates heated at high temperatures, improve the efficiency of steel forming but also be conducive to the process control and improvement of the forming accuracy. According to the actual needs of electromagnetic force assisted line heating process, the control circuit design ideas of the electromagnetic force assisted line heating device and the function of its branch circuits are introduced. After using a digital oscilloscope and 5v, 12V, 20V power to detect and analyze signal output of the material object of circuit, the results verify the correctness of the design of circuit. Keywords: Line Heating; Electromagnetic Force Aid; Circuit Design
电磁力辅助水火弯板工艺装置控制电路设计* 刘强 1，汪骥 1，刘玉君 1，张利军 2 1. 大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116024 2. 中远船务工程集团有限公司技术中心，辽宁 大连 116600 摘
要：在水火弯板过程中利用脉冲电磁力可以对钢板施加一定频率、近似为连续的约束力，不仅能够改善钢板高温加
热条件，提高钢板成形效率，而且有利于加工控制和提高成形精度。根据电磁力辅助水火弯板的实际需求，介绍了电磁 力辅助水火弯板控制电路的设计思路和各分支电路的功能，并利用数字示波器和 5V、12V 和 20v 电源对设计电路实物进 行了信号输出检测和分析,结果验证了电路设计的正确性。 关键词：水火弯板；电磁力辅助；电路设计
引言 水火弯板工艺（即线加热无模成形工艺）是目前船体大型复杂曲面钢板主要成形加工方式，具有适用范 围广、成本低廉、操作灵活及适于各种复杂曲面形状的成形加工等优点，在日本、韩国等造船技术先进国家， 对该项工艺研究一直投入大量基金进行研究[1, 2]，通过研究不同热源形式下钢板的变形机理，得到变形规律， 在此基础上研究工艺参数的预报方法和自动化加工设备[3-5]。但是，传统水火弯板工艺主要利用钢板局部加热 和冷却过程中内部产生的热应力来实现弯曲变形，变形影响因素多，成形规律难以掌握，加工精度难以控制。 此外，在加热温度较高的情况下容易导致钢板材质改变甚至产生裂纹。 *基金资助：受国家自然科学基金资助项目支持资助（51009025） 。
- 31 www.ivypub.org/EEA
电磁力辅助水火弯板工艺是在水火弯板过程中施加外力来促进钢板成形的新方法[6]，即将电磁线圈置于 钢板上方，并使其在加工过程中始终处于相对于热源的合适位置，当电磁线圈中流过脉冲电流时，在线圈周 围产生变化的磁场，使钢板感生出涡流，磁场作用于涡流，会产生对加热线位置钢 板进行挤压的径向电磁力和促进角变形的轴向磁压力，依靠该电磁力在线加热过程中对应力应变的演变 进行控制。 为了利用电磁力来促进钢板变形、提升成形加工效率以及提高成形精度，需要设计电磁力辅助水火弯板 装置的电路，装置电路实现以下功能[7]：产生一定频率、稳定的脉冲电流，从而产生脉冲磁场，进而产生脉 冲电磁力,并且使脉冲电容的充放电能够以一定的、较低频率交替进行；使得冲击频率和单波频率相分离；可 以调节冲击频率、实现电压的连续调节和时序逻辑控制。图 1 为电磁力辅助水火弯板装置设计框图[8]，主要 由整流滤波电路、充电回路、保护电路以及控制电路组成。而以上功能除整流滤波、充放电功能，其余全部 由控制电路完成，故控制电路是电路的核心部分。本文主要研究控制电路。设计并整合控制电路，经电路测 试后验证控制电路的正确性。
1
控制电路设计研究 由于电磁力辅助水火弯板工艺装置需要对钢板的变形进行实时控制。在工件受热膨胀后进行跟踪水冷，
这时电磁力辅助加工装置提供对板进行横向约束使其受热膨胀变小，水冷后得到更大的变形。因此需要对 熔池附近某一稳定热态区域进行连续的电磁冲击。图 2 为控制电路的原理图。对电路的要求是将脉冲信号和 脉冲电容反馈电压进行逻辑运算后得到各开关管的驱动信号，从而通过控制时序来产生一定频率的、稳定 的脉冲电流，进而使装置产生脉冲磁场以产生脉冲电磁力。因此，控制电路是整个脉冲装置的时序控制部 分，通过控制信号来控制高压电路中的开关的导通和关断从而使主电路产生连续的脉冲电压或者电流。 综上控制电路的设计思路是设计信号发生电路、脉冲电压比较电路、可控硅触发电路、电压比较电路 并整合。 保护电路 380V 50HZ
整流滤波
IGBT
充电回路
充电开关触发
放电回路 电 容 电 压 反 馈
放电开关触发
晶闸管
比较器
逻辑判断电路
脉冲发生电路
图 1 电磁力辅助水火弯板装置设计框图 脉 冲 电 容 反 馈 电 压 电压器比较电路
数 字 信 号 IGBT驱动电路 与非门逻辑电路
555时基电路
脉 冲 信 号
可控硅触发电路
图 2 控制电路原理图
1.1 信号发生电路 信号发生电路是整个脉冲的信号控制基础，主电路的脉冲频率与信号发生器频率同步。发生电路要产 生一定频率范围的矩形波信号作为电磁冲击频率基准信号，并且需要频率一定情况下独立可调占空比。采 - 32 www.ivypub.org/EEA
用 555 定时器作为核心元件构成的单稳态触发器。图 3 为信号发生电路原理图。接通电源后通过 R1、D2、 R4、R5 对电容 C1 充电，当 Uc1＞2/3VCC 时，输出端 Q 置 1，输出低电平， C1 开始通过 R2、D2、R4、 R5 放电，Uc1 开始下降；当 Uc1＜1/3VCC 时，输出端 Q 置 0，输出高电平，电源又开始对 C1 充电，如此 往复，输出电压 U0 即为连续的矩形波。 调节电位器 R5 的阻值可以改变脉冲频率，由于本装置工作原理是由变化较慢的电磁场产生的电磁力作 为约束力，故频率较低，工作频率的范围不需太大，采用 50KΩ的电位器。 调节占空比，可以调节脉冲信号高电平所在周期内所占比例，从而改变充放电频率，进而改变电磁冲 击频率。占空比 D 公式[9]为：
D
R1 R 4 R5 R1 R2 2R5 R4
（1）
其中：R1~R5 为电阻值。 根据公式调节 R4 的阻值，可以在不改变频率的情况下，独立改变占空比，初步定为占空比不大于 50%， R4 取为 10kΩ。
图 3 信号发生电路原理图
图 4 电压比较器电路图
1.2 电压比较器电路 图 4 为电压比较器电路图。电压比较器接收储能电容的实时电压的反馈信号，同时基准电压也提供一定 信号，二者为一组信号；信号发生器也提供一组矩形波信号。比较器需要对两组信号通过一系列逻辑运算， 得到两组开关管的驱动信号，其中一组作为充电回路开关 IGBT 的驱动电路的驱动信号，另一组作为放电回 路开关的晶闸管的驱动控制信号。因此设计送入比较器反相输入端的脉冲电容电压低于设定电压时，输出端 为高电平；当脉冲电压达到预设值后，比较器输出反转输出为低电平，关闭充电回路，闭合放电电路。当两 个输入端的电压产生大于 10mV 的电压差值就可以从一种电平状态转换成另一种状态。 为防止由于输入电压小范围的波动而引起的输出端电平的频繁翻转，并且实现对电压幅值的限制，使电 压幅值控制在一定范围内，采用 LM339 芯片构成的滞回、限幅电压比较器。电压比较器的滞回结构能够使 - 33 www.ivypub.org/EEA
得输出的电压反馈给基准电压，能够有效的减小由于输入电压较小的波动引起输出端电平的频繁翻转现象， 而电压输出端接入的稳压管的限幅部分，是实现对电压幅值的限制，使其保持在一定范围内。
1.3 可控硅触发电路 图 5 是可控硅触发电路图。电压比较器输出高低电平信号经过逻辑运算成为电流信号，而晶闸管作为常 用的电流型控制开关,因其对电流控制的特性符合电路需要。由于晶闸管属于电流控制型功率开关器件，要使 晶闸管导通，除在控制极和阴极之间加上一定触发电压（通常在 4V~l0V 之间），还必须使控制极和阴极之 间流过一定大小的触发电流（一般 100mA 以上可以保证晶闸管充分触发）。触发电路产生的触发脉冲应有 足够的脉宽，一般在 20μs~50μs 之间，最低不小于 10μs，这样才能保证晶闸管可靠触发。 当控制信号到来之后，光耦导通，三极管 Q1 处于饱和状态，晶闸管的控制极和阴极之间流过触发电流 使得晶闸管导通。没有控制信号流入时，光耦截止，控制极和阴极之间无法流过触发电流，晶闸管不导通。
图 5 可控硅触发电路
图 6 IGBT 驱动电路
1.4 IGBT 驱动电路 图 6 是 IGBT 驱动电路图。为实现对实验所需 IGBT 进行驱动，采用 EXB841 芯片，其集成度高，抗干扰 了能力强，保护功能完善，芯片内部集成过流检测电路和低速关断电路，通过检测 IGBT 的源极和漏极压降 判断是否过流。一旦检测过流发生，约 1.5μs 延时开始降低栅压，在经过约 8μs 门极压降低到 0V。在此 10 μs 内，如果过流消失，门极电压将逐步恢复到正常值。 CD4043 为三态 R-S 触发器，配合 EXB841 对驱动电路进行保护。当控制电路加电时，CD4043 的输入端 S 引入高电平，输出端 Q 置为“1”，控制信号正常通过与门(CD4081)。IGBT 正常工作时，EXB841 的 5 脚 为高电平，光耦 U1 不工作，CD4043 的 R 端为“0”，Q 端为“1”。控制信号正常通过；当 IGBT 过流时， D1 截止，经 10μs 延时（滤掉假过流）后，5 脚变为低电平，光耦 U2 工作，使得 R-S 触发器的 R 端为“1”， 输出端 Q 翻转为“0”封锁 IGBT 驱动信号，对电路实施保护。 - 34 www.ivypub.org/EEA
控制电路的 PCB 设计与整合
1.5
图 8 为将信号发生电路、电压比较电路、可控硅触发电路和 IGBT 驱动电路整合在一起的 PCB 电路图， 其实物图如图 8 所示。其中为了起到保护各自分电路的目的，分别在分电源接入端并联一个极性电容和一个 普通电容并接地有效保护电源的安全性。
图 7 控制电路 PCB 图
图 8 控制电路实物图
电路测试
2
为了到达测试的目的，预先从信号发生电路 3 脚引出导线串联测试用的负载电阻(1K)和测试的发光二级 管。 使用低电压（5V、12V 和 20V）对装置进行测试。插入接线端子，分别把 5V、12V 和 20V 交流电源和 地线接在接线端子上，连接电子示波器输入端与测试用的负载电阻，启动电源和示波器，二极管正常发光， 电路正常导通。 （1）调节电位器 R5，调整信号发生电路输出的脉冲频率。结果如图 9(a)、(b)可知电路可以产生脉冲信 号并实现 14HZ~96HZ 范围内脉冲频率的可调节； （2）调节电位器 R4，R5 不变，结果如图 10(a)、(b)可知控制电路可在脉冲频率不变的情况下单独调节 占空比，使其在 10%~50%之间变化，从而实现冲击频率的调节； - 35 www.ivypub.org/EEA
（3）当信号发生电路有输出信号时，光耦导通；反之光耦截止。图 11 为以信号发生电路作为输入信号 的可控硅触发电路的测试波形，能够实现可控硅触发的输出信号与信号发生电路的输出信号保持时序关系。
(a)14HZ
(b)96HZ
图 9 频率的调节
(a)10%
(b)50%
图 10 占空比的调节
图 11 可控硅触发测试波形
3
结论 根据电磁力辅助水火弯板工艺的工艺特点和所需脉冲电磁力的工艺要求，确定了电磁力辅助水火弯板装
置控制电路所要实现的具体功能，用 PROTEL99 设计了信号发生电路、电压比较器和可控硅触发电路等控制 电路，能够完成相应功能：输出的脉冲频率和占空比的调节、电压的连续调节和滞回比较功能以及电路的时 序逻辑控制。并整合成完整的电路板实物。 通过对电路板进行模拟测试，检测了控制电路的功能，能够满足设计要求： （1）控制电路可输出稳定脉冲信号并最大可以实现 14HZ-96Hz 的范围可调； （2）在不改变频率的情况下，控制电路可以实现独立改变占空比,可以实现占空比为 10%~50%的调节即 可以实现冲击频率的调节； （3）当控制信号流入时，可控硅触发的输出信号，与信号发生电路的输出信号保持时序关系，电压达 到电源电压，工作良好。 - 36 www.ivypub.org/EEA
致谢 汪骥副教授和刘玉君教授对本文的撰写和实验部分给出了大量宝贵的意见和指导，提出了许多改进的 意见和建议。并一同感谢 CAM 教研室的各位同学和师兄师弟，他们也为本文提供了帮助。
REFERENCES [1]
Shin J G, Ryu C H, Lee J H, et al. User-friendly, Advanced Line Heating Automation For Accurate Plate Forming[J]. Journal of ship production. 2003, 19(1): 8-15.
[2]
Wang J, Liu Y, Ji Z, et al. Automatic Line-Heating Process for Forming the Double-Curved Shell Plates[J]. Journal of Ship Production. 2009, 25(1): 7-13.
[3]
Shin J G, Ryu C H, Nam J H. A Comprehensive Line-Heating Algorithm for Automatic Formation of Curved Shell Plates[J]. Journal of ship production. 2004, 20(2): 69-78.
[4]
Shin J G, Lee J M, Nam J H. An Efficient Algorithm For Measurement And Comparison of Large-Scale Hull Pieces In The LineHeating Process[J]. Journal of ship production. 2004, 20(1): 60-67.
[5]
Bae K Y, Yang Y S, Hyun C M, et al. Derivation of Simplified Formulas To Predict Deformations of Plate In Steel Forming Process With Induction Heating[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2008, 48(15): 1646-1652.
[6]
Wang J, Liu Q, Liu Yj, Shi B, Bao Y, Zhang Lj. The Design and Simulation of Circuit for Electromagnetic Force Assisted Line Heating Device[J]. Advanced Materials Research, v 652-654, p 2010-2018, 2013, Advances in Materials and Materials Processing.
[7]
石兵. 电磁力辅助水火弯板工艺电路设计及仿真分析[D]. 大连理工大学, 2011. Shi B. Analysis of Circuit And Simulation of Electromagnetic Force Aid line Heating[D].Dalian University of Technology, 2011.
[8]
徐达，许威，徐文立，等. 电磁力随焊控制焊接应力装置的研制及应用[J]. 焊接学报. 2008(1): 9-12. Xu D, Xu W, Xu W, et al. Investigation And Application of Pulse Electromagnetic Force Generator For Trailing Control of Welding Stress[J]. Transactions of The China Welding Institution. 2008(1):9-12.
[9]
许威. 基于电磁力的焊接热裂纹及变形随焊控制新方法[D]. 哈尔滨工业大学, 2008. Xu W. A New Method of Controlling Welding Hot Crack And Distortion Based On Electromagnetic Force During Welding[D]. Harbin Institute of Technology, 2008.
[10] Stolberg, Sheryl Gay, and Robert Pear. “Wary Centrists Posing Challenge in Health Care Vote.” New York Times, February 27, 2012. Accessed February 28, 2012. http://www.nytimes.com/2010/02/28/us/politics/28health.html [11] Ward, Geoffrey C., and Ken Burns. The War: An Intimate History, 1941-1945. New York: Knopf, 2011 [12] Weinstein, Joshua I. “The Market in Plato’s Republic.” Classical Philology. 104 (2009): 439-58
【作者简介】 1
刘强（1988- ），男，汉族，学士学位，
2
汪骥（1978- ），男，汉族，博士，副教授，船舶与海洋结
在读研究生，研究方向，学习经历：研
构物先进制造技术和管理技术，学习经历博士 2002-2007 大
究 生 2011 至 今 大 连 理 工 大 学 ； 学 士
连理工大学船舶工程学院；硕士 2000-2002 大连理工大学船
2007-2011 华中科技大学
舶工程学院；学士 1996-2000 大连理工大学船舶工程学院。
Email: lorri0430@hotmail.com
Email: wangji@dlut.edu.cn 3
刘玉君，男，汉族，博士，博导。学士 1980.9-1984.7 大连
工学院造船工程系 ；1984.7-1988.8 大连工学院造船工程系 助教；硕士研究生 1988.9-1991.4 大连理工大学船舶工程系； 讲师、副教授、教授、博导 1991.4-至今 大连理工大学船舶 工程系；博士研究生 1993.3-1997.3 大连理工大学工程力学 系。Email: yjliu@dlut.edu.cn
- 37 www.ivypub.org/EEA