电磁力辅助水火弯板工艺装置控制电路设计

*基金资助：受国家自然科学基金资助项目支持资助（51009025） 。
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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。
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
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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
其中：R1~R5 为电阻值。
R1 R 4 R5 R1 R2 2R5 R4
（1）
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
保护电路 380V 50HZ 整流滤波 充电回路
电 容 电 压 反 馈
放电回路
IGBT
充电开关触发
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Fra bibliotek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
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。
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
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
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
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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。
Electrical Engineering and Automation (EEA) September 2013, Volume 2, Issue 3, PP.31-37
1. State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment，Dalian University of Technology，Dalian 116024,
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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。