張博軒

摘要：疲勞駕駛是造成大多數(shù)交通事故的主要元兇之一，其中50%的交通安全事故起源于駕駛員意識(shí)不清醒從而釀成車禍，因此，防疲勞駕駛系統(tǒng)的研究具有重要意義。文章采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為微處理器，通過采集安裝在方向盤上的角位移傳感器與壓力傳感器數(shù)據(jù)，判斷駕駛員疲勞狀況，并在駕駛員疲勞時(shí)進(jìn)行報(bào)警處理，從而達(dá)到安全駕駛的目的。

關(guān)鍵詞：STC12C5A60S2單片機(jī)；汽車裝置；防疲勞；安全駕駛；交通事故；微處理器 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP277 文章編號(hào)：1009-2374（2016）11-0026-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.11.013

1 概述

近幾年隨著國家電氣化鐵路的不斷建設(shè)發(fā)展，電力機(jī)車主斷路器的應(yīng)用越來越廣泛。由于特殊的工作環(huán)境，電力機(jī)車主斷路器要求比普通斷路器有更高的分合閘速度和操作穩(wěn)定性，而操動(dòng)機(jī)構(gòu)直接影響著斷路器的這些性能。我國現(xiàn)階段的斷路器研制技術(shù)在不斷上升，但是在機(jī)構(gòu)的可靠性與穩(wěn)定性上還遠(yuǎn)不如國外產(chǎn)品。

本文針對(duì)現(xiàn)有電力機(jī)車上主斷路器所采用的氣動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，空氣壓縮系統(tǒng)容易出現(xiàn)故障，影響整個(gè)機(jī)構(gòu)的操作，不滿足鐵路用斷路器高可靠性和安全性要求的缺點(diǎn)，以電磁機(jī)構(gòu)為新型斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種單穩(wěn)態(tài)的新型斷路器電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，并用有限元分析軟件ansoft對(duì)所設(shè)計(jì)的電磁機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性的分析，證明所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)滿足斷路器的特性要求。

2 結(jié)構(gòu)與原理

本文所設(shè)計(jì)的真空斷路器額定電壓為27.5kV，額定電流為1000A，額定短路開斷電流為20kA。由于工作時(shí)斷路器不僅要有開斷很大的短路電流的能力，還要頻繁開斷電路。這就需要操作機(jī)構(gòu)在合閘時(shí)提供很大的觸頭壓力，而且要開斷如此大的短路電流就要求操作機(jī)構(gòu)具有很高的分閘速度，并且此機(jī)構(gòu)要應(yīng)用于電力機(jī)車主斷路器上，這就要求機(jī)構(gòu)具有非常高的可靠性。

根據(jù)真空斷路器的特性需求，通過特性計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種新型電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)見圖1。機(jī)構(gòu)的動(dòng)鐵芯采用圓筒形、靜鐵心采用方形設(shè)計(jì)，動(dòng)靜鐵心之間裝有線圈。該機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)單穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)類似，但又有一些改進(jìn)，為了提高機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，增加了一個(gè)保持線圈來提高機(jī)構(gòu)合閘后的穩(wěn)定性，防止由于機(jī)車行走過程中產(chǎn)生的震動(dòng)等干擾將斷路器彈開。

假設(shè)初始位置機(jī)構(gòu)處于分閘狀態(tài)，當(dāng)給機(jī)構(gòu)合閘指令時(shí)，接通合閘回路，預(yù)先充好電的電容放電使合閘線圈產(chǎn)生一定大小的勵(lì)磁電流，這時(shí)合閘線圈將在動(dòng)鐵心和靜鐵心中產(chǎn)生磁場(chǎng)，動(dòng)靜鐵心之間產(chǎn)生電磁吸力，當(dāng)吸力大于動(dòng)鐵心的機(jī)械負(fù)載反力時(shí)動(dòng)鐵心便開始運(yùn)動(dòng)。隨著勵(lì)磁電流的增大，動(dòng)靜鐵心之間的吸力也會(huì)隨之增加，動(dòng)鐵心的運(yùn)動(dòng)速度加快，當(dāng)動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)到一定位置時(shí)會(huì)接觸到靜鐵心頂部的分閘彈簧，此刻開始動(dòng)鐵心將會(huì)受到分閘彈簧向上的反力作用，由于此時(shí)動(dòng)靜鐵心之間的吸力已經(jīng)很大，動(dòng)鐵芯受到的合力還是向下的，動(dòng)鐵心繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)。隨著動(dòng)鐵心運(yùn)動(dòng)行程的增大，最終分閘彈簧被壓縮到最大量，儲(chǔ)存足夠大的彈性勢(shì)能。當(dāng)動(dòng)鐵心與靜鐵心接觸時(shí)，機(jī)構(gòu)就完成了一次合閘操作。合閘操作完成后要立刻斷開合閘回路，同時(shí)接通保持電路，這時(shí)保持線圈將通入勵(lì)磁電流，這個(gè)電流產(chǎn)生電磁吸力，使動(dòng)鐵心保持在合閘位置上。當(dāng)分閘動(dòng)作開始時(shí)，給保持線圈斷電，依靠之前分閘彈簧產(chǎn)生的彈性勢(shì)能，可使機(jī)構(gòu)迅速分閘，完成分閘操作。

3 電磁機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性仿真

電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性反映的是操動(dòng)機(jī)構(gòu)在穩(wěn)恒電流下電磁吸力、磁鏈與動(dòng)鐵心位移之間的關(guān)系。操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性仿真考慮了兩方面的影響：一是電磁參量對(duì)動(dòng)鐵心電磁吸力的影響；二是動(dòng)鐵心電磁吸力對(duì)斷路器運(yùn)動(dòng)特性的影響，可以真實(shí)反映斷路器在動(dòng)作過程中的各種電磁參量和機(jī)械參量的真實(shí)情況，為電磁機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)基礎(chǔ)，從而保證斷路器動(dòng)作過程中吸力與反力的合理配合，提高斷路器的可靠性和可控性。電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的計(jì)算要融磁場(chǎng)、機(jī)械和電路耦合于一體，計(jì)算比較困難。本文采用ANSOFT Maxwell 3D瞬態(tài)場(chǎng)求解器分析和計(jì)算電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。

3.1 動(dòng)態(tài)仿真模型的建立

在Ansoft軟件中建立電磁機(jī)構(gòu)的3D動(dòng)態(tài)仿真模型如圖2所示，模型建立后要將運(yùn)動(dòng)部件置于一定的band域內(nèi)，并在運(yùn)動(dòng)求解選項(xiàng)中，設(shè)定動(dòng)鐵心的運(yùn)動(dòng)范圍、運(yùn)動(dòng)方向、初始位置、初速度、質(zhì)量、阻尼和反力特性等參數(shù)。

為了保證機(jī)構(gòu)能夠動(dòng)作，要給分合閘線圈設(shè)計(jì)合適的激勵(lì)。本文將設(shè)計(jì)好的外部激勵(lì)電路利用Ansoft自帶的電路編輯器circuit editor進(jìn)行編輯。合閘線圈與保持線圈均為鉸鏈導(dǎo)體。在電路中要串聯(lián)兩個(gè)電阻，因?yàn)锳nsoft軟件的電路仿真過程中，并不會(huì)考慮繞組自身的電阻，卻可以自動(dòng)考慮繞組的電感，所以繞組內(nèi)阻需要我們自身來進(jìn)行計(jì)算，并賦予串聯(lián)的電阻作為繞組自身內(nèi)阻。所設(shè)計(jì)的外部電路如圖3所示。其中L2位合閘線圈的激勵(lì)電路，它采用電容充電來供電，在合閘動(dòng)作開始前要預(yù)先給此電容充上400V的電壓。L3位保持線圈的激勵(lì)電路，它采用的是直流電源來供電，由機(jī)車上的110V直流電屏來提供。

為了仿真分合閘的一個(gè)過程，先讓合閘回路工作40ms完成合閘過程，然后讓保持線圈回路工作30ms，最后兩個(gè)回路都斷電，分閘彈簧使機(jī)構(gòu)完成分閘過程。

3.2 動(dòng)態(tài)過程的仿真分析

在完成各種參數(shù)與設(shè)定后，可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)。在Ansoft仿真軟件中完成合閘過程和分閘過程的動(dòng)態(tài)特性仿真，可以得到相應(yīng)的位移、線圈電流特性曲線，如圖4所示：

從仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)的電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分合閘時(shí)間都在28ms左右，而機(jī)車主斷路器要求的分合閘時(shí)間在20～60ms之間，由此可見本設(shè)計(jì)能夠滿足斷路器的分合閘要求。

4 結(jié)語

文章設(shè)計(jì)了一種新型的真空斷路器電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，用有限元分析軟件仿真了所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，根據(jù)仿真結(jié)果驗(yàn)證出所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的正確性。

參考文獻(xiàn)

[1] 李艷飛.斷路器新型磁力操動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究[D].大連理

工大學(xué)，2009.

基金項(xiàng)目：本文系“青年項(xiàng)目自然科學(xué)”課題研究，編號(hào)：QNL201535。

作者簡(jiǎn)介：車煥（1982-），女，遼寧營口人，營口理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向：智能電器。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）