基于STC12C5A60S2單片機的汽車防疲勞駕駛系統研究

張博軒

摘要：疲勞駕駛是造成大多數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不清醒從而釀成車禍，因此，防疲勞駕駛系統的研究具有重要意義。文章采用STC12C5A60S2單片機作為微處理器，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據，判斷駕駛員疲勞狀況，并在駕駛員疲勞時進行報警處理，從而達到安全駕駛的目的。

關鍵詞：STC12C5A60S2單片機；汽車裝置；防疲勞；安全駕駛；交通事故；微處理器 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP277 文章編號：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發展，電力機車主斷路器的應用越來越廣泛。由于特殊的工作環境，電力機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定性，而操動機構直接影響著斷路器的這些性能。我國現階段的斷路器研制技術在不斷上升，但是在機構的可靠性與穩定性上還遠不如國外產品。

本文針對現有電力機車上主斷路器所采用的氣動操動機構，空氣壓縮系統容易出現故障，影響整個機構的操作，不滿足鐵路用斷路器高可靠性和安全性要求的缺點，以電磁機構為新型斷路器的操動機構，設計了一種單穩態的新型斷路器電磁操動機構，并用有限元分析軟件ansoft對所設計的電磁機構進行了動態特性的分析，證明所設計的機構滿足斷路器的特性要求。

2 結構與原理

本文所設計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。這就需要操作機構在合閘時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構具有很高的分閘速度，并且此機構要應用于電力機車主斷路器上，這就要求機構具有非常高的可靠性。

根據真空斷路器的特性需求，通過特性計算和優化設計了一種新型電磁操動機構，具體結構見圖1。機構的動鐵芯采用圓筒形、靜鐵心采用方形設計，動靜鐵心之間裝有線圈。該機構與傳統單穩態機構類似，但又有一些改進，為了提高機構的穩定性，增加了一個保持線圈來提高機構合閘后的穩定性，防止由于機車行走過程中產生的震動等干擾將斷路器彈開。

假設初始位置機構處于分閘狀態，當給機構合閘指令時，接通合閘回路，預先充好電的電容放電使合閘線圈產生一定大小的勵磁電流，這時合閘線圈將在動鐵心和靜鐵心中產生磁場，動靜鐵心之間產生電磁吸力，當吸力大于動鐵心的機械負載反力時動鐵心便開始運動。隨著勵磁電流的增大，動靜鐵心之間的吸力也會隨之增加，動鐵心的運動速度加快，當動鐵心運動到一定位置時會接觸到靜鐵心頂部的分閘彈簧，此刻開始動鐵心將會受到分閘彈簧向上的反力作用，由于此時動靜鐵心之間的吸力已經很大，動鐵芯受到的合力還是向下的，動鐵心繼續向下運動。隨著動鐵心運動行程的增大，最終分閘彈簧被壓縮到最大量，儲存足夠大的彈性勢能。當動鐵心與靜鐵心接觸時，機構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，同時接通保持電路，這時保持線圈將通入勵磁電流，這個電流產生電磁吸力，使動鐵心保持在合閘位置上。當分閘動作開始時，給保持線圈斷電，依靠之前分閘彈簧產生的彈性勢能，可使機構迅速分閘，完成分閘操作。

3 電磁機構的動態特性仿真

電磁機構動態特性反映的是操動機構在穩恒電流下電磁吸力、磁鏈與動鐵心位移之間的關系。操動機構動態特性仿真考慮了兩方面的影響：一是電磁參量對動鐵心電磁吸力的影響；二是動鐵心電磁吸力對斷路器運動特性的影響，可以真實反映斷路器在動作過程中的各種電磁參量和機械參量的真實情況，為電磁機構的優化設計提供了技術基礎，從而保證斷路器動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。電磁操動機構動態特性的計算要融磁場、機械和電路耦合于一體，計算比較困難。本文采用ANSOFT Maxwell 3D瞬態場求解器分析和計算電磁操動機構的動態特性。

3.1 動態仿真模型的建立

在Ansoft軟件中建立電磁機構的3D動態仿真模型如圖2所示，模型建立后要將運動部件置于一定的band域內，并在運動求解選項中，設定動鐵心的運動范圍、運動方向、初始位置、初速度、質量、阻尼和反力特性等參數。

為了保證機構能夠動作，要給分合閘線圈設計合適的激勵。本文將設計好的外部激勵電路利用Ansoft自帶的電路編輯器circuit editor進行編輯。合閘線圈與保持線圈均為鉸鏈導體。在電路中要串聯兩個電阻，因為Ansoft軟件的電路仿真過程中，并不會考慮繞組自身的電阻，卻可以自動考慮繞組的電感，所以繞組內阻需要我們自身來進行計算，并賦予串聯的電阻作為繞組自身內阻。所設計的外部電路如圖3所示。其中L2位合閘線圈的激勵電路，它采用電容充電來供電，在合閘動作開始前要預先給此電容充上400V的電壓。L3位保持線圈的激勵電路，它采用的是直流電源來供電，由機車上的110V直流電屏來提供。

為了仿真分合閘的一個過程，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，最后兩個回路都斷電，分閘彈簧使機構完成分閘過程。

3.2 動態過程的仿真分析

在完成各種參數與設定后，可以進行動態仿真實驗。在Ansoft仿真軟件中完成合閘過程和分閘過程的動態特性仿真，可以得到相應的位移、線圈電流特性曲線，如圖4所示：

從仿真計算結果可以看出，所設計的電磁操動機構的分合閘時間都在28ms左右，而機車主斷路器要求的分合閘時間在20～60ms之間，由此可見本設計能夠滿足斷路器的分合閘要求。

4 結語

文章設計了一種新型的真空斷路器電磁操動機構，用有限元分析軟件仿真了所設計機構的動態特性，根據仿真結果驗證出所設計機構的正確性。

參考文獻

[1] 李艷飛.斷路器新型磁力操動機構的研究[D].大連理

工大學，2009.

基金項目：本文系“青年項目自然科學”課題研究，編號：QNL201535。

作者簡介：車煥（1982-），女，遼寧營口人，營口理工學院實驗師，碩士，研究方向：智能電器。

（責任編輯：黃銀芳）