孟憲磊

（青島地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司機(jī)電部，青島 266031）

1 地鐵機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀

當(dāng)前，各地地鐵機(jī)電系統(tǒng)大致分為通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、低壓配電系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、電扶梯系統(tǒng)以及站臺門系統(tǒng)[1]。在青島地鐵的機(jī)電系統(tǒng)中還包括綜合監(jiān)控系統(tǒng)、BAs、FAs、氣體滅火系統(tǒng)和門禁系統(tǒng)。各地地鐵在技術(shù)分析大多采用數(shù)量統(tǒng)計法、實(shí)地勘察法，隨著近年來輕軌振興，R型地鐵廣泛興起，R型廣泛應(yīng)用于鄉(xiāng)村振興，相比技術(shù)采樣相對偏遠(yuǎn)、傳統(tǒng)技術(shù)手段相對薄弱，在日新月異的技術(shù)革新中虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正以低成本、高標(biāo)準(zhǔn)的姿態(tài)躋身于機(jī)電創(chuàng)新領(lǐng)域。本文采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于當(dāng)前地鐵機(jī)電系統(tǒng)中，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)分析中事必躬親地域的不足，同時節(jié)省了人力與物資。

2 典型性分析

2.1 主體介紹

青島地鐵車站動力電系統(tǒng)采用380V三相五線制、220V單相三線制方式進(jìn)行供電，系統(tǒng)范圍大致包括站臺層、站廳層和設(shè)備及管理用房的環(huán)控、排水、消防、電梯、自動扶梯、自動售檢票及通信、信號、站控室等系統(tǒng)動力設(shè)備的供配電和車站環(huán)控室所供配電設(shè)備的電控控制。氣體滅火系統(tǒng)由管網(wǎng)子系統(tǒng)和報警控制子系統(tǒng)兩部分組成[2]。

就當(dāng)前機(jī)電測試中，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計了一種新的機(jī)電測試骨架方案，其設(shè)計的骨架三維模型如圖1所示。此方案記為方案A。A方案最大的優(yōu)點(diǎn)就在于彈性條的材料可以不斷選擇。但是，隨著動作組的不斷進(jìn)行，A方案中的兩板與彈性條的鏈接松動比較嚴(yán)重，這需要在技術(shù)上不斷改進(jìn)。

圖1 主體骨架A方案三維簡化圖

根據(jù)機(jī)械設(shè)計的程序，通過對該方案技術(shù)評價之后，設(shè)計了更合理的方案B。B方案的設(shè)計是隨著試驗(yàn)的不斷進(jìn)行設(shè)計出來的，在B方案中骨架材料又進(jìn)行了改進(jìn)，采用了一種新型的材料作為主體骨架材料。這種材料是一種新型的多孔彈性高分子材料，相對于A方案而言，B方案中的骨架系統(tǒng)在執(zhí)行動作時，變形效果良好，且需要的動力小，更加理想可行。

圖2 B方案三維模型圖

2.2 驅(qū)動方案

本文設(shè)計的機(jī)電驅(qū)動模式為：由兩臺直流電機(jī)來控制兩個主動輪，通過改變輸出電壓的極性來控制兩輪的轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、加減速及轉(zhuǎn)向幾種不同運(yùn)動狀態(tài)的變化。電機(jī)轉(zhuǎn)速與控制電壓的關(guān)系表示為：

公式1中，n為直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，K為比例系數(shù)，U為直流電機(jī)的電壓，C為常數(shù)。由式（1）可知，通過調(diào)節(jié)控制電壓即可調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)通過螺絲與卡板固定在娛樂機(jī)器人底部，靠電機(jī)驅(qū)動板輸出的電壓信號驅(qū)動，電機(jī)輸出軸通過連接器與車輪相連，二者軸線平行。硬件驅(qū)動方案如圖3所示。

圖3 驅(qū)動方案硬件連接圖

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計分析

控制系統(tǒng)的設(shè)計作為機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵部分，可以使其他系統(tǒng)按照一定的規(guī)律和順序運(yùn)行[3]。系統(tǒng)的設(shè)計方案如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)方案框圖

需要指出的是需求分析在每個模塊分別進(jìn)行了分析，不再單獨(dú)列出。系統(tǒng)測試在上位機(jī)軟件設(shè)計完成后進(jìn)行了測試，骨架動作測試和避障試驗(yàn)中也進(jìn)行了控制系統(tǒng)的測試。采用此方案設(shè)計的控制系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)模塊化、二次開發(fā)擴(kuò)展能力強(qiáng)的特點(diǎn)。而且，軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計交互進(jìn)行，在整個設(shè)計過程中都可以進(jìn)行軟硬件調(diào)試，能夠提前發(fā)現(xiàn)和解決問題，避免了最終出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤[4]。

2.4 硬件系統(tǒng)搭建

控制系統(tǒng)硬件平臺的搭建對于機(jī)電系統(tǒng)整體性能、開發(fā)成本、運(yùn)行穩(wěn)定性都起到?jīng)Q定性作用，無論是電機(jī)控制卡、電源模塊還是傳感器信號轉(zhuǎn)換模塊都已經(jīng)有很多成熟的產(chǎn)品供選擇，所以，本文主要采用硬件模塊拼裝，自主開發(fā)各模塊的通訊連接程序來完成硬件系統(tǒng)的搭建，圖5為硬件系統(tǒng)拓?fù)鋱D。

圖5 硬件系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.5 供電方案

本文為提高測試系統(tǒng)移動的靈活性，機(jī)電模型采用內(nèi)置可充電蓄電池供電，蓄電池直接提供一組DC12V電壓給顯示器供電，另外產(chǎn)生一組12V電壓輸入至三個型號為LM2596s-ADJ的直流調(diào)壓模塊，其輸出電壓可調(diào)并帶有穩(wěn)壓模塊，三個調(diào)壓模塊分別輸出5V，5V，9V的電壓給主控制系統(tǒng)、電機(jī)、舵機(jī)控制卡供電。為避免電機(jī)正常工作時對整個系統(tǒng)電源品質(zhì)的影響，所以，輸出了兩路5V電源，一路給主控系統(tǒng)供電，一路給電機(jī)控制電路供電，電機(jī)控制電路帶有光電隔離?？沙潆娦铍姵氐娜萘繛?200mA·h，額定電壓DC12V，最大電流3A。選用的LM2596s-ADJ是超小型調(diào)壓模塊，便于安置在測試系統(tǒng)內(nèi)部，輸入電壓為3～40V，可輸出1.5～35V連續(xù)變化的直流電，最大輸出電流為3A。經(jīng)實(shí)際測試使用，可滿足本文設(shè)計的測試系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定使用1h以上。供電方案如圖6所示。

圖6 供電方案框圖

舵機(jī)的控制采用樹莓派與舵機(jī)控制板通訊的方式控制，兩者是主從關(guān)系，樹莓派是控制核心，舵機(jī)控制板作為從機(jī)，只能執(zhí)行接收到的上位機(jī)命令或事先存儲的動作組程序，不具有思維能力。

樹莓派與Arduino Uno的通訊連接方式最常用的是GPIO串口（TTL）連接和UsB口連接這兩種方式。第一種的接線是將舵機(jī)控制板的串口（RXD、TXD、GND）和樹莓派GPIO模塊上的串口（RXD、TXD、GND）對接，因?yàn)槎鏅C(jī)控制板的串口電壓為5V，樹莓派的引腳電壓為3.3V，所以中間需要有邏輯電平的轉(zhuǎn)換；第二種的接線只需用UsB線把兩塊板的UsB口對連即可。

本文設(shè)計的機(jī)電系統(tǒng)選用了兩個直流電機(jī)作為移動的執(zhí)行元件。通過分析，雖然可以用樹莓派自帶的GPIO引腳直接驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動，但驅(qū)動電機(jī)需要相對較大的電流，為避免樹莓派因輸出電流過大而燒壞，中間需要連接一個驅(qū)動器。本文選用了專用的L298N電機(jī)控制模塊。電機(jī)控制的系統(tǒng)流程圖如圖7所示。

圖7 電機(jī)控制流程圖

電機(jī)驅(qū)動中，由樹莓派給L298N電機(jī)驅(qū)動模塊發(fā)送PWM信號實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)啟停、加減速和正反轉(zhuǎn)的控制。L298N驅(qū)動模塊采用sT公司生產(chǎn)的L298N直流電機(jī)驅(qū)動芯片，可同時獨(dú)立驅(qū)動兩臺直流電機(jī)，引腳如圖8所示，IN1、IN2控制電機(jī)M1；IN3、IN4控制電機(jī)M2。該模塊控制信號電壓為DC5V，額定電流2A，工作電壓范圍3～46V。

圖8 L298N芯片引腳定義

2.6 主體骨架有限元模型

選取了3個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。圖9為系統(tǒng)單元示意圖。在該系統(tǒng)中，從位置A開始運(yùn)動，平動到位置B，發(fā)生彈性變形到位置C。

圖9 有限元模型

任意位置的位移向量：

公式分別計算了柔性機(jī)器人在平動和彈性變形中的線位移和角位移，U指的是任意截面的總位移，β是任意截面的總轉(zhuǎn)角，是彈性變形引起的線位移，βf是是彈性變形引起的轉(zhuǎn)角。在用節(jié)點(diǎn)位移分別表示角位移β、橫向位移W、軸向位移V如下：

h1、h2、h3均為拉格朗日函數(shù)，qe=[V1W10 V2W20 V3w30]T，主要是指節(jié)點(diǎn)位移向量。

拉格朗日運(yùn)動方程式一般情況下可表示為：

式中，K指動能；P指的是位能；L看作是拉格朗日算子。

在動能和勢能的分析中，將兩個公式聯(lián)立之后代入拉格朗日方程，即可求得所需方程組。

qte是與qe相對應(yīng)的骨架單元轉(zhuǎn)動時的位移在局部坐標(biāo)的表述，不難得出：

將式（10）～式（12）代入拉格朗日方程：

得到單元動力學(xué)方程：

式中，fin、fex分別代表相鄰單元作用力以及單元所受外力。需要指出的是對于動力學(xué)方程的建立，亦可以用拉格朗日乘子法建立動力學(xué)方程，但方程非常復(fù)雜繁瑣。采用傳統(tǒng)的拉格朗日乘子法對方程的推導(dǎo)時，需要考慮主體骨架的彈性變形以及彈性振動，這種算法比較復(fù)雜，在此不再進(jìn)行闡述。

2.7 分離拉弧試驗(yàn)

該機(jī)電系統(tǒng)中主回路電路圖如圖10所示。

圖10 合成回路原理圖

圖10所示為一個簡單的合成回路主回路，Cu和Lu分別為電壓源的電容和電感，振蕩即會產(chǎn)生工頻恢復(fù)電壓，cu和Lu的電容值和電感值參數(shù)需要合理配置，Ci與Li分別為電流源的電容和電感，振蕩產(chǎn)生工頻試驗(yàn)電流。其中RVDT、RCVDT分別為1:1000的電阻分壓器與阻容分壓器，R0、C0分別為調(diào)頻電阻和調(diào)頻電容，使試品斷路器TB兩端暫態(tài)恢復(fù)電壓的峰值和頻率得到改變。試驗(yàn)時主要是控制好四個時序，即CB、AB、TB和TR。CB、AB、TB的最初工作狀態(tài)為分、合、合，當(dāng)開始試驗(yàn)按鈕被按下后，經(jīng)過合閘斷路器的固有合閘時間后CB關(guān)合，從而引發(fā)Ci放電將短路電流引入電流回路，此時TB中將會通過工頻試驗(yàn)電流。以電流波形開始為時間基準(zhǔn)，則在波形開始后7.5ms處應(yīng)該實(shí)現(xiàn)AB分閘，在波形開始后8.0ms處應(yīng)該實(shí)現(xiàn)TB分閘。與此同時，控制點(diǎn)火觸發(fā)，暫態(tài)恢復(fù)電壓串入TB，試驗(yàn)完成。實(shí)驗(yàn)裝置如圖11所示。

圖11 拉弧裝置

觸頭運(yùn)動圖像采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖12所示，觸頭圖像采集系統(tǒng)主要由可拆真空滅弧室及操動機(jī)構(gòu)、高速攝像機(jī)、計算機(jī)、機(jī)械泵和擴(kuò)散泵組成。其中，可拆卸真空滅弧室與普通滅弧室差別在于其設(shè)置兩個觀察窗口，采用不銹鋼材料制成，且比普通滅弧室大1～2倍，以防止大量金屬蒸氣凝結(jié)而影響拍攝效果。通過透明的觀察窗口，攝像機(jī)可拍攝下觸頭運(yùn)動序列圖像；圖12中所示機(jī)械泵和擴(kuò)散泵的作用是保持真空滅弧室中的真空度不低于6.66×10-2Pa。系統(tǒng)工作原理是，系統(tǒng)啟動時，計算機(jī)控制操動機(jī)構(gòu)動作，操動機(jī)構(gòu)帶動絕緣拉桿運(yùn)動使觸頭開合，計算機(jī)控制攝像機(jī)開始同步拍攝，保證觸頭運(yùn)動過程得到完全記錄。

3 結(jié)語

本文采用虛擬技術(shù)構(gòu)建機(jī)電模型，將動力學(xué)分析應(yīng)用于青島地鐵機(jī)電系統(tǒng)的研究方法，在分析中利用幀間圖像、可控性搭建等方法，解決當(dāng)前青島地鐵機(jī)電技術(shù)分析中“難操作、難定性、難試驗(yàn)”的核心問題，為下一步地鐵運(yùn)營的機(jī)電科研技改打下堅實(shí)基礎(chǔ)。

圖12 觸頭圖像采集系統(tǒng)