基于BLDCM 的电动座椅控制系统设计

程旭峰，冯 帅

(东北大学，沈阳110004)

0 引 言

汽车座椅是人们驾驶汽车时乘坐的工具，电动座椅的位置决定了驾驶汽车的人所在的位置，因此汽车座椅有一个好的位置能使驾驶员更加舒适方便地驾驶汽车。为了解决座椅调节的问题，汽车电动座椅［1］应运而生。

电动座椅是一种驾驶舒适性调节装置，也兼有一定程度的安全功能。电动座椅的发展过程经历了三个阶段:无调整或简单调整阶段，电动调整阶段，记忆存储式调整阶段［2－3］。当前电动座椅在国内外各个层次的车中都有安装，但一般安装的都是功能较为单一的，高档多功能的电动座椅安装不多。普通的电动座椅已经比较成熟，研究的方向是功能更加多样化，座椅调节更加智能化。

未来电动座椅的发展方向之一是与汽车主动安全系统等其他电子控制系统更加紧密的联系起来，在实现舒适和方便驾驶的功能下更能保护驾驶员的行车安全;另一个方向是更加智能化，不仅对记忆位置进行调节，还可以检测环境和驾驶员状态来智能地调节座椅位置，使驾驶员获得前所未有的驾驶体验。

通过对电动座椅功能多样化和调节智能化的要求，本文设计了基于BLDCM 的座椅控制系统。

1 系统设计要求和工作原理

1.1 系统设计要求和组成

电动座椅控制系统预计达到以下的设计要求:

(1)实现基于BLDCM 的电动座椅速度和位置控制;

(2)实现电动座椅七个运动自由度的位置调节，包括座椅前后调节、前部支撑调节、座椅高度调节、靠背斜度调节、腰椎高度调节、腰椎前后调节、靠枕高度调节这七个调节自由度;

(3)实现手动调节、位置记忆及记忆调节以及基于乘客体重和腰椎高度的座椅全自由度智能调节;

(4)可以实现键盘操作、液晶显示。

电动座椅控制系统由微控制器、传感器、驱动装置、执行结构以及键盘、显示器等其他辅助类装置组成。微控制器选用飞思卡尔的MC9S12XS，位置传感器直接使用无刷直流电动机的内置霍尔传感器，体重和腰椎高度传感器专门设计，执行机构选用12 V 无刷直流电动机，驱动芯片采用MC33035，逆变电路采用三相桥式全控逆变电路，电机工作在两两导通三相六状态。

单一自由度调节的电动座椅调节过程实际上是一个由电机组成的位置控制系统，为了使座椅的位置控制尽可能稳定和精确，故选用电流环、速度环、位置环的三环控制方法。电机和专用驱动芯片MC33035 构成电流环和速度环，电机的控制系统和微控制器构成位置环。其控制结构如图1 所示。

图1 电机位置的闭环控制

1.2 系统原理

电动座椅控制系统中键盘用来接收操作者指令;显示器用来显示电动座椅状态和对用户使用座椅进行提示;位置传感器向ECU 提供座椅相应自由度处的位置信息，构成位置闭环控制系统［4］;体重和腰椎高度传感器检测检测乘坐者体重和腰椎高度信息;ECU 通过编好的程序负责整个电动座椅的控制;电机驱动装置接受ECU 指令驱动电机调节电动座椅位置。另外ECU 可以通过汽车网络获知汽车当前状态信息，为电动座椅的运行提供参考。

2 系统硬件设计

电动座椅控制系统组成部分包括电子控制单元ECU、乘客腰椎高度和体重传感器、液晶显示器、键盘、电机和驱动芯片、电源供电这六个主要部分。以ECU 为中心，这六个部分构成了整个电动座椅控制系统，其结构如图2 所示。下面对这六部分的硬件分别进行设计。

图2 电动座椅控制系统结构

2.1 微控制器最小系统设计

电子控制单元ECU 选用飞思卡尔MC9S12XS 16 位微控制器。MCU 开始工作，需要设计支持其工作的外围电路，首先是时钟和复位电路的设计，时钟电路设定工作主频为8 MHz，复位电路是上电复位和按键复位。

然后进行背景调试模式(BDM)在线调试OCD的电路设计。通过BDM 接口可以完成基本的调试功能［5］，如:设置断点、读写内存、读写寄存器、下载程序、单步执行程序、运行程序、停止程序运行等。BDM 接口设计如图3 所示。综合上述电路，可以设计出S12XS 微处理器的最小系统硬件电路。

图3 BDM 接口电路

2.2 体重和腰椎高度传感器

显示器主要用于显示电动座椅状态以及完成人机交流的信息输出，键盘用来实现对电动座椅的操作。显示器选用液晶显示器，键盘根据需要选用矩阵键盘或编码键盘。

体重和腰椎高度传感器用来测量乘客的腰椎高和体重，为电动座椅的智能调节提供乘客方面的信息。体重传感器为布置于座椅下边的测重传感器，当乘客乘坐在座椅上后完成测重。腰椎高度的测量方法是采用在座椅靠背的腰椎附近由上到下布置数个个压力传感器，当乘客背靠靠背坐好后，测得数个压力值，将这数个压力值通过拟合法获得拟合曲线，最后求得曲线的最大值，该压力值对应的高度就是腰椎高度。图4 为压力传感器的布置图，式(1)为拟合公式。

图4 腰椎高度传感器布置

式中:h 表示压力分布对应的高度;系数α0，α1，…，αk由最小二乘法确定;拟合系数k 根据实际情况选取。

2.3 电机驱动电路设计

控制系统的驱动电机选用的是无刷直流电动机，带霍尔传感器，驱动电压12 V。驱动芯片选用专用芯片MC33035 和MC33039。无刷直流电动机需要采用三相桥式全控逆变电路进行驱动。

无刷直流电动机为执行机构完成实际操作，电机的驱动装置的作用是:接收电机的起动、停止和制动信号;根据霍尔位置传感器信号和正反转信号，通过控制逆变桥各功率管的通断来产生连续转矩，并控制起动、停止和制动;接收速度指令，通过传感器获得转速信息，用来控制和调整电机转速。

驱动芯片MC33035 是无刷直流电动机控制专用集成芯片，配合MC33039 芯片可以构成闭环调速系统来控制两相、三相或四相无刷直流电动机［6］。它通过下侧半桥输出PWM 对电机进行调速。MC33039 是一种电子测速芯片，用来与驱动芯片MC33035 构成闭环的速度控制。其应用电路如图5所示。

MC33039 是为无刷直流电动机闭环速度控制专门设计的集成电路，可实现精确调速控制。它直接利用三相无刷直流电动机霍尔位置传感器3 个输出信号，经F/V 变换成正比于电动机转速的电压，从图中可以看到，1、2、3 脚接收位置传感器3 个信号，6、7、8 脚外接定时元件组成的单稳态电路，此时脚5 输出的信号的占空比与电动机转速有关，其直流分量与转速成正比，此信号在低通滤波器处理后，即可得到与转速成正比的测速电压。

图5 MC33039 应用电路

使用MC33035 与MC33039 可以构成速度闭环的三相无刷直流电动机控制电路。微控制器通过电机霍尔位置传感器可以计数电机转子的圈数，从而获知电机的转角位置，获得半闭环的位置控制。微控制器只对MC33035 发送开环速度指令。

2.4 存储电路设计

存储器用来存放电机的实时位置信息和需要断电保存的座椅位置存储信息。存储芯片采用一个外置存储芯片:4 kb 的X25040 芯片，它是基于SPI 总线的，使用SPI 总线对存储芯片进行读和写操作，硬件电路连接如图6 所示。

图6 位置存储电路

2.5 电源设计

电动座椅控制系统的电路要求电源为5 V，无刷直流电动机驱动电压为24 V，而一般汽车电瓶的电源电压通常为12 V，故需要进行电源供电部分设计。由于汽车供电系统提供的是直流电，因此需要使用直流变压器。全桥结构直流变压器由全桥逆变电路、电压变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成，电压变压器的副边和原边之比分别为0.417和2;整流电路由整流二极管组成;滤波电路由一大一小两个电容并联组成，主要作用是平滑输出电压并消除高频干扰;稳压电路使用三端集成稳压器，可以消除汽车电网波动及负载变化对电压造成的影响。实际的变压装置可以按需要购买选用，电容按需选取，三端集成稳压器选用固定式的三端稳压器。电源电路如图7 所示。

图7 电源电路

3 系统软件设计

3.1 系统主程序设计

座椅控制系统主程序主要包括三个过程:系统初始化;系统键盘响应;系统控制过程。系统起动后首先要对电动座椅进行初始化，包括汽车状态检测;硬件自检及初始化;必要信息的检测和读取等过程，最后进行系统起动判断，通过对汽车状态和座椅状态的检测来判断是否起动座椅控制系统，此时屏蔽键盘和控制电机，座椅无法操作，直到通过起动判断。系统键盘响应检测是否有键按下，以及按键键值。系统控制过程是根据键值的检测结果执行响应的操作。主程序工作流程图如图8 所示。

图8 总体程序流程图

3.2 体重和腰椎高度测量程序设计

体重和腰椎高度传感器使用的输出信号是模拟量，所以需要经过滤波整形后接入MC9S12XS 微控制器的A/D 转换引脚，当系统需要使用体重和腰椎高度值时，调用体重和腰椎高度测量子程序。

体重和腰椎高度子程序A/D 转换过程、压力值测量和腰椎高度拟合三个过程。A/D 转化过程将测量值由模拟值转化为数字量;压力值测量过程获得体重值和腰椎高度传感器的多个压力值;腰椎高度拟合过程通过拟合方程获得腰椎高度值，最后将体重值和腰椎高度值传送给调用程序。

3.3 电机位置控制程序设计

无刷直流电动机使用专用驱动芯片进行驱动，微控制器对其进行电机的选择、使能、制动、正反向控制、PWM 速度信号控制这五方面操作，并接收电机内置的霍尔传感器反馈的位置信息。电机位置控制依次有以下过程:调节信息接收和系统初始化;调节电机判断;当前位置读取;判断电机转向;起动电机;位置比较;调节完成。如图9 所示。

图9 位置控制程序流程

从图中可以看到，调节程序开始后，首先对系统初始化，然后判断是对那个自由度的电机进行调节，之后从存储器读取当前电机的位置信息，与目标指令比较后判断电机的转向，然后开始调节过程，直到电机位置等于目标位置，调节过程结束。电机初装时，微控制器记忆位置为0，并存入存储器中，电机正转一圈时加1，反转一圈减1。每当电机调节结束时，对电机的位置进行记忆。

3.4 位置记忆和调节程序设计

电机的位置记忆和调节程序用来完成存储位置的记忆和自动调节，记忆过程只是将当前7 个电机的位置信息存入指定存储位置;自动调节过程通过存储程序获得预调节的位置信息，通过霍尔传感器获得当前位置信息，然后通过调用电机位置控制程序来调节到预定位置。

3.5 智能调节程序设计

智能调节程序用来智能化地调节电动座椅7 个自由度的位置，其首先通过体重和腰椎高度测量程序获得乘客体重和腰椎高度信息，并由此推算出乘客身高，最终通过这些信息决定每个自由度的预调节位置，并调用电机位置控制程序完成调节。

4 结 语

通过对电动座椅控制系统硬件和软件的设计，完成了电动座椅手动调节、位置记忆、自动调节等功能的设计。通过对程序的调试和实验，设计的电动座椅控制系统能够按照预定设计要求完成控制目标，且控制稳定性、精度和平稳状况良好。

［1］ LAHIRY A，CHANANA S，KANWAR S. Automation in automobiles:power seat［C］//Second International Conference on Machine Vision.2009:158－160.

［2］ 储浩.一种车用记忆存储式后视镜和座椅控制器的设计［D］.上海:上海交通大学，2007.

［3］ 宋受俊，刘卫国. 电动座椅驱动控制系统设计［J］. 微电机，2007，40(9):54－58.

［4］ LIU H Y，GRINDLE G，CHUANG F C，et al.A survey of feedback modalities for wheelchair power seat functions［J］.Pervasive Computing，IEEE，2012，11(3):54－62.

［5］ 薛涛，邵贝贝.S12 单片机BDM 调试器使用技巧［J］.电子技术应用，2009，35(2):14－16.

［6］ 韦敏，季小尹.MC33035 在直流无刷电机控制中的应用［J］.电子技术应用，2004(11):83－85.

［7］ 尹立云.WYJ－30 型直流稳压电源的改造［J］. 机床与液压，2005(5):186－180.