高速列车座椅自动旋转控制器设计

2017-06-13仇维斌

微特电机 2017年6期

仇维斌，陈辉，严岩

(1．今创集团股份有限公司，常州213102;2．江苏科技大学，镇江212003;3．今创集团股份有限公司，常州213102)

0 引言

近年来，高速铁路在我国得到了高速度发展，随着其速度稳步提升，出行有了更好选择。考虑到乘客乘坐的舒适感，目前运营高速列车的座椅朝向均与列车行驶方向一致。由于部分列车到站时需要反向行驶，因此座椅朝向也需实时调整180°，从而使得朝向一致。而目前均是在列车到站时由人工旋转其朝向，故需一定的人力成本，并且效率较低。为此，设计开发了一套座椅控制系统。高速列车座椅控制系统是由多个部分组成的复杂控制系统，其中包括司机室主控制屏、无刷直流电动机、座椅控制器(以下简称SCU)、控制器局域网(以下简称CAN)、多功能车辆总线(以下简称MVB)及列车控制和管理系统(以下简称TCMS)等。司机室主控制屏可实现对所有座椅实时控制与状态监视［1－3］。SCU在本系统中主要接收司机室传达的座椅旋转控制命令，并且根据命令驱动电机执行相应的动作，同时可将座椅的故障及状态信息通过总线反馈至主控制屏。SCU在主控制屏与座椅之间起着重要的桥梁作用，直接关系到整个座椅控制系统的正常运行。因此，为了提高系统的安全运行，本设计在软件及硬件方面均做出优化处理。

1 系统功能

SCU需具有以下主要功能:

(1)座椅正反旋转180°时间在10～20 s范围内可调;执行正反旋转时，SCU可按预设的速度曲线做出相应动作。

(2)通信功能，通过CAN网络实现整节车厢SCU通信功能，并通过MVB总线实现与司机室的通信，将座椅状态、故障信息的上传同时接收控制命令。

(3)串口下载应用程序功能。

(4)通过电流、位移/速度两种方法进行障碍物检测，并可根据实际情况通过便携式测试设备(以下简称PTE)适当调整开闭延迟时间及障碍物循环次数等参数。

2 系统硬件设计

系统以STM32F407芯片为核心部件，ADC、集成SPI、数字 IO、CAP口捕获、MVB通信、CAN 通信等功能。图1所示为主、备用SCU硬件整体框架图，其中从SCU在硬件上没有MVB模块。

图1 系统整体架构图

CPU模块:根据系统需求选用高性能控制芯片STM32F407作为控制器主芯片，时钟频率最高可达168 MHz，具有高速的数据处理能力，并具有32位浮点处理单元，其有两个高级定时器可以同时产生多达7路的PWM输出［4］。

RS232模块:实现与 PTE的通信，可通过PTE适当调整开闭延迟时间及障碍物循环次数等参数。

MVB模块:此模块与TCMS系统连接，可将座椅状态、故障信息上传到TCMS同时接收TCMS发送的控制命令［5－6］。

CAN模块:可实现主 SCU与从 SCU的通信。主SCU将司机室发出的控制信号通过CAN总线发送到从SCU，同时从SCU将状态信息、故障信号通过CAN总线上传至主SCU。

数字I/O口:接收限位开关传递的输入信号，同时根据座椅执行相应动作而产生输出信号，实现对电磁阀通断控制控制信号。

CAP模块:电机HALL捕获口，实现对HALL信号的捕获。

ADC模块:实时检测电机母线电压及三相电流，用于矢量控制电流环闭环运算及障碍物判断。

SPI模块:故障信息存入EEPROM。

拨码开关:通过设置拨码开关确定每个座椅控制器的CAN地址。

电机驱动模块:包括电机驱动信号PWM发出及霍尔信号采集，其中驱动功率部分采用智能功率模块，与MOS管相比具有明显的体积优势及更优的保护性能。当故障发生时，可迅速将信号送至CPU，从而关断功率模块，有着很好的保护性能。

本系统主要完成对座椅状态信息采集、座椅自动旋转逻辑分析、座椅驱动控制、座椅故障记录与处理;CAN总线实现主SCU与从SCU的通讯;通过MVB接口可实现与TCMS的通讯;并通过PTE可实现参数设置、数据显示及故障下载等功能。

3 系统软件设计

SCU软件设计部分由逻辑部分、通信部分及电机控制构成。其中逻辑控制单元主要完成对外部座椅状态开关量信号采集、座椅旋转方向判断与控制、障碍物检测及故障记录等功能。通信部分主要实现SCU与司机室的通信，实现控制命令的接收及故障信息的上传，同时实现与本节车厢从SCU的数据交换。电机驱动部分主要完成对电机的运动控制，实现座椅的正反旋转。

3． 1逻辑控制单元软件设计

3．1．1 逻辑控制单元设计

逻辑控制单元如图2所示，系统结合当前状态及输入信号判断是否进入下一状态。其中图2中F为故障状态。

图2 逻辑控制单元流程框图

3．1．2逻辑控制单元时间片设计

本单元软件设计流程如图3所示，由运动状态监控、速度监控等子程序构成高优先级任务，由CAN数据处理、RS232数据处理等子程序构成低优先级任务，最后由CAN数据发送、RS232数据发送、MVB数据发送、故障记录存入EEPROM构成空闲任务［7］。系统设有2 ms定时周期中断，各不同等级任务按照图3循环运行。同时，不定时执行中断任务和空闲任务［8］。

图3 时间片分配图

空闲任务执行中检测当前数据是否正在发送，若是，则执行下一个任务，若不是，则写入一个字节到缓冲区。

中断任务主要执行当前产生的中断事件，包括完成定时器中断处理及多种通信中断接收。

3．1．3障碍物检测软件设计

障碍检测断子程序主要判断座椅旋转过程中有无遇到障碍物。本系统采用位移、速度及电流法对是否有障碍物判断。在旋转过程中每2 ms执行一次障碍物判断，其程序框图如图4所示。在座椅旋转过程中，若连续多次检测到电流超阈值或位移、速度小于设定值，则判断有障碍物，并进行逻辑切换。

图4 障碍物检测流程图

3． 2电机驱动控制单元软件设计

本设计根据实际需求采用了无刷直流电动机。常用的无刷直流电动机方波驱动方式使得电机运行较容易实现，占用CPU资源少，但是其控制效率较低。因而本设计采用了矢量控制方法，以提高其控制效率。其控制框图如图5所示，本设计采用id=0的矢量控制方法。

图5 矢量控制框图

电机驱动控制程序主要在ADC中断中完成，电流、电压等信号采集定位在PWM发生定时器上溢出点。如图6所示，中断子程序主要完成相电流采样与转换，同时实时获取当前转速信息，以实现d，q轴电流解耦，最后通过2个电流环PI调节输出当前控制量并送入SVPWM进行PWM输出计算。

图6 ADC中断子程序

3． 3通信单元软件设计

3．3．1 MVB通信模块程序设计

MVB通信模块可实现TCMS与SCU之间的数据通信。其接收TCMS的控制命令和设定的系统参数，同时将座椅系统的相关数据发送给TCMS。本设计中MVB数据通信采用“数据收发缓冲池”的方式实现，如图7所示。即将需要发送的数据及接收的数据存入缓冲区中，等到时间片无任务执行时再进行相应的处理，从而避免了数据通信与其它任务争夺CPU时钟周期［9］的问题。

图7 MVB通信模块数据处理框图

3．3．2 CAN通信模块程序设计

CAN通信程序主要由数据发送、接收及处理构成。定时中断CAN发送子程序主要实现SCU中故障与状态信息的定时发送，CAN中断接收子程序主要实现故障与状态信息的接收。

图8 CAN通信的数据发送与接收框图

图8 为主SCU与备用SCU之间CAN通信方式以及CAN通信的发送与接收处理。主、从SCU内部均开设数据发送及接收缓冲区，从SCU的主程序不停对状态数据进行刷新，并每隔500 ms发送一次信息，同时接收来自主SCU的控制命令。主SCU将接收到的状态信息汇总后发送给TCMS［10］，同时接收来自TCMS的命令并转发到本车厢内其它SCU。