高速列車座椅自動旋轉控制器設計

仇維斌，陳 輝，嚴 巖

(1．今創集團股份有限公司，常州213102;2．江蘇科技大學，鎮江212003;3．今創集團股份有限公司，常州213102)

0 引 言

近年來，高速鐵路在我國得到了高速度發展，隨著其速度穩步提升，出行有了更好選擇?？紤]到乘客乘坐的舒適感，目前運營高速列車的座椅朝向均與列車行駛方向一致。由于部分列車到站時需要反向行駛，因此座椅朝向也需實時調整180°，從而使得朝向一致。而目前均是在列車到站時由人工旋轉其朝向，故需一定的人力成本，并且效率較低。為此，設計開發了一套座椅控制系統。高速列車座椅控制系統是由多個部分組成的復雜控制系統，其中包括司機室主控制屏、無刷直流電動機、座椅控制器(以下簡稱SCU)、控制器局域網(以下簡稱CAN)、多功能車輛總線(以下簡稱MVB)及列車控制和管理系統(以下簡稱TCMS)等。司機室主控制屏可實現對所有座椅實時控制與狀態監視［1－3］。SCU在本系統中主要接收司機室傳達的座椅旋轉控制命令，并且根據命令驅動電機執行相應的動作，同時可將座椅的故障及狀態信息通過總線反饋至主控制屏。SCU在主控制屏與座椅之間起著重要的橋梁作用，直接關系到整個座椅控制系統的正常運行。因此，為了提高系統的安全運行，本設計在軟件及硬件方面均做出優化處理。

1 系統功能

SCU需具有以下主要功能:

(1)座椅正反旋轉180°時間在10～20 s范圍內可調;執行正反旋轉時，SCU可按預設的速度曲線做出相應動作。

(2)通信功能，通過CAN網絡實現整節車廂SCU通信功能，并通過MVB總線實現與司機室的通信，將座椅狀態、故障信息的上傳同時接收控制命令。

(3)串口下載應用程序功能。

(4)通過電流、位移/速度兩種方法進行障礙物檢測，并可根據實際情況通過便攜式測試設備(以下簡稱PTE)適當調整開閉延遲時間及障礙物循環次數等參數。

2 系統硬件設計

系統以STM32F407芯片為核心部件，ADC、集成SPI、數字 IO、CAP口捕獲、MVB通信、CAN 通信等功能。圖1所示為主、備用SCU硬件整體框架圖，其中從SCU在硬件上沒有MVB模塊。

圖1 系統整體架構圖

CPU模塊:根據系統需求選用高性能控制芯片STM32F407作為控制器主芯片，時鐘頻率最高可達168 MHz，具有高速的數據處理能力，并具有32位浮點處理單元，其有兩個高級定時器可以同時產生多達7路的PWM輸出［4］。

RS232模塊:實現與 PTE的通信，可通過PTE適當調整開閉延遲時間及障礙物循環次數等參數。

MVB模塊:此模塊與TCMS系統連接，可將座椅狀態、故障信息上傳到TCMS同時接收TCMS發送的控制命令［5－6］。

CAN模塊:可實現主 SCU與從 SCU的通信。主SCU將司機室發出的控制信號通過CAN總線發送到從SCU，同時從SCU將狀態信息、故障信號通過CAN總線上傳至主SCU。

數字I/O口:接收限位開關傳遞的輸入信號，同時根據座椅執行相應動作而產生輸出信號，實現對電磁閥通斷控制控制信號。

CAP模塊:電機HALL捕獲口，實現對HALL信號的捕獲。

ADC模塊:實時檢測電機母線電壓及三相電流，用于矢量控制電流環閉環運算及障礙物判斷。

SPI模塊:故障信息存入EEPROM。

撥碼開關:通過設置撥碼開關確定每個座椅控制器的CAN地址。

電機驅動模塊:包括電機驅動信號PWM發出及霍爾信號采集，其中驅動功率部分采用智能功率模塊，與MOS管相比具有明顯的體積優勢及更優的保護性能。當故障發生時，可迅速將信號送至CPU，從而關斷功率模塊，有著很好的保護性能。

本系統主要完成對座椅狀態信息采集、座椅自動旋轉邏輯分析、座椅驅動控制、座椅故障記錄與處理;CAN總線實現主SCU與從SCU的通訊;通過MVB接口可實現與TCMS的通訊;并通過PTE可實現參數設置、數據顯示及故障下載等功能。

3 系統軟件設計

SCU軟件設計部分由邏輯部分、通信部分及電機控制構成。其中邏輯控制單元主要完成對外部座椅狀態開關量信號采集、座椅旋轉方向判斷與控制、障礙物檢測及故障記錄等功能。通信部分主要實現SCU與司機室的通信，實現控制命令的接收及故障信息的上傳，同時實現與本節車廂從SCU的數據交換。電機驅動部分主要完成對電機的運動控制，實現座椅的正反旋轉。

3． 1邏輯控制單元軟件設計

3．1．1 邏輯控制單元設計

邏輯控制單元如圖2所示，系統結合當前狀態及輸入信號判斷是否進入下一狀態。其中圖2中F為故障狀態。

圖2 邏輯控制單元流程框圖

3．1．2邏輯控制單元時間片設計

本單元軟件設計流程如圖3所示，由運動狀態監控、速度監控等子程序構成高優先級任務，由CAN數據處理、RS232數據處理等子程序構成低優先級任務，最后由CAN數據發送、RS232數據發送、MVB數據發送、故障記錄存入EEPROM構成空閑任務［7］。系統設有2 ms定時周期中斷，各不同等級任務按照圖3循環運行。同時，不定時執行中斷任務和空閑任務［8］。

圖3 時間片分配圖

空閑任務執行中檢測當前數據是否正在發送，若是，則執行下一個任務，若不是，則寫入一個字節到緩沖區。

中斷任務主要執行當前產生的中斷事件，包括完成定時器中斷處理及多種通信中斷接收。

3．1．3障礙物檢測軟件設計

障礙檢測斷子程序主要判斷座椅旋轉過程中有無遇到障礙物。本系統采用位移、速度及電流法對是否有障礙物判斷。在旋轉過程中每2 ms執行一次障礙物判斷，其程序框圖如圖4所示。在座椅旋轉過程中，若連續多次檢測到電流超閾值或位移、速度小于設定值，則判斷有障礙物，并進行邏輯切換。

圖4 障礙物檢測流程圖

3． 2電機驅動控制單元軟件設計

本設計根據實際需求采用了無刷直流電動機。常用的無刷直流電動機方波驅動方式使得電機運行較容易實現，占用CPU資源少，但是其控制效率較低。因而本設計采用了矢量控制方法，以提高其控制效率。其控制框圖如圖5所示，本設計采用id=0的矢量控制方法。

圖5 矢量控制框圖

電機驅動控制程序主要在ADC中斷中完成，電流、電壓等信號采集定位在PWM發生定時器上溢出點。如圖6所示，中斷子程序主要完成相電流采樣與轉換，同時實時獲取當前轉速信息，以實現d，q軸電流解耦，最后通過2個電流環PI調節輸出當前控制量并送入SVPWM進行PWM輸出計算。

圖6 ADC中斷子程序

3． 3通信單元軟件設計

3．3．1 MVB通信模塊程序設計

MVB通信模塊可實現TCMS與SCU之間的數據通信。其接收TCMS的控制命令和設定的系統參數，同時將座椅系統的相關數據發送給TCMS。本設計中MVB數據通信采用“數據收發緩沖池”的方式實現，如圖7所示。即將需要發送的數據及接收的數據存入緩沖區中，等到時間片無任務執行時再進行相應的處理，從而避免了數據通信與其它任務爭奪CPU時鐘周期［9］的問題。

圖7 MVB通信模塊數據處理框圖

3．3．2 CAN通信模塊程序設計

CAN通信程序主要由數據發送、接收及處理構成。定時中斷CAN發送子程序主要實現SCU中故障與狀態信息的定時發送，CAN中斷接收子程序主要實現故障與狀態信息的接收。

圖8 CAN通信的數據發送與接收框圖

圖8 為主SCU與備用SCU之間CAN通信方式以及CAN通信的發送與接收處理。主、從SCU內部均開設數據發送及接收緩沖區，從SCU的主程序不停對狀態數據進行刷新，并每隔500 ms發送一次信息，同時接收來自主SCU的控制命令。主SCU將接收到的狀態信息匯總后發送給TCMS［10］，同時接收來自TCMS的命令并轉發到本車廂內其它SCU。

4 實驗結果及結論

本設計中選用的電機定子電壓為直流110 V，功率120 W，磁極對數5。圖9為所設計的自動旋轉座椅實物圖，其中SCU位于座椅下方。圖10為系統正常工作時的線電壓，其范圍為－110～110 V。

圖9 座椅實物圖

圖10 線電壓波形(截圖)

本設計中需要實時檢測相電流波形，從而對障礙物信號判斷。當座椅正常旋轉時的電流為正弦波，電流幅值為1．8 A，如圖11所示，當遇到障礙物時電流幅值會突增，最大可達5 A，如圖12所示。由此可以檢測出是否有障礙物發生。

圖11 座椅正常旋轉時相電流(截圖)

圖12 座椅旋轉遇遇障礙物時相電流(截圖)

本文詳細介紹了一種基于STM32F407的高速列車自動旋轉座椅控制器硬件及軟件設計。目前，該產品已順利完成研發，并且均通過功能試驗、沖擊振動試驗及EMC試驗等，試驗結果表明此座椅控制器可滿足高速列車的運行需求。

［1］ 朱書娟，徐剛，陳勇勝，等．淺談高速動車組車門通信系統［J］．中國科技博覽，2013(24):464－464．

［2］ 關和寧．城軌車輛列車監控系統的設計及應用［D］．北京:北京交通大學研究生院，2008．

［3］ 朱琴躍，謝維達，譚喜堂．MVB協議一致性測試研究與實現［J］．鐵道學報，2007，29(4):115 －120．

［4］ 廖義奎．ARM Cortex－M4嵌入式實戰開發精解 －基于STM32F4［M］．北京:北京航空航天大學出版社，2013．

［5］ 宋佳璟，劉志剛．基于CANopen列車通信網絡的地鐵門控系統設計［J］．機電控制技術，2008．37(8):25 －29．

［6］ International Electrotechnical Commission．Electric Railway Equipment－Train Bus－Part 1:Train Communication Network(IEC61375－1) ［S］．1999．

［7］ 仇維斌，嚴巖，黃巧亮，等．基于MC56F8346控制器的塞拉門控器研究［J］．機電設備，2015(1):7 －11．

［8］ 仇維斌，歐紅香．一種基于TMS320LF2407A的地鐵屏蔽門門機控制器設計［J］．微電機，2009，42(9):37 －39．

［9］ 陳鐵軍，謝春萍．PC機與RS485總線多機串行通信的軟硬件設計［J］．現代電子技術，2007，30(5)，103 －105．

［10］ 高松，高燕，王吉華．SAE J1939協議在車輛上的應用［J］．拖拉機與農用運輸車．2007，33(6):1－2．