帶記憶功能的汽車電動座椅系統

容建壯

江門市興江轉向器有限公司，中國·廣東 江門 529050

1 引言

電動座椅是指以電動機為動力，通過傳動裝置和執行機構來調節座椅的各種位置，為駕駛員提供便于操作、舒適而又安全的駕駛位置；為乘客提供不易疲勞、舒適而又安全的乘坐位置。按人體工程學的要求，座椅必須具有良好的靜態與動態舒適性。其外形必須符合人體生理功能，在不影響舒適性的前提下，力求美觀大方。座椅應采用最經濟的結構，盡可能地減少質量。隨著人們生活水平的提高，對汽車座椅的舒適性要求也越來越高，要求調節能夠更加簡單、方便、快捷，更簡單更輕松地調整座椅位置，減輕駕駛疲勞，使人更舒適地操控汽車。汽車電動座椅以駕駛者的座椅為主，從服務對象出發，電動座椅必須要滿足便利性和舒適性兩大要求。也就是說駕駛者通過鍵鈕操縱，既可以將座椅調整到最佳的位置上，使駕駛者獲得最好視野，易于操縱方向盤、踏板、變速桿，還可以獲得最舒適和最習慣的乘坐角度。現代家庭大多數都只有一輛轎車，但是駕駛員又有兩名以上，這就使得每個駕駛員都要按照自己的習慣調整座椅的狀態，這對駕駛員帶來了很多不便。論文介紹的電動座椅系統是帶記憶功能的電動座椅，能夠把2 個駕駛員的座椅位置記錄下來，即使其他駕駛員調整過座椅的狀態，只要按一下記憶按鍵，座椅就可以恢復到記憶時的狀態，對于多個駕駛員駕駛同一輛汽車有很大的便利性。

2 電動座椅執行系統結構

2.1 電動機

電動座椅大多采用永磁式電動機驅動，此類電動機多采用雙向電動機。其電樞的旋轉方向隨電流方向的改變而改變，從而使電動機按照不同的電流方向進行正轉或反轉。并通過裝在座位側板上或門扶手上的肘節式控制開關來控制電路通路和電流方向，使某一電動機按所需的方向運轉，以達到調整座椅的目的。為了防止動機過載，大多數永磁式電動機內裝有熱過載保護斷路器。有些電動座椅采用直流電動機來驅動，并裝有兩個磁場線圈，使其可以雙向運轉。這種電動機多使用繼電器控制電流方向。論文設計的電動座椅系統就是使用電機內部帶霍爾傳感器的直流電機，通過電機轉動時產生的霍爾信號把電機的位置記錄下來，當駕駛員按下記憶按鍵時就可以讓座椅準確的回到記憶時的位置[1]。

2.2 座椅調節器

座椅調節器實際上就是用來調整座椅的各種位置，實現座椅水平前后移動、座椅上下移動、座椅靠背的6 個方向角度旋轉的調節。當按下此開關后，電控單元就會控制相應電動機運轉，按照駕駛員的要求調整座椅的位置。

2.3 控制系統

論文設計的電動座椅系統主要由主控微處理器、CAN 數據發送與接收模塊、調節器模塊、記憶按鍵模塊、電機控制模塊等組成，如圖1所示。

圖1 電動座椅控制系統結構圖

CAN 數據發送與接收模塊負責接收汽車CAN 總線上傳輸的各種信息數據，如發動機信息、開關門信息、車況信息等，并在接收各種信息的同時把這些數據有規律的傳輸給主控微處理器。

微處理器接收到CAN 數據后立即進行CAN 的ID 過濾，當報文數據過濾成功后，按照設定好的的控制策略對數據進行相應的處理，并且將有用的信息保存到EEPROM 中，待有需要的時候可以讀取出來使用。

調節器模塊可以喚醒睡眠的微處理器激活電動座椅工作。通過調節器模塊可以調整座椅的工作模式。論文的座椅有初始化模式、記憶模式和正常模式。

電機控制模塊中包含了控制電機輸出模塊與電機霍爾脈沖信號接收模塊。微處理器接收到調節器模塊的信息后，控制相應的繼電器驅動電機轉動從而使座椅移動。電機霍爾脈沖信號接收模塊把電機的霍爾信號傳送到微控制器，微控制器通過計算霍爾脈沖數記錄電機所轉的圈數，當記憶按鍵模塊被按下時，微控制器就控制繼電器驅動電機轉動，把電機恢復到當時記憶狀態的圈數，實際上就是把座椅調整到記憶時的狀態[2]，從而記住座椅的位置。

3 CAN 總線介紹

CAN 是控制器局域網絡（Controller Area Network,-CAN）的簡稱，是由研發和生產汽車電子產品著稱的德國BOSCH 公司開發的，并最終成為國際標準（ISO11898），是國際上應用最廣泛的現場總線之一。論文提到的是CAN2.0B協議。

3.1 CAN 總線特點

①CAN 是到目前為止唯一有國際標準的現場總線。

②CAN 為多主方式工作，網絡上任一節點均可在任意時刻主動向網絡上其他節點發送信息，而不分主從。

③在報文標識符上，CAN 上的節點分成不同的優先級，可滿足不同的實時要求，優先級高的數據最多可在134us 內得到傳輸。

④CAN 采用非破壞總線仲裁技術。當多個節點同時向總線發送信息出現沖突時，優先級較低的節點會主動退出發送，而最高優先級的節點可不受影響地繼續傳輸數據，從而大大節省了總線沖突仲裁時間。尤其是在網絡負載很重的情況下，也不會出現網絡癱瘓情況。

⑤CAN 節點只需通過對報文的標識符濾波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數據。

⑥CAN 的直接通信距離最遠可達10km；通信速率最高可達1Mbps。

⑦CAN 上的節點數主要取決于總線驅動電路，目前可達110 個。在標準幀報文標識符有11 位，而在擴展幀的報文標識符有29 位。

⑧報文采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低，保證了數據出錯率極低。

⑨CAN 的每幀信息都有CRC 校驗及其他檢錯措施，具有極好的檢錯效果。

⑩CAN 節點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，使得總線上其他節點的操作不受影響。

3.2 CAN 數據幀結構

在CAN 總線進行數據通信的過程中，有2 種不同的幀格式，不同之處為標識符域的長度不同：含有11 位標識符的幀稱之為標準幀；含有29 位標識符的幀稱之為擴展幀。報文傳輸有4 個不同類型的幀：數據幀、遠程幀、錯誤幀和過載幀。此處主要提及數據幀。數據幀由以下7 個不同的位域組成：幀起始、仲裁域、控制域、數據域、CRC 域、應答域和幀結尾。其中仲裁域包含標準格式和擴展格式，如圖2所示。

圖2 CAN 仲裁域結構

4 電動座椅ECU 系統

論文的電動座椅ECU（Electronic Control Unit)系統主要由意法半導體公司（ST）的8 位微處理器STM8S207C8T6、Microchip 公司的MCP2561CAN 收發器、宏發繼電器HFKA012-2ZSPT、TI 公司的ULQ2003L 和LM2902AVQDRQ1等電子元器件組成。圖3為電動座椅ECU 系統的完整原理圖。

圖3 電動座椅ECU 系統原理圖

4.1 主控CPU

STM8S207C8T6 微處理器可配置16 位控制定時器、信號捕獲/比較功能模塊、PWM 控制器以及SCI、SPI、I2C 和CAN2.0B 總線接口。芯片內置16MHz 高精度阻容振蕩器可以省去外部時鐘信號源，具有上電復位（POR）和欠壓復位（BOR）功能，可以節省外部復位電路。該微處理器是新一代基于STM8 內核的STM8S 系列產品。新系列微控制器整合新一代內核的高速度、處理性能和代碼效率，以及多用途外設接口，并具備多項特殊功能，可提高芯片的強軔度和可靠性。片內集成的存儲器（包括真EEPROM）可以簡化應用仿真。在電子應用中，可以降低系統成本，縮短應用開發周期，提高處理性能。其引腳定義如圖4所示。

圖4 主控CPU 電路圖

4.2 MCP2561 CAN 收發器

MCP2561 是一款采用8 引腳封裝的高速CAN 收發器，并設有一個Vio 引腳。Vio 引腳可以連接輔助電源，以便在內部對CAN 收發器的數字I/O 進行電平調節，從而便于與單片機的連接。這對使用小于5V（例如1.8V 或3.3V）的Vdd單片機系統非常有利，而且消除了對外部電平轉換器的需求，降低了系統成本及復雜性。符合高達14 kV ESD 性能的全球EMC 要求，提供了行業的低待機電流，有多種外形尺寸小巧的器件可供選擇。具有業界的低待機電流功耗（典型值為5μA），有助于滿足汽車電子控制單元（ECU）的低功率預算要求。其硬件電路設計如圖5所示。

圖5 CAN 收發器電路圖

微處理器STM8S207C8T6 首先對內部的CAN 模塊進行初始化設置，其中包括CAN 通信的波特率、采樣時間、標識符濾波寄存器、屏蔽寄存器、錯誤中斷寄存器和中斷使能寄存器等配置。初始化完成后，微處理器打開CAN 接收中斷使能，并通過IO 輸出控制RS 引腳腳將MCP2561 置于Normal 模式與其進行正常的數據交換。微處理器實時接收汽車的CAN 總線傳輸給MCP2561 的數據，通過設置CAN 通信的波特率、標識符濾波寄存器與屏蔽寄存器過濾出對電動座椅系統有用的CAN 數據，然后進行相應的數據處理。當汽車處于熄火或工作時，判斷汽車CAN 總線的活躍狀態，控制電動座椅控制器進入睡眠模式或者喚醒電動座椅控制器；從而降低整個系統的功耗。

4.3 電動座椅執行機構控制

論文的帶記憶功能的電動座椅系統具有6 向調節的功能，實現座椅水平前后移動、座椅上下移動、座椅靠背6 個方向的角度旋轉調節；通過3 個帶霍爾信號輸出的電機來實現調節的功能。控制電機轉動的方式有兩種，一種是使用4 個場效應管組成的H 橋驅動電機轉動，一種是通過控制繼電器的線圈使電機工作。前者成本比較貴，電路較為復雜，不符合市場的要求。論文的電動座椅系統采用第二種控制方式，具有電機功率小、功耗較低、堵轉電流小等特點，可以進行全功率輸出，既滿足了安全可靠的要求，同時也降低了整個系統的成本[3]。電機驅動電路如圖6所示。

圖6 電機驅動電路圖

座椅水平前后移動、座椅上下移動、座椅靠背的角度旋轉實際上就是電機的正反轉，論文中的繼電器控制電機電路采用的是廈門宏發電聲股份有限公司的HFKA012-2ZSPT 雙胞繼電器，繼電器驅動芯片采用德州儀器公司（TI）公司的ULQ2003 芯片。微處理器通過IO 口輸出控制信號給繼電器驅動芯片ULQ2003，然后ULQ2003 輸出相應的電平給HFKA012-2ZSPT 繼電器的線圈，使得繼電器的觸點吸合，這樣電機就開始轉動了。

4.4 記憶座椅位置原理

電動座椅的位置根據駕駛員的調節而定，每個駕駛員的位置都不一樣。要準確記錄每個駕駛員的舒適位置就需要有帶霍爾信號輸出的電機。霍爾信號需要經過一些硬件電路的處理才可以給微控制器使用，電機霍爾信號處理電路如圖7所示。電動座椅的電機在轉動過程中一直輸出霍爾信號，這些霍爾信號就可以作為座椅位置的依據。微處理器控制電機在轉動的同時一直采集電機的霍爾信號，直到電機停止為止，然后通過公式計算得出一個相對的位置，并把數據存放在EEPROM 中。當按下記憶按鍵后，微控制器就讀取EEPROM 中的值，控制電機轉動到相應的位置，從而實現了記憶座椅位置的功能。

圖7 霍爾信號處理電路

5 電動座ECU 控制原理

5.1 控制方法

論文中設計的電動座椅控制器是采用標志位輪詢的方法；當微處理器的系統初始化完后，微處理器就進入CAN 總線的狀態查詢模式；當CAN 總線上有數據傳輸時，微處理器就根據自身內置的CAN 濾波寄存器與屏蔽寄存器的配置，識別正確的CAN 報文。正確的CAN 報文會引起CAN 接收中斷，并根據控制策略對接收的報文數據進行處理，如ACC_ON 點火標志、中控門鎖信號標志等信號標志；再根據接收到的座椅調節器信號和記憶按鍵信號判定電機的轉動方向和時間，從而控制電機工作[4]。電動座椅ECU 控制原理圖如圖8所示。

圖8 電動座椅ECU 控制原理圖

5.2 控制器的功能

①當ACC_ON 點火標志且車速大于5km/h 標志成立時，電動座椅不工作，保證高安全性。

②中控門鎖信號標志、移動按鍵信號標志、組合按鍵信號標志成立時，均打開定時計時中斷程序和霍爾脈沖信號捕捉程序。中控門鎖信號標志成立時，表示車主離開汽車，此時電動座椅將自動回到初始位置，而當中控門鎖被打開后，若前一次狀態為關門，則電機驅動座椅去到上一次記憶位置。

③移動按鍵信號成立時，表示手動控制調節座椅位置，電機驅動座椅移動到相應的位置，同時開啟定時中斷、捕捉中斷程序，記錄座椅的運行軌跡，以便進行記憶存儲。另外，由于電機的差異和電動初始起動霍爾不穩定，會造成霍爾脈沖數的數據有差異，為解決此問題，在軟件設計方面通過電機輸出控制的初始50ms 的霍爾脈沖數不納入計數范圍，以避免上述情況的干擾，保證了記數穩定。

④記憶按鍵信號成立時，立即進行按鍵計時，若按下按鍵小于1 秒，則表示進行當前座椅位置記憶，并存儲到微處理器的EEPROM 中。若按下按鍵大于5 秒，則表示調用當前按鍵的記憶位置，此時電機將驅動座椅移動。

⑤組合按鍵信號成立時，表示標定座椅初始位置。此功能主要方便調試人員在初裝座椅時進行一次初始位置標定。另外，基于CAN 總線傳輸，實時讀取整車信號狀態還有以下幾個主要功能：在安全模式下，通過座椅下的壓力傳感器，實時判斷駕駛員是否配帶安全帶；舒適模式下，在冬天季節可通過按鍵選擇對座椅靠背進行加熱；在鎖車模式下，根據CAN 總線的傳輸狀態，適當使電動座椅控制器進入睡眠狀態，降低功耗。

6 結語

論文帶記憶功能的汽車電動座椅系統實現了座椅水平前后移動、座椅上下移動、座椅靠背6 個方向的角度旋轉調節。同時可以把座椅的位置記錄下來，通過記憶按鍵把座椅的位置恢復到記憶時的狀態。主要通過由意法半導體公司（ST）的8 位微處理器STM8S207C8T6、Microchip 公司的MCP-2561CAN 收發器、宏發繼電器HFKA012-2ZSPT、TI 公司的ULQ2003L 和LM2902AVQDRQ1 等電子元器件組成的電路圖和通過微控制器軟件編程實現上述功能。使用CAN 總線可以有效減小與汽車之間的連接線、提高數據傳輸的速率和可靠性。這個系統成本低、實用性功能多、產品質量可靠，市場上類似產品相比具有一定的優勢。