高速列車座椅自動旋轉(zhuǎn)控制器設(shè)計

仇維斌，陳 輝，嚴 巖

(1．今創(chuàng)集團股份有限公司，常州213102;2．江蘇科技大學(xué)，鎮(zhèn)江212003;3．今創(chuàng)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(fā)展，隨著其速度穩(wěn)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(diào)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(zhuǎn)其朝向，故需一定的人力成本，并且效率較低。為此，設(shè)計開發(fā)了一套座椅控制系統(tǒng)。高速列車座椅控制系統(tǒng)是由多個部分組成的復(fù)雜控制系統(tǒng)，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(wǎng)(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(tǒng)(以下簡稱TCMS)等。司機室主控制屏可實現(xiàn)對所有座椅實時控制與狀態(tài)監(jiān)視［1－3］。SCU在本系統(tǒng)中主要接收司機室傳達的座椅旋轉(zhuǎn)控制命令，并且根據(jù)命令驅(qū)動電機執(zhí)行相應(yīng)的動作，同時可將座椅的故障及狀態(tài)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(guān)系到整個座椅控制系統(tǒng)的正常運行。因此，為了提高系統(tǒng)的安全運行，本設(shè)計在軟件及硬件方面均做出優(yōu)化處理。

1 系統(tǒng)功能

SCU需具有以下主要功能:

(1)座椅正反旋轉(zhuǎn)180°時間在10～20 s范圍內(nèi)可調(diào);執(zhí)行正反旋轉(zhuǎn)時，SCU可按預(yù)設(shè)的速度曲線做出相應(yīng)動作。

(2)通信功能，通過CAN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)整節(jié)車廂SCU通信功能，并通過MVB總線實現(xiàn)與司機室的通信，將座椅狀態(tài)、故障信息的上傳同時接收控制命令。

(3)串口下載應(yīng)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(jù)實際情況通過便攜式測試設(shè)備(以下簡稱PTE)適當(dāng)調(diào)整開閉延遲時間及障礙物循環(huán)次數(shù)等參數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)以STM32F407芯片為核心部件，ADC、集成SPI、數(shù)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(tǒng)整體架構(gòu)圖

CPU模塊:根據(jù)系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(chǎn)生多達7路的PWM輸出［4］。

RS232模塊:實現(xiàn)與 PTE的通信，可通過PTE適當(dāng)調(diào)整開閉延遲時間及障礙物循環(huán)次數(shù)等參數(shù)。

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

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

數(shù)字I/O口:接收限位開關(guān)傳遞的輸入信號，同時根據(jù)座椅執(zhí)行相應(yīng)動作而產(chǎn)生輸出信號，實現(xiàn)對電磁閥通斷控制控制信號。

CAP模塊:電機HALL捕獲口，實現(xiàn)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(huán)閉環(huán)運算及障礙物判斷。

SPI模塊:故障信息存入EEPROM。

撥碼開關(guān):通過設(shè)置撥碼開關(guān)確定每個座椅控制器的CAN地址。

電機驅(qū)動模塊:包括電機驅(qū)動信號PWM發(fā)出及霍爾信號采集，其中驅(qū)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(yōu)勢及更優(yōu)的保護性能。當(dāng)故障發(fā)生時，可迅速將信號送至CPU，從而關(guān)斷功率模塊，有著很好的保護性能。

本系統(tǒng)主要完成對座椅狀態(tài)信息采集、座椅自動旋轉(zhuǎn)邏輯分析、座椅驅(qū)動控制、座椅故障記錄與處理;CAN總線實現(xiàn)主SCU與從SCU的通訊;通過MVB接口可實現(xiàn)與TCMS的通訊;并通過PTE可實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示及故障下載等功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

SCU軟件設(shè)計部分由邏輯部分、通信部分及電機控制構(gòu)成。其中邏輯控制單元主要完成對外部座椅狀態(tài)開關(guān)量信號采集、座椅旋轉(zhuǎn)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(xiàn)SCU與司機室的通信，實現(xiàn)控制命令的接收及故障信息的上傳，同時實現(xiàn)與本節(jié)車廂從SCU的數(shù)據(jù)交換。電機驅(qū)動部分主要完成對電機的運動控制，實現(xiàn)座椅的正反旋轉(zhuǎn)。

3． 1邏輯控制單元軟件設(shè)計

3．1．1 邏輯控制單元設(shè)計

邏輯控制單元如圖2所示，系統(tǒng)結(jié)合當(dāng)前狀態(tài)及輸入信號判斷是否進入下一狀態(tài)。其中圖2中F為故障狀態(tài)。

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(shè)計

本單元軟件設(shè)計流程如圖3所示，由運動狀態(tài)監(jiān)控、速度監(jiān)控等子程序構(gòu)成高優(yōu)先級任務(wù)，由CAN數(shù)據(jù)處理、RS232數(shù)據(jù)處理等子程序構(gòu)成低優(yōu)先級任務(wù)，最后由CAN數(shù)據(jù)發(fā)送、RS232數(shù)據(jù)發(fā)送、MVB數(shù)據(jù)發(fā)送、故障記錄存入EEPROM構(gòu)成空閑任務(wù)［7］。系統(tǒng)設(shè)有2 ms定時周期中斷，各不同等級任務(wù)按照圖3循環(huán)運行。同時，不定時執(zhí)行中斷任務(wù)和空閑任務(wù)［8］。

圖3 時間片分配圖

空閑任務(wù)執(zhí)行中檢測當(dāng)前數(shù)據(jù)是否正在發(fā)送，若是，則執(zhí)行下一個任務(wù)，若不是，則寫入一個字節(jié)到緩沖區(qū)。

中斷任務(wù)主要執(zhí)行當(dāng)前產(chǎn)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(shè)計

障礙檢測斷子程序主要判斷座椅旋轉(zhuǎn)過程中有無遇到障礙物。本系統(tǒng)采用位移、速度及電流法對是否有障礙物判斷。在旋轉(zhuǎn)過程中每2 ms執(zhí)行一次障礙物判斷，其程序框圖如圖4所示。在座椅旋轉(zhuǎn)過程中，若連續(xù)多次檢測到電流超閾值或位移、速度小于設(shè)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(qū)動控制單元軟件設(shè)計

本設(shè)計根據(jù)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(qū)動方式使得電機運行較容易實現(xiàn)，占用CPU資源少，但是其控制效率較低。因而本設(shè)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(shè)計采用id=0的矢量控制方法。

圖5 矢量控制框圖

電機驅(qū)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(fā)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(zhuǎn)換，同時實時獲取當(dāng)前轉(zhuǎn)速信息，以實現(xiàn)d，q軸電流解耦，最后通過2個電流環(huán)PI調(diào)節(jié)輸出當(dāng)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(shè)計

3．3．1 MVB通信模塊程序設(shè)計

MVB通信模塊可實現(xiàn)TCMS與SCU之間的數(shù)據(jù)通信。其接收TCMS的控制命令和設(shè)定的系統(tǒng)參數(shù)，同時將座椅系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給TCMS。本設(shè)計中MVB數(shù)據(jù)通信采用“數(shù)據(jù)收發(fā)緩沖池”的方式實現(xiàn)，如圖7所示。即將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)及接收的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)中，等到時間片無任務(wù)執(zhí)行時再進行相應(yīng)的處理，從而避免了數(shù)據(jù)通信與其它任務(wù)爭奪CPU時鐘周期［9］的問題。

圖7 MVB通信模塊數(shù)據(jù)處理框圖

3．3．2 CAN通信模塊程序設(shè)計

CAN通信程序主要由數(shù)據(jù)發(fā)送、接收及處理構(gòu)成。定時中斷CAN發(fā)送子程序主要實現(xiàn)SCU中故障與狀態(tài)信息的定時發(fā)送，CAN中斷接收子程序主要實現(xiàn)故障與狀態(tài)信息的接收。

圖8 CAN通信的數(shù)據(jù)發(fā)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(fā)送與接收處理。主、從SCU內(nèi)部均開設(shè)數(shù)據(jù)發(fā)送及接收緩沖區(qū)，從SCU的主程序不停對狀態(tài)數(shù)據(jù)進行刷新，并每隔500 ms發(fā)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(tài)信息匯總后發(fā)送給TCMS［10］，同時接收來自TCMS的命令并轉(zhuǎn)發(fā)到本車廂內(nèi)其它SCU。

4 實驗結(jié)果及結(jié)論

本設(shè)計中選用的電機定子電壓為直流110 V，功率120 W，磁極對數(shù)5。圖9為所設(shè)計的自動旋轉(zhuǎn)座椅實物圖，其中SCU位于座椅下方。圖10為系統(tǒng)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(shè)計中需要實時檢測相電流波形，從而對障礙物信號判斷。當(dāng)座椅正常旋轉(zhuǎn)時的電流為正弦波，電流幅值為1．8 A，如圖11所示，當(dāng)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(fā)生。

圖11 座椅正常旋轉(zhuǎn)時相電流(截圖)

圖12 座椅旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)座椅控制器硬件及軟件設(shè)計。目前，該產(chǎn)品已順利完成研發(fā)，并且均通過功能試驗、沖擊振動試驗及EMC試驗等，試驗結(jié)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(tǒng)［J］．中國科技博覽，2013(24):464－464．

［2］ 關(guān)和寧．城軌車輛列車監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用［D］．北京:北京交通大學(xué)研究生院，2008．

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

［4］ 廖義奎．ARM Cortex－M4嵌入式實戰(zhàn)開發(fā)精解 －基于STM32F4［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2013．

［5］ 宋佳璟，劉志剛．基于CANopen列車通信網(wǎng)絡(luò)的地鐵門控系統(tǒng)設(shè)計［J］．機電控制技術(shù)，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(shè)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(shè)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(shè)計［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30(5)，103 －105．

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