程旭峰，馮 帥

(東北大學，沈陽110004)

0 引 言

汽車座椅是人們駕駛汽車時乘坐的工具，電動座椅的位置決定了駕駛汽車的人所在的位置，因此汽車座椅有一個好的位置能使駕駛員更加舒適方便地駕駛汽車。為了解決座椅調節(jié)的問題，汽車電動座椅［1］應運而生。

電動座椅是一種駕駛舒適性調節(jié)裝置，也兼有一定程度的安全功能。電動座椅的發(fā)展過程經歷了三個階段:無調整或簡單調整階段，電動調整階段，記憶存儲式調整階段［2－3］。當前電動座椅在國內外各個層次的車中都有安裝，但一般安裝的都是功能較為單一的，高檔多功能的電動座椅安裝不多。普通的電動座椅已經比較成熟，研究的方向是功能更加多樣化，座椅調節(jié)更加智能化。

未來電動座椅的發(fā)展方向之一是與汽車主動安全系統(tǒng)等其他電子控制系統(tǒng)更加緊密的聯(lián)系起來，在實現(xiàn)舒適和方便駕駛的功能下更能保護駕駛員的行車安全;另一個方向是更加智能化，不僅對記憶位置進行調節(jié)，還可以檢測環(huán)境和駕駛員狀態(tài)來智能地調節(jié)座椅位置，使駕駛員獲得前所未有的駕駛體驗。

通過對電動座椅功能多樣化和調節(jié)智能化的要求，本文設計了基于BLDCM 的座椅控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設計要求和工作原理

1.1 系統(tǒng)設計要求和組成

電動座椅控制系統(tǒng)預計達到以下的設計要求:

(1)實現(xiàn)基于BLDCM 的電動座椅速度和位置控制;

(2)實現(xiàn)電動座椅七個運動自由度的位置調節(jié)，包括座椅前后調節(jié)、前部支撐調節(jié)、座椅高度調節(jié)、靠背斜度調節(jié)、腰椎高度調節(jié)、腰椎前后調節(jié)、靠枕高度調節(jié)這七個調節(jié)自由度;

(3)實現(xiàn)手動調節(jié)、位置記憶及記憶調節(jié)以及基于乘客體重和腰椎高度的座椅全自由度智能調節(jié);

(4)可以實現(xiàn)鍵盤操作、液晶顯示。

電動座椅控制系統(tǒng)由微控制器、傳感器、驅動裝置、執(zhí)行結構以及鍵盤、顯示器等其他輔助類裝置組成。微控制器選用飛思卡爾的MC9S12XS，位置傳感器直接使用無刷直流電動機的內置霍爾傳感器，體重和腰椎高度傳感器專門設計，執(zhí)行機構選用12 V 無刷直流電動機，驅動芯片采用MC33035，逆變電路采用三相橋式全控逆變電路，電機工作在兩兩導通三相六狀態(tài)。

單一自由度調節(jié)的電動座椅調節(jié)過程實際上是一個由電機組成的位置控制系統(tǒng)，為了使座椅的位置控制盡可能穩(wěn)定和精確，故選用電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的三環(huán)控制方法。電機和專用驅動芯片MC33035 構成電流環(huán)和速度環(huán)，電機的控制系統(tǒng)和微控制器構成位置環(huán)。其控制結構如圖1 所示。

圖1 電機位置的閉環(huán)控制

1.2 系統(tǒng)原理

電動座椅控制系統(tǒng)中鍵盤用來接收操作者指令;顯示器用來顯示電動座椅狀態(tài)和對用戶使用座椅進行提示;位置傳感器向ECU 提供座椅相應自由度處的位置信息，構成位置閉環(huán)控制系統(tǒng)［4］;體重和腰椎高度傳感器檢測檢測乘坐者體重和腰椎高度信息;ECU 通過編好的程序負責整個電動座椅的控制;電機驅動裝置接受ECU 指令驅動電機調節(jié)電動座椅位置。另外ECU 可以通過汽車網絡獲知汽車當前狀態(tài)信息，為電動座椅的運行提供參考。

2 系統(tǒng)硬件設計

電動座椅控制系統(tǒng)組成部分包括電子控制單元ECU、乘客腰椎高度和體重傳感器、液晶顯示器、鍵盤、電機和驅動芯片、電源供電這六個主要部分。以ECU 為中心，這六個部分構成了整個電動座椅控制系統(tǒng)，其結構如圖2 所示。下面對這六部分的硬件分別進行設計。

圖2 電動座椅控制系統(tǒng)結構

2.1 微控制器最小系統(tǒng)設計

電子控制單元ECU 選用飛思卡爾MC9S12XS 16 位微控制器。MCU 開始工作，需要設計支持其工作的外圍電路，首先是時鐘和復位電路的設計，時鐘電路設定工作主頻為8 MHz，復位電路是上電復位和按鍵復位。

然后進行背景調試模式(BDM)在線調試OCD的電路設計。通過BDM 接口可以完成基本的調試功能［5］，如:設置斷點、讀寫內存、讀寫寄存器、下載程序、單步執(zhí)行程序、運行程序、停止程序運行等。BDM 接口設計如圖3 所示。綜合上述電路，可以設計出S12XS 微處理器的最小系統(tǒng)硬件電路。

圖3 BDM 接口電路

2.2 體重和腰椎高度傳感器

顯示器主要用于顯示電動座椅狀態(tài)以及完成人機交流的信息輸出，鍵盤用來實現(xiàn)對電動座椅的操作。顯示器選用液晶顯示器，鍵盤根據(jù)需要選用矩陣鍵盤或編碼鍵盤。

體重和腰椎高度傳感器用來測量乘客的腰椎高和體重，為電動座椅的智能調節(jié)提供乘客方面的信息。體重傳感器為布置于座椅下邊的測重傳感器，當乘客乘坐在座椅上后完成測重。腰椎高度的測量方法是采用在座椅靠背的腰椎附近由上到下布置數(shù)個個壓力傳感器，當乘客背靠靠背坐好后，測得數(shù)個壓力值，將這數(shù)個壓力值通過擬合法獲得擬合曲線，最后求得曲線的最大值，該壓力值對應的高度就是腰椎高度。圖4 為壓力傳感器的布置圖，式(1)為擬合公式。

圖4 腰椎高度傳感器布置

式中:h 表示壓力分布對應的高度;系數(shù)α0，α1，…，αk由最小二乘法確定;擬合系數(shù)k 根據(jù)實際情況選取。

2.3 電機驅動電路設計

控制系統(tǒng)的驅動電機選用的是無刷直流電動機，帶霍爾傳感器，驅動電壓12 V。驅動芯片選用專用芯片MC33035 和MC33039。無刷直流電動機需要采用三相橋式全控逆變電路進行驅動。

無刷直流電動機為執(zhí)行機構完成實際操作，電機的驅動裝置的作用是:接收電機的起動、停止和制動信號;根據(jù)霍爾位置傳感器信號和正反轉信號，通過控制逆變橋各功率管的通斷來產生連續(xù)轉矩，并控制起動、停止和制動;接收速度指令，通過傳感器獲得轉速信息，用來控制和調整電機轉速。

驅動芯片MC33035 是無刷直流電動機控制專用集成芯片，配合MC33039 芯片可以構成閉環(huán)調速系統(tǒng)來控制兩相、三相或四相無刷直流電動機［6］。它通過下側半橋輸出PWM 對電機進行調速。MC33039 是一種電子測速芯片，用來與驅動芯片MC33035 構成閉環(huán)的速度控制。其應用電路如圖5所示。

MC33039 是為無刷直流電動機閉環(huán)速度控制專門設計的集成電路，可實現(xiàn)精確調速控制。它直接利用三相無刷直流電動機霍爾位置傳感器3 個輸出信號，經F/V 變換成正比于電動機轉速的電壓，從圖中可以看到，1、2、3 腳接收位置傳感器3 個信號，6、7、8 腳外接定時元件組成的單穩(wěn)態(tài)電路，此時腳5 輸出的信號的占空比與電動機轉速有關，其直流分量與轉速成正比，此信號在低通濾波器處理后，即可得到與轉速成正比的測速電壓。

圖5 MC33039 應用電路

使用MC33035 與MC33039 可以構成速度閉環(huán)的三相無刷直流電動機控制電路。微控制器通過電機霍爾位置傳感器可以計數(shù)電機轉子的圈數(shù)，從而獲知電機的轉角位置，獲得半閉環(huán)的位置控制。微控制器只對MC33035 發(fā)送開環(huán)速度指令。

2.4 存儲電路設計

存儲器用來存放電機的實時位置信息和需要斷電保存的座椅位置存儲信息。存儲芯片采用一個外置存儲芯片:4 kb 的X25040 芯片，它是基于SPI 總線的，使用SPI 總線對存儲芯片進行讀和寫操作，硬件電路連接如圖6 所示。

圖6 位置存儲電路

2.5 電源設計

電動座椅控制系統(tǒng)的電路要求電源為5 V，無刷直流電動機驅動電壓為24 V，而一般汽車電瓶的電源電壓通常為12 V，故需要進行電源供電部分設計。由于汽車供電系統(tǒng)提供的是直流電，因此需要使用直流變壓器。全橋結構直流變壓器由全橋逆變電路、電壓變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路組成，電壓變壓器的副邊和原邊之比分別為0.417和2;整流電路由整流二極管組成;濾波電路由一大一小兩個電容并聯(lián)組成，主要作用是平滑輸出電壓并消除高頻干擾;穩(wěn)壓電路使用三端集成穩(wěn)壓器，可以消除汽車電網波動及負載變化對電壓造成的影響。實際的變壓裝置可以按需要購買選用，電容按需選取，三端集成穩(wěn)壓器選用固定式的三端穩(wěn)壓器。電源電路如圖7 所示。

圖7 電源電路

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)主程序設計

座椅控制系統(tǒng)主程序主要包括三個過程:系統(tǒng)初始化;系統(tǒng)鍵盤響應;系統(tǒng)控制過程。系統(tǒng)起動后首先要對電動座椅進行初始化，包括汽車狀態(tài)檢測;硬件自檢及初始化;必要信息的檢測和讀取等過程，最后進行系統(tǒng)起動判斷，通過對汽車狀態(tài)和座椅狀態(tài)的檢測來判斷是否起動座椅控制系統(tǒng)，此時屏蔽鍵盤和控制電機，座椅無法操作，直到通過起動判斷。系統(tǒng)鍵盤響應檢測是否有鍵按下，以及按鍵鍵值。系統(tǒng)控制過程是根據(jù)鍵值的檢測結果執(zhí)行響應的操作。主程序工作流程圖如圖8 所示。

圖8 總體程序流程圖

3.2 體重和腰椎高度測量程序設計

體重和腰椎高度傳感器使用的輸出信號是模擬量，所以需要經過濾波整形后接入MC9S12XS 微控制器的A/D 轉換引腳，當系統(tǒng)需要使用體重和腰椎高度值時，調用體重和腰椎高度測量子程序。

體重和腰椎高度子程序A/D 轉換過程、壓力值測量和腰椎高度擬合三個過程。A/D 轉化過程將測量值由模擬值轉化為數(shù)字量;壓力值測量過程獲得體重值和腰椎高度傳感器的多個壓力值;腰椎高度擬合過程通過擬合方程獲得腰椎高度值，最后將體重值和腰椎高度值傳送給調用程序。

3.3 電機位置控制程序設計

無刷直流電動機使用專用驅動芯片進行驅動，微控制器對其進行電機的選擇、使能、制動、正反向控制、PWM 速度信號控制這五方面操作，并接收電機內置的霍爾傳感器反饋的位置信息。電機位置控制依次有以下過程:調節(jié)信息接收和系統(tǒng)初始化;調節(jié)電機判斷;當前位置讀取;判斷電機轉向;起動電機;位置比較;調節(jié)完成。如圖9 所示。

圖9 位置控制程序流程

從圖中可以看到，調節(jié)程序開始后，首先對系統(tǒng)初始化，然后判斷是對那個自由度的電機進行調節(jié)，之后從存儲器讀取當前電機的位置信息，與目標指令比較后判斷電機的轉向，然后開始調節(jié)過程，直到電機位置等于目標位置，調節(jié)過程結束。電機初裝時，微控制器記憶位置為0，并存入存儲器中，電機正轉一圈時加1，反轉一圈減1。每當電機調節(jié)結束時，對電機的位置進行記憶。

3.4 位置記憶和調節(jié)程序設計

電機的位置記憶和調節(jié)程序用來完成存儲位置的記憶和自動調節(jié)，記憶過程只是將當前7 個電機的位置信息存入指定存儲位置;自動調節(jié)過程通過存儲程序獲得預調節(jié)的位置信息，通過霍爾傳感器獲得當前位置信息，然后通過調用電機位置控制程序來調節(jié)到預定位置。

3.5 智能調節(jié)程序設計

智能調節(jié)程序用來智能化地調節(jié)電動座椅7 個自由度的位置，其首先通過體重和腰椎高度測量程序獲得乘客體重和腰椎高度信息，并由此推算出乘客身高，最終通過這些信息決定每個自由度的預調節(jié)位置，并調用電機位置控制程序完成調節(jié)。

4 結 語

通過對電動座椅控制系統(tǒng)硬件和軟件的設計，完成了電動座椅手動調節(jié)、位置記憶、自動調節(jié)等功能的設計。通過對程序的調試和實驗，設計的電動座椅控制系統(tǒng)能夠按照預定設計要求完成控制目標，且控制穩(wěn)定性、精度和平穩(wěn)狀況良好。

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