作者?|?不可說
出品?|?汽車電子與軟件
現在汽車車窗基本都是電動控制的，只不過功能上會有些區別，一般會有兩種類別：
1、電動升降
2、一鍵升降+車窗防夾
無論哪種都需要電機去完成，通過機械結構，將電機的旋轉運動轉換為車窗的升降直線運動，可參考下面的機械結構示意圖：
車窗控制的機械結構示意圖
對于只支持電動升降的車窗來說，使用直流有刷電機就可以了，扭矩高、成本低。對于支持一鍵升降+車窗防夾功能的車窗來說，對電機就有了一個關鍵要求，那就是對電機位置的感應，電機需要能夠反饋自身的旋轉位置，控制器才可以判斷其當前位置相對于車窗升降移動空間中所對應的位置。才能夠實現一鍵升降，有了一鍵升降功能，避免車窗上升中意外夾到異物，就需要做防夾處理，因此從控制和實現上也會有些復雜。
為了實現車窗的一鍵升降，可以使用無刷直流電機，那么就要對比下有刷電機：? ?有刷電機外圍固定的定子上是永磁體，中間旋轉的轉子是線圈繞組，通電產生磁場，與定子磁場相互作用，產生使其旋轉的作用力，為了使得作用力一直存在，就需要對繞組的通電方向進行改變，因此需要一個換相器來改變電源方向，而無刷直流電機則不需要這個換相器。無刷直流電機要轉動，需要根據位置傳感器的輸出信號確認轉子位置。然后通過電子換相電路去驅動電機本體使定子電樞繞組依次換相通電，從而在定子電樞繞組上產生旋轉磁場，旋轉磁場與轉子永磁體相互作用驅動轉子轉動。電機持續的轉動依賴于電機的準確換相，電機換相的時機只取決于轉子的位置信號。霍爾電機是直流無刷電機中應用最多最廣泛的一個分類；霍爾電機就是帶霍爾傳感器的直流無刷電機。通過使用霍爾傳感器或其他位置傳感器檢測轉子的位置，電子控制器（驅動器）根據轉子的位置控制定子線圈的通電順序，產生旋轉磁場以驅動轉子旋轉。整個直流無刷霍爾電機（BLDC）的核心部件之一是其中間的轉子，該轉子由永磁體鑲嵌在鐵心的表面或者嵌入鐵心的內部而構成。這種設計使得轉子能夠高效地在磁場中旋轉，從而驅動電機的運行。電機的定子部分則是由多層硅鋼片經過精密的疊壓和軸向沖壓工藝制作而成。這樣的結構不僅增強了定子的機械強度，還顯著減少了渦流損耗，提高了電機的效率。在定子的每一個經過沖壓形成的槽內，都按照一定的規律繞制有線圈，這些線圈組合在一起形成了繞組。當這些繞組通電時，它們會產生一個強大的磁場，這個磁場會與轉子上的永磁體相互作用，從而驅動轉子旋轉。值得注意的是，大多數直流無刷霍爾電機的定子都設計有3個或6個繞組，這些繞組通常以星形（Y形）的方式排列。?霍爾效應是一種電磁效應，當固體導體放置在一個磁場內，且有電流通過時，導體內的電荷載流子受到洛倫茲力而偏向一邊，繼而產生電壓（霍爾電壓）的現象。這個電壓所引致的電場力會平衡洛倫茲力。霍爾傳感器就是利用霍爾效應制作的一種磁場感應傳感器。只要轉子的磁極掠過霍爾元件，根據轉子當前的極性，霍爾元件會輸出對應邏輯電平0或1，比如說有正向磁場通過霍爾元器件，傳感器就會輸出1，有反向磁場通過霍爾元器件，傳感器就會輸出0，磁場這樣只要根據三個霍爾元件產生的電平，就可以判斷當前轉子的位置，決定電機換相的順序。霍爾電機中，霍爾傳感器有三個，會有兩種布局，間隔120度或者間隔60度，間隔120度的安裝方式較多。通常直接在電機的定子上安裝，可以檢測轉子位置。? ?這里定子和霍爾傳感器均用A、B、C來表示，均成120度布置。且霍爾傳感器和定子線圈同位置、同角度。那么一個周期內定子通電后狀態、霍爾傳感器狀態、轉子運動狀態，可由下方圖示說明。假定初始位置如AC圖所示，對定子上的A線圈通正向電，C線圈通反向電，如果A線圈的對內相當于一個磁體的N極，那么C線圈對內相當于一個磁體的S極，對于轉子來講，A線圈對其有一個排斥力，C線圈對轉子S極有斥力、對N極有吸引力，所以轉子會向順時針方向轉動；一開始，轉子運動到AC位置時，N極正對著霍爾A，此時代表著霍爾A傳感器的輸出數值切換點，也就是達到了定子電子換相點，因此會控制電源供電情況切換為AC時的狀態。? ?在運動到AB位置過程中，此時A霍爾傳感器由激活切換為不激活狀態，C霍爾傳感器一直處于激活狀態，到了AB位置后，S極正對著霍爾B，此時代表著B霍爾傳感器的輸出數值切換點，也達到了定子電子換相點，會控制電源供電情況切換為AB時的狀態，即對定子上的A線圈通正向電，B線圈通反向電，根據磁場力的作用，轉子會運動到CB位置，在這個過程中，B霍爾傳感器變為激活，C霍爾傳感器一直處于激活，到達CB位置時，轉子N極正對著霍爾C傳感器，這個位置之后，C霍爾傳感器狀態切換，也就達到了電源換相點，控制電源切換為圖示CB中的狀態效果。后續CB->CA->BA->BC->AC->AB->…依次循環。在轉子循環一周的過程中，ABC三個霍爾傳感器的反饋數值如下：在一個完整的電周期內，三相霍爾傳感器所產生的開關狀態是互不重復的，這意味著每一個特定的開關狀態都占據了一個固定的且相等的電角度份額。這一特性確保了電機控制的精確性和穩定性。在上面的示例中，三個霍爾傳感器120度等角度間隔，它們的輸出信號相位彼此之間相差120°電角度。這種相位差異是電機控制策略中的關鍵要素。每當電機轉子轉過60°電角度時，就會有一個霍爾傳感器的狀態發生變化，這種變化為電機控制系統提供了必要的反饋信息。? ?進一步地，在一個完整的電周期內，這三個霍爾傳感器的信號組合會呈現出六種不同的狀態。這六種狀態不僅反映了電機轉子的當前位置，而且與“六步換相”控制策略緊密相連。所謂“六步換相”，是指電機在運轉過程中，通過依次改變六個不同的通電狀態，來實現電機的連續旋轉。每一個通電狀態都對應著霍爾傳感器的一種特定組合，從而確保了電機能夠按照預定的方向和速度進行平穩運轉。對應的位置、角度、狀態可參考下表：那么上面的電源信號控制與霍爾信號的反饋是如何實現的呢？首先是霍爾傳感器將感應信號值反饋給控制器，控制器根據其位置信息，通過MOS驅動器，驅動不同的MOS管導通，實現供電及變相。全橋逆變電路驅動定子繞組依次通電通常采用PWM調制方式，比如對應上面例子中AC位置時，可以使得A+和C- MOS管導通，只不過可以選擇PWM調制時全導通，還是輪換導通。? ?可以使得每個導通狀態控制器上（A+、B+、C+）、下橋臂（A-、B-、C-）功率管全部進行PWM調制，對應的電源相位控制表可參考如下圖示：也可以采用上橋臂功率管ON（全通狀態）、下橋臂功率管PWM控制方式，或者上橋臂功率管PWM、下橋臂功率管ON控制方式；還有一大類是功率管在導通的區間內輪換導通，包括兩種方式：PWM-ON方式和ON-PWM方式。比如ON-PWM方式：??另外，如果要實現電機反轉，則參考相位位置，按照相反順序供電即可。車窗防夾功能是現代汽車中一項重要的安全設計，它主要分為兩種類型。第一種類型是通過檢測車窗電機的電流變化來實現防夾的。在車窗升降的過程中，如果遇到了障礙物，電機的負載會增加，從而導致電流變大。系統通過監測這種電流變化，可以及時發現并響應障礙物的存在，從而避免車窗夾住物體或人員。而另一種類型則是通過檢測紋波來實現防夾的。這里的紋波指的是電機霍爾傳感器在磁場變化時產生的信號波動。當車窗遇到障礙物時，電機的運轉狀態會發生變化，進而影響到霍爾傳感器所檢測到的磁場。這種變化會導致霍爾傳感器產生異常的紋波信號。雖然這種方法的處理難度相對較大，但它具有非常高的靈敏度，能夠更準確地檢測到障礙物的存在。在車窗升降過程中，如果霍爾傳感器檢測到了異常的磁場變化或電機反饋信號，控制器會立即觸發反向動作，使車窗停止上升或下降，并可能自動下降一小段距離，以釋放被夾住的物體或人員。當車窗觸發防夾功能時，霍爾傳感器上會出現一個單個比較寬的方波（即霍爾電壓）。這個方波的出現，意味著霍爾傳感器所檢測到的磁場發生了異常變化。同時，對應的霍爾傳感器反饋回來的位置信息也會出現遲滯，即出現異常的周期。這種異常的信號變化，是控制器判斷車窗是否遇到障礙物并觸發防夾功能的重要依據。如上圖所示，當車窗遇到障礙物并觸發防夾功能時，霍爾傳感器的信號波形會發生明顯的變化。這種變化為控制器提供了準確的判斷依據，使其能夠迅速響應并采取相應的措施，確保車窗的安全使用。
