1 简介

电机驱动车窗、天窗、座椅及其他附件曾一度被视为豪华配置，如今在现代车辆中已十分常见。某些应用（如车窗升降器）仅需一个电机模块即可支持单一维度上的运动。其他应用（如可调座椅）则可能需要三个或更多独立模块来支持多个平面内的运动。

从高层次来看，汽车车身模块由三态人机界面 (HMI) 开关组成，该开关将用户的机械输入转换为电信号，再由微控制器进行处理，并启动桥式电路驱动电机旋转。旋转的电机连接至齿轮箱，齿轮箱以转速换取扭矩，从而驱动车窗运动。根据车窗由驾驶员还是乘客操作，车窗运动可以是瞬时的，仅在三态开关被触发期间发生。或者，短暂按一下便足以使车窗完全开启或关闭。后一种行为则需要额外的反馈电路模块。

图 1-1 展示了预期系统运行的高层次概览。节 2 和 节 3 进一步介绍了电机与车窗之间的机电传动链，以及控制车窗的霍尔效应反馈系统。

电动车窗等电机驱动附件使用由电机模块驱动的摆臂或皮带传动执行器，而电机模块本身包含电机、齿轮传动系、外部电气连接和机械耦合件，全部集成于坚固的外壳中。本应用笔记中的示例重点介绍一种车窗升降器，其在剪式摆臂组件中使用带齿摆臂垂直移动车窗玻璃，如 图 1-2 所示。

最常见的电机选择是低成本有刷直流电机，与无刷电机不同，该电机没有内置传感器。因此，需要某种外部监控手段来估算电机的位置、转速和方向。例如，监控车窗位置可告知系统车窗关闭了 25%、50% 还是 100%。监控车窗还可使控制系统在期望的开闭速度要求与电机效率之间取得平衡。无论哪种情况，估算车窗位置、速度和方向的最佳方式都是直接监测电机的旋转和方向。

估算电机位置、方向和转速的一种方法是监测电机的供电电压、电流或两者，然后对电机旋转时产生的纹波过零次数进行计数。虽然这看似是一种可行的方法，但其估算基于间接指标——电源纹波，并不直接监测电机的实际转动和附件的物理运动。电气连接不良、元件老化或 EMI 引起的过多纹波可能导致方向、速度和位置的估算不可靠。

直接监测旋转电机的一种高效且准确的方法是在电机轴上安装多极环形磁体，并使用霍尔效应传感器和锁存器监测轴旋转时的磁场变化，如 图 1-3 所示。虽然这种方法需要使用磁体，但其优点在于可直接监测旋转的电机轴，并准确估算电机的位置、转速和方向。

图 1-4 更详细地展示了电机监控器件以及升降器齿轮传动系的前级。旋转电机轴上的多极环形磁体由安装在附近 PC 板上的霍尔效应传感器进行监测。当旋转的环形磁体经历南北极性的连续变化时，霍尔传感器会根据时变磁场输出相应信号。

推荐用于此应用的霍尔传感器为锁存器，其输出行为如 图 1-5 所示。这些器件具有高或低二进制输出，其输出状态取决于检测到的磁场相对于器件内部阈值的关系。这些阈值通常关于零 (0mT) 对称，其中 B_OP 触发对应于穿过器件霍尔元件的正向南极磁场，B_RP 触发对应于穿过器件霍尔元件的正向北极磁场。

图 1-6 展示了磁场极性交替如何使霍尔传感器的输出随电机轴旋转而变化。磁场每次极性翻转都会引起霍尔元件输出状态的变化，而每两次极性翻转则在单霍尔元件锁存器的输出端产生一个脉冲。对于具有正交霍尔元件的器件，借助额外的逻辑电路，每当一个磁极经过霍尔传感器时均可获得一个输出脉冲。旋转的电机轴和磁体产生一系列脉冲，微控制器可对这些脉冲进行监测和计数，以实现定制化反馈控制。有关更多详细信息，请参阅 TMAG511x 2D 锁存器优势应用笔记。

本应用笔记旨在探讨机械组件（摆臂、齿轮等）对磁体和霍尔传感器选型的影响，而这些磁体和霍尔传感器又用于跟踪车窗、天窗或座椅的位置、速度和方向。本文其余部分分为若干章节。节 2 对基于摆臂的车窗升降器进行了高层次描述，并给出了本文示例中使用的一些基本参数。节 2.2 介绍了车窗升降器的机械部件（摆臂、齿轮等），这些部件构成机电信号链的一部分。节 3 概述了霍尔效应锁存器及其对本应用影响最大的参数。分析与结果一节提供了反映基本要求的磁体和霍尔传感器仿真结果，并就磁体和霍尔器件的设计与选型给出了一些建议。