阿丁的 Taurus DIY: Ford 雨刷馬達控制電路

福特體系使用的雨刷馬達設計很簡潔，除了馬達本體及馬達內的靜位開關，搭配兩顆繼電器，所有的運作都由 GEM 的計時模組控制。車主可以透過多功能撥桿下命令給 GEM 計時模組來控制雨刷的運作模式。馬達本身只有單向轉動的功能，馬達轉速則有 HI / LOW 兩段，透過靜位開關與繼電器的搭配，可以讓雨刷馬達帶動連桿，推動雨刷完成一次週期刷動擋風玻璃的動作。

下圖便是由 Taurus 維修光碟整理出來的電路圖。兩顆繼電器平時停在 NC Normal Closed 位置，左邊是挑選雨刷刷動速度慢速及高速的 HI / LOW 繼電器，右邊是觸動開始一次來回刷動的 Park 繼電器。

兩個繼電器都由 GEM 計時模組所控制。因為有間歇刷動控制的需求，當車主開啟多功能雨刷撥桿第一段時，GEM 計時模組便會介入控制兩次刷動中間的休息時間長短。假設第一段是間隔休息６秒，第二段是間隔休息５秒，第三段是間隔休息４秒，慢速最後一段間隔休息１秒，再一段是慢速連續刷動，最後一段便是快速連續刷動。中間的休息秒數全部是由 GEM 計時模組控制，當 GEM 由 D腳偵測到雨刷已經歸位後，便開始一次固定休息時間的計數，間隔休息時間結束時，便會透過 C腳控制 Park 繼電器來送電給雨刷馬達運轉推動雨刷。當有需要連續刷動時，GEM 就透過 C腳持續接地給 Park 繼電器，這樣便能維持雨刷馬達一直轉動，帶動雨刷持續來回刷動。至於刷動速度的快慢便是透過 D腳來切換 HI / LOW 繼電器的供電路徑。

下圖是雨刷馬達內的靜位開關之結構，隨著雨刷轉動軸的運轉，有一根導電桿子會繞著電路盤轉動，導電桿子轉動一圈就是雨刷來回刷動一次。雨刷馬達的圓圈轉動會透過雨刷支架轉換為雨刷在擋風玻璃上的來回刷動。

Youtube 上有位網友整理了一張動畫圖，清楚說明如何透過靜位開關控制馬達自行運轉一圈並停止，這可以用來裝置各式花燈動態廣告或鬼屋嚇人裝置的週期機械運作控制。請見下段影片 (Windshield Wiper Motor Wiring Tutorial)：

接下來我用圖片來說明靜位開關搭配繼電器的運作順序。

首先是一開始 KEY ON 沒有啟動雨刷時的狀況。左邊的 HI / LOW 繼電器由 GEM D腳控制停在導通 3, 4 的位置，而右邊的 Park 繼電器由 GEM C腳控制在 30, 87A 導通的狀態，實際上就是 NC Normal Closed 位置。在這個模式下，接地訊號會被傳導到馬達兩邊，所以馬達不會轉動，雨刷也就不會動作。

當車主透過雨刷開關 ON 首次起動時，GEM 計時模組便會透過將 C 腳接地，讓 Park 繼電器切換 30, 87 導通，這樣電瓶電壓便會落在雨刷馬達的兩端，使得雨刷馬達開始轉動。

雨刷大概刷過 15% 擋風玻璃時，靜位開關會變成空接，此時由 GEM C 腳來的接地訊號還是持續著，所以雨刷馬達還能繼續透過 Park 繼電器供電轉動。

空接的目的是要避免靜位開關的 RUN 2 正電腳與 PARK 3 接地腳同時導通，導致短路燒毀。

直到雨刷刷過到大約 20% 擋風玻璃面積時，靜位開關會切換到 ON，將電瓶電壓傳達到 Park 繼電器的 87A 腳。此時馬達的運轉電壓來源還是由 Park 繼電器提供。

接下來由 GEM C 腳來的接地訊號會停止，Park 繼電器便恢復為 30, 87A 導通，改由靜位開關傳導電瓶電壓給馬達，讓馬達持續轉動。Park 繼電器切換導通路徑時，中間有一小段時間是空接的，所以馬達會失去運轉電壓，但是切換時間是毫秒級距，人眼是觀察不出來的。

到這裡可以看出來很重要的一個時間點，這個時間點由 GEM 反應到 C 腳上，也就是雨刷開關由 ON 變 OFF 用來控制 Park 繼電器切換供電路徑的時間點，這個時間點必須比靜位開關由空接變成 ON 的時間點還晚。也就是要先讓靜位開關變成 ON 後，GEM 所控制的 C 腳訊號才能移除，這樣雨刷才不會刷到一半才失去動力停住不動，阻擋駕駛視線。

等雨刷快要來回刷動一次時，靜位開關又會變成空接，使得透過靜位開關取得電力的馬達失去動力，但是雨刷的動能還能帶動雨刷馬達再轉動一點點角度。

最後雨刷馬達停止轉動的位置便會讓靜位開關導通 1,3 腳，讓 GEM 計時模組能透過 D 腳得知雨刷已回歸定位，完成一次雨刷來回刷動的歷程。然後 GEM 計時模組便會開始讓雨刷馬達間歇休息一小段時間，然後再次開始一次來回刷動的控制歷程。如果系統有並聯一個陽光照度感知器，GEM 計時模組可以據以推測雨勢大小，在雨勢過大時，自動縮短刷動間隔秒數。

以上整理的圖片說明中，靜位開關是電路盤為固定式，而導電桿會隨著雨刷馬達轉動。以這個方式製作解說圖片會比較容易製作與說明。但是這裡會有一個弱點，就是這導電桿容易損壞。

實務上的雨刷馬達靜位開關的設計會是下圖的模式，也就是在雨刷馬達大齒輪盤上鑲嵌一片導電銅箔，這個導電銅箔會跟隨著齒輪轉動，然後由 3 PIN 銅片彈簧接觸腳連接至雨刷馬達插座。這三個 PIN 腳一端靠著銅片彈簧的彈力緊壓住大齒輪盤上的導電銅箔。這樣的架構會比較耐用一些，但是最容易出問題的還是那三個彈簧 PIN 腳。三根 PIN 腳斷了某一根，都會有不同的症狀發生。