Berührungslose Positionsgeber So werden elektronische Drosselklappen sicher und leistungsfähig

Autor / Redakteur: Roberto Scotti * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Elektronische Drosselklappen sind anspruchsvolle Anwendungen für berührungslose Positionsgeber. Wir verraten Ihnen, wie sich die hohen Anforderungen mit magnetischen Positionsgebern erfüllen lassen.

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Ein magnetischer Positionsgeber: mit ihm lassen sich Sicherheit und Leistungsfähigkeit von elektronischen Drosselklappen sicherstellen
Ein magnetischer Positionsgeber: mit ihm lassen sich Sicherheit und Leistungsfähigkeit von elektronischen Drosselklappen sicherstellen
(Bild: ams)

Die elektronische Drosselklappe ist eine besonders anspruchsvolle Anwendung für einen berührungslosen Positionsgeber, weil man dabei sowohl eine hohe Leistung als auch einen robusten Aufbau und zusätzliche Sicherheitsfunktionen braucht. Mit einem magnetischen Positionsgeber wie etwa dem AS5262, der für diese Anwendung maßgeschneidert ist, kann der Entwicklungsingenieur die Spezifikationen bezüglich Genauigkeit und Zuverlässigkeit leichter erreichen.

Magnetische Positionsgeber sind robust und genau

Magnetische Positionsgeber sind in der Kraftfahrzeugtechnik zu einem beliebten Bauteil geworden. Sie arbeiten in vielen Typen von Fahrzeugen fehlerfrei über Jahre und haben sich als mechanisch stabil und als unanfällig für Schwingungen und Verschmutzung erwiesen. Sie liefern zuverlässige und genaue Winkelmessungen. Der erfolgreiche Einsatz solcher Positionsgeber hat eine Vielzahl an Typen hervorgebracht, um die Erfordernisse spezieller Anwendungen möglichst gut abdecken zu können. Dieser Beitrag beleuchtet diesen Trend und beschreibt, wie man Details eines magnetischen Positionsgebers so ändert, dass er die Anforderungen einer speziellen Anwendung besonders gut erfüllt, nämlich der elektronischen Drosselklappe.

Wie eine elektronische Drosselklappe funktioniert

In einem Verbrennungsmotor wird die Luftzufuhr über eine Drosselklappe geregelt. Damit der Motor möglichst viel Leistung bei möglichst geringen Emissionen erzeugt, braucht er stets die richtige Menge einer ausgewogenen Mischung aus Kraftstoff und Luft. Die Drosselklappe sitzt direkt vor dem Einlasskrümmer; bei moderneren Motoren in einem elektronischen Drosselklappengehäuse.

Bei älteren Dieselmotoren ist die Zuluft nicht geregelt, bei ihnen wird der Kraftstoff einfach in die Zylinder gespritzt. Moderne Dieselmotoren hingegen haben vor dem Einlasskrümmer eine Drosselklappe, schon um eine Abgasrückführung (EGR = Exhaust Gas Recirculation) zu realisieren. Sie verringert die Verbrennungstemperatur, und das wiederum verringert die Stickoxidemissionen, wie es von aktuellen Abgasvorschriften verlangt wird.

Der Fahrer hat keinen direkten Einfluss auf die Drosselklappe

Bild 1: Das Gaspedal steuert die Drosselklappe nicht mehr direkt.
Bild 1: Das Gaspedal steuert die Drosselklappe nicht mehr direkt.
(Bild: ams)

Der Fahrer des Kraftfahrzeugs hat keinen direkten Einfluss auf die Drosselklappe mehr (Bild 1). Drückt er aufs Gaspedal, sendet er damit über eine elektrische oder mechanische Verbindung ein Signal an die Motorelektronik (ECU, Electronic Control Unit). Bei einem Motorrad misst ein Positionsgeber die Winkelstellung des Gasgriffs. Die Motorelektronik steuert dann über einen Stellmotor die Stellung der Drosselklappe so, dass Leistung oder Emissionen optimiert werden. Ist die Zündung ausgeschaltet, hält normalerweise eine starke Feder die Drosselklappe geschlossen. Diese geschlossene Position nennt man den „unteren Anschlag“ (LMS, Lower Mechanical Stop). Die größte Öffnung der Klappe nennt man den „oberen Anschlag“ (UMS, Upper Mechanical Stop). Der Winkelunterschied zwischen beiden beträgt in der Regel etwa 90°. Ein Positionsgeber an der Drosselklappe hat die Aufgabe, zuverlässig und genau ihren Öffnungswinkel zu bestimmen und an die Motorelektronik zu übermitteln.

Berührungslos und zuverlässig

Herkömmliche Winkelgeber arbeiteten mit einem Potenziometer. Ein solches hatte drei Anschlüsse, nämlich Versorgungsspannung, Masse und Ausgang, und maß die Winkelposition der Drosselklappe. Der Hauptnachteil des Potenziometers liegt in seinem Wirkprinzip: Es erzeugt mit einem Schleifer auf einer runden Widerstandsbahn ein analoges Messsignal proportional zur Drehung seiner Achse. Dieses Funktionsprinzip ist anfällig gegen Abnutzung und Schmutz. In sicherheitskritischen Anwendungen in der Fahrzeugtechnik sprechen die verhältnismäßig geringe Zuverlässigkeit und Lebensdauer gegen das Potenziometer. Daher sind die Autohersteller nun zu berührungslosen Sensoren übergegangen, die auf dem (magnetischen) Halleffekt beruhen. Bei einem solchen Magnetsensor ist eine zweipolige Magnetscheibe auf der Achse der Drosselklappe befestigt. Ihre Winkelposition wird von einem IC gemessen, das in einem kleinen Abstand zur Magnetscheibe angebracht ist. Aus diesem Grund gibt es – anders als bei Potenziometern – keine Abnutzung; Staub und Fett stören den magnetischen Sensor nicht.

Magnetische Sensoren für Drosselklappenanwendung brauchen drei Anschlüsse

Aus Gründen der Kompatibilität mit herkömmlichen Motorsteuergeräten, die eine Schnittstelle zu Potenziometern aufweisen, brauchen magnetische Sensoren für Drosselklappenanwendung drei Anschlüsse und müssen als Ausgangssignal ein proportionales analoges Signal erzeugen. In der Produktion muss der Sensor kalibrierbar sein, damit man nach der Montage den richtigen Spannungshub zwischen den Anschlägen einstellen kann (beispielsweise von 10% bis 90% der Versorgungsspannung)

Positionsgeber in elektronischen Drosselklappen

An Positionsgeber in elektronischen Drosselklappen werden einige spezielle Anforderungen gestellt. Ein Universalsensor, wie er für sehr viele Anwendungen in der Industrie eingesetzt wird, bietet zwar die nötige Genauigkeit, ist aber für das sicherheitskritische Umfeld in der Automobiltechnik nicht sicher genug. Aus diesem Grund kommt nun eine neue Generation von Positionsgebern auf den Markt, die speziell für die Anforderungen der Automobilindustrie ausgelegt ist.

Bild 2: Der Aufbau des AS5262 mit zwei Chips übereinander liefert Redundanz in nur einem Gehäuse.
Bild 2: Der Aufbau des AS5262 mit zwei Chips übereinander liefert Redundanz in nur einem Gehäuse.
(Bild: ams)

Die erste spezielle Anforderung ist Redundanz. Der eigentliche Sensor ist doppelt ausgelegt, das ist wichtig für die Sicherheit einer elektronischen Drosselklappe. Für Motorräder will man vielleicht sogar eine dreifache Ausführung des Sensors. Bild 2 zeigt, wie man mit einem AS5262 die spezifizierte Redundanz erreichen kann. Das AS 5262 ist ein Positionsgeber, der speziell auf die Erkennung der Position einer Drosselklappe oder eines Gaspedals (oder Gasgriffs) ausgelegt ist. Es gibt den Sensor mit einem oder mit zwei Chips. In der Zwei-Chip-Version sind beide Chips durch eine dielektrische Zwischenlage elektrisch völlig voneinander getrennt.

Der Aufbau mit zwei direkt übereinanderliegenden Chips hat den Vorteil, dass die beiden Chips praktisch die gleichen Werte des magnetischen Feldes messen. Somit können ihre Messwerte leicht verglichen werden, jede Fehlfunktion eines Chips fällt sofort auf. Der IC ist oft auf eine Leitplatte gelötet, die am Plastikgehäuse der elektronischen Drosselklappe befestigt ist; das Plastikgehäuse trägt auch den Verbinder für das Anschlusskabel, das die Drosselklappe mit der Motorelektronik verbindet. Der Magnet sitzt auf der Achse der Klappe. Der Magnet ist also in der Flucht der Chips montiert, und zwar in einer Entfernung, die durch den mechanischen Aufbau des Systems bestimmt wird.

Positionssensor muss ein genaues analoges Ausgangssignal liefern

Bild 3: Die Version des AS5262 mit 2 Chips liefert eine Ausgangsspannung linear proportional zum Winkel.
Bild 3: Die Version des AS5262 mit 2 Chips liefert eine Ausgangsspannung linear proportional zum Winkel.
(Bild: ams)

Die zweite Anforderung besteht im genauen analogen Ausgangssignal. Der AS5262 liefert beispielsweise eine Ausgangsspannung zwischen 10% und 90% der Versorgungsspannung über einen Winkelbereich von 90° zwischen den beiden Anschlägen. Das 12-Bit-Ausgangssignal ist linear proportional zum Winkel.

Die Winkelmessung im IC weist für die volle Drehung eine Auflösung von 14 Bit auf, somit bleiben 12 Bit für einen Viertelkreis, nämlich für die 90°, die sich eine Drosselklappe drehen kann. Das reicht für die Anwendung in einer elektronischen Drosselklappe aus. Der Sensor liefert eine Auflösung von 10 Bit über einen Sektor von 22,5°, das ist der Maximalwinkel, den sich ein Gaspedal in einem Auto (oder ein Gasgriff an einem Motorrad) drehen kann. Die hohe Auflösung der Ausgangsspannung des AS5262 erlaubt der Motorelektronik, die Öffnung der Drosselklappe präzise zu steuern, die somit genau darauf reagiert, wenn der Fahrer aufs Gas tritt. Seine lineare Charakteristik ist für die Motorelektronik besonders einfach, sie kann das Signal direkt verarbeiten und braucht keine Kompensationsalgorithmen.

Bedingungen des Sicherheitsstandards ISO26262 sind einzuhalten

Die dritte Anforderung in einer elektronischen Drosselklappe sind besondere Sicherheitsfunktionen. Speziell müssen die Bedingungen des Sicherheitsstandards ISO26262 eingehalten werden. Diese sind unter anderem:

  • Diagnosefunktionen: Die Motorelektronik muss sofort informiert werden, wenn der Sensor ausfällt. Beim AS5262 umfassen die Diagnosefunktionen Magneterkennung, Erkennung eines Kabelbruchs und die Bereitstellung von Diagnosespannungen (0% bis 4% oder 95% bis 100% der Versorgungsspannung).
  • Schutz gegen Überspannungen, Verpolung und Dauerkurzschluss.
  • Schutz gegen magnetische Streufelder: Bei vielen magnetischen Positionsgebern erreicht man dies mithilfe einer Abschirmung. Beim AS5262 braucht man keine spezielle Abschirmung, weil der IC mit einer patentierten differentiellen Messtechnologie arbeitet: Er nutzt jeweils zwei Paare von Hallsensoren; ein Paar für die x-Komponente (Kosinuskomponente) des Magnetfelds, ein zweites für die Y-Komponente (Sinuskomponente). Ein interner Signalprozessor vergleicht beide Werte und errechnet daraus Winkel und Stärke des Magnetfelds. Weil der Sensor mit relativen und nicht mit absoluten Werte arbeitet, stören ihn Streufelder nicht.

Definition des maximal erlaubten Fehlers

Die Autohersteller spezifizieren für elektronische Drosselklappen einen maximalen Linearitätsfehler. Er beträgt meistens ±1% bezogen auf die Versorgungsspannung.

Nach der Montage muss der Sensor kalibriert werden, damit der Hub seines Ausgangssignals den Bewegungsbereich der Drosselklappe abdeckt. Der AS5262 unterstützt verschiedene, unterschiedlich genaue Kalibriermethoden. Der Anwender kann somit die für ihn passende Methode wählen, um die Linearitätsanforderung einzuhalten.

Die übliche Kalibriermethode ist, die Drosselklappe in die beiden Endlagen zu bringen, die vom IC gemessenen Winkel auszulesen und dann den Spannungsbereich softwaremäßig einzustellen. Auf diese Weise erreicht das System einen Linearitätsfehler von unter ±1% der Versorgungsspannung.

Benötigt man eine höhere Genauigkeit, kann man den IC auch an mehreren Punkten der Messkurve kalibrieren. Das dauert etwas länger, reduziert aber den Linearitätsfehler auf Werte unter ±0,5% der Versorgungsspannung.

Man kann den IC auch nur am unteren Anschlag kalibrieren; das geht schneller, ist aber nur möglich, wenn ein Linearitätsfehler > ±1% der Versorgungsspannung tolerabel ist.

Man kann den AS5262 auch vorprogrammieren. In diesem Fall kalibriert sich die Motorelektronik selbst, indem sie die Ausgangsspannung der Drosselklappe am unteren Anschlag einlernt. Auch das geht nur dann, wenn ein Fehler von mehr als ±1% der Versorgungsspannung tolerabel ist, weiterhin muss die Motorelektronik über eine passende Lernfunktion verfügen.

Was bei der Auswahl des Magneten zu beachten ist

Bild 4: Zwei Typen Magneten können mit einem Positionsgeber wie dem AS 5262 eingesetzt werden.
Bild 4: Zwei Typen Magneten können mit einem Positionsgeber wie dem AS 5262 eingesetzt werden.
(Bild: ams)

In einem berührungslosen Positionsgeber ist der Magnet als Bauteil so wichtig wie der Hallsensor. Bei elektronischen Drosselklappen gibt es bei der Wahl des Magneten einiges zu bedenken.

Magneten mit diametraler Magnetisierung (Bild 4) darf man nicht in direkten Kontakt mit einer ferromagnetischen Achse bringen, denn diese würde das Magnetfeld schwächen und verzerren. Man braucht in diesem Fall eine nichtmagnetische Fassung (etwa aus Kunststoff, Kupfer, Messung oder Aluminium), die einen Abstand von mindestens 3 mm zwischen Magnet und Achse sicherstellt. Diametrale Magneten werden typischerweise aus SmCo hergestellt (einem Material mit einem sehr geringem Temperaturkoeffizienten) oder aus NeFeB. Der Luftspalt zwischen Magnet und Sensor beträgt typischerweise 1 bis 2 mm.

Magneten mit einseitiger Magnetisierung hingegen können auf einer eisernen Achse befestigt werden. solche Magneten sind notwendigerweise relativ groß (typische Maße: Durchmesser 16 mm, Dicke 2,5 mm); ihre Feldlinien sind asymmetrisch. Weil das Feld auf einer Seite konzentriert ist, verträgt es einen großen Luftspalt von bis zu 3 mm zwischen Magnet und Sensor. Einseitige Magneten sind typischerweise aus NeFe und polymergebunden; etwa NeoFer 48/60p.

Der Positionsgeber AS 5262 arbeitet mit beiden Typen Magneten. Er braucht lediglich ein vertikales Magnetfeld (Bz) zwischen 30 und 70 mT in einem Torus von 1,25 mm Radius in dem Kreis, in dem die Hallsensoren im IC eingebaut sind.

Die Auswahl des Magneten und seiner Abmessungen richten sich nach den Toleranzen des mechanischen Designs. Braucht man mehr Freiheit in Richtung seitlicher Verschiebung und einen kleineren Linearitätsfehler, so verwendet man einen größeren Magneten. Dickere Magneten liefern ein stärkeres Feld. Dies kommt vor allem bei engen Toleranzen zum Tragen wie etwa ±0,5 mm in beiden Richtungen seitlich und beim Luftspalt. Ein kleinerer diametral magnetisierter SmCo-Magnet (Durchmesser von 8 mm, Dicke 3 mm, nominaler Luftspalt 1,5 mm) ist ideal und liefert Linearitätsfehler von <1% VDD.

* Roberto Scotti ist Field Applications Engineer bei ams in Italien.

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