Suchen

Gesponsert

Wie sich Magnetsensoren in der Automobilelektronik gegen magnetische Streufelder schützen lassen

Widerstands- oder optische Sensoren messen die lineare Position und den Drehwinkel – beide Sensortypen sind jedoch anfällig zum Beispiel für Staub, Schmutz und Vibrationen. Magnetsensoren stellen eine zuverlässigere Alternative dar, wenn sie zuverlässig gegen magnetische Streufelder geschützt sind. Ein Überblick.

Gesponsert von

Jedes magnetische Streufeld in der Nähe eines Magnetsensors beeinflusst die Genauigkeit des Sensors und kann möglicherweise Fehler am Ausgang verursachen.
Jedes magnetische Streufeld in der Nähe eines Magnetsensors beeinflusst die Genauigkeit des Sensors und kann möglicherweise Fehler am Ausgang verursachen.
(Bild: Clipdealer)

Effizienz ist derzeit das Schlagwort in der Automobilbranche – angetrieben von umweltbewussten Verbrauchern, der Gesetzgebung und steigenden Kraftstoffkosten. Die Branche sucht nach Technologien, um die erforderlichen Fortschritte zu erzielen, sei es bei der Entwicklung neuester Elektrofahrzeuge (EV; Electric Vehicles / HEV; Hybrid Electric Vehicles) oder bei der Suche nach Möglichkeiten, Verbrennungsmotoren effizienter zu machen. Während noch vieles im Automotive-Bereich unsicher ist, ist eines gewiss: der technologische Fortschritt wird weiter bestehen bleiben.

Ein Bereich, der erhebliche Veränderungen durchmacht, ist die Elektrifizierung unserer Fahrzeuge. Wo sich in der Vergangenheit noch mechanische oder hydraulische Systeme fanden, finden sich heute elektrische und elektronische Lösungen. Dazu zählen elektrische Drosselklappenstutzen, elektrische Flüssigkeitspumpen, elektrische Turbolader und insbesondere der batteriebetriebene elektrische Antrieb in EVs und HEVs. Der Umstieg auf elektrische Systeme macht Fahrzeuge nicht nur effizienter, sondern auch zuverlässiger und leichter. Werden die Fahrzeuge leichter, steigt die Effizienz sogar noch weiter.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 5 Bildern

Alle diese beweglichen Teile erfordern jedoch eine genaue und zuverlässige Erfassung ihrer Position, so dass die Steuereinheit (ECU) das System entsprechend ansteuern kann. Angesichts der Forderung, jedes Prozent an Wirkungsgrad aus dem Fahrzeug herauszuholen, ist dabei ein hohes Maß an Genauigkeit erforderlich.

Magnetisches Streufeld beeinflusst die Genauigkeit des Sensors

Die Positionserfassung beweglicher Teile ist nicht neu. Seit vielen Jahren werden Widerstands- oder optische Sensoren verwendet, um sowohl die lineare Position als auch den Drehwinkel zu messen. Diese Verfahren funktionieren zwar gut, sind aber anfällig für Staub, Schmutz und Vibrationen, wie sie häufig in Fahrzeugen vorhanden sind – und als mechanische Vorrichtungen sind sie auch anfällig für Verschleiß. Heute bieten sich dafür Magnetsensoren an. Als hochpräzise Technologie verschleißt sie nicht und wird nicht von Umgebungseinflüssen wie Schmutz, Staub und Vibrationen beeinflusst.

Magnetsensoren stellen einen wesentlichen Schritt in Richtung Zuverlässigkeit dar, sind aber anfällig für magnetische Streufelder, was Fahrzeugentwickler vor eine Herausforderung stellt – insbesondere, da der Elektronikanteil in Fahrzeugen zunimmt.

Elektromotoren für den EV- und HEV-Antrieb benötigen erhebliche Mengen an Strom und erzeugen daher starke Magnetfelder um die Kabel herum, die den Strom von der Batterie oder dem Generator zum Motor liefern. Relevant sind auch die niedrigeren Ströme, die notwendig sind, um die Pumpen für die elektronische Servolenkung (EPS) anzusteuern, Fenster zu öffnen, ein Schiebedach oder andere elektrisch betätigte Vorrichtungen im Fahrzeug zu öffnen/schließen, da auch diese Magnetfelder erzeugen.

Jedes magnetische Streufeld in der Nähe eines Magnetsensors beeinflusst die Genauigkeit des Sensors und kann möglicherweise Fehler am Ausgang verursachen – sogar mit katastrophalen Folgen. Ein Schiebedach, das nicht richtig schließt, nervt. Ein Bremspedal, ein Gaspedal oder ein Lenksystem, das ungenau erfasst wird, kann jedoch für Fahrzeuginsassen und Außenstehende lebensbedrohlich sein.

Da die Automotive-Branche die Sicherheit sehr ernst nimmt, hat sie Standards entwickelt, um die Auswirkungen magnetischer Streufelder zu bestimmen. Wichtige Standards umfassen die ISO81452-8, die Tests bezüglich der Magnetfeldimmunität umfasst. Zusätzlich definiert die ISO26262 Verfahren, um sicherzustellen, dass der IC selbst während des normalen Betriebs und beim Auftreten eines Fehlers korrekt und sicher arbeitet.

Da die Sensoren das Magnetfeld messen, das von einem nahe gelegenen Magneten erzeugt wird, der mit dem zu messenden Gegenstand verbunden ist, sind herkömmliche planare und vertikale Hall-Effekt- und magnetoresistive (MR) Sensoren empfindlich gegenüber Streufeldern, wie sie in Fahrzeugen auftreten. Da die magnetischen Streufelder, die durch die elektrischen Ströme (insbesondere die hohen Ströme für die Hauptantriebsmotoren) erzeugt werden, groß sein können, kann auf herkömmliche Sensoren ohne Maßnahmen zur Abschwächung von Streufeldern nicht zurückgegriffen werden. Bei Drehgebern können Fehler mehr als 10° betragen – dies ist beträchtlich, da Systeme wie Ventile oder Drosselklappenstutzen eine maximale Drehung von 90° und Pedale sogar noch weniger (manchmal nur 15° Drehung) aufweisen. Damit wäre die entsprechende ECU ungeachtet signifikanter Sicherheitsprobleme beim Lenken und Bremsen nicht in der Lage, die Motorfunktionen effektiv zu handhaben, und viele andere Funktionen wären erheblich beeinträchtigt.

Magnetsensoren: Zwei Einsatzmöglichkeiten im Fahrzeug

Es gibt zwei Möglichkeiten, Magnetsensoren in modernen Fahrzeugen einzusetzen. Erstens, der Magnetsensor und der zugehörige Magnet werden vor Streufeldern abgeschirmt. Dies erfordert Materialien mit hoher magnetischer Permeabilität, was den Aufbau komplex und teuer machen kann. Da die Abschirmung magnetische Felder teilweise absorbiert und den Pfad ändert, kann sie sich auch negativ auf das Feld auswirken, das von dem Magneten erzeugt wird, der zur Positionsmessung verwendet wird. Dies lässt sich vermeiden – jedoch ist dafür ein gewisser Abstand erforderlich, was eine zunehmende Größe, mehr Gewicht und mehr Kosten verursacht – allesamt Aspekte, die beim Design moderner Fahrzeuge zu vermeiden sind.

Die zweite Möglichkeit ist, einen Magnetsensor zu verwenden, der von sich aus immun gegen magnetische Streufelder ist. Ein solcher Sensor ist der Triaxis®-Positionsprozessor MLX90372 von Melexis. Dieser monolithische IC besteht aus einem magnetischen Triaxis-Hall-Frontend, einem Analog-Digital-Signalaufbereiter, einem digitalen Signalprozessor (DSP) und einem Ausgangstreiber.

Der MLX90372 ist empfindlich gegenüber drei Magnetfluss-Komponenten, die an den IC angelegt werden (Bx, By und Bz). Mit dem entsprechenden Magnetkreis lässt sich damit die absolute Position jedes beweglichen Magneten (rotierend oder linear) erfassen. Die Erfassung ist vollständig berührungslos und daher tritt kein Verschleiß auf. Das System ist auch unempfindlich gegen Schmutz, Staub und Flüssigkeiten.

Der Sensor verfügt über einen integrierten Unterdrückungsmodus für Streufelder, der für eine erhebliche Reduzierung oder Beseitigung von Fehlern durch magnetische Streufelder bis 4 kA/m (oder 5 mT) sorgt. Damit kann er in unmittelbarer Nähe zu stromführenden Leitern oder anderen Magneten im Fahrzeug angebracht werden. Der Unterdrückungsmodus erfordert nur einen einfachen 4-poligen Magneten für die Drehbewegung und einen einfachen 2-poligen Magneten für Linearbewegungen.

Mit einem fast trivialen magnetischen Design wird der Winkelfehler aufgrund von Streufeldern auf unter 0,4° verringert, was ein akzeptabler Wert für die meisten großen Fahrzeughersteller ist. Zusätzlich erübrigt sich jede Abschirmung, die in der Vergangenheit notwendig war, oder sie kann verkleinert werden, was zu beträchtlichen Einsparungen bei Baugröße, Gewicht und Kosten führt.

Der MLX90372 bietet einen programmierbaren Messbereich sowie eine programmierbare lineare Transfercharakteristik (basierend auf 4/8 Multipunkten oder 16/32 abschnittsweisen linearen Punkten), was die Gesamtgenauigkeit bei Bedarf verbessert.

Die Kommunikation mit einem Host-Prozessor erfolgt über SENT-Frames, die nach einem Secure-Sensor-Format codiert sind. Diese seriellen Nachrichten können Fehlercodes und benutzerdefinierte Werte enthalten. Ein pulsbreitenmodulierter (PWM) Ausgang lässt sich auf Wunsch konfigurieren. Das Schwesterprodukt MLX90371 bietet einen ratiometrischen analogen Spannungsausgang.

Der MLX90372 bietet hohe EMV-Robustheit und ist in einer Single-Chip-Version sowie einer vollständig redundanten Dual-Chip-Version für die meisten sicherheitskritischen Anwendungen erhältlich. Die Single-Chip-Version wird im SOIC-8-Gehäuse ausgeliefert, die Dual-Chip-Version im TSSOP-16-Gehäuse. Ein Single-Chip-DMP-4-Gehäuse ist für die leiterplattenlose Installation auf engstem Raum oder zum direkten Einbau in Gehäuse erhältlich. Zusammen mit seiner Robustheit und der Möglichkeit, ISO26262 ASIL-C mit einem einzigen Chip zu erfüllen, eignet sich der MLX90372 damit ideal für anspruchsvolle moderne Automotive-Anwendungen.

Fazit

Die Technologie schreitet immer weiter voran, wenn es darum geht, moderne Fahrzeuge effizienter und zuverlässiger zu machen – unabhängig davon, ob sie elektrisch betrieben werden oder immer noch auf einen Verbrennungsmotor angewiesen sind. Da immer mehr Bereiche eines Fahrzeugs elektrifiziert werden, wird die Sensorik zu einer zunehmend wichtigen Funktion. Die starken magnetischen Streufelder in modernen Fahrzeugen stellen Entwickler, die eine magnetische Positionserfassung verwenden wollen, jedoch vor Herausforderungen.

Bis vor kurzem erforderte der Einsatz herkömmlicher Magnetsensoren eine Abschirmung, die komplex, umständlich und teuer ist. Melexis’ Triaxis-Sensoren der dritten Generation und insbesondere der Positionsprozessor MLX90371 und MLX90372 sind nun von sich aus unempfindlich gegen magnetische Streufelder. Diese robusten Sensoren eignen sich ideal für Anwendungen im Automotive-Bereich und erübrigen Abschirmungen. Sie vereinfachen das Design und verringern das Gewicht, die Größe und die Kosten des Fahrzeugs – bei gleichzeitig mehr Effizienz und Zuverlässigkeit.

* Nick Czarnecki ist Marketing Manager im Bereich Position and Speed Sensors bei Melexis

Advertorial - Was ist das?

Über Advertorials bieten wir Unternehmen die Möglichkeit relevante Informationen für unsere Nutzer zu publizieren. Gemeinsam mit dem Unternehmen erarbeiten wir die Inhalte des Advertorials und legen dabei großen Wert auf die thematische Relevanz für unsere Zielgruppe. Die Inhalte des Advertorials spiegeln dabei aber nicht unbedingt die Meinung der Redaktion wider.

(ID:45507849)