3D-Magnetsensoren für raue Fahrzeugumgebungen

Damit landwirtschaftliche Fahrzeuge und Baumaschinen künftig einen höheren Wirkungsgrad als heute erreichen und noch produktiver arbeiten, treiben Maschinen- und Gerätehersteller die weitere Automatisierung ihrer Produkte zügig voran. Mechanische und hydraulische Komponenten ersetzen die Hersteller dabei durch elektrische und elektronische Lösungen. Halbleiterlösungen, beispielsweise Mikrocontroller, Leistungshalbleiter und Sensoren, schaffen die Voraussetzungen für diese Entwicklung.

Führerstand und Steuerungsmöglichkeiten in Schleppern und Baumaschinen ähneln heute einem Cockpit, wobei das Bedienpersonal die zentralen und häufig genutzten Funktionen meist über einen Joystick (Bild 1) bedient. Die Eingabe per Joystick erfolgt über einen Bedienhebel, der seine Winkel- und Richtungsinformationen an die zu steuernde Einheit weitergibt. Je nach Anwendung gibt es analoge und digitale Ausführungen.

Analoge Joysticks im Kommen

Ein analoger Joystick deckt einen kontinuierlichen Bereich von Positionen ab, die sich über Veränderungen der x-, y- und z-Werte bestimmen lassen. Dagegen gibt eine digitaler Joystick entsprechend der Richtung der angelegten Kraft die Ein-/Aus-Zustände für eine Gruppe von Schaltern wieder. Aufgrund der höheren Genauigkeit ersetzen analoge Joysticks zunehmend ihre digitalen Pendants. Durch Integration eines 3D-Sensors in einen analogen Joystick lässt sich eine präzise Eingabefunktion ohne zusätzliche Mechanik realisieren. Damit ist jede Bewegung der steuernden Hand in alle Richtungen erfassbar.

Um analoge Joysticks zu realisieren, nutzten die Entwickler bisher meist zwei Potenziometer oder variable Widerstände – woraus ein komplexes mechanisches Design resultierte. Bei dieser Art von Joysticks wandeln die Potenziometer die physikalische Position des Joysticks in ein analoges elektrisches Signal. Bedingt durch den Verschleiss der mechanischen Teile weisen Joysticks mit Potenziometern jedoch Einschränkungen im Hinblick auf die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit auf. Manche Joysticks nutzen darüber hinaus ein zusätzliches Potenziometer für die z-Achse, das durch die Rotation der Sticks aktivierbar ist. Dies macht das System robuster, aber auch aufwendiger und teurer.

Bild 1: 3D-Magnetsensoren sind eine Alternative zur Entwicklung von Joystick-Anwendungen für mobile Baumaschinen oder landwirtschaftliche Nutzfahrzeuge. Infineon

3D-Magnetsensor ohne Feldkonzentratoren

Mit einem 3D-Magnetsensor lassen sich alle drei Bewegungsachsen gleichzeitig erfassen und entsprechende Ergebnisse erzielen (Bild 2). 3D-Magnetsensoren erhöhen ausserdem die Lebensdauer, während sie neue Anwendungen, vor allem im industriellen Bereich, erst ermöglichen.

Bei bisherigen 3D-Magnetsensoren mit Feldkonzentratoren werden die Magnetfelder aus der x- und y-Ebene in die z-Ebene umgelenkt, da nur für diese Ebene das Magnetfeld gemessen werden konnte. Ihr Aufbau ist entsprechend komplex und teuer. Bei dieser Topologie verwendet der Sensor direkt nur die B_z-Feldkomponente des über dem IC positionierten Magnetfeldes, während die x- und y-Koordinaten berechnet werden.

Feldkonzentratoren haben ausserdem den Nachteil der Hysterese. Dies bedeutet, der Messwert ist nicht nur abhängig von der aktuell angelegten Magnetfeldstärke, sondern auch von der zurückliegenden Magnetfeldstärke. Daraus resultiert eine größere Messungenauigkeit gerade bei kleinen Magnetfeldern. Zusätzlich können starke Magnetfelder Feldkonzentratoren dauerhaft magnetisieren, was die Genauigkeit des Sensors beeinträchtigen oder ihn zerstören kann. Außerdem benötigen manche konventionelle 3D-Magnetsensoren eine Feldstärke von über 20 mT.

Bild 2: Der 3D-Magnetsensor TLV493D-A1B6 bietet eine dreidimensionale Sensorik im sechspoligen Gehäuse. Infineon

Ohne Feldkonzentratoren und den damit verbundenen Nachteilen kommt der 3D-Magnetsensor TLV493D-A1B6 von Infineon aus. Der 3D-Magnetsensor basiert auf vertikalen Hall-Platten, wie sie der Hersteller schon im TLE4966 vor Jahren eingeführt hat.

Drei Dimensionen genau erfassen

Der 3D-Magnetsensor TLV493D-A1B6 bietet eine dreidimensionale Sensorik im sechspoligen TSOP mit den Abmessungen 2,9 mm x 1,6 mm. Durch seine Magnetfelderkennung in x-, y- und z-Richtung misst der 3D-Sensor dreidimensionale, lineare und rotierende (360°) Bewegungen. Zu seinen Anwendungsbereichen zählen neben Joysticks auch Steuerelemente (Haushaltsgeräte, Multifunktionsknöpfe), Stromzähler (Manipulationsschutz) und andere Applikationen.

Bild 3: Der 3D-Magnetsensor TLV493D-A1B6 besteht im Wesentlichen aus einer Energiemodus-Steuerungseinheit, einer Sensoreinheit und einer Kommunikationseinheit. Infineon

Als Basis der dreidimensionalen Sensorik dienen vertikale und horizontale Hall-Platten auf dem Sensorchip. Die vertikalen Hall-Platten erfassen die planar ausgerichteten Feldkomponenten der x- und y-Richtung, während die horizontale Hall-Platte die senkrecht ausgerichtete Feldkomponente (z-Richtung) ermittelt. Der Sensor verfügt über eine I²C-Standardschnittstelle zur Kommunikation zwischen Sensor und Mikrocontroller. Der TLV493D-A1B6 ist RoHs-konform und gemäß JESD47 qualifiziert.

Architektur und Spezifikation

Die Sensorarchitektur besteht aus den drei Hauptfunktionseinheiten Energiemodus-Steuerungseinheit, Sensoreinheit und Kommunikationseinheit (Bild 3). Die Energiemodus-Steuerungseinheit dient der Energieverteilung im IC und steuert auch die Inbetriebnahme des Sensors. Die Sensoreinheit enthält die vertikalen und horizontalen Hall-Platten sowie einen Temperatursensor und misst das Magnetfeld in x-, y- und z-Richtung. Jede x-, y- und z-Hall-Platte ist hintereinander an einen Multiplexer mit nachgeschaltetem Analog/Digital-Wandler angeschlossen. Der Temperatursensor ist ebenfalls an den Multiplexer angeschlossen und lässt sich für externe Kompensationsaufgaben aktivieren.

Beim Erkennen von 3D-Magnetfeldern arbeitet der TLV493D-A1B6 mit einer Auflösung von 12 Bit für jede Messrichtung. Dies ermöglicht eine Datenauflösung von 0,098 mT pro Bit (LSB). So sind sogar kleinste Bewegungen messbar. Als maximale Abtastrate spezifiziert Infineon 3,3 kHz. Lineare Magnetfeldmessungen (B) von Bx, By und Bz sind für den Feldbereich von ±130 mT möglich. Dadurch lässt sich eine lange, lineare Bewegung messen und abdecken.

Sensorversionen nach AEC Q100 geplant

Der Sensor TLV493D-A1B6 arbeitet mit einer Versorgungsspannung von 2,7 bis 3,5 V, ist für Temperaturen von -40 bis +125°C spezifiziert und nach JESD47 qualifiziert. Zukünftige Derivate gemäß Automobilstandard AEC Q100 folgen in Kürze und bieten neben erweiterten Energiesparoptionen eine zusätzliche Wake-up-Funktion. Dabei kann der Sensor nach dem Überschreiten zuvor definierter magnetischer Schwellwerte ein gesamtes System aus dem Energiesparmodus holen.

Der TLV493D-A1B6 verfügt über mehrere Energiebetriebsarten, die sich im Betrieb über die I²C-Schnittstelle wählen lassen. Im Power-Down-Modus benötigt der Sensor 7 nA, im Ultra-Low-Power-Modus 10 μA und im Low-Power-Modus 80 μA.

Entwicklungsunterstützung

Für Entwicklungen mit dem TLV493D-A1B6 stehen Applikationsschriften, ein Evaluierungsboard (Bild 4) sowie ein Simulationstool zur Verfügung. Außer dem 3D-Magnetsensor befindet sich auf dem Board ein mit dem Sensor verbundener Mikrocontroller XMC1000 sowie ein XMC4200 für das Debugging und die USB-Kommunikation. Über einen Micro USB-Steckverbinder erfolgen Stromversorgung und Kommunikation mit der grafischen Benutzeroberfläche. Ausserdem enthält das Evaluierungsboard LEDs zur Anzeige der Betriebszustände der Stromversorgung sowie für das Debugging, Spannungsregler, Schutzdioden sowie Pin-Header für den externen Datenanschluss (beispielsweise Oszilloskop oder externer Mikrocontroller). Zum Evaluierungsboard gibt es auch mechanische Adapter. So zeigt ein Joystick-Adapter die Position und Bewegung des Magneten und damit das korrekte Magnetfelddesign an.

Bild 4: Als Entwicklungsunterstützung für den TLV493B-A1B6 stehen ein Evaluierungsboard sowie ein Simulationstool zur Verfügung. Infineon

Mit dem zugehörigen Online-Simulationstool lassen sich Magnete sowie die Bewegung des Magneten und Position des Sensors definieren. Das Ergebnis ist dann das Sensorausgangssignal über die Bewegung. Dabei sind Bewegungen für Winkelmessungen (rotierende Bewegung des Magneten), lineare Bewegungen sowie die Bewegungen bei Joystickanwendung (3D-Bewegungen des Magneten) wählbar. Das Tool errechnet automatisch die drei Magnetfeld-Komponenten für die Sensorposition.

(hb)