Die Funktionalität und Effektivität der Motorelektronik oder von Fahrerassistenzsystemen hängen direkt von der Zuverlässigkeit der Sensoren ab, die physikalische Größen wie zum Beispiel die Drehzahl oder die Position in elektrische Signale umwandeln, an das Steuergerät übertragen und dabei häufig extremen Bedingungen ausgesetzt sind.

Bild 1: Pad- und Puck-Platine spielen zusammen. Oben ist eine schematische Skizze des Pad mit Sendespule (schwarz) und zwei Empfangsspulen (rot und blau) zu sehen, unten die Oberseite des Resonators (Puck).

Bild 1: Pad- und Puck-Platine spielen zusammen. Oben ist eine schematische Skizze des Pad mit Sendespule (schwarz) und zwei Empfangsspulen (rot und blau) zu sehen, unten die Oberseite des Resonators (Puck). AB Elektronik

So können beispielsweise ECUs, welche die aktuelle Rotorposition sehr genau kennen, den Motor optimal ansteuern und damit zur Reduktion des Energieverbrauchs und zu höheren Reichweiten des Fahrzeugs führen. Hierbei müssen Sensoren im Automobil mit starken Vibrationen, einem großen Temperaturbereich und hohen Drehzahlen zurechtkommen und gleichzeitig möglichst robust gegen fremde Magnetfelder und andere Umwelteinflüsse sein.

HSRP-Technologie

Die neue induktive Hochgeschwindigkeitsrotations- und Positions-Technologie (HSRP, High Speed Rotational Position) von AB Elektronik wurde genau für diese Anforderungen entwickelt. Die HSRP-Technologie ermöglicht die Erfassung der Geschwindigkeit und der Position insbesondere für Sensoren im Motor- und Fahrzeuganbaubereich. Die neue Sensorgeneration kann aufgrund einer optimierten Signalverarbeitung eine deutlich höhere Messgeschwindigkeit erreichen als herkömmliche Systeme. Im Vergleich zur millionenfach bewährten Autopad-Technologie arbeitet HSRP mit einer über zehnmal so großen internen Datenerfassungsrate. Durch die Verwendung eines zweiten unabhängigen Messkanals im selben Bauraum lassen sich die Messdaten beider Kanäle nach dem Noniusprinzip berechnen, wodurch die erreichbare Genauigkeit um ein Vielfaches ansteigt. Im direkten Vergleich zu aktuellen Differenzhallsystemen, die mittlerweile an den Grenzen ihrer maximalen Genauigkeit angekommen sind, steht die HSRP-Technologie erst am Anfang und bietet großes Potenzial für die nächste Sensorgeneration.

AB Elektronik konnte bei der Messung von ersten Prototypen bereits Winkel über eine volle Drehung von 360° mit einem maximalen Fehler von ±0,06 % messen. Das Team in Werne steuert mit der neuen Technologie die Umsetzung von Positionssensoren und Resolvern (induktive rotatorische Lagegeber) für Rotationsgeschwindigkeiten bis 30.000 Umdrehungen pro Minute und Temperaturen von -40 °C bis +150 °C an.

ASIC-Design für ASIL B

Das Herz der HSRP-Technologie ist eine neue anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), dessen Mixed-Signal-Design ein analoges Front-End sowie einen Digitalteil zur Positionsberechnung enthält. Um die Ausgangssignale möglichst schnell und unverfälscht an die Motorsteuerung übertragen zu können, haben die Entwickler auf zusätzliche Wandler an den Ausgängen verzichtet. So verfügt das ASIC über analoge Ausgänge, die direkt das analoge Signal des Frontends ausgeben, und über zwei digitale Ausgänge, welche die im Digitalteil berechnete Position zur Verfügung stellen.

Eckdaten

Die neue induktive Hochgeschwindigkeitsrotations- und Positions-Technologie (HSRP) wurde speziell für den Einsatz im Auto bei starken Vibrationen, fremden Magnetfeldern, hohen Drehzahlen und Temperaturen entwickelt. Erste Prototypen ermittelten bereits Winkel über eine volle Drehung von 360° mit einem maximalen Fehler von  ±0,06 %. Auf dieser Basis sollen Positionssensoren und Resolver für Rotationsgeschwindigkeiten bis 30.000 Umdrehungen pro Minute und Temperaturen von -40 °C bis +150 °C entstehen.

So können Resolver für hohe Drehzahlanwendungen mit dem analogen Ausgang mittels Sinus- und Cosinus-Signal die aktuelle Rotorlage an die Motorsteuerung übertragen. Durch die hierbei genutzte, auf Leiterplatten basierende induktive Technologie können Resolver sowohl beim Start (0 U/min) als auch bei hohen Drehzahlen (bis zu 30.000 U/min) die absolute Position bestimmen; sie lassen sich aufgrund ihrer flachen Bauform platzsparend verbauen. AB Elektronik entwickelte das neue ASIC nach ISO 26262, sodass es ASIL-B-Anforderungen erfüllt. Durch weitere Sicherheitsmaßnahmen lässt sich je nach Kundenanforderung für einen Resolver oder Positionssensor auch ein höherer ASIL-Level erreichen. Für diese Sicherheitsanforderungen verifiziert das ASIC sein Positionssignal mithilfe eines zweiten redundanten Kanals.

Für Positionssensoren verwenden die Ingenieure einen digitalen Ausgang, sodass der zweite Kanal optional für die Nonius-Verrechnung zum Einsatz kommen kann. So lässt sich nicht nur die Position bestimmen sondern parallel dazu auch die Geschwindigkeit der Positionsänderung. Sowohl die Position als auch die Geschwindigkeit stehen gleichzeitig über eine PSI5-Schnittstelle (Version 2.1) oder eine SENT-Schnittstelle gemäß der neusten Revision des SAE-SENT-Standards J2716 zur Verfügung. Gegenüber älteren analogen Ausgangsformaten bieten diese beiden digitalen Protokolle mehr Sicherheit und neue Funktionalitäten bei der Übertragung. So ist die digitale Datenübertragung robust gegenüber EMC-Einflüssen, da diese das digitale Signal nicht unerkannt verfälschen kann. Neben den reinen Sensordaten überträgt das Protokoll auch Informationen zum Hersteller, eine Seriennummer und den aktuellen Status des Sensors. Zudem lassen sich die bereits im Digitalteil berechneten Werte direkt ohne Störeinflüsse einer D/A-Wandlung übertragen. Darüber hinaus lässt sich mit Hilfe von PSI5 die Anzahl der Leitungen zwischen Sensoren und Steuergeräten verringern sowie gegenüber SENT eine etwas größere Datenrate erreichen. Die SENT-Schnittstelle ist jedoch im Steuergerät einfacher integrierbar, weil sie keinen separaten Treiberbaustein benötigt.

Resolver-Prinzip basiert auf berührungsloser Induktivtechnologie

Bei der HSRP-Technologie basiert das grundlegende Prinzip der Positionsbestimmung wie bei der Autopad-Technologie auf einem Resolver. Ein Resolver besteht üblicherweise aus einer drehbaren Spule, dem sogenannten Rotor R sowie zwei äußeren Spulen, die Statoren genannt werden. Bei einem Resolver mit Stator-Regelung erfolgt die Erregung der beiden Statoren mit einer um 90° phasenverschobenen sinusförmigen Wechselspannung, die aufgrund der Anordnung und Beschaltung der beiden Statoren einen Strom in den Rotor induziert, dessen Phasenlage direkt von der Stellung des Rotors abhängt. Mithilfe der Phasenlage des Rotors im Bezug zur Phasenlage des ersten Stators lässt sich die Winkellage des Rotors bestimmen.

Bild 2: Funktionsweise der HSRP-Technologie: Der Schwingkreis auf dem Puck erzeugt ein wechselndes elektromagnetisches Feld, welches in die beiden Empfangsspulen eine sinus- beziehungsweise cosinus-förmige Spannung induziert.

Bild 2: Funktionsweise der HSRP-Technologie: Der Schwingkreis auf dem Puck erzeugt ein wechselndes elektromagnetisches Feld, welches in die beiden Empfangsspulen eine sinus- beziehungsweise cosinus-förmige Spannung induziert. AB Elektronik

Im Vergleich zur Stator-Regelung ermittelt eine Rotor-Regelung die Winkellage des Rotors nicht über die Phasenlage sondern über die Amplitude des in den beiden Statoren induzierten Stroms, wobei die Amplituden der induzierten Spannungen in den beiden um 90° verdrehten Statoren vom Winkel des Rotors abhängig sind. Die Winkelstellung des Rotors ermittelt eine Recheneinheit dann über das Amplitudenverhältnis mit der Arkustangens-Funktion. Sowohl bei der Stator-Regelung als auch bei der Rotor-Regelung ist eine Signalübergabe zwischen dem drehbaren Teil und dem feststehenden Teil des Sensors erforderlich, die im einfachsten Fall über Schleifer erfolgen kann. Schleifer kommen jedoch bei den heute üblichen berührungslosen Sensoren nicht mehr zum Einsatz. Stattdessen übermitteln Übertragungsspulen den Rotorstrom vom feststehenden zum drehbaren Teil oder umgekehrt.

Autopad-Technologie als Basis

Pad und Puck

Das Pad besteht aus zwei Leiterbahn-Strukturen, welche die Sendespule bilden. Diese erzeugen sinus- und cosinus-förmige räumliche elektromagnetische Felder. Das bewegliche Ziel ist ein einfacher LC-Schwingkreis: der Puck.

Ein hochfrequenter Strom, dessen Frequenz mit der Resonanzfrequenz des Pucks übereinstimmt, speist die Sendespulen; dieser wird bei niedriger Frequenz in Quadratur moduliert. Diese Felder koppeln an den Puck und erzeugen einen Gesamtstrom, der von dessen Position abhängig ist.

Bereits bei der von AB Elektronik entwickelten Autopad-Technologie handelt es sich um eine konsequente Weiterentwicklung der Stator-Regelung. Dabei kommen keinerlei gewickelte Spulen zum Einsatz; eine Spulenstruktur in Form von sinus- und cosinusförmigen Leiterbahnen ist vielmehr direkt auf die im Sensorgehäuse ohnehin vorhandene Leiterplatte aufgebracht. Die Idee für die neue HSRP-Technologie basiert auf der induktiven Autopad-Technologie, die unter anderem eine hohe Immunität gegenüber niederfrequenten Magnetfeldern aufweist. Durch den leiterplattenbasierten Aufbau der verwendeten Spulenstrukturen und dem Betrieb in Resonanz ist es möglich, Sensorsysteme auf engstem Raum zu betreiben, ohne dass diese sich gegenseitig beeinflussen. Dies ermöglicht die Verwendung eines zweikanaligen Aufbaus im HSRP-Sensor.

Der grundlegende Aufbau und die Funktionsweise des HSRP-Sensors sowie des Autopad-Systems sind vergleichbar. Allerdings verwendet das HSRP-System eine Rotor-Regelung. Dementsprechend besitzt das HSRP-System eine Spule als Sendespule und zwei Spulen als Empfangsspulen (Bild 1). Diese drei Spulen sind als Leiterbahnen auf einer Platine, dem Pad, realisiert und an das ASIC angeschlossen. Für die Funktion als Sensor ist eine weitere, Puck genannte Platine mit aufgebautem LC-Schwingkreis erforderlich. Eine oszillierende Spannung an der Sendespule regt den Schwingkreis auf dem Puck an, dessen Resonanzfrequenz mit der Oszillatorfrequenz übereinstimmt. Der Schwingkreis erzeugt ein wechselndes elektromagnetisches Feld, welches in die beiden Empfangsspulen eine Sinus- beziehungsweise Cosinus-Spannung induziert. Wird der Puck über dem Pad bewegt, ändern sich die beiden Spannungen der Empfangsspulen, sodass sich anhand des Sinus- beziehungsweise Cosinus-Signals der aktuelle Sensorwinkel des Pucks über die Arkustangens-Funktion berechnen lässt (Bild 2).

Bild 3: Nonius Mehrkanalverfahren: Die Differenz der beiden über die Arkustangens-Funktion bestimmten Positionen führt zu einer absoluten Positionsangabe über 360° mit erhöhter Auflösung.

Bild 3: Nonius Mehrkanalverfahren: Die Differenz der beiden über die Arkustangens-Funktion bestimmten Positionen führt zu einer absoluten Positionsangabe über 360° mit erhöhter Auflösung. AB Elektronik

Aufgrund der niedrigen Updaterate der digitalen Protokolle kommt für Resolver-Anwendungen mit hohen Rotationsgeschwindigkeiten standardmäßig der analoge Ausgang zum Einsatz. Am analogen Ausgang stehen das Sinus- und das Cosinus-Signal mit der aktuellen Rotorlage der Motorsteuerung direkt zur Verfügung. Die Berechnung der Position erfolgt im Steuergerät. Durch den zweikanaligen Aufbau kann ein Resolver mit HSRP-Technologie die anlogen Ausgangssignale anhand des zweiten Kanals verifizieren. Im Gegensatz zum analogen Ausgang übertragen die digitalen Ausgänge die berechnete Position direkt als 12-Bit-Wert. Hierbei ermöglicht Nonius-Berechnung nochmal eine Vervielfachung der Genauigkeit der berechneten Position. Bei Verwendung des Nonius-Prinzips kommt eine Platine zum Einsatz, welche auf der oberen Seite und auf der unteren Seite eine unterschiedliche Anzahl an Spulenanordnungen besitzt. Die gleiche Anzahl von Schwingkreisanordnungen befindet sich auf der Ober- und Unterseite des Puck. An den Spulenanordnungen auf der Unter- und Oberseite des Pads liegen unterschiedliche Erregerfrequenzen an, damit sie sich nicht gegenseitig beeinflussen. Das Nonius-Prinzip arbeitet anhand der unterschiedlichen Anzahl von Spulenanordnungen mit zwei verschiedenen Mess-Skalen beziehungsweise Anzahl von Unterteilungen. Durch jede Unterteilung steigt die Auflösung. So verzehnfacht sich zum Beispiel die Auflösung, wenn das System zehn Spulenanordnungen nutzt. Um die genaue Position über die vollen 360° bestimmen zu können, sind beide Kanäle (Signale von Unter- und Oberseite) erforderlich. Wird für beide Kanäle der Winkel über die Arkustangens-Funktion bestimmt, unterscheidet sich dieser Winkel aufgrund der unterschiedlichen Messskalen. Die Differenz der beiden Positionen ist jedoch gleich der absoluten Winkelposition (Bild 3).