Diagnosefunktionen wie zum Beispiel Selbsttest-Funktionen gewinnen zunehmend an Bedeutung und liefern Informationen an das Steuergerät (ECU), die unter anderem aus der elektrisch angetriebenen Servolenkung (EPS) resultieren können. Frühere Lenksysteme basierten auf mechanischen Verbindungen und unterstützten auch bei Ausfall der Elektrik beim Lenken. In modernen Drive-by-Wire- oder autonomen Fahrzeugen steht diese Ersatzfunktion nicht zur Verfügung. Daher sind Tests der Digitalfunktionen sowie der analogen Signalpfade unabdingbar.

Aus der Nachfrage nach diesen Funktionen sind im Automotive-Bereich zunehmend strengere Vorschriften hervorgegangen. Vor allem die Anforderungen an die funktionale Sicherheit wie sie in den ASIL-Standards (Automotive Safety Integrity Level) definiert sind, haben sich in der Fahrzeugindustrie weltweit etabliert.

Sensor- und Steuerungskomponenten für Fahrzeuge entwickeln sich damit ständig weiter, enthalten einen hohen Halbleiteranteil und bieten immer mehr Funktionen. Diese Entwicklung hat sich in den Bereichen Geschwindigkeitsmessung und Motorsteuerung bereits vollzogen. Aktuell folgt der Bereich der Winkelerfassung.

Winkelpositionen mit CVH-Technik messen

Die Messung von Winkelpositionen war schon immer anspruchsvoll, vor allem in rauen Automotive- und Industrieumgebungen mit Störfaktoren wie hoher Umgebungstemperatur, Luftfeuchte, Schmutz und Öl. Anspruchsvolle Winkelpositionsmessungen verlangen eine gleichbleibende Genauigkeit über den erweiterten Temperaturbereich, präzise Messungen auch bei hohen Geschwindigkeiten, verbesserte Systemfunktionen und ein Sicherheitsdesign nach ASIL.

Erfüllen lassen sich diese Anforderungen mit Winkelsensoren in CVH-Technik (Circular Vertical Hall). Die CVH-Technik (Bild 1) ermöglicht Winkelpositionsmessungen auf Systemebene mit nur einem IC. Darüber hinaus sind kürzere Aktualisierungsraten (zum Beispiel 25 µs) und kleinste Fehler bei der Winkelgenauigkeit (<1 ° im Betriebstemperaturbereich von -40 bis +150 °C) möglich.

Bild 1: Funktionsprinzip der Winkelerfassung mit CVH-Technik.

Bild 1: Funktionsprinzip der Winkelerfassung mit CVH-Technik. Allegro Microsystems

Bei der CVH-Technik handelt es sich um eine einkanalige Winkelmessung, die eine höhere Winkelgenauigkeit und eine geringere Temperaturdrift bietet. Im Gegensatz zu anderen Winkelpositionssensor-ICs, die eine zweikanalige Sinus-/Cosinus-Methode verwenden, weist die CVH keinerlei kanalübergreifende Offsets auf, die zu Genauigkeitsfehlern führen können.

Auf der CVH-Technik basierende Winkelsensoren vergleichen die Phase des Gebermagnetfelds (Target) mit einem internen Referenzsignal und sind damit immun gegenüber Sättigungseinflüssen, im Gegensatz zu anderen Lösungen, die Winkelberechnungen auf Basis der Größenordnung des magnetischen Signals durchführen.

Da sich CVH-Elemente auch durch starke Magnetfelder nicht beeinträchtigen lassen, ist kein Konzentrator erforderlich. CVH-Winkelsensoren können deshalb mit großen Gebermagneten (>= 900 G) zusammenarbeiten, was die Immunität gegenüber magnetischen Streufeldern erhöht.

In einem typischen Winkelsensor befindet sich das CVH-Sensorelement zusammen mit Backend-DSP-Funktionen, EEPROM zum Speichern werkseitig und kundenspezifisch programmierbarer Parameter sowie Diagnoseschaltkreisen auf einem SoC. Ebenfalls enthalten sind Funktionen wie Linearisierung und möglicherweise ein redundanter Chip im gleichen Gehäuse, um die ASIL-Sicherheitsanforderungen abzudecken (Bild 2).

Die Grundlage des CVH-Schaltkreises bildet ein n-Wall-Ring beziehungsweise eine Ringmulde, die vertikale Metallkontakte und die zugehörigen Schaltelemente enthält. Eine digitale Logik steuert und konfiguriert wiederholt Gruppen mit je fünf Kontaktelementen zur Erzeugung von Miniatur-Hall-Elementen. Bei jedem Schritt beziehungsweise bei jeder Gruppenkonfiguration rund um den Ring misst man eine Spannung.

Während die digitale Logik die 64 Kontakte und Schalter ansteuert, liefert jeder Schritt eine Hall-Spannung. Dadurch ergibt sich ein Sinusverlauf, der die Ausrichtung des sich über dem Winkelsensor bewegenden Zielmagneten darstellt. Das Durchlaufen aller Kontaktelemente des Rings erfolgt in 25 µs.

Bild 2: Schaltkreis eines Winkelsensors (Allegro A1335) mit SoC-Design-Ansatz.

Bild 2: Schaltkreis eines Winkelsensors (Allegro A1335) mit SoC-Design-Ansatz. Allegro Microsystems

Das resultierende Sinussignal durchläuft einen Bandpass-Filter sowie eine Umwandlung in ein Rechtecksignal. Nun erfolgt ein Vergleich mit einem im Winkelsensor-IC erzeugten Referenzsignal. Die Phasendifferenz zwischen den fallenden Flanken der beiden Signale stellt die Winkelmessung des Zielmagneten dar.

Axiale und nicht axiale Sensorik

Die Winkelpositionsmessung mit CVH-Technik unterstützt eine axiale Winkelmessung oder eine Winkelmessung am Wellenende sowie nicht axiale oder radiale Winkelerfassung.

In axialen Systemen befindet sich der Winkelsensor direkt unter oder über dem rotierenden Gebermagneten, während er in nicht axialen Systemen an der Seite des rotierenden Magneten angeordnet ist. Diese beiden Arten der Winkelmessung ermöglichen zahlreiche Winkelsensoranwendungen.

Die axiale Winkelmessung ist die am häufigsten verwendete Methode, da sie eine höhere Genauigkeit bietet und zudem weniger digitale Nachbearbeitung als die nicht axiale Winkelerfassung erfordert. Zu finden ist die axiale Winkelmessung vor allem in der elektronischen Servolenkung (Bild 3), bei Scheibenwischern sowie im Getriebe und in der Kupplung.

Die nicht axiale Winkelerfassung ist aufgrund ihrer Messungenauigkeit seltener anzutreffen als die axiale Messung. Allerdings kann die nicht axiale Winkelerfassung einfachere mechanische Designs und niedrigere Systemkosten ermöglichen, weshalb auch diese Methode für Entwickler interessant ist.

Zur nicht axialen Winkelmessung ist ein Winkelsensor erforderlich. Dieser misst die Winkelposition eines durch einen Ringmagneten erzeugten Magnetfelds. Der Ringmagnet ist um eine Welle herum befestigt. Alternativ liefert ein diametral magnetisierter Scheibenmagnet in der Nähe des Winkelsensor-IC das Magnetfeld. Sobald sich Welle und Ringmagnet beziehungsweise Diametral-Magnet bewegen, misst der Winkelsensor je nach mechanischer Konfiguration die resultierende Winkelposition des rotierenden Magneten.

Bild 3: Schaltkreis einer elektronischen Servolenkung auf Basis von Hall-Effekt-Winkelsensoren.

Bild 3: Schaltkreis einer elektronischen Servolenkung auf Basis von Hall-Effekt-Winkelsensoren. Allegro Microsystems

Eine große Herausforderung bei der nicht axialen Messung sind die großen Magnetfeldunterschiede, denen der Winkelsensor ausgesetzt sein kann. Der Sensor erfordert daher eine digitale Nachbearbeitung des Rohsignals, um letztlich eine genaue Winkelerfassung am Ausgang bereitzustellen. Die zusätzliche Nachbearbeitung wie die Linearisierung von Oberwellen erhöht die Kosten sowie die Komplexität des Winkelsensors. Zudem verlängert sich die Messdauer, wenn die gleiche Genauigkeit wie bei der axialen Winkelerfassung gefordert ist.

Flexibles Ausgabeformat

Winkelsensoren liefern zunehmend digitale Ausgabeprotokolle, um die Störsicherheit zu erhöhen und sämtliche Diagnosefunktionen des IC zu übertragen. Zahlreiche Ausgabeformate mit den jeweiligen Vor- und Nachteilen stehen zur Auswahl.

Serielle Schnittstellen (SPI) ermöglichen Taktraten bis 10 MHz und verringern den Zeitaufwand beim Lese-/Schreibzugriff auf den Sensor. Dies ist vor allem bei Motorpositionssensoren von Bedeutung, bei denen die Zeitspanne zum Übertragen der Winkelinformationen den Steueralgorithmus für den Motor erheblich beeinflussen kann. Der Nachteil dabei ist, dass vier Anschlüsse erforderlich sind. Dies erhöht die Stückkosten und das Gewicht. Am anderen Ende des Spektrums hilft das SENT-Protokoll (Single Edge Nibble) mit nur einer elektrischen Verbindungsleitung, Kosten und Gewicht bei der Verkabelung einzusparen, die entfernte Sensoren mit dem Steuergerät verbindet.

Eckdaten

Redundanz und wirkungsvolle Diagnosefunktionen dürfen in keinem für die Sicherheit von Fahrzeugen entscheidenden System fehlen. Aus diesem Szenario sind zahlreiche Messeinrichtungen hervorgegangen, die in Einzel- sowie in doppelter Ausführung vorhanden sind. Ein Beispiel dafür sind Sensoren, die Winkelpositionen im Automobil basierend auf der CVH-Technik (Circular-Vertical-Hall) unter erschwerten Umgebungsbedingungen zuverlässig erfassen.

Ein Nachteil des SENT-Protokolls gegenüber SPI und anderen Protokollen ist, dass es relativ langsam ist und nicht mehrere ICs auf dem gleichen Bus unterstützt. Die Bauteile A1335, A1337 und A1338 von Allegro Microsystems entsprechen dem SENT-Standard SAE J2716, unterstützen aber auch Tick-Zeiten von 0,5 µs, und erhöhen damit den den Datendurchsatz um das Sechsfache im Vergleich zu den 3 µs Standard-Tick-Zeiten des J2716-Standards. Allegro unterstützt zudem eine proprietäre Variante des SENT-Protokolls, um bis zu vier Einrichtungen an den gleichen Bus anschließen zu können. Damit lassen sich die Verkabelungskosten und das Gewicht weiter senken.

Da Zulieferer elektrisch angetriebener Servolenkungen weiterhin unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich zunehmender Sicherheitsstandards erfüllen und gleichzeitig die Stückkosten verringern müssen, kommt es darauf an, den richtigen Partner zu wählen, um effiziente und sichere Designs zu entwickeln.