Positionssensoren: Effizient, sicher, miniaturisiert

In vielen Automobil- und Industrieanwendungen kommen aktuell Positionssensoren zum Einsatz. Diese sind von außen nicht erkennbar, aber dennoch von zentraler Bedeutung, damit die unterschiedlichen Systeme korrekt funktionieren. Solche Sensoren können auf Ultraschallbasis oder mit optischen, magnetischen, kapazitiven oder induktiven Verfahren arbeiten. Positionssensor-ICs erfassen die Bewegung von Objekten und wandeln diese in elektrische Signale um, die anschließend beispielsweise Mikrocontroller (MCUs) weiterverarbeiten.

Wie funktionieren Hall-, AMR- und Induktivitätssensoren?

Die in diesem Artikel behandelten Positionssensor-ICs basieren auf dem Halleffekt, dem anisotropen magneto-resistiven Effekt (AMR) oder auf Induktivität (siehe Bild 1).

Bei der Halleffekt-Technik wird in einem ferromagnetischen Material ein Strom induziert, und durch Anlegen eines magnetischen Felds entsteht senkrecht zum Stromfluss eine Spannung. Der Widerstand eines AMR-Sensors nimmt ab, je stärker das einwirkende Magnetfeld wird. Zusätzlich spielt auch die Richtung des Magnetfelds eine Rolle. Induktive Sensoren erzeugen mithilfe von Spulen selbst Magnetfelder. Diese werden von Magnetfeldern beeinflusst, die durch in metallischen Objekten auftretenden Wirbelströme entstehen.

Welche Trends prägen die Elektrifizierung im Fahrzeug?

Die zunehmende Elektrifizierung der Kraftfahrzeuge soll unter anderem die Emission von Treibhausgasen reduzieren. Um die Wärme abzuführen, die in verschiedenen Systemen eines Elektrofahrzeugs (EV) entsteht, sind Kühlkreisläufe erforderlich, deren ordnungsgemäßer Betrieb unter anderem mit Positionssensoren an den Pumpenantrieben überprüft werden kann. Breitbandige, hochempfindliche Sensoren sorgen für geringe Latenz und lassen sich flexibel platzieren.

An der Lenksäule und im Lenkrad eines Autos finden sich verschiedene Schalter beispielsweise für Blinker, Scheibenwischer oder Fernlicht. Diese bisher meist mechanischen Schalter und Einstellräder ersetzen zunehmend Sensoren, die komplexe Winkel mit hoher Genauigkeit erfassen können. In der in Bild 2 gezeigten Baugruppe wurden die mechanischen Kontakte durch 3D-Halleffekt-Sensoren mit entsprechenden Entwicklungs-Boards ersetzt.

Für die Effizienz von Elektromotoren sind Positionssensoren von grundlegender Bedeutung. Nur wenn die Winkelposition des Rotors exakt bekannt ist, können der Mikroprozessor und die Leistungsstufe des Umrichters die Motorwicklungen für eine möglichst effiziente Drehmomenterzeugung bestromen.

Die Herausforderung liegt hier darin, die Rotorlage über den gesamten Temperaturbereich und das gesamte Drehzahlspektrum, das bis zu 100.000/min und mehr reicht, möglichst exakt zu messen, nämlich auf ca. 0,5° genau. Da sie prinzipbedingt unempfindlich gegenüber externen Magnetfeldern sind, sind induktive Resolver wie der LDC5072-Q1 für diese Aufgabe geeignet, zumal sie keine Magnete benötigen. Bild 3 zeigt einen Elektromotor mit einem darauf angebrachten Traktionsinverter.

Sehr verbreitet sind auch elektrische Servolenkungen. Hier kann der TMAG6181-Q1 die Rotorstellung eines Motors mit einem Winkelfehler von 0,4° ermitteln, wobei Drehzahlen bis 100.000/min unterstützt werden und die Latenz weniger als 2 µs beträgt. Zur dreidimensionalen Erfassung der Lenkradposition dient der TMAG5170D-Q1.

Die Elektrifizierung betrifft jedoch nicht nur Elektroautos, sondern auch E-Bikes, Pedelecs und E-Scooter. Diese Fahrzeuge gibt es schon seit einigen Jahren, doch inzwischen wurden hinsichtlich der Motorkommutierung sowie der Pedalkurbel- und Raddrehzahlerfassung mithilfe von Positionssensoren Fortschritte erzielt. Die Erfassung der Rotorposition, die für die Kommutierung entscheidend ist, lässt sich mit dem AMR-Sensor TMAG6180-Q1 realisieren, der bei Zimmertemperatur auf eine Winkelgenauigkeit von 0,1° kommt. Beim Erfassen der Drehzahl der Pedalkurbel und der Laufräder erlaubt der Halleffekt-Sensor TMAG5115 Messungen mit geringem Jitter und kurzen Reaktionszeiten. So sind schnellere Drehzahl- und Richtungsmessungen möglich.

Bei Positionssensoren Zuverlässigkeit und Sicherheit besonders wichtig

Bei Elektronik für Industrie-, Konsum- und Automobilanwendungen suchen Entwickler stets nach Möglichkeiten, die Systeme zuverlässiger und damit langlebiger zu machen. Auch hierfür können sie Positionssensoren als Ersatz für mechanische Systeme nutzen, um den Functional-Safety-Anforderungen schneller gerecht zu werden.

Ein Vorteil von magnetischen Sensoren ist, dass der reibungsbedingte, konstante mechanische Verschleiß wegfällt. Bei kabellosen Elektrowerkzeugen etwa entstehen die meisten Ausfälle durch den mechanischen Einschalter. Hier streben Hersteller meist eine Haltbarkeit von über 200.000 Schaltspielen an, und magnetische Lösungen bringen somit das gewünschte Potenzial zur Verlängerung der Lebensdauer mit.

Nicht nur die Fahrzeugelektrifizierung, sondern auch der Einzug von immer mehr Elektronik in nahezu jedes elektrisch betriebene Produkt hat die Forderungen nach funktionaler Sicherheit verstärkt. In der Automobilindustrie gilt hierfür die ISO-Norm 26262, während im Industriebereich die Norm IEC 61508 angewandt wird. Unabhängig von der jeweiligen Norm, geht es bei der funktionalen Sicherheit darum, die Anwender vor unverhältnismäßigen Risiken durch Fehlfunktionen elektronischer Systeme zu schützen. Dazu sollen die Systeme bei einem Ausfall einen vorhersagbaren Zustand einnehmen. Man unterscheidet hier nach dem Schweregrad oder den Folgewirkungen eines Ereignisses, nach der Wahrscheinlichkeit seines Eintretens und danach, welche Kontrolle die Anwender auf das Ereignis haben. Die höchsten Anforderungen an die funktionale Sicherheit stellen im Automobilbereich elektrische Lenk- oder Gangschaltungs-Systeme. Angesichts der Risiken, die bei Ausfällen drohen, gilt hier die höchste Sicherheitsstufe ASIL D (Automotive Safety Integrity Level).

Um die Bedingungen für ASIL D einhalten zu können, greifen Systementwickler meist auf redundante Sensoren oder Lösungen mit zwei identischen, aber voneinander unabhängigen Sensoren zurück, denn die Wahrscheinlichkeit, dass beide Sensoren ausfallen, ist sehr gering. Zudem gibt es Sensoren mit eingebauten Diagnosefunktionen für die Baustein- und Systemebene.

Wie gelingt die Miniaturisierung von Sensoren?

Viele Produkte werden immer weiter miniaturisiert, um beispielsweise die Kosten zu senken und die Nutzererfahrung zu verbessern. Folglich müssen auch die verwendeten Magnete immer kleiner werden, oder es wird auf Mehrachsen-Sensoren zurückgegriffen. Eine weitere, mit geringen Risiken verbundene Option ist, eine möglichst kleine Leiterplatte durch den Einsatz möglichst kleiner und hochintegrierter Bauelemente. Von Texas Instruments gibt es Bauteile in den Gehäusevarianten X2SON (1,1 × 1,4 mm²) und WCSP (0,8 × 0,8 mm²).

Probleme birgt das Verkleinern der Magnete, da hierdurch zwangsläufig das Magnetfeld schwächer wird und empfindlichere Sensoren wie etwa der TMAG5231 eingesetzt werden müssen. Alternativ lässt sich der Abstand zwischen Sensor und Magnet reduzieren. In jedem Fall empfehlen sich bei schwächeren Magnetfeldern Sensoren mit großem Signal-Rauschabstand. Die Bausteine DRV5055 und TMAG5253 kommen diesbezüglich auf bis zu 70 dB.

Miniaturisierung lässt sich auch erzielen, indem man die Zahl der Bauelemente verringert und anstelle separater Sensoren für jede Achse einen integrierten 3D-Linearsensor verwendet, um beispielsweise bei einem Stromzähler externe Magnetfelder aufzuspüren, die die Funktion manipulieren sollen. Eine weitere Vereinfachung ergibt sich aus der Tatsache, dass es nur eine digitale Schnittstelle gibt. Soll ein System durch weniger Bauteile verkleinert werden, ergeben sich bei Inkremental- und Absolut-Encodern Herausforderung, wenn die Auflösung erhöht werden soll. Bei Inkremental-Encodern müssen Entwickler dazu Ringmagnete mit mehr Polen verwenden. Diese werden damit unweigerlich kleiner und schwächer, was dazu zwingt, den Abstand zwischen Magnet und Sensor zu reduzieren oder die Sensoren empfindlicher zu machen. Hier greifen die meisten Designer zu Single-Chip-Lösungen mit zwei integrierten Halleffekt-Schaltern (z. B. dem TMAG5111). Für auflösende Designs benötigen sie dagegen Absolut-Encoder mit linearen Sensoren. Ein einzelner 3D-Linearsensor mit der Fähigkeit zur Winkelmessung ist der finale Entwicklungsschritt im Bereich der hochauflösenden Absolut-Encoder. Diese Implementierung misst zwar nur zwei Achsen, aber die meisten linearen Sensoren ermöglichen die Flexibilität zur Konfiguration der jeweils gewünschten zwei Achsen. Bild 4 veranschaulicht die Trends auf dem Gebiet der Encoder-Designs.

Warum setzen Hersteller auf Ferrit statt auf seltene Erden?

Die Liste der Länder, in denen seltene Erden gefördert werden, ist sehr überschaubar. Da diese Materialien nur begrenzt verfügbar sind, gehen Schätzungen davon aus, dass die Reserven beim gegenwärtigen Verbrauch und ohne Recycling in der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts erschöpft sein werden. Einige Unternehmen haben deshalb begonnen, ihre Abhängigkeit von diesen Stoffen und ihre geopolitischen Risiken zu verringern, indem sie teilweise auf Ferritmaterialien umstellen. Ferritmagnete kosten nur einen Bruchteil, und da sie problemlos verfügbar sind, sind auch die Preisschwankungen hier geringer. Nachteilig ist wiederum, dass Ferritmagnete ein bis um den Faktor 10 schwächeres Magnetfeld erzeugen und eine Temperaturdrift von 0,2 Prozent pro 1 °C aufweisen. Die Magnetsensoren TMAG5170 und TMAG5273 von TI können mit Keramikferrit- und Seltenerdmagneten eingesetzt werden und verfügen über eine eingebaute, auf diese Magnettypen abgestimmte Temperaturdrift-Kompensation. (bs)