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Hohe Störrobustheit von Sensoren bei zunehmender Fahrzeugelektrifizierung

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Mit immer mehr Elektrik und Elektronik in modernen Fahrzeugen ziehen auch immer mehr elektromagnetische Störenfriede ein. Das darf die Funktionsfähigkeit von Sensoren aber nicht beeinflussen.

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Bild 1: Ein induktver Rotorlagesensor: Seine Funktion darf von den elektromagnetischen Störungen anderer Geräte und Systeme an Bord nicht beeinträchtigt werden.
Bild 1: Ein induktver Rotorlagesensor: Seine Funktion darf von den elektromagnetischen Störungen anderer Geräte und Systeme an Bord nicht beeinträchtigt werden.
(Bild: Swoboda)

Heutzutage kann man sein Auto mit zahlreichen Optionen wie elektrischen Fensterhebern, elektrischer Lenkung, elektrisch einklapp- und beheizbaren Außenspiegeln, Sitzheizung oder elektrischem Schiebedach konfigurieren. Diese Komfortoptionen sind fast unüberschaubar. Nimmt man die Sicherheitsfunktionen wie Airbag, EPS, Notruf-Assistent und die Elek­trifizierung des Antriebstrangs dazu, merkt man, dass Autos fahrende Supercomputer sind.

Aufgrund dieser zunehmenden Elektrifizierung fließen immer mehr elektrische Ströme durch das Auto, um verschiedene Aktuatoren, Sensoren oder Steuergeräte zu versorgen. Ein Beispiel hierfür sind die Fahrzeugsitze. Funktionen wie Sitzverstellung, Massage oder Belüftung werden von kleinen Motoren und über Aktuatoren angetrieben. Sensoren messen die Längsverstellung der Sitze für die Airbagsteuerung oder erkennen die Sitzbelegung und, ob die Insassen angeschnallt sind. Steuergeräte kontrollieren die Aktuatoren und kommunizieren über digitale Bus-Systeme mit den anderen Komponenten des Autos.

Die EMV muss frühzeitig berücksichtigt werden

Tatsache ist allerdings, dass alle elektrischen Systeme Störungen aussenden und empfangen können. Daher ist es sehr wichtig, die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) eines elektrischen Systems frühzeitig in der Produktentwicklung zu berücksichtigen. Noch wichtiger ist dies bei Sensoren, die elektromagnetisch empfindlich sind.

Mit dieser Herausforderung ist der Automobilzulieferer Swoboda bereits vertraut. Das Technologieunternehmen entwickelt und produziert seit über 20 Jahren Positions- und Stromsensoren für die Automobilindustrie. Durch die immer steigenden Anforderungen an EMV hat Swoboda verschiedene Lösungen entwickelt und eingesetzt, um eine hohe Störrobustheit ihrer Sensoren sicherzustellen.

Eine dieser Lösungen ist die allgemein bekannte Abschirmung, deren Wirksamkeit abhängig von der Störungsnatur (elektrisch oder magnetisch) und der Frequenz dieser Störung (von 0 Hz bis mehrere GHz) ist. Bei statischen und niederfrequenten elektrischen Störfeldern funktioniert eine Abschirmung nach dem Prinzip der Influenz oder des Faraday‘schen Käfigs. Sie erfolgt durch mit der Fahrzeugmasse verbundenen elektrisch leitfähigen Schirmmaterialien wie Metallblechen oder lackierten Kunststoffgehäusen mit Leitlackschichten.

Im Gegensatz dazu wirken bei statischen und niederfrequenten magnetischen Störfeldern weichmagnetische Werkstoffe, sprich ferromagnetische Materialien mit hoher Permeabilität und geringer Remanenz, wie das Mu-Metall. Ist die magnetische Abschirmung hinreichend leitfähig, wirkt sie auch zugleich elektrisch abschirmend.

Abgeschirmter magnetischer Rotorlagesensor

Ein Produkt mit solch einer elektrischen und magnetischen Abschirmung ist zum Beispiel der magnetische Rotorlagesensor in Elektromotoren. Der Sensor misst das rotierende magnetische Feld, das von einem an dem Rotor befestigten Magnet erzeugt wird. Vorzugsweise sind Magnet und Sensor innerhalb der Hohlwelle des Motors platziert, sodass der Sensor von den von dem Motor erzeugten magnetischen Störfeldern abgeschirmt ist (Bild 2).

Jedoch ist es nicht immer möglich, eine solche Abschirmung einzusetzen. Gründe dafür können zu enge Bauräume oder zusätzliche Kosten sein. In solchen Fällen ist es notwendig, das Nutzsignal von der Störung elektrisch zu differenzieren. Dafür stehen verschiedene Lösungen zur Verfügung. Bei Hall-Sensoren zum Beispiel wird oft das Feld-Gradient-Messprinzip verwendet. Zwei Hall-Elemente werden in einem bestimmten Abstand zueinander platziert, sodass die Messung durch eine differentielle Auswertung der Hall-Elemente-Signale robust gegenüber homogenen Störfeldern ist. Dieses Messprinzip findet wendet Swoboda bei seinen Position- und Stromsensoren an.

Bild 2: Innerhalb der Hohlwelle eines Motors platzierter magnetischer Rotorlagesensor.
Bild 2: Innerhalb der Hohlwelle eines Motors platzierter magnetischer Rotorlagesensor.
(Bild: Swoboda)

Eine andere Möglichkeit, das Nutzsignal von der Störung zu differenzieren, ist, das Messprinzip in einen bestimmten Frequenzbereich umzuwandeln. Dies ist bei der induktiven Technologie der Fall. Eine Spule sendet als Bestandteil eines Schwingkreises ein magnetisches Feld aus. Die Lage des zu messenden leitfähigen Objekts, relativ zu der Spule, verändert die Amplitude des Schwingkreises, sodass sich Rückschlüsse über den Winkel, Wege, Abstände oder Geschwindigkeiten des Objekts ziehen lassen.

Die Verwendung eines Bandbreitenfilters bei der Signalauswertung ermöglicht die Filterung des Nutzsignals in dem Frequenzbereich des Schwingkreises und sperrt dadurch die Störfrequenzen. Swoboda benutzt diese Technologie bei induktiven Rotorlagesensoren für eine gegen Fremdfeldeinwirkung robuste und genaue Winkelerfassung des Rotors oder bei Fahrwerksensorik für eine direkte lineare Messung des Federwegs des Stoßdämpfers.

Zahlreiche Möglichkeiten, Sensoren störrobust zu machen

Es stehen somit viele Lösungen zur Auswahl, um Sensoren störrobust zu machen. Die Anwendungsanforderungen und -bedingungen müssen aber frühzeitig in der Produktentwicklung berücksichtigt werden, um die passende Lösung einzusetzen. Mit der zunehmenden Elektrifizierung des Fahrzeugs werden die EMV-Anforderungen auf Komponenten-Ebene, wie auch auf System-Ebene entsprechend kontinuierlich verschärft, sodass wir uns mit immer mehr Komfort, Sicherheit und Effizienz fortbewegen können.

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Link: Zu Swoboda

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