Immun gegen magnetische Störfelder durch aktive Feldkompensation

| Autor / Redakteur: Frederik Berstecher * / Gerd Kucera

Bild 1: Interne Algorithmen der digitalen Signalverarbeitung in Verbindung mit dem integrierten, nichtflüchtigen Speicher ermöglichen eine Anpassung an 
Kundenanforderungen sowie die robuste Kalibrierung für anwendungsbedingte Störeinflüsse.
Bild 1: Interne Algorithmen der digitalen Signalverarbeitung in Verbindung mit dem integrierten, nichtflüchtigen Speicher ermöglichen eine Anpassung an 
Kundenanforderungen sowie die robuste Kalibrierung für anwendungsbedingte Störeinflüsse. (Bild: TDK-Micronas)

Die hier skizzierten Hall-Sensoren sind gegen elektromagnetische Störfelder immun. Je nach Messmodus bestimmen sie lineare Positionen und Drehbewegungen über den X/Y-Anteil des erfassten Magnetfeldes.

Ein Mittelklassefahrzeug besitzt inzwischen mehr als 20 Steuergeräte, die über Bussysteme miteinander kommunizieren. Im Segment der Oberklasse sind es schnell mal 80 Steuergeräte. Ebenso viele Stellmotoren für Sitze, Scheinwerfer, Fenster, Klimaanlage, Außenspiegel, Gurtbringer, Schiebedach, Infotainment und anderes können verkabelt sein.

Diese Komplexität heutiger Fahrzeuge ist immer wieder anfällig für Fehlfunktionen. Der unsichtbare Feind heißt elektromagnetisches Störfeld. In dieser unwirtlichen Umgebung müssen je nach Fahrzeugtyp und Ausstattung hunderte Sensoren für Position, Drehzahl, Beschleunigung, Druck, Temperatur, Kraft, Durchfluss und vieles mehr zuverlässig funktionieren, denn sie ermitteln permanent den Ist-Zustand des Fahrzeugs und geben ihre Werte per Funk oder als Stromsignal an die Steuergeräte weiter.

Sichere Sensorik durch aktive Störfeldkompensation

Immun gegen magnetische Störfelder sind die Sensoren der HAL-39xy-Familie, die nachfolgend in ihrer Funktionsweise beschrieben werden. Sie schaffen eine wesentliche Vereinfachung beim Entwickeln magnetischer Systeme. Die HAL-39xy-Sensoren erkennen Linear- sowie Drehbewegungen (bis 360°) und messen dazu vertikale und horizontale Komponenten des Magnetfeldes.

Vorweg ist noch anzumerken, dass bei magnetischen Störfeldern zwischen homogenen und inhomogenen Störfeldern (Gradientenfelder) unterschieden wird. Homogene Störfelder liegen vor, wenn ihre Feldlinien in die gleiche Richtung zeigen und den gleichen Abstand voneinander haben. Folglich ist die magnetische Flussdichte über einen spezifischen Bereich räumlich gleich. Zur Erzeugung von homogenen Störfeldern werden Helmholtz-Spulen genutzt. Diese werden auch für Robustheitsprüfungen herangezogen (Bild 2). Im Gegensatz hierzu entsteht bei einem stromdurchflossenen Leiter (etwa Stromversorgungsleitungen) ein inhomogenes Störfeld. Dabei ist die Wirkung des Störfeldes stärker, je geringer der Abstand zum Leiter ist. Darüber hinaus können inhomogene Störfelder ebenfalls von benachbarten Sensorsystemen verursacht werden, die einen Dauermagneten als Geber einsetzen.

Aktuell muss ein Hall-Effekt-Sensor gemäß der neuesten ISO-Norm 11452-8 [ISO 11452-8, Helmholtz Coil Test Level 4] und entsprechenden OEM-Anforderungen eine hohe Störfestigkeit gegenüber diesen Störfeldern aufweisen. Im niederfrequenten Bereich liegt diese Festigkeit bei 4000 A/m (≈5 mT). In der vorherigen Version der ISO 11452-8 wurden nur Störfelder im Bereich 1,2 mT als Störgröße verwendet. Bei so schwachen Störfeldern war es ausreichend, die Stärke des für die Anwendung verwendeten Magneten an das Störfeld anzupassen oder eine aufwändige Schirmung zu realisieren. Aus Kostengründen werden heute kleinere Magnete eingesetzt und auf eine Schirmung verzichtet, sodass eine aktive Störfeldkompensation für Magnetfeldsensoren unerlässlich ist.

Die hier thematisierten Hall-Effekt-Positionssensoren HAL 39xy garantieren das hochgenaue Messen von Magnetfeldern und sind zugleich unempfindlich gegenüber magnetischen Störfeldern. Dazu integriert der Chip eine Störfeldkompensation als Array von vertikalen und horizontalen Hall-Platten. Das Besondere des Sensors ist die patentierte 3D-HAL-Pixel-Zelle. Dieses hochflexible Sensor-Array erlaubt Entwicklungsingenieuren, das für die jeweilige Messaufgabe am besten geeignete Konzept zur Störfeldkompensation zu wählen.

Die Sensoren bieten die folgenden vier Messmodi:

  • Lineare Positionserkennung mit Störfeldkompensation entsprechend den ISO-11452-8-Anforderungen,
  • 360°-Drehwinkelerkennung mit Störfeldkompensation entsprechend den ISO-11452-8-Anforderungen,
  • 180°-Drehwinkelerkennung mit Störfeldkompensation entsprechend den ISO-11452-8-Anforderungen, einschließlich der Gradientenfelder
  • und vollwertige 3D-Magnetfeldmessung (BX, BY, BZ) ohne Störfeldkompensation.

Bild 2: Magentische Störfelder führen gewöhnlich zu erhöhten Messfeldern. Der HAL 39xy ist dagegen immun und kann deshalb in unmittelbarer Nähe zu stromführenden Leitern angebracht werden.
Bild 2: Magentische Störfelder führen gewöhnlich zu erhöhten Messfeldern. Der HAL 39xy ist dagegen immun und kann deshalb in unmittelbarer Nähe zu stromführenden Leitern angebracht werden. (Bild: TDK-Micronas)

Jeder Messmodus nutzt eine andere Kombination von Hall-Platten, um eine optimale Leistung zu erzielen. Der Micronas HAL 39xy ist der einzige Sensor auf dem Markt, der alle vier Messmodi im gleichen Bauelement vereint. Dieses Leistungsmerkmal bietet Entwicklern den Vorteil, dass sie nur einen kompakten Sensor anstelle mehrerer Hardware-Versionen qualifizieren müssen. Zudem erfordert die Unterdrückung von homogenen Störfeldern gemäß ISO 11452-8 keine komplexe Magnetform, sondern lediglich einen zweipoligen Magneten für die lineare Positionserfassung und 360°-Drehwinkelerkennung.

Für die 180°-Drehwinkelerkennung wird ein vierpoliger Magnet eingesetzt, der eine zusätzliche Unterdrückung von Gradientenfeldern ermöglicht. Im integrierten digitalen Signalprozessor des Sensors werden die Störfelder herausgerechnet und danach der Winkel bestimmt. Der von den Störfeldern verursachte Winkelfehler reduziert sich damit auf unter 0,1°. Aufgrund ihrer flexiblen Architektur bieten die HAL-39xy-Sensoren ein breites Spektrum von Konfigurationsoptionen. Sie integrieren neben dem leistungsstarken DSP auch einen Embedded-Mikrocontroller, der für die zeitlichen Abläufe, die Schnittstellen-Konfiguration und die Überwachung der Funktionalen Sicherheit verantwortlich ist.

Bild 3: Der Sensor-Chip integriert eine Störfeldkompensation als Array von vertikalen und horizontalen Hall-Platten. Kern ist die patentierte 3D-HAL-Pixel-Zelle.
Bild 3: Der Sensor-Chip integriert eine Störfeldkompensation als Array von vertikalen und horizontalen Hall-Platten. Kern ist die patentierte 3D-HAL-Pixel-Zelle. (Bild: TDK-Micronas)

Für beide Blöcke kann kundenspezifische Hardware entwickelt werden. In Verbindung mit dem flexiblen Hall-Frontend sind neue Anwendungen möglich, die beispielsweise eine anwendungsspezifische Signalverarbeitung umfassen oder neue Schnittstellenstandards unterstützen. Die Architektur des HAL 39xy erleichtert mit dem Rapid-Prototyping-Verfahren neue Lösungen zu entwickeln. Weiterhin ist eine schnelle und mühelose Anpassung an geänderte Schnittstellenstandards möglich, wie SENT oder PSI5.

Beispiel elektrohydraulische Bremssysteme

In gleichem Maß wie die Vorgaben an die Störfeldkompensation strenger werden, steigen auch die Anforderungen an die Sicherheit elektronischer Fahrzeugsysteme. Beispielsweise gelten für das autonome Fahren strikte Sicherheitsanforderungen nach ISO 26262, damit selbst im Fehlerfall der Sensor in einem sicheren Zustand weiterarbeitet. Die neue Micronas-Sensorfamilie ist für Anwendungen mit ASIL-Zertifizierung ausgelegt, sodass sich HAL-39xy-Sensoren für ein breites Spektrum von Anwendungen in der Kraftfahrzeugelektronik einsetzen lassen. Darunter fällt auch die Bremspedal-Positionserkennung.

In Folge der zunehmenden Elektrifizierung und zunehmenden Automatisierung des Fahrens verändern sich auch die Pkw-Bremssysteme. Zum einen soll durch regeneratives Bremsen (Brems-Rekuperation) Energie zurückgewonnen und dadurch die Effizienz erhöht werden. Zum anderen soll ein vom Fahrer unabhängiger Bremseingriff möglich sein. Diese Anforderungen können durch elektrohydraulische Bremssysteme erfüllt werden. Hier arbeitet anstelle des sonst üblichen Vakuum-Bremskraftverstärkers ein Elektromotor, der über ein Getriebe einen Hydraulikkolben antreibt. Dadurch wird die Funktion des Bremskraftverstärkers bei Pedalbetätigung sowie des Schlupfregelsystems zur aktiven Druckerzeugung kombiniert.

Damit der Bremswunsch des Fahrers erkannt wird, ist das Bremspedal mittels einer Positions-, Druck- und Geschwindigkeitsmessung zu überwachen. Das Bremspedal ist dazu von der Druckerzeugung entkoppelt. Die Winkelinformation wird elektronisch an das integrierte Bremsregelsystem übermittelt. Anhand dessen wird die gewünschte Bremsverzögerung berechnet und der Bremsdruck durch den Elektromotor generiert. Das Bremsregelsystem stellt sicher, dass bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen der Übergang zwischen regenerativer Bremse und mechanischer Reibbremse für den Fahrer nicht spürbar ist.

Bild 4: 
Jeder der vier Messmodi nutzt eine andere Kombination von Hall-Platten, um präzise Werte zu erzielen. HAL 39xy ist der einzige Sensor, der alle vier Messmodi im gleichen Bauelement vereint.
Bild 4: 
Jeder der vier Messmodi nutzt eine andere Kombination von Hall-Platten, um präzise Werte zu erzielen. HAL 39xy ist der einzige Sensor, der alle vier Messmodi im gleichen Bauelement vereint. (Bild: TDK-Micronas)

Die Positionserkennung im Bremspedal muss höchste Sicherheitsanforderungen nach ASIL Level erfüllen und auch unter dem Einfluss von Störfeldern jeder Zeit korrekt funktionieren. Gerade in der neuen Generation von Bremssystemen müssen die von den elektrischen Strömen des Elektromotors generierten magnetischen Störfelder kompensiert werden, damit die Positionserkennung nicht beeinträchtigt wird. Der Drehwinkel von Bremspedalen liegt in einem Bereich von nur 15° bis 20°; der aus Störfeldern resultierende Winkelfehler bei konventionellen Magnetsensoren kann bei bis zu 5° liegen. Infolgedessen könnte das Bremsregelsystem dann nicht mehr in der Lage sein, die Positionsinformation richtig zu verarbeiten.

Aus diesem Grund ist es enorm wichtig, dass der Sensor selbst durch die aktive Störfeldkompensation unempfindlich gegenüber magnetischen Störfeldern ist. Deshalb kann der HAL 39xy in unmittelbarer Nähe zu stromführenden Leitern angebracht werden. Der Sensor hat einen zweiten Signalausgang, konfigurierbar als High- oder Low-Side-Schalter, der als Schaltausgang nutzbar ist, um bei Betätigung des Bremspedals das Bremslicht einzuschalten und die Geschwindigkeits-Regelanlage zu deaktivieren. Sein Schaltpunkt wird aus der berechneten Positionsinformation abgeleitet und ermöglicht einen Schaltpunkt entlang des gesamten Messbereichs.

Neben dieser Anwendung eignen sich die Sensoren auch für alle Arten von Ventilen und Stellgliedern wie Kühlmittelventile, Abgasrückführungen (AGR) und Turbolader-Stellglieder, Wähl- und Schalthebel, Positionserkennung in Getriebesystemen, Lenkwinkelerkennung und Fahrgestell-Positionserkennung.

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12.07.19 - Mit den Sensoren der Reihe CUR 423x, die speziell für Strommessungen in Automotive- und Industrieanwendungen entwickelt wurden, erweitert TDK ihr Micronas-Magnetfeld-Sensor-Portfolio. lesen

Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 19/2019 (Download PDF)

* Frederik Berstecher ist Product Marketing Manager für 3D-Positionssensoren bei TDK-Micronas, Freiburg.

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