Funktionale Sicherheit

Wie Hall-Sensoren mit Diagnosefunktion für mehr Sicherheit sorgen

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Dekomposition am Beispiel eines elektrischen Fensterhebers

Der elektrische Fensterheber stellt an sich keine sicherheitskritische Applikation dar. Wenn sich ein Fenster nicht mehr öffnen oder schließen lässt, ist das für den Fahrer ärgerlich, aber nicht unmittelbar sicherheitsrelevant. Was die Anwendung sicherheitskritisch werden lässt, ist der Einklemmschutz. Der Einklemmschutz muss vor allem dann gewährleistet sein, wenn Kinder in Gefahr kommen können. Deshalb wird die Applikation in eine ASIL-A-Klassifizierung eingestuft.

Um die einwandfreie Funktion des Fensterhebers zu gewährleisten, sind Informationen wie Drehzahl und Drehrichtung des Antriebsmotors notwendig. Es ist prinzipiell möglich, diese Parameter über den Hallsensor HAL7xy zu gewinnen. Der Hall-Schalter besteht aus zwei nebeneinander platzierten Hallelementen in einem Gehäuse, deren Signale durch eine interne Logik ausgewertet werden. Zudem besitzt der Sensor zwei Ausgänge, die jeweils ein Taktsignal zur Detektion der Rotationsgeschwindigkeit des Motors und ein weiteres in Form eines Drehrichtungssignals an die Steuereinheit des Fensterhebers übermitteln.

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Damit übernimmt der Sensor einen Teil der Informationsverarbeitung. Aufgrund der höheren Komplexität des HAL7xy handelt es sich um einen vergleichsweise kostenintensiven Hall-Schalter. In einem alternativen Ansatz wird der preislich günstigere Single-Plate-Hall-Schalter des Typs HAL15xy eingesetzt. Er gibt nur die Information über die Drehzahl als Taktsignal vom Sensor an die Steuereinheit weiter.

Die Bewegungsrichtung der Fensterscheibe wird von der Steuereinheit über den Zugriff auf die Motorsteuerung ohne Sensor ermittelt. Der sicherheitsrelevante Aspekt der Motordrehrichtung wird durch Dekomposition vom Sensor auf die Fensterheber-Steuerung verlagert. Das Prinzip der Dekomposition ermöglicht es, sicherheitsrelevante Aspekte von einer Systemkomponente auf eine andere umzulagern, die hinsichtlich der funktionalen Sicherheit günstiger oder zweckmäßiger ist.

Power-ON-Selbsttest-Funktion

Die Sensorfamilie HAL15xy gibt es als 3-Draht- und 2-Draht-Hall-Schalter. Bei den 2-Draht-Sensoren stehen zwei Abschlüsse zur Verfügung, die neben der Stromversorgung auch zur Anzeige des Funktionszustandes oder der Diagnosefunktion dienen. Der Schaltzustand des 2-Draht-Sensors spiegelt sich in der Stromaufnahme des Sensors wider, während beim 3-Draht-Sensor für das Ausgangssignal und damit für die Diagnose ein separater Ausgangspin zur Verfügung steht.

Die 3-Draht-Hallsensoren von TDK-Micronas bieten mit der Power-ON-Selbsttest-Funktion ein interessantes Feature: Dieser Selbsttest ermöglicht es, die wichtigsten internen Parameter innerhalb weniger Millisekunden nach dem Anlegen der Betriebsspannung abzufragen. Für einen Selbsttest sind zwei freie Ports des Mikrocontrollers nötig. Ein Port-Pin schaltet die Versorgungsspannung VSUP des Sensors ein und aus. Der andere Port-Pin ist mit dem Ausgang des Sensors verbunden.

Wird der Sensor vom Controller bei auf LOW gehaltenem Ausgangspin OUT aus dem ausgeschalteten Zustand mit Spannung versorgt, startet der Sensor einen Selbsttest. Danach wird der Ausgangs-Pin des Hallsensors vom Controller freigegeben und dieser beobachtet die Reaktion des Sensors. Nach einer kurzen Verzögerung prüft der Sensor den Signalpfad.

Dabei wird ein Magnetfeld simuliert, was einer Hallspannung am Sensorelement entspricht. Am Ende des Signalpfades wird das tatsächliche Messsignal mit dem Sollwert verglichen und am Ausgangspin ein Low-Signal ausgegeben, falls der Funktionstest erfolgreich war. Anschließend wird die Richtung des simulierten Magnetfeldes umgekehrt.

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