Positionssensoren Anforderungen an Hall-Sensoren für Automotive-Anwendungen

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Die Nachfrage nach kompakten, präzisen Positionssensoren in Automobilanwendungen wird voraussichtlich bis 2026 auf 1,6 Mrd. US-$ ansteigen. Dieses Wachstum wird weitgehend getrieben von der Elektrifizierung, nicht nur des Antriebssystems, sondern auch von Hilfsfunktionen wie Servolenkung, Lenkung und der Kupplung.

Positionssensoren erfassen im Automobil die Position des Rotors in Motoren, die für die Traktion, die Servolenkung und die Fensterheber zuständig sind und sorgen für höhere Zuverlässigkeit und Sicherheit.

Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die bisherigen Ansätze zur Näherungs- und Positionserkennung sowie deren Grenzen. Anschließend werden die Funktion und die Vorteile magnetischer Näherungs- und Positionssensoren auf der Grundlage des Hall-Effekts betrachtet, und auch die Grenzen aufgezeigt , die ihren Einsatz in Automotive-Anwendungen einschränken. Abschließend wird eine Reihe von Hall-Sensor-Schaltern/Latches vorgestellt, mit denen Automotive-Systeme die höchste Sicherheitszertifizierung erreichen: ISO 26262.

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Ältere Techniken zur Positionserfassung und ihre Probleme

Potentiometer, optische Encoder und Resolver wurden bisher am häufigsten für die Positionserfassung verwendet – haben aber ihre spezifischen Mängel, die sich ungünstig auf den Einsatz in Automotive-Anwendungen auswirken.

Potentiometer messen Drehbewegungen über einen physischen Kontakt. Damit sind sie mechanischem Verschleiß durch Reibung ausgesetzt und ihre Leistungsfähigkeit wird durch Stöße oder Vibrationen beeinträchtigt. Darüber hinaus kann eine Verschmutzung des Widerstandselements durch Schmutz, Staub, Feuchtigkeit oder Fett die Leistungsfähigkeit beeinträchtigen und sogar zu einem vorzeitigen Ausfall führen.

Optische Drehgeber/Encoder messen die Position, indem sie abwechselnd helle und dunkle Bereiche erkennen, während eine Lochscheibe zwischen einer LED-Lichtquelle und einem Fotodioden-Sensor rotiert. Sie sind jedoch anfällig für Verunreinigungen, was die Zuverlässigkeit beeinträchtigt, da es zu Störungen zwischen der Lichtquelle und dem Detektor kommen kann. Ein weiterer Nachteil optischer Encoder ist, dass sie sperrig sind (ein Problem in Fahrzeugen mit begrenztem Platzangebot) und präzise montiert werden müssen, um sehr geringe Toleranzen zu gewährleisten.

Resolver verwenden einen elektromagnetischen Wandler, um die Position bei hohen Drehzahlen zu bestimmen. Sie sind zwar genau, aber groß und schwer, was die Kosten in die Höhe treibt und die Inkompatibilität mit Anwendungen in Fahrzeugen mit geringem Platzangebot noch verstärkt.

Magnetische Sensoren – kleiner, leichter und kostengünstiger

Hall-Effekt-Sensoren (Bild 2) enthalten ein oder mehrere magnetische Elemente. Nähert sich ein externes Magnetfeld dem Sensor, ändert es die Polarität und Stärke des eingebetteten Magnetfelds. Dadurch ändert sich die Potenzialdifferenz über dem Sensor, was dazu beiträgt, Änderungen in einem externen Magnetfeld zu verfolgen. Einfache Magnetschalter erkennen so das Öffnen und Schließen eines Fensters oder einer Tür. Dabei kommt ein Hall-Sensor und ein Magnet auf beiden Seiten des Schließmechanismus zum Einsatz.

Hall-Sensorik hat sich weiterentwickelt und ermöglicht in vielen Anwendungen präzise und genaue Messungen von Linear- und Drehpositionen. Ein Drehpositionssensor kann mit einer einfachen Baugruppe realisiert werden, die aus einer festen Sensorplatine besteht, die senkrecht zu einem rotierenden Magneten montiert ist, der sich auf der Achse des Rotors befindet.

Die Hersteller können Hall-Sensoren mittlerweile über einen standardmäßigen CMOS-Fertigungsprozess in einen IC integrieren, was die Serienfertigung kostengünstiger macht. Daher sind magnetische Positionssensoren kleiner, leichter und kostengünstiger als andere Sensoren.

Anforderungen der Automobilindustrie an den Einsatz von Hall-Sensoren

Anstelle mechanischer oder hydraulischer Betätigung verbessert die elektronische Steuerung von Funktionen wie Lenkung und Gangschaltung die Leistungsfähigkeit, erhöht die Zuverlässigkeit und reduziert Größe und Gewicht. Einige der Anwendungen im Automobilbereich, bei denen diese Eigenschaften unerlässlich sind, sind:

• Motoren für die Servolenkung,

• Positionierung des Fahrgestells,

• Doppelkupplungsgetriebe,

• Positionierung des Fahrmotors in Hybrid- und vollelektrischen Fahrzeugen,

• Lenkwinkelerfassung.

Das geringere Gewicht der Hall-Sensoren hilft den Fahrzeugherstellern, den Kraftstoffverbrauch zu senken, während die geringere Größe die Flexibilität des mechanischen Designs verbessert. Die Attraktivität von Hall-Sensoren für Automotive-Anwendungen liegt also auf der Hand, zusätzlich stellt die Automobilindustrie besondere Anforderungen an Qualität, Zuverlässigkeit und Sicherheit für sicherheitskritische Funktionen, die herkömmliche und allgemeine Hall-Sensoren ausschließen.

Dazu zählen:

• Qualität: Sicherheitszertifizierungen und die Standards des Automotive Engineering Council (AEC) legen die genauen Anforderungen an Wiederholbarkeit, Rückverfolgbarkeit und Produktionsqualität fest. Diese gelten nicht nur für einzelne Komponenten, sondern auch für die gesamte Sensor-Baugruppe.

• Zuverlässigkeit: Von kritischen Systemen im Fahrzeug wird erwartet, dass sie in einem größeren Temperaturbereich arbeiten als Systeme/Geräte in Consumer- und Industrieanwendungen. Außerdem müssen sie über eine Mindestlebensdauer von zehn Jahren ausgelegt werden. Es sind Probleme hinsichtlich der Wiederholbarkeit der Baugruppenfertigung aufgetreten. Hall-Sensoren messen die Position relativ zu einem Magnetpaar, das auf der Motorwelle montiert ist und sich relativ zu einem statischen Sensor mit einem kleinen Luftspalt zwischen ihnen dreht. Einige Hersteller hatten Qualitätsprobleme bei der Einhaltung der Montagetoleranzen während der Fertigung.

• Sicherheit: Der Einsatz magnetischer Positionssensoren wurde nach der Verabschiedung der Norm ISO 26262 für funktionale Sicherheit ebenfalls überprüft. Dieser Standard erfordert eine strenge Fehlermöglichkeits- und -einflussanalyse (FMEDA; Failure Modes Effects and Diagnostic Analysis) auf Systemebene und angemessene Sicherheitsmaßnahmen zur Bekämpfung der mit bekannten Fehlermechanismen verbundenen Risiken. Standardmäßige magnetische Positionssensoren verfügen nicht über die erforderlichen Eigenschaften, um die Systemsicherheit bei einem Geräteausfall zu gewährleisten und werden auch nicht durch ISO-26262-konforme Entwicklungs- und Produktionsprozesse sowie entsprechende Dokumentation unterstützt.

In jeder dieser Kategorien entsprechen Allzweck-Hall-Sensoren nicht den Leistungsspezifikationen des Automotive-Sektors, was bedeutet, dass diese allgemeinen Sensoren die Fahrzeughersteller einem erhöhten Ausfallrisiko aussetzen können. Einige zuvor in Serienfahrzeugen verbaute universelle magnetische Positionssensoren stellten für die Fahrzeughersteller ein Problem hinsichtlich der Zuverlässigkeit und Sicherheit dar.

Die Hauptursache für Probleme sind äußere magnetische Störungen. Kraftfahrzeuge sind elektrisch störbehaftete Umgebungen mit vielen magnetischen Streufeldern, die das vom IC erfasste Signal verzerren und den Betrieb eines magnetischen Sensors stören können. Dies kann zu Messfehlern führen, welche die Genauigkeit der Positionsmesswerte des Sensors beeinträchtigen. In einem EV-Fahrmotor kann es deshalb zu einer nahezu kompletten Reduzierung des Drehmoments kommen oder zu einem fälschlichen Weiterlaufen der Räder.

Automotive-qualifizierte Hall-Sensor-Schalter/Latches

Die unipolaren Zweidraht-Hall-Sensor-Schalter/Latches der Serie AH32xxQ von Diodes Incorporated ermöglichen Herstellern von Automotive-Systemen, ISO-26262-konforme Positions- und Näherungserkennungssysteme zu entwickeln. Die Bausteine sind AEC-Q100-qualifiziert, werden nach den höchsten Standards in IATF-16949-zertifizierten Standorten hergestellt und verfügen über eine unterstützende PPAP-Dokumentation. Sie bieten hohe Empfindlichkeit (AH3270Q/71Q & AH3280Q/81Q) und Robustheit (8 kV ESD-Beständigkeit). Die Sensor-ICs benötigen nur zwei Anschlussdrähte, was die Gesamtsystemkosten gerade bei langen Kabelbäumen reduziert. Im Gegensatz zu den meisten Hall-Sensor-Schaltern (die einen Spannungsausgang haben), bieten diese Bausteine einen Stromausgang, der bei Störspitzen widerstandsfähiger ist als die Spannungsvariante (Bild 3). Aus Gründen der Flexibilität wurden sie für den Betrieb in einem breiten Spannungsbereich (2,7 bis 27 V) entwickelt und werden in den Standardgehäusen SC59 und SIP-3 ausgeliefert.

Die integrierten Selbstdiagnosefunktionen (AH324xQ und AH328xQ) machen die Sensoren ideal für ASIL-konforme Systeme, die ein hohes Maß an funktionaler Sicherheit erfordern (Bild 4). Diese Funktionen arbeiten im Hintergrund ohne externe Aktivierung. Wird ein Fehler erkannt, geht der Baustein in einen sicheren Betriebsmodus über, in dem der Ausgangsstrom (Versorgungsstrom) auf 1 mA sinkt und als Warnsignal für das übrige System dient. Darüber hinaus überwacht die integrierte Selbstdiagnose die Versorgungsspannung und die Temperatur und führt Selbsttests der wichtigsten Funktionsblöcke durch.

Fazit

Die Elektrifizierung ist wesentlicher Treiber für die wachsende Anzahl von Motoren in Fahrzeugen, was wiederum den Bedarf an kleinen, leichten, zuverlässigen und kostengünstigen Sensoren zur Erfassung von Geschwindigkeit und Position schafft. Magnetische Positions- und Näherungssensoren, die auf dem Hall-Effekt basieren, bieten eine solche Lösung. Allerdings sind Standardversionen für Automotive-Anwendungen ungeeignet, da sie Positionserfassungssysteme gemäß den kritischen Sicherheitsstandards der ISO 26262 nicht unterstützen.

Die Hall-Schalter/Latches der Serie AH32xx von Diodes Incorporated wurden speziell für einen weiten Betriebsspannungsbereich entwickelt, um die Empfindlichkeit und die Stromausgangssignalisierung zu erhöhen und die Robustheit bei Spannungsspitzen zu verbessern. Einige Bausteine dieser Reihe verfügen auch über Selbstdiagnosefunktionen, die es den Sensor-Subsystemen ermöglichen, die für Automotive-Anwendungen erforderlichen Sicherheitszertifizierungen zu erhalten.

* Charles Kuo ist Sensor Product Line Manager bei Diodes Incorporated.

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