Positionserfassung mit PLCD-Sensoren Berührungslose Weg- und Winkelemessung im Antriebsstrang und Chassis

Steuergeräte im Auto sind auf exakte Informationen über den aktuellen Fahrzeugzustand angewiesen, so auch auf Weg- und Winkeldaten. Die dafür notwendigen Positionssensoren müssen unter den extremen Umgebungsbedingungen im Auto höchste Anforderungen in Sachen Präzision und Zuverlässigkeit erfüllen. Deshalb setzen Hersteller zunehmend auf berührungslose Lösungen wie die PLCD-Sensoren von Tyco Electronics.

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Moderne Sicherheits- und Komfortsysteme im Automobil benötigen in ihren elektronischen Steuerungen eine Vielzahl präziser Messinformationen zum Fahrzeugzustand. Insbesondere die aktuellen Umweltdebatten hinsichtlich CO2-Ausstoß, Verbrennungsoptimierung und Verbrauchsreduzierung bringen neue Applikationen und Anforderungen für die Regelungstechnik und Sensorik mit sich. Eine wichtige Datenbasis liefern dabei positionserfassende Sensoren. Um den Anforderungen an Präzision und Zuverlässigkeit gerecht zu werden, setzt man hierbei auf robuste und zunehmend berührungslose Sensortechnologien.

Robust und zuverlässig

Der Vorteil berührungsloser Sensoren besteht darin, dass keine mechanische Interaktion zwischen Sensor und Messobjekt besteht. Dadurch erhält man in der Anwendung Verschleißfreiheit, lange Lebensdauer und eine hohe Zuverlässigkeit. Wegen ihre Robustheit und Wirtschaftlichkeit haben im Fahrzeugbau für Schalt-, Weg- und Winkelerfassung die magnetisch basierten Sensorprinzipien die größte Bedeutung gewonnen.

Die PLCD-Technologie (Permanentmagnetic Linear Contacless Displacement) von Tyco Electronics nutzt ein solches magnetisches Sensorprinzip, das auf einem sättigungsinduzierten Wirkprinzip zur Weg- und Winkelmessung basiert. Ein PLCD-Sensor besteht aus einem weichmagnetischen Kern, der über seine gesamte Länge mit einer Primärspule umgeben ist und an den Enden zwei Auswertespulen besitzt. Angesteuert wird der Sensor über einen Permanentmagneten, der bei Annäherung zu einer lokalen Sättigung des weichmagnetischen Kerns führt.

Die Position dieser Sättigungszone entlang der Sensorachse kann über das Spulensystem gemäß dem Prinzip des Differenzialtransformators ausgewertet werden. Innerhalb des magnetischen Arbeitsbereiches des Sensors ist das Ausgangssignal nahezu unabhängig gegenüber Feldstärkeschwankungen da die PLCD-Technologie nicht die magnetische Flussdichte oder Feldstärke misst sondern die Position der Sättigungszone. Temperaturkoeffizienten des Magnetmaterials, Abstandsänderungen des Ansteuermagneten sowie Schwächung des Magnetkreises durch Einflüsse von ferromagnetischen Materialien in der Sensorumgebung, haben somit keinen oder nur geringen Einfluss auf das Sensorsignal.

Aufgrund dieser Merkmale ist die PLCD-Technologie im Vergleich zu alternativen Messprinzipien besonders geeignet für die Weg- und Winkelerfassung unter schwierigsten Applikationsbedingungen wie sie im Antriebsstrang und Chassisanwendungen auftreten.

Präzision in rauer Umgebung

Eine hohe Messgenauigkeit, dynamische Signalverfügbarkeit sowie Zuverlässigkeitsfunktionalität wie Redundanz können mit der PLCD-Technologie realisiert werden. Die Messgenauigkeit der PLCD-Technologie liegt aufgrund des sättigungs-induzierten Messprinzips typisch im Bereich von +-1% Linearitätsfehler. Messbereiche von 5 bis 180 mm bei einem Magnetabstand von bis zu 20 mm und der Möglichkeit durch nicht ferromagnetische Materialien zu messen bieten größtmögliche Freiheiten bei der Applikation der Sensoren. Die PLCD-Sensoren von Tyco Electronics eignen sich für extreme Umgebungsbedingungen im Automobil, Sie erfüllen die Dichtigkeitsanforderung IP6K9K, arbeiten bei Umgebungstemperaturen von -40 bis 150°C und erfüllen die aktuellen EMV-Vorgaben der Automobilhersteller. Auf der Elektronikseite bieten speziell entwickelte ASIC dem Kunden PWM- oder Analogschnittstellen sowie die Möglichkeit die Sensoren individuell auf die Applikation hinsichtlich PWM-Frequenz, Offset, Steigung und Linearisierung abzugleichen.

Für schnelle Applikationsprüfungen oder Kleinserien, stehen Standard PLCD-Sensoren zur Verfügung, die mit Messbereichen von bis zu 15, 25 und 50 m einen weitern Applikationsbereich abdecken. Zusätzlich zu diesen Standardsensoren wird der Grossteil der Sensoren applikationsspezifisch anhand von Kundenwünschen entwickelt, um eine bestmögliche Performance hinsichtlich Technik und Kosten zu erreichen.

Bestimmen der Kupplungstellerpositionen

Getrieben durch steigende Benzinpreise und steigende Komfortansprüche der Autofahrer erfreuen sich derzeit Doppelkupplungsgetriebe einer hohen Beliebtheit. Das wichtigste Merkmal eines solchen Getriebes sind die zwei voneinander unabhängigen Kupplungen, wobei eine Kupplung für die geraden Gänge und die andere für die ungraden Gänge zuständig ist. Um bei Gangwechseln eine Zugkraftunterbrechung zu vermeiden, muss der Übergang von der öffnenden Kupplung zur schließenden Kupplung schnell und präzise aufeinander abgestimmt sein. Hierfür wird der PLCD-Sensor in Bild 2 eingesetzt. Er misst bei hoher Dynamik und Präzision die Position der beiden Kupplungssteller unabhängig voneinander und das bei Randbedingungen von -40°C bis 150°C, kleinstem Bauraum, Positionsmessung durch Aluminium und gleichzeitiger Ölumspülung. Des Weiteren finden PLCD Sensoren Anwendung an Kupplungsnehmer- und Kupplungsgeberzylinder zur Positionserfassung.

Präzises Erkennen der Neutralposition

Eine weitere Getriebeapplikation mit PLCD-Sensoren ist die Neutralpositionserkennung. Der Sensor kann dabei in vielen Fällen mit einem korrespondierenden Magnet auf der Schaltstange nachträglich am Getriebe angebracht werden. Die Neutralpositionserkennung ist eine notwendige Funktion für die Motor-Start-Stop Automatik. Diese Technik schaltet den Motor jeweils dann automatisch ab, wenn das Fahrzeug zum Beispiel an einer Ampel steht. Tritt der Fahrer die Kupplung oder betätigt das Gaspedal, wird unmittelbar wieder gestartet. Gerade im Stadtverkehr kann mit dieser Technik erheblich Kraftstoff eingespart werden. Auch bei dieser Applikation kommt es darauf an bei hohen Umgebungstemperaturen eine möglichst genaue Positionsinformation dem Steuergerät zu liefern, damit automatische Motorstarts nur unter definierten Bedingungen erfolgen dürfen.

So beherrscht man die Drehmomentproblematik bei niedrigen Drehzahlen

Bei modernen Dieselmotoren ist die Turboaufladung in den letzten Jahren zum Standard geworden. Um der Problematik des Low-End Torques zu begegnen, wird vielfach die Variable Turbinengeometrie eingesetzt. Hierfür werden zur genaueren Regelung entweder elektrische Aktuatoren eingesetzt oder kostengünstigere Pneumatikaktuatoren mit integrierter Sensorik. Die PLCD-Technologie findet auch hier ihren Einsatz und bildet nicht nur die Sensorfunktion ab, sondern gleichzeitig die mechanische zweite Hälfte der Unterdruckdose. Die Besonderheit dieser Applikation ist die geforderte Messgenauigkeit von max. 3% Linearitätsfehler bei hohen Temperaturen und großen mechanischen Toleranzen.

*Thorsten Munzig ist Marketing Manager Automotive Sensors bei Tyco Electronics in Speyer.

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