Analogtipp Positionserfassungs-Systemen mit AMR-Winkelsensoren

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Automotive-Systeme, die bestimmte Normen der Funktionalen Sicherheit erfüllen müssen, werden häufig mit Winkelsensoren ausgestattet, um die Drehmoment- und Winkelstellungs-Informationen zu liefern, die für den effizienten Betrieb verschiedener Systeme in Fahrzeugen benötigt werden.

Ein Beispiel für ein solches System ist die elektrische Servolenkung (Electric Power Steering, EPS), bei der die unterstützende Kraft beim Drehen des Lenkrads nicht mehr hydraulisch, sondern von einem Elektromotor aufgebracht wird (Bild 1). Neben der schnelleren und intelligenteren Funktion sind ein geringerer Kraftstoffverbrauch und reduzierte CO₂-Emissionen sowie eine allgemein verbesserte Anwendung als Vorteile einer EPS-Lösung anzuführen. Das Drehen des Lenkrads wird von einem Winkelsensor erfasst, und die entsprechenden Daten werden an ein elektronisches Steuergerät (Electronic Control Unit, ECU) weitergegeben, das per CAN (Controller Area Network) in die übergreifende Fahrzeugelektronik eingebunden ist.

Der auf dem anisotropen magnetoresistiven Effekt (AMR) beruhende Winkelsensor TMAG6181-Q1 verfügt über integrierte Signalaufbereitungs-Verstärker, die analoge, differenzielle Sinus- und Cosinus-Signale am Ausgang ausgeben. Die weniger als 2 µs betragende Latenz des des Sensors und der Winkelfehler von 0,4° kommen der Leistungsfähigkeit und Effizienz des Gesamtsystems zugute. Integriert ist ebenfalls ein Umdrehungszähler, der die Motorumdrehungen bis zu einer Drehzahl von 32.000/min (im Normalbetrieb) bzw. 8.000/min (im Low-Power-Modus) zählen kann. Zusätzlich ist der Sensor mit verschiedenen Diagnosefunktionen ausgestattet, und seine Ausgänge werden im Sleep- oder Failure-Modus hochohmig geschaltet.

Das Verarbeiten von AMR-Ausgangssignalen und das Extrahieren der Winkelstellung des EPS-Motors oder des Lenkrads erfordert in der Regel einen Mikrocontroller. Der AMR-Winkelsensor im TMAG6181-Q1 liefert wahlweise massebezogene oder differenzielle Ausgangssignale, wobei letztere den Vorteil haben, dass Gleichtaktstörungen im System eliminiert werden.

Die differenziellen Sinus- und Cosinus-Ausgangssignale des AMR-Sensors sind proportional zum Winkel des angelegten Magnetfelds, und die Ausgangsspannungen des AMR-Sensors sind ratiometrisch zur Versorgungsspannung, damit sich der externe A/D-Wandler auf die Versorgungsspannung beziehen kann. Bild 2 zeigt das Blockschaltbild einer typischen Anwendung, in der die vier Ausgangssignale SIN_P, SIN_N, COS_P und COS_N an vier massebezogene A/D-Wandler geführt werden. Diese befinden sich in einem externen Mikrocontroller, der wiederum mit dem ECU des betreffenden EPS-Systems kommuniziert.

Sofern verfügbar, sollten zur Verbesserung der Zuverlässigkeit differenzielle A/D-Wandler verwendet werden, und die Lastkondensatoren und -widerstände sollten aufeinander abgestimmt sein, um eine hohe Genauigkeit zu gewährleisten. Zum Nachweis der Konformität ist für den TMAG6181-Q1 die Dokumentation für ISO-26262-Systeme bis ASIL B verfügbar.

AMR-Sensorik bei E-Bikes und Pedelecs

Eine weitere Anwendung sind E-Bikes. Damit die Leistung des Elektromotors bei diesen Pedelecs korrekt dosiert werden kann, muss die vom Radfahrer aufgebrachte Kraft erfasst werden. Für den effizienten Betrieb des Elektromotors wird ein Winkelsensor benötigt, dessen Informationen von einem Mikrocontroller so aufbereitet werden, dass eine effiziente und zuverlässige Ansteuerung des Motors sichergestellt ist. In der Regel sind AMR-Sensoren auf Winkel bis zu 180° beschränkt, der TMAG6180-Q1 sorgt mithilfe zweier unabhängiger Halleffekt-Sensoren für die X- und die Y-Achse dafür, dass der Winkelbereich des Sensors auf volle 360° erweitert wird.

Im Gegensatz zum Pedelec ist das Design eines E-Scooters weniger komplex, da lediglich der Drehwinkel des „Gasgriffs“ erfasst werden muss, um die Leistung des Elektromotors zu dosieren. Die Sicherheitsanforderungen sind für beide Fahrzeugtypen jedoch oftmals ähnlich anspruchsvoll wie in der Automobilindustrie. (kr)

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* Innocent Irakoze ist Product Marketing Engineer, Motor Drivers bei Texas Instruments.

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