Im Zuge globaler Initiativen zur Verringerung der von Verbrennungsmotoren ausgehenden Treibhausgase werden von Erstausrüstern (OEMs) aus mechanischen Systemen elektronisch gesteuerte Systeme entwickelt. Ausgefeilte Systemkonnektivit?t und intelligente Bauteile erm?glichen autonomes Fahren. Um die Einhaltung der Sicherheitsanforderungen wie der ISO 26262 zu erm?glichen, werden zunehmend Elektronik- und Softwarealgorithmen nachgefragt.

Sensoren, insbesondere Winkelsensoren, sind ein integraler Bestandteil von Systemen, welche die Anforderungen an die Funktionssicherheit erfüllen müssen. Mit ihnen k?nnen Drehmoment- und Winkeldaten erfasst und bereitgestellt werden, die für eine effiziente Bedienung und Auslastung verschiedener Automobilsysteme erforderlich sind.

Entwicklung von EPS-Systemen

Eine elektrische Servolenkung umfasst die Lenks?ule, einen elektronisch gesteuerten Lenkmotor und eine elektronischen Sensor- und Steuermechanismus. Ein Elektromotor, meist ein bürstenloser Gleichstrommotor, unterstützt beim Lenken, wenn der Fahrer das Lenkrad dreht, und ersetzt das herk?mmliche mechanische bzw. hydraulische System.

Zu den Vorteilen eines EPS-Systems geh?ren eine schnellere und intelligentere Ansteuerung, weniger CO2-Emissionen, geringerer Kraftstoffverbrauch und ein besseres Fahrerlebnis. Der Fahrer sitzt am Steuer. Der Sensor erkennt die Position der Lenkmotorwelle und die Drehung des Lenkrads und sendet die Daten an ein elektrisches Steuerger?t (ECU). In Abbildung 1 sind die grundlegenden Elemente eines EPS-Systems hervorgehoben.

Die zur Entwicklung eines EPS-Systems verwendeten Komponenten umfassen einen Mikrocontroller, Sensoren, Stromversorgung, Motortreiber und Transistoren. Diese sind für die effiziente Kommunikation und Bedienung des Systems unerl?sslich. Wie in Abbildung 2 dargestellt, dient ein CAN-Bus als Schnittstelle zu den Steuerger?ten im Fahrzeug.

Der TMAG6181-Q1 ist ein anisotroper magnetoresistiver (AMR) Winkelsensor mit integrierten Signalkonditionierungsverst?rkern, die differenzielle Sinus- und Kosinus-Analogausg?nge in Bezug auf die Richtung des angewandten in-Plane-Magnetfelds bereitstellen.

Dank der Latenz des TMAG6181-Q1 von <2 μs und des geringen Winkelfehlers von 0,4° werden Leistung und Effizienz des Systems deutlich gesteigert. Der integrierte Umdrehungsz?hler des Sensors kann bis zu 32.000 Motorumdrehungen pro Minute (1/min) im Normalbetrieb und bis zu 8.000 1/min im Energiesparmodus verarbeiten. Au?erdem werden mehrere Diagnosefunktionen auf Ger?te- und Systemebene zur Erkennung, überwachung und Meldung von Fehlern im laufenden Betrieb unterstützt. So gehen beispielsweise die Ausg?nge des Sensors TMAG6181–Q1 AMR im Ruhe- oder Fehlermodus in einen Hochimpedanzzustand über. Um die Fehlererkennung durch den Mikrocontroller zu gew?hrleisten, werden Pulldown- oder Pullup-Widerst?nde empfohlen.

Für die Verarbeitung von AMR-Ausgangssignalen und die Ermittlung der Winkelposition des Motors bzw. Lenkrads im EPS wird in der Regel ein externer Mikrocontroller ben?tigt. Der AMR-Winkelsensor des TMAG6181-Q1 kann entweder mit asymmetrischem oder mit Differenzausgang verwendet werden; letzterer beseitigt Gleichtaktst?rungen im System. Die Differenzausgangssignale des AMR-Sensors sind proportional zum Winkel des angewandten Magnetfelds. Die Ausgangsspannungen des AMR-Sensors sind Verh?ltnisgr??en zur Versorgungsspannung um sicherzustellen, dass der externe A/D-Wandler die Versorgungsspannung referenzieren kann.

In Abbildung 3 ist ein typisches Anwendungsdiagramm abgebildet, in dem die Differenzausgangssignale SIN_P, SIN_N, COS_P und COS_N mit vier einseitig geerdeten Analog-Digital-Wandlern in einem externen Mikrocontroller verbunden werden, der in einem EPS-System mit dem Steuerger?t kommuniziert.

Empfohlen wird nach M?glichkeit der Einsatz von differenziellen A/D-Wandlern, da sie die Zuverl?ssigkeit erh?hen. Um eine hohe Genauigkeit zu erzielen, müssen die Lastkondensatoren und Widerst?nde aufeinander abgestimmt sein. Der TMAG6181-Q1 kann kapazitive Lasten von bis zu 10 nF direkt an den AMR-Ausgangspins und ohmsche Lasten für Source- und Sink-Str?me von bis zu 1 mA ansteuern. Dies erm?glicht den reibungslosen und zuverl?ssigen Betrieb eines EPS-Systems.

Zur Vereinfachung der Konformit?t ist für den TMAG6181-Q1 eine Dokumentation nach ISO 26262 bis Automotive Safety Integrity Level B verfügbar.

Entwicklung von Systemen für E-Bikes und E-Roller

Ein E-Bike ist ein Fahrrad mit fünf Hauptkomponenten: Elektromotor, Batterie, Steuerungen, Sensoren und Display. Der Motor liefert die zus?tzliche Leistung zum Pedalieren und ist ein unverzichtbarer Bestandteil des E-Bikes. Das effiziente und zuverl?ssige Drehen des Motors (der am Vorderrad, am Tretlager oder am Hinterrad montiert werden kann) erfordert einen Winkelsensor, wie im Blockschaltbild in Abbildung 4 dargestellt.

Ein E-Roller ist ein Motorroller, der auf Elektroantreb umgerüstet wurde. Das Design des Motorantriebssystems ist dem eines E-Bikes sehr ?hnlich, nur weniger komplex. Im E-Roller muss lediglich der Elektromotor mit Strom versorgt werden, wenn der Gasgriff bet?tigt wird. Im E-Bike muss jedoch auch die Pedalleistung des Radfahrers gemessen werden, um die ben?tigte Motorleistung zu ermitteln.

In einigen Regionen gelten für E-Bikes und E-Roller ?hnliche Sicherheitsstandards wie für die Automobilindustrie.

In Abbildung 4 werden die zur Entwicklung eines E-Bike-Systems ben?tigten Komponenten beschrieben. Winkelsensoren melden den Winkel, der dann vom Mikrocontroller berechnet wird, um den Motor effizient und zuverl?ssig zu drehen. AMR-Sensoren sind in der Regel auf 180° begrenzt, aber mit zwei unabh?ngigen Hall-Effekt-Sensorausg?ngen an X- und Y-Achse des TMAG6180-Q1 kann der Winkelbereich des Sensors auf 360° erweitert werden.

Fazit

Moderne Fahrzeuge und E-Bikes verfügen über mehrere Steuerger?te für die Versorgung und Steuerung wegweisender Funktionen. Die Entwicklung eines EPS-Systems, eines E-Bikes oder E-Rollers erfordert pr?zise Steuerger?te, die einen effizienten und zuverl?ssigen Betrieb gew?hrleisten. Der TMAG6181-Q1 erm?glicht eine schnellere und pr?zisere Motorsteuerung zur Verbesserung der Systemleistung.

Weitere Ressourcen

• Texas Instruments, Tool für Evaluierungsmodul TMAG6180–6181.
• Texas Instruments, Funktionale Sicherheit in der Automobilindustrie und wie TI Kunden mit hochpr?zisen Positionssensoren unterstützt – technisches Whitepaper.
• Texas Instruments, Vorteil der geringen Stromaufnahme durch die Anzahl der Windungen in der Beschreibung der AMR-Sensoranwendung .