Lenkwinkelsensoren für EPS-Systeme Wie biegen autonome Fahrzeuge sicher ab?

Das Lenksystem eines Fahrzeugs ist ein Mechanismus, der die Richtung der Räder auf der Grundlage des Winkels ändert, in dem das Lenkrad gedreht wird. Servolenkungen unterstützen den Fahrer, indem sie das Einschlagen der Reifen durch eine leichte Berührung des Lenkrads ermöglichen. Früher wurden diese Servolenksysteme hydraulisch betrieben, sind aber heute durch elektrische Servolenkungen (EPS; Electric Power Steering) ersetzt worden, die eine Hydraulikpumpe, Schläuche und einen Antriebsriemen zum Verbrennungsmotor erübrigen. Sie bieten zudem den Kostenvorteil eines geringeren Kraftstoffverbrauchs.

Ein EPS-System besteht aus Elektromotoren, Sensoren und einer elektronischen Steuerung, um die Lenkunterstützung zu gewährleisten. Der Motor treibt ein Getriebe an, das entweder mit der Lenksäule oder der Zahnstange verbunden ist, und die Sensoren messen das Lenkmoment (Lenkkraft) sowie die Drehgeschwindigkeit und Winkelposition des Lenkrads. Das elektronische Steuermodul interpretiert diese Drehmoment-, Geschwindigkeits- und Positionsdaten zusammen mit der Fahrzeuggeschwindigkeit und anderen Fahrwerksdaten, um die Reifen entsprechend einzulenken.

Da EPS-Systeme elektronisch gesteuert werden, können sie Fahrzeuge ohne Zutun des Fahrers lenken und werden bereits für Parkassistenzsysteme mit automatischer Lenkung und elektronischer Stabilitätskontrolle (ESC) eingesetzt. Außerdem unterstützen EPS-Systeme den Übergang von Verbrennungsmotoren zu batteriebetriebenen Fahrzeugen. Die in diesen EPS-Systemen verwendeten Lenkwinkelsensoren müssen jedoch sehr genau sein, um das autonome Fahren effektiv und sicher umzusetzen.

Fortschritte bei Lenksensoren

In der Regel kommen Hallsensoren für die Lenkwinkelerfassung zum Einsatz, wobei die Stärke oder Änderung von Magnetfeldern gemessen wird. Mit zunehmender Datenverarbeitung und Elektrifizierung in Fahrzeugen stören jedoch die magnetischen Streufelder, die von den E-Motoren oder Stromleitungen in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen erzeugt werden, die Funktion des Sensors. Die Minderung dieser Störung ist daher zu einem immer wichtigeren Thema geworden.

TDK geht diese Herausforderung mit dem Sensor HAL 39xy an, der Streufelder kompensiert. Der Sensor basiert auf der patentierten 3D-HAL-Pixelzellentechnik von TDK, die dazu beiträgt, Magnetfelder genau zu messen und gleichzeitig unempfindlich gegenüber Streufeldern zu sein.

Der kompakte vier in eins Sensorchip unterstützt Linearmessung, die Messung von zwei Rotationspositionen bis zu 180 und 360 Grad sowie 3D-Magnetfeldmessungen in x-, y- und z-Achse. Der Sensor verwendet unterschiedliche Anordnungen von Hall-Platten innerhalb des Chips, um die Leistungsfähigkeit in jedem Modus zu optimieren. Da alle vier Modi in einem einzigen Baustein integriert sind, bietet der Sensor klare Vorteile für Entwickler, da sie nur ein Bauteil statt vier qualifizieren müssen.

Der stromsparende Sensor unterstützt verschiedene digitale Schnittstellen für fahrzeuginterne Netzwerke, einschließlich SENT/PSI5 und Short PWM Code (SPC). SPC ist eine Erweiterung des Standard-SENT-Protokolls gemäß SAE J2716. Es ermöglicht die Datenübertragung basierend auf einem Triggerimpuls, der von einer externen ECU gesendet wird und unterstützt Punkt-zu-Punkt-Verbindungen sowie einen Single-Wire-Bus-Modus mit bis zu vier Sensoren.

Der HAL 39xy ist ein ASIL-B-fähiger SEooC-Sensor (Safety Element out of Context), der gemäß ISO 26262 entwickelt wurde, um funktionale Sicherheit zu unterstützen. Der Sensor kommt bereits in Lenkwinkelerfassungssystemen für autonome Fahrzeuge zum Einsatz.

Weitere Sensoranwendungen

Darüber hinaus werden derzeit Lösungen wie die Lenkwinkelerfassung in Steer-by-Wire-Systemen für den praktischen Einsatz entwickelt, die eine natürliche Ergänzung zum fortschrittlichen autonomen Fahren sind. Steer-by-Wire beseitigt die mechanische Verbindung zwischen dem vom Fahrer gesteuerten Lenkrad und dem Einschlagen der Reifen. Stattdessen wird die Lenkung über elektrische Signale umgesetzt. Darüber hinaus kann der HAL 39xy noch mehr X-by-Wire-Systeme unterstützen, wie Brake-by-Wire und Shift-by-Wire (Bremsen und Gangwechsel).

Die 3D-Sensoren eignen sich auch für zahlreiche andere Anwendungen, unter anderem für alle Arten von Ventilen und Stellgliedern, Wähl- und Schalthebeln, Pedalpositionserkennung, Positionserkennung in Getrieben oder zur Fahrgestellpositionserkennung.