Messung in automobilen Anwendungen: Einsatzgebiete von Drehwinkelsensoren

Bei der exakten Erfassung von Daten spielen die Umgebungsbedingungen eine große Rolle. So sind etwa Drehwinkelsensoren, die die Fahrzeugneigung (Einfederungswerte) messen und zur Niveau- und / oder Leuchtweitenregulierung dienen, quasi offen im Aufhängungsbereich des Fahrzeugs platziert. Dadurch sind sie teils widrigen Bedingungen ausgesetzt. Umso wichtiger ist die Unempfindlichkeit der Drehwinkelsensoren gegenüber Nässe (beispielsweise Wasserdichtigkeit, IP6K9K) und Temperaturänderungen. Die CIPOS®-Sensor-Technologie von HELLA funktioniert nicht nur berührungslos und damit mechanisch unabhängig, sondern erfüllt auch aufgrund der stabilen Konstruktion des Chassis die Anforderungen an die Zuverlässigkeit. Die Elektronik ist zum Beispiel in einem lasergeschweißten Gehäuse aus Polyamid PA66 untergebracht.

Die Betätigungsmechanik muss leichtgängig und robust gegenüber mechanischen Einwirkungen und Umwelteinflüssen sein. Die eigentliche Bewegung wird mithilfe eines Verbindungselements aus Metall oder Kunststoff über einen Rotor in eine Drehbewegung umgewandelt. Den exakten Drehwinkel misst der Sensor mit Hilfe des Induktionsverfahrens. Auf Basis der Werte erfolgt die Regulierung der Leuchtweite (Hell-/Dunkelgrenze) der Scheinwerfer über das Leuchtweiten-Steuergerät durch elektrische Steller. Zusätzlich dienen die Werte zur aktiven Fahrwerksregelung oder sie fließen in die ESP-Regelung mit ein.

HELLA bietet beispielsweise auch Sensoren mit integriertem Leuchtweiten-Steuergerät an (Sensor Integrated Electronic Control Unit, SIECU). Mehr zum Thema Leuchtweitenregulierung, zur Technik und etwaigen Ausfallursachen finden Sie hier

Das Messprinzip eines Lenkwinkelsensors basiert ebenfalls auf der induktiven, reibungsfreien CIPOS®-Technik. Die Sensoren sind heute oftmals direkt in das Lenksteuermodul der elektromechanischen Servolenkung integriert und müssen daher klein und kompakt sein. Der geringe Bauraum erfordert eine robuste, zuverlässige und gleichzeitig präzise Messtechnik. Das Messprinzip eines Lenkwinkelsensors erfasst den Verdreh- und den großen Torsionswinkel der Welle. Dies erfordert eine hohe Messgeschwindigkeit und im Ergebnis absolut exakte Werte. Zudem muss der Sensor ein hohes Maß an elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) aufweisen. Zusätzlich bieten separate Winkelinformationen der Ausgangs- und Eingangswellen verschiedene Möglichkeiten zur Optimierung der Lenksystemleistung und der Funktionalität.

HELLA bietet zudem auch kombinierte Lenkmoment- und Lenkwinkelsensoren an. Das Lenkmoment beschreibt die Kraft in Nm, die nötig ist, das Lenkrad – abhängig von der Fahrgeschwindigkeit, der Lenkaufgabe und des Lenkwinkels – zu betätigen. Dabei soll die Lenkeingabe des Fahrenden so sicher und komfortabel wie möglich ausfallen. Das Lenkrad muss jedoch auch entsprechendes Feedback geben.

Im Übrigen muss der Werkstattprofi, beispielsweise nach Einstell- und Vermessungsarbeiten am Fahrwerk auf die „Nullung“ des Lenkwinkelsensors achten. Stimmen Lenkwinkel und Fahrtrichtung nicht überein, kann es Probleme mit Assistenzsystemen wie dem Stabilitätsprogramm geben. Hierbei sind die Informationen des jeweiligen Fahrzeugherstellers zu beachten.

Machten früher beim Drosselklappen-Potentiometer verschlissene Leiterbahnen Probleme und führten zu einem unrunden Motorlauf, ersetzen heute ebenfalls berührungslose Drehwinkelsensoren mit CIPOS®-Technologie das Bauteil. In Abhängigkeit des Öffnungswinkels der Drosselklappe sowie der Betätigungsgeschwindigkeit werden die Einspritzmenge und der Zündwinkel korrigiert. Zusätzlich dient das Signal des Drosselklappen-Positionssensors zur Erkennung der Teillast in Abhängigkeit der Motordrehzahl und der angesaugten Luftmasse sowie zur Volllasterkennung (Drosselklappe voll geöffnet) und Deaktivierung der Lambdaregelung sowie der Gemisch-Anreicherung. Bei modernen Fahrzeugen besteht keine mechanische Verbindung mehr zwischen Gaspedal und Drosselklappe. In Anhängigkeit der Werte des elektronischen Fahrpedalsensors (ebenfalls mit CIPOS®-Technologie) wird vom Motorsteuergerät der Drosselklappenstellmotor angesteuert. In dem Zusammenhang fällt auch der Begriff „Gas-by-Wire“. Die exakte Position der Drosselklappe wird dabei permanent an das Motorsteuergerät zurückgemeldet.

Die CIPOS®-Drehwinkelsensoren (Contact Less Inductive Position Sensor) von HELLA lassen sich bei zahlreichen Anwendungen einsetzen, um Winkel präzise und zuverlässig zu messen. Die Winkelbestimmung erfolgt dabei induktiv über ein berührungsloses und verschleißfreies Verfahren. Dadurch ist die hohe Messgenauigkeit über die gesamte Lebensdauer gewährleistet. Da kein Magnet benötigt wird, garantieren die Drehwinkelsensoren auch die Unempfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern und Starkstromleitungen. Damit ist die Technologie ideal für den Einsatz in Elektrofahrzeugen geeignet.

Speziell die redundanten Drehwinkelsensoren (Doppelsensoren) ermöglichen eine Ausfallerkennung und damit eine höhere Sicherheit des Gesamtsystems. Durch eine sich wiederholende Kennlinie des Ausgangssignalverlaufs (abhängig von der verwendeten Sensorstruktur) sind unterschiedliche Einbaulagen realisierbar. Das erhöht die Anzahl an Einsatzmöglichkeiten. Die CIPOS®-Drehwinkelsensoren sind je nach Anforderung für folgende Schnittstellen zur Datenübertragung ausgelegt: analog, PWM, PSI 5 (periphere Sensorschnittstelle mit Zweidrahtleitung) oder SENT.

Der Vorteil, beispielsweise von Sensoren mit SENT-Schnittstelle (Single-Edge-Nibble-Transmission), ist die abgegebene digitale Signalspannung, die auf dem Weg vom Sensor zum Steuergerät nicht verfälscht werden kann. Zusätzlich bietet es gegenüber der pulsweiten- oder frequenzmodulierten Datenübertagung den Vorteil, dass in einem Datenprotokoll bis zu sechs Datenpakete übertragen werden können. So ist die Aufnahme von mehreren, unterschiedlichen Messwerten möglich.

Autor: Georg Blenk, Krafthand Medien