Induktiver Positionssensor

Das Fraunhofer IMS entwickelt einen induktiven Positionssensor-ASIC mit ASIL-Funktionalität zur berührungslosen Bestimmung der Position eines metallischen Targets.

Induktiver Drehwinkelgeber

Induktiver Positionssensor-ASIC mit ASIL-Funktionalität zur berührungslosen Erfassung der Rotorposition eines Elektromotors

Positionssensor-ASIC mit ASIL-Funktionalität

Blockdiagramm des ASICs mit den Hauptfunktionen
© Fraunhofer IMS
Blockdiagramm des ASICs mit den Hauptfunktionen
Einsatz zur Erkennung der Position eines Drehknopfes mit metallischem Target (blau) und PCB-Spulen
© Fraunhofer IMS
Einsatz zur Erkennung der Position eines Drehknopfes mit metallischem Target (blau) und PCB-Spulen
Einsatz zur Erkennung der Position des Rotors eines Elektromotors, Spulen und Elektronik befinden sich innerhalb des dunklen Segments oberhalb des Targets.
© Fraunhofer IMS
Einsatz zur Erkennung der Position des Rotors eines Elektromotors, Spulen und Elektronik befinden sich innerhalb des dunklen Segments oberhalb des Targets.

Die Grundfunktion eines Positionssensors besteht in der Erfassung und Verarbeitung von Messdaten basierend auf der Position eines sich bewegenden Objekts. Induktive Positions­sensoren messen Winkelpositionen unter Verwendung der sich ergebenden Variationen der Magnet­feld­amplituden. Diese Amplituden werden beispielsweise durch Verschiebung oder Drehung des sich bewegenden Magneten induziert. Nachteile dieser traditionellen Lösung sind die Kosten des Magneten, die Betriebstemperaturbegrenzung und die Empfindlichkeit gegenüber magnetischen Streufeldern.

Der vom Fraunhofer IMS entwickelte ASIC kann in magnetfreien, berührungslosen, induktiven Positionssensoren eingesetzt werden. Diese Sensoren nutzen die physikalischen Prinzipien der Induktion in einer Drahtschleife und Wirbelströme, um die Position eines elektrisch leitenden Ziels zu erfassen, welches über einen Satz von Empfängerspulen gleitet oder sich dreht. Der Sensor selbst besteht aus einer Anordnung von PCB-Spulen und einem Target mit einer speziell geformten Schicht aus leitfähigem Material.

Jede Spule ist dabei Teil eines Schwingkreises, der durch ein hochfrequentes Sinussignal angeregt wird. Das dabei entstehende Magnetfeld induziert Wirbelströme in dem metallischen Target und das entsprechend resultierende Gegenfeld reduziert die Induktivität der Spule. Dementsprechend ändert sich sowohl die Amplitude des Schwingkreises als auch die Phase. Je nachdem, welche Fläche des leitfähigen Materials die Spule tatsächlich beeinflusst, variiert der beschriebene Effekt und es wird ein Signal vom ASIC ausgegeben, welches proportional zur Fläche des leitfähigen Materials ist.

Ein Sensorelement besteht dabei im Wesentlichen aus zwei Spulen, die jeweils Teil eines Schwingkreises sind. Vom ASIC kann somit eine Phasendifferenz zwischen den beiden Resonanzsignalen gemessen werden, wenn die Spulen asymmetrisch vom leitenden Material des Ziels beeinflusst werden. Die gemessene Phasendifferenz - und damit das resultierende Ausgangssignal - ist unempfindlich gegenüber magnetischen und elektrischen Einflüssen. Abbildung 1 zeigt das Blockdiagramm des ASICs.

Der nach ISO 26262 / ISO 61508 entwickelte ASIC (ASIL C) enthält spezielle Diagnose- und Redundanz-Funktionalitäten und kann sowohl für Linearbewegungen als auch in Drehsensoren (siehe Abbildungen 2 und 3) in Automobil-, Industrie-, Medizin- und Verbraucheranwendungen eingesetzt werden. Die Funktionalität des ASICs kann über ein Konfigurationsinterface und ein integriertes EEPROM in weiten Teilen an den speziellen Einsatzbereich angepasst werden (z. B. Frequenz des anregenden Sinussignals, Spulenabgleich, Signalverstärkung, etc.).

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