Magnetische detectie in automotive toepassingen

Moet immuun zijn voor magnetische strooivelden

Milieubewuste consumenten, wetgeving en stijgende brandstofkosten maken dat in de automotive wereld alles draait om efficiëntie. Om daar stappen in te zetten, kijkt de industrie nadrukkelijk naar technologie bij de ontwikkeling van de nieuwste elektrische- (EV) of hybride voertuigen (HEV), of om het vinden van manieren om voertuigen met een verbrandingsmotor (ICE) efficiënter te maken. In de autowereld mag dan bijna alles onzeker zijn, technologie is er in ieder geval niet meer weg te denken.

Een belangrijke ontwikkeling in de voertuigtechniek is dat veel toepassingen, die in het verleden mechanisch of hydraulisch zijn uitgevoerd, nu elektrisch of elektronisch kunnen worden opgelost. Denk daarbij aan elektrische gaskleppen, elektrische vloeistofpompen, elektrische turboladers en vooral de elektrische aandrijflijn in de batterijgevoede EV’s en HEV’s. De overstap naar elektrisch maakt voertuigen niet alleen efficiënter, maar ook betrouwbaarder en lichter. Naarmate de voertuigen lichter worden, wordt de efficiëntie nog verder verhoogd.
Al deze bewegende delen vereisen echter een nauwkeurige en betrouwbare detectie van de positie ervan, zodat de besturingsunit het systeem goed kan managen. Gezien de wens om waar mogelijk in het voertuig efficiencywinst te behalen, is hierbij een hoge mate van nauwkeurigheid vereist.

Magneetsensoren
Positiebepaling van bewegende delen is niet nieuw: resistieve of optische sensoren worden al vele jaren gebruikt om zowel lineaire- als hoekposities te meten. Hoewel deze methoden goed kunnen werken, zijn de sensoren gevoelig voor de vaak in voertuigen voorkomende verschijnselen als stof, vuil en trillingen. Dergelijke sensoren zijn immers zelf mechanische apparaten, waardoor ze kunnen slijten. Deze nadelen zijn niet aan de orde bij magnetische detectie, een techniek die meer en meer in de belangstelling staat. De zeer nauwkeurige magneetsensoren slijten immer niet en worden niet beïnvloed door omgevingsfactoren zoals vuil, stof en trillingen.
Hoewel magnetische detectie een belangrijke stap voorwaarts betekent op het gebied van betrouwbaarheid, is deze sensortechniek in het algemeen gevoelig voor magnetische strooivelden. Dit is voor voertuigontwerpers een uitdaging, niet in de laatste plaats omdat er steeds meer elektrische systemen in voertuigen worden verwerkt.

Storende velden
Elektrische motoren die EV’s en HEV’s aandrijven gebruiken aanzienlijke hoeveelheden elektrische energie. Dit brengt sterke magnetische velden met zich mee rondom de kabels die de elektrische stroom van de accu of alternator naar de motor leiden. Ook andere, kleinere stromen creëren magnetische velden. Auto’s zitten immers vol met allerlei andere elektrisch aangedreven apparaten die nodig zijn om bijvoorbeeld elektronische stuurbekrachtigingspompen (EPS) aan te drijven, ramen te openen en voor koeling te zorgen.
Elk magnetisch strooiveld in de buurt van een magneetsensor zal de nauwkeurigheid van deze sensor beïnvloeden en kan tot foutieve uitgangswaarden leiden, met soms catastrofale gevolgen. Een schuifdak dat niet goed sluit is vervelend, maar het onnauwkeurig detecteren van de positie van een rempedaal, gaspedaal of stuursysteem kan levensbedreigend zijn voor zowel inzittenden van het voertuig als personen in de directe omgeving.
Omdat de automobielindustrie veiligheid zeer serieus neemt, heeft zij normen ontwikkeld om de impact van magnetische strooivelden te bepalen. Een belangrijke norm is de ISO81452-8, die betrekking heeft op het testen van de immuniteit voor magnetische velden. Daarnaast definieert ISO26262 processen en procedures om ervoor te zorgen dat elektronica en sensoren zelf correct presteren en de veiligheid tijdens normaal gebruik en in geval van een storing is gewaarborgd.
Omdat de magneetsensoren zijn ontworpen om het magnetische veld te meten dat wordt geproduceerd door een nabijgelegen magneet die verbonden is met het te meten voorwerp, zijn traditionele vlakke en verticale Hall- en magnetoresistieve (MR) sensoren gevoelig voor de strooivelden in voertuigen. Aangezien de door elektrische stromen gecreëerde magnetische strooivelden (vooral de enorme stromen voor de motoren van de hoofdaandrijving) groot kunnen zijn, kan men niet vertrouwen op traditionele magnetische detectie zonder maatregelen te nemen om het effect van de strooivelden te beperken. Bij magnetische hoeksensoren kunnen fouten optreden van meer dan 10°. Dat is aanzienlijk, als je bedenkt dat systemen als kleppen of gasklephuizen een maximale rotatie van 90° hebben. Bij pedalen is dat nog veel minder, met soms een maximale rotatie van slechts 15°. Niettegenstaande de implementatie van belangrijke veiligheidsvoorzieningen bij het sturen en remmen zou in dit geval de motorsturingseenheid (ECU) niet in staat zijn om de motorfuncties doeltreffend te managen en zouden vele andere functies aanzienlijk worden beperkt.