Für die Positionsmessung in elektrohydraulischen und elektromechanischen Bremssystemen stehen Entwicklerinnen und Entwicklern heute unterschiedlichste Sensorlösungen zur Verfügung. Besonders etabliert haben sich Hall- und TMR-basierte Sensoren. Beide bieten spezifische technische Vorteile in Bezug auf Montageflexibilität, Störfestigkeit und Signalqualität. Welches Prinzip sich am besten eignet, hängt wesentlich von den Systemanforderungen und den geplanten Sicherheitsarchitekturen ab. Im Folgenden werden die wichtigsten Eigenschaften beider Technologien verglichen, um die zielgerichtete Auswahl für anspruchsvolle Bremsanwendungen zu erleichtern.
Hall, TMR – und ihre Kombination
Da Hall- und TMR-Sensoren auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien basieren, ergänzen sie sich in ihrer Funktionalität. Durch ihre Kombination ergeben sich zusätzliche Möglichkeiten für hochsichere und präzise Positionsmessungen in elektrischen Bremssystemen.
- Hall-Sensoren liefern absolute Positionen und bieten ausreichend Dynamik für rotierende Messaufgaben, wie BLDC-Motoren (ca. 70 kHz).
- TMR-Sensoren sorgen für eine sehr hohe Winkelauflösung und Dynamik, insbesondere bei periodisch bewegten oder rotierenden Komponenten, wie sie etwa in BLDC- und AC-Motoren und Aktuatoren zu finden sind. Je nach Aufbau liefern TMR-Sensoren mechanisch absolute oder elektrisch-absolute Positionen. Letztere werden auch inkrementale Positionen genannt, d. h. 2-pol-Magnet für absolut bzw. Multi-pol-Magnet für inkrementelle Messung.
- Kombinierte Lösungen ermöglichen eine heterogene Redundanz für sicherheitskritische Systeme und bieten damiteine gute Grundlage für anspruchsvolle Anwendungen wie Brake-by-Wire oder redundante Steer-by-Wire Lenksysteme.
Tabelle 1 gibt einen Überblick über die typischen Eigenschaften, Einsatzbereiche und Unterschiede der beiden Sensortypen.
Tabelle 1: Vergleich von Hall- und TMR-Sensoren in der Anwendung
| Kriterium | Hall-Sensoren | TMR-Sensoren |
|---|---|---|
| Messprinzip | Erfassung der absoluten Position (z. B. Winkel, Linearbewegung) bei einem Aufbau mit mehreren horizontalen und vertikalen Hall-Platten On-axis (2-pol-Magnet) für dynamische absolute Positionen / mechanische Domäne (Nutzung von 1 HAL 302x Sensor mit bis zu sechs Z-sensitiven Hall-Platten) | On-axis (2-pol-Magnet) für absolute Positionen / mechanische Domäne (Nutzung von gesättigten XY-TMR oder linearerer TMR) Off-axis (Multipol-Magnet) für inkrementelle Messung / elektrische Domäne, XY-gesättigte oder lineare TMR |
| Typische Anwendungen | BLDC-/AC-Motor-Rotorlage (bei HAL 302x), Pedalstellung, Geberzylinder, Endlagen, absolute Referenzpunkte | BLDC-/AC-Motor-Rotorlage, Aktuatoren, dynamische Bewegungen |
| Montageart | On-Axis-Layouts, auch als lineare und 3D-Variante verfügbar | Vorzugsweise radiale Messung mit mehrpoligen Magnetringen |
| Magnetisches Störfeldverhalten | Kompensation über differenzielle Strukturen (z. B. 6ZD) möglich | Kompensation durch Verwendung eines stärkeren Magneten oder magnetisch differentiellen linearen TMR |
| Empfindlichkeit | Geringer, integrierte Verstärker verstärken die Sinus-/Cosinus-Signale auf 4 Vpp | Sehr hoch, erlaubt die direkte µC-Verbindung ohne Verstärkung (3 Vpp), lineare TMR benötigen einen externen Verstärker |
| Signaltyp | Sinus-/Cosinus-Signale oder Ausgabe des berechneten Winkels | Sinus-/Cosinus-Signale oder Ausgabe des berechneten Winkels |
| Signalverarbeitung | Integrierte Streufeldkompensation reduziert externen Aufwand, dynamische Fehlerkompensation erforderlich für sehr hohe Genauigkeit von < 0.1° | Direkte Nutzung der Sinus-/Cosinus-Ausgänge ohne Bedarf einer Verstärkung. Bei Streufeld-kompensiertem System ist ein Verstärker sinnvoll, der eine intrinsische Streufeldkompensation ermöglicht. |
| Stärken | Absolute Position, hohe Dynamik, sehr robust gegenüber mechanischen Toleranzen, kompakte On-Axis-Integration, verwendbar für Remote- und On-Board-Applikationen | Hohe Auflösung, sehr großer Dynamik-Bereich, robuste Off-Axis-Messung, hohe Signal-Stabilität über Lebensdauer |
| Schwächen | Radiale Montage erfordert präzise Magnetführung | Liefert bei Off-Axis Integration keine absolute Position ohne zusätzliche Referenz |
In sicherheitskritischen Systemen ist häufig eine Kombination beider Technologien sinnvoll. Hall- und TMR-Sensoren messen grundsätzlich dasselbe magnetische Signal, nutzen aber unterschiedliche physikalische Prinzipien. Diese Diversität steigert die Systemrobustheit und ermöglicht eine heterogene Redundanz gemäß funktionaler Sicherheit (z. B. ASIL D). Fällt ein homogener Teil, beispielsweise eine Hall-Sensorik, komplett aus, bleibt die TMR-Sensorik funktionsfähig, sodass selbst in einer „common cause emergency operation“ noch ASIL D erreicht werden kann. Da die möglichen technologiebezogene Ausfallmechanismen unterschiedlich sind, lassen sie sich sehr differenziert beobachten und erlauben daher eine sehr hohe „Diagnostic coverage“, die auch „Fail operational“-Konzepte von Applikationen unterstützen und somit sehr hohe Verfügbarkeiten erreichen lassen. Entwicklerinnen und Entwickler sollten prüfen, welche Sensorkonfiguration am besten zu den Anforderungen an Genauigkeit, Störfestigkeit und Safety passt.
Positionsmessung in elektrohydraulischen Bremsaktuatoren
Am Beispiel elektrohydraulischer Bremsaktuatoren werden die unterschiedlichen Integrationsmöglichkeiten von Hall- und TMR-Sensoren sowie deren jeweiligen Eigenschaften aufgezeigt. Die Implementierungsvarianten unterscheiden sich teils deutlich in Bezug auf Genauigkeit, Streufeldtoleranz und Systemaufbau:
- On-Axis-Integration mit Hall-Sensoren (Abbildung 1):
Hall-Sensoren wie die HAL 302x-Serie werden direkt in Flucht der Achse verbaut. Sie sind kompakt, robust gegenüber Streufeldern und ermöglichen PCB-lose sowie redundante Designs mit einseitiger PCB-Bestückung. Ihre absolute Genauigkeit über Temperatur und Lebensdauer liegt praxisnah bei etwa 0,5 bis 0,6°, was für viele Brems- und Aktuatoranwendungen ausreichend ist. Bei höheren Anforderungen an die Genauigkeit, kann ein externer Mikrocontroller eine dynamische Fehlerkompensation durchführen, wodurch eine Genauigkeit von bis zu 0,1° erreicht werden kann. - On-Axis-Integration mit TMR-Sensoren (Abbildung 2):
TMR-Sensoren (z. B. TAS224x oder TAS214x) erreichen in Stack-Konfiguration eine Präzision von 0,3° und mit dynamischer Kompensation sogar bis zu 0,1°. Die direkte Verbindung zum Mikrocontroller ohne externe Verstärkung vereinfacht die Schaltungsarchitektur und ermöglicht kompakte Designs. Allerdings muss die Streufeldkompensation hier meist über Software oder mindestens einen zweiten TMR-Sensor umgesetzt werden. Bei der Nutzung zweier linearer TMR-Sensoren kann eine streufeldrobuste Positionsermittlung ähnlich wie in Bild 1 stattfinden; dann werden externe Verstärker benötigt. Somit ist eine einseitige PCB-Bestückung möglich. - Off-Axis-Integration mit TMR-Sensoren (Abbildung 3):
In radialer Anordnung mit mehrpoligen Magnetringen detektieren TMR-Sensoren die magnetische Periode. Diese Architektur bietet eine sehr hohe Streufeldtoleranz bereits auf Hardwareebene und eignet sich insbesondere für dynamische Anwendungen wie BLDC-Motoren, bei denen kein Platz am Ende der Welle besteht. Die kurze Signalverarbeitungslatenz und die hohe Modularität der Sensormodule tragen entscheidend zur Implementierungsfreundlichkeit bei. Zu beachten ist jedoch, dass sie keine absoluten, sondern relative Positionen mit einer Genauigkeit von 0,5 bis 1° liefern, was für elektromotorische Kommutierung und Aktuatorregelung oft ausreicht.
Technologie trifft Applikationsanforderung
Die Wahl der Sensorik richtet sich nicht nur nach technologischen Merkmalen, sondern vor allem nach der konkreten Anwendung: Welche Position soll gemessen werden? Welche Anforderungen gelten für Genauigkeit, Dynamik, EMV und funktionale Sicherheit?
On-Axis-Hall-Sensoren bieten eine robuste, einfache Integration sowie eine gute Streufeldtoleranz. On-Axis-TMR-Sensoren liefern eine hohe Genauigkeit, benötigen aber eine Kompensation gegen Magnetfeldstörungen. Off-Axis-TMR-Architekturen sind prinzipbedingt unempfindlich gegenüber Störeffekten und ideal für dynamische Anwendungen wie die „elektrische Position“ von Motoren geeignet.
Die beste Lösung hängt vom jeweiligen Sicherheits-, Genauigkeits- und Stabilitätsbedarf ab. Der klare Trend zeigt: Die gezielte Kombination beider Technologien vereint ihre Stärken und sorgt für eine ausgewogene Kombination aus Leistung, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit.
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