Funktional sicher und robust

Magnetischer Positionssensor mit PSI5-Schnittstelle

23. Oktober 2017, 10:00 Uhr | Von Markus Zieserl und Roland Einspieler

PSI5 hat sich als Standard für sichere und schnelle Sensorsysteme etabliert. Er überzeugt mit Vorteilen wie einer in Hinsicht auf EMV robusten Datenübertragung und einem niedrigen Systemaufwand. Doch beim Einsatz von magnetischen Positionssensoren gestaltet sich PSI5 als Herausforderung.

Aufgrund rasant ansteigender Anforderungen an die elektronischen Baugruppen und Komponenten in Fahrzeugen sehen sich Zulieferer dieser Bauteile Herausforderungen wie dem ISO-26262-Standard und einer strenger definierten System-EMV gegenüber. Zusätzlich fordert die Industrie eine ständige Optimierung in der Kostenstruktur dieser Bauteile.

Ein wesentlicher Aspekt im Rahmen der neuen Anforderungen ist die Weiterentwicklung und Auswahl der richtigen Kommunikationsschnittstelle zwischen den Komponenten und Baugruppen. Diese werden in Arbeitskreisen, unterstützt durch Zulieferer und Automobilhersteller, definiert. Auf Sensorebene haben sich folgende neue digitale Schnittstellen etabliert: Single Edge Nibble Transmission (SENT) und Peripheres Sensor Interface 5 (PSI5). Beide können die geforderte Diagnoseabdeckung der Sensorbaugruppe und der Übertragung erfüllen.
Berücksichtigt man den vorherrschenden Trend im Wechsel von kontaktbehafteten hin zu kontaktlosen magnetischen oder induktiven Positionssensoren, so müssen diese den ISO-26262-Standard und die System-EMV-Anforderungen erfüllen können. PSI5-Schnittstellen sind hier eine mögliche Wahl. Das stellt vor allem bei magnetischen Positionssensoren eine große Herausforderung dar.

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PSI5-Schnittstelle an magnetischen Positionssensoren

Mit der PSI5-Schnittstelle wird ein strommodulierter digitaler Manchester-Code gesendet. Das ermöglicht aufgrund des relativ hohen Stromes eine EMV-sichere Übertragung der Positionsdaten und Diagnoseinformationen des Sensors.

Zusätzlich bietet eine im Protokoll vorhandene CRC-Absicherung (Cyclic Redundancy Check, zyklische Redundanzprüfung) die Erkennung einer fehlerhaften Übertragung, die zum Beispiel durch eine Störung am Kabelbaum verursacht wurde. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, bis zu drei PSI5-Sensoren auf einem PSI5-Bus zu betreiben, und somit die Kosten für Kabelstränge und Anschlüsse weiter zu minimieren (Bild 1).

PSI5 ist ein strommodulierendes Schnittstellenprotokoll. Der Sensor moduliert mit einem Transmitter zusätzlich auf den PSI5-Basisstrom (19 mA) einen höheren Strom (Manchester-codiert bis zu 49 mA) auf. Bei der Anwendung im Positionssensor wird die Winkel- sowie die Positionsinformation über diese Modulation an das Steuergerät (Electronic Control Unit, ECU) gesendet.

Der PSI5-Standard bietet zwei Arten der Kommunikation an:

den asynchronen und
den synchronen Modus.

Im asynchronen Modus sendet der Sensor permanent (alle 500 µs oder 250 µs) die Sensorinformation zur ECU. Im synchronen Modus ist der Sensor nach dem Hochstarten im Stand-by-Modus. Damit der Sensor die Informationen zur ECU sendet, wird zuerst von der ECU ein Spannungspuls (Sync Puls) gesendet. Dieser Spannungspuls wird durch den im Sensor integrierten Receiver erkannt. Danach sendet der Sensor die codierte Information zum Steuergerät. Dieser Modus ermöglicht eine Reduzierung des Strombedarfs, weil der Sensor nicht permanent den Manchester-Code senden muss.

Abhängig von der Einstellung und der PSI5-Standardversion wird zwischen einer 10-bit- oder 20-bit-Information (PSI5 V1.3 bzw. PSI5 V2.x) unterschieden. Speziell der Modus PSI5-V2.x unterstützt mit den zusätzlichen Diagnoseinformationen das Erreichen eines hohen Zuverlässigkeitsgrades in sicherheitsrelevanten Applikationen im Automobilsektor (Bild 2). Diese Art der Informationsübertragung ist durch den relativ hohen Strom robust und sicher gegen mögliche EMV-Störungen, die direkt am Kabelbaum auftreten können. Durch den alternierenden Strom während der Kommunikation stellt sie aber zugleich selbst eine Art Störung dar, die direkt am Sensor wirksam werden kann. Bei magnetischen Positionssensoren kann dadurch ein erhöhtes Ausgangssignalrauschen oder auch eine Winkelinformationsänderung verursacht werden.

Die PSI5-Kommunikation ergibt ein magnetisches Störfeld direkt am Sensor-IC von 1 mA/µm, was wiederum etwa 1000 A/m Störfeld entspricht. Die klassischen Abhilfemaßnahmen sind nur bedingt geeignet, um einen dadurch verursachten Fehlerfall zu verhindern.

Um das besser zu veranschaulichen, dient nachfolgendes Anwendungsbeispiel, der Einsatz eines magnetischen Positionssensors:

Nach erfolgter Messung der Position durch den Sensor wird die Information in einem RAM gespeichert. Während der Kommunikation mittels PSI5-Schnittstelle wird die Information an die ECU weitergeleitet und die interne Winkelmessung in eine Art Stand-by-Modus gesetzt. Diese Maßnahme verhindert den möglichen Einfluss der Stromkommunikation auf den Sensor. Zugleich jedoch hat das zur Folge, dass die gesendete Information durch die PSI5-Übertragungszeit zeitversetzt ist. Das hat den großen Nachteil, dass die Information nicht aktuell ist, sondern sich je nach PSI5-Übertragungszeit verschieben kann. Auch die mehrfache Mittelung des Winkelwertes innerhalb des Sensors, um den Einfluss der Kommunikation auf den Lesevorgang zu minimieren, ist nur bedingt hilfreich.

Eine weitere Herausforderung stellt der Einsatz von magnetischen Positionssensoren in einem PSI5-Bus-System dar. Das Bussystem ermöglicht den Anschluss von bis zu drei Sensoren an einem Kabelbaum. Am Beispiel des synchronen Modus liefern alle drei Sensoren die Information zum Steuergerät, nachdem die ECU den Spannungspuls gesendet hat.

Damit es nicht zu einer Beeinflussung der Information kommt, sendet jeder Sensor in einem vordefinierten Zeitfenster – laut PSI5 Spezifikation – die Sensorinformationen zur ECU. Auch die nicht kommunizierenden Sensoren werden durch den Kommunikationsstrom beeinflusst, wodurch die Richtigkeit der Winkelwerte in Frage gestellt werden kann.

Dieses Problem löst ams mit dem differenziellen Messprinzip, das externe Fremdfelder und damit auch Fremdfelder, die von der PSI5-Kommunikation stammen, unterdrückt. Dadurch ist eine permanente Messung der Position gewährleistet und eine Winkeländerung durch die PSI5-Kommunikation nicht möglich. Der Sensor überträgt somit immer den aktuellen Wert (Bild 3).