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Aktive Raddrehzahlsensoren

Aktive Raddrehzahlfühler mit eigener Auswerteelektronik

auch: AMR-Sensor (Anisotroper Magnetoresistiver Effekt)

Der

Rad-Drehzahlsensor

(Abk.: DF = Drehzahlfühler) wurde zuerst für den Einsatz im Antiblockiersystem (ABS) entwickelt. Anfänglich handelte es sich um einen passiven induktiven Sensor (Induktivgeber). Mittlerweile hat aber der aktive Sensor mit eigener Auswerteelektronik immer mehr an Bedeutung gewonnen. 

Positiver Nebeneffekt: Die Rad-Drehzahlinformationen können auch von via CAN-Bus von Getriebe-, Motor-, Navigations- und Fahrwerksregelsystemen genutzt werden.

Funktionsweise und Messprinzip

Dieser Sensor arbeitet nach dem Hall-Prinzip und hat die Besonderheit, dass er Vorwärts - und Rückwärtsbewegungen erkennt. 

    1 Geberring, 2 Sensor IC mit Hallsensor, 3 Sensorgehäuse






Drehzahlsensor von Bosch 

 

Die Drehrichtungserkennung ist durch den internen Signalversatz von drei entsprechend angeordneten Hallelementen im Sensor möglich. Bei einem solchen Raddrehzahlsensor übernehmen Magnete die Funktion der Zähne des Inkrementenrades. Die Magnete sind in Nordpol und Südpol unterschieden und sind wechselweise auf einen Polring (Geberring) angeordnet.

Anders als beim passiven Raddrehzahlsensor wird der aktive Raddrehzahlsensor mit einer definierten Spannung versorgt und liefert schon ein im Raddrehzahlsensor erzeugtes Rechtecksignal in Form eines Datenprotokolls zum Steuergerät. Dieses Datenprotokoll wird als Stromsignal im Pulsweitenmodulationsverfahren (PWM) übertragen.

Der aktive Sensor liefert ein Signal mit drehzahlunabhängiger konstanter Amplitude und nutzt bei der Detektierung des Drehzahlsignals den Hall-Effekt aus. Der Drehzahlsensor kann das Drehzahlsignal von ferromagnetischen Zahnrädern, Stanzblechen oder von Rädern mit aufgebrachten Multipolen detektieren. Bei der Verwendung von Zahnrädern oder Stanzblechen ist ein Arbeitsmagnet hinter dem Messelement eingesetzt.

Die Anwendung dieses Messprinzips ermöglicht eine Geschwindigkeitsmessung (Wegstreckenmessung) bis v = 0,1 km/h. Damit sind auch die teilweise schärferen vmin-Bedingungen von z.B. Navigationssystemen, Rückrollsperren, Einparksystemen, usw. abdeckbar.

 

Signalverarbeitung

Bei dem Stromsignal handelt es sich um einen 14 mA - Pegel und um einen 7 mA - Pegel. Letzterer dient als Auswerteinformation für den Fehlerspeicher. Der 14 mA - Pegel dient als Informationssignal

In der Breite des Rechteckimpulses und dem Abstand zwischen einem Impuls sind mehrere Informationen für das Bremsensteuergerät beinhaltet. 

Signalbilder

1        sensorinternes Signal

2        Luftspaltreserve zu gering

3        Laufrichtung A

4        Laufrichtung B

5        Montagegrenzposition A

6        Montagegrenzposition B

7        Stillstandssignal

(Erklärungen im weiteren Verlauf)

Für die Signalübertragung wird eine Zweidraht-Stromschnittstelle verwendet. Versorgt wird der Sensor durch die Bordnetzspannung.  Im Steuergerät wird der vom Sensor kommende Strom an einem Messwiderstand RM in ein Spannungssignal gewandelt. Die Auswerteschaltung erkennt an der Größe der Spannung, ob ein High- oder Low-Signal vorliegt.

Arten von aktiven Drehzahlgebern:

DF11s / DF11sM

  • Datenprotokoll:

Rechtecksignal als Drehzahlsignal

  • Funktionsumfang:

Drehzahlsignal (DZ) - ein der Radgeschwindigkeit proportionales Frequenzsignal.

  • Impulsrad:

Für DF11s - magnetisches Multipolrad.     Für DF11sM - Zahnräder oder Stanzbleche.

  • Ausgangssignalbeschreibung

Drehzahlsensor-Ausgangssignal bei rotierendem Impulsrad. Das Signal ist ein Rechtecksignal mit konstanter Amplitude, und die Frequenz ist proportional der Radgeschwindigkeit.

DF11i / DF11iM

  • Datenprotokoll:

Rechtecksignal mit Zusatzinformationen, die im Pulsweitenmodulations-Verfahren (PWM) übertragen werden. Die Breite des Rechteckimpulses beinhaltet die Zusatzinformation, während der Abstand zwischen einem Puls und des übernächsten Pulses die Drehzahlinformation darstellt.

  • Funktionsumfang:

Drehzahlsignal (DZ) - ein der Radgeschwindigkeit proportionales Frequenzsignal. 

Stillstandserkennung (STOP) - steht das Fahrzeug länger als etwa 1 Sekunde bzw. wird die Stromversorgung eingeschaltet, so sendet der Drehzahlsensor etwa jede Sekunde einen Stillstandsimpuls aus. Über diesen Impuls lässt sich der ordnungsgemäße Zustand des Drehzahlsensors bei Stillstand überwachen.

Drehrichtungserkennung (DR) - gibt die Drehrichtung (rechts/ links) des Rades in Bezug auf die Sensoreinbaulage an.  

Luftspaltreserve (LR) - gibt an, ob die magnetische Feldstärkeänderung unter einem für die fehlerfreie Funktion notwendigen Wert liegt.

Einbaulagenerkennung (EL) - gibt an, ob die magnetische Feldstärkeänderung ausreichend ist, um die Funktion mit großer Sicherheit zu gewährleisten. Das Einbaulage-Signalbit wird nur bis etwa 20km/h ausgegeben.

  • Impulsrad:

Für DF11i - magnetisches Multipolrad, für DF11iM - Zahnräder oder Stanzbleche.

Hinweis: Die Abkürzung M steht für eingebauter Magnet und i bedeutet intelligent. Der DF11i beruht ebenso wie der DF 11s auf dem Hall-Messprinzip. Er verwendet lediglich eine andere Auswerteschaltung.

  • Ausgangssignalbeschreibung

Drehzahlsensor-Ausgangssignal bei rotierenden Impulsrad. Das Signal ist mit unterschiedlichen Zusatzinformationen kodiert im PWM-Verfahren.

In der folgenden Bauausführung erzeugt der Permanentmagnet im Raddrehzahl - Sensor ein Magnetfeld. Die Feldlinien des Magnetfeldes verlaufen im rechten Winkel zur Sensorschicht auf dem Sensorelement. Die Ablenkung der Feldlinien durch das Inkrementenrad verursacht Widerstandsänderungen in der dünnen ferromagnetischen Schicht des Sensorelements. Die absolute Stärke des externen Feldes hat kaum noch Einfluss auf das Messsignal.

schematische Darstellung

1        Inkrementenrad

2        Auswerteelektronik

3        Signaldarstellung

4        Permanentmagnet

5        Magnetfeldlinien

6        Sensorelement

 

Explosionsdarstellung

1        Inkrementenrad

2        Sensorkabel

3        Befestigungsteil

4        Kontaktring

5        Sensorgehäuse

6        Permanentmagnet

7        Sensorelement

8        Auswerteelektronik

9        Sensorträger

 

 

Unterschiede zwischen aktiven und passiven Raddrehzahlsensoren:

Aktiver Sensor

Passiver induktiver Sensor

Störsicherheit

Der aktive Sensor ist im Steuergerät mit z.B. 115 Ohm abgeschlossen. Das Sensorsignal ist über der Frequenz konstant und hat eine Signalleistung von 5 mW. Störungen, die Auswirkungen im System haben, müssen Leistungen einkoppeln, die über diesem Wert liegen. Der Sensor kann durch die Einkopplungen gestört werden. Die Auswerteschaltung ist aber durch den Messwiderstand besser geschützt, als beim induktiven Sensor.

Der induktive Sensor ist im Steuergerät hochohmig abgeschlossen. Das Sensorsignal ist erst bei höheren Frequenzen ausreichend groß, so dass es durch einen Tiefpass bedämpft werden kann. > Daraus ergibt sich, dass schon Störsignale mit wenigen 100 µW als Nutzsignal erkannt werden können und so die Steuergeräte - Auswerteschaltung durch Einkopplungen stören kann.

Ausgangssignal in Abhängigkeit der Raddrehzahl und des Luftspaltes

Bei aktiven Sensoren können Signale bis zu 0,1 km/h ausgewertet werden.

Bei induktiven Sensoren kann erst ab einer bestimmten Raddrehzahl eine Auswertung erfolgen. Die Signalamplitude ist abhängig von der Raddrehzahl (Frequenz) und des Luftspaltes.

Prüfverfahren im Kundendienst

Beim aktiven Drehzahlsensor kann der Innenwiderstand nicht mit einem Multimeter geprüft werden, sondern es kann nur eine Spannungsprüfung bei angeschlossenem Steuergerät erfolgen. 

Dabei liegt die Ausgangsspannung des Steuergerätes im Ruhezustand bei ca. 8V und die Signalamplitude muss sich bei drehenden Rad ändern.

Prüfung mit Multimeter (Ohmmeter und Spannungsmessung) möglich

 

Magnetoresistiver Drehzahl-Sensor (AMR-Sensor)

1 = Polrad, 2 = Sensor, 3 = Feldlinien, 4 = Bewegungsrichtung, 5 = Spannungsverlauf  zur Polradstellung

Das folgende Signalbild eines AMR-Sensors, aufgenommen von Reinhold Dörfler,  zeigt ein Gutbild und ein Fehlerbild eines AMR-Sensor.

Fehlerbild AMR Sensor

Quelle: Dörfler Signalbilder

Das gelbe Signal zeigt ein Fehlerbild, wenn der AMR-Sensor verschmutzt ist, beispielsweise ein Span am Geberrad, das blaue Signal ist das Referenzbild (Gutbild).

 

Quelle: Bosch (Informationen für Lehrkräfte), Herr Papert (Bosch), Akademiebericht Dillingen, VW, Audi, Reinhold Dörfler,



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Autor Johannes Wiesinger

bearbeitet: 19.02.2015

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