Hall-Sensor

Abbildung 1: Ansicht des Motors LRP Vector X12 StockSpec 17.5T, in dem die Hall-Sensorik integriert ist.

Abbildung 2: Anschlüsse des Motors, über den unteren Steckkontakt wird die Hall-Sensorik ausgewertet.

Autoren: Julin Horstkötter, Levin Baumeister

Der Hall-Sensor des Autonomen Fahrzeugs stellt einen entscheidenden Teil der gesamten Sensorik dar, denn dieser dient der Ermittlung der Fahrzeuggeschwindigkeit und somit auch der zurückgelegten Strecke. Der Hall-Sensor befindet sich am Antriebsmotor (siehe Abb. 1+2), es sollen zusätzlich zu der aktuellen Geschwindigkeit, die Fahrtrichtung bestimmt werden. Diese zu erfassenden sind wesentliche Bestandteile des Regelkreises der Bahnplanung und Spurführung. Die Messung der zurückgelegten Strecke wird für die Bestimmung der Parklückengröße benötigt und somit im Einparkalgorithmus.

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Kurzinformation

Abbildung 3: Hall-Signal-Pegel des eingesetzten Motors LRP Vector X12 StockSpec 17.5T

Autoren: Martin Theine und Patrick Schumann
Stand: 12.02.2021

Wie bereits erläutert ist der Hall-Sensor ein Bestandteil des Antriebsmotors des Fahrzeugs. Der eingesetzte Motor LRP Vector X12 StockSpec 17.5T besitzt insgesamt drei Hall-Sensoren, die in einer Kombination verschaltet sind. Die Hallsensorik des Motors besteht aus drei um jeweils 120° (2/3 π) phasenverschobene Hallsensoren, die Rechtecksignale erzeugen, die jeweils für eine halbe Motorumdrehung anliegen. Pro Motorumdrehung gibt es also insgesamt sechs Flankenwechsel und anhand der Zustandsänderung ist die Drehrichtung bestimmbar. Zwischen zwei Flankenwechsel dreht sich der Motor um den Winkel λ = 60° = 1/3 π. In der Abbildung rechts (siehe Abb. 3) wird dieser Zusammenhang visualisiert. Dabei wird deutlich, dass es insgesamt sechs gültige Signal–Pegel–Kombinationen, also sechs Zustände gibt. Bevor die spezifische Sensorik im Detail erläutert wird, erfolgt die Beschreibung des Sensorprinzips.

Funktionsweise

Der Hall-Sensor gehört zu den magnetostatischen Sensoren und basiert auf einem Galvanomagnetischen Effekt. Diese Gruppe von Sensoren messen ein magnetisches Gleichfeld innerhalb eines stromdurchflossenden Halbleiterplättchens. Das Feld der magnetischen Induktion $B$ des Magneten durchsetzt das Plättchen senkrecht, sodass die Ladungsträger durch die Lorenzkraft senkrecht zum Feld und zum Strom $I$ um den Winkel $\varphi$ aus ihrer sonst geraden Bahn abgelenkt werden (siehe Abb. 4). Die Messgröße entwickelt sich schließlich, wenn quer zur Stromrichtung, zwischen zwei sich gegenüber liegenden Randpunkten des Plättchens, eine zum Feld $B$ und Strom $I$ proportionale Hall-Spannung $U_H$ abgegriffen wird:

Abbildung 4: Veranschaulichung des galvanomagnetischen Effektes.

$U_H=R_H\cdot I \cdot \frac{B}{d}$.

$R_H$ beschreibt die Materialkonstante, den sogenannten Hallkoeffizient, $d$ stellt wiederum die Dicke des Plättchens dar. In der Abbildung rechts ist das grundsätzliche Sensorprinzip nochmals gezeigt. Im Folgenden wird die Beschriftung erklärt:

a: Schaltung, b: Verlauf der Hallspannung $U_H$, c: Zunahme des Plättchenwiderstands $R$, $B$: magnetische Induktion, $I$: Plättchenstrom, $I_H$: Hallstrom, $I_V$: Versorgungsstrom, $U_R$: Längsspannung, $\alpha$: Ablenkung der Elektronen durch Magnetfeld.

Signalverarbeitung

In diesem Abschnitt werden die Besonderheiten des eingesetzten Motors detaillierter beschrieben. Die Getriebeübersetzung sorgt dafür, dass sich der Elektromotor viermal drehen muss um eine vollständige Radumdrehung zu erzeugen (Ü=0.25). Die möglichen Signal–Kombinationen der Hall–Sensorik sind in der Abbildung Hall-Signal-Pegel dargestellt. Dabei ist T_F-F die vergangene Zeit zwischen zwei Flankenwechsel, in der sich der Motor um den Winkel λ dreht. In der aktuellen Implementierung werden ADC–Eingänge der dSPACE–Karte verwendet um die Zustände zu erkennen. Dabei ist es bei digitalen Signalen (die Hall–Sensorik gibt wie aus der Abbildung Hall-Signal-Pegel ersichtlich V_CC–kompatible Pegel aus: Physisch 5 V entspricht einer logischen eins, 0 V einer logischen Null) eigentlich sehr unüblich und in der Regel unpraktisch ADCs zu verwenden. Nicht nur weil es dann nötig ist, via Software die Pegelzustände zu erkennen. Dies wird aktuell mit Relational Operators mit einem derzeit eher kritischen Schwellwert von 5 V durchgeführt. Typische Grenzen für solche Pegel sind ≥ 0, 7 V_CC für logisch eins und ≤ 0, 2 V_CC für logisch null, damit mögliche Spannungsoffsets nicht zu einer Fehl–Erkennung führen können. Würden hier GPIOs als digitale Eingänge genutzt, lässt sich die Software seitige Erkennung sparen. Mithilfe der Combinatorial Logic werden die Zustände der drei Hall–Signale in Dezimalzahlen umgewandelt. Die insgesamt sechs möglichen Zustände sind in Abbildung Hall-Signal-Pegel ebenfalls dargestellt. Daraus ergeben sich in einer uint8 Darstellung die Dezimalzahlen eins bis fünf.

Hardwareanbindung

Abbildung 5: Anschluss des Motors an den Motortreiber, mit dem Anschluss der Hall-Sensorik.

Wie bereits erläutert ist die Hall-Sensorik im Antriebsmotor integriert. Der Anschluss an den Motor lässt sich in der Abbildung rechts (siehe Abb. 5) erkennen, die Pinbelegung des gesamten Motors in der folgenden Tabelle (siehe Tabelle 1). Ebenfalls ist dort die Farbe der Anschlusskabel hinterlegt.

Tabelle 1: Hardwareanbindung

Pin	Farbe	Signalname	Bedeutung	DS1104 Anschluss	Stiftleisten Anschluss A und B, DS1104 Board Anschluss Pin	DS1104 Simulink Anschluss	HallSensor Anschluss an der Adapter Platine
1	Schwarz	GND	Ground		GND		gelb Pin1 Achtung hier ist noch ein Fehler drin. Ground Anschluss des Hallsensors geht auf +5V der Adapterpaltine
2	Orange	Phase C	Motorphase C	IO5 und ADCH4	P1B44, 63 und P1B33, 95	DS1104BIT_IN_C4	orange Hall_C Pin2
3	Weiß	Phase B	Motorphase B	IO2 und ADCH1	P1A28, 66 und P1A50, 100	DS1104BIT_IN_C3	rot Hall_B Pin3
4	Grün	Phase A	Motorphase A	IO3	P1B28, 65	DS1104BIT_IN_C2	braun Hall_A Pin4
5	NC	Temp	temp control, 10k Thermistor referenced to ground potential		NC
6		Vcc	5.0 volts +/- 10%		5V		Schwarz Pin5

Zusätzlich befinden sich an den DS1104 Anschlüssen IO17 und IO19 nach Kombi-Logikeingänge der Hallsensoren. Der Pinbelegungsplan der DS1104 befindet sich im SVN.

Modi für Simulation und Fahrzeug

Die Programmierung des Fahrzeugs erfolgt über die Software MATLAB/Simulink. Zur einfacheren Handhabung existieren in der Software zwei Modi, die sowohl das Online- wie auch das Offline-Modell bedienen, dieses Vorgehen entspricht dem Rapid Control Prototyping. Im Online Modus greift die Software auf die verbundenen Sensoren und Aktoren direkt über die dSPACE DS1104 zu, das Fahrzeug bewegt sich schließlich in der realen Teststrecke. In der Offline Situation werden ein Großteil der Sensoren und Aktoren simuliert, so bewegt sich das Fahrzeug auf einer virtuellen Teststrecke, die der in der Realität nachempfunden ist. Ein Ziel ist Schnittstellen so zu entwickeln, dass einzelne Programmteile sowohl online als auch offline verwendet werden. So kann zunächst die Software in der Offline-Umgebung getestet und schließlich Online eingesetzt werden.

Offline-Modell

Die Hall-Sensorik gehört zu der Gruppe der Sensoren, für die keine Simulation erfolgt. Es wird direkt auf die gewünschten Daten in der Simulation zugegriffen, es ist somit mit einer vergleichsweise starken Abweichung des Offline-Modells von der Realität zu rechnen. Die in der Simulation vorhandene Geschwindigkeit entstammt der Bahnplanung und Spurführung und dem Block Sensoren - offline (siehe Abb. 6+7).

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  Abbildung 6: Ausschnitt aus dem Offline-Simulink-Modell, BSF - Bahnplanung und Spurführung

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  Abbildung 7: Ausschnitt aus dem Offline-Simulink-Modell, Sensoren Offline, SenVx Laengsgeschwindigkeit

Die Implementierung steht im gesamten Simulink-Modell zur Verfügung.

Online-Modell

Hier wird die Hallsensorauswertung aus dem online Simulink-Modell gezeigt (siehe Abb. 8). Außerdem wird der Ist-Zustand (siehe Abb. 9) mit dem Soll-Zustand (siehe Abb. 10) des XOR-Gaters verglichen. In Abbildung 11 werden die Daten der Testmessung von den Hall-Sensoren gezeigt.

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  Abbildung 8: Hallsensorauswertung Simulink Online Modell

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  Abbildung 9: XOR-Gater aufbau Zustand SS2021

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  Abbildung 10: XOR-Gater zu realisierende verbesserung

Die Details der Implementierung sind in der Softwarearchitektur beschrieben und in SVN ebenfalls erkennbar.

Abbildung 11: Test der Messung vom Hall-Sensor

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Datenblätter

Der Hersteller des Motors stellt ein Datenblatt zur Verfügung, in dem ebenfalls die Hall-Sensorik beschrieben ist. Dieses ist sowohl in SVN als auch im Web abrufbar.

Literatur

• Stefan Hesse, Gerhard Schnell: Sensoren für die Prozess- und Fabrikautomation. Wiesbaden 2018, ISBN 978-3-658-21173-8

Einzelnachweis

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