Lenkwinkelsensoren. Andreas Sommer, BOURNS Automotive Safouene Nabli, CADFEM

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1 Virtuelle Titelmasterformat Sensorentwicklung durch Klicken für bearbeiten Lenkwinkelsensoren Andreas Sommer, BOURNS Automotive Safouene Nabli, CADFEM

2 Motivation ADAS Advanced Driver Assistance Systems Elchtest Mercedes A Klasse 1997 Deshalb brauchen wir einen Lenkwinkelsensor Wie können wir den abbilden?

3 Wie funktioniert Systemsimulation? Viele vorgefertigte Bibliothekselemente Stark abstrahiert: Gut für frühe Entwurfsphase Kurze Simulationszeit Starke Vereinfachung Parametrierbar: Einfache Variantenstudien Modularer Aufbau und Wiederverwendbarkeit Individualisierte Objekte durch Nutzung von Modellsprachen Physikalisches Verhalten: Bidirektionale Interaktion zwischen Komponenten und phys. Domänen Einbindung von Regelung & Software

4 Anzahl DOF Rechenzeit Modelltreue Modelltreue Nur Bibliothekselemente oder doch mehr? Drei mögliche Herangehensweisen für die Abbildung von Systemkomponenten: Sehr gute Balance von Rechenzeit und Modelltreue Kosimulation der physikalischen Domänen: Kopplung der Feldsimulationen (evtl. Programmübergreifend) Systemsimulation mit reduzierten Modellen aus Feldsimulationen U ind vlb Simulation mit Ersatzschaltbildern bzw. konzentrierten Elementen (Feder, Masse, Dämpfer, Widerstand, Induktivität, Kapazität )

5 Abgrenzung der Systemsimulation zur Multiphysiksimulation Multiphysiksimulation: Interaktion verteilter Größen Systemsimulation: Interaktion an dedizierten Punkten Courtesy of Tusas Engine Industries, Turkey Temperature Distribution

6 Modellierungsansätze in ANSYS Twin Builder ROM: aus 3D-Feldsimulationen und datenbasiert C/C++ Co-Simulation Modelica SL + Modelon VHDL-AMS SCADE SPICE Multi-Domänen SML Bibliotheken FMI 2.0 Lookup-Tables Blockdiagramme Zustandsautomaten

7 Motivation ADAS Advanced Driver Assistance Systems Elchtest Mercedes A Klasse 1997 Deshalb brauchen wir einen Lenkwinkelsensor 3D-Simulation der Einzelnen Komponenten Überführung der Ergebnisse der 3D-Simulation in die Systemsimulation

8 Ziele Entwicklung eines Modells des Lenkwinkelsensors auf Systemebene Akkurat Praktikabel Reduzierte Entwicklungszeit Flexibilität der Einführung der externen Einflussparameter Montagetoleranzen Thermische Belastung Winkelfehlermessung Winkelfehlerquelle Ermittlung der einflussreichsten Parameter

9 Einführung Das untersuchte System Der Drehmomentwinkelsensor besteht aus einem Lenkwinkelsensor und einem Drehmomentsensor Fokus hier: Lenkwinkelsensor Coderad mit Permanentmagneten Lenkrad Mechanische Domäne: Getriebe Sensor Elemente Gehäuse Embedded Software: Auswertesoftware Spannrahmen

10 Mechanik Simulation: Modellierung des Subsystems Getriebe Das Getriebe wird per Mehrkörpersimulation modelliert Verknüpfung zwischen Simplorer und Mehrkörpersimulation

11 Magnetische Simulation: Simulationskonfiguration Orientierung und Parametrisierung des Magnetisierungsvektors Caps Magnete Sensoren Fein vernetzte Volumina Magnet 1 und Magnet 2 sind jeweils mit den Winkeln B und A parametrisiert

12 Magnetische Simulation: Modellvalidierung Parametrische Studie B_X B_Y

13 Magnetische Simulation: Übersprechen Übersprechen: Wenn getrennte Signale von zwei oder mehr magnetischen Quellen geliefert werden, kann das Signal einer Quelle von mehr als einem Sensor detektiert werden Untersuchung der gegenseitigen Beeinflussung der beiden Magnete Zwei Simulationen werden durchgeführt Magnetische Flussdichte detektiert von Sensor 2 Die magnetische Flussdichte, die von Sensor 2 erfasst wird, beträgt 0,05% der Flussdichte, die durch Sensor 1 erfasst wird Magnetische Flussdichte detektiert von Sensor 1 Kein signifikantes Übersprechen

14 Magnetische Simulation: Getrennte Modellierung der Sensoren Abbildung eines Sensors Als Ebene in der XY-Ebene Die anfängliche Fehlausrichtung wird berücksichtigt Parameterdefinition Rotation der Sensorfläche Radiale und tangentiale Magnetfelder werden berechnet B_radial B_tangential

15 Magnetische Simulation: ECE-Extraktion Equivalent Circuit Extraction (ECE) ECE ist das Reduced Order Model der magnetischen Simulation Look-up-Tabelle (für jede Winkelposition ein Paar B_rad, B_tan)

16 Auf Systemebene: Modellvalidierung RBD-Co-Simulationskomponente und ECE-Komponentenbaugruppe RBD Co-Simulations- Komponente ECE Komponenten Verwenden des ECE-Modells mit einem Sensorelement Schnellere Simulation (Faktor 100) Mehr Möglichkeit der Integration von Variablen auf Systemebene

17 Komplettes Modell auf Systemebene Absoluter Winkel 1 Absoluter Winkel 2 Input angular velocity RBD component Rad-Deg ECE magnetic Sensing element Rad-Deg

18 Implementierung eines Multiturn-Codes Ein patentierter C-Code von Bourns Der Multiturn-Code berechnet aus den zwei Winkelsignalen der Coderäder in einem Bereich [0, 360 [ den absoluten Winkel Magnetischer Fluss Winkel der Coderäder

19 Komplettes Modell auf Systemebene Input angular velocity RBD component Rad-Deg ECE magnetic Sensing element Rad-Deg Multi turn code

20 Input Angle [deg] Input Winkel [deg] Komplettes Modell auf Systemebene: absolutes Winkelergebnis Absolute Winkel Absoluter Winkel Code wheel1 Winkel Code wheel2 Winkel Winkel der Coderäder Absolute Absolute Winkel Angle[deg]

21 Komplettes Modell auf Systemebene Mechanische Domäne: Zahnräder- Subsystem Magnetische Domäne: Magnetische Schaltung Embedded Software: Sensor Elemente Untersuchung des Lenkwinkelsensors unter äußerer Belastung Montageprozess Thermische Belastungen Resultierende Messfehler

22 Umgebungseinflüsse auf das Messergebnis: Fehlausrichtung Auswirkungen der Montageprozessparameter auf die Winkelmessung Target Rotation Radialverschiebung Axialverschiebung (Luftspalt)

23 Umgebungseinflüsse auf das Messergebnis: Fehlausrichtung Parametrische Studie Radialverschiebung [0,1mm] mit 0.1mm Schritt Axialverschiebung (Luftspalt) [-0,5,0,5 mm] mit 0,1 mm Schritt 4477 Designpunkte ( )

24 Umgebungseinflüsse auf das Messergebnis: Fehlausrichtung Winkelbestimmung auf Systemebene Winkelfehler Definition Der Winkelfehler ist die Amplitude der Abweichung von der Referenzpositionslinie In einer vollen Umdrehung Berechnung des Winkelfehlers: E Angular error max E 2 min Emax Reference line Emin

25 Normierte Winkeländerung Umgebungseinflüsse auf das Messergebnis: Fehlausrichtung Winkelfehler Entwicklung über Radialverschiebung Air Gap Minimal Air Gap Nominal Air Gap Maximal

26 Umgebungseinflüsse auf das Messergebnis: Thermische Belastung Einfluss der thermischen Belastung auf die Winkelmessung Untersuchung der Auswirkung der thermischen Belastung [-40 C, 125 C] auf die Sensorbaugruppe Einfluss der Relativverschiebungen der Permanentmagnete zu den Sensorelementen auf den Winkelmessfehler Step 1: Vorspannung Step 2: Thermische Belastung

27 Normierte Winkeländerung Umgebungseinflüsse auf das Messergebnis: Thermische Belastung Winkelfehler Entwicklung über Temperatur Winkeländerung (Sensorelement 1) Winkeländerung (Sensorelement 2)

28 Workflow auf Systemebene mit den Parametern für die thermische Belastung

29 Normierte Winkeländerung Absoluter Winkelfehler bedingt durch thermische Belastung Absolut Winkelfehler Entwicklung über Temperatur Absolut Winkelfehler Entwicklung über Temperatur Temperatur [ C]

30 Winkeländerung Zusammenfassung Kombination von Genauigkeitsphysik im 3D-Feld mit der Interaktion auf Systemebene Praktisches Design mit deutlich reduzierter Entwicklungszeit Schnelle Reaktion mit neuen Designänderungen oder Anforderungen Gutes Konzept zur Validierung des Designs mit Systemsimulation Gutes Konzept, um das Design unter externen Effekten zu validieren