Las principales funciones de un coche son circular, girar y detenerse de forma segura. Uno de los mayores retos tecnológicos para la conducción autónoma es detectar los ángulos de la dirección con exactitud al girar. Los sensores convencionales son sensibles a las interferencias de los campos magnéticos presentes en los vehículos eléctricos (VE), provocados sobre todo por los sistemas de electrificación. Este artículo presenta un sensor de efecto Hall de posición 3D que es inmune a estas interferencias.

Desarrollo de la dirección asistida eléctrica
El sistema de dirección de un coche es un mecanismo que cambia la dirección de las ruedas en función del ángulo que rota el volante. Los sistemas de dirección eléctrica ayudan al conductor permitiendo el giro de los neumáticos con un ligero toque del volante. En el pasado estos sistemas de dirección eléctrica se accionaban de manera hidráulica pero fueron sustituidos por sistemas eléctricos o EPS (electric power steering) que eliminan la necesidad de una bomba hidráulica, tubos y una correa de transmisión hasta el motor de combustión interna. También reducen los costes gracias a su consumo más eficiente de combustible.
Un típico sistema EPS utiliza motores eléctricos, sensores y un controlador electrónico para asistir a la dirección. El motor acciona un engranaje que está conectada a una columna o cremallera de dirección y los sensores miden el par de dirección (esfuerzo de dirección), así como la velocidad de rotación y la posición angular del volante. El módulo de control electrónico interpreta estas entradas de par, velocidad y posición, así como la velocidad del vehículo y otras entradas de control del chasis para girar los neumáticos de forma adecuada.
Dado que los sistemas EPS se pueden controlar electrónicamente, pueden dirigir los vehículos sin que intervenga el conductor y ya se están utilizando en sistemas de asistencia al aparcamiento que incorporan sistemas de dirección automática y control electrónico de estabilidad (electronic stability control, ESC). Los sistemas EPS también permiten pasar de vehículos con motores de combustión interna a los alimentados por batería. Sin embargo, los sensores del ángulo de dirección utilizados en estos sistemas EPS deben ser muy exactos para implementar la conducción autónoma de manera efectiva y segura.

Avances en los sensores de dirección
Los sensores de efecto Hall se suelen usar para detector el ángulo de dirección, midiendo para ello las intensidades o los cambios de los campos magnéticos. No obstante, dado que los vehículos se han ido informatizando y electrificando, los campos magnéticos parásitos generados por los motores eléctricos o las líneas eléctricas en los vehículos híbridos o eléctricos interfieren con el funcionamiento del sensor. Atenuar esta interferencia se ha convertido, por tanto, en motivo de preocupación.
TDK superado este reto gracias a su nuevo sensor HAL 39xy, que incorpora funciones de compensación de campos parásitos. Este sensor se basa en la tecnología de célula de píxel 3D HAL patentada por TDK, que ayuda a medir campos magnéticos con exactitud además de ser insensibles a campos parásitos.
Este compacto chip sensor 4 en 1 ofrece modos de medida para posiciones lineales, dos posiciones rotatorias de hasta 180 y 360 grados y medidas de campos magnéticos 3D en los ejes x,y,z. El sensor usa una combinación diferente de la matriz de placas Hall integradas en el chip para optimizar el rendimiento en cada modo. El sensor también integra los cuatro modos en un solo dispositivo, lo cual supone una clara ventaja para los ingenieros de diseño ya que solo han de cualificar un dispositivo en lugar de cuatro.
Este dispositivo de bajo consumo es compatible con varios estándares de interfaz digital para redes en vehículos, como SENT/PSI5 y SPC (Short PWM Code). SPC es una mejora del protocolo SENT estándar conforme a SAE J2716. Permite transmitir datos a partir de un pulso de disparo enviado a una unidad de control electrónico (ECU) externa y admite conexiones de punto a punto así como el modo de bus de un solo hilo con hasta cuatro sensores.
El sensor HAL 39xy es un dispositivo SEooC (Safety Element out of Context) preparado para ASIL B desarrollado en conformidad a ISO 26262 para aplicaciones de seguridad funcional. El sensor ya ha sido adoptado en sistemas de detección del ángulo de dirección para vehículos autónomos.

Figura 1: Entre las aplicaciones del HAL 39xy se encuentran la detección de la posición en varios puntos del vehículo, como pedales, válvulas y cambios de marchas, además del ángulo de dirección.

Otras aplicaciones del sensor
Además se encuentran en fase de desarrollo otras soluciones como la detección del ángulo de dirección en sistemas steer-by-wire para su uso en la práctica y encajan de manera natural con la conducción autónoma avanzada. El sistema steer-by-wire no recurre a una conexión mecánica entre el volante controlado por el conductor y el giro de los neumáticos sino que se basa en señales eléctricas para establecer la dirección. El HAL 39xy también puede formar parte de otros sistemas por cable, como brake-by-wire (control electrónico de frenada) y shift-by-wire (caja de cambios).
Los sensores 3D también son ideales para otras muchas aplicaciones de diverso tipo, como todo tipo de válvulas y actuadores, selectores y cajas de cambios, detección de la posición del pedal, detección de posición en sistemas de transmisión o detección de la posición del chasis.

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