In Maple ontwikkelde 3D Hall Sensoralgoritme zorgt voor efficiënter wasmachineontwerp

De trend in de industrie ziet een verschuiving van wasmachines met een trommelcapaciteit van 5 kg wasgoed naar een grotere capaciteit van 7 of 8 kg. Deze grote trommels worden echter nog steeds geplaatst in de standaard wasmachinebehuizing met een breedte van 60 cm, wat betekent dat er een veel kleinere ruimte overblijft tussen de trommel en de behuizing. Er is dus een grotere kans op botsingen. Het is daarom noodzakelijk om de relatieve positie van de trommel ten opzichte van de behuizing te meten, om dit signaal te gebruiken om de botsingen van de trommel tegen de behuizing vooraf te identificeren, en om vervolgens op de juiste manier te handelen. De sensor van Marquardt werd ontwikkeld om de relatieve positie in de drie dimensies van de wasmachinetrommel ten opzichte van de behuizing te detecteren.

De mogelijkheid om de positie van de trommel te meten, biedt enkele andere voordelen; zo is het bijvoorbeeld mogelijk om onbalans op te sporen en resonante frequenties van het mechanische systeem tijdens de draaicyclus van de machine te detecteren. Deze vormen van onbalans kunnen verminderd worden door de rotatiesnelheid te verlagen en het gewicht gelijkmatiger te verdelen. Het wordt zelfs mogelijk om een lading kleding te meten wanneer deze in de machine geplaatst wordt en een aanbeveling te doen hoeveel wasmiddel er gebruikt moet worden!
Het Marquardt team ontwikkelde, in nauwe samenwerking met het Fraunhofer Instituut voor Geïntegreerde Circuits, een nieuwe 3D Hall sensor applicatie specifiek geïntegreerd circuit (ASIC), dat de drie vectorcomponenten van een dipool magnetisch veld meet. Het complete meetsysteem bestaat uit een aan de trommel in de wasmachine bevestigde magneet en de 3D Hall sensor ASIC, welke aan de behuizing is bevestigd. De Hall sensor meet zowel de richting als de sterkte van het magnetische veld, en bepaalt gelijktijdig de relatieve beweging van de magneet in de drie verschillende richtingen. Deze informatie wordt vervolgens doorgegeven aan de onboard microcontroller, welke gebruik maakt van een eigen algoritme om vast te stellen hoe de trommelbeweging gecontroleerd moet worden.
De Marquardt groep gebruikte MapleTM voor het ontwikkelen van het algoritme. Dr. Allmendinger beschouwt Maple als een onmisbaar instrument, waardoor hij kon werken aan ingewikkelde problemen zoals het modelleren van de magnetische velden, het schatten van de toegestane toleranties voor de magneet, en het bepalen of de kanteling van de 3D Hall Sensor module binnen een zeer kleine tolerantie van ongeveer twee graden lag. Het resulterende algoritme werd naar C-code omgezet om op de controller te kunnen draaien.

Dr. Allmendinger werkte tijdens zijn studie aan de universiteit voor het eerst met Maple. Hij was onder de indruk van de mogelijkheid van Maple om met symbolische wiskunde te werken, van de krachtige grafiek tools, van de technische document interface, en van de export mogelijkheden naar andere talen (zoals C, MATLAB^® en JavaTM). Dr. Allmendinger stelt dat: “Het zeer eenvoudig was om in Maple te werken, zelfs met de ingewikkelde wiskunde die hiermee gepaard gaat. We vonden het redelijk eenvoudig om vergelijkingen in te voeren en te veranderen, om te bepalen of ze een oplossing hadden, om vervolgens terug te keren en de nodige aanpassingen te maken. Ik vond de gebruikersinterface van Maple erg gemakkelijk en soepel om mee te werken; vooral de export mogelijkheden en de interoperabiliteit met andere technische programma’s zijn veel beter geworden, en het is nu van onschatbare waarde in het snel ontwikkelen van oplossingen.”

Het nieuwe 3D positioneringsalgoritme in de Hall sensor biedt meerdere voordelen. Ten eerste is de montage eenvoudig, aangezien er geen mechanische aansluiting is tussen de magneet en de sensor. Omdat de gemeten waarden van de drie magnetische veldcomponenten gelijktijdig opgenomen kunnen worden, biedt het sensorsysteem ook de mogelijkheid snelheidsberekeningen te doen. In algemene zin maakt het ontwerp het mogelijk om natuurlijke bronnen op een meer verantwoorde manier te gebruiken. Door gebruik te maken van een wiskundig model van het magnetische veld kan afstand gedaan worden van conventionele 3D mapping technieken en volstaat een kleinere en kosteneffectievere microcontroller. Ook worden er door toepassing van de aanzienlijk kleinere magneet minder bronnen gebruikt.

Marquardt bespreekt momenteel andere mogelijke toepassingsvormen van de 3D sensor met bekende klanten. Hierbij moet gedacht worden aan algemene positiewaarnemingen in reguliere productie- en automatiseringstechnologie en aan multimedia interfaces in de voertuigenindustrie, zoals het I-Drive systeem in een BMWTM voertuig. Het bedrijf denkt ook aan doorontwikkeling van dit innovatieve sensorconcept, met een uitbreiding waarbij niet alleen de 3D afstand van een Hall sensor tot een magneet wordt vastgesteld, maar ook de 3D vaste hoek. Voor dit sensorconcept zal het nodig zijn om het magnetische veld op twee posities te meten. Dit probleem levert een zesdimensionaal systeem van vergelijkingen op en Maple zal ook bij dit project worden ingezet.

SENSOR.jpeg: Magneet en 3D Hall Sensor ASIC.
WITH_IMBALANCE_SENSOR.jpeg: Wasmachine met een onbalanssensor; de afstand tussen de trommel en de behuizing kan in drie dimensies worden gemeten.
MagnField1.jpeg: Simulatie van een gemagnetiseerd veld op de stalen achterzijde van een wasmachine.