3-D Hallsensoralgoritm som utvecklats i Maple producerar en effektivare tvättmaskinsdesign

Dr Frank Allmendinger leder en grupp inom ett forsknings- och utvecklingsprojekt vid Marquardt GmbH, ett tyskt bolag som utvecklar och tillverkar switchar och switchsystem. Under de senaste tre åren har hans forskargrupp designat en innovativ tredimensionell last- och obalanssensor, som används i en ny tvättmaskinsmodell från ett välkänt företag inom vitvarusektorn.

Inom industrin är trenden att gå från tvättmaskiner med en trumma som rymmer fem kilo tvätt till en kapacitet på sju eller åtta kilo. Emellertid är dessa stora trummor fortfarande placerade i tvättmaskiner med standardhus på 60 cm, vilket betyder att det finns mycket lite plats mellan trumman och höljet. Detta ökar risken för kollisioner. Därför är det nödvändigt att mäta trummans plats i relation till höljet och använda denna dokumentation till att i förväg upptäcka trummans stötar mot höljet och reagera i enlighet med detta. Marquardts sensor är utvecklad tredimensionellt för att känna av det relaterade läget av tvättmaskinens trumma mot maskinväggarna.

Möjligheten att mäta trummans läge ger flera olika fördelar: exempelvis är det möjligt att, under maskinens gång, känna av obalans och påvisbara resonansfrekvenser i det mekaniska systemet. Dessa obalanser kan reduceras genom att minska varvtalen och fördela vikten mera jämnt. Det blir även möjligt att mäta en laddning kläder i maskinen och ge råd om hur mycket tvättmedel som ska användas!

Marquardt-gruppen, i nära samarbete med Fraunhofer Institute for Integrated Circuits, har utvecklat ett nytt 3-D hallsensorsystem med en specifikt integrerad krets (ASIC) som mäter de tre vectorkomponenterna hos ett symmetriskt magnetfält. Det kompletta mätningssystemet består av en magnet som är fäst vid trumman i en tvättmaskin och med 3-D hallsensor ASIC ansluter till aggregatet. Hallsensorn mäter både riktning och styrka hos det magnetiska fältet, och bestämmer simultant den relativa rörelsen av magneten i alla tre dimensionerna. Denna information överförs sedan till maskinens mikrokontroller, som använder en enskild algoritm för att avgöra hur trummans rörelser ska kontrolleras.

För att utveckla algoritmen använder Marquardt-gruppen Maple™. Dr Allmendinger har upptäckt att Maple är ett ovärderligt verktyg, som tillåter honom att arbeta med komplexa problem, såsom modellering av magnetfält som beräknar den tillåtna toleransen för magneten samt beslut om huruvida lutningen på 3-D hallsensormodulen finns inom en mycket liten tolerans av omkring två grader. Algoritmens resultat har översatts till C-kod för att köras i kontrollen.

Dr Allmendinger arbetade först med Maple medan han studerade vid universitet. Han var imponerad av att kunna använda Maple i samband med symbolisk matematik, av dess kraftfulla grafiska verktyg, dess tekniska dokumentgränssnitt samt dess exportkapacitet till andra språk (till exempel C, MATLAB^® och JavaTM). Dr Allmendinger säger:
- Det var mycket enkelt att arbeta med Maple, även när den komplexa matematiken var involverad. Vi fann det mycket lätt att komma in i programmet och modifiera ekvationerna, besluta huruvida de hade en lösning och sedan gå tillbaka och göra de nödvändiga ändringarna. Jag anser att Maples gränssnitt är mycket enkelt att arbeta med; speciellt har exportmöjligheterna och driftsdugligheten med andra tekniska program blivit mycket bättre, och Maple är nu ovärderlig när det gäller snabb utveckling av en problemlösning.

Den nya 3-D inställningsalgoritmen i hallsensorn ger flera fördelar. Först och främst är monteringen enkel därför att det inte finns någon mekanisk förbindelse mellan magneten och sensorn. Medan de uppmätta värdena hos de tre magnetfältskomponenterna kan spelas in simultant, erbjuder även sensorsystemet val av beräkningshastigheten. Generellt gör designen att det går att hantera naturliga utvägar mer ansvarsfullt. Användningen av matematisk fältmodellering gör det möjligt att överge den traditionella 3-D kartläggningstekniken och använda en mindre, mer kostnadsbesparande mikrokontroll. Dessutom används färre resurser genom att skapa en betydligt mindre magnet.

För tillfället för Marquardt diskussioner med andra välkända kunder om ytterligare program hos 3-D-sensorn. Dessa program inkluderar generell positionsavkänning inom regelbunden produktions- och automationsteknologi samt multimediagränssnitt inom automatisk industri, till exempel I-Drivsystemet i ett BMW™ fordon. Bolaget överväger även ytterligare utveckling av detta innovativa sensorkoncept genom att utöka dess förmåga att avgöra, inte enbart avståndet av en 3-D hallsensor från en magnet, utan även den 3-D solida vinkeln. För detta sensorkoncept är det nödvändigt att mäta det magnetiska fältet i två lägen. Problemet innefattar ett sexdimensionellt system av ekvationer och Maple kommer även att användas i utvecklingen av detta projekt.

Bildtexter:
SENSOR.jpeg: Magnet och 3-D Hall Sensor ASIC.
WITH_IMBALANCE_SENSOR.jpeg: En tvättmaskin med en obalanserad sensor, avståndet mellan trumman och huset kan mätas tredimensionellt.
MagnField1.jpeg: Simulering av ett magnetiserat fält på en tvättmaskins stålvägg.

  Mer information…