16 jul. 2009
4 minuten
Dr. Frank Allmendinger leidt een research & development project team bij Marquardt GmbH, een Duits bedrijf dat schakelaars en schakelsystemen ontwikkelt en produceert. Gedurende de afgelopen drie jaar ontwierp zijn team een innovatief driedimensionale laad- en onbalanssensor, die wordt gebruikt in een nieuw wasmachinemodel van een bekend bedrijf in de witgoedsector. Wasmachine met een onbalanssensor; […]
Dr. Frank Allmendinger leidt een research & development project team bij Marquardt GmbH, een Duits bedrijf dat schakelaars en schakelsystemen ontwikkelt en produceert. Gedurende de afgelopen drie jaar ontwierp zijn team een innovatief driedimensionale laad- en onbalanssensor, die wordt gebruikt in een nieuw wasmachinemodel van een bekend bedrijf in de witgoedsector.
Wasmachine met een onbalanssensor; de afstand tussen de trommel en de behuizing kan in drie dimensies worden gemeten.
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.
Onbalans en resonantie
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.
Magneet en 3D Hall Sensor ASIC.
Het Marquardt team ontwikkelde, in samenwerking met het Fraunhofer Instituut voor Geïntegreerde Circuits, een 3D Hall-sensor-ASIC, die 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 sensor-ASIC, die 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, die gebruik maakt van een eigen algoritme om vast te stellen hoe de trommelbeweging gecontroleerd moet worden.
Simulatie van een gemagnetiseerd veld op de stalen achterzijde van een wasmachine.
Maple
De Marquardt groep gebruikte Maple voor het ontwikkelen van het algoritme. 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 sensormodule binnen een zeer kleine tolerantie van ongeveer twee graden lag. De resulterende algoritme werd naar C-code omgezet om op de controller te kunnen draaien. 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."
De nieuwe 3D positioneringsalgoritme in de Hall-sensor biedt meer 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 goedkopere microcontroller. Ook worden er door toepassing van de aanzienlijk kleinere magneet minder bronnen gebruikt.
Andere toepassingen
Marquardt onderzoekt momenteel andere mogelijke toepassingsvormen van de sensor. Hierbij wordt gedacht aan algemene positiewaarnemingen in reguliere. productie- en automatiseringstechnologie en aan multimedia-interfaces in de voertuigenindustrie, zoals het I-Drive systeem in een BMW-voertuig. Het bedrijf denkt ook aan doorontwikkeling van dit 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.
Over Maplesoft
Maplesoft is leverancier van high-performance softwaretools voor engineering, wetenschap en wiskunde. Het productenaanbod weerspiegelt de filosofie dat gegeven bijzondere gereedschappen, mensen bijzondere dingen kunnen doen. Maplesoft´s kerntechnologieën omvatten ´s werelds meest geavanceerde symbolische ´computation engine´ en revolutionaire fysische modelingtechnieken. Gecombineerd bieden deze technologieën de mogelijkheid om volledig nieuwe tools te creëren voor ontwerp, modeling en high-performance simulatie.
Het productenscala van Maplesoft omvat Maple, de technische ´computing en documentation´ omgeving, en MapleSim, de high-performance, multi-domain modeling- en simulatie-tool voor fysische systemen.
Samen met Toyota heeft Maplesoft het Plant Modeling Consortium opgericht dat de ontwikkeling van nieuwe ontwerptechnieken voor de automotive en daaraan gerelateerde industrieën wil promoten.