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02
'09
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MAPLESOFT
Un Algoritmo de Sensor Hall 3-D Desarrollado en Maple Genera un Diseño de Lavadora más Eficiente
El Dr. Frank Allmendinger encabeza el equipo para el proyecto de investigación y desarrollo en Marquardt GmbH, una compañía alemana que desarrolla y fabrica conmutadores y sistemas de conmutación. A lo largo de los tres últimos años, su equipo diseñó un innovador sensor tridimensional de carga y desequilibrio que ha sido utilizado en un nuevo modelo de lavadora de una compañía bien conocida en el sector de los electrodomésticos.
En la industria, la tendencia se aleja de las lavadoras con una capacidad del tambor de 5 kg de carga hacia modelos más grandes con una capacidad de 7 o 8 kg. Sin embargo, estos grandes tambores aún se instalan en las lavadoras de tipo estándar con una anchura de 60 cm, lo cual significa que queda mucho menos espacio entre el tambor y la carcasa. Esto hace que se produzcan colisiones con mayor probabilidad. Por tanto es necesario medir la posición del tambor respecto a la carcasa, la utilización de esta señal para identificar por adelantado los impactos entre tambor y carcasa, y reaccionar en consecuencia. El sensor de Marquardt fue desarrollado para detectar la posición relativa en las tres dimensiones del tambor de la lavadora respecto a la carcasa.
La capacidad de medir la posición del tambor ofrece otras ventajas adicionales; por ejemplo, es posible detectar desequilibrios y detectar frecuencias resonantes del sistema mecánico durante el ciclo de centrifugado de la máquina. Estos desequilibrios pueden verse reducidos ralentizando la velocidad de rotación y la distribución del peso de manera más equilibrada. ¡Es posible incluso medir una carga de ropa mientras se coloca en la máquina y recomendar la cantidad necesaria de detergente!
El equipo de Marquardt, en estrecha colaboración con el Fraunhofer Institute for Integrated Circuits, desarrolló un nuevo circuito integrado de aplicación específica (ASIC) de sensor Hall 3-D que mide los tres componentes vectoriales de un campo de dipolo magnético. El sistema de medida completo consiste en un imán fijado al tambor en la lavadora y el ASIC de sensor Hall 3-D conectado a la carcasa del aparato. El sensor Hall mide la dirección y la intensidad del campo magnético, determinando el movimiento relativo del imán en las tres dimensiones. Esta información se comunica entonces al microcontrolador incorporado, que aplica un algoritmo propietario para determinar el modo de control del movimiento del tambor.
Para desarrollar el algoritmo, el grupo de Marquardt recurrió a MapleTM. El Dr. Allmendinger encontró en Maple una herramienta inestimable que le permitió trabajar sobre problemas complejos como el modelado de campos magnéticos, estimar las tolerancias permitidas para el imán y determinar si la inclinación del módulo Sensor Hall 3-D se encontraba en una tolerancia muy pequeña de aproximadamente dos grados. El algoritmo resultante se convirtió a código C para manejar el controlador.
El Dr. Allmendinger trabajó por primera vez con Maple mientras estudiaba en la universidad. Quedó impresionado por la capacidad de Maple de trabajar con matemática simbólica, sus potentes herramientas gráficas, su interface de documentos técnicos y su capacidad de exportación a otros lenguajes (como C, MATLAB® y JavaTM). El Dr. Allmendinger declaró: “Resultó muy sencillo trabajar con Maple, incluso con las complejas matemáticas que conlleva. Nos pareció bastante fácil introducir y modificar ecuaciones, determinar si tenían una solución, a continuación retroceder y realizar los cambios necesarios. El manejo del interface de usuario de Maple me pareció muy sencillo y cómodo; especialmente la capacidad de exportación y la interoperatividad con otros programas técnicos ha mejorado mucho, y ahora resulta inestimable para el rápido desarrollo de la solución”.
El nuevo sistema de posicionamiento 3-D en el sensor Hall aporta varias ventajas. En primer lugar, su ensamblaje resulta sencillo ya que no existe conexión mecánica entre el imán y el sensor. Dado que los valores medidos de los tres componentes del campo magnético pueden registrarse simultáneamente, el sistema sensor también ofrece la opción de calcular la velocidad. En general, el diseño permite gestionar los recursos naturales de forma más responsable. El uso del modelado matemático del campo permite eliminar las técnicas de planificación 3-D tradicionales y utilizar un microcontrolador más pequeño y económico. También se utilizan menos recursos al crear un imán considerablemente más reducido.
Marquardt analiza actualmente otras aplicaciones de su sensor 3-D con otros clientes bien conocidos. Entre estas aplicaciones se encuentran en sensado de posición en general en la tecnología de producción y automatización y en interfaces multimedia en la industria del automóvil, como el sistema I-Drive en un vehículo BMWTM. La compañía estudia también un mayor desarrollo de este innovador concepto de sensor, ampliando su capacidad para determinar no sólo la distancia 3-D de un sensor Hall desde un imán sino también un ángulo sólido 3-D. Para este concepto de sensor será necesario medir el campo magnético en dos posiciones. Este problema precisará un sistema de ecuaciones de seis dimensiones y también se utilizará Maple en el desarrollo de este proyecto.
SENSOR.jpeg: Imán y ASIC Sensor Hall 3-D.
WITH_IMBALANCE_SENSOR.jpeg: lavadora con un sensor de desequilibrio, la distancia entre el tambor y la carcasa pueden medirse en tres dimensiones.
MagnField1.jpeg: Simulación de un campo magnetizado en la cara posterior de acero de una lavadora.
La capacidad de medir la posición del tambor ofrece otras ventajas adicionales; por ejemplo, es posible detectar desequilibrios y detectar frecuencias resonantes del sistema mecánico durante el ciclo de centrifugado de la máquina. Estos desequilibrios pueden verse reducidos ralentizando la velocidad de rotación y la distribución del peso de manera más equilibrada. ¡Es posible incluso medir una carga de ropa mientras se coloca en la máquina y recomendar la cantidad necesaria de detergente!
El equipo de Marquardt, en estrecha colaboración con el Fraunhofer Institute for Integrated Circuits, desarrolló un nuevo circuito integrado de aplicación específica (ASIC) de sensor Hall 3-D que mide los tres componentes vectoriales de un campo de dipolo magnético. El sistema de medida completo consiste en un imán fijado al tambor en la lavadora y el ASIC de sensor Hall 3-D conectado a la carcasa del aparato. El sensor Hall mide la dirección y la intensidad del campo magnético, determinando el movimiento relativo del imán en las tres dimensiones. Esta información se comunica entonces al microcontrolador incorporado, que aplica un algoritmo propietario para determinar el modo de control del movimiento del tambor.
Para desarrollar el algoritmo, el grupo de Marquardt recurrió a MapleTM. El Dr. Allmendinger encontró en Maple una herramienta inestimable que le permitió trabajar sobre problemas complejos como el modelado de campos magnéticos, estimar las tolerancias permitidas para el imán y determinar si la inclinación del módulo Sensor Hall 3-D se encontraba en una tolerancia muy pequeña de aproximadamente dos grados. El algoritmo resultante se convirtió a código C para manejar el controlador.
El Dr. Allmendinger trabajó por primera vez con Maple mientras estudiaba en la universidad. Quedó impresionado por la capacidad de Maple de trabajar con matemática simbólica, sus potentes herramientas gráficas, su interface de documentos técnicos y su capacidad de exportación a otros lenguajes (como C, MATLAB® y JavaTM). El Dr. Allmendinger declaró: “Resultó muy sencillo trabajar con Maple, incluso con las complejas matemáticas que conlleva. Nos pareció bastante fácil introducir y modificar ecuaciones, determinar si tenían una solución, a continuación retroceder y realizar los cambios necesarios. El manejo del interface de usuario de Maple me pareció muy sencillo y cómodo; especialmente la capacidad de exportación y la interoperatividad con otros programas técnicos ha mejorado mucho, y ahora resulta inestimable para el rápido desarrollo de la solución”.
El nuevo sistema de posicionamiento 3-D en el sensor Hall aporta varias ventajas. En primer lugar, su ensamblaje resulta sencillo ya que no existe conexión mecánica entre el imán y el sensor. Dado que los valores medidos de los tres componentes del campo magnético pueden registrarse simultáneamente, el sistema sensor también ofrece la opción de calcular la velocidad. En general, el diseño permite gestionar los recursos naturales de forma más responsable. El uso del modelado matemático del campo permite eliminar las técnicas de planificación 3-D tradicionales y utilizar un microcontrolador más pequeño y económico. También se utilizan menos recursos al crear un imán considerablemente más reducido.
Marquardt analiza actualmente otras aplicaciones de su sensor 3-D con otros clientes bien conocidos. Entre estas aplicaciones se encuentran en sensado de posición en general en la tecnología de producción y automatización y en interfaces multimedia en la industria del automóvil, como el sistema I-Drive en un vehículo BMWTM. La compañía estudia también un mayor desarrollo de este innovador concepto de sensor, ampliando su capacidad para determinar no sólo la distancia 3-D de un sensor Hall desde un imán sino también un ángulo sólido 3-D. Para este concepto de sensor será necesario medir el campo magnético en dos posiciones. Este problema precisará un sistema de ecuaciones de seis dimensiones y también se utilizará Maple en el desarrollo de este proyecto.
SENSOR.jpeg: Imán y ASIC Sensor Hall 3-D.
WITH_IMBALANCE_SENSOR.jpeg: lavadora con un sensor de desequilibrio, la distancia entre el tambor y la carcasa pueden medirse en tres dimensiones.
MagnField1.jpeg: Simulación de un campo magnetizado en la cara posterior de acero de una lavadora.
