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MAPLESOFT

L’algorithme du capteur 3-D à effet Hall développé grâce à Maple permet de rationaliser la conception des machines à laver pour plus d’efficacité.

Le Pr. Frank Allmendinger dirige une équipe de recherche et développement dans la société allemande Marquardt GmbH qui développe et fabrique des commutateurs et des systèmes de commutation. Au cours de ces trois dernières années, son équipe a développé un capteur de charge et de déséquilibres tridimensionnel innovant utilisé par un nouveau modèle de lave-linge de marque bien connue et bien implantée sur le marché des appareils ménagers.

L’algorithme du capteur 3-D à effet Hall développé grâce à Maple permet de rationaliser la conception des machines à laver pour plus d’efficacité.
La capacité des tambours de lave-linge a tendance à évoluer au-delà des 5 kg, pour atteindre 7 voire 8 kg. Ces tambours de grande taille sont pourtant encore montés dans des châssis de lave-linge standard, c'est-à-dire de 60 cm de large, d’où une réduction de l’espace séparant le tambour et le châssis et une augmentation du risque de chocs. Il est donc indispensable de mesurer la position relative du tambour par rapport au châssis, d’utiliser le signal correspondant pour prévoir à l’avance les risques de choc du tambour sur le châssis et de prendre, le cas échéant, les mesures qui s’imposent. Le capteur de Marquardt permet de détecter la position relative du tambour par rapport au châssis en trois dimensions.

Cette capacité à identifier la position du tambour présente plusieurs autres avantages, comme par exemple la possibilité de détecter des déséquilibres et les fréquences de résonance du système mécanique pendant le cycle de rotation du tambour. Pour réduire ces déséquilibres, il est possible de ralentir la vitesse de rotation et de répartir le poids de manière plus uniforme. Par ailleurs, il est possible de mesurer le poids des vêtements au moment où ils sont introduits dans la machine et d’indiquer la dose de détergent à utiliser !

L’équipe de Marquardt a développé, en étroite collaboration avec le « Fraunhofer Institute for Integrated Circuits », un nouveau circuit intégré spécifique à l’application appelé ASIC (application specific integrated circuit) de capteur 3-D Hall qui mesure les trois composants de vecteur d’un champ magnétique dipolaire. Le système de mesure se compose d’un aimant fixé sur le tambour du lave-linge et de l’ASIC du capteur 3-D Hall fixé au châssis de la machine. Le capteur Hall mesure le sens et la puissance du champ magnétique afin de déterminer le mouvement relatif de l’aimant simultanément dans les trois directions. Ces informations sont alors transmises au microcontrôleur embarqué qui définit une stratégie de contrôle du mouvement du tambour en utilisant un algorithme propriétaire.

Marquardt a conçu cet algorithme à l’aide de MapleTM. Le Pr. Allmendinger a trouvé en Maple un précieux outil pour ses recherches qui lui a permis de s’attaquer à des problèmes complexes tels que la modélisation de champs magnétiques, l’évaluation des tolérances autorisées au niveau de l’aimant ou la recherche de l’inclinaison du module « capteur 3-D à effet Hall » afin d’établir si celle-ci se situait à l'intérieur ou au-delà du seuil de tolérance minime d’environ deux degrés. L'algorithme ainsi obtenu a été traduit en code C pour pouvoir l’exécuter sur le contrôleur.

La première rencontre entre le Pr. Allmendinger et Maple remonte à l’époque où il étudiait à l’université. La capacité de Maple à traiter les mathématiques symboliques l’a fortement impressionné, de même que ses puissants outils graphiques, son interface documentaire graphique et ses fonctions d’exportation vers d’autres langages (par exemple le C, MATLAB® ou JavaTM). Le Pr. Allmendinger ne cache pas sa satisfaction : « Maple est un outil très facile à manipuler, même en cas de problèmes mathématiques complexes. La saisie et la modification d’équations s’est avéré on ne peut plus simple, de même que leur vérification pour s’assurer qu’elles avaient bien une solution, et leur correction le cas échéant. J’ai beaucoup apprécié l’interface utilisateur simple et efficace de Maple, notamment les fonctions d’exportation et d’interface avec les autres programmes techniques qui ont été beaucoup améliorées. Cela fait de Maple un outil extrêmement précieux pour le développement rapide de solutions.»

Le nouvel algorithme de positionnement en 3-D utilisé par le capteur à effet Hall présente plusieurs avantages. Premièrement, sa structure est très simple car il n’existe aucun lien mécanique entre l’aimant et le capteur. Comme les valeurs mesurées des trois composantes du champ magnétique peuvent être enregistrées simultanément, le système de capteur permet également de mesurer la vitesse. D’une manière générale, sa structure permet de gérer de manière plus responsable les ressources naturelles. Grâce à la modélisation mathématique du champ, il est possible d’abandonner les techniques traditionnelles de cartographie 3-D et d’utiliser un microcontrôleur plus petit et plus rentable. De même, la taille considérablement réduite de l’aimant permet de limiter la quantité de ressources utilisées.

Marquardt est en train de négocier de nouveaux types applications pour son capteur 3-D avec d’autres clients importants, notamment la détection de positions pour les grandes technologies de production et d’automatisation, ou les interfaces multimédia dans l’industrie automobile, comme par exemple le système I-Drive dans les véhicules BMWTM. La société envisage par ailleurs de continuer à développer son concept innovant de capteur, en le dotant de nouvelles fonctions autorisant l’identification non seulement de la distance 3-D séparant le capteur Hall d’un aimant mais aussi l'angle solide 3-D. Pour ce type de capteur, il faudra mesurer le champ magnétique pour deux positions. Le problème posé exigera un système d’équations à six dimensions dont le développement fera aussi appel à Maple.

SENSOR.jpeg : Aimant et ASIC du capteur 3-D à effet Hall.
WITH_IMBALANCE_SENSOR.jpeg : Lave-linge avec son capteur de déséquilibre qui permet de mesurer en trois dimensions la distance entre le tambour et le châssis.
MagnField1.jpeg : Simulation d’un champ magnétique sur la paroi arrière en acier d’un lave-linge.
 

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