Mechatronic components and systems (MCS) - Cheatsheet

Grundlagen der Sensorik und Typen von Sensoren

Definition:

Sensoren sind Geräte, die physikalische Größen in elektrische Signale umwandeln.

Details:

• Funktion: Messen physikalischer Größen (Temperatur, Druck, Licht, etc.)
• Messprinzipien: Mechanisch, optisch, elektrisch, magnetisch
• Ausgangssignal: Analog oder digital
• Linearität und Empfindlichkeit: Wichtige Parameter für Genauigkeit
• Statische und dynamische Merkmale beachten: z.B. Trägheit, Hysterese, Ansprechzeit
• Typen von Sensoren:
  • Temperatursensoren: z.B. Thermoelemente, Widerstandsthermometer (RTD), Thermistoren
  • Drucksensoren: z.B. piezoelektrisch, kapazitiv, resistiv
  • Positionssensoren: z.B. Potentiometer, LVDT (Linear Variable Differential Transformer), Encoder
  • Lichtsensoren: Photodioden, Fotowiderstände, Fototransistoren
  • Beschleunigungssensoren: MEMS-basierte Sensoren, piezoelektrische Sensoren
  • Chemo- und Biosensoren: z.B. pH-Sensoren, Glukosesensoren
• Kalibrierung und Signalverarbeitung entscheidend für Genauigkeit und Verlässlichkeit

Signalverarbeitung und -analyse in mechatronischen Systemen

Definition:

Verarbeitung und Untersuchung von Signalen zum Zwecke der Steuerung und Überwachung in mechatronischen Systemen.

Details:

• Signalarten: Analog- und Digitalsignale.
• Filtern: Entfernen von Rauschen, Hochpass- und Tiefpassfilter.
• Transformationen: Fourier-Transformation zur Frequenzanalyse.
• Abtastungstheorem (Nyquist): Notwendige Abtastrate.
• Sicherung der Signalintegrität: Maßnahmen gegen Verzerrung und Signalverlust.
• Echtzeitverarbeitung: Anforderung für zeitkritische Anwendungen.

Aktorik-Technologien: Motoren und Stellglieder

Definition:

Aktorik-Technologien umfassen Motoren und Stellglieder, die mechanische Bewegungen in mechatronischen Systemen erzeugen.

Details:

• Motoren wandeln elektrische Energie in mechanische Energie um.
• Stellglieder erzeugen präzise mechanische Bewegungen.
• Typen von Motoren: Gleichstrommotoren (DC), Wechselstrommotoren (AC), Schrittmotoren.
• Typen von Stellgliedern: Hydraulisch, Pneumatisch, Elektrisch.
• Wichtige Parameter: Drehmoment (\tau), Leistung (P), Effizienz.
• DC Motoren: P = \frac{U^2}{R} \rightarrow \tau = k \times I
• Schrittmotoren: präzise Positionierung, kontrollierte Schritte.

Integration von Sensoren und Aktoren in Systeme

Definition:

Integration von Sensoren und Aktoren in Systeme

Details:

• Schnittstellen: Anbindung über analoge/digitale Signale
• Software: Signalverarbeitung, Steuerungsalgorithmen
• Kommunikation: Bussysteme (z.B. CAN, I2C)
• Sicherheit: Fehlerdiagnose, Redundanz
• Beispiel: Regelkreis mit Sensor (Messgröße) und Aktor (Stellgröße)

Stabilitätsanalyse und -kriterien in Regelungssystemen

Definition:

Bewertung ob ein Regelungssystem stabil ist; untersuche das Verhalten des Systems bei Abweichungen von einem Ausgangszustand.

Details:

• BIBO-Stabilität: System ist stabil, wenn auf jede beschränkte Eingabe eine beschränkte Ausgabe folgt.
• Asymptotische Stabilität: System kehrt nach einer Störung zum Gleichgewichtszustand zurück.
• Wurzelortskurve: Graphische Methode zur Analyse der Stabilität mittels Polstellen des geschlossenen Regelkreises.
• Nyquist-Kriterium: Frequenzgangbasierte Methode zur Beurteilung der Stabilität; zähle die Umläufe im Nyquist-Diagramm.
• Routh-Hurwitz-Kriterium: Mathematisches Verfahren zur Bestimmung der Stabilität; benutze Routh-Tabellen.
• Liapunov-Kriterium: Nutze Liapunov-Funktionen, um Stabilität unabhängig von den Systemantworten zu bestimmen.
• Pol-Nullstellen-Diagramm: Veranschauliche Stabilität durch Lage der Pole im komplexen Raum (linke Halbebene = stabil).

Programmierung von Mikrocontrollern in C und Assembly

Definition:

Programmierung von Mikrocontrollern in C und Assembly. Nutzung von low-level und high-level Programmierung für Mechatronik.

Details:

• C: Port-, Registerzugriffe, Bitmanipulation
• Assembly: Effiziente Codierung auf Befehlsebene
• Wichtig: Interrupts, Timer, I/O-Operationen
• Wesentlich: Verständnis der Mikrocontrollerarchitektur
• Tools: IDEs wie Keil, MPLAB, Compiler
• Hilfreich: Debugging, Simulation
• Typisch: ARM, AVR, PIC Varianten
• Formeln: Registerzugriffe \texttt{PORT &= ~(1<
• Konstanten und Makros: \texttt{\texttt{#define LED_PIN (1<<5)}}

Schnittstellen und Peripheriegeräte: UART, SPI, I2C

Definition:

Schnittstellen zur Kommunikation zwischen Mikrocontrollern und Peripheriegeräten. UART, SPI, I2C sind serielle Kommunikationsprotokolle.

Details:

• UART: Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, asynchrone serielle Kommunikation, benötigt nur 2 Leitungen (Tx, Rx).
• SPI: Serial Peripheral Interface, synchrone serielle Kommunikation, benötigt 4 Leitungen (MISO, MOSI, SCLK, SS).
• I2C: Inter-Integrated Circuit, synchrone serielle Kommunikation, benötigt 2 Leitungen (SDA, SCL), unterstützt mehrere Master und Slave Geräte.

Optimierung von Energieverbrauch in mechatronischen Systemen

Definition:

Minimierung des Energieverbrauchs in mechatronischen Systemen durch effizienten Betrieb und Nutzung von Energiespartechniken.

Details:

• Analyse der Systemanforderungen und Identifizierung von Energiesparpotenzialen
• Implementierung von Energiemanagementstrategien
• Verwendung energieeffizienter Komponenten
• Optimierung von Regelungs- und Steuerungsalgorithmen
• Nutzung regenerativer Energiequellen
• Einsatz von Technologien wie Sleep-Modus, intelligente Sensoren
• Mathematische Modelle und Simulationen zur Energieoptimierung
• Gleichungen zur Berechnung des Energieverbrauchs: \( E = P \times t \)