Mechatronic components and systems (MCS) - Cheatsheet

Grundlagen der Mechatronik

Definition:

Integration mechanischer, elektronischer und softwarebasierter Komponenten zur Verbesserung der Funktionalität technischer Systeme.

Details:

• Interdisziplinäres Feld: Mechanik, Elektronik, Informatik
• Ziel: Optimierung und Automatisierung komplexer Systeme
• Wichtige Konzepte: Sensorik, Aktorik, Steuerungstechnik
• Anwendungen: Robotertechnik, Automatisierungstechnik, Medizintechnik
• Wichtige Formeln: Newtons Gesetze, Kirchhoffsche Regeln, Regelungstechnik-Gleichungen
• Typische Werkzeuge: CAD-Software, Simulationssoftware, Mikrocontroller
• Mensch-Maschine-Schnittstellen

Integration von Sensoren und Aktoren in mechatronischen Systemen

Definition:

Integration von Sensoren und Aktoren: Verknüpfung von physikalischen Zuständen mit Steuerungsmechanismen.

Details:

• Sensoren: Erfassung physikalischer Größen (z.B. Temperatur, Position).
• Aktoren: Wandeln elektrische Signale in physikalische Bewegungen um (z.B. Motoren, Hydraulik).
• Datenfluss: Sensoren -> Analoge/Digitale Wandler -> Mikrocontroller -> Aktoren.
• Echtzeitfähigkeit: Zeitkritische Verarbeitung und Reaktion.
• Kommunikation: Bussysteme (z.B. CAN, I2C, SPI) zur Datenübertragung.
• Kalibrierung: Anpassung und Justierung zur genauen Messung und Steuerung.
• Fehlermanagement: Erkennung und Kompensation von Fehlern und Abweichungen.

Stabilitätsanalyse in der Regelungstechnik

Definition:

Bewertung der Stabilität eines Regelkreissystems

Details:

• Stabilität: Die Fähigkeit eines Systems, nach einer Störung in seinen Gleichgewichtszustand zurückzukehren
• Polstellen des Übertragungsfunktion: Wurden alle im linken Halbebene der komplexen Ebene liegen, ist das System stabil.
• Routh-Hurwitz-Kriterium: Verfahren zur Bestimmung der Stabilität
• Nyquist-Kriterium: Analyse der Frequenzgangs zur Beurteilung der Stabilität
• Bode-Diagramm: Frequenzganganalyse zur Bestimmung von Verstärkungs- und Phasenreserve

Echtzeitprogrammierung für mechatronische Anwendungen

Definition:

Programmierung, die strikte Zeitvorgaben einhält, um bei mechatronischen Systemen (z.B. Roboter, Fahrzeugsteuerungen) zuverlässig und pünktlich auf Ereignisse zu reagieren.

Details:

• Echtzeitbetriebssysteme (RTOS) erforderlich
• Wichtige Kenngrößen: Latenzzeit, Jitter
• Unterscheidung in harte (müssen eingehalten werden) und weiche Echtzeitbedingungen (sollten eingehalten werden)
• Typische Programmiersprachen: C, C++, Ada
• Prioritätensysteme zur Aufgabensteuerung
• Interprozesskommunikation und -synchronisation entscheidend
• Nutzung von Timer und Interrupts

Microcontroller-Architekturen und -Programmierung

Definition:

Microcontroller-Architekturen und -Programmierung bezieht sich auf den Aufbau von Mikrocontrollern und die Techniken zu deren Softwareentwicklung. Typische Bestandteile sind CPU, Flash-Speicher, RAM, und Peripherie.

Details:

• Typische Architekturen: Harvard vs. Von-Neumann
• Programmiersprachen: C, C++, Assembly
• Wichtige Konzepte: Interrupts, Timer, UART, ADC
• Entwicklungsumgebungen: IDEs (z.B. Arduino IDE, Keil uVision)
• Programmierung: Register-Level Programmierung, Nutzung von Bibliotheken/Frameworks
• Embedded Systems: Echtzeitanforderungen, Energie-Management

Verschiedene Sensortypen und ihre Anwendungen

Definition:

Verschiedene Sensortypen in MCS-Wiederholung: kurz die Typen & Anwendungen verstehen

Details:

• Temperatursensoren: Messen Wärme (z.B. PT100, Thermoelemente), Verwendung: Heizungssteuerung, Motorüberwachung.
• Drucksensoren: Messen Druck (z.B. piezoelektrisch, kapazitiv), Verwendung: Hydrauliksysteme, Wettervorhersage.
• Beschleunigungssensoren: Messen Beschleunigung (z.B. MEMS, piezoelektrisch), Verwendung: Airbags, Mobiltelefone.
• Lagesensoren: Messen Neigung/Position (z.B. Gyroskope, Beschleunigungssensoren), Verwendung: Drohnen, Navigation.
• Optische Sensoren: Messen Lichtintensität (z.B. Fotodioden, Fototransistoren), Verwendung: Kameras, Lichtsteuerung.
• Magnetische Sensoren: Messen Magnetfelder (z.B. Hall-Sensoren, Magnetoresistive Sensoren), Verwendung: Kompasse, Automobilindustrie.
• Feuchtigkeitssensoren: Messen Feuchtegehalt (z.B. kapazitiv, resistiv), Verwendung: Klimaanlagen, Agrarwirtschaft.
• Ultraschallsensoren: Messen Abstände durch Schallwellen (z.B. Ultraschallwandler), Verwendung: Abstandsmessung, Robotik.

Reglerentwurf und Optimierung

Definition:

Reglerentwurf und Optimierung im MCS umfasst die Gestaltung und Justierung von Regelkreissystemen zur Steuerung mechatronischer Systeme.

Details:

• Reglerentwurf: Ziel ist es, Parameter eines Reglers so zu bestimmen, dass das System stabil und leistungsfähig ist (z.B. PID-Regler: K_p, K_i, K_d).
• Optimierung: Techniken beinhalten die Minimierung einer Kosten- oder Zielfunktion unter Berücksichtigung gegebener Nebenbedingungen (z.B. Lineare Programmierung, Gradientabstieg).
• Wichtige Kriterien: Stabilität, Regelgüte, Robustheit und Ansprechverhalten.
• Mathematische Darstellung:

Kommunikationsprotokolle in Mikrocontrollern

Definition:

Kommunikationsprotokolle spezifizieren, wie Daten zwischen Mikrocontrollern und anderen Geräten übertragen werden.

Details:

• UART: Serielle Kommunikation, oft für einfache, direkte Verbindungen verwendet. Kein Taktungssignal.
• SPI: Serielle Schnittstelle mit Takt, ermöglicht schnellere Datenübertragung und Multimaster-Setup.
• I²C: Serieller Bus mit Multi-Master- und Multi-Slave-Fähigkeit. Verwendet Takt- und Datenleitung.
• CAN: Netzwerkprotokoll, hauptsächlich in Automobilanwendungen eingesetzt. Robust, ermöglicht Kommunikation zwischen mehreren Steuergeräten.
• RS-232: Älteres serielles Kommunikationsprotokoll, geeignet für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen.
• USB: Universelles serielles Bussystem, unterstützt hohe Übertragungsraten, Peripherieanbindung.