Mechatronische Systeme (Fach) / Fragen (Lektion)

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Elektronik- Mikroelektronik

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  • Nennen Sie mindestens 4 wesentliche Merkmale, wodurch sich verschiedene Realisierungen einer Schaltung als Leiterplatte, Hybrid oder IC unterscheiden ! Abmessungen, Gewicht, Hardwarekosten, Stückzahl, Entwicklungskosten/-zeit, zulässige Umgebungsbedingungen
  • Welche Ausführung wählen Sie für eine Schaltung ohne besondere Anforderugen bei 1000 Stck/Jahr Gesamtbedarf ? Warum ? Leiterplatte, da geringe Stückzahlen und keine besonderen Anforderungen (z.B. bzgl. Abmessungen oder Umgebungsbedingungen), die Hybrid oder IC (hoher Entwicklungsaufwand) erzwingen.
  • Was ist ein MOSFET ? MOSFET = Metal Oxide Silicium Feld Effekt Transistor
  • Wodurch unterscheidet sich seine Funktionsweise eines Mosfet prinzipiell von der eines bipolaren Transistors ? Beim FET fließt am Gate (=Basis) kein Steuerstrom, sondern es reicht eineSteuerspannung aus, um die Drain - Source -Strecke zu beeinflussen. Somit ist leistungslose Steuerung möglich.
  • Welche 3 Gehäusebauformen gibt es bei diskreten Bauelementen (ohne Halbleiter) ? Erklären Sie Abkürzungen ! 1) Axial bedrahtet2) radial bedrahtet,3) SMD = Surface Mounted Device, Oberflächenmontage
  • Nennen Sie mindestens 3 Nachteile der mechanischen Kommutierung von Gleichstrommotoren ! Begrenzte Lebensdauer, Kontaktunsicherheit, elektrische Störungen, Geräusch.
  • Welche Lösung gibt es dafür die Nachteile (Mechanisch Kommutierte Gleichstrommotoren) ? Nennen Sie 2 alternative Bezeichnungen bürstenlose Gleichstrommotoren, elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren, Elektronikmotoren, EC-Motoren
  • Welchen Halbleiterspeichertyp würden Sie wählen für denProgrammcode eines Mikrocontrollers, wenn bei dem betreffenden Produkt die Herstellkosten bei großen Stückzahlen die entscheidende Rolle spielen und Flexibiltät zweitrangig ist. Geben Sie Kürzel ROM = Read Only Memorykostengünstigster, allerdings unflexibler, nicht-flüchtiger Halbleiter-Speicherbaustein Programmcode wird beim Chip-Hersteller eingebrannt
  • Welchen Speichertyp würden Sie wählen, wenn der Programmcode größeren Umfangs erst am Montageband des Gerätes (z.B. eines Fahrzeugs) typabhängig in den Speicher geladen werden soll ? Kürzel, ausgeschriebene Bezeichnung und kurze Begründung ! Flash-EPROM = Flash- Electrically Programmable Read Only MemoryDieser Speichertyp ist teurer, kann jedoch flexibel im System (d.h. Steuergerät programmiert oder umprogrammiert) werden.
  • Welchen Speichertyp würden Sie wählen, um während des Steuergeräte-Betriebs Daten und Fehlercodes in begrenztem Umfang abzuspeichern, die z.B. vom Werkstattpersonal wieder gelöscht werden können. Kürzel, ausgeschriebene Bezeichnung und kurze Begründu EEPROM = Electrically Erasable Programmable Read Only MemorySpeicherzellen sind im System (d.h. Steuergerät) einzeln lösch- undwiederbeschreibbar. Rel. teuer und relativ langsam beim Löschen/Programmieren, deshalb nicht für längeren Programmcode geeignet.
  • Nennen Sie 2 Vorteile der Assemblerprogrammierung 1) schnelle, echtzeitfähige Programmme2) geringer Speicherbedarf -> Kosten !
  • Der Programmcode soll in einem elektronischen Steuergerät im Kfz so gespeichert werden, dass er typspezifisch am Bandende geladen und auf einfache Weise im Service upgedated werden kann. Welcher Speichertyp kommt in Frage ? Abkürzung, volle englische Flash- EPROM = Flash- Erasable Programmable Read Only Memory Eigenschaften: - blockweise elektrisch (im System) löschbar und einzeln    wiederbeschreibbar - kurze Programmierzeiten (flash = Blitz), kurze Lesezeiten, lange Löschzeiten - relativ teuer (im Vergleich zum ROM)
  • Erklären Sie den Begriff „Cross-Compiler“ ! Ein „Cross-Compiler“ ist ein Compiler (Übersetzer in Maschinensprache), der auf einem Computer, z.B. PC arbeitet/übersetzt, das Ergebnis der Übersetzung (Programm in Maschinensprache) läuft jedoch auf einem anderen (Ziel-)rechner, z.B: einem Steuergerät im Kfz.
  • Sie haben eine nicht sehr umfangreiche Mikrocontroller-Anwendung, bei der es um Echtzeit geht und die Minimierung der Produktkosten entscheidend für den Markterfolg ist. Welche Programmiersprache schlagen sie vor ? Begründen sie ihre Wahl und erläute Vorschlag: Assemblerprogrammierung, da Echtzeitanforderung und geringe Kosten (-> günstiger Rechner mit kleinem Speicher und rel. geringer Leistungsfähigkeit, z.B. 8-bit-uC).Nachteile: Programmpflege und spätere Portierung auf andere Rechner schwierig bzw. unmöglich, da Assembler rechnerspezifisch ist und die strukturierte Programmierung nicht fördert.
  • Welche Merkmale müssen prinzipiell für ein Bussystem festgelegt werden, um die Kommunikation zwischen mehreren (mehr als 2) Rechnern zu ermöglichen Physikalisches Übertragungsmedium: leitungsgebunden (koaxial, LWL), drahtlos (Funk)
  • Welche Merkmale müssen prinzipiell für ein Bussystem festgelegt werden, um die Kommunikation zwischen mehreren (mehr als 2) Rechnern zu ermöglichen ? Nennen Sie 3 Punkte mit kurzer Erläuterung und jeweils mindestens 2 Realisierungsalternativen, z.B. 1) Physikalisches Übertragungsmedium: leitungsgebunden (koaxial, LWL), drahtlos (Funk)2) Topologie (räumliche Struktur) des Rechner-Netzwerks: Bus, Stern, Ring3) Zugriffsverfahren (Regelung bei gleichzeitigem Zugriff mehrerer Teilnehmer auf den Bus): Master/Slave, Token Ring, CSMA/CA
  • Erklären sie den Begriff „Physical Layer“ ! Geben sie mindestens 3 Beispiele an, was damit definiert wird Das „Physical Layer“ (auch Bitübertragungsschicht) aus dem OSI-Referenzmodell definiert alles, was für die direkte Übertragung und den Empfang einzelner Bits bei der Rechnerkommunikation notwendig ist. Z.B. Stecker, physikalische Spannungspegel, el. Kabeleigenschaften, Kodierungsverfahren,...
  • Nennen sie 2 weitere Bussysteme, die neben CAN im Kfz zum Einsatz kommen ! Nennen sie jeweils ein Anwendungsbeispiel und ein Stichwort zu den besonderen Merkmalen dieser Bussysteme LIN: Low-Cost-Bus z.B. für SitzverstellungMOST: optischer Bus für Multimedia im Kfz
  • Welche 2 prinzipiellen Möglichkeiten gibt es, die Drehzahl eines Permanentmagnet-DC-Motors zu beeinflussen ? Verstellung der Ankerspannung UA und Zusatzwiderstände Rzu im Ankerkreis
  • Aus welchen wesentlichen Komponenten besteht ein mechatronisches System. mechanisches Grundsystem, Steuergerät mit Hard- und Software, Aktoren, Sensoren, Mensch-Maschine-Schnittstelle
  • Nennen sie eine Definition von „mechatronisches System“ ! Ein typisches mechatronisches System nimmt Signale auf, verarbeitet sie und gibt Signale aus, die es z.B. in Kräfte und Bewegungen umsetzt.
  • Nennen sie 2 Beispiele für typische mechatronische Systeme ! Kfz: ABS, Motorsteuerung; Produktionstechnik: Roboter, CNC-Fräsmaschine
  • Erläutern sie kurz, welche Rolle die Software in mechatronischen Systemen spielt ? enthält wesentliche Teile der Funktionalität, zunehmende Bedeutung, hoher undzunehmender Anteil an Entwicklungskosten
  • Erläutern sie, welche 3 Speichertypen ein Mikrocontroller im Kfz typischerweise benötigt, um seine Aufgaben erfüllen zu können ! Geben sie Abkürzung, volle englische Bezeichnung und den typischen Inhalt der Speicher an ! Flash-EEPROM (Flash Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)für Programmdaten RAM (Random Access Memory) als Arbeitsspeicher für Rechendaten EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) für benutzerdefinierte Daten, z.B. Parameter oder Fehlercodes, änderbar im Betrieb, jedoch nicht-flüchtig
  • Was bedeutet SRAM und DRAM (volle englische Bezeichnung) ? Was haben die beiden Speichertypen gemeinsam (2 Punkte) ? Warum gibt es beide Typen ? Nennen sie als Begründung dafür 2 für die Anwendung wesentliche Eigenschaften, in denen sich beide unters SRAM = Static Random Access Memory DRAM = Dynamic Random AccessMemory Beides sind flüchtige Speichertypen, d.h. der Speicherinhalt geht bei Abschalten der Spannung verloren. Speicherzellen sind einzeln beliebig löschbar und wiederbeschreibbar (Arbeitsspeicher).Für die Anwendung wesentliche, unterschiedliche Eigenschaften:SRAM: teurer, schneller; DRAM: langsamer, billiger
  • Eine CAN-Botschaft mit dem Identifier 00Ahex hat eine Länge von 100 bits und wird periodisch alle 1 ms gesendet. a) Wie groß ist die mittlere Baudrate auf dem Bus ? b) Zu wieviel Prozent ist der Bus ausgelastet, wenn die max. Baudrate auf 250 kBaud a) mittlere Baudrate = 100 bits/1 ms = 100 kBaudb) Busauslastung = 100 kBaud/250 kBaud = 40 %, max. 1 MegaBaudc) Reihenfolge: 1) 007hex 2) 00Ahex 3) 01BhexJe niedriger der Wert des Identifiers, desto höher die Priorität beim Sendend) Steuergerät ans Netzwerk anschließen und in der Empfangsliste den Identifier00Ahex eintragen.e) Die Begriffe beziehen sich auf den logischen Pegel des CAN-Busses:dominant = 0 = ΔU = 2V; rezessiv = 1 = ΔU = 0V
  • Erklären sie mit einigen Stichworten und an Hand untenstehender Diagramme, wie sich die Drehzahl eines Gleichstrommotors mit Dauermagneterregung verstellen lässt! Verstellen der Ankerspannung UA -> Kennlinie wird parallel verschobenZusatzwiderstände in den Ankerstromkreis schalten -> Kennlinie wird nach untengedreht
  • Was versteht man unter Kaskadenregelung bei geregelten elektrischen Antrieben ? Welche Größen werden geregelt (3) ? Bei der Kaskadenregelung gibt es mehrere ineinander verschachtelte (kaskadierte)Regelkreise: Lage/Position, Drehzahl und Motorstrom
  • Nach welchem Kriterium lassen sich Aktoren grob einteilen ? Einteilung nach verwendeter Energieform
  • Zählen sie die 5 Gruppen von Aktoren auf und nennen sie jeweils ein Beispiel ! mechanische Aktoren z.B. Stellschraube pneumatische Aktoren z.B. pneumatischer Stellzylinder hydraulische Aktoren z.B. hydraulische Spielnachstellung elektrische Aktoren z.B. Piezo-Ventil, Elektromotor Kombinationen z.B. elektrohydraulisches Stellventil
  • Ein Gleichstrommagnet wird an 24V Spannung angeschlossen. a) Sie verpolen versehentlich die Anschlüsse. Was passiert ? b) Wirkt im angezogenen oder im abgefallenen Zustand die größere Magnetkraft auf den Anker ? Warum ? c) Sie verdoppeln de a) Keine Auswirkung, da Magnetkraft unabhängig von Stromrichtung ist. b) Die Magnetkraft ist im angezogenen Zustand viel größer als im abgefallenen.Grund: Magnetkraft ist stark vom Luftspalt abhängig und dieser ist im angezogenenZustand minimal. c) Bei doppeltem Strom vervierfacht sich die Magnetkraft. d) Die Zeitkonstante τ = L/R ist ein Maß für die Einschaltgeschwindigkeit. R istohmscher Widerstand, L die Induktivität der Spule e)1. Möglichkeit:: Schnellerregung durch Vorschalten eines Widerstands. DieZeitkonstante wird dann kleiner: τ = L/(R+RV). Allerdings muss die Spannung erhöhtwerden, falls der Strom und damit die Anzugskraft gleich bleiben sollen.2. Möglichkeit: Übererregung durch kurzzeitiges Erhöhen der Spannung. Spannungmuss nach Anziehen wieder abgesenkt werden, um Spule nicht zu überhitzen.Elektronischer Aufwand.
  • b) Was ist ein Register ? c) Erläutern sie die Funktion des speziellen Registers „Programmzähler“ (Program Counter PC) ! d) Bei einem 8-bit- Rechner ist das PC-Register 16 bit breit. Welche max. Programmgröße (in kByte Programmcode) kann der R b) Register sind spezielle Speicherzellen innerhalb der CPU, die fur arithmetische undlogische Operationen sowie die Ablaufsteuerung benutzt werden. c) Der PC zeigt immer auf die Adresse des nachsten Befehls im Speicher. Er wird wahrend des Programmablaufs mit jedem neuen Befehl durch ein Signal des Steuerwerks inkrementiert. Beim Einschalten bzw. Betatigen des RESET-Eingangs wird der PC auf den Programmanfang gestellt. d) PC 16 bit breit -> max. 216 x 1 byte = 65536 byte . 65 kByte addressierbar, d.h.max. 65 kByte Programmcode
  • a) Erläutern sie, was unter einem „smart power IC“ zu verstehen ist ! b) Nennen sie 3 Beispiele für Zusatzfunktionen eines solchen smart power IC ! c) Ergänzen sie die 3 fehlenden Bezeichnungen für die Anschlussbelegung eines solchen smart powe a) Bei einem smart power IC werden Leistungsendstufen mit sensorischen undlogischen Schaltungselementen auf einem einzigen Chip untergebracht. b) Schutz gegen Überspannung, Überstrom, Übertemperatur, Kurzschluss, Verpolung,ESD, Fehlerrückmeldung, Anpassung an ansteuernden Logikpegel (1) Ground GND (Masse)(2) Steueranschluss TTL-Pegel (5V)(3) zu steuernde Lastspannung, z.B. 24V(4) Status(fehler)rückmeldung(5) gesteuerter Ausgang für ohmsche oder induktive Last
  • Nennen sie die 3 gängigsten Weg/Winkelmessverfahren, jeweils mit Vor- und Nachteilen ! potentiometrisch:+ : kostengünstig, einfach, hohe Auflösung, lange Wege, absolut- : Verschleiss, schwingungsempfindlich, mittlere Genauigkeitinduktiv:+ : robust und schwingungsunempfindlich, berührungslos, verschleissfrei- : höhere Kosten und höherer Aufwand für Speisung und Auswertungoptoelektronisch inkremental:+ : hohe Auflösung (1μm), hohe Präzision, digitaler Ausgang- : relativ hohe Kosten, inkremental, d.h. Wegdifferenzen werden gemessen
  • a) Nennen sie 3 gängige Bussysteme im Kraftfahrzeug ! b) Nennen sie die 2 wichtigsten Unterschiede, die über den Einsatzbereich dieser Bussysteme entscheiden ! c) Wie nennt man einen Rechner, über den verschiedene Bussysteme miteinander verkn a) LIN, CAN, MOST, Flexrayb) Übertragungsgeschwindigkeit, Kosten je Netzknotenc) Gateway
  • Ein Mikrocontroller enthält per definitionem eine CPU, Speicher sowie I/O-Bausteine auf einer Platine. Falsch: Ein Mikrocontroller enthält eine CPU, Speicher sowie I/O-Bausteine auf einemHalbleiter-Chip, nicht auf einer Platine.
  • Das Programm der Heizungsregelung einer Wohnung wird in 1 s sicher durchlaufen. Auf Grund dieser Zykluszeit kann man von Echtzeitfähigkeit des Programms sprechen. Die Heizungssteuerung ist echtzeitfähig, da die Regelstrecke „Wohnung“ viel träger ist als die Programmdurchlaufzeit von 1 s.
  • Ein Gleichstrommagnet wird beim Anschließen an die Stromversorgung verpolt. Als Folge brennt die Wicklung durch. Verpolen hat beim Gleichstrommagnet keine Auswirkung, die Anzugskraft bleibtgleich. Die Wärmeentwicklung hängt sowieso nicht von der Stromrichtung ab.
  • Ein Vorschubantrieb einer Werkzeugmaschine arbeitet normalerweise im „2-Quadranten-Betrieb“. Ein Vorschubantrieb muss im allgemeinen in beiden Richtungen antreiben und verzögern, d.h. ein 2-Quadrantenbetrieb reicht nicht aus, sondern es ist ein 4-Quadrantenbetrieb notwendig.
  • Ein NVRAM ist ein nicht-flüchtiger Datenspeicher. Ein NVRAM (Non-Volatile Random Access Memory) ist nicht-flüchtig,. da die Daten beiStromausfall vom RAM in einen unterlagerten EEPROM gerettet werden
  • Parameter und Fehlerdaten werden im Kraftfahrzeug typischerweise in einem EPROM abgelegt. Richtig ist EEPROM = Electrically Erasable Programmable Read Only Memory, nichtEPROM.
  • Gleichstrommotoren lassen sich mit PWM kontinuierlich in der Drehzahl steuern. Über PWM=Pulsweitenmodulation kann die Ankerspannung des Motors im Bereich von 0% bis 100% verstellt und damit die Drehzahl gesteuert werden
  • Assemblersprachen werden nur noch dann eingesetzt, wenn es um Portierbarkeit und gute Dokumentation des Programms geht. Assemblersprachen werden dann eingesetzt, wenn es um zeitkritische Prozesse oder geringst möglichen Codeaufwand geht.
  • Bei einem Drehpotentiometer zur Drehwinkelmessung muss der Lastwiderstand möglichst klein sein im Verhältnis zum Bahnwiderstand, damit eine genaue Messung möglicht ist. Bei im Verhältnis zum Bahnwiderstand kleinem Lastwiderstand wird die Kennlinie stark verfälscht. Der Lastwiderstand muss im Gegenteil möglichst groß sein !
  • Der Lenkradwinkelsensor für ESP ist ein Beispiel für Sensorik mit integriertemMikrocontroller. a) Erklären Sie kurz an Hand einer Skizze mit Erläuterung den mechanischen und messtechnischen Aufbau dieses Sensors ! b) Was heißt AMR und auf welc 2 mit Dauermagneten bestuckte Messzahnrader greifen in einen mit der Lenksaule drehfest verbundenen Zahnkranz ein und drehen sich somit beim Drehen der Lenksaule. Die Messzahnrader haben eine um einen Zahn unterschiedliche Zahnezahl, also einen Phasenversatz. Die Magnetfeldrichtung der Dauermagnete (also die Drehbewegung der Messzahnrader) wird durch oberhalb angeordnete AMRSensorelementeerfasst und einem integrierten Mikrocontroller zugeleitet. Diesererrechnet aus diesen beiden Drehwinkelsignalen den absoluten Drehwinkel und die Winkelgeschwindigkeit der Lenksaule. Die Werte werden uber CAN-Bus an das Steuergerat ausgegeben. b) AMR = Anisotrop Magnetoresistiv Der Widerstand andert sich abhangig von der Richtung des Magnetfeldes. c) U1(t) = A(T) * sin (2 .), T = TemperaturU2(t) = A(T) * cos (2 .), T = Temperatur d) Zwei um 45‹ versetzte Messsignale (die ein AMR-Chip liefert) werden dividiert, die temperaturabhangige Amplitude kurzt sich heraus und es bleibt die reine Anhangigkeit vom Winkel .:U1(t)/U2(t) = A(T) * sin(2.)/ A(T) * cos(2.) = tan(2.) e) Geringe Abweichung von k als Integer ist ein Mas fur die Messungenauigkeit. Grosere Abweichungen deuten auf einen Fehler im Messsystem hin und dienen somit zur Fehlererkennung.
  • a) Erläutern Sie die wesentlichen Vor- und Nachteile (je 2) eines Bussystems mit paralleler und serieller Datenübertragung ! b) Handelt es sich bei CAN um einen seriellen oder parallelen Bus ? Kurze Erläuterung ! c) Skizzieren Sie den prinzipie a) Parallel Vorteil: schnelle DatenübertragungNachteil: hoher Verkabelungsaufwand seriell: Vorteil: geringer VerkabelungsaufwandNachteil: geringere Datenübertragungsgeschwindigkeit bei gleicher Technik b) .CAN ist ein serieller Bus, der mit 2 Adern auskommt. Bits werden zeitlichnacheinander durch Signale auf beiden Adern (Differenzsignal) übertragen. d) Botschaft mit höchster Priorität bekommt Identifier mit höchster Priorität: 0hex Diese Botschaft wird immer mit höchster Priorität gesendet f) Störungen wirken meist auf beide Leitungen in gleicher Weise (s. Skizze). Auf Grund des Differenzspannungsprinzips, d.h. nur die Differenz der Spannungen auf den beiden Leitungen wird als Signal „0“ oder „1“ ausgewertet, wird die Störung „heraussubtrahiert“.g) z.B. Kabelart, Stecker, Spannungspegel, Codierungsverfahren, Pinbelegung,Taktgebung, Übertragunsmodus s. Folie im Skript
  • Beschreiben Sie, welche Hilfsprogramme Sie benötigen, um für einen Mikrocontroller ein lauffähiges Assemblerprogramm zu erstellen ! Jeweils Name und stichwortartige Erläuterung sowie richtige Reihenfolge einhalten ! 1) - Editor zur Erstellung des Quellprogramms2) - (Cross-) Assembler zur Übersetzung in Maschinencode3) - (Cross-) Linker zum Zusammenfügen verschiedener Programmteile, evtl. auchaus Bibliothek4) - Monitor oder Debugger zur Fehlersuche
  • Ein Mikrocontroller enthält per definitionem eine CPU, Speicher sowie I/O-Bausteine auf einer Platine. Ein Mikrocontroller enthält eine CPU, Speicher sowie I/O-Bausteine auf einem Halbleiter-Chip, nicht auf einer Platine.