Mekatronikk

1. sampling

1.1. å lese et signal på bestemte tidspunkt kalles å sample signalet

1.1.1. siden signal i den virkelige verdenen endrer seg kontinuerlig, men vi kan ikke lese av kontinuerlig åpenbart

1.2. sampling rate: antall samples per sekund

1.3. aliasing EW EW EWWW

1.3.1. det oppstår når et signal samples for sakte ift signalets frekvensinnhold som fører til at høyfrekvente signaler feiltolkes som lavfrekvente signaler etter sampling

1.3.1.1. for å kunne rekonstruere et samplet signal må samplingsfrekvensen være minimum dobbelt så stor som høyeste frekvensen i inngangssignalet --> Nyquist-Shannon samplingsteoremet

1.3.1.1.1. man kan unngå aliasing ved å bruke en antialiasing-filter (lavpassfilter) som fjerner de høyfrekvente komponentene som kan skape aliasing

1.3.1.1.2. ved å sample ofte

2. binære tall

2.1. bruke totalsystemet til å representere tall

2.2. antall mulige tall: 2^n

2.2.1. men signed int bruker en bit til å angi om tallet er neg eller pos og derfor n=n-1 når vi har en signed int!!

2.2.2. signed int

3. kondensator

3.1. er et slags "mini batteri" er en komponent som lagrer energi i et elektrisk felt

3.1.1. bruksområder

3.1.1.1. RAM

3.1.1.2. strømforsyning som lagrer energi og jevner ut spenning. den "glatter ut" pulserende likestrøm

3.1.1.3. signalprosessering: Lavpass/høypassfilter

3.1.1.4. bypass/decoupling: utjevner spenning like ved en chip

3.1.2. kondensator leder vekselstrøm, men ikke likestrøm

3.1.2.1. som vil si: konstant V --> ingen strøm :x: , verierende V --> strøm :+1:

3.1.3. størrelsen på en kondensator er målt i farad

3.1.3.1. å koble til kondensatorer i serie gir en mindre kapasitet enn den minste indivoduelle kondensatoren Ceq= 1/C1 + 1/C2

3.1.3.2. å koble de i parallell legger til kapasiteten Ceq=C1+C2

3.1.4. kondensatorimpedans er "vekslestrømsmotstand" Zc = 1/jwC impedans reduseres med økende frekvens! altså en kondensator leder bedre ved høyere frekvenser

3.1.4.1. motstander, kondensatorer og spoler har impedans og ohms lov gjelder for alle, om vi bruker impedans i stedet for resistans

3.1.5. vekslestrøm AC er elektrisk strøm som skifter retning periodisk, altså at elektronene vibrerer frem og tilbake i stedet for å strømme en vei hele tiden som i likestrøm

3.1.6. vekslespenning betyr at spenningen varierer periodisk over tid-den veksler mellom positive og negative verdier(sinus kurve)

3.1.6.1. v(t) = Vm * sin(vinkelhastighet*t + faseforskyvning)

4. spole

4.1. lagrer energi i magnetisk felt. motstår endring i strøm, har størrelse L induktans og enhet Henry

4.1.1. impedans fra spole Z = J w L

4.1.2. problem med kickback: at strømmen gjennom en spole plutselig brytes, siden en spole motsetter seg endring i strøm, prøver spolen å opprettholde strømmen ved å indusere en spenning i motsatt retning. den høye spenningen kan skape problemer

4.1.2.1. VL(L*di/dt)

4.1.3. en rele lar deg bruke et lite signal fra feks en mikrokontroller til å styre en kraftigere last feks en motor eller lampe

4.1.3.1. et rele består typisk av en spole, jernkjerne, bryterkontakter og en fjær

4.1.3.2. det brukes til å

4.1.3.2.1. styre motorer, lamper, varmeovner fra kontrollkretser

4.1.3.2.2. beskytte kretser ved overbelastning

4.1.3.2.3. koble strøm på/av automatisk i ulike styringssystemer

4.1.4. induktans gjør at spolen bremser endringene i strøm, den prøver å holde strømmen jevn, som en slags treghet for strøm

5. transistor

5.1. er en elektronisk komponent som kan forsterke signaler og virke som en bryter

5.1.1. hvordan fungerer den

5.1.1.1. den har tre elektroder: base som styrer transistoren, collector der strømmen kommer inn og emitter hvor strømmen går ut

5.1.2. ulike type transistorer

5.1.2.1. BJT strøm styres av en annen strøm

5.1.2.2. FET strøm styres av spenning

5.1.2.2.1. bruker en spenning til å styre en strøm. har en høy inngangsimpedans, lavt strømforbruk og kan håndtere høy effekt

5.1.2.3. Fototransistorer strøm styres av lys

5.1.3. hvorfor bruke?

5.1.3.1. bryter for å skru elektriske signaler av og på

5.1.3.2. forsterke signer (feks radiosignaler, lydsignaler)

5.1.3.3. signalbehandler som feks i filtre, oscillatorer, logiske kretser

6. regulering

6.1. hvordan hjernen "MCU" bruker sensordata til å bestemme hvilke signaler den skal sende til aktuatoren

6.1.1. åpen sløyfe

6.1.1.1. vi gir kontrollsignal til aktuator og antar at systemet gjør som det skal

6.1.1.1.1. eks: 3D printer, lykkehjul

6.1.2. lukket sløyfe

6.1.2.1. bruker sensordata til å justere styresignalet

6.1.2.1.1. eks: termostat, cruise control

6.1.2.2. tilbakekobling

6.1.2.2.1. output sendes tilbake til input

6.1.2.2.2. pos tilbakekobling

6.1.2.2.3. neg tilbakekobling

6.1.2.3. feedback control

6.2. eks

6.2.1. bang-bang control

6.2.1.1. slår av/på pådrag avhengig av om vi er over eller under referansetilstand. lurt å unngå å slå av/på styringsignalet for ofte(hysterese)

6.2.2. three state control

6.2.2.1. har to ulike styresignal: et for å dra systemet i hver retning

6.2.3. PID

6.2.3.1. vanligste industrielle kontrollalgoritme

6.2.3.1.1. trenger en kontinuerlig verdi fra en sensor og å kunne kunne sette et variabelt pådrag

6.2.3.1.2. Proportional Integral Derivative

6.2.3.1.3. hvordan tune?

7. OS

7.1. ESP32-C6/C3 bruker et real-time os, FreeRTOS

7.1.1. bestemmer hvilken kode som kjører når, alle kjører "parallellt" den prioriterer oppgaver basert på viktighetsgraden

7.1.1.1. ulemper

7.1.1.1.1. deadlock: det skjer når flere oppgaver venter på hverandre på en måte som gjør at ingen av dem kan komme videre

7.1.1.1.2. race condition: når flere tasks får tilgang til samme ressurs samtidig

8. analoge kretser

8.1. spenningsregulator

8.1.1. lineær spenningsregulator

8.1.1.1. tar en varierende inngangsspenning og gir en stabil utgangsspenning ut. Vinn må være større enn Vut

8.1.1.1.1. fordeler

8.1.1.1.2. ulemper

8.1.2. switching regulator

8.1.2.1. bruker en transistor til å slå av og på en strøm mange tusen ganger i sekundet og lagrer energi i spole og/eller kondensator. Vut kan være enten lavere eller høyere enn Vinn

8.1.2.1.1. Buck: gir lavere Vut enn Vin

8.1.2.1.2. boost: gir høyere Vut enn Vin

8.1.2.1.3. Buck-boost: kan gi både lavere og høyere

9. elektriske kretser

9.1. ohms lov V = I*R

9.2. effekt P = V*I

9.3. kirchoffs spenningslov (KVL)= summen av spenninger rundt en lukket sløyfe er lik null

9.4. kirchoffs strømlov (KCL) = summen av strømmer inn til en node er lik summen av strømmer ut fra noden

9.5. motstander i serie: Rtot= R1+R2

9.5.1. strømmen gjennom ekvivalent motstand er lik strømmen gjennom de individuelle motstandene IR=IR1=IR2

9.6. motstander i parallell: 1/Rtot = 1/R1 + 1/R2

9.6.1. spenning over individuelle motstander er lik spenning over ekvivalent motstand VR=VR1=VR2

9.7. hvordan koble en multimeter

9.7.1. ampermeter

9.7.1.1. koble i serie med komponentene slik at hele strømmen passerer gjennom strømmen

9.7.1.2. dersom det kobles opp parallert vil det kortslutte spenningskilden og multimeteret fordi ampermeteret har veldig lav indre motstand

9.7.2. voltmeter

9.7.2.1. koble i parallell

9.8. komponenter

9.8.1. trykknapp

9.8.2. motstand

9.8.2.1. begrenser og regulerer strøm i en elektrisk krets

9.8.2.1.1. motstand = ab*10^c+-toleranse

9.8.3. lysdiode

9.8.3.1. pila peker i den retningen som lysdioden leder strøm

9.8.4. spenningskilde

10. mikrokontrollere

10.1. esp32

10.1.1. har wifi og bluetooth

10.1.2. programmerbare pins GIPO General Purpose Input Output som er pins der du kan bruke kose til [ styre elektrisk oppkobling

10.2. komponenter

10.2.1. Potensiometer brukes til å måle vinkelposisjon

10.3. ADC analog to digital conversion, assa å lese analoge verdier som varierer kontinuerlig og gjøre de om til digitale signaler med bestemte tilstander

10.3.1. kvantisering, prosessen med å gjøre om et analogt signal til et digitalt signal. det brukes for å dele en størrelse i mindre biter feks: Q = Vmax-Vmin/N hvor N er antall nivåer ADC-en kan vise

10.3.1.1. kvantiseringsfeil = Q/2

10.3.1.1.1. for å redusere kvantiseringsfeil

10.4. PWN pulse width modulation som bytter mellom å koble pin til 0V og 3.3V mange ganger per sekund

10.4.1. brukes feks til dimming av LED

10.4.2. duty cycle: er andel av tiden signalet er 3.3[%]

10.4.3. Frekvens: antall ganger signalet skrus høyt per sekund [Hz]

11. programmerings greier

11.1. pinMode(nr, OUTPUT/INPUT)

11.2. digitalWrite(nr, HIGH/LOW)

11.3. analogRead (pinnr)

11.4. analogWrite(pinnr)

11.5. prell/bounce

12. sensorer

12.1. måler en fysisk størrelse og gjør at vi kan finne verdien på en mikrokontroller

12.1.1. typer:

12.1.1.1. lys: fotopresistor, fotodiode, fototransistor, bildebrikke

12.1.1.1.1. fotoresistor: er enkel å bruke, treg(langsom respons) lav nøyaktighet ved svakt lys

12.1.1.1.2. fotodiode: veldig rask, følsom (kan være for støy), svakere signal, ofte trenger forsterkning

12.1.1.1.3. fototransistor: rask, sensetiv, mindre nøyaktig enn fotodiode, lettere å koble direkte til mikrokontroller, kan være følsom for temp?

12.1.1.2. lyd: mikrofon, enkel å bruke, følsom for støy, Vanskelig å isolere spesifikke lyder uten avansert signalbehandling.

12.1.1.3. tempratur: thermistor, thermocouple

12.1.1.3.1. thermistor: fordeler: Billig, enkelt å lese med analog inngang ulemper: Krever kalibrering, kan være litt unøyaktig over stort temperaturspenn.

12.1.1.3.2. thermocouple: kan måle svært høye temp, robust, lav spenning så trenger forsterkning og mer kompliset å bruke enn thermistor

12.1.1.4. kraft: lastcelle, piezo-sensor

12.1.1.4.1. lastcelle: nøyaktig måling av vekt og brukes i presisjonsvekter, krever forsterkning og følsom for støy

12.1.1.4.2. piezo-sensor: følsom for raske trykkendringer kan brukes til å måle vibrasjon og slag, ikke egnet for statisk kraftmåling og trenger signalbehandling

12.1.1.5. tøyning: strekklapp, måler deformasjon med høy nøyaktighet og brukes til å beregne belastning, Krever temperaturkompensasjon og forsterkning

12.1.1.6. akselerasjon: akselerometer, måler aks i 3 akser, måle bevegelse, vibrasjon og orientering. må filtreres digitalt og kan være følsom for støy

12.1.1.7. rotasjon: gyroskop: måler rotasjonshastighet og brukes til stabilisering , drift over tid og krever kalibrering

12.1.1.7.1. en resolver er en roterense elektrisk sensor som måler vinkelposisjon til en roterense aksel. den roterer med aksen man vil måle posisjonen på. måler absolutt vinkelposisjon og er robust og presis, krever analog signalbehandling (sin/cos) og kan være kostbar

12.1.1.8. avstand: radar måler avstand med høy presisjon og fungerer i mørke og støvete miljøer, dyrt og krever kompleks signalbehandling, Lidar måler avstand med høy oppløsning kan lage 3d kart, påvirkes av regn, tåke og støv

12.1.1.9. retning: magnetometer brukes til navigasjon

12.1.1.10. berøring: kapasitir sensor

12.2. sensor fusion

12.2.1. ulike sensorer gir informasjon om tilstanden til et system. vi ønsker å kombinere informasjonen for å få et best mulig estimat på tilstanden

13. prell/bounce

13.1. uønskede raske av/på signaler som oppstår når du trykker på en mekanisk bryter eller knapp

13.1.1. systemet får felre "pulser" noe som fører til feilaktige tellinger eller hendelser

13.1.2. det kan elimineres "debounce" ved å legge til en forsinkelse etter registering av signalet og ignorere alle endringer i løpet av denne tiden

13.1.2.1. RC-filter(motstand og kondensator) som filtrerer ut raske fluktuasjoner

13.1.2.2. schmidt trigger som er en digitale krets som bare reagerer på stabile endringer

14. elektriske motorer

14.1. ulike typer

14.1.1. AC motor

14.1.1.1. bruker vekslestrøm til å lage et roterende magnetfelt inni motoren

14.1.1.1.1. to typer

14.1.2. stepper motor/stegmotor

14.1.2.1. motor som styrer rotasjon nøyaktig i mange steg, ofte 200 steg per omdreining

14.1.2.1.1. to typer

14.1.2.1.2. bruksområder

14.1.2.1.3. fordeler

14.1.2.1.4. ulemper

14.1.2.1.5. NEMA Natiolal Electrical Manufactures Association , er en standarisert størrelse og innfesting for steppermotor. er kun fysiske dimensjoner, så IKKE dreiemoment eller spenning osv

14.1.2.1.6. strøm forburk

14.1.2.1.7. en stepperdriver kan følge med på hvor stor strømmen er gjennom en fase, og begrense den til en bestemt verdi. Da kan vi øke spenningen til motoren uten at den blir for varm, og dermed kan vi få den til å rotere raskere

14.1.3. brushles DC

14.1.3.1. strømretning styres av en elektronisk kontroller i motsetning til en brushed DC hvor strømretningen styres av brushes

14.1.3.2. krever en "smartere" motordriver som følger med på motoren sin rotasjon

14.1.3.3. varierer hastighet med PWM og NB!!!!!!!!!!!! det er noe annet enn DC sin PWM

14.1.3.3.1. PWM for BLDC og servo, vi styrer en pulsbredde som en måte å kommunisere ønsket oppførsel

14.1.4. brushed DC: omdanner elektrisk energi til mekanisk bevegelse

14.1.4.1. enkel å styre, billig

14.1.4.2. slitasje, mangler feedback, gnister

14.1.4.3. for å styre en DC-motor, brukes ofte en H-bro som kan sende strømmen begge veier slik at motoren kan kan rotere forover og bakover

14.1.4.4. bruker PWM for å regulere hastigheten, da varierer vi hvor mye strøm motoren får over tid, noe som styrer rotasjonshastigheten

14.1.4.4.1. her er hvor stor del av tiden spenningen er høy

14.1.4.5. i DC kan vi styre h-bro direkte og styrer motorhastighet med PWM

14.1.5. servo

14.1.5.1. motor + posisjonssensor + kontrollkrets i 1 pakke

14.1.5.1.1. fordeler

14.1.5.1.2. ulemper

14.1.5.1.3. to typer

15. multitasking

15.1. standardmetoden for multitasking i arduino: super loop

15.1.1. gjør hver oppgave etter hverandre, og gjentar i det uendelige

15.1.1.1. problemer

15.1.1.1.1. om vi bruker delay til å vente, stopper superloop midt i en oppgave. lar ikke neste oppgave begynne

16. digital kommunikasjon

16.1. analogt signal: kontinuerlig varierende signal feks spenning mellom 0V og 3.3V

16.1.1. er sensetive for støy

16.2. digitalt signal: signal med spesifikke mulige verdier feks 0V ELLER 3.3V

16.3. binære tall

16.4. regler for hvordan kommunikasjon skal foregå --> gjør at komponenter fra ulike produsenter kan snakke sammen

16.4.1. UART: universal asynchornous receiver transmitter (serial på arduino). er en tekstkommunikasjons protokoll. serial på arduino

16.4.2. USB: universal serial bus: komplisert og avansert protokoll, til feks kommunikasjon med datamaskiner

16.4.3. I2C/TWI/Wire : ofte brukt til å kommunisere med sensorer, bruker 2 ledninger SCL og SDA og kan ha mange enheter på samme linje/bus, mye brukt litt tregt

16.4.3.1. Qwiic og Stemma QT: kabel for å koble sammen mange enheter over I2C

16.4.4. 1-wire: krever kun en ledning, treg og er i brukt i enkle sensorer

16.4.5. SPI: serial peripheral interface: raskere enn I2C men krever flere ledninger, vanskligere å koble til flere enheter på samme bus. brukt i sensorer, LCD, SD-kort

16.4.6. CAN-bus: Controller Area Network: mye brukt i kompliserte systemer med mange mikrokontrollere feks biler.

16.5. trådløs kommunikasjon

16.5.1. kommunikasjon uten ledninger

16.5.1.1. fordeler

16.5.1.1.1. fleksibilitet

16.5.1.1.2. rekkevidde

16.5.1.2. ulempel

16.5.1.2.1. støysensetivitet

16.5.1.2.2. ofte litt tregere '

16.5.1.2.3. bruker mer strøm

16.5.1.2.4. latency (forsinkelse i når systemet reagerer på en kommando)

16.5.2. bluetooth: oppkalt etter Harald Blåtand. i 1998 kom bluetooth classic og i 2009 kom bluetooth low energy (BLE :tongue: )

16.5.2.1. direkte kommunikasjon mellom 2 enheter, en sentral og en perifær. designet for små og korte beskjeder

16.5.3. wifi

16.5.3.1. brukes til å koble enheter til internett. kan enten bruke ESP32 som server eller som klient (husk server-kleint metoden)