Das Ziel dieser Abschlussarbeit ist die Neugestaltung und technische Weiterentwicklung des studentischen Schrittmotor-Praktikums. Dabei wird ein mikrocontrollergesteuerter Versuchsstand entworfen, umgesetzt und getestet. Neben einem unipolaren Motor und der bestehenden translatorischen Positioniermöglichkeit mit Referenzierung soll dabei ebenfalls ein bipolarer Schrittmotor sowie ein entsprechender Motortreiber mit der Möglichkeit zur Rotation in Mikroschritten integriert werden. Alle variablen Parameter zur Ansteuerung müssen letztlich vom Anwender über eine grafische Menüführung interaktiv eingestellt werden können. Die Durchführung des Praktikums wird dabei anhand einer anzufertigenden didaktischen Praktikumsanleitung erläutert, deren Struktur ebenfalls in der grafischen Bedienoberfläche des Mikrocontrollerprogramms mit integrierter Lernzielkontrolle abgebildet ist.:Inhaltsverzeichnis Erklärung Vorwort Inhaltsverzeichnis Anhangverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Ausgangssituation und Problemstellung 1.2 Zielstellung 1.3 Lösungsansatz 2 Theoretische Grundlagen und Stand der Technik 2.1 Elektromagnetische Schrittmotorantriebe 2.1.1 Begriffserklärung und Einordnung in der Antriebstechnik 2.1.2 Arten, Aufbau und Funktionsweise von Schrittmotoren 2.1.2.1 Reluktanzschrittmotor 2.1.2.2 Permanentmagnet-Schrittmotor 2.1.2.3 Hybridschrittmotor 2.1.3 Speisung der Strangwicklungen 2.1.3.1 Unipolare Beschaltung 2.1.3.2 Bipolare Beschaltung 2.1.4 Betriebsarten 2.1.4.1 Vollschrittmodus 2.1.4.2 Halbschrittmodus 2.1.4.3 Mikroschrittmodus 2.1.5 Anwendungen in der Praxis 2.2 Mikrocontroller 3 Theoretischer Entwurf des Versuchsaufbaus 3.1 Erhebung der Anforderungen an das abzuleistende Praktikum 3.2 Entwicklung einer Umsetzungsstrategie 3.3 Betrachtung der notwendigen elektronischen Bauteile 3.3.1 Mikrocontrollermodul – EasyPIC Pro V7 3.3.2 Unipolare Ansteuerung 3.3.2.1 Schrittmotor – 28BYJ-48 3.3.2.2 Motortreiber – ULN2003 3.3.3 Bipolare Ansteuerung und Referenzierung 3.3.3.1 Schrittmotor – NEMA17 3.3.3.2 Motortreiber – DRV8825 3.3.3.3 Endschalter – BCZAMD 3.3.4 Spannungsversorgung und -umwandlung 3.3.5 Schalt-, Steck- und Verbindungstechnik 3.4 Verknüpfung der Elemente in einem Schaltplan 3.5 Ansteuerung der Schaltung 3.6 Konstruktion der Linearachse 4 Praktische Umsetzung des Versuchsaufbaus 4.1 Fertigung der 3D-Druckteile 4.2 Umgestaltung und Montage der verwendeten Bauteile 5 Entwicklung einer Praktikumsanleitung 6 Programmierung der Steuerung 6.1 Programmerstellung und Programmieroberfläche 6.2 Aufbau der Menüführung und Funktionsbeschreibung 6.3 Vermeidung von Kollisionen im Betrieb 6.4 Umsetzung der variablen Schrittpausen 7 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Anhang

In diesem Beitrag wird der Neuaufbau eines Versuchsstandes beschrieben, der zur Untersuchung magnetischer Eigenschaften von ferromagnetischen Werkstoffen dient. Angefangen bei der Notwendigkeit eines solchen Versuchsstandes werden der Aufbau, die Komponenten sowie die Besonderheiten beschrieben und erste Messergebnisse nach der Inbetriebnahme gezeigt. / This paper describes the new construction of a test bench used to investigate magnetic properties of ferromagnetic materials. Starting with the necessity of a test bench of this kind, the setup, the components and the special features are described and the first measurement results are shown after commissioning.

Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte der Aufbau eines neuartigen Versuchsstandes zum praxisnahen Test von Wandaufbauten (VS-WA; Probendimension: 1,9 m x 1,9 m x 0,5 m). Mit dem VS sind praxisnahe Untersuchungen von Dämm- und Dichtstoffen sowie Wandsegmentmaterialien thermischer Energiespeicher in einer Einheit durchführbar. Aufgrund der drehbaren Lagerung des VS ist es möglich, vertikale (Wandbereich) und horizontale (Deckenbereich) Aufbauten zu untersuchen. Mit dem VS erfolgt eine experimentelle Bestimmung von effektiven Wärmeleitfähigkeiten zweier aussichtsreicher Wärmedämmstoffe (Polyurethan-Granulat und expandierte Polystyrol-Partikel). Die Untersuchungsergebnisse zeigen für den vertikalen Betrieb des VS eine erhöhte effektive Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu den Stoffwerten der Hersteller. Der Grund hierfür ist, basierend auf der Auswertung von Temperaturprofilen, ein signifikanter Anteil an freier Konvektion. Dies ist trotz niedriger Permeabilitäten der untersuchten Schüttgüter und demnach entgegen dem aktuellen Stand der Wissenschaft der Fall. Ohne den neuen VS mit den hier realisierten Maßen, wären diese Effekte nicht messbar gewesen (z. B. bei Untersuchungen mit Ein- oder Zwei-Platten-Apparaturen). Die Ergebnisse können dazu beitragen, erhöhte Wärmeverluste an realen Bauwerken zu erklären und zu vermeiden. / Within the context of this thesis, a new test rig for the practical testing of wall structures (VS-WA; sample size: 1.9 m x 1.9 m x 0.5 m) was set up. With the test rig, practical investigations of insulating and sealing materials as well as wall segment materials of thermal energy stores are possible in one unit. Since the test rig is pivoted it is also possible to examine vertical (wall area) and horizontal (ceiling area) structures. The present thesis deals with the experimental determination of the effective thermal conductivity of two promising thermal insulation materials (polyurethane granulate and expanded polystyrene particles). The test results show an increased effective thermal conductivity for the vertical orientation of the VS-WA compared to the material properties given by the manufacturers. The reason for this is, based on the evaluation of temperature profiles, a significant portion of free convection. This is the case despite low permeabilities of the bulk materials investigated and thus contrary to the current state of scientific knowledge. Without the new test rig with the dimensions realized here, the discovered effects could not have been observed (e.g. investigations with one- or two-plate apparatuses). The results can contribute to explain and avoid increased heat losses in real building structures.

In the present work a simulation model for examining the fundamental dynamic behaviour of a servo driven powertrain is developed. This powertrain consists of a permanent magnet synchronous motor, a cycloidal gearbox and a torque motor to apply a load. On basis of this model the selection of components for the design of a test rig is possible. This leads to the constructive draft of the test rig. In order to model the system, the fundamentals give a brief overview of the components incorporated in the test rig system. With ais of the specified task the simulation purpose is defined and the modelling process enabled. The subsequent system analysis is performed intensively to decompose the system into subsystems, which are then investigated to find the optimal modelling approach for the given simulation task. Particular emphasis is put on the investigation of the cycloidal gearbox subsystem and it shows, that approaches for modelling the dynamic behaviour of the gearbox as a whole have only been published partially. Therefore, the available modelling approaches are analysed and suitable models are developed as conceptual models. Those will be formalised and implemented in Matlab/Simulink. The model is verified and simulation experiments are performed, that help in the selection of suitable test rig components. On basis of a flexible test rig, finally the constructive draft is presented.

In the present work a simulation model for examining the fundamental dynamic behaviour of a servo driven powertrain is developed. This powertrain consists of a permanent magnet synchronous motor, a cycloidal gearbox and a torque motor to apply a load. On basis of this model the selection of components for the design of a test rig is possible. This leads to the constructive draft of the test rig. In order to model the system, the fundamentals give a brief overview of the components incorporated in the test rig system. With ais of the specified task the simulation purpose is defined and the modelling process enabled. The subsequent system analysis is performed intensively to decompose the system into subsystems, which are then investigated to find the optimal modelling approach for the given simulation task. Particular emphasis is put on the investigation of the cycloidal gearbox subsystem and it shows, that approaches for modelling the dynamic behaviour of the gearbox as a whole have only been published partially. Therefore, the available modelling approaches are analysed and suitable models are developed as conceptual models. Those will be formalised and implemented in Matlab/Simulink. The model is verified and simulation experiments are performed, that help in the selection of suitable test rig components. On basis of a flexible test rig, finally the constructive draft is presented.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Procedure 2 Fundamentals 2.1 Definitions 2.2 Modelling 2.3 Servo Drive 2.3.1 Introduction 2.3.2 Permanent Magnet Synchronous Motor 2.3.3 Servo Inverter 2.3.4 Control System 2.4 Torque Motor 2.5 Gearbox 3 Specified Task 4 System Analysis 4.1 Introduction 4.2 Servo Inverter 4.3 Control System 4.4 Servo Motor 4.5 Transmission Elements 4.6 Cycloidal Gearbox 5 Model Formalisation 5.1 Introduction 5.2 Servo Inverter 5.3 Control System 5.4 Servo Motor 5.5 Transmission Elements 5.6 Cycloidal Gearbox 6 Model Implementation 6.1 Introduction 6.2 Servo Inverter 6.3 Control System 6.4 Servo Motor 6.5 Transmission Elements 6.6 Cycloidal Gearbox 7 Simulation 7.1 Introduction 7.2 Solver 7.3 Verification 7.4 System Evaluation 7.4.1 Sensitivity Analysis 7.4.2 Stability Analysis 8 Design of the Test Rig 8.1 Selection of the components 8.2 Constructive Draft 9 Summary and Outlook

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird das Versuchskonzept für zweiaxiale Zug-Zug-Versuche an textilbewehrten Betonscheiben behandelt. Diese Arbeit soll einen Beitrag leisten, die Kenntnisse aus dem Maschinenbau, der Mechanik in den Bereich der Bauingenieure und Baustoffe umzusetzen, um alle Effekte, die vom Versuchstand verursacht werden, öffentlich zu machen. Es ist ein Versuchskonzept zu erarbeiten, wie ein experimenteller Zug-Zug-Versuch optimal zu gestalten ist, um das Tragverhalten des textilbewehrten Betons genau zu ermitteln. Die Arbeit ist hauptsächlich in zwei Teile gegliedert. Der erster Teil befasst sich mit dem Thema „Versuchsvorbereitung“. Es beinhaltet folgende Hauptpunkte: • Der erste Punkt beschäftigt sich mit der Auswertung durchgeführter Versuche und deren Versuchsaufbauten. Hier werden Aspekte von der konstruktiven Auslegung der Rahmen bis zur Steuerung der Prüfmaschine behandelt. Es wird diskutiert, welche Effekte auf das Versuchsergebnis vom gewählten Hydrauliksystem bzw. von den Hydraulikzylinder und der Steuerung des Öldrucks ausgehen können. • Im zweiten Punkt wird eine Finite–Element–Simulationen durchgeführt, um die zweiaxialen Zug-Zug-Versuchskörper zu konzipieren. Mit Hilfe von einem Finite–Element– Programm, hier ATENA, wird die Probengeometrie mit den Randbedingungen des Versuchs nachgebildet und optimiert. • Der dritte Punkt beschäftigt sich mit dem Thema „Lasteinleitung“. Ein Konzept für die Verbindung und Kraftübertragung von Stahlplatten (Stahllasche) zur Lasteinleitung in „Beton“ soll entwickelt werden. • Der vierte Punkt beschreibt die gewählte Messmethode der Versuchsdurchführung, und wertet deren Potenzial und Möglichkeiten . Der zweiter Teil der vorliegenden Arbeit beschreibt detailliert die fünf durchgeführten zweiaxialen Zug–Zug–Versuche an mit AR-Glas textilbewehrten Betonscheiben. Die textilbewehrten Betonscheiben werden am Rahmen der zweiaxialen Prüfmaschine eingehängt und zweiaxial mit jeweils konstantem Verhältnis der Beanspruchung in Zug–Zug Richtung belastet, um den Versuchstand zu erproben und auszutesten. Die Gedanken, Ergänzungen und Erkenntnisse der Autorin im Zusammenhang mit dem textilbewehrten Beton und die hier auftretenden Effekte werden auch in diesem Kapitel behandelt. Das Schlusskapitel der Arbeit beinhaltet die Zusammenfassung und den weiteren Ausblick. Aus diesem Anlass werden die wissenschaftlichen Erkenntnisse der vorliegenden Arbeit zusammengefasst. / This doctoral thesis pertains to the conception for Bi–axial Tension–Tension Tests of thin textile reinforced concrete plates. This dissertation contributes to the application of mechanical engineering knowledge into the specific area of Material–Construction Engineering; all results obtained from experimental conditions will be released to the public. The conception of this testing regime is presented, as well as the manner in which an experimental Tension–Tension Test can optimally ascertain and accurately predict and describe load-bearing behaviour of textile reinforced concrete (TRC). This thesis is generally subdivided into two parts –“Test Preparation” and the detail of Bi-axial Tension-Tension testing on AR-Glass TRC plates. The “Test Preparation” component of this document includes the following four principal points. The first point is concerned with the assembly of testing equipment. Problems stemming from framework or lack of control over the testing machine are examined here. Negative effects on test results induced by the Hydraulic cylinder and related oil pressure are investigated and complemented in this section. The second point focuses on the numerical simulation used in order to determine the Bi–axial Tension–Tension Test samples. The specimen geometry given the testing boundary conditions was copied and optimized by means of a Finite–Element–Program (ATENA). The third point is concerned with the notion of “load application”. It was necessary to develop a premise for the loading transmission and connection between steel plates (steel mounting plates) and concrete cogs. The final point takes into account the methods used for measuring the Bi–axial Tension–Tension–test of this work. The second component present in this thesis describes in detail the five Bi–axial Tension–Tension–Tests conducted on AR–Glass TRC plates utilized to prove and ensure the accuracy of the experimental equipment. The TRC plate was built on frame of the bi-axial testing machine and received tensile loading in both directions. This loading relationship was held constant in both directions during the test. Furthermore, the author presents her own thoughts, as well as supplemental commentary, associated with textile reinforced concrete and the resulting experimental outcomes. The last chapter closes this doctoral thesis and includes the abstract of and further prospects for this study. All scientific cognitions are summarised in this chapter.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird das Versuchskonzept für zweiaxiale Zug-Zug-Versuche an textilbewehrten Betonscheiben behandelt. Diese Arbeit soll einen Beitrag leisten, die Kenntnisse aus dem Maschinenbau, der Mechanik in den Bereich der Bauingenieure und Baustoffe umzusetzen, um alle Effekte, die vom Versuchstand verursacht werden, öffentlich zu machen. Es ist ein Versuchskonzept zu erarbeiten, wie ein experimenteller Zug-Zug-Versuch optimal zu gestalten ist, um das Tragverhalten des textilbewehrten Betons genau zu ermitteln. Die Arbeit ist hauptsächlich in zwei Teile gegliedert. Der erster Teil befasst sich mit dem Thema „Versuchsvorbereitung“. Es beinhaltet folgende Hauptpunkte: • Der erste Punkt beschäftigt sich mit der Auswertung durchgeführter Versuche und deren Versuchsaufbauten. Hier werden Aspekte von der konstruktiven Auslegung der Rahmen bis zur Steuerung der Prüfmaschine behandelt. Es wird diskutiert, welche Effekte auf das Versuchsergebnis vom gewählten Hydrauliksystem bzw. von den Hydraulikzylinder und der Steuerung des Öldrucks ausgehen können. • Im zweiten Punkt wird eine Finite–Element–Simulationen durchgeführt, um die zweiaxialen Zug-Zug-Versuchskörper zu konzipieren. Mit Hilfe von einem Finite–Element– Programm, hier ATENA, wird die Probengeometrie mit den Randbedingungen des Versuchs nachgebildet und optimiert. • Der dritte Punkt beschäftigt sich mit dem Thema „Lasteinleitung“. Ein Konzept für die Verbindung und Kraftübertragung von Stahlplatten (Stahllasche) zur Lasteinleitung in „Beton“ soll entwickelt werden. • Der vierte Punkt beschreibt die gewählte Messmethode der Versuchsdurchführung, und wertet deren Potenzial und Möglichkeiten . Der zweiter Teil der vorliegenden Arbeit beschreibt detailliert die fünf durchgeführten zweiaxialen Zug–Zug–Versuche an mit AR-Glas textilbewehrten Betonscheiben. Die textilbewehrten Betonscheiben werden am Rahmen der zweiaxialen Prüfmaschine eingehängt und zweiaxial mit jeweils konstantem Verhältnis der Beanspruchung in Zug–Zug Richtung belastet, um den Versuchstand zu erproben und auszutesten. Die Gedanken, Ergänzungen und Erkenntnisse der Autorin im Zusammenhang mit dem textilbewehrten Beton und die hier auftretenden Effekte werden auch in diesem Kapitel behandelt. Das Schlusskapitel der Arbeit beinhaltet die Zusammenfassung und den weiteren Ausblick. Aus diesem Anlass werden die wissenschaftlichen Erkenntnisse der vorliegenden Arbeit zusammengefasst. / This doctoral thesis pertains to the conception for Bi–axial Tension–Tension Tests of thin textile reinforced concrete plates. This dissertation contributes to the application of mechanical engineering knowledge into the specific area of Material–Construction Engineering; all results obtained from experimental conditions will be released to the public. The conception of this testing regime is presented, as well as the manner in which an experimental Tension–Tension Test can optimally ascertain and accurately predict and describe load-bearing behaviour of textile reinforced concrete (TRC). This thesis is generally subdivided into two parts –“Test Preparation” and the detail of Bi-axial Tension-Tension testing on AR-Glass TRC plates. The “Test Preparation” component of this document includes the following four principal points. The first point is concerned with the assembly of testing equipment. Problems stemming from framework or lack of control over the testing machine are examined here. Negative effects on test results induced by the Hydraulic cylinder and related oil pressure are investigated and complemented in this section. The second point focuses on the numerical simulation used in order to determine the Bi–axial Tension–Tension Test samples. The specimen geometry given the testing boundary conditions was copied and optimized by means of a Finite–Element–Program (ATENA). The third point is concerned with the notion of “load application”. It was necessary to develop a premise for the loading transmission and connection between steel plates (steel mounting plates) and concrete cogs. The final point takes into account the methods used for measuring the Bi–axial Tension–Tension–test of this work. The second component present in this thesis describes in detail the five Bi–axial Tension–Tension–Tests conducted on AR–Glass TRC plates utilized to prove and ensure the accuracy of the experimental equipment. The TRC plate was built on frame of the bi-axial testing machine and received tensile loading in both directions. This loading relationship was held constant in both directions during the test. Furthermore, the author presents her own thoughts, as well as supplemental commentary, associated with textile reinforced concrete and the resulting experimental outcomes. The last chapter closes this doctoral thesis and includes the abstract of and further prospects for this study. All scientific cognitions are summarised in this chapter.