Σχεδιασμός και κατασκευή συστήματος μετρήσεων και ελέγχου. Τροφοδοσία πιεζοηλεκτρικού συστήματος μετατόπισης

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκτελέστηκε στο εργαστήριο της Βιοϊατρικής Οπτικής και εφαρμοσμένης Βιοφυσικής. Στο εργαστήριο αυτό χρησιμοποιούνται για την έρευνα μικροσκόπια. Για τις πειραματικές ανάγκες του εργαστηρίου χρειάζεται να μετακινείται η πλάκα ενός μικροσκοπίου με μεγάλη ακρίβεια της τάξεως μερικών nm και μετατοπίσεις οι οποίες να φτάνουν έως μερικά μικρόμετρα. Για την υλοποίηση αυτού του στόχου σχεδιάστηκε πρωτότυπη διάταξη η οποία χρησιμοποιεί δύο πιεζοηλεκτρικά στοιχεία ώστε να είναι δυνατή η μετακίνηση στους άξονες x,y. Λόγω της πολυπλοκότητας αυτού του συστήματος διαχωρίστηκε ο σχεδιασμός και η κατασκευή σε δύο ανεξάρτητα τμήματα. Το πρώτο τμήμα είναι το ψηφιακό, το οποίο αποτελείται από έναν μικροεπεξεργαστή. Μέσω αυτού ελέγχεται δυναμικά το σύστημα και επιβεβαιώνονται οι μετακινήσεις της πλάκας. Για την ακριβή μέτρηση της μετατόπισης υπάρχει γέφυρα η οποία χρησιμοποιεί την μεταβολή αντίστασης σύρματος. Το δεύτερο τμήμα είναι αναλογικό, ελέγχεται από τον μικροεπεξεργαστή και χρησιμεύει για την τροφοδοσία των πιεζοηλεκτρικών στοιχείων. Αποτελείται από ένα παλμικό τροφοδοτικό τύπου forward converter και πηγές ρεύματος. Τα πιεζοηλεκτρικά στοιχεία συμπεριφέρονται ως πυκνωτικά στοιχεία και διαστέλλονται αναλόγως της ποσότητας του φορτίου που έχουν. Για τον έλεγχο του φορτίου και συνεπώς της μετατόπισης δημιουργήθηκαν πηγές ρεύματος (φόρτισης -εκφόρτισης). Λόγω του ότι παρουσιάζεται βρόγχος υστέρησης στη μετατόπιση των πιεζοηλεκτρικών είναι αναγκαία η χρήση της ανάδρασης για την επαλήθευση των μετακινήσεων. Οι τάσεις οι οποίες είναι χρειάζονται για την τροφοδοσία τους είναι της τάξεως των 150V. Για το λόγο αυτό είναι αναγκαία η δημιουργία αυτής της τάσεως, ούτως ώστε να δημιουργηθούν πηγές ρεύματος οι οποίες να ανταπεξέλθουν στις απαιτήσεις αυτές. Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολήθηκε κυρίως με τον σχεδιασμό και την υλοποίηση του παλμικού τροφοδοτικού και των πηγών ρεύματος οι οποίες ελέγχονται ψηφιακά. Παρουσιάζεται αναλυτική περιγραφή σε θεωρητικό αλλά και σε πρακτικό επίπεδο για τον σχεδιασμό και την κατασκευή του παλμικού τροφοδοτικού (forward converter). Δίνεται αναλυτική περιγραφή του υπολογισμού του μετασχηματιστή. Καθώς η παλμική λειτουργία δημιουργεί υπερτάσεις σε επαγωγικά φορτία, περιγράφεται τρόπος υπολογισμού συστήματος μείωσης αυτών των τάσεων (snubber). Τέλος δείχνεται τρόπος δημιουργίας των ψηφιακά ελεγχόμενων πηγών ρεύματος. Το συνολικό σύστημα υλοποιήθηκε για πειραματικό σκοπό σε διάτρητη πλακέτα. Το τελικό σύστημα θα ενσωματωθεί με το ψηφιακό σε επόμενη εργασία.