ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΨΗΦΙΑΚΟΥ ΒΡΟΧΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΕ FPGA ΓΙΑ ΔΙΑΣΤΗΜΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζει τη σχεδίαση, υλοποίηση και πειραματική αξιολόγηση ενός ψηφιακού συστήματος ελέγχου κλειστού βρόχου βασισμένου σε FPGA, με εφαρμογή στη σταθεροποίηση στερεοκαταστατικών λέιζερ για οπτικές συχνότητες αναφοράς σε διαστημικά περιβάλλοντα. Το σύστημα αναπτύχθηκε στο πλαίσιο του προγράμματος muCOMBINE της Airbus Defence and Space και υλοποιήθηκε στην πλατφόρμα Kintex UltraScale PC821 σε συνδυασμό με την FMC120 mezzanine card, παρέχοντας τετρακάναλη μετατροπή 16-bit ADC/DAC. Ο πυρήνας της αρχιτεκτονικής είναι ένας pipelined PID ελεγκτής στα 250 MHz. Η καθυστέρηση της αλυσίδας ADC–FPGA–DAC μετρήθηκε μέσω διπλής μεθοδολογίας (παλμογράφος και MATLAB) και προσδιορίστηκε σε 558 ns και 573 ns αντίστοιχα, με απόκλιση μόλις 15 ns, επιβεβαιώνοντας την ακρίβεια της διαδικασίας αξιολόγησης. Παράλληλα αναπτύχθηκε αλγόριθμος αυτόματης ρύθμισης των παραμέτρων PID με τη μέθοδο Nelder–Mead, ο οποίος πέτυχε 85.2% μείωση του overshoot, 69.7% μείωση του settling time και πλήρη εξάλειψη του steady-state error. Η αξιολόγηση υπό ρεαλιστικές συνθήκες περιέλαβε διερεύνηση filtering μέσω software moving-average 50 δειγμάτων και hardware δεύτερης τάξης χαμηλοπερατού φίλτρου (3.9 kHz). Το software filtering παρείχε αποτελεσματική μείωση θορύβου χωρίς αλλοίωση των δυναμικών χαρακτηριστικών, ενώ το hardware φίλτρο ανέδειξε περιορισμούς στη χρήση FIFO buffers, υποδεικνύοντας την ανάγκη για αρχιτεκτονικές καταγραφής μεγαλύτερης χωρητικότητας όπως DDR4. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν ότι η προτεινόμενη FPGA αρχιτεκτονική ικανοποιεί τις απαιτήσεις χαμηλής καθυστέρησης για διαστημικές εφαρμογές και παρέχει αξιόπιστο autotuning σε καθαρά συστήματα, ενώ η λειτουργία με hardware filtering αποτελεί πεδίο για περαιτέρω έρευνα σε high-capacity buffering και adaptive control τεχνικές.