Implementación de control de temperatura de un diodo láser en FPGA para sector aeroespacial

Abstract

Sentinel-5 es una de las misiones englobadas en el programa Copérnico. Este está liderado por la Comisión Europea y cuenta con la participación de la Agencia Espacial Europea y la Agencia Europea del Medio Ambiente. El instrumental de Sentinel-5 ha sido diseñado para ser embarcado en el satélite Metop SG-A y orbitar la tierra tomando información desde 817 kilómetros de altura. Con él se busca detectar y medir la presencia de distintos gases y aerosoles en la atmósfera terrestre ayudando a los gobiernos en la toma de medidas de prevención y actuación. Para poder obtener todos estos datos se requiere de un espectrómetro avanzado, cuyo funcionamiento debe ser calibrado tras cada órbita. Entre los distintos dispositivos de calibración utilizados se encuentra un diodo láser, cuya temperatura deberá poder ser controlada con precisión para operar con él. Este proyecto de final de grado aborda el control de temperatura de ese diodo láser. El equipo utilizado para realizar esta regulación toma el nombre de TEC (“Thermo-Electric Cooler”) y está compuesto por una célula Peltier y un termistor NTC. La célula Peltier realiza las funciones de actuador, modificando la temperatura en el láser, mientras que la resistencia NTC es usada para medir esa variable.

La realización del proyecto constó de tres fases: 1. Identificación y modelado Hardware: Generación del modelo a controlar mediante la identificación de los distintos componentes y la obtención de la función de transferencia de cada uno. 2. Diseño del controlador: Elección y diseño del control óptimo respetando las peticiones realizadas por el cliente. Cálculo de las precisiones en punto fijo para optimizar los recursos empleados por la FPGA. 3. Simulación: Realización de las simulaciones correspondientes para asegurar que el conjunto satisface requisitos y responde de acuerdo a lo diseñado. Con todo esto se pudo asegurar que el control tenía la precisión y la estabilidad requeridas, era amortiguado y su funcionamiento nominal no incumplía ninguna medida de seguridad ni activaba ninguna de las protecciones.

Sentinel-5 is one of the newest missions embedded in Copernicus Program. This program is under the leadership of the European Commission (EC). The European Space Agency (ESA) and the European Environmental Agency (EEA) have also contributed to develop this mission. Sentinel-5’s instrument will be embarked in Metop SG-A satellite for collecting data from an orbit 817 km high. All the information gathered will be public and it is aimed to help governments design their prevention and action measures. In order to collect all this data a sophisticated spectrometer has been designed, this instrument requires calibration after each orbit so a calibration system has also been implemented. One of this calibration tools is a laser diode, which temperature must be precisely controlled in order to operate it. To accomplish this task a Peltier cell and an NTC thermistor have been used. The Peltier cell will be used as an actuator while the NTC will be sensing diode’s temperature. Such equipment has been named “Thermo-Electric Cooler” (TEC).

This project’s development consisted of three different phases: 1. Hardware Identification and Modelling: Generation of the model to be controlled by identifying the different components and obtaining the transfer function of each one. 2. Controllers Design: Choose and design the optimal control following the requirements made by the client. Calculation of the precisions in fixed point to optimize the use of resources. 3. Simulation: Simulation of the different operating conditions to ensure that the controller meets all the requirements and responds according to the design.