FPGA tabanlı genel amaçlı dı̇jı̇tal ikı̇z sı̇stemı̇nı̇n gelı̇ştı̇rı̇lmesı̇ ve robot sı̇mülatörü ı̇le bı̇rlı̇kte kullanılması

Abstract

Endüstriyel uygulamaların birçoğu gerçekleştirilmeden önce, modellenerek, benzetimortamında kontrol edilerek veya test edilerek incelenmektedir. Bu, kontrol sistemlerini tasarlamak,test etmek, süreç performansını optimize etmek veya operatörleri eğitmek için kullanılmaktadır.Genellikle, işletim sistemiyle çalışan bilgisayar tabanlı sistemlerle kolayca elde edilebilen bubenzetimler, yazılımsal bir bakış açısı sunar ve bu nedenle modellenmiş sistemin çalışma süresi ilebenzetim süresi arasında büyük farklar oluşabilmektedir. Bu problemi çözmek için, gerçek zamanlıçalışabilen Gerçek Zamanlı Dijital Simülatör (Real Time Digital Simulator RTDS) veya dijital ikizfikri ortaya çıkmıştır. Dijital sistemler, paralel çalışma kabiliyetine sahip olan SahadaProgramlanabilir Kapı Dizileri (Field Programmable Gate Arrays FPGAs) gibi çözümlerle ihtiyacıtatmin edici bir şekilde karşılayabilmektedir.Bu tez çalışmasında, sabit mıknatıslı doğru akım motoru modellenerek FPGA üzerindegerçek zamanlı olarak çalıştırılmıştır. Aynı koşullar altında, hem gerçek motor hem de modellenmişFPGA tabanlı dijital ikizi gerçek zamanlı olarak çalıştırılmıştır. Hem dijital ikiz motorun hemdegerçek fiziksel motorun armatür akımları ve motor hızları anlık olarak aynı osiloskop ekranındaincelenmiştir.Sonuçlar, dijital ikiz motor ile gerçek motor arasında yüksek doğrulukta benzer dinamiklerinelde edilebileceğini göstermiştir. Ayrıca PMDC motorların FPGA temelli dijital ikizi, robotsimülasyon programı olan Webots uygulaması ile bir diferansiyel tahrikli mobil robotunmotorlarının elektriksel tepkilerinin simülasyonu için ek simülatör olarak kullanılmıştır. Buçalışmalar sonucunda motorun akım, hız ve moment değişkenleri farklı yük ve yörüngeler için eldeedilmiştir. Önerilen sistemle gerçek zamanlı uygulama ortamlarının dijital ikizlerinin eldeedilebileceği gösterilmiştir.

Many industrial applications are examined before being implemented through modeling, control in asimulated environment, or testing. This is used to design control systems, test them, optimize processperformance, or train operators. These simulations are usually easily obtained using computer-basedsystems that work with an operating system and offer a software-based perspective, resulting insignificant differences between the simulation time and the working time of the modeled system.The idea of a Real-Time Digital Simulator (RTDS) or digital twin, which can work in real-time, hasemerged to solve this problem. Digital systems can meet this need satisfactorily with solutions suchas parallel working capability of Field Programmable Gate Arrays (FPGAs).In this thesis, a permanent magnet direct current motor is modeled and operated in real-time on anFPGA. Both the real motor and the modeled FPGA based digital twin are operated in real-timeunder the same conditions. Armature currents and motor speeds of both physical motor and itsdigital twin were observed simultaneously on the same oscilloscope screen.The results showed that similar dynamics can be obtained with high accuracy between the digitaltwin motor and the real motor. In addition, FPGA-based digital twin of PMDC motor used asco-simulator with Webots application which is used to simulate robots, for electrical responses ofmotors of a differential driven mobile robot, and the current, speed, and moment variables wereobtained for different loads and orbits in real-time. The proposed system demonstrates that digitaltwins of real-time application environments can be obtained.