FPGA TABANLI GENEL AMAÇLI DI?JI?TAL İKI?Z SI?STEMI?NI?N GELI?ŞTI?RI?LMESI? VE ROBOT SI?MÜLATÖRÜ I?LE BI?RLI?KTE KULLANILMASI

Abstract

Endüstriyel uygulamaların birçoğu gerçekleştirilmeden önce, modellenerek, benzetim ortamında 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 bu benzetimler, yazılımsal bir bakış açısı sunar ve bu nedenle modellenmiş sistemin çalışma süresi ile benzetim süresi arasında büyük farklar oluşabilmektedir. Bu problemi çözmek için, gerçek zamanlı çalışabilen Gerçek Zamanlı Dijital Simülatör (Real Time Digital Simulator RTDS) veya dijital ikiz fikri ortaya çıkmıştır. Dijital sistemler, paralel çalışma kabiliyetine sahip olan Sahada Programlanabilir Kapı Dizileri (Field Programmable Gate Arrays FPGAs) gibi çözümlerle ihtiyacı tatmin edici bir şekilde karşılayabilmektedir. Bu tez çalışmasında, sabit mıknatıslı doğru akım motoru modellenerek FPGA üzerinde gerçek zamanlı olarak çalıştırılmıştır. Aynı koşullar altında, hem gerçek motor hem de modellenmiş FPGA tabanlı dijital ikizi gerçek zamanlı olarak çalıştırılmıştır. Hem dijital ikiz motorun hemde gerçek fiziksel motorun armatür akımları ve motor hızları anlık olarak aynı osiloskop ekranında incelenmiştir. Sonuçlar, dijital ikiz motor ile gerçek motor arasında yüksek doğrulukta benzer dinamiklerin elde edilebileceğini göstermiştir. Ayrıca PMDC motorların FPGA temelli dijital ikizi, robot simülasyon programı olan Webots uygulaması ile bir diferansiyel tahrikli mobil robotun motorlarının elektriksel tepkilerinin simülasyonu için ek simülatör olarak kullanılmıştır. Bu çalışmalar sonucunda motorun akım, hız ve moment değişkenleri farklı yük ve yörüngeler için elde edilmiştir. Önerilen sistemle gerçek zamanlı uygulama ortamlarının dijital ikizlerinin elde edilebileceği gösterilmiştir.Many industrial applications are examined before being implemented through modeling, control in a simulated environment, or testing. This is used to design control systems, test them, optimize process performance, or train operators. These simulations are usually easily obtained using computer-based systems that work with an operating system and offer a software-based perspective, resulting in significant 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, has emerged to solve this problem. Digital systems can meet this need satisfactorily with solutions such as 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 an FPGA. Both the real motor and the modeled FPGA based digital twin are operated in real-time under the same conditions. Armature currents and motor speeds of both physical motor and its digital twin were observed simultaneously on the same oscilloscope screen. The results showed that similar dynamics can be obtained with high accuracy between the digital twin motor and the real motor. In addition, FPGA-based digital twin of PMDC motor used as co-simulator with Webots application which is used to simulate robots, for electrical responses of motors of a differential driven mobile robot, and the current, speed, and moment variables were obtained for different loads and orbits in real-time. The proposed system demonstrates that digital twins of real-time application environments can be obtained.