FPGA tabanlı genel amaçlı dı̇jı̇tal ikı̇z sı̇stemı̇nı̇n gelı̇ştı̇rı̇lmesı̇ ve robot sı̇mülatörü ı̇le bı̇rlı̇kte kullanılması
Development of an FPGA-based general purpose digital twin and using az co-simulator with robot simulator
Yazar: MEHMET RIZA SARAÇ
Danışman: PROF. DR. ÖMÜR AYDOĞMUŞ
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Bilgisayar Sistemleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering
Dizin: Benzeştirme = Simulator ; Dijital tasarım =   ; Elektrik güç sistemleri = Electric power systems ; Elektrik makineleri = Electric machinery ; Elektrik motorları = Electric motors ; FPGA = FPGA

Özet:
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.

Abstract:
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.