FPGA tabanlı enkoder destekli yüksek hassasiyetli motor kontrolör tasarımı
FPGA based high precision motor controller with encoder support
Yazar: MELİSA AYDOĞAN
Danışman: PROF. DR. FIRAT KAÇAR ; DR. ÖĞR. ÜYESİ VECDİ EMRE LEVENT
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Doğru akım motorları = Direct current motors ; Kapı dizileri = Gate arrays ; PID denetleme = PID control

Özet:
Hassas motor kontrolü özellikle pan-tilt gibi sistemlerin yüksek açısal doğrulukta rotasyonu uygulamalarında oldukça kritiktir. Kamera ve pan-tiltin bir arada kullanıldığı sistemlerde, kameranın yüksek zoom değerleri ile çalışma durumunda motorların yüksek hassasiyetle kontrol edilmemesi, izlenmek istenen yerden metrelerce sapmaya neden olabilir. Bu gereksinimler hem kontrol algoritmasının yüksek başarımlı hem de kontrolcünün yüksek frekansta ve paralel veri işleyebilme yeteneğinin olması gerekliliğini doğurmaktadır. Fırçasız DA motoru hassas kontrol edilebilmeleri, yüksek verimli olmaları, hızlı yanıt vermeleri, uzun çalışma ömürleri, bakım gerektirmemeleri, yüksek hız aralıklarında çalışmaları ve sessiz çalışmaları gibi sağladığı avantajlar sebebi ile savunma, medikal, robotik gibi pek çok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bir fırçasız DA motorunun bir başka avantajı da aynı güç çıkışına sahip bir fırçalı doğru akım motorundan daha küçük ve daha hafif yapılabilmesi, bu nedenle alan ve ağırlık açısından daha kullanışlı olmasıdır. Dezavantajı ise kontrolünün daha karmaşık olmasıdır. Ayrıca motor pozisyonu için bir kontrol mekanizmasına ihtiyaç duyulmaktadır, bu kontrol mekanizması sensörlü veya sensörsüz olabilir. Sensörlü kontrolde enkoderler, hall sensörler ya da açı algılayıcılar kullanılabilmektedir. Bu tasarımda mutlak enkoder kullanılmış ve elde edilen pozisyon değeri bir PID kontrolörün girişine verilmiştir. PID kontrolör FPGA üzerinde tasarlanmış olup programlama için VHDL donanım tanımlama dili kullanılmaktadır. Motorun, tasarlanan ara yüz üzerinden alınan hedef pozisyona ulaşması için FPGA ile PWM sinyalleri üretilmektedir. Üretilen bu sinyaller motor sürücü kartına bağlanarak MOSFETler üzerinden anahtarlama yapılması ile sargılara sırayla akım verilerek motorun dönmesi sağlanmaktadır. Tez çalışması kapsamında fırçasız DA motoru ile ilgili kavramlar ele alınmış motorun yapısı, çalışma prensibi incelenmiştir. Tasarım FPGA tabanlı bir sistem üzerinde gerçeklenmiştir. Programlanabilir mantık cihazı üzerinde geliştirme aşamaları, tasarım yöntemleri ve FPGA ile ilgili araştırmalara yer verilmiştir. Kontrol algoritmaları incelenmiş ve FPGA/MCU tabanlı PID kontrol algoritmasının başarımları kıyaslanmıştır. FPGA ve MCU tabanlı kontrol çözümü ile hata minimize edilerek motorun hedef pozisyona ulaşması hedeflenmiştir. Bu amaç ve ihtiyaçlar doğrultusunda gerekli tasarımlar yapılarak, elde edilen sonuçlar aktarılmıştır.

Abstract:
Precise motor control is especially critical in high angular accuracy rotation applications of systems such as pan-tilts. In systems where the camera and pan-tilt are used together, not controlling the motors with high precision in case the camera works with high zoom values may cause a deviation of meters from the targeted position. These requirements necessitate both the high performance of the control algorithm and the ability of the controller to process high frequency and parallel data. Brushless DC motors are widely used in many fields such as defense, medical, robotics, due to their advantages such as being sensitive to control, high efficiency, fast response, long working life, no maintenance, working in high speed ranges and quiet operation. Another advantage of a brushless DC motor is that it can be made smaller and lighter than a brushed DC motor of the same power output, so it is more useful in terms of space and weight. The downside is that it is more complex to control. In addition, a control mechanism is needed for the motor position, this control mechanism can be with or without sensors. Encoders, hall sensors or resolvers can be used in sensor control. In this design, absolute encoder is used and the obtained position value is given to the input of a PID controller. PID controller is designed on FPGA and VHDL hardware definition language is used for programming. PWM signals are produced with FPGA in order for the motor to reach the target position taken over the designed interface. These generated signals are connected to the motor driver card and the motor is rotated by giving current to the windings sequentially by switching over the MOSFETs. Within the scope of the thesis, the concepts related to the brushless DC motor were discussed and the structure and working principle of the motor were examined. The design was
implemented on an FPGA-based system. Development stages, design methods and researches on FPGA on programmable logic device are included. The control algorithms are examined and the performances of the FPGA/MCU based PID control algorithm are compared. With the FPGA and MCU-based control solution, it is aimed to minimize the error and reach the target position of the motor. Necessary designs were made in line with these purposes and needs, and the results
were conveyed.