Diseño y control de escalera electrica mediante implementacion con codigo vhdl en fpga
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Universidad ECCI JECC-2014
DISEÑO Y CONTROL DE ESCALERA ELECTRICA MEDIANTE IMPLEMENTACION
CON CODIGO VHDL EN FPGA
Serna R. Yeison, Ángel R. Jeisson y Virviescas R. Byron,
[email protected], [email protected], [email protected]
Universidad ECCI
UNIECCI
Bogotá-Colombia
Resumen: El presente documento da a
conocer la implementación de un modelo
a escala de una escalera eléctrica,
controlada por una máquina de estados y
sensores los cuales van a ser utilizados
para el movimiento de la misma. Además
se presentara el funcionamiento
comercial que se puede lograr con el
control mediante un medio remoto.
Palabras Claves. FPGA, Integrado,
Estados.
I. INTRODUCCION:
Que es una FPGA se empezara con una breve descripción.
Una FPGA (del inglés Field Programmable Gate Array) es un dispositivo semiconductor que contiene bloques de lógica cuya interconexión y funcionalidad puede ser configurada 'in situ' mediante un lenguaje de descripción especializado. La lógica programable puede reproducir desde funciones tan sencillas como las llevadas a cabo por una puerta lógica o un sistema combinacional hasta complejos sistemas en un chip.
A continuación describiremos una reseña histórica de lo que ha sido una escalera
eléctrica y su evolución a medida que va transcurriendo el tiempo. Las escaleras móviles, una especie de elevador inclinado, subían a los pasajeros sobre una cinta transportadora inclinada a un ángulo de 25°,fue todo un éxito y más de 75000 personas se subieron durante las dos semanas que duro su exhibición en el parque de diversiones. El estadounidense jesse wilford reno, nacido en 1861 en Kansas, era un joven inventivo que formulo su idea de una escalera inclinada móvil cuando tenía tan solo 16 años, después de graduarse de ingeniero en Pennsylvania, su carrera lo llevo a colorado y a Georgia, done fue el constructor de la primera vía ferroviaria eléctrica en el sur de los estados unidos. Otro inventor, charles seeberger, desarrollo en 1987 una escalera movible con escalones de madera. Los dos inventos fueron presentados en 1900 durante la exposición internacional de parís. Futuros desarrollos, como la cinta de dos velocidades, actualmente dn fase de pruebas, beneficiaran de forma notable al usuario reduciendo los tiempos de traslado, sobre todo en las grandes superficies o en aeropuertos en donde se necesitan grandes desplazamientos para ir de algunas zonas a otras.
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Actualmente hay al menos un modelo, el turbo track de Thyssen Krupp que desplazan de manera horizontal personas con velocidad de 2m/s, consiguen tiempos record en distancias de hasta un kilómetro. Con este ritmo turbo track transporta a su destino a casi 15.000 personas por hora. Existe una instalación en el Aeropuerto de Toronto.
II. IMPLEMENTACION DE ESCALERA ELECTRICA CON CODIGO VHDL EN FPGA
Para el desarrollo de esta escalera eléctrica, necesitaremos definir los materiales a implementar en nuestro proyecto, y además de esto el funcionamiento general de nuestro sistema para empezar a realizar la definición de la máquina de estados. La funcionabilidad de la máquina de estados que decidimos realizar para nuestra escalera eléctrica es la siguiente: Se realiza un sistema de control de una escalera eléctrica bidireccional. Se cuenta con dos pulsadores P1 y P2, como se muestra en la figura. Cuando se activa un sensor, la escalera empezara a andar en dirección al pulsador restante y no parara hasta que se active el otro sensor se debe mostrar el comportamiento de la dirección de los motores, así como su estado (Encendido o apagado) mediante dos leds.
Figura 1. Bosquejo idea principal de
implementación En nuestro planteamiento y escalera eléctrica a escalas, podemos plantear los siguientes estados para el funcionamiento correcto del sistema.
1) Escalera sin movimiento 2) Escalera en movimiento
ascendente 3) Escalera en movimiento
descendente
Una vez definidos los estados en que queremos que funcione nuestro prototipo procederemos a seleccionar las entradas y salidas con sus respectivos estados.
Nuestras entradas serán definidas como los pulsadores ubicados en la FPGA, para hacer referencia a los sensores actuadores, y nuestras salidas tendrán la acción (A) y el sentido (S) del motor, las transiciones serán de la siguiente manera: P1, P2 y AS. Comenzaremos definiendo nuestros pasos.
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Paso numero 1: Definición de los estados. - Una persona censa el paso
por el sensor P1, luego esta debe empezar a realizar su movimiento descendente, hasta que la persona llegue a su punto, en este caso sensor P2 se activara y la escalera se detendrá.
- Cuando ninguno de los sensores presente algún cambio la escalera no efectuara ningún movimiento.
QA QB Estados
0 0 E0
1 0 E1
0 1 E2
Tabla 1.
Paso numero 2: Representación
grafica de los cambios posibles.
Figura 2.Estados de nuestra maquina
A=0 motor estable
A=1 motor en movimiento
A=0 desplazamiento ascendente
A=1 desplazamiento descendente
Paso numero 3: tabla de
combinaciones posibles.
Esta
do
Q
B
Q
A
ECUAC
ION
ESTA
DO*
Q
B*
Q
A*
E0 0 0 P1,P2~ E1 0 1
E0 0 0 P1~,P2, E2 1 0
E1 0 1 P1~,P2, E0 0 0
E2 1 0 P1,P2~ E0 0 0
Tabla 2.
Nuestra escalera eléctrica no funcionara
si se activan los dos sensores al mismo
tiempo, en caso real si se presentaran dos
personas en los sensores la escalera no
ascendería ni descendería por cuestión
de bloqueo, es decir no tendrá
movimiento.
Paso numero 4: Esquema lógico
y Ecuaciones.
QB*=QB~ QA~ P1~P2
QA*=QB~QA~ P1 P2~
A partir de estas ecuaciones se empieza
a realizar el esquemático de la escalera el
cual va a tener su reset para reiniciar el
sistema y sus entradas y salidas (A y B)
con su respectivo vector de salida.
Se presenta a continuación la imagen del
sistema esquemático diseñado para el
funcionamiento de la escalera eléctrica.
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Figura 3. Esquemático máquina de
estados
Describiremos los materiales que
utilizaremos en nuestro proyecto para la
implementación de la escalera eléctrica.
Motor D.C 5v
Madera tipo bálsamo
Tornillería
Banda elástica
FPGA
Integrado LM 358 Amplificador
Amplificador Lm 358
El amplificador Lm 358 tiene como
función en nuestro proyecto
realizar el aumento de voltaje D.C
de las salidas de la FPGA. Ya que
para el movimiento del motor
necesitamos un voltaje mínimo de
3.3 Vdc, y la FPGA nos entrega
como mínimo 1.7Vdc.
Esta implementación se realiza
conectando las salidas de la
FPGA directo al amplificador y las
salidas del amplificador se
conectan al motor D.C, para que
cuando pulsemos el sensor ya sea
A o B esta proceda a ascender o
descender nuestra escalera
eléctrica.
Figura 4. Amplificador de voltaje
Motor de corriente continúa
Figura 5.Motor dc giro en ambos
sentidos
El motor de corriente continua (denominado también motor de corriente directa, motor CC o motor DC) es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica, provocando un movimiento rotatorio, gracias a la acción del campo magnético.
Una máquina de corriente continua (generador o motor) se compone principalmente de dos partes. El estator da soporte mecánico al aparato y contiene los devanados principales de la máquina, conocidos también con el nombre de polos, que pueden ser de imanes permanentes o devanados con hilo de cobre sobre núcleo de hierro. El rotor es generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, alimentado con corriente directa mediante escobillas fijas (conocidas también como carbones).
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De esta manera empezamos con
el funcionamiento de nuestra
escalera.
Mostraremos algunas de nuestras
imágenes del prototipo
implementado.
CONCLUSIONES.
Una de nuestras
principales conclusiones
en cuanto al sistema, es
necesario amplificar los
voltajes de salida de la
tarjeta FPGA, debido a que
con ese voltaje tan bajo no
es posible realizar la
activación del motor de
Vdc.
Los sensores son muy
importantes en un sistema
de máquina de estados, ya
que por medio de ellos es
que podemos hacer
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funcionar cualquier
sistema, utilizándolos
como actuadores.
De acuerdo a los
conocimientos adquiridos
tanto en clase teórica
como práctica, se realizó la
programación en FPGA
para que nuestra
aplicación que en este
caso es una escalera
eléctrica, pudiera adquirir
movimiento a partir de
mandos que se le
configuraban y asignaban
a la misma.
REFERENCIAS
Texas Instruments. LM 358, amplificador de voltaje. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm158-n.pdf
Schindler. Implementación de una escalera eléctrica. http://www.schindler.com/content/es/internet/es/soluciones-de-movilidad/productos/escaleras-mecanicas/_jcr_content/rightPar/downloadlist/downloadList/78_1358182328418.download.asset.78_1358182328418/schindler_planning_es.pdf
Wikipedia. Historia de las escaleras eléctricas. http://es.wikipedia.org/wiki/Escalera_mec%C3%A1nica
AUTORES
A. Yeison Camilo
serna Raigoza-
nacido en ciudad de
Bogotá (1 septiembre
de 1989),
Actualmente
estudiante de
ingeniería
Electrónica, Laborando para
una empresa de
telecomunicaciones
reconocida, desempeñando el
cargo de coordinador de
mantenimiento.
Jeisson Wilver Ángel
Reyes- nacido en la
ciudad de Bogotá, (4
febrero -1991),
Actualmente
estudiante de 8vo
semestre de
Ingeniería Electrónica,
en la Universidad Uniecci. De
momento trabaja en la parte de
soporte de telecomunicaciones para
estaciones de servicio, empleando un
cargo como tecnólogo de
telecomunicaciones
Byron Virviescas
Rojo nacido en Pereira
(Risaralda), Colombia
el 29 de Septiembre de
1983, Estudiante de 8
semestre de ingeniería
electrónica en La
Universidad ECCI JECC-2014
ECCI, graduado como tecnólogo de
soporte de telecomunicaciones en mayo
del 2013, A nivel profesional formado en
la parte de redes de telefonía, datos,
televisión y administración de contratos
en UNE. Como Director regional de
operaciones.
