Diseño y control de escalera electrica mediante implementacion con codigo vhdl en fpga
- 1. 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, Camilo.serna.r@outlook.com, jeison.angel@glingenieria.com.co, bvirviescas@gmail.com 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.
- 2. Universidad ECCI JECC-2014 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.
- 3. Universidad ECCI JECC-2014 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. Estado QB QA ECUACION ESTADO* QB* QA* 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.
- 4. Universidad ECCI JECC-2014 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).
- 5. Universidad ECCI JECC-2014 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
- 6. Universidad ECCI JECC-2014 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
- 7. 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.