提升机变频调速系统(一)

1绪论

1.1国内外提升机研究现状

矿井提升机是矿山最重要的设备，肩负着矿石、物料、人员等的运输责任。传统的矿井提升机控制系统主要采用继电器-接触器进行控制，这类提升机通常在电动机转子回路中串接附加电阻进行启动和调速。这种控制系统存在可靠性差、操作复杂、故障率高、电能浪费大、效率低等缺点。因此对矿井提升机控制系统进行研究具有现实意义，也是国内外相关行业专家学者的一个研究课题。

近三十年来，国外提升机机械部分和电气部分都得到了飞速的发展，而且两者相互促进，相互提高。起初的提升机都是电动机通过减速机传动卷筒的系统，后来先后出现了直流慢速电动机和直流电动机悬臂安装直接传动的提升机。七十年代西门子发明矢量控制的交一交变频原理后，标志着可以用同步电动机来代替直流电机实现调速的技术时代已经到来。1981年第一台用同步机悬臂传动的提升机在德国Monopol矿问世, 1988年9月由MAN GHH与西门子合作制造的机电一体的提升机(习惯称为内装电机式)在德国Rom berg矿诞生了，这是世界上第一台机械和电气融合成一体的同步电机传动提升机。

在提升机机械和电气传动技术飞速发展的同时，电子技术和计算机技术的发展，使提升机的电气控制系统更是日新月异。早在七十年代，国外就将可编程控制器(PLC)应用于提升机控制。八十年代初，计算机又被用于提升机的监视和管理。计算机和PLC的应用使提升机的控制出现了崭新的面貌，其自动化水平、安全、可靠性都达到了一个新的高度，并提供了新的、现代化的管理、监视手段。特别要强调的是，此时期在国外一些著名的提升机制造公司，如西门子、ABB、ALSTHOM都利用新的技术和装备，开发或完善了提升机的安全保护和监控装置，如西门子的数字式提升机控制器( Digital Wider Controller ) 和ALSTHOM的提升机安全监控装置(MHE )，使安全保护性能又有了新的提高。

就在国外科学技术突飞猛进发展的时候，由于文化大革命的影响，我国没有掌握世界上的技术发展动向，国内有些很有作为的技术人员花许多精力在研究金属水冷电阻之类的技术上，以至国内这段时间在提升机电控技术方面没有多少进展，我国提升机电控系统很长时间都处于落后的状况。改革开放以来，由于某些工程的急需，我国曾以很昂贵的价格从国外引进一些提升机电控设备，这些引进的提升机电控设备，有的是晶闸管数字直流调速系统，有的是交一交变频的现代交流调速系统。但使用这些国外先进技术的矿井提升机电控系统毕竞是少数，直到目前为止，我国正在服务的矿井提升机电控系统大多数还是转子回路串金属电阻的交流调速系统，只有少数是电动机一发电机或晶闸管直流调速系统。即使后者就其控制技术而言，也依然是陈旧的，和国外相比，我们存在很大的差距。

近年来交流变频调速技术迅速发展起来，调速方式的不断进步使得运用于提升机系统的交流调速技术不仅仅局限于传统的转子串电阻方式，变频调速技术也越来越多地在提升机控制系统中广泛应用，充分发挥出交流调速的优势。

目前交流调速最有前途的是变频调速技术， 在变频调速技术中矢量控制和直接转矩控制都能满足提升机恒转矩负载这一特征，所以在提升机调速系统中这两种调速方案将是重要发展方向。 为了克服传统交流绕线式电动机串电阻调速系统的缺点，采用变频调速技术改造提升机，可以实现全频率范围内的恒转矩控制。基于单片机控制的变频调速系统可达到以下主要目的：实现无级平稳加减速，提高系统的安全水平；节约电能；用软件代替继电器实现提升速度控制，减少设备维修工作量。

1.3 本人所做的工作

本设计基于中小型提升机电控系统特点，应用单片机、变频器及相关设备实现对电动机的频繁正反转启动，减速制动，且使电动机的转速按照速度图变化，并能显示重物的提升速度及位置。

为此设计的控制系统，以单片机为核心，在键盘、显示中采用模块化设计，这样不但易于编程，而且方便对系统的整体调试。

2 相关基本理论

2.1 提升机

2.1.1提升机概述

矿井提升机是矿井井下和地面的工作机械，是一种大型绞车。用钢丝绳带动容器（罐笼或箕斗）在井筒中升降，完成输送物料和人员的任务。矿井提升机是由原始的提水工具逐步发展演变而来。现代的矿井提升机提升量大，速度高，已发展成为电子计算机控制的全自动重型矿山机械。 2.1.2提升机速度图

矿井提升机是在繁重而又复杂的条件下进行工作的设备。因此，要求提升机的拖动装置能适应频繁起动、停止、调速及换向，并能实现重载起动，在保证提升设备安全可靠的情况下，按照设计的提升速度图工作。矿井提升机的提升距离和提升区间是确定的，在各个区间的运行速度图是有规律的。对于罐笼式提升机，操纵杆控制电动机正三档速度，反转三档速度。不管电动机正转还是反转，都是从矿井中将煤拖到地面上来，电动机工作在正转和反转电动状态，只有在满载拖车快接近井口时，需要减速并制动，提升机工作时序图如图所示。

v(m/s)

图2-2 提升机速度图

图中，提升机无论正转、反转，其工作过程是相同的，都有加速、稳定运行、减速、爬行、制动停车五个阶段。每提升一次运行的时间，与系统的运行速度、加速度及井深有关。各段加速度的大小根据工艺情况决定，运行的时间由操作工人根据现场的状况自定。图中各个阶段的工作情况说明如下：

（1）第一阶段t1：车厢在井底工作面装满煤后，发一个联络信号给井口提升机操作工人，操作工人回复一个信号到井底，然后开机提升。重车启动后，加速运行，在加速时间内，设备如果没有问题，则立即再加速到正常运行速度。

（2）第二阶段t2：重车以最大速度稳定运行，一般这段时间最长。

（3）第三阶段t3：操作工人看到车快到井口时立即减速，如减速时间设置较短时，变频器制动单元和制动电阻起作用，不致因减速过快而跳闸。

（4）第四阶段t4：车减速到低速爬行，便于在规定的位置停车。

（5）第五阶段t5：快到停车位置时，变频器立即停车，车减速到零，操作工人发一个联络信号到井下，整个提升过程结束。

2.2变频调速的基本原理

交流异步电动机的变频调速的原理，可从异步电动机的转速方程得出。转速方程如下所示：

n= （2-1）

式中：

n——电动机的实际转速

f1——电动机定子绕组的供电频率

p——旋转磁场的极对数

s——转差率，表示定子旋转磁场的同步转速n1与n的关系：n=n1(1-S)

从式中可见，改变异步电动机的供电频率f1，就可改变电动机的转速n1和n，达到调速目的。但f1的升高或降低影响到异步电动机的其它参数，如定子绕组中的输入电压U1，输入电流I1和磁通Φ。

三相异步电动机每相电压U1有以下关系式：式中： U1——定子相电压

E1——定子相电动势

w1——定子相绕组总匝数

k1——基波绕组系数

Φ——每极气隙磁通

从上式可以看出，若定子端电压U1不变，则随着f1的升高，气隙磁通Φ将减小，电机转矩为：

T=CTΦI2cos2 （2-3）

式中 I2——转子电流

cos2 ——转子电路功率因数

CT ——转矩常数

从电机转矩公式可以看出Φ的减小势必导致电机允许输出转矩T的下降，使电机的利用率降低，同时，电机的最大转矩也将降低，严重时会使电机堵转。

若维持定子端电压U1不变，而减小f1，则Φ增加，将造成磁路过饱和，励磁电流增加，铁心过热，这是不允许的，为此在调速的同时需改变定子电压，以维持气隙磁通Φ不变，根据U1和f1的不同比例关系，将有不同的变频调速方式。

（1）基频以下恒磁通变频调速

由于E1难于直接控制，当E1和f1较高时，可略去定子阻抗压降近似得出 为保持电机输出转矩不变以保证电动机的负载能力，就要求气隙磁通Φ不变，因此要求定子端电压与频率成比例变化。即U1/f1为常数，这种控制称为近似的恒转矩变频调速，属于恒转矩调速方式.

图2-3 U1/f1曲线

但在低频时，定子电阻的压降已不可忽略，随着定子电压的增加，最大转矩减小，启动转矩也减小，为了能在低速时输出大的转矩，应当采用

=const （2-5）

（2）基频以上的弱磁变频调速

当电动机转速超过额定调速时，即f1>f1e，若维持U1/f1=C，。加在定子上的电压势必会超过电机的额定电压，这是不允许的。由于在f1>f1e时，往往采用时定子电压不再升高，保持U1=U1e，这样气隙磁通就会小于额定磁通，导致转矩的减小，相当于直流电动机弱磁调速的情况。

从电机学知道，在改变定子供电频率的同时。按关系式调整定子电压，可使电动机功率等于电动机的额定功率，而转矩随f1/f1e或f1的增加围绕减小，可有如下关系

T= （2-7）

这是一种近似恒功率调速方式。如果将恒转矩调速和恒功率调速结合起来，可得到宽的调速范围。在电机低于额定转速时，采用恒转矩变频调速；高于额定转速时，采用恒功率调速如图所示。

图2-4 变频调速时的控制特性

由上面的讨论可知，异步电动机的变频调速必须按照一定得规律同时改变定子电压和频率，即必须通过变频装置获得电压频率的可调电源，实现VVVF调速控制。

2.3变频器的基本构成

近几十年来，随着半导体技术和微处理器的发展，变频器在结构上和功能上发生了很大变化，但是变频器的基本原理并没有变。变频器可以分为四个主要部分：整流部分、中间电路部分、逆变部分和控制电路部分，如下图所示。

1.交-直部分

（2）滤波电容CF。整流电路输出的整流电压是脉动的直流电压，必须加以滤波。滤波电容CF的作用除了滤除整流后的电压纹波外，还在整流电路与逆变器之间起去耦作用，以消除相互干扰，这就给为感性负载的电动机提供了必要的无功功率。CF同时还有储能作用，所以又叫储能电容。

（3）限流电阻RL与开关SL。由于储能电容CF大，加之再接入电源时电容器两端的电压为零，所以当变频器接通电源瞬间，滤波电容CF的充电电流很大。过大的冲击电流能使三相整流桥损坏。为了保护整流桥，在变频器刚接通电源的一段时间内，电路串入限流电阻RL，限制电容的充电电流。当滤波电容CF充电到一定程度时，令SL接通，将RL短接。

（4）电源指示HL。HL除了指示电源是否接通以外，还有一个功能，即变频器切断电源后，显示滤波电容CF上的电荷是否已经释放完毕。

2.直-交部分

（1）逆变管V1~V6。VI~V6组成逆变桥，把VD1~VD6整流后的直流电“逆变”成频率、幅值都可调的交流电。这是变频器实现变频的执行环节，是变频器的核心部分。常用的逆变管有绝缘栅双极晶体管、大功率晶体管、可关断晶闸管、功率晶体管、集成门级换流晶体管等。 ①电动机的绕组是感性的，其电流具有无功分量。续流二极管VD7~VD12为无功分量返回直流电源提供“通道”。

②当频率下降、电动机处于再生制动状态时，再生电流将通过续流二极管VD7~VD12返回直流电源。

（3）缓冲电路。不同型号的变频器，缓冲电路的结构也不尽相同，图中是比较典型的一种。它由C01~C06,R01~R06,VD01~VD06构成，其功能如下：逆变管V1~V6每次由导通状态切换成截止状态的关断瞬间，集电极和发射极间的电压UCE由近乎0V迅速上升至直流电压值UD，这过高的电压增长率将导致逆变管的损坏。因此，C01~C06的功能是降低VT1~VT6在每次关断时的电压增长率。V1~V6每次由截止状态切换为导通状态的瞬间，C01~C06上所充的电压将向V1~V6放电，次放电电流的初始值是很大的，并且将叠加到负载电流上，导致V1~V6损坏。因此，电路中增加可R01~R06，其功能是限制逆变管在接通瞬间C01~C06的放电电流。

R01~R06的接入，又会影响C01~C06在V1~V6关断时，降低电压增长率的效果。在电路中将VD01~VD06接入后，使V1~V6的关断过程中R01~R06不起作用；而在V1~V6的接通过程中，又迫使C01~C06的放电电流流经R01~R06。这样就可以避免R01~R06的接入对C01~C06工作的影响。

3 硬件设计

单片机变频调速系统的硬件是由单片机控制系统、变频器电路、信号检测电路和电源电路等四大部分组成。其中，单片机控制系统用来接收变频器输出的状态及脉冲信号，通过软件方式控制变频器的输入，从而控制提升机按照速度图运行，并且能在故障时有相应的动作；键盘及LED显示也通过单片机的输入输出口的信号进行工作。变频器电路由单片机发出的信号，通过控制继电器线圈得电，实现电机的正、反转，复位等动作；并能检测系统运行状态，将其发送到单片机，从而实现单片机控制的变频调速。

图3-1 系统结构图

3.1单片机控制系统

3.1.1 单片机控制系统框图

单片机控制系统由80C51，复位电路、时钟电路、键盘电路和显示电路构成，其系统组成框图如下所示。其中，键盘电路用来实现对系统的操作是自动还是手动，显示电路用来显示提升机负载的运行速度及位置，使得操作工人能更好的观察系统的运行状况，便于下一步操作。

图3-2 单片机控制系统框图

3.1.2 时钟电路3.1.3复位电路3.1.4键盘电路3.1.5 显示电路

显示电路由显示块、字形码锁存驱动器、字位锁存驱动器三部分组成。图所示为LED动态显示接口电路。采用8255A作为单片机应用系统扩展的I/O口，占用片外数据存储器空间。图中，8255A的A口、B口和一片8路三态反相缓冲器74LS240共同作为字形码锁存驱动器，8255A的A口和B口作字符段码输出口，通过74LS240分别与四个和两个LED显示块提供段选信号来分别显示提升物在矿井中的位置和速度；8255A的C口和一片6路集电极开路反相门电路7406共同作为字位锁存驱动器，C口做LED的位选输出口，通过7406向LED显示块提供字位选择驱动信号。6个数码管的8段段选线分别与74LS240的输出对应相连，而6个LED的共阴端与7406的输出端相连。

当要显示信息时，由A、B口输出字形段码的低电平，经74LS240反相为高电平有效，C口6路字位信号中每次只选通一路输出高电平，反相后为低电平有效选中相应的LED，则要显示的字符在该LED上显示出来。在这种显示电路中，一个字位一个字位的轮流点亮各个LED,每个字位停留1ms左右，由于人的视觉暂留，好像6只LED是同时点亮的，并不察觉有闪烁现象。

3.1.6 接近开关的连接

3.2 变频器电路

变频器主电路由三相交流输入，变频驱动、提升机电动机和制动单元几部分组成。

调速部分采用安川616G5变频器，该系列变频器具有结构紧凑、运转可靠、性能优良等特点，尤其是其良好的低速运行特性更适合于提升机上的应用。 利用变频器PG卡输出端将脉冲信号引入单片机的计数输入端，构成速度、位置反馈。

3.2.1 变频器的主电路的连接

三相电源R、S、T经接线端子进入变频器为其主电路和控制电路供电，输出端U、V、W接电动机的定子绕组。N,P端接制动电阻，制动单元，外接制动单元和制动电阻是为了减少制动时间，加快制动过程。制动过程中系统的动能转换成热能，消耗在制动电阻上。

3.2.2 外部控制端子的连接

变频器的控制电路，与主电路相对应，为主电路提供所需驱动的信号。控制电路的主要作用是根据事先确定的变频器的控制方式产生进行V/F控制时所需要的各种信号。此外，变频器控制电路还包括对电流、电压、电动机速度进行检测的信号检测电路，为变频器和电动机提供保护的保护电路，对外接口电路等。

3.2.2.1顺序控制端子3.2.2.2变频器频率指令信号

变频器的频率指令信号从变频器的模拟输入端子送入，进行变频器的无级调速。本次设计变频器模拟输入端子的信号是通过D/A转换芯片DAC0832和放大器将单片机输出的指令信号转变成0~10V的模拟信号，连接到变频器的13引脚。电路连接图如下：

DAC0832是双列直插式20引脚集成电路芯片，它的内部有一个T型电阻网络，用来实现D/A转换。它需要外接运算放大器，才能得到模拟电压输出。在DAC0832中有两级锁存器，第一级为8位输入寄存器，它的锁存信号为ILE，第二级8位DAC寄存器，它的锁存信号也称为通道控制信号/XFER。因为有两级锁存器，所以DAC0832可以工作在双缓冲工作方式，即在输出模拟信号的同时可以采集下一个数字，先存入输入寄存器而不影响此时的模拟电压的输出，可有效地提高转换速度。

3.2.2.3 PG速度卡的连接

本设计由于要测量并显示提升物的速度和位置，需要用到光电编码器来进行速度检测。

光电编码器是集光、机、电技术于一体的数字化传感器，其基本原理就是在特制的码盘上按一定规律编排光栅图案，将这些图案用光电头读取，转变为高低有序排列的电平信号。光电编码器输出信号为A , B , Z 3个信号,其中A , B为相位差90°的方波信号, Z为过零脉冲信号。光电编码器每旋转一周,A、B相输出同样数量的脉冲, Z相输出一个脉冲，脉冲的个数和电机旋转角度，电机的运行距离成正比关系，因此通过计算脉冲数就能计算出电机在实际运行中所运行的距离。

安川变频器本身附带有速度控制卡，即PG卡。编码器和变频器之间用屏蔽电缆相连。电缆连接于变频器PG-A2卡上的的TA1端子上，该屏蔽端接在其中D-滚筒直径，米，i-减速比3.2.2.4 制动电路

在变频调速系统中，电动机的降速和停机，是通过逐渐减小频率来实现的。这时，电动机的工作状态在频率刚减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电动机的转子转速未变。当同步转速低于转子转速时，转子电流的相位几乎改变了180°，电动机处于发电机状态。与此同时，电动机轴上的转矩变成了制动转矩，使电动机的转速迅速下降。从电动机的角度来看，处于再生制动状态。

由于采用交-直-交电压型变频器，在提升机位势负载作用下，电动机可能进入发电状态，电动机发出的交流电，经过逆变装置中续流二极管整流叠加到变频器的直流母线上，使母线电压产生“泵升”电压；母线电压的升高，将对蓄能电容器和电气元器件造成损坏。为保证变频器的安全，通用变频器将这部分电能通过“制动电阻”转变成热能消耗掉，提升机专用变频器是将这部分电能通过专用逆变电路回馈给电网。但为了降低工程造价，选用通用变频器加上制动单元的方案。

（1）制动电阻

能耗制动电路结构如图3-12所示，用于将电动机的再生电能转换成热能而消耗掉。设计中选用表面采用电子陶瓷棒芯，陶瓷外壳，阻燃耐高温的变频器

专用制动电阻。该型号电阻小、大功率，在大负荷下耐久性优良，具有阻燃作

用，耐热、耐湿、绝缘性能好，有较高的稳定性和可靠性，使用寿命长。根据

变频器制动电阻匹配表，选择4Ω、15KW的制动电阻。

（2）制动单元

制动单元BV的功能是，当直流回路的电压超过规定的限值时，接通耗能电路，使直流回路通过制动电阻释放能量。

制动单元BV的组成如图上划线框所示，BV的组成如下：

A、功率管用于接通与关断能耗电路，是制动单元的主体。

B、电压取样与比较电路由于的驱动电路是低压电路，故只能按比例取出的一部分作为采样电压，和基准电压进行比较，得到控制导通或截止的指令信号。

C、驱动电路用于接受“取样与比较电路”给出的指令信号，驱动导通或截止。

3.3 变频器功能参数设定3.4电源

根据设计要求，系统需要用到三相交流电源和直流电源+5V，-5V,+12V。交流电源可直接获得。

3.5系统所用元件参数计算及选型

3.5.1 矿井提升机选型3.5.2变频器容量的选择

变频器的容量直接关系到变频调速系统的运行可靠性，因此，合理的容量将保证最优的投资。变频器有三种基本的容量选择方法，即从电流、效率、及计算功率的角度，现从功率角度阐述。对于连续运转的变频器必须同时满足以下三个计算公式：

（1）满足负载输出：PCN≥PM/η=75／0.85≈88.kW

（3）满足电动机电流： ICN ≥kIe=75×1.1／(×0.38×0.85×0.

7

5) ≈197A

式中：PCN—变频器容量（kVA)

PM—负载要求的电动机轴输出功率（Kw）

Ue—电动机额定电压（V）

Ie—电动机额定电流(A)

η—电动机效率（通常约为0.85）

cos—电动机功率因数（通常约为0.75）

k—电流波形补偿系数（由于变频器的输出波形并不是完全的正弦波，而含有谐波的成分，其电流应有所增加，通常k约为1.05~1.1）

综上变频器选择为：CIMR-G5A4075表示电压级别：400V级，电机功率：75KW，变频器输入功率：130KW。

3.5.3 提升机速度图实现

（1）加、减速度

根据《煤矿安全规程》的要求，矿井升降提升机最大加、减速度不应大于4，加速度取值的大小还涉及提升机系统其他方面如功率配置等参数的设计。本设计中加减速度均取0.5。

（2）爬行速度

爬行速度是指提升机运行在爬行阶段的速度，设置爬行阶段是为了确保提升容器能够准确到位停车。爬行速度的设置既要保证提升容器准确停车，故不能设置太高，又不能因设置太低延长爬行时间而过量增加提升循环时间。因此，爬行速度一般设置在0.3-1.5，本设计中爬行速度取0.5。

（3）爬行距离

爬行距离是指提升机的爬行运行距离。爬行距离的设置需根据提升机的实际运行特性和井筒的具体情况确定。本设计取爬行距离为3。

根据所示五阶段速度曲线，在加速段、全速段、减速段及爬行段的过渡中，速度线存在拐点，速度基准值函数可用下式表示（取，）：

当t=t1时，； （3-1）

当t=t2时，； （3-2）

当t=t3时，； （3-3）

当t=t4时，。 （3-4） 由此得到实际上升阶段速度给定曲线，同理可求得下降阶段速度给定曲线。以上速度给定曲线可以通过单片机编程控制实现。

4 系统软件设计

4.1主程序流程图

图4-1 主程序流程图

此系统目的在与用单片机实现提升机的变频调速，首先将单片机需要单元初始化，并将变频器的参数进行整定。接通电源，用键盘来确定整个系统的控制方式是自动还是手动；自动的话，计数器用来接收变频器脉冲信号，实现速度反馈，并通过LED来显示提升物的速度和位置；手动时要确定控制速度的加速、匀速、减速、爬行是否按下，然后，执行和自动相似的软件运行。同时，在安全方面，来自变频器的故障信号给单片机提供中断信号，使系统具有报警功能，且实现安全断电。

4.2键盘设计流程图及子程序

此次键盘设计有七个按键，分别为：自动、手动，加速、匀速、减速、爬行、停车。它们分别接在单片机的P1.0~P1.6引脚上。当按下相应键，都可以通过软件识别并输出高低电平使线圈得电，从而控制系统运行。程序流程图及子程序设计如下。

图4-2 键盘设计流程图

（2）程序

PUSH Acc

ACALL DELAY

MOV A,P1

ANL A,#0FH

CPL A

JZ EXIT

CJNE A,#01H NEXT

SJMP K1

NEXT:CJNE A,#02H NEXT1

SJMP K2

NEXT1:CJNE A,#04H,NEXT2

SJMP K3

K1:加速

EXIT:POP Acc

DELAY:MOV R6,#20

DJNZ R7,$

DJNZ R6,D1

RET

4.3 LED显示流程图及子程序

显示部分采用8255A作为单片机应用系统扩展的I/O口，占用片外数据存储器空间。8255A的A口、B口和二片8路三态反相缓冲器74LS240共同作为字形码锁存驱动器，8255A的A口和B口作字符段码输出口，通过74LS240向LED显示块提供段选信号；8255A的C口和一片6路集电极开路反相门电路7406共同作为字位锁存驱动器，C口做LED的位选输出口，通过7406向LED显示块提供字位选择驱动信号。

图4-3 显示流程图

（2）显示程序如下：

MOD: PUSH ACC

PUSH DPH

PUSH DPL

SETB RS0

MOV R0,#CWR

MOV A,#4DH

MOVX @R0,A

DIR: MOV R0,#DIS0

MOV R6,#60H

MOV R7,#00H

MOV DPTR #TAB

DIR1: MOV A,#00H

MOV R1,#POC

MOVX @R1,#POC

MOVX A,@R0

MOVC A,@A+DPTR

MOV R1,#POA

MOVX @R1,A

HERE:DJNZ R7,HERE

INC R0

CLR C

MOV A,R6

RRC A

MOV R6,A

JNZ DIRI

CLR RS0

POP RS0

POP DPL

POP DPH

POP ACC

RET

TAB: DB C0H,F9H,A4H,B0H,99H;

DB 92H,82H,F8H,80H,90H;

DB 88H,83H,C6H,A1H,86H;

DB 8EH,BFH,8CH,FFH;

4.4提升物速度、位置计算流程图及子程序

设计要求显示提升物的速度与位置，将PG卡输出的脉冲接到80C51的P3.5引脚，即用T1来对脉冲计数，同时由T0定时，最后由计数值计算出速度与位置。

(1) 流程图如下：

图4-4 速度、位置计算流程图

（2）子程序

ORG 000BH

LJMP INT

ORG 001BH

MOV TMOD, #51H

MOV TL0 ,#71H

MOV TH0, #09H

MOV TL1 ,#00H

MOV TH1, #00H

MOV R0 ,#70H

SETB EA

SETB ET0

SETB ET1

SETB TR0

SETB TR1

INT: CLR TR1

MOV @R0, TL1

INC R0

MOV @R0,THI

5 系统的运行

5.1系统工作过程叙述

一、准备阶段

设置好变频器参数；按下开始按钮SB2，KM2线圈得电，使电磁铁线圈YA也得电动作，使衔铁吸上使弹簧拉紧，同时联动机构把压紧在制动轮上的抱闸提起，此时，接触器KM1通电，三相交流电接通；接通相应直流电源，给整个系统供电；单片机中也进行相应的初始化。

二、开车时动作

（2）在电动机开始转动期间，变频器将由与DAC0832和放大器LM324相连的频率给定电压端口13得到的电压信号转化为频率信号，与其同轴连接的旋转编码器发出脉冲信号，通过PG卡的8端子将脉冲反馈到单片机的计数器接口P3.5中，此刻，T0开始定时50ms，T1开始计在这段时间内的脉冲数。计数时间到T0溢出中断，使T1停止工作，并将计数值M1存入数据存储器中，再经过运算，可以得到提升物的运行速度和提升位置。与此同时，选中扩展I/O口8255A，使与其PA、PB口相连的用来显示速度和位置的LED上有数据显示出来。

（3）当达到最高速度，当是自动运行且在没有故障的情况下，系统将按照由单片机中程序中设定好的步骤，使DAC0832输出不同的电压值来控制电动机的速度，直到自动过程结束。

（4）当按下手动按钮K2时，程序切换到手动方式下运行，在系统运行阶段，司机要始终观察仪表的显示的速度和位置数据，以确定下一步动作，当重物到达指定位置时，司机将按下相应键执行操作。

（6）为了不至于因电源中断和电气线路故障而使制动的安全性和可靠性受影响。采用制动闸平时处于“抱住”状态的制动装置。为了避免电动机在启动前瞬间出现定子绕组通电而转子绕组被擒住不转的堵转状态，在启动时，必须使电磁铁线圈YA先通电，待制动闸松开后，才接通三相电源。当系统出现严重故障时，按下SB1按钮，使接触器线圈KM1失电，常开触点断开，电源被切断，电磁铁YA的线圈断电，弹簧复位，制动闸重新压紧制动轮，使得电动机迅速制动。

故障情况下的停车

（3）当电动机过载时，热继电器FR1的常闭触点断开，电动机停车。

5.2 系统的保护

变频器的保护功能可分为：对变频器自身的保护、对电动机保护和对系统的保护。其中，变频器自身的保护由变频器自身完成，而对电动机和系统的保护，则需要根据负载和外部环境设置的必要的工作条件。

变频器的运行离不开某些外围设备。选用外围设备常常是为了：提高变频器的某种性能、变频器和电动机的保护及减少变频器对其他设备的影响。如变频器本身具有过流、过压、过载等保护功能，但在变频器内部出现故障时，变频器有时不能自行切断输出，外接的电源短路器和电磁接触器便可将变频器从电源切断。

在主回路中涉及的外围设备如图5-1所示。

（1）低压断路器具有过电流及欠电压等保护功能，当变频器的输入侧发生短路或电源电压过低等故障时，可迅速进行保护。

因为低压断路器具有过电流保护功能，为了避免不必要的误动作，取式中：

IQN -低压断路器的额定电流；

IN -变频器的额定电流

（2）接触器可通过按钮方便地控制变频器的通电与断电；当变频器发生故障时，可自动切断电源。 IKN-触点的额定电流

（3）热继电器过载保护

矿山提升机由于负载沉重而需要限制起动时间，又容易堵转，且又长期处于频繁起动-停止状态，容易出现过载现象，所以需要对电机进行过载保护。

过载保护一般采用热继电器保护。若用自动空气开关保护，应选用带长延时脱扣器的自动空气开关。对大功率的重要电动机采用反时限特性的过电流继电器进行过载保护。保护措施主要是通过切断电动机电源的方法实现保护。在一些特殊场合，也可以通过发出警报或使电动机自动减载来实现保护。 即：=IN=178.75A （5-3）

另外，根据矿山提升系统的要求，还应对提升机进行断相保护，因此应选用带断相保护装置的热继电器，本控制系统选用天正电器制造集团公司生产的：JR20-160L。它具有断相保护，清晰度补偿，脱扣指示功能，并能自动与手动复位。

直流电抗器用来防止电源对变频器的影响，保护变频器和抑制谐波。交流输出电抗器可抑制高频振荡，避免电动机绝缘损坏、漏电流过大和变频器频繁保护。选配EMI滤波器来抑制电源线发出的高频噪声干扰。同样选配EMI滤波器来抑制变频器输出侧发出的高频噪声干扰和导线漏电流。变频器的输入电流中含有许多高次谐波成分，这些高次谐波都是无功电流，使变频调速系统的功率因数降低，所以，在容量较大的变频调速系统中，接入电抗器，以提高功率因数。交流电抗器除了提高功率因数外，还可消弱由电源侧短暂的尖峰电压引起的冲击电流；消弱三相电源电压不平衡的影响。直流电抗器除了提高功率因数外，还可消弱在电源刚接通瞬间的冲击电流。

参考文献[2] 郑萍.现代电气控制技术.重庆大学出版社.2005

[3] 先锋工作室.单片机程序设计实例.清华大学出版社.2003

[4] 方荣惠.邓先明.上官璇峰.电机原理及拖动基础.中国矿业大学出版社.2001

[5] 余发山.郑征.王清灵.李辉.自动控制系统.中国矿业大学出版社.2005

[6] 余发山.单片机原理及应用技术.中国矿业大学出版社.2003

[7] 袁钟慧.矿井提升运输安全技术.中国经济出版社.1987

[8] 顾永辉.范廷瓒.煤矿电工手册.煤炭工业出版社.1987

[9] 王兆安.黄俊.电力电子技术.机械工业出版社.2005 [11] 陈伯时.电力拖动自动控制系统.上海工业大学出版社.2003 [13] 陈隆昌.阎治安.刘新正.控制电机.西安电子科技大学出版社.2000 附图：

结 束 语

象征着本科阶段即将结束的毕业设计，走到此时也将宣告结束。回想起来，这一期间不仅是在自己的知识的运用和能力的培养上，同时在对本专业的认识上都上了一个台阶。

首先，在对知识的应用上，不再是简单的考试所能诠释的，它是一个积极主动的过程，本专业多门课程都因为这个题目得以应用，真正的把理论和实践联系起来。

其次，在能力的培养上，它贯穿整个设计始终。如何发现问题，如何去找资料，如何整合与思考，平时这些较抽象的概念这次都得到体现，在很大程度上提高了我的综合素质，这都是科学所需的态度，对我们的将来无论是工作还是研究都是很有益处的。

我自己感受最深的是在对本专业的认识上，从前由于一直是理论的学习，对于自己学的知识没有一个完整的认识，这次的设计题目全部来自现实生活的需要，通过此次设计，培养了我综合运用所学的理论知识与技能去分析与解决本专业范围具有一定复杂程度的工程技术问题。使我树立了正确的设计思想和了解了现代设计方法，严谨认真的科学态度和工作作风，以及勇于实践、勇于探索和开拓创新精神。

这次设计也遇到很多困难，首先是对课题比较陌生，不知从哪里下手。由于杜老师及时的指导和帮助，我才清楚自己要干什么。同时，写论文的过程中遇到插图、公式等的书写，涉及到基本软件的使用，以前一些不熟悉的操作通过同学的帮助也都克服了。最后，还想说一下，正是由于这次设计，使本科阶段的最后一件工作充满了意义，留下了美好的回忆！

致谢

本论文是在导师张有忠的精心指导下完成的，我由衷的感谢在论文期间老师在理论和实践上给予的关怀和指导。孙老师渊博的知识、敏锐的洞察力和一丝不苟的工作作风 给我留下了非常深刻的印象，并将对我今后的学习、工作产生极其深远的影响。

其次非常感谢再这段时间里一直帮助我的同学，是他们的鼓励和帮助给了我坚持到底的信心和勇气，他们是我的榜样，也是我永远的生活朋友和学习伙伴。

由于我个人的知识局限性，以及时间的仓促，论文撰写难免有不妥之处，敬请各位阅者指正，并对各位评审老师认真细致的工作表示真诚的谢意！