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。
1.2 选题的目的与意义
 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。
 矿井提升机主要由电动机、减速器、卷筒（或摩擦轮）、制动系统、深度指示系统、测速限速系统和操纵系统等组成，采用交流或直流电机驱动。按提升钢丝绳的工作原理分缠绕式矿井提升机和摩擦式矿井提升机。缠绕式矿井提升机有单卷筒和双卷筒两种，钢丝绳在卷筒上的缠绕方式与一般绞车类似。单筒大多只有一根钢丝绳，连接一个容器。双筒的每个卷筒各配一根钢丝绳，连接两个容器，运转时一个容器上升，另一个容器下降。缠绕式矿井提升机大多用于年产量在120万吨以下、井深小于400米的矿井中。摩擦式矿井提升机的提升绳搭挂在摩擦轮上，利用与摩擦轮衬垫的摩擦力使容器上升。提升绳的两端各连接一个容器，或一端连接容器，另一端连接平衡重。摩擦式矿井提升机根据布置方式分为塔式摩擦式矿井提升机（机房设在井筒顶部塔架上）和落地摩擦式矿井提升机（机房直接设在地面上）两种。按提升绳的数量又分为单绳摩擦式矿井提升机和多绳摩擦式矿井提升机。后者的优点是：可采用较细的钢丝绳和直径较小的摩擦轮，从而机组尺寸小，便于制造；速度高、提升能力大、安全性好。年产120万吨以上、井深小于2100米的竖井大多采用这种提升机。
 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)

                       t 1         t 2       t 3   t4    t5    t(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

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