基于PID控制煤礦用磁懸浮通風機系統設計與研究*

張 哲，曾紅勇，任茂發，鄭 好

(武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢430070)

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基于PID控制煤礦用磁懸浮通風機系統設計與研究*

張 哲，曾紅勇，任茂發，鄭 好

(武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢430070)

針對機械接觸式通風機存在振動強、噪聲大和機械磨損嚴重等問題，提出以磁懸浮軸承取代機械接觸式軸承。根據磁懸浮風機的結構設計了滿足主動磁懸浮軸承控制性能要求的PID控制系統，并對所設計的PID控制的系統用Simulink進行了仿真和實驗，結果表明該PID控制系統具有良好的動態性和穩態性。

磁懸浮 煤礦用通風機 磁懸浮軸承 PID控制

0 引言

煤礦通風機是煤礦安全生產中必不可少的設備，它不僅能稀釋沖淡礦井下有害氣體還能向井下輸送新鮮空氣供工人正常呼吸。實際運用中，風機在運轉過程中會產生強烈的振動和噪聲[1-2]。因此，通風機的振動和噪聲是衡量通風機質量的重要標準之一。由于煤礦風機大多是不間斷地工作，機械磨損嚴重齒輪間隙變大，從而導致振動變大。這不僅會縮短風機的使用壽命，而且在條件惡劣的礦井環境中由于劇烈振動還可能引發安全事故。磁懸浮軸承相較于傳統的接觸式軸承：不存在機械接觸，摩擦磨損可以減到最小；不需要潤滑，不需要定期地添加潤滑劑；不會摩擦產生熱量，能提高工作效率，可以在高溫環境下工作[3-4]。基于以上優點，運用磁懸浮軸承可以實現通風機轉子與定子之間無摩擦工作，實現無摩擦、振動小，既能增加風機的壽命和旋轉速度，還能節能環保意義重大。

南京“磁谷”是目前國內唯一一家實現了磁懸浮技術產業化的企業，相繼研發出了75 kW、105 kW、140 kW磁懸浮離心式鼓風機并投入到污水廠使用，與傳統多級離心機相比，效率提高約22%。振動小，風機噪音在80 dB[5]。本文從磁懸浮主軸控制策略考慮，基于磁懸浮系統為二階不穩定系統[6]，采用控制器對其實施控制(基于TMS320C6713芯片研發的DSP控制板)并采用有效的閉環控制使之穩定，在此基礎上搭建了整套基于PID控制系統實驗平臺。

1 煤礦通風機磁懸浮主軸系統的結構及工作原理

本文設計的控制系統是對磁懸浮主軸五個自由度上的懸浮控制，其中包括前徑向的X和Y、后徑向的X和Y方向以及軸向。其中主軸的旋轉是通過變頻器控制主軸上的電機來實現的。如圖1所示，當主軸沒有實施懸浮控制的時候主軸是落在保護軸承上的。通過電渦流位移傳感器實時采集轉子五個自由度的位移信號通過DSP TMS320C6713的數字控制器A/D接口，將位置信號的數字量與相應中心參考位置進行PID運算，經過DAC芯片和運放后通過D/A接口將10路運算結果輸出；給到模擬功率放大板，通過EPWM模塊輸出驅動信號，經過光耦芯片驅動IGBT，從而獲得所需的控制電流，DSP的ADC模塊實時采集Honeywell電流傳感器輸出的線圈電流信號和控制器輸出的參考信號，實現電流的調節作用。從而獲得所需的電磁力，每個自由度上的兩個電磁線圈產生的電磁力控制轉子在相應自由度上的運動，最終使轉子穩定懸浮。

1-主軸；2-前小端蓋；3-保護軸承；4-推力軸承定子；5-推力軸承繞組；6-前大端蓋；7-推力軸承轉子；8-前徑向磁力軸承轉子鐵心；9-前徑向磁力軸承定子部件；10-徑向傳感器檢測套筒；11-徑向傳感器支架；12-電機定子部件；13-電機轉子；14-機座；15-徑向位移傳感器；16-后徑向磁力軸承轉子鐵心；17-后徑向磁力軸承定子部件；18-后大端蓋；19-后小端蓋；20-軸端面擋板；21-軸向位移傳感器圖1 煤礦用磁懸浮通風機結構

圖2 煤礦用磁懸浮通風機徑向端面圖

如圖2所示該通風機徑向端面圖，取徑向磁力軸承轉子鐵芯外徑與電機轉子鐵芯外徑相等為148.4 mm，單邊氣隙x0=0.5 mm，磁極對數Np=8，槽滿率λ=0.6，電流密度J=6 A/mm2，最大電流Imax=8 A，定子內徑D=149.4 mm。分為4個大磁極和8個小磁極8對磁極，其中大磁極上線圈匝數是80匝，小磁極上線圈匝數是40匝。大槽線圈總匝數是120匝，小槽80匝，主磁極80匝。根據線圈繞法Nc∶No=2∶1，大小磁極之間的線圈槽間距應為小小磁極間的1.5倍，故磁極分布按沿圓周3∶2布置，故大小磁極夾角。

2 PID控制器的設計及Simulink仿真

本文采用的是目前國內外都運用較為成熟的PID(比例-積分-微分)控制。由于其原理簡單并且適用性強，而且基于國內外的研究學者在此方面的研究，為本實驗的PID控制方法提供了理論及方法上的可靠性。之所以采用PID控制策略更重要的一點是其魯棒性強，當受控對象的有關特性發生變化時其控制作用及控制狀態不會發生質的改變[7]。

對于此煤礦用磁懸浮通風機，根據公式：

其中F=1 000 N，BMax=1.2 T，得主磁極面積A0=953 mm2。

其電磁力經線性化后的力-位移系數：

(1)

其電磁力經線性化之后的力-電流系數：

(2)

被控對象(電磁鐵)傳遞函數模型：

(3)

其中μ0空氣磁導率為4π×10-7，單磁極線圈匝數n=80匝，磁極面積A=476.5 mm2，偏置電流i0=4 A，單邊氣隙x0=0.5 mm，質量m=24.944 5 kg。代入(1)、(2)式得：

代入(3)式得：

根據磁懸浮軸承控制系統數學模型，基于實際PID控制策略的磁懸浮控制系統仿真框圖如圖3所示。

圖3 采用實際PID控制器的仿真模型框圖

其中參數取值Kp=4.5，Ki=185，Kd=0.018，N=80，仿真時間取為0.14 s，基于MATLAB/Simulink 對該磁懸浮軸承控制系統對象分別仿真得到如圖4動態響應曲線。

圖4 PID控制策略時的動態響應曲線

由圖4知，上升時間約為0.02 s，調整時間時間約為0.06 s，響應速度很快。由此可知，此PID的控制策略完全適用于此磁懸浮風機。基于以上理論研究搭建了控制系統實驗平臺。

3 實驗平臺及實驗結果分析

圖5 磁懸浮通風機控制系統實驗臺

由以上的理論基礎結合實際磁懸浮控制系統的組成需要，設計出了能夠簡化結構的磁懸浮控制柜，并設計了監控界面方便檢測磁懸浮主軸的實時懸浮狀態。為實現五自由度的磁懸浮軸承的差動控制，本實驗設計的控制器采用具有高速運算速度的TMS320C6713DSP更有利于實現復雜的先進控制算法，結合實驗需要本控制器有5路A/D和10路D/A。圖5就是本次研究設計的磁懸浮控制柜以及所搭建的實驗平臺。

本實驗研究的控制系統硬件設計總體框圖如圖6所示，選用DSP數字信號處理器對底層多任務的執行進行處理，運用PCI板卡實現對電渦流位移傳感器采集到的位移信號進行實時監控，PCI板卡與數字信號處理器選用雙口RAM來進行數據通訊；采用IO引腳與中斷引腳來進行邏輯通訊。

圖6 硬件系統總體框圖

根據所搭建的實驗平臺經過反復多次的PID參數調試，最終得到如下穩定的實驗結果。

圖7 磁懸浮軸承徑向、軸向懸浮實驗結果

如圖7所示，磁懸浮軸承的前徑向、后徑向和軸向的中心位置均穩定處在所標定的中心位置處，磁懸浮通風機主軸前徑向Y方向懸浮后的最振動大位移在5 μm以內。而所選用的電渦流位移傳感器其精度是2 μm，由此可知實驗對磁懸浮主軸的懸浮精度已經達到一個比較理想的效果。且如圖8所示，前徑向磁力軸承振動位移圖上振動位移大約在5 μm以內，且徑向其他三個方向和軸向懸浮后振幅均控制在5 μm范圍內，達到比較理想的穩定效果。但是還有許多毛刺，這主要是由于實驗環境或者實驗裝置自身的電磁干擾等因素引起的，可以通過添加濾波器、改進實驗環境、規范實驗裝置擺放位置和整改各種電纜電線的走位來減少電磁干擾[8]。

圖8 前徑向磁力軸承Y方向上振動位移圖

4 結束語

本文提出了將磁懸浮技術運用在煤礦風機領域，根據PID控制器的基本原理對實際PID進行仿真研究，并且基于PID控制算法結合數字信號處理器與模擬功率放大器設計出了一套能夠實現風機磁懸浮電主軸五自由度上穩定懸浮的控制系統。不僅能夠保證其懸浮精度還能實現無摩擦、噪音小和節約能源。

根據風機的結構計算分析，建立了基于PID控制的控制系統的數學模型，并搭建了實驗平臺得出了與仿真實驗結果相近的理想結果，證明本文所建立的模型和搭建的控制系統可用于煤礦用磁懸浮通風機的控制。

[1] 葉俊鋒,吳奇,時宇翔. 基于S7-1200PLC的煤礦通風機監控系統設計[J]. 煤礦機械,2014,35(12):240-242.

[2] 黃玉果,王榮杰,趙貫喜. 煤礦通風機聲源降噪分析及對策[J]. 煤礦機械,2007,28(05):170-173.

[3] 胡業發,周祖德,江征風.磁力軸承的基礎理論與應用[M].北京:機械工業出版社,2006.

[4] 施韋策,布魯勒,特拉克斯勒.主動磁軸承基礎、性能及應用[M].虞烈,袁崇軍,譯.北京:新時代出版社,1997.

[5] 南京磁谷科技有限公司. 中國磁懸浮離心式鼓風機技術的領跑者[J]. 風機技術,2013(06):6-8.

[6] 吳華春,胡業發,周祖德.磁懸浮主軸模糊控制的設計與實現[J].武漢理工大學學報(信息與管理工程版),2009,31(03):413-416.

[7] 王正林. MATLAB/Simulink與控制系統仿真:第3版[M].北京：電子工業出版社,2012.

[8] 胡壽松.自動控制原理:第五版[M].北京：科學出版社,2007.

Design of the maglev fan for coal mines based on PID control system

ZHANG Zhe, ZENG Hongyong, REN Maofa, ZHENG Hao

Considering the defects of traditional mechanical fans, such as strong vibration, high noise and terrible wear, we adopted the magnetic bearing instead of the mechanical bearing for the coal mine fan. Based on the structure of the maglev fan, we designed a PID control system which could met the control requirements of the active magnetic bearing, and carried out simulation tests with Simulink. The results showed that the PID control system had good dynamics and stability.

maglev，coal mine fan，magnetic bearing，PID control

TH-39

A

1002-6886(2016)05-0074-04

國家自然科學面上基金(51175390)。

張哲(1990-)，男，武漢理工大學機電工程學院碩士，主要研究磁懸浮軸承控制技術。

2015-12-08