基于PID控制煤矿用磁悬浮通风机系统设计与研究.pdf

现 弋 嬲 拉 lM o d e r n u 基于 P I D控 制煤矿用磁悬浮通风机 系统设计与研究 张哲 ， 曾红勇 ， 任茂发 ， 郑好 ( 武汉理工大学 机 电工程 学院， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ) 摘要 ： 针对机械接触式通风机存在振动强、 噪声大和机械磨损严重等问题， 提 出以磁悬浮轴承取代机械接触式轴 承 。根据磁 悬浮风机 的结构设计 了满足主动磁悬浮轴承控制性 能要 求的 P I D控 制 系统 ， 并对所设计 的 P I D控制 的 系统用 S i mu l in k进行了仿真和实验， 结果表明该 P I D控制 系统具有 良好的动态性和稳态性。 关键词 ： 磁 悬浮煤矿用通风机磁悬浮轴承P I D控 制 中图分 类号 ： T H一3 9 文献标 识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 6 8 8 6 ( 2 0 1 6 ) 0 5 0 0 7 4 0 4 De s ig n o f t he m a g le v f a n f or co a l m i ne s ba s e d o n PI D co nt r o l s y s t e m ZHANG Zhe，ZENG Ho ng yo ng，REN M a o f a，ZHENG Ha o Ab s t r a ct ：Co n s id e ri n g t h e d e f e ct s o f t r a d it io n a l me ch a n ica l f a n s ， s u ch a s s t r o n g v ib r a t io n，h ig h n o is e a n d t e r r ib le w e a r ，w e a d o p t e d t h e ma g n e t ic b e a r in g in s t e a d o f t h e me ch a n ica l b e a r in g f o r t h e co a l min e f a n B a s e d o n t h e s t r u ct u r e o f t h e ma g le v fan，we d e s ig n e d a P I D co n t r o l s y s t e m w h ich co u ld me t t h e co n t r o l r e q u ir e me n t s o f t h e a ct iv e ma g n e t ic b e a r in g ，a n d ca r r ie d o u t s imu la t io n t es t s wit h S imulin kTh e r e s ult s s h o we d t h a t t h e PI D co n t r o l s y s t e m ha d g o o d d yn a mics a n d s t a bilit y Ke y wo r ds： ma g le v， co a l min e f a n， ma g ne t ic be a r in g， P I D co n t r o l 。 煤矿通风机是煤 矿安全生产 中必 不可少的设 在运转过程中会产生强烈的振动和噪声 。因此， 3 S i n g h J ，R a n d h a w a J S C F D a n a ly s is o f a e r o d y n a m i c d r a g r e d u ct i o n o f a u t o m o b il e ca r a r e v i e w J n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f S ci e n ce a n d R e s e a r ch ， 2 0 1 4 ， 3 ( 6 ) ： 2 1 3 21 5 4 T i e n P h u c D，Z h e n g Q i G， Z h e n C N u m e r i ca l s i mu la t i o n o f t h e flo w fie ld a r o u n d g e n e r ic f o r m u la o n e J J o u r n a l o f A p p li e d F lu id Me ch a n ics ， 2 0 1 6 ， 9 ( 1 ) ： 4 4 3 4 5 0 5 L e f e b v r e A H， B a ll a l D RG a s T u r b i n e co m b u s t i o n ： A 1 一 t e rna t iv e f u e ls a n d e mi s s i o n s M 3 r d e d C R C P r e s s ， 2 01 0：7 9一l 1 2 6 C h a n d r a S ，L e e A， G o r r e ll S ， e t a 1 C F D a n a l y s is o f P A C E f o r mu la一1 C a r J C o m p u t e rA i d e d D e s i g n a n d A p p l i ca t i o n s ， 2 0 1 1 ( 1 ) ：1 1 4 7 C h a n d a v a r i V， P a l e k a r S D if f u s e r a n g l e co n t r o l t o a v o i d flo w s e p a r a t io n J I n t e rna t io n a l J o u r n a l o f T e ch n ica l R e s e a r ch a n d A p p l ica t i o n s ， 2 0 1 4 ， 2 ( 5 ) ： 1 6 2 1 8 Hu X J ， Z h a n g R， Y e J ， e t a 1 I n flu e n ce o f d i f f e r e n t d i f - 74 f u s e r a n g le o n s e d a n S a e r o d y n a m ic ch a r a ct e ris t i cs J P h y s i cs P r o ce d ia ， 2 0 1 1 ， 2 2：2 3 92 4 5 9 A n d e r s o n J C o m p u t a t i o n a l flu i d d y n a mi cs M N e w Yo r k：McGr a w Hill， 1 9 9 5 1 0 S a g a r D， P a u l A R， J a in A C o m p u t a t io n a l flu id d y n a m ics in v e s t ig a t io n o f t u r b u le n t s e p a r a t e d fl o ws in a x is y m m e t ri c d if f u s e r s J I n t e rna t i o n al J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g ， S cie n ce a n d T e ch n o l o g y ， 2 0 1 1 ， 3 ( 2 ) ： 1 0 41 0 9 1 1 V e r s t e e g H，Ma la la s e k e r a WA n i n t r o d u ct i o n t o co n p u t a t io n a l flu id d y n a m ics M Ha r lo w：L o n g m a n ， 1 9 96 基金项 目： “ 江苏高校 品牌专业建设 工程资助项 目” ， 项 目编 号 ： P P Z Y 2 01 5 A 0 8 8。 作者简介： 曹嘉佳 ( 1 9 9 2一) ， 女， 硕士研究生， 教师， 主要研 究流体力学工程。 收稿 日期 ： 2 0 1 6 0 4 2 9 通风机的振动和噪声是衡量通风机质量的重要标准 之一。由于煤矿风机大多是不 间断地工作 ， 机械磨 损严重齿轮间隙变大 ， 从 而导致振动变大。这不仅 会缩短风机的使用寿命 ， 而且在条件恶劣 的矿井环 境中由于剧烈振动还可能引发安全事故 。磁悬浮轴 承相较于传统的接触式轴承 ： 不存在机械接触 ， 摩擦 磨损可以减到最小 ； 不需要润滑 ， 不需要定期地添加 润滑剂 ； 不会摩擦产 生热量 ， 能提高工作效率 ， 可 以 在高温环境下工作 J 。基于以上优点 ， 运用磁悬 浮轴承可 以实现通风机转 子与定子之 问无 摩擦工 作 ， 实现无摩擦 、 振动小 ， 既能增 加风机 的寿命和旋 转速度 ， 还能节能环保意义重大。 南京“ 磁谷 ” 是 目前 国内唯一一家 实现了磁悬 浮技术 产业 化 的企 业 ， 相继 研发 出 了 7 5 k W、 1 0 5 k W、 1 4 0 k W 磁悬浮离心式鼓风机并投入到污水厂 使用 ， 与传统 多级 离心机相 比， 效率 提高约 2 2 。 振动小 ， 风机噪音在 8 O d B _ 5 J 。本文从磁悬 浮主轴 控制策略考虑 ， 基 于磁悬 浮系统 为二 阶不 稳定 系 统 J ，采 用 控 制 器 对 其 实 施 控 制 ( 基 于 T MS 3 2 0 C 6 7 1 3芯片研发的 D S P控制板 ) 并采用有效 的闭环控制使之稳定 ， 在此基础 上搭建 了整套基于 P I D控制系统实验平台。 1 煤矿通风机磁悬浮主轴 系统的结构及工 作原理 本文设计的控制系统是对磁悬浮主轴五个 自由 度上的悬浮控制 ， 其中包括前径 向的 x和 Y、 后径向 的 x和 Y方向以及轴 向。其 中主轴 的旋转是通过 变频器控制主轴上的 电机来实现 的。如 图 1所示 ， 当主轴没有实施悬浮控制的时候主轴是落在保护轴 承上的。通过电涡流位移传感器实时采集转子五个 自由度的位移信号通过 D S P T MS 3 2 0 C 6 7 1 3的数字 控制器 A D接 口， 将位置信号的数字量与相应中心 参考位置进行 P I D运算 ， 经过 D A C芯片和运放后通 过 D A接 口将 l0路运算结果输 出； 给到模拟功率 放大板， 通过 E P WM模块输出驱动信号， 经过光耦 芯片驱动 I G B T， 从 而获得所需 的控制电流， D S P的 A D C模块实时采集 Ho n e y w e ll电流传感器输 出的线 圈电流信号和控制器输出的参考信号， 实现电流的 调节作用。从而获得所需的电磁力 ， 每个 自由度上 自动控制 I 2 0 1 6 耳第 期 A u t oco nt r o l 1 的两个 电磁线圈产生的电磁力控制转子在相应 自由 度上的运动 ， 最终使转子稳定悬浮。 5 6 7 8 9 1 0 1 1 l2 l3 1 4 l5 1 6 l7 1 8 1 9 2 0 1一主轴 ： 2一前小端盖 ； 3一保护轴承 ； 4一推 力轴承定子 ； 5一推 力轴承绕组 ； 6一前大端盖 ； 7推 力轴承转 子； 8一前径 向磁 力 轴承转子铁 心； 9一前径 向磁力轴承定 子部件 ； 1 0一径 向传感 器 检测套筒 ： 1 1 一径 向传感器 支架 ； 1 2一电机 定子部件 ； 1 3一电机 转子 ； 1 4一机座 ； 1 5一径向位移传感器 ； 1 6一后径 向磁力轴承 转 子铁心 ； 1 7一后径 向磁 力轴承定子部件 ； 1 8一后 大端盖 ； 1 9一后 小端盖 ； 2 0一轴端面挡板 ； 2 1一轴向位 移传感器 图 1 煤矿用磁悬浮通风机结构 如图 2所示该通 风机径 向端面 图， 取 径向磁力轴承转子铁 芯外径与 电机转子铁 芯外径相等 为 1 4 8 4 m m， 单 边 气 隙 。= 0 5 m m， 磁极对数 = 8 ， 槽满率 A ：0 6， 电流密度 J：6 A Mm m 2 ， 最大电流 I m =8 A， 定子 内径 D ：1 4 9 4 域 l 图 2 煤矿用磁悬浮通风 机径向端面 图 m m。 分为4 个大磁极和8 个小磁极 8 对磁极 ， 其 中大 磁极上线圈匝数是 8 0匝， 小磁极上线圈匝数是 4 O 匝。 大槽线圈总匝数是 1 2 0匝， 小槽 8 0匝， 主磁极 8 0 匝。 根据线圈绕法Nc： N =2 ： 1 ， 大小磁极之间的线 圈槽间距应为小小磁极间的 1 5倍， 故磁极分布按 沿圆周 3： 2布置， 故大小磁极夹角。 2 P I D控 制器 的设计及 S i mu l in k仿真 本文采用 的是 目前 国内外都运用较 为成熟的 P I D( 比例 一积分 一微分)控制。 由于其原理简单并 且适用性强 ， 而且基于 国内外 的研究学者在此方面 的研究 ， 为本实验 的 P I D控制方法提供 了理论及方 法上的可靠性。 之所 以采用 P I D控制策略更重要的 一 点是其鲁棒性强 ， 当受控对象 的有关特性发生变 观代嘏 I M 诅o d e r n M a c h i e 化时其控制作用及控制状态不会发生质的改变 。 对于此煤矿用磁悬浮通风机 ， 根据公式 ： ( 1+c0 s ) A 0 ， 其 中F=1 0 0 0 N， B M a x ：1 2 T ， 得主磁极面积A 0= 9 53 mm 。 其电磁力经线性化后的力 一位移系数 ： ： x 3A i ( 1 + c 。 s 3 3 7 5 。 ) ( 1 ) 其电磁力经线性化之后的力 一电流系数 ： K ： i n A 广 io ( 1+c。 s 3 3 7 5 。 ) ( 2 ) 被控对象( 电磁铁 ) 传递函数模型： G ( s )= _ ( 3 ) 其中 。 空气磁导率为 4 耵X 1 0 ， 单磁极线圈匝数 n = 8 0匝， 磁极面积 A=4 7 6 5 mm ， 偏置电流 i。=4 A， 单边气隙 。=0 5 mm， 质量 m =2 4 9 4 4 5 k g 。 代 入( 1 ) 、 ( 2 )式得 ： f K=4 4 9 1 9 2 4 N m 【 K ： 56 1 5 NA 代入 ( 3 )式得 ： C( s )= 根据磁悬浮轴承控制系统数学模型， 基于实际 P I D控制策略的磁悬浮控制系统仿真框 图如 图 3所 示 传感器 图 3 采用实际 P I D控制器的仿真模型框图 其中参数取值 =4 5 ， K =1 8 5 ， K d= 0 0 1 8 ， N =8 O， 仿真时间取为 0 1 4 S ， 基于 MA T L A B S i n m lin k对该磁悬浮轴承控制系统对象分别仿真得到如 图 4动态响应 曲线 。 7 6 由图 4知 ， 上 升时间约 为 0 0 2 S ， 调整 时 间时 间 约为 0 0 6 S ， 响应 速 度 很 快。 由此 可知， 此 P I D的控 制策 略 完全 适 用 于此磁悬浮风机。 基 于 以 上 理 论 研 |l | 图4 P I D控制策略时的动态响应曲线 究搭建了控制系统实验平台。 3 实验平台及实验结果分析 由以上的理论基础结合实际磁悬浮控制系统的 组成需要 ， 设计出了能够简化结构 的磁悬浮控制柜 ， 并设计 了监控界面方便检测磁悬浮主轴的实时悬浮 状态。为实现五 自由度 的磁悬浮轴承 的差动控制 ， 本实验 设计 的控制 器采 用具 有 高速 运算 速 度 的 TMS 3 2 0C6 71 3 DS P 更有利 于实现 复 杂的先进 控制 算 法 ， 结合实验需要 本控制 器有 5路 A D和 1 0路 D A。 图 5就是本 次研 究设 计 的磁 悬浮 控制柜 以及 所搭 建的实验平台。 磁悬浮风机D S P 监控界面 功率放大板 前置器 在线控制 图 5 磁悬浮通风机控制系统实验台 本实验研究的控制系统硬件设计总体框 图如图 6所示 ， 选用 D S P数字信号处理器对底层多任务 的 执行进行处理 ， 运用 P C I 板卡实现对 电涡流位移传 感器采集到的位移信号进行实时监控 ， P C I 板卡与 数字信号处理器选 用双 口 R A M来进行 数据通讯 ； 采用 1 0引脚与中断引脚来进行逻辑通讯。 图 6 硬件 系统总体框 图 根据所搭建的实验平台经过反复多次的P I D参 数调试 ， 最终得到如下稳定的实验结果。 如 图 7所 示 ， 磁悬浮轴承的前径 向、 后径 向和轴 向 的中心位置均稳定 处在所标定的中心 位置处 ， 磁 悬 浮通 风机主轴前径 向 Y 方 向悬浮后的最振 动大位移 在 5 m 以内。而所选用 的 电涡流位移传感器 其精度是 2 m， 由 此可知实验对磁悬 浮主轴的悬浮精度 已经达到一个比较 理想的效果。且如 图 8所示 ， 前径 向 磁力轴承振动位移 图上振动位移大约 在 5 m 以 内， 且 径向其他三个方 向 和轴向悬浮后振幅 均控制在 5 m范 围内， 达到 比较 理 3 0 0 2 o 0 g 1 o o 土 蠢 。 迥 一 1 0 0 3 002 0 0 1 00 O 1 0 0 2 0 0 3 0 0 位移 L L m ( a)前径向磁 力轴承 中心点悬浮位置 后径向磁力轴承 ( b)后径 向磁力轴承 中心点 悬浮位 主 -5匿j三三习 ( C )轴 向磁 力轴承 中心点悬浮位置 图 7 磁悬浮轴承径 向、 轴向 悬浮实验结果 想的稳定效果 。但是还有许 多毛刺 ， 这主要是 由于 实验环境或者实验装置 自身的电磁干扰等因素引起 的， 可以通过添加滤波器 、 改进 实验环境 、 规范实验 装置摆放位置和整改各种 电缆电线 的走位来减少 电 磁干扰 引。 1 目 i 疽 擎 一 1 实时位移信号 嗍 - f ， 时 间 图 8 前径向磁 力轴承 Y方 向上振动位移 图 4 结束语 本文提出了将磁悬 浮技术运用在 煤矿风机领 号 动 控 制 l 2 o 1 6utoc o ntrol 期 A _ 域 ， 根据 P I D控制器的基本原理对实际 P I D进行仿 真研究 ， 并且基于 P I D控制算法结合数字信号处理