專利名稱：一種磁懸浮分子泵的自適應控制系統及控制方法
一種磁懸浮分子泵的自適應控制系統及控制方法技術領域
本發明屬于流體設備領域，尤其涉及一種磁懸浮分子泵的自適應控制系統及控制 方法。
背景技術：
磁懸浮分子泵是利用磁軸承產生電磁力使轉子懸浮在空中，實現轉子和定子之間 無機械接觸且轉子位置可主動控制的一種新型高性能分子泵。由于磁懸浮分子泵具有無摩 擦、無需潤滑、無污染、高速度、壽命長等優點，因此磁懸浮分子泵廣泛用于高真空度、高潔 凈度的真空獲得領域。
磁懸浮分子泵的負載由徑向磁軸承和軸向磁軸承共同承擔。在工作過程中，磁懸 浮分子泵可能需要在任意位置安裝。磁懸浮安裝在不同安裝位置時，徑向磁軸承和軸向磁 軸承分擔的負載不同，磁軸承線圈電流也隨之變化，因此需要合理分配磁軸承承載力。針對 分子泵安裝角α和旋轉角β變化的問題，較常見的方法是將徑向磁軸承偏置電流和軸向 磁軸承偏置電流始終取各種安裝情況下所需值的最大值，以保證磁軸承產生的靜態磁場滿 足承載需求，避免出現徑向磁軸承和軸向磁軸承的承載力不足；同時在分子泵安裝角α和 旋轉角β變化時，采用固定的控制算法保證系統穩定。
上述方案的缺陷在于將徑向磁軸承偏置電流和軸向磁軸承偏置電流均取最大值 將導致大部分工況下磁軸承線圈偏置電流過大，功耗增加，線圈發熱嚴重。不論分子泵安裝 角α和旋轉角β如何變化，控制程序采用固定的控制算法容易造成系統性能下降。發明內容
本發明所要解決的技術問題是現有分子泵控制程序無法根據分子泵安裝位置的 變化實時調整徑向磁軸承偏置電流、軸向磁軸承偏置電流及PID控制參數，提供一種磁懸 浮分子泵控制系統及控制方法，在磁懸浮分子泵安裝位置變化后，自動估算分子泵安裝角 α和旋轉角β，并據此調整徑向磁軸承偏置電流、軸向磁軸承偏置電流和PID控制參數 (艮口 Proportional-Integral-Derivative Parameter, PIDParameter,又禾爾為匕 列—禾只 分-微分控制參數”)，實現分子泵穩定運行。
為此，本發明所采用的技術方案為一種磁懸浮分子泵的自適應控制系統，包括數 據采集存儲單元和調整控制單元；
所述數據采集存儲單元獲取分子泵安裝于某一預定安裝位置時的徑向磁軸承偏 置電流、軸向磁軸承偏置電流和PID控制參數，包括靜態懸浮模塊、參數調整模塊和參數記 錄模塊
所述靜態懸浮模塊利用靜態懸浮程序實現分子泵轉子安裝在某一預定安裝位 置時穩定靜態懸浮；靜態懸浮程序設計方法參考“Sctiweitzer G.，Traxler A.，Bleuler H.著，虞烈，袁崇軍譯，《主動磁軸承基礎、性能及應用》，北京新時代出版社，1997 :P26-370
所述參數調整模塊調整徑向磁軸承偏置電流、軸向磁軸承偏置電流和PID控制參數實現磁懸浮分子泵的穩定工作；
所述參數記錄模塊記錄并存儲磁懸浮分子泵在各預定安裝位置時的安裝角α、旋 轉角β、徑向磁軸承偏置電流、軸向磁軸承偏置電流和PID控制參數；
所述調整控制單元包括角度估算模塊、數據調取模塊和數據導入模塊；
所述角度估算模塊估算分子泵安裝在某一位置并利用靜態懸浮模塊實現穩定靜 態懸浮后的安裝角α和旋轉角β ；
所述數據調取模塊根據所述角度估算模塊估算的安裝角α和旋轉角β查找所述 參數記錄模塊中的參數，找到相同或最接近的安裝角α和旋轉角β所對應的徑向磁軸承 偏置電流、軸向磁軸承偏置電流以及PID控制參數；
所述數據導入模塊將所述靜態懸浮模塊的靜態懸浮程序中的控制參數更新為所 述數據調取模塊查找的控制參數；
其中，以水平向右的方向為χ軸正方向，垂直地面向上的方向為y軸正方向，建立 直角坐標系。以磁懸浮分子泵轉子軸線相對于直角坐標系y軸正方向逆時針旋轉角度為磁 懸浮分子泵的安裝角α ；以徑向磁軸承定子的磁極對1產生的磁力與徑向磁軸承定子各磁 極的合力的夾角為磁懸浮分子泵旋轉角β。
所述角度估算模塊包括磁軸承電磁力估算子模塊、安裝角α估算子模塊和旋轉 角β估算子模塊
所述磁軸承電磁力估算子模塊根據徑向磁軸承靜態工作電流和軸向磁軸承靜態 工作電流計算徑向磁軸承和軸向磁軸承的分力情況；
安裝角α估算子模塊和旋轉角β估算子模塊根據徑向磁軸承和軸向磁軸承的分 力情況計算磁懸浮分子泵安裝角α和旋轉角β ；
所述磁軸承電磁力估算模塊的計算公式如下
當磁懸浮分子泵轉子靜態懸浮時，對于徑向磁軸承來說，轉子與磁極對1之間的 距離和轉子與磁極對3之間的距離相等，轉子與磁極對2之間的距離和轉子與磁極對4之 間的距離相等；對于軸向磁軸承來說，轉子與上、下磁軸承之間的距離相等；由此磁軸承電 磁力計算公式為kMln-In) = Fn
權利要求
1.一種磁懸浮分子泵的自適應控制系統，其特征在于 包括數據采集存儲單元和調整控制單元；所述數據采集存儲單元獲取分子泵安裝于某一預定安裝位置時的徑向磁軸承偏置電 流、軸向磁軸承偏置電流和PID控制參數，包括靜態懸浮模塊、參數調整模塊和參數記錄模 塊；所述靜態懸浮模塊利用靜態懸浮程序實現分子泵轉子安裝在某一預定安裝位置時穩 定靜態懸浮；所述參數調整模塊調整徑向磁軸承偏置電流、軸向磁軸承偏置電流和PID控制參數實 現磁懸浮分子泵的穩定工作；所述參數記錄模塊記錄并存儲磁懸浮分子泵在各預定安裝位置時的安裝角α、旋轉角 β、徑向和軸向磁軸承偏置電流和PID控制參數；所述調整控制單元包括角度估算模塊、數據調取模塊和數據導入模塊； 所述角度估算模塊估算分子泵安裝在某一位置并利用靜態懸浮模塊實現穩定靜態懸 浮后的安裝角α和旋轉角β ；所述數據調取模塊根據所述角度估算模塊估算的安裝角α和旋轉角β查找所述參數 記錄模塊中的參數，找到相同或最接近的安裝角α和旋轉角β所對應的徑向磁軸承偏置 電流、軸向磁軸承偏置電流以及PID控制參數；所述數據導入模塊將所述靜態懸浮模塊的靜態懸浮程序中的控制參數更新為所述數 據調取模塊查找的控制參數；其中，以水平向右的方向為χ軸正方向，垂直地面向上的方向為y軸正方向，建立直角 坐標系；以磁懸浮分子泵轉子軸線相對于直角坐標系y軸正方向逆時針旋轉角度為磁懸浮 分子泵的安裝角α ；以徑向磁軸承定子的磁極對1產生的磁力與徑向磁軸承定子各磁極的 合力的夾角為磁懸浮分子泵旋轉角β。
2.根據權利要求1所述的控制系統，其特征在于所述角度估算模塊包括磁軸承電磁力估算子模塊、安裝角α估算子模塊和旋轉角β 估算子模塊所述磁軸承電磁力估算子模塊根據徑向磁軸承靜態工作電流和軸向磁軸承靜態工作 電流計算徑向磁軸承和軸向磁軸承的分力情況；安裝角α估算子模塊和旋轉角β估算子模塊根據徑向磁軸承和軸向磁軸承的分力情 況計算磁懸浮分子泵安裝角α和旋轉角β ； 所述磁軸承電磁力估算模塊的計算公式如下當磁懸浮分子泵轉子靜態懸浮時，對于徑向磁軸承來說，轉子與磁極對1之間的距離 和轉子與磁極對3之間的距離相等，轉子與磁極對2之間的距離和轉子與磁極對4之間的 距離相等；對于軸向磁軸承來說，轉子與上、下磁軸承之間的距離相等；由此磁軸承電磁力 計算公式為
3.根據權利要求2所述的控制系統，其特征在于 還包括，安裝角α ’估算子模塊，通過Fz和F1的數值計算安裝角；安裝角α優化子模塊，通過將Fz和F1，以及Fz和F2分別得到的安裝角數據進行優化 處理，獲得更精確的安裝角估計值 ；所述安裝角《 ‘估算子模塊的計算公式為
4.根據權利要求2所述的控制系統，其特征在于 還包括，旋轉角β'估算子模塊，通過下徑向各磁極對所需提供的電磁力合力 和！^的數值 計算旋轉角；旋轉角β優化子模塊，通過將F11和F12，以及F21和!^2分別得到的旋轉角數據進行優 化處理，獲得更精確的旋轉角估計值# ；所述旋轉角β ‘估算子模塊的計算公式為
5.根據權利要求1所述的控制系統，其特征在于所述數據采集存儲單元在安裝角α和旋轉角β每變化5°時進行一次數據采集和存 儲，其中 α，β G
。
6.一種用于權利要求1中數據采集存儲單元中的數據采集存儲方法，其特征在于包括如下步驟步驟1 其中，以水平向右的方向為χ軸正方向，垂直地面向上的方向為y軸正方向，建 立直角坐標系；以磁懸浮分子泵轉子軸線相對于直角坐標系y軸正方向逆時針旋轉角度為 磁懸浮分子泵的安裝角α ；以徑向磁軸承定子的磁極對1產生的磁力與徑向磁軸承定子各 磁極的合力的夾角為磁懸浮分子泵旋轉角β ；分子泵安裝于某一預定位置時，測量并記錄此時分子泵安裝角α和旋轉角β，利用靜 態懸浮程序實現分子泵轉子穩定靜態懸浮；步驟2 調整徑向磁軸承偏置電流、軸向磁軸承偏置電流和PID控制參數實現磁懸浮分 子泵的穩定工作，記錄該組偏置電流和PID控制參數；步驟3:改變磁懸浮分子泵安裝角α和旋轉角β，重復步驟1至2，得到各個預定安裝 位置處磁懸浮分子泵的安裝角α、旋轉角β、徑向磁軸承偏置電流、軸向磁軸承偏置電流 和PID控制參數，并將上述四個參數制成參數表放置在存儲器中。
7.一種用于權利要求1中調整控制單元的調整控制方法，其特征在于包括如下步驟步驟1 將磁懸浮分子泵安裝在某一安裝位置后，利用靜態懸浮程序實現分子泵轉子 穩定靜態懸浮，測量徑向和軸向磁軸承靜態工作電流，據此估算出磁懸浮分子泵安裝角α 和旋轉角β ；步驟2:根據估算出的分子泵安裝角α和旋轉角β查找所述數據采集存儲階段的參 數表，找到參數表中相同或最相近的安裝角α和旋轉角β所對應的徑向磁軸承偏置電流、 軸向磁軸承偏置電流以及PID控制參數，并更新控制程序中的相關參數。
8.根據權利要求7所述的調整控制方法，其特征在于所述分子泵的安裝角α和旋轉角β的估算方法如下①磁懸浮分子泵轉子靜態懸浮時，對于徑向磁軸承來說，轉子與磁極對1之間的距離 和轉子與磁極對3相等，轉子與磁極對2之間的距離和轉子與磁極對4之間的距離相等；對 于軸向磁軸承來說，轉子與上、下磁軸承之間的距離相等；由此磁軸承電磁力計算公式為
9.根據權利要求8所述的調整控制方法，其特征在于 還包括將安裝角數據進行優化的步驟； 步驟1 通過Fz和F1的數值計算安裝角α ‘，其計算公式為 當Fz > 0時，
10.根據權利要求8所述的調整控制方法，其特征在于 還包括將旋轉角進行優化的步驟；步驟1 通過下徑向各磁極對所需提供的電磁力合力I721和F22的數值計算旋轉角β ‘； 計算公式為
全文摘要
本發明涉及一種磁懸浮分子泵的自適應控制系統及控制方法，所述的控制系統包括數據采集存儲單元和調整控制單元，所述的數據采集存儲單元所采用的數據采集存儲方法為采集并存儲調試過程中分子泵安裝于若干預定位置時的安裝角α和旋轉角β，以及通過實驗得到的各預定安裝位置處能使分子泵穩定運行的徑向磁軸承偏置電流、軸向磁軸承偏置電流以及PID控制參數；所述調整控制單元所采用的調整控制方法為當磁懸浮分子泵安裝在某一位置時，根據磁軸承靜態工作電流估算分子泵的安裝角α和旋轉角β，并據此合理調整分子泵的徑向磁軸承偏置電流、軸向磁軸承偏置電流和PID控制參數，使分子泵在任意安裝位置均能穩定工作。
文檔編號F04D27/00GK102032208SQ20101061978
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月31日 優先權日2010年12月31日
發明者張凱, 張小章, 李奇志, 武涵, 鄒蒙 申請人:北京中科科儀技術發展有限責任公司, 清華大學