专利名称：一种磁悬浮分子泵转子章动峰振动控制方法
技术领域：
本发明涉及一种磁悬浮分子泵控制方法，具体地说是一种磁悬浮分子泵的转子章动峰振动控制方法。
背景技术：
分子泵是利用高速旋转的转子把动量传输给气体分子，使之获得定向速度，从而被压缩、被驱向排气口后为前级抽走的一种真空泵。磁悬浮分子泵是利用磁轴承产生电磁力使转子悬浮在空中，实现转子和定子之间无机械接触且转子位置可主动控制的一种新型高性能分子泵。由于磁悬浮分子泵具有无摩擦、无需润滑、无污染、高速度、寿命长等优点， 因此磁悬浮分子泵广泛用于高真空度、高洁净度的真空获得领域。磁悬浮分子泵是一种高速旋转的机械，它依靠磁轴承将其转子悬浮在空中。磁悬浮分子泵转子在升速过程中，转子由于陀螺效应而产生章动。磁悬浮分子泵转子的章动是指转子自转轴绕公转轴的正进动。磁悬浮分子泵转子的章动峰是指转子章动所造成的振动位移频谱峰，章动峰幅值是指该频谱峰的数值大小，章动峰频率是指转子章动的频率。磁悬浮分子泵转子的章动峰的幅值和频率会随着转子转速的变化而变化。如果磁悬浮分子泵转子的章动峰频率与磁悬浮分子泵定子结构或转子叶片固有的某种模态频率相同且幅值足够大时，会引起共振导致转子失稳，因此必须对转子的章动峰进行抑制。常见的转子章动峰抑制方法是通过对转子施加与陀螺力矩反向的力矩来抑制转子章动峰引起的振动，此处的力矩一般是根据经验值预先设定的。其中，陀螺力矩是指高速旋转的转子当旋转轴在空间中改变方位时所表现出的抗阻力矩，其大小与转子转动惯量、转速及自转轴的进动角速度成正比。由于转子章动峰的幅值和频率是随转子转速变化而变化的，如果采用固定参数来抑制章动峰，则无法对整个转子工作转速范围的转子振动实现良好控制；如果系统的结构或者特性发生变化时，转子章动峰也会随之变化，则预先设定的控制参数可能无法实现对转子章动峰的抑制。为解决上述问题，本发明提出了一种磁悬浮分子泵转子章动峰振动控制方法，该方法可以实现在整个转子工作转速范围内对转子章动自动实现良好的抑制，保证磁悬浮分子泵稳定运行。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中磁悬浮分子泵转子章动峰抑制方法中，其控制参数固定，抑制效果受到限制，从而提出一种可以自动检测磁悬浮分子泵转子章动峰的变化情况，并自动修改相应的控制参数的磁悬浮分子泵转子章动峰振动控制方法。为解决上述技术问题，本发明提出的磁悬浮分子泵转子章动峰振动控制方法，包括如下步骤
(1)磁悬浮分子泵转子升速时，磁悬浮分子泵控制器控制转子位移检测装置采集所述磁悬浮分子泵转子的位移信号，并将所述位移信号传输给转子振动检测装置；
(2)所述转子振动检测装置中设置有数字信号处理单元，所述数字信号处理单元将所述位移信号进行快速傅立叶变换得到转子振动频谱，根据所述转子振动频谱得到转子章动峰的频率和幅值，然后将所述转子章动峰的频率和幅值传输到所述磁悬浮分子泵控制器中；
(3)所述磁悬浮分子泵控制器包括转子章动峰振动控制单元，所述章动峰控制单元中预先设置有控制参数，所述磁悬浮分子泵控制器中预先设置有转子章动峰的预设稳定工作阈值和预设安全阈值，所述磁悬浮分子泵控制器判断步骤(2)中得到的转子章动峰的幅值是否超过所述预设稳定工作阈值，如果所述转子章动峰的幅值超过所述预设稳定工作阈值，则修改所述转子章动峰振动控制单元的控制参数来抑制章动峰；
(4)当转子转速变化时，重复步骤(1)-(3)，从而得到适合各个转速段的一系列转子章动峰振动控制单元的控制参数，将所述转子章动峰振动控制单元的控制参数记录在泵内存储器中；
所述转子章动峰振动控制单元的控制参数包括一系列章动峰抑制控制参数及其对应的速度范围；
在上述过程中，如果所述转子振动检测装置检测到转子振动超过所述预设安全阈值， 所述磁悬浮分子泵控制器则控制电机停机，保证磁悬浮分子泵的运行安全；
(5)所述磁悬浮分子泵控制器控制速度检测装置检测转子转速，并根据转子转速调用步骤(4)中所述该转速段对应的控制参数进行控制，从而保证磁悬浮分子泵稳定工作。在所述步骤(2)中，所述数字信号处理单元包含高速数字处理芯片。在所述步骤(3)中，设置的所述转子章动峰的预设稳定工作阈值为转子本频振动幅值的30%，设置的所述转子章动峰的预设安全阈值为转子本频振动幅值的60%。本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点，
(1)本发明所述磁悬浮分子泵转子章动峰振动控制方法可以自动检测磁悬浮分子泵转子章动峰的变化情况，并据此变化自动修改相应的控制参数，实现对整个转子工作频段的转子章动峰的自适应控制，从而保证系统稳定工作。(2)本发明所述磁悬浮分子泵转子章动峰振动控制方法，在上述过程中，如果所述转子振动检测装置检测到转子的振动超过预设的安全阈值，则控制电机停机，保证磁悬浮分子泵运行安全。也就是说，当磁悬浮分子泵控制器无法实现对转子章动峰的抑制，转子出现失稳倾向时，程序会自动控制分子泵电机停机降速，从而起到保护磁悬浮分子泵的目的。(3)本发明所述磁悬浮分子泵转子章动峰振动控制方法，在所述步骤(2)中，所述数字信号处理单元包含高速数字处理芯片，例如采用FPGA芯片，提高数字信号处理的速度，保证了数据处理的实时性，有助于快速实现对转子章动峰的抑制。(4)本发明所述磁悬浮分子泵转子章动峰振动控制方法，在所述步骤(3)中，预设的所述转子章动峰的稳定工作阈值为转子本频振动幅值的30%，预设的所述转子章动峰的安全阈值为转子本频振动幅值的60%，保证所述磁悬浮分子泵在所述稳定工作阈值内可以稳定运行，在所述安全阈值内可以安全运行，从而保证所述磁悬浮分子泵稳定安全运行。
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是磁悬浮分子泵的结构示意图2是磁悬浮分子泵的转子章动峰振动控制单元作用前转子振动频谱图； 图3是磁悬浮分子泵的转子章动峰振动控制单元作用后转子振动频谱图。图中附图标记为1-磁悬浮分子泵体，2-磁悬浮分子泵转子，3-磁悬浮分子泵叶轮，4-推力盘，5-磁悬浮分子泵电机，6-上径向磁轴承，7-下径向磁轴承，8-轴向磁轴承， 9-上径向保护轴承，10-下径向保护轴承，11-轴向保护轴承，12-上径向位移传感器，13-下径向位移传感器，14-轴向位移传感器，15-转子转速检测装置，16-转子位移检测电路， 17-磁悬浮分子泵控制器，18-转子振动检测装置。
具体实施例方式磁悬浮分子泵的一般结构如图1所示，由以下部分组成磁悬浮分子泵体1、磁悬浮分子泵转子2、磁悬浮分子泵叶轮3、推力盘4、磁悬浮分子泵电机5、上径向磁轴承6、下径向磁轴承7、轴向磁轴承8、上径向保护轴承9、下径向保护轴承10、轴向保护轴承11、上径向位移传感器12、下径向位移传感器13、轴向位移传感器14、转子转速检测装置15、转子位移检测装置16、磁悬浮分子泵控制器17和转子振动检测装置18。下面给出本发明所述磁悬浮分子泵转子章动峰振动控制方法的具体实施方式
，包括以下步骤
(1)磁悬浮分子泵转子2升速时，磁悬浮分子泵控制器17控制转子位移检测装置16采集转子位移信号，此处的转子位移检测装置16收集上径向位移传感器12、下径向位移传感器13、轴向位移传感器14检测到的位移信号，并将所述位移信号传输给转子振动检测装置 18，；
(2)所述转子振动检测装置18中设置有数字信号处理单元，所述数字信号处理单元包含高速数字处理芯片，本实施例中采用FPGA芯片。所述数字信号处理单元将所述转子的位移信号进行快速傅立叶变换(FFT)得到转子振动频谱，根据所述转子振动频谱得到转子章动峰的频率和幅值，然后将所述转子章动峰的频率和幅值传输到所述磁悬浮分子泵控制器 17中；
(3)所述磁悬浮分子泵控制器17包括转子章动峰振动控制单元，所述转子章动峰振动控制单元中预先设置有控制参数，此处的控制参数根据经验值预先设定，在后续过程中进行修正。所述磁悬浮分子泵控制器17中预先设置有转子章动峰的预设稳定工作阈值和预设安全阈值，此处所述预设稳定工作阈值可设置为转子本频振动幅值的30%，所述预设安全阈值可设置为转子本频振动幅值的60%，其具体数值可以根据具体的工作环境来设置，保证所述磁悬浮分子泵在所述预设稳定工作阈值内可以稳定运行，在所述预设安全阈值内可以安全运行，从而保证所述磁悬浮分子泵稳定安全运行。所述磁悬浮分子泵控制器17判断步骤(2)中的转子章动峰的幅值是否超过所述预设稳定工作阈值，如果所述转子章动峰的幅值超过所述预设稳定工作阈值，则修改所述转子章动峰振动控制单元的控制参数来抑制章动峰，在本实施例中，使用速度交叉反馈的方法抑制章动峰，根据章动峰的幅值超过稳定工作阈值的程度自动调整对应速度段的速度交叉反馈控制参数，从而自动对转子章动峰进行抑制，此处的速度交叉反馈控制方法是现有技术中常用的一种控制方式；
(4)当转子转速变化时，重复步骤(1)- (3)，从而得到适合各个转速段的一系列转子章动峰振动控制单元，将所述转子章动峰振动控制单元控制参数记录在泵内存储器中，所述转子章动峰振动控制单元的控制参数包括一系列速度交叉反馈控制参数及其对应的速度范围。在上述过程中，如果所述转子振动检测装置18检测到转子的振动超过所述预设安全阈值，则控制电机停机，保证磁悬浮分子泵运行的安全。此外，在所述步骤(3)中，速度交叉反馈法只是章动峰的抑制方法之一，此处还可以选择抑制章动峰的其他方法，如控制、μ分析等方法。(5)所述磁悬浮分子泵控制器17控制速度检测装置检测转子转速，所述转子章动峰振动控制单元根据转子转速调用步骤(4)中得到的该转速段对应的速度交叉反馈控制参数进行控制，从而保证磁悬浮分子泵稳定工作。磁悬浮分子泵的转子章动峰振动控制单元作用前转子振动频谱如图2所示，磁悬浮分子泵的转子章动峰振动控制单元作用后转子振动频谱如图3所示。对比图2和图3 可知，使用本专利提出的磁悬浮分子泵转子章动峰振动控制方法后，转子章动峰减小了 75% 左右，实现了对转子章动峰的有效抑制。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
权利要求
1.一种磁悬浮分子泵转子章动峰振动控制方法，其特征在于，包括如下步骤(1)磁悬浮分子泵转子升速时，磁悬浮分子泵控制器控制转子位移检测装置采集所述磁悬浮分子泵转子的位移信号，并将所述位移信号传输给转子振动检测装置；(2)所述转子振动检测装置中设置有数字信号处理单元，所述数字信号处理单元将所述位移信号进行快速傅立叶变换得到转子振动频谱，根据所述转子振动频谱得到转子章动峰的频率和幅值，然后将所述转子章动峰的频率和幅值传输到所述磁悬浮分子泵控制器中；(3)所述磁悬浮分子泵控制器包括转子章动峰振动控制单元，所述转子章动峰振动控制单元中预先设置有控制参数，所述磁悬浮分子泵控制器中预先设置有转子章动峰的预设稳定工作阈值和预设安全阈值，所述磁悬浮分子泵控制器判断步骤(2)中得到的转子章动峰的幅值是否超过所述预设稳定工作阈值，如果所述转子章动峰的幅值超过所述预设稳定工作阈值，则修改所述章动峰振动控制单元的控制参数来抑制章动峰；(4)当转子转速变化时，重复步骤(1)-(3)，从而得到适合各个转速段的一系列所述转子章动峰振动控制单元的控制参数，将所述转子章动峰振动控制单元的控制参数记录在泵内存储器中；在上述过程中，如果所述转子振动检测装置检测到转子振动超过所述预设安全阈值， 所述磁悬浮分子泵控制器则控制电机停机，保证磁悬浮分子泵的运行安全；(5)所述磁悬浮分子泵控制器控制速度检测装置检测转子转速，并根据转子转速调用步骤(4)中所述该转速段对应的控制参数进行控制，从而保证磁悬浮分子泵稳定工作。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于所述转子章动峰振动控制单元的控制参数包括一系列章动峰抑制控制参数及其对应的速度范围。
3.根据权利要求1或2所述的控制方法，其特征在于在所述步骤(2)中，所述数字信号处理单元包含高速数字处理芯片。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于在所述步骤(3)中，设置的所述转子章动峰的预设稳定工作阈值为转子本频振动幅值的30%，设置的所述转子章动峰的预设安全阈值为转子本频振动幅值的60%。
全文摘要
一种磁悬浮分子泵的转子章动峰振动控制方法，磁悬浮分子泵转子升速时，磁悬浮分子泵控制器控制转子位移检测装置采集转子位移信号，将所述位移信号经过快速傅里叶变换得到转子振动频谱。根据获得的所述转子振动频谱得到转子章动峰的频率和幅值，判断其幅值是否超过预设的稳定工作阈值。如果超过则采用章动峰抑制方法来抑制章动峰，实现了磁悬浮分子泵整个工作频段内转子章动峰的自适应控制。上述过程中如果所述转子振动超过安全阈值，则控制电机停机，保证磁悬浮分子泵的运行安全。本发明提出的控制方法解决了现有技术中通过预设固定参数抑制磁悬浮分子泵转子章动峰，抑制效果受到限制的技术问题，实现了对磁悬浮分子泵转子章动峰的自适应控制。
文档编号F04D27/00GK102392828SQ20111027265
公开日2012年3月28日 申请日期2011年9月15日 优先权日2011年9月15日
发明者张剀, 张小章, 李奇志, 武涵, 邹蒙 申请人:北京中科科仪技术发展有限责任公司, 清华大学