专利名称：一种磁悬浮分子泵的自适应控制系统及控制方法
一种磁悬浮分子泵的自适应控制系统及控制方法技术领域
本发明属于流体设备领域，尤其涉及一种磁悬浮分子泵的自适应控制系统及控制 方法。
背景技术：
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。
磁悬浮分子泵的负载由径向磁轴承和轴向磁轴承共同承担。在工作过程中，磁悬 浮分子泵可能需要在任意位置安装。磁悬浮安装在不同安装位置时，径向磁轴承和轴向磁 轴承分担的负载不同，磁轴承线圈电流也随之变化，因此需要合理分配磁轴承承载力。针对 分子泵安装角α和旋转角β变化的问题，较常见的方法是将径向磁轴承偏置电流和轴向 磁轴承偏置电流始终取各种安装情况下所需值的最大值，以保证磁轴承产生的静态磁场满 足承载需求，避免出现径向磁轴承和轴向磁轴承的承载力不足；同时在分子泵安装角α和 旋转角β变化时，采用固定的控制算法保证系统稳定。
上述方案的缺陷在于将径向磁轴承偏置电流和轴向磁轴承偏置电流均取最大值 将导致大部分工况下磁轴承线圈偏置电流过大，功耗增加，线圈发热严重。不论分子泵安装 角α和旋转角β如何变化，控制程序采用固定的控制算法容易造成系统性能下降。发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有分子泵控制程序无法根据分子泵安装位置的 变化实时调整径向磁轴承偏置电流、轴向磁轴承偏置电流及PID控制参数，提供一种磁悬 浮分子泵控制系统及控制方法，在磁悬浮分子泵安装位置变化后，自动估算分子泵安装角 α和旋转角β，并据此调整径向磁轴承偏置电流、轴向磁轴承偏置电流和PID控制参数 (艮口 Proportional-Integral-Derivative Parameter, PIDParameter,又禾尔为匕 列—禾只 分-微分控制参数”)，实现分子泵稳定运行。
为此，本发明所采用的技术方案为一种磁悬浮分子泵的自适应控制系统，包括数 据采集存储单元和调整控制单元；
所述数据采集存储单元获取分子泵安装于某一预定安装位置时的径向磁轴承偏 置电流、轴向磁轴承偏置电流和PID控制参数，包括静态悬浮模块、参数调整模块和参数记 录模块
所述静态悬浮模块利用静态悬浮程序实现分子泵转子安装在某一预定安装位 置时稳定静态悬浮；静态悬浮程序设计方法参考“Sctiweitzer G.，Traxler A.，Bleuler H.著，虞烈，袁崇军译，《主动磁轴承基础、性能及应用》，北京新时代出版社，1997 :P26-370
所述参数调整模块调整径向磁轴承偏置电流、轴向磁轴承偏置电流和PID控制参数实现磁悬浮分子泵的稳定工作；
所述参数记录模块记录并存储磁悬浮分子泵在各预定安装位置时的安装角α、旋 转角β、径向磁轴承偏置电流、轴向磁轴承偏置电流和PID控制参数；
所述调整控制单元包括角度估算模块、数据调取模块和数据导入模块；
所述角度估算模块估算分子泵安装在某一位置并利用静态悬浮模块实现稳定静 态悬浮后的安装角α和旋转角β ；
所述数据调取模块根据所述角度估算模块估算的安装角α和旋转角β查找所述 参数记录模块中的参数，找到相同或最接近的安装角α和旋转角β所对应的径向磁轴承 偏置电流、轴向磁轴承偏置电流以及PID控制参数；
所述数据导入模块将所述静态悬浮模块的静态悬浮程序中的控制参数更新为所 述数据调取模块查找的控制参数；
其中，以水平向右的方向为χ轴正方向，垂直地面向上的方向为y轴正方向，建立 直角坐标系。以磁悬浮分子泵转子轴线相对于直角坐标系y轴正方向逆时针旋转角度为磁 悬浮分子泵的安装角α ；以径向磁轴承定子的磁极对1产生的磁力与径向磁轴承定子各磁 极的合力的夹角为磁悬浮分子泵旋转角β。
所述角度估算模块包括磁轴承电磁力估算子模块、安装角α估算子模块和旋转 角β估算子模块
所述磁轴承电磁力估算子模块根据径向磁轴承静态工作电流和轴向磁轴承静态 工作电流计算径向磁轴承和轴向磁轴承的分力情况；
安装角α估算子模块和旋转角β估算子模块根据径向磁轴承和轴向磁轴承的分 力情况计算磁悬浮分子泵安装角α和旋转角β ；
所述磁轴承电磁力估算模块的计算公式如下
当磁悬浮分子泵转子静态悬浮时，对于径向磁轴承来说，转子与磁极对1之间的 距离和转子与磁极对3之间的距离相等，转子与磁极对2之间的距离和转子与磁极对4之 间的距离相等；对于轴向磁轴承来说，转子与上、下磁轴承之间的距离相等；由此磁轴承电 磁力计算公式为kMln-In) = Fn
权利要求
1.一种磁悬浮分子泵的自适应控制系统，其特征在于 包括数据采集存储单元和调整控制单元；所述数据采集存储单元获取分子泵安装于某一预定安装位置时的径向磁轴承偏置电 流、轴向磁轴承偏置电流和PID控制参数，包括静态悬浮模块、参数调整模块和参数记录模 块；所述静态悬浮模块利用静态悬浮程序实现分子泵转子安装在某一预定安装位置时稳 定静态悬浮；所述参数调整模块调整径向磁轴承偏置电流、轴向磁轴承偏置电流和PID控制参数实 现磁悬浮分子泵的稳定工作；所述参数记录模块记录并存储磁悬浮分子泵在各预定安装位置时的安装角α、旋转角 β、径向和轴向磁轴承偏置电流和PID控制参数；所述调整控制单元包括角度估算模块、数据调取模块和数据导入模块； 所述角度估算模块估算分子泵安装在某一位置并利用静态悬浮模块实现稳定静态悬 浮后的安装角α和旋转角β ；所述数据调取模块根据所述角度估算模块估算的安装角α和旋转角β查找所述参数 记录模块中的参数，找到相同或最接近的安装角α和旋转角β所对应的径向磁轴承偏置 电流、轴向磁轴承偏置电流以及PID控制参数；所述数据导入模块将所述静态悬浮模块的静态悬浮程序中的控制参数更新为所述数 据调取模块查找的控制参数；其中，以水平向右的方向为χ轴正方向，垂直地面向上的方向为y轴正方向，建立直角 坐标系；以磁悬浮分子泵转子轴线相对于直角坐标系y轴正方向逆时针旋转角度为磁悬浮 分子泵的安装角α ；以径向磁轴承定子的磁极对1产生的磁力与径向磁轴承定子各磁极的 合力的夹角为磁悬浮分子泵旋转角β。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述角度估算模块包括磁轴承电磁力估算子模块、安装角α估算子模块和旋转角β 估算子模块所述磁轴承电磁力估算子模块根据径向磁轴承静态工作电流和轴向磁轴承静态工作 电流计算径向磁轴承和轴向磁轴承的分力情况；安装角α估算子模块和旋转角β估算子模块根据径向磁轴承和轴向磁轴承的分力情 况计算磁悬浮分子泵安装角α和旋转角β ； 所述磁轴承电磁力估算模块的计算公式如下当磁悬浮分子泵转子静态悬浮时，对于径向磁轴承来说，转子与磁极对1之间的距离 和转子与磁极对3之间的距离相等，转子与磁极对2之间的距离和转子与磁极对4之间的 距离相等；对于轴向磁轴承来说，转子与上、下磁轴承之间的距离相等；由此磁轴承电磁力 计算公式为
3.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于 还包括，安装角α ’估算子模块，通过Fz和F1的数值计算安装角；安装角α优化子模块，通过将Fz和F1，以及Fz和F2分别得到的安装角数据进行优化 处理，获得更精确的安装角估计值 ；所述安装角《 ‘估算子模块的计算公式为
4.根据权利要求2所述的控制系统，其特征在于 还包括，旋转角β'估算子模块，通过下径向各磁极对所需提供的电磁力合力 和！^的数值 计算旋转角；旋转角β优化子模块，通过将F11和F12，以及F21和!^2分别得到的旋转角数据进行优 化处理，获得更精确的旋转角估计值# ；所述旋转角β ‘估算子模块的计算公式为
5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于所述数据采集存储单元在安装角α和旋转角β每变化5°时进行一次数据采集和存 储，其中 α，β G
。
6.一种用于权利要求1中数据采集存储单元中的数据采集存储方法，其特征在于包括如下步骤步骤1 其中，以水平向右的方向为χ轴正方向，垂直地面向上的方向为y轴正方向，建 立直角坐标系；以磁悬浮分子泵转子轴线相对于直角坐标系y轴正方向逆时针旋转角度为 磁悬浮分子泵的安装角α ；以径向磁轴承定子的磁极对1产生的磁力与径向磁轴承定子各 磁极的合力的夹角为磁悬浮分子泵旋转角β ；分子泵安装于某一预定位置时，测量并记录此时分子泵安装角α和旋转角β，利用静 态悬浮程序实现分子泵转子稳定静态悬浮；步骤2 调整径向磁轴承偏置电流、轴向磁轴承偏置电流和PID控制参数实现磁悬浮分 子泵的稳定工作，记录该组偏置电流和PID控制参数；步骤3:改变磁悬浮分子泵安装角α和旋转角β，重复步骤1至2，得到各个预定安装 位置处磁悬浮分子泵的安装角α、旋转角β、径向磁轴承偏置电流、轴向磁轴承偏置电流 和PID控制参数，并将上述四个参数制成参数表放置在存储器中。
7.一种用于权利要求1中调整控制单元的调整控制方法，其特征在于包括如下步骤步骤1 将磁悬浮分子泵安装在某一安装位置后，利用静态悬浮程序实现分子泵转子 稳定静态悬浮，测量径向和轴向磁轴承静态工作电流，据此估算出磁悬浮分子泵安装角α 和旋转角β ；步骤2:根据估算出的分子泵安装角α和旋转角β查找所述数据采集存储阶段的参 数表，找到参数表中相同或最相近的安装角α和旋转角β所对应的径向磁轴承偏置电流、 轴向磁轴承偏置电流以及PID控制参数，并更新控制程序中的相关参数。
8.根据权利要求7所述的调整控制方法，其特征在于所述分子泵的安装角α和旋转角β的估算方法如下①磁悬浮分子泵转子静态悬浮时，对于径向磁轴承来说，转子与磁极对1之间的距离 和转子与磁极对3相等，转子与磁极对2之间的距离和转子与磁极对4之间的距离相等；对 于轴向磁轴承来说，转子与上、下磁轴承之间的距离相等；由此磁轴承电磁力计算公式为
9.根据权利要求8所述的调整控制方法，其特征在于 还包括将安装角数据进行优化的步骤； 步骤1 通过Fz和F1的数值计算安装角α ‘，其计算公式为 当Fz > 0时，
10.根据权利要求8所述的调整控制方法，其特征在于 还包括将旋转角进行优化的步骤；步骤1 通过下径向各磁极对所需提供的电磁力合力I721和F22的数值计算旋转角β ‘； 计算公式为
全文摘要
本发明涉及一种磁悬浮分子泵的自适应控制系统及控制方法，所述的控制系统包括数据采集存储单元和调整控制单元，所述的数据采集存储单元所采用的数据采集存储方法为采集并存储调试过程中分子泵安装于若干预定位置时的安装角α和旋转角β，以及通过实验得到的各预定安装位置处能使分子泵稳定运行的径向磁轴承偏置电流、轴向磁轴承偏置电流以及PID控制参数；所述调整控制单元所采用的调整控制方法为当磁悬浮分子泵安装在某一位置时，根据磁轴承静态工作电流估算分子泵的安装角α和旋转角β，并据此合理调整分子泵的径向磁轴承偏置电流、轴向磁轴承偏置电流和PID控制参数，使分子泵在任意安装位置均能稳定工作。
文档编号F04D27/00GK102032208SQ20101061978
公开日2011年4月27日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者张凯, 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