CN102410238A - 一种磁悬浮分子泵升速过程中的平稳控制方法 - Google Patents

Abstract

一种磁悬浮分子泵升速过程中的平稳控制方法，为使不平衡振动控制算法平稳启动，预先获取切换转速ω₀对应的转子同频振动信号幅值A₀和相位

当所述转子转速接近切换转速ω₀时，渐进开启不平衡控制算法。当所述转子转速到达ω₀后，以所述幅值A₀和相位

作为不平衡控制算法的幅值初值和相位初值，计算所述转子同频振动补偿信号，并将所述转子同频振动补偿信号同步添加到所述转子位移信号中，保证所述转子顺利到达额定工作转速，磁悬浮分子泵正常工作。本方法解决了不平衡振动控制算法收敛速度差，不平衡控制算法开启时对系统产生冲击，影响系统稳定性的技术问题，是一种适用于磁悬浮分子泵升速过程的平稳控制方法。

Description

一种磁悬浮分子泵升速过程中的平稳控制方法

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮分子泵不平衡控制方法，具体地说是一种磁悬浮分子泵在升速过程中的平稳控制方法。

背景技术

磁悬浮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，从而被压缩并驱向排气口后被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。

如图1所示，磁悬浮分子泵一般包括：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、第一径向磁轴承6、第二径向磁轴承7、轴向磁轴承8、第一径向保护轴承9、第二径向保护轴承10、轴向保护轴承11、第一径向位移传感器12、第二径向位移传感器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等。对于磁悬浮分子泵来说，由于转子零件加工精度的限制，转子的质量分布不均匀，存在不平衡质量，导致转子的几何中心和质量中心不重合。在转子转动过程中，转子的不平衡质量会引起同频振动，转速越高，振动越明显，这样将严重影响分子泵运行的平稳性，因此需要对转子的同频振动进行抑制。由于不平衡质量难以完全消除，为了在运行过程中尽可能减小不平衡激振力，经常使用不平衡控制算法抑制转子同频振动。

不平衡控制算法主要有两种，力自由控制算法和力控制控制算法。在清华大学学报2000年第40卷第10期发表的《磁悬浮轴承系统不平衡振动控制的方法》中介绍了力自由控制和开环前馈控制(即力控制控制算法)。力自由控制算法基本思想是产生一个和转子同频振动信号同相位、同幅值的补偿信号，并与原转子位移信号相减，使得控制器对于转子同频振动信号不响应。力控制算法的基本思想是提取转子振动信号的同频成分，由前馈控制通道据此产生相应控制信号，叠加到主控制器输出中，抑制转子同频振动，即产生与原同频激振力反向的控制力，减小转子同频位移振动。不平衡算法设置在所述磁悬浮分子泵控制器中，根据需要启动，来抑制转子同频振动。

不平衡控制算法的核心问题是如何得到补偿信号，也就是如何提取转子振动信号中的同频振动分量。假设转子的同频振动信号为

ω为转子转速，t为时间，

为转子同频振动信号相位，A为转子同频振动信号幅值。转子转速在转子运动过程中可以通过转速检测装置测量，不平衡控制算法需要获得转子同频振动信号的幅值A和相位

一般情况下可以通过LMS(Least mean square，最小均方误差)算法获得上述两个参数。LMS算法计算过程中需要设定合适的初始幅值A₀和初始相位

如果初始幅值和初始相位选择不当，则启动算法后对系统冲击明显，甚至破坏稳定性。另外，LMS算法中包含一个收敛因子ε，它决定算法的收敛速度，该值的选取很关键。如果选择较大，则迭代计算过程可能无法收敛；如果选择太小，则算法收敛很慢，当转子升速时会造成问题。要想保证算法收敛速度，并且避免对系统造成大的冲击，需要获得合适的初始幅值A₀和初始相位

在没有充足信息的情况下，初始幅值和初始相位通常取零值。这样，如果收敛因子取得较大，就有可能造成对系统的强烈冲击，甚至造成失稳；为保证稳定性，只能选取较小的收敛因子，这又会带来收敛速度太慢的结果，难以满足转子升速要求。

通常转子转速越高同频振动的影响越大，因此转子在低速时一般不运行不平衡控制算法，当转子运行到高速时才启动不平衡算法。当转速条件满足时，开启不平衡控制算法。在不平衡控制算法启动时，如果将不平衡控制器的输出直接加入磁悬浮分子泵的控制器输出中进行转子同频振动抑制，会造成磁悬浮分子泵控制器输出的跳变，给系统带来较大的冲击，影响系统稳定性。

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的不平衡控制算法收敛速度差，不平衡控制算法打开时产生控制器输出跳变，系统不稳定的技术问题，从而提出一种启动平滑且具有较好收敛速度的磁悬浮分子泵不平衡控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种磁悬浮分子泵升速过程中的平稳控制方法，包括如下步骤：

(1)磁悬浮分子泵控制器中设置有不平衡控制单元，所述不平衡控制单元中设有不平衡控制算法，在磁悬浮分子泵控制器中还设置有不平衡控制算法的切换转速ω₀。获取所述转子转速达到所述切换转速ω₀时，所述转子同频振动信号的幅值A₀和相位

(2)磁悬浮分子泵开始工作时，所述磁悬浮分子泵控制器控制电机启动并加速。当所述转子的转速达到ω₀-v时，其中2＜v＜8，所述ω₀和v的单位均为转/秒。根据步骤(1)中得到的转子切换转速ω₀对应的同频振动信号幅值A₀和相位

所述磁悬浮分子泵控制器向所述转子位移信号中同步添加

信号，k为比例因子，ω是转子转速，t为时间，当转速从ω₀-v增加到ω₀时，k从0线性增加到1；

(3)当所述转子转速变为ω₀后，所述不平衡控制单元的初始化单元将所述幅值A₀和相位

作为不平衡控制算法的幅值和相位初值，计算下阶段所述转子同频振动补偿信号的幅值A_i和相位

所述磁悬浮分子泵控制器将所述转子的同频振动补偿信号

同步添加到所述转子的位移信号中，ω为转子当前转速。随着所述转子转速增加，所述不平衡控制单元实时计算出所述转子同频振动补偿信号，所述磁悬浮分子泵控制器将得到的所述转子同频振动补偿信号实时同步添加到所述转子位移信号中，直至所述转子到达额定工作转速，正常工作；

(4)当所述转子需要停机时，所述电机降速，当所述转子转速降到ω₀时，将此时通过所述LMS算法得到的转子同频振动信号的幅值A′₀和相位

记录到存储介质中。使用所述转子同频振动信号的幅值A′₀和相位

的值分别更新所述步骤(1)中的所述转子同频振动信号幅值A₀和相位

的值，所述转子降速为0，本次启动结束；

(5)当所述磁悬浮分子泵再次工作时，重复步骤(2)-(4)。

所述步骤(1)中，所述磁悬浮分子泵初次开始工作时，获取转子同频振动信号幅值A₀和相位的过程如下：

(I)所述磁悬浮分子泵控制器控制磁悬浮分子泵转子正常悬浮，控制电机启动，所述转子开始加速，当所述转子转速达到预先设定的切换转速ω₀时，所述磁悬浮分子泵控制器控制所述电机停止加速，保持转子转速为ω₀；

(II)根据位移传感器测得的转子位移信号，开启不平衡控制单元的初始化单元，使用LMS算法计算所述转子同频振动信号，得到所述转子转速为ω₀时所述转子同频振动信号的幅值A₀和相位

记录此时所述转子同频振动信号的幅值A₀和相位

到存储介质中，然后电机降速为0。

在所述步骤(II)中，使用LMS算法计算所述转子同频振动补偿信号的过程如下：LMS算法计算时，首先将转子同频振动信号的初始幅值设为0，初始相位设为0，算法的收敛因子设置为一个较小值。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点，

(1)本发明所述的磁悬浮分子泵升速过程中的平稳控制方法，预先获取切换转子转速为ω₀时对应的所述转子同频振动信号的幅值A₀和相位磁悬浮分子泵开始工作时，通过设置比例因子k，所述磁悬浮分子泵控制器向所述转子位移信号中同步添加的补偿信号为平稳开启了不平衡控制算法，对所述转子的不平衡振动进行控制，有效避免了升速过程中开启不平衡控制算法对系统造成的冲击。

(2)本发明所述的磁悬浮分子泵升速过程中的平稳控制方法，磁悬浮分子泵升速过程中，当所述转子转速变为ω₀后，所述不平衡控制单元的初始化单元将所述幅值A₀和相位

作为不平衡控制算法的幅值和相位初值，保证了不平衡控制算法的收敛速度，保证系统平稳运行。

(3)本发明所述的磁悬浮分子泵升速过程中的平稳控制方法，所述磁悬浮分子泵初次开始工作时，获取转子同频振动信号的幅值A₀和相位

的过程为预先加速到ω₀，使用LMS算法计算所述转子同频振动信号，得到所述转子转速为ω₀时的所述转子同频振动信号的幅值A₀和相位

由于转子转速恒定为ω₀，因此LMS算法可以有充足的时间进行计算获得该转速下的转子同频振动信号，从而保证计算结果的精确性。

(4)本发明所述的磁悬浮分子泵升速过程中的平稳控制方法，所述步骤(1)中，所述磁悬浮分子泵已经完成一次正常工作后，再次工作时，所述转子同频振动信号幅值A₀和相位

为所述磁悬浮分子泵上次停机时，当所述转子转速降到ω₀时，此时通过所述LMS算法得到所述的幅值A′₀和相位

这样，即使磁悬浮分子泵某次工作后转子特性发生改变，磁悬浮分子泵的不平衡控制算法根据存储介质中记录的转子同频振动信号幅值和相位即可完成不平衡控制算法的初始化，实现对转子同频振动的良好抑制。

(5)本发明所述的磁悬浮分子泵升速过程中的平稳控制方法，所述步骤(II)中，LMS算法计算时，首先将转子同频振动信号的初始幅值设为0，初始相位设为0，算法的收敛因子设置为一个较小值。由于此时转子转速为ω₀保持不变，不平衡控制算法有足够的时间来计算，LMS算法的初始幅值设为0，初始相位设为0，算法的收敛因子设置为一个较小值，保证了其计算精度，为系统控制提供较为精确的参数。

附图说明

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；

图2是本发明所述的磁悬浮分子泵升速过程中的平稳控制方法的流程图；

图1中标记表示为：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-第一径向磁轴承，7-第二径向磁轴承，8-轴向磁轴承，9-第一径向保护轴承，10-第二径向保护轴承，11-轴向保护轴承，12-第一径向位移传感器，13-第二径向位移传感器，14-轴向位移传感器，15-转子转速检测装置，16-转子位移检测装置，17-磁悬浮分子泵控制器。

具体实施方式

磁悬浮分子泵的一般结构如图1所示，磁悬浮分子泵的转子在低速时一般不运行不平衡控制算法，当所述转子运行到高速时才启动不平衡控制算法。在磁悬浮分子泵升速过程中，当转子从低速升高到中高速，转子转速满足开启不平衡控制算法条件时，所述磁悬浮分子泵控制器开启不平衡控制算法，向所述转子位移信号中同步添加转子同频振动补偿信号，抑制所述转子的不平衡振动。

实施例1

下面给出本发明所述的磁悬浮分子泵升速过程中的平稳控制方法的具体实施方式，包括如下步骤，流程图如图2所示：

(1)磁悬浮分子泵控制器中设置有不平衡控制单元，所述不平衡控制单元中设有不平衡控制算法，在磁悬浮分子泵控制器中还设置有不平衡控制算法的切换转速ω₀。获取转子转速达到所述切换转速ω₀时，所述转子同频振动信号的幅值A₀和相位

在本实施例中此处切换转速ω₀对应的所述转子同频振动信号的幅值A₀和相位为

根据经验值预先设定；

(2)磁悬浮分子泵开始工作时，所述磁悬浮分子泵控制器控制电机启动并加速。当所述转子转速达到ω₀-5时，单位为转/秒，所述磁悬浮分子泵控制器向所述转子位移信号中同步添加转子同频振动补偿信号k为比例因子，ω是转子转速检测装置检测到的转速，t为时间。当转子转速从ω-v增加到ω时，k从0线性增加到1；此处可以根据具体情况来设置接近转速，如可以根据需要设置为当所述转子转速达到ω₀-v时，其中2＜v＜8，所述ω₀和v的单位均为转/秒，使用上述方式渐进添加转子同频振动补偿信号来抑制转子不平衡振动。

(3)当所述转子转速变为ω₀后，所述不平衡控制算法的初始化单元将所述转子同频振动信号的幅值A₀和相位

作为不平衡控制算法的幅值初值和相位初值，计算下阶段所述转子同频振动补偿信号的幅值A_i和相位

所述磁悬浮分子泵控制器将所述转子同频振动补偿信号

同步添加到所述转子位移信号中，ω为转子当前转速。随着所述转子转速升高，所述不平衡控制单元通过不平衡控制算法实时计算出所述转子同频振动补偿信号，所述磁悬浮分子泵控制器将得到的所述转子同频振动补偿信号实时地同步添加到所述转子位移信号中，保证系统正常工作。

(4)当所述转子需要停机时，所述电机降速，当所述转子转速降到ω₀时，将此时通过所述LMS算法得到的转子同频振动信号的幅值A′₀和相位

记录到存储介质中，并使用所述转子同频振动信号的幅值A′₀和相位分别更新所述步骤(1)中的所述转子同频振动信号的幅值A₀和相位

所述转子降速为0，本次启动结束；

(5)当所述磁悬浮分子泵再次工作时，重复步骤(2)-(4)。

实施例2

作为可以变换的实施方式，在上述实施例中，所述磁悬浮分子泵初次正常工作时，转子同频振动信号幅值A₀和相位

可通过预先使得转子升速至ω₀，然后保持转子转速不变，通过LMS算法计算获得；

所述磁悬浮分子泵已经完成一次正常工作后，再次工作时，所述转子同频振动信号幅值A₀和相位

为所述磁悬浮分子泵上次停机时，当所述转子转速降到ω₀时，此时通过所述LMS算法得到所述转子同频振动信号的幅值A′₀和相位

本实施例所述的磁悬浮分子泵升速过程中的平稳控制方法的具体过程如下：

(1)在磁悬浮分子泵控制器中设置有不平衡控制算法的切换转速ω₀，在所述磁悬浮分子泵控制器首次正常工作前，所述磁悬浮分子泵控制器控制磁悬浮分子泵的转子正常悬浮，控制电机启动，所述转子开始加速。当所述转子转速达到预先设定的切换转速ω₀时，所述磁悬浮分子泵控制器控制所述电机停止加速，保持转子转速为ω₀；

(2)所述磁悬浮分子泵控制器中设置有不平衡控制单元，所述不平衡控制单元中设有不平衡控制算法。根据位移传感器测得的转子位移信号，开启不平衡控制单元的初始化单元，使用LMS算法计算所述转子同频振动补偿信号。在LMS算法计算时，转速保持ω₀不变，使LMS算法有足够的时间来进行计算。首先将转子同频振动信号的初始幅值设为0，初始相位设为0，算法的收敛因子设置为一个较小值。通过计算得到所述转子转速为ω₀时所述转子同频振动信号的幅值A₀和相位

记录此时所述转子的同频振动信号的幅值A₀和相位

到存储介质中，电机降速为0。根据上述步骤获得了初次磁悬浮分子泵开始工作时，切换转速ω₀对应的所述转子同频振动信号的幅值A₀和相位

(3)当所述磁悬浮分子泵开始工作时，所述磁悬浮分子泵控制器控制电机启动并加速。当所述转子的转速达到ω₀-v时，其中2＜v＜8，所述ω₀和v的单位均为转/秒，本实施例中v＝6，所述磁悬浮分子泵控制器向所述转子位移信号中同步添加转子同频振动补偿信号

k为比例因子。当转速从ω₀-v增加到ω₀时，k从0线性增加到1；

(4)当所述转子转速变为ω₀后，所述不平衡控制单元的初始化单元将所述幅值A₀、相位

作为不平衡控制算法的幅值初值和相位初值，计算下阶段所述转子同频振动信号的幅值A_i和相位所述磁悬浮分子泵控制器将所述转子同频振动补偿信号

同步添加到所述转子位移信号中，ω为转子的当前转速。随着所述转子转速增加，所述不平衡控制单元实时计算出所述转子的同频振动补偿信号，所述磁悬浮分子泵控制器将得到的所述转子同频振动补偿信号实时地同步添加到所述转子位移信号中，保证系统正常工作；

(5)当所述转子需要停机时，所述电机降速，当所述转子转速降到ω₀时，将此时通过所述LMS算法得到的转子同频振动信号的幅值A′₀和相位

记录到存储介质中，并使用所述转子同频振动信号的幅值A′₀和相位

的值分别更新所述步骤(2)中切换转速ω₀对应的所述转子同频振动信号幅值A₀和相位的值，所述转子降速为0，本次启动结束；

(6)当所述磁悬浮分子泵再次工作时，重复步骤(2)-(5)。

在其他实施例中，根据不同情况，在所述步骤(3)中，当所述转子转速达到ω₀-2、ω₀-7、或ω₀-8时，单位为转/秒，所述磁悬浮分子泵控制器向所述转子位移信号中同步添加转子同频振动补偿信号

均能够实现本发明的目的。

通过上述方法可使得不平衡控制算法启动时的控制参数切换较为平滑，避免对系统产生冲击。同时，由于磁悬浮分子泵不平衡控制程序在磁悬浮分子泵每次工作后，均将此次工作后降速到切换转速ω₀时的转子同频振动信号幅值A′₀和相位记录下来，因此即使磁悬浮分子泵某次工作后转子特性发生改变，磁悬浮分子泵不平衡程序根据存储介质中记录的幅值和相位即可完成不平衡控制算法的初始化。完成不平衡控制算法初始化后，即可按照步骤4完成转子不平衡控制，实现对转子同频振动的良好抑制。

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。

Claims (3)

1.一种磁悬浮分子泵升速过程中的平稳控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)磁悬浮分子泵控制器中设置有不平衡控制单元，所述不平衡控制单元中设有不平衡控制算法，在磁悬浮分子泵控制器中还设置有不平衡控制算法的切换转速ω₀，获取所述转子转速达到所述切换转速ω₀时，所述转子的同频振动信号幅值A₀和相位

(2)磁悬浮分子泵开始工作时，所述磁悬浮分子泵控制器控制电机启动并加速，当所述转子的转速达到ω₀-v时，其中2＜v＜8，所述ω₀和v的单位均为转/秒，根据步骤(1)中得到的转子切换转速ω₀对应的同频振动信号幅值A₀和相位

所述磁悬浮分子泵控制器向所述转子位移信号中同步添加转子同频振动补偿信号

k为比例因子，ω是转子转速，t为时间，当转速从ω₀-v增加到ω₀时，k从0线性增加到1；

(3)当所述转子转速到达ω₀后，所述不平衡控制单元的初始化单元将所述幅值A₀和相位

作为不平衡控制算法的幅值和相位初值，计算下阶段所述转子同频振动补偿信号的幅值A_i和相位所述磁悬浮分子泵控制器将所述转子同频振动补偿信号

同步添加到所述转子位移信号中，ω为转子当前转速，随着所述转子转速增加，所述不平衡控制单元实时计算出所述转子同频振动补偿信号，所述磁悬浮分子泵控制器将得到的所述转子同频振动补偿信号实时同步添加到所述转子位移信号中，直至所述转子到达额定工作转速，正常工作；

(4)当所述转子需要停机时，所述电机降速，当所述转子转速降到ω₀时，将此时通过所述LMS算法得到转子同频振动信号的幅值A′₀和相位

记录到存储介质中，并使用所述转子同频振动信号的幅值A′₀和相位

的值分别更新所述步骤(1)中的所述转子同频振动信号的幅值A₀和相位

的值，所述转子降速为0，本次启动结束；

(5)当所述磁悬浮分子泵再次工作时，重复步骤(2)-(4)。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮分子泵升速过程中的平稳控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述磁悬浮分子泵初次开始工作时，获取转子同频振动信号幅值A₀和相位

的过程如下：

(I)所述磁悬浮分子泵控制器控制磁悬浮分子泵转子正常悬浮，控制电机启动，所述转子开始加速，当所述转子转速达到预先设定的切换转速ω₀时，所述磁悬浮分子泵控制器控制所述电机停止加速，保持转子转速为ω₀；

(II)根据位移传感器测得的转子位移信号，开启不平衡控制单元初始化单元，使用LMS算法计算所述转子的同频振动信号，得到所述转子转速为ω₀时的所述转子同频振动信号幅值A₀和相位

记录此时所述转子同频振动信号的幅值A₀和相位

到存储介质中，然后电机降速为0。

3.根据权利要求2所述的磁悬浮分子泵升速过程中的平稳控制方法，其特征在于：在所述步骤(II)中，使用LMS算法计算所述转子同频振动信号过程如下：LMS算法计算时，首先将转子同频振动信号的初始幅值设为0，初始相位设为0，算法的收敛因子设置为一个较小值。

Images