CN102425554B - 一种磁悬浮分子泵增益调度控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种磁悬浮分子泵增益调度控制方法，当所述转子转速在低速运转时，分散PID控制器调用高刚度、高阻尼的控制参数对所述磁悬浮分子泵进行控制，随着转子升速到中低速时，渐进开启位移交叉反馈控制器，有效抑制转子转动过程中的转子进动以及系统结构模态引起的振动；当所述转子转速达到中速时，将所述分散PID控制器的参数渐进切换到低刚度、低阻尼的控制参数；当所述转子转速达到中高速时，渐进启动速度交叉反馈控制器，抑制转子转动过程中的转子章动，保证转子平稳到达额定工作转速。本方法解决了分子泵工作过程中转子陀螺效应和系统结构模态引起转子振动的技术问题，在分子泵工作过程中能有效抑制转子振动，可以保证磁悬浮分子泵稳定运行。
Description
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增益调度控制方法。
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。磁悬浮分子泵具有无摩擦、无需润滑、无污染、高速度和寿命长等优点，因此磁悬浮分子泵广泛用于高真空度、高洁净度真空获得领域。
磁悬浮分子泵是一种高速旋转机械，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，陀螺效应引起转子章动和转子进动。转子进动峰频率一般较低，随着转子转速升高转子进动峰频率会进一步变低；转子章动峰的频率一般较高，且随着转子转速升高转子章动峰的频率会进一步升高。对于转子章动峰和转子进动峰的抑制一般分别采用速度交叉反馈控制和位移交叉反馈控制。转子各自由度分别采用各自的PID控制器（比例-积分-微分控制器）进行控制，这些PID控制器称为分散PID控制器。
2006年11月第11期发表的《一种磁悬浮飞轮增益预调交叉反馈控制方法》中公开了基于转速的增益预调交叉反馈控制方法，在该技术方案中，在分散PID控制器的基础上，通过径向位移信号的差分将转轴的转动运动提取出来，进而利用进动模态和章动模态在频率上的差异，用低通滤波器和高通滤波器对进动信号和章动信号进行分离，然后根据章动和进动各自的涡动方向，利用径向各通道位移信号彼此之间在相位上的超前、滞后关系，分别对进动模态和章动模态实现交叉相位补偿，为章动模态和进动模态提供足够的阻尼。首先将转子转速离散成有限个转速段，然后针对不同的转速段，建立在线控制相对应的交叉反馈通道增益和带宽参数表，对进动模态和章动模态分别实现交叉相位补偿。
在磁悬浮分子泵系统中，当转子转速较低时，使用速度交叉反馈控制器不能很好的抑制转子章动，使用不当甚至会激起系统低频段的一些结构模态。在转子低速运行时，需要提高系统的分散PID控制器的刚度和阻尼以克服系统结构模态。当转子转速升高到中高速时，使用速度交叉反馈控制器可以对转子章动实现很好的抑制。此时，由于系统带宽的限制，分散PID控制器对章动的阻尼效果很有限，而其高增益却会带来许多负面影响，如引入噪声干扰，甚至造成功放饱和，且容易激发系统定子结构模态和转子振动模态产生振动，影响整个系统的稳定性。
发明内容
为此，本发明所要解决的是由于磁悬浮分子泵存在转子陀螺效应以及系统结构模态而造成转子升速过程中转子振动抑制困难的技术问题，从而提出一种可以使得转子在整个运行过程中均能实现稳定工作的磁悬浮分子泵增益调度控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下，本发明所述的磁悬浮分子泵增益调度控制方法，包括如下步骤：
（1）磁悬浮分子泵控制器控制磁悬浮分子泵电机升速，通过转子位移检测装置检测转子位移，通过转子转速检测装置检测转子转速，并将检测到的所述转子位移和转子转速信息发送给所述磁悬浮分子泵控制器；
所述磁悬浮分子泵控制器包括分散PID控制器、位移交叉反馈控制器和速度交叉反馈控制器，所述分散PID控制器中预先设置有两组控制参数，第一组控制参数具有高刚度、高阻尼的特性，第二组控制参数具有低刚度、低阻尼的特性，当所述转子从零开始升速时，所述分散PID控制器调用第一组控制参数对所述磁悬浮分子泵进行控制；
（2）当所述转子转速升高至中低速时，渐进开启位移交叉反馈控制器；
（3）所述转子转速继续升高，当所述转子转速达到中速时，将所述分散PID控制器的参数渐进切换到第二组控制参数；
（4）当所述转子转速达到中高速时，渐进启动速度交叉反馈控制器，然后所述转子转速继续升高，直至达到工作转速。
在上述过程中，当转子转速在0转/秒-40转/秒之间时为低速；当转子转速在40转/秒-80转/秒之间时为中低速；当转子转速在80转/秒-140转/秒之间时为中速；当转子转速在140转/秒-220转/秒之间时为中高速; 当转子转速在220转/秒以上时为高速。
在所述步骤（2）中，渐进启动位移交叉反馈控制器的过程如下：在预设的所述转子转速变化范围内，以固定的变化步长将交叉反馈控制器的增益逐步从零增加到设定值。
在所述步骤（3）中，将所述分散PID控制器的参数渐进切换到第二组控制参数的过程如下：在预设的所述转子转速变化范围内，以固定的变化步长将分散PID控制器的刚度系数和阻尼系数从低速段需要的第一组控制参数逐步变化到高速段需要的第二组控制参数。
在所述步骤（4）中，渐进启动速度交叉反馈控制器的过程如下：预设的所述转子转速的变化范围内，以固定的变化步长将交叉反馈控制器的增益逐步从零增加到设定值。
所述预设的转子转速变化范围为15转/秒-30转/秒。
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增益调度控制方法，在转子低速运转时，通过高刚度、高阻尼的PID控制器来抑制转子低速时的系统结构模态和转子章动；当所述转子转速上升到中低速时，开启位移交叉反馈控制器来抑制转子进动，但是不开启速度交叉反馈控制器，有效避免了速度交叉反馈控制器激起系统低频段的一些结构模态振动的问题；当所述转子转速达到中速时，将所述分散PID控制器的参数渐进切换到第二组控制参数，避免了转子在中速时PID控制器的增益过高；然后当所述转子转速升高至中高速时，渐进启动速度交叉反馈控制器，这时所述速度交叉反馈控制器对转子章动可以进行很好的抑制，同时所述分散PID控制器已调用低刚度、低阻尼的参数，避免了转子在中高速时PID控制器的增益过高，会激起系统中高频段的一些结构模态振动的问题，从而提高了转子运行的稳定性，保证所述磁悬浮分子泵稳定升速和正常工作。
（2）本发明所述的磁悬浮分子泵增益调度控制方法，所述速度交叉反馈控制器或位移交叉反馈控制器开启时为渐进开启，以固定的变化步长将交叉反馈控制器的增益逐步从零增加到设定值，这样就保证在开启的过程中，系统的控制参数平滑过渡，避免了立即开启对系统造成的冲击，有利于保证系统的稳定性。
（3）本发明所述的磁悬浮分子泵增益调度控制方法，所述分散PID控制器从第一组控制参数切换到第二组控制参数时，为渐进切换，以固定的变化步长将分散PID控制器的刚度系数和阻尼系数从低速段需要的第一组控制参数逐步变化到高速段需要的第二组控制参数，这样就保证了在参数切换时系统控制参数平滑过渡，避免了立即开启对系统造成的冲击，有利于系统稳定运行。
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 是所述磁悬浮分子泵增益调度控制方法的流程图；
图1中标记表示为：1-磁悬浮分子泵泵体，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，由以下部分组成：磁悬浮分子泵泵体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。
下面给出本发明所述的一种磁悬浮分子泵增益调度控制方法的具体实施方式，包括如下步骤：
（1）磁悬浮分子泵控制器17控制磁悬浮分子泵电机升速，通过转子位移检测装置16检测转子位移，通过转子转速检测装置15检测转子转速。
一般当转子转速小于40转/秒时为低速；当转子转速在40转/秒-80转/秒之间时为中低速；当转子转速在80转/秒-140转/秒之间时为中速；当转子转速在140转/秒-220转/秒之间时为中高速；当转子转速大于220转/秒时为高速，所述转子工作转速在高速下。
转子位移检测装置16和转子转速检测装置15将检测到的所述转子位移和转子转速信息发送给所述磁悬浮分子泵控制器。所述磁悬浮分子泵控制器包括分散PID控制器、位移交叉反馈控制器和速度交叉反馈控制器。所述分散PID控制器用于控制转子在各个自由度上的运动，包括第一径向、第二径向和轴向；所述位移交叉反馈控制器用于抑制转子转动过程中产生的转子进动；所述速度交叉反馈控制器用于抑制转子转动过程中产生的转子章动。
转子各自由度通过所述分散PID控制器进行控制，所述分散PID控制器中预先设置有两组控制参数，第一组控制参数具有高刚度、高阻尼的特性，第二组控制参数具有低刚度、低阻尼的特性，控制参数的数值根据所述转子的工况来设置。当磁悬浮分子泵控制器17控制磁悬浮分子泵电机升速时，所述转子从零开始升速，所述分散PID控制器调用第一组控制参数对所述磁悬浮分子泵进行控制。
（2）当所述转子转速升高至中低速时，在本实施例中选择40转/秒时，开始渐进开启位移交叉反馈控制器，此处渐进开启是为了防止位移交叉反馈控制器增益突变对系统造成冲击。采用的方法是在一个预设的转子转速变化范围内，逐渐的将位移交叉反馈控制器打开。本实施例中选择转子转速在40转/秒-60转/秒的转速变化范围内，以固定的变化步长将位移交叉反馈控制器的增益逐步从零增加到设定值。例如，位移交叉反馈控制器的增益设定值为A，则转子转速每增加1转/秒，则位移交叉反馈控制器的增益增加A/20，这样在转子转速升高20转/秒时，位移交叉反馈控制器的增益逐步从零增加到设定值，也就是从转子转速为40转/秒时开始开启，当速度达到60转/秒时，完全开启了位移交叉反馈控制器。
（3）所述转子转速继续升高，当所述转子转速达到中速时，本实施例中选择100转/秒时，开始将所述分散PID控制器的参数渐进切换到第二组控制参数，防止分散PID控制器的刚度系数和阻尼系数的突变对系统造成冲击，因此通过渐进切换的方式来实现。切换时在一个预设的转子转速变化范围内，本实施例中选择在100转/秒-120转/秒的转速变化范围内，以固定的变化步长将分散PID控制器的刚度系数和阻尼系数从低速段需要的第一组控制参数逐步变化到高速段需要的第二组控制参数。例如，第一组控制参数与第二组控制参数的刚度差为△k，阻尼差为△ξ，则渐进切换时转子转速每升高1转/秒则PID控制参数的刚度变化，阻尼变化。这样，从转速达到100转/秒时开始参数切换，当转子转速升高20转/秒时，即当转速达到120转/秒时完成参数切换。
（4）所述转子转速继续升高，当所述转子转速达到中高转速时，本实施例中选择160转/秒时，开始渐进启动速度交叉反馈控制器，此处渐进开启的方式与上述步骤（2）、步骤（3）中相同。例如，此处选择预设的转子转速变化范围为30转/秒，当所述转子转速达到160转/秒时，开始渐进开启速度交叉反馈控制器，当所述转子转速达到190转/秒时，速度交叉反馈控制器全部启动。之后，所述转子转速继续升高，直至达到额定工作转速。
作为可以变换的实施方式，在上述过程中，所述步骤（2）中开始渐进开启位移交叉反馈控制器的速度还可以设置为中低速下的其他速度，如45转/秒、50转/秒或60转/秒；在步骤（3）中渐进切换所述分散PID控制器的控制参数的转速可以设置为中速下的其他速度，如105转/秒、110转/秒或120转/秒；在步骤（4）中，开始渐进启动速度交叉反馈控制器的转速可以设置为中高速下的其他转速，如140转/秒、150转/秒、或165转/秒；在所述步骤（2）、步骤（3）或步骤（4），进行渐进开启或切换参数的操作时，预设的转子转速变化范围还可以设置为转速在15转/秒、25转/秒或28转/秒的变化范围内实现渐进切换。
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 (1)
1.一种磁悬浮分子泵增益调度控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）磁悬浮分子泵控制器控制磁悬浮分子泵电机升速，通过转子位移检测装置检测转子位移，通过转子转速检测装置检测转子转速，并将检测到的所述转子位移和转子转速信息发送给所述磁悬浮分子泵控制器；
所述磁悬浮分子泵控制器包括分散PID控制器、位移交叉反馈控制器和速度交叉反馈控制器，所述分散PID控制器中预先设置有两组控制参数，第一组控制参数具有高刚度、高阻尼的特性，第二组控制参数具有低刚度、低阻尼的特性，当所述转子从零开始升速时，所述分散PID控制器调用第一组控制参数对所述磁悬浮分子泵进行控制；
（2）当所述转子转速升高至中低速时，渐进开启位移交叉反馈控制器；
（3）所述转子转速继续升高，当所述转子转速达到中速时，将所述分散PID控制器的参数渐进切换到第二组控制参数；
（4）当所述转子转速达到中高速时，渐进启动速度交叉反馈控制器，然后所述转子的转速继续升高，直至达到工作转速。
2. 根据权利要求1所述的磁悬浮分子泵增益调度控制方法，其特征在于：当转子转速在40转/秒-80转/秒之间时为中低速；当转子转速在80转/秒-140转/秒之间时为中速；当转子转速在140转/秒-220转/秒之间时为中高速。
3. 根据权利要求1或2所述的磁悬浮分子泵增益调度控制方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，渐进启动位移交叉反馈控制器的过程如下：在预设的所述转子转速变化范围内，以固定的变化步长将交叉反馈控制器的增益逐步从零增加到设定值。
4. 根据权利要求3所述的磁悬浮分子泵增益调度控制方法，其特征在于：在所述步骤（3）中，将所述分散PID控制器的参数渐进切换到第二组控制参数的过程如下：在预设的所述转子转速变化范围内，以固定的变化步长将分散PID控制器的刚度系数和阻尼系数从低速段需要的第一组控制参数逐步变化到高速段需要的第二组控制参数。
5. 根据权利要求4所述的磁悬浮分子泵增益调度控制方法，其特征在于，在所述步骤（4）中，渐进启动速度交叉反馈控制器的过程如下：预设的所述转子转速的变化范围内，以固定的变化步长将交叉反馈控制器的增益逐步从零增加到设定值。
6. 根据权利要求5所述的磁悬浮分子泵增益调度控制方法，其特征在于：所述预设的转子转速变化范围为15转/秒-30转/秒。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent for invention or patent application | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 100190 Beijing, Zhongguancun, north of No. two, No. 13, No. Applicant after: KYKY Technology Co., Ltd. Applicant after: Tsinghua University Address before: 100190 Beijing, Zhongguancun, north of No. two, No. 13, No. Applicant before: Beijing KYKY Technology Development Co., Ltd. Applicant before: Tsinghua University |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: APPLICANT; FROM: BEIJING KYKY TECHNOLOGY DEVELOPMENT CO., LTD. TO: KYKY TECHNOLOGY CO., LTD. |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |