CN102817861A - 一种磁悬浮分子泵的变刚度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种磁悬浮分子泵的变刚度控制方法，首先，分别在低速段和高速段进行调试，获得低速段适用的高刚度、高阻尼的控制参数和高速段适用的低刚度、低阻尼的控制参数，然后设置切换转速。当分子泵运行时，先调用高刚度、高阻尼的控制参数来克服低速段电机磁钢磁偏拉力对于转子悬浮稳定性的影响，当转子达到高速段时采用低刚度、低阻尼的策略克服其他转子悬浮稳定性影响。本发明所述的一种磁悬浮分子泵的变刚度控制方法，解决了现有技术中分子泵运行时存在电机磁钢磁偏拉力的技术问题，可以很好抑制磁悬浮分子泵升速过程中的非线性因素，保证分子泵稳定运行。

Description

一种磁悬浮分子泵的变刚度控制方法

技术领域

本发明涉及流体设备的控制领域，具体地说是一种磁悬浮分子泵的控制方法。

背景技术

分子泵是一种常用的真空获得设备，它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，使气体被压缩并驱向至排气口，再使气体被前级抽走的一种真空泵。磁悬浮分子泵是利用磁轴承将分子泵转子悬浮在空中，可以实现转子在高速工作过程中无接触、无摩擦、无需润滑的一种分子泵。由于磁悬浮分子泵具有上述优点，因此被广泛的应用到高真空度、高清洁度的真空环境获得领域中。

现有技术中的磁悬浮分子泵系统如图1所示，包括叶轮1，泵体3，第一径向保护轴承4，第一径向传感器5，第一径向磁轴承6，转子轴7，电机8，第二径向磁轴承9，第二径向传感器10，第二径向保护轴承11，轴向保护轴承12，第一轴向磁轴承13，推力盘14，第二轴向磁轴承15，轴向传感器16，接线端子17，位移检测装置18，转速检测装置19，磁悬浮分子泵控制器20。

由于磁悬浮分子泵的零件加工精度和安装精度都存在误差，这些误差会引起电机磁钢磁偏拉力对转子产生的非线性磁偏拉力，从而影响分子泵的稳定运行。如电机定子与保护轴承的同轴度误差会造成电机磁钢对转子产生磁偏拉力。其中，电机磁钢产生的磁偏拉力在低速时对于转子悬浮稳定性的破坏较为严重，相当于在整个转子上叠加了一个周期性的扰动力。当转子达到高速段时，虽然该磁偏拉力依然存在，但是由于转速很快，磁偏拉力每次作用时间很短，因此转子稳定性基本不受磁偏拉力影响。但是，在磁悬浮分子泵的转子从低速向高速升速过程中，由于存在低速段电机磁钢产生的磁偏拉力的影响，因此其运行不稳定，可能导致运行过程中产生较大的波动，存在安全隐患。

为了克服低速段电机磁钢磁偏拉力对转子悬浮稳定性的影响，可以通过提高低速段磁轴承的刚度和阻尼的方式对其进行控制，但是当转子达到高速后，高刚度、高阻尼的控制参数却会带来较大的增益，使得外界噪声更易进入，系统不稳定模态更容易被激发。因此，现有技术中的控制策略也无法解决磁悬浮分子泵存在的磁偏拉力的问题而使得分子泵稳定运行。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题是现有技术中的磁悬浮分子泵由于电机磁钢磁偏拉力对转子产生的非线性磁偏拉力，导致分子泵运行不稳定的技术问题，从而提出一种可以抑制磁悬浮分子泵运行过程中的非线性因素，保证分子泵稳定运行的变刚度控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提供一种磁悬浮分子泵的变刚度控制方法，包括如下步骤：

（1）对磁悬浮分子泵进行低速段调试试验，结合电机磁钢偏拉力对转子的影响，设计低速段适用的高刚度、高阻尼的控制参数，并将所述控制参数和适用的转速段信息存储在磁悬浮分子泵控制器内的存储介质中；

（2）对所述磁悬浮分子泵进行高速段调试试验，获得高速段适用的低刚度、低阻尼的控制参数，将所述控制参数以及其适用的转速段信息存储在所述磁悬浮分子泵控制器内的存储介质中；

（3）设置切换转速，并将其存储在所述磁悬浮分子泵控制器内的存储介质中；

（4）当所述磁悬浮分子泵上电后，所述磁悬浮分子泵控制器首先调用所述高刚度、高阻尼的控制参数，使所述转子稳定悬浮在保护轴承中心处，然后启动所述磁悬浮分子泵电机，使得所述转子升速，同时检测转子转速；

（5）当检测到所述转子的转速超过切换转速后，所述磁悬浮分子泵控制器调用所述低刚度、低阻尼的控制参数实现转子悬浮，使得所述转子在高速段稳定运行；

（6）当所述磁悬浮分子泵需要停机时，当所述磁悬浮分子泵控制器检测到所述转子的转速降至低于切换转速时，则调用所述高刚度、高阻尼的控制参数实现转子悬浮控制，使得转子在低速段稳定运行，所述转子平稳降速到零。

本发明所述的磁悬浮分子泵的变刚度控制方法，所述切换转速的取值范围为转子一阶刚性临界转速的120%-140%。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的磁悬浮分子泵的变刚度控制方法，通过在高速段和低速段使用不同的控制策略，解决了转子运行过程中电机磁偏拉力带来的非线性因素影响，很好抑制磁悬浮分子泵运行过程中的非线性因素，保证分子泵稳定运行。

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为磁悬浮分子泵系统的结构图；

图2、图3为本发明所述磁悬浮分子泵的变刚度控制方法的流程图。

图中附图标记表示为：1-叶轮，3-泵体，4-第一径向保护轴承，5-第一径向传感器，6-第一径向磁轴承，7-转子轴，8-电机，9-第二径向磁轴承，10-第二径向传感器，11-第二径向保护轴承，12-轴向保护轴承，13-第一轴向磁轴承，14-推力盘，15-第二轴向磁轴承，16-轴向传感器，17-接线端子，18-位移检测装置，19-转速检测装置，20-磁悬浮分子泵控制器。

具体实施方式

实施例1：

下面给出本发明所述的磁悬浮分子泵的变刚度控制方法的一个具体的实施方式。

一般磁悬浮分子泵的结构如图1所示，一般包括叶轮1，泵体3，第一径向保护轴承4，第一径向传感器5，第一径向磁轴承6，转子轴7，电机8，第二径向磁轴承9，第二径向传感器10，第二径向保护轴承11，轴向保护轴承12，第一轴向磁轴承13，推力盘14，第二轴向磁轴承15，轴向传感器16，接线端子17，位移检测装置18，转速检测装置19，磁悬浮分子泵控制器20。

所述磁悬浮分子泵控制器20根据所述位移检测装置18获得的位移信号，调用合适的控制算法进行分析运算，最终驱动相应的磁轴承（所述第一径向磁轴承6、所述第二径向磁轴承9、所述第一轴向磁轴承13和所述第二轴向磁轴承15中的一个或多个）输出电磁力对所述转子的运动施加控制。所述磁悬浮分子泵控制器20根据所述转速检测装置19获得的转速信号，对所述转子的转动实时监控，并根据需要调整所述转子的转速。

本发明中的所述磁悬浮分子泵转子（简称转子）指与所述转子轴7固定连接并一起旋转的包括转子轴7、第一径向磁轴承转子、第二径向磁轴承转子、第一径向传感器转子、第二径向传感器转子和电机转子、推力盘等在内的所有旋转部件。

本发明所述的一种磁悬浮分子泵的变刚度控制方法，包括如下步骤，其中步骤（1）-（3）是前期准备步骤，流程如图2所示；（4）-（6）为运行时的步骤，流程图如图3所示，具体如下：

（1）对磁悬浮分子泵进行低速段调试试验，结合电机磁钢偏拉力对转子的影响，设计适合低速段使用的高刚度、高阻尼的控制参数，并将所述控制参数和适用的转速段信息存储在磁悬浮分子泵控制器内的存储介质中。

（2）对所述磁悬浮分子泵进行高速段调试试验，获得高速段适用的低刚度、低阻尼的控制参数，将所述控制参数以及其适用的转速段信息存储在所述磁悬浮分子泵控制器内的存储介质中。

（3）设置切换转速w₀，此处w₀在转子一阶刚性临界转速的120%-140%范围内取值，在本实施例中，所述切换转速w₀为转子一阶刚性临界转速的130%，并将其存储在所述磁悬浮分子泵控制器内的存储介质中。转子的临界转速，是指转子转动频率数值等于转子固有频率时的转速。转子从零频率开始运行，其转速逐渐升高，当转子同步转动频率首次与转子共振频率（转子支承刚度所决定的转子一阶共振模态频率）相等时，所对应的旋转速度为转子的一阶临界转速。

（4）当所述磁悬浮分子泵上电后，所述磁悬浮分子泵控制器首先调用所述高刚度、高阻尼的控制参数，使所述转子稳定悬浮在保护轴承中心，然后启动所述磁悬浮分子泵电机，使得所述转子升速，同时检测转子转速。

（5）当检测到所述转子的转速超过切换转速后，所述磁悬浮分子泵控制器调用所述低刚度、低阻尼的控制参数实现转子悬浮，使得所述转子在高速段稳定运行。

（6）当所述磁悬浮分子泵需要停机时，当所述磁悬浮分子泵控制器检测到所述转子的转速降至低于切换转速时，则调用所述高刚度、高阻尼的控制参数实现转子悬浮控制，使得转子在低速段稳定运行，所述转子平稳降速到零。

在上述步骤（3）中，切换转速w₀在转子一阶刚性临界转速的120%-140%范围内取值，切换转速的大小与磁悬浮分子泵具体的类型有关，不同的磁悬浮分子泵可对应不同的预设转速值，可根据多次试验获得。

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 (2)

1.一种磁悬浮分子泵的变刚度控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）对磁悬浮分子泵进行低速段调试试验，结合电机磁钢磁偏拉力对转子的影响，设计低速段适用的高刚度、高阻尼的控制参数，并将所述控制参数和适用的转速段信息存储在磁悬浮分子泵控制器内的存储介质中；

（2）对所述磁悬浮分子泵进行高速段调试试验，获得高速段适用的低刚度、低阻尼的控制参数，将所述控制参数以及其适用的转速段信息存储在所述磁悬浮分子泵控制器内的存储介质中；

（3）设置切换转速，并将其存储在所述磁悬浮分子泵控制器内的存储介质中；

（4）当所述磁悬浮分子泵上电后，所述磁悬浮分子泵控制器首先调用所述高刚度、高阻尼的控制参数，使所述转子稳定悬浮在保护轴承中心处，然后启动所述磁悬浮分子泵电机，使得所述转子升速，同时检测转子转速；

（5）当检测到所述转子的转速超过切换转速后，所述磁悬浮分子泵控制器调用所述低刚度、低阻尼的控制参数实现转子悬浮，使得所述转子在高速段稳定运行；

（6）当所述磁悬浮分子泵需要停机时，当所述磁悬浮分子泵控制器检测到所述转子的转速降至低于切换转速时，则调用所述高刚度、高阻尼的控制参数实现转子悬浮控制，使得转子在低速段稳定运行，所述转子平稳降速到零。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮分子泵的变刚度控制方法，其特征在于：所述切换转速的取值范围为转子一阶刚性临界转速的120%-140%。

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