CN105041702B - 一种磁悬浮分子泵控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁悬浮分子泵控制方法及系统，将系统故障等级进行划分，根据系统故障等级的不同，对系统进行不同的操作。对于级别较低的一级故障，例如部分霍尔传感器故障这种类型的，就可以先保持系统带故障运行，并继续观察故障是否消除，如果在一定的时间内故障消除，则恢复系统正常运行。当系统发生二级故障时，已经没办法继续运行，但是又没有必要将系统关断时，可以先保持系统停止运行，并实时检测系统故障是否消除。如果在一定的时间内，系统故障消除了，则可以继续恢复系统的正常运行，如果系统故障一直存在，则控制系统关断。通过故障恢复状态，避免不必要的系统关断，从而避免对系统硬件造成的损害以及给工业生产带来的影响。

Description

一种磁悬浮分子泵控制方法及系统

技术领域

本发明涉及流体设备控制领域，具体涉及一种磁悬浮分子泵控制方法及系统。

背景技术

分子泵是利用高速旋转的转子把动量传给气体分子，使之获得定向速度，从而被压缩、驱动向排气口后为前级抽走的一种真空泵。而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，实现了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、寿命长的优点，因此磁悬浮分子泵广泛应用于高真空度、高洁净度的真空获得领域，在工业和科研领域获得大规模的应用。

近年来，随着工业生产和科技的进步，工业应用现场对磁悬浮分子泵在极限情况下稳定运行的要求越来越高，尤其是对磁悬浮分子泵控制系统的可靠性的要求。比如在瞬时过压过流或信号受到干扰的情况下，控制系统仍然能够驱动高速运转的电机持续稳定运行，而不希望发生器件损坏或停机的状况。现有的磁悬浮分子泵控制系统中采用的是分散式的故障诊断和保护方法，这种情况虽然可以避免磁悬浮分子泵控制系统的硬件损坏，但也同时造成了分子泵系统停机，从而影响了工业生产过程。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有技术中的磁悬浮分子泵控制方法及系统在某些并不严重的故障情况下直接进行停机操作，可能带来系统硬件损坏，影响工业生产过程的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种磁悬浮分子泵控制方法，包括如下步骤：

检测是否存在系统故障；

若存在，则获取系统故障信息并确定故障级别；

判断所述故障级别是否为一级故障；

若是则系统带故障运行，并实时检测一级故障是否消除；

若在第一预设时间T₁内一级故障消除则系统恢复正常运行，否则系统关断。

所述一级故障包括部分霍尔传感器故障的状态；通过为故障的霍尔传感器设定正确的信号值维持系统带故障运行。

还包括如下步骤：

判断所述故障级别是否为二级故障，若是则系统进入故障恢复状态。

所述故障恢复状态为：

系统停止运行；

实时检测二级故障是否消除；

若在第二预设时间T₂内二级故障消除，则系统恢复正常运行，否则系统关断。

所述二级故障包括欠压故障，过压故障，电机过流故障，电机短路故障，电机过温故障，泵体过温故障，磁悬浮故障，过载故障。

还包括如下步骤：

判断所述故障级别是否为三级故障，若是则系统关断。

所述三级故障包括所有霍尔传感器全部故障的状态。

本发明还提供一种磁悬浮分子泵控制系统，包括

检测单元，用于检测是否存在系统故障；

故障认定单元，用于在系统存在故障时获取系统故障信息并确定故障级别；

判断单元，用于判断所述故障级别是否为一级故障；

第一处理单元，用于在故障级别为一级故障时控制系统带故障运行，并实时检测一级故障是否消除；

第二处理单元，用于在第一预设时间T₁内一级故障消除时，控制系统恢复正常运行，否则控制系统关断。

所述判断单元，还用于判断所述故障级别是否为二级故障；

所述第一处理单元，还用于在故障级别为二级故障时，控制系统进入故障恢复状态。

所述判断单元，还用于判断所述故障级别是否为三级故障；

所述第一处理单元，还用于在故障级别为三级故障时，控制系统关断。

本发明的上述技术方案与现有技术相比，至少具有以下有益效果：

(1)本发明所述的磁悬浮分子泵控制方法及系统，将系统故障等级进行划分，根据系统故障等级的不同，对系统进行不同的操作。对于级别较低的一级故障，例如部分霍尔传感器故障这种类型的，就可以先保持系统带故障运行，并继续观察故障是否消除，如果在一定的时间内故障消除，则恢复系统正常运行。这样可以避免不必要的系统关断，从而避免对系统硬件造成的损害以及给工业生产带来的影响。

(2)本发明所述的磁悬浮分子泵控制方法及系统，当系统发生二级故障时，已经没办法继续运行，但是又没有必要将系统关断时，可以先保持系统停止运行，并实时检测系统故障是否消除。如果在一定的时间内，系统故障消除了，则可以继续恢复系统的正常运行，如果系统故障一直存在，则控制系统关断。通过故障恢复状态，进一步避免不必要的系统关断，从而避免对系统硬件造成的损害以及给工业生产带来的影响。

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是本发明一个实施例所述磁悬浮分子泵控制方法的流程图；

图2本发明一个实施例系统空闲状态hall信号诊断方法；

图3本发明一个实施例所述转速计算方法流程图；

图4本发明一个实施例系统运行状态hall信号定时查询诊断方法；

图5本发明一个实施例判断霍尔传感器故障的方法流程图；

图6本发明一个实施例判断霍尔传感器故障的方法流程图；

图7本发明一个实施例实时监控与诊断系统结构框图。

具体实施方式

本实施例提供一种磁悬浮分子泵控制方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1：检测是否存在系统故障；若存在则进入步骤S2，否则重复本步骤。

S2：则获取系统故障信息并确定故障级别。

S3：判断所述故障级别是否为一级故障，若是则进入步骤S4，否则进入步骤S5。所述一级故障包括部分霍尔传感器故障的状态；通过为故障的霍尔传感器设定正确的信号值维持系统带故障运行。

S4：系统带故障运行，并进入步骤S8。

S5：判断所述故障级别是否为二级故障，若是则进入步骤S6，否则进入步骤S7。所述二级故障包括欠压故障，过压故障，电机过流故障，电机短路故障，电机过温故障，泵体过温故障，磁悬浮故障，过载故障。

S6：系统进入故障恢复状态，之后进入步骤S9。

S7：判定故障级别为三级故障，之后进入步骤S11。所述三级故障包括所有霍尔传感器全部故障的状态。

S8：判断在第一预设时间T₁内一级故障是否消除，若消除则进入步骤S10，否则进入步骤S11。

S9：实时检测，判断在第二预设时间T₂内二级故障是否消除，若消除了则进入步骤S10，否则进入步骤S11。

S10：系统恢复正常运行。

S11：系统关断。

上述方案，将系统故障等级进行划分，根据系统故障等级的不同，对系统进行不同的操作。对于级别较低的一级故障，例如部分霍尔传感器故障这种类型的，就可以先保持系统带故障运行，并继续观察故障是否消除，如果在一定的时间内故障消除，则恢复系统正常运行。当系统发生二级故障时，已经没办法继续运行，但是又没有必要将系统关断时，可以先保持系统停止运行，并实时检测系统故障是否消除。如果在一定的时间内，系统故障消除了，则可以继续恢复系统的正常运行，如果系统故障一直存在，则控制系统关断。因此，上述方案能够避免不必要的系统关断，从而避免对系统硬件造成的损害以及给工业生产带来的影响。

上述方案中，对于霍尔传感器的状态判断可以选择三种方式，霍尔信号定时查询诊断方法、霍尔信号中断诊断方法和霍尔信号定时中断诊断方法，这三种方法同时使用，能够全面的诊断出霍尔信号的故障。

在系统状态为空闲状态时，霍尔传感器故障的诊断方法如图2所示，首先读出霍尔传感器端口值HLValue，端口值HLValue不是0便是1，因此三个霍尔传感器的端口值最终为：000至111。根据端口值HLValue查表得到HLVector的值，从表中的HLVector值可以得出，端口值与HLVector值的对应关系为：

霍尔传感器的端口值	HLVector值	霍尔传感器的端口值	HLVector值
				000	-1	001	4
010	2	011	3
				100	0	101	5

110

1

111

-1

正常来说，三个霍尔传感器的端口值必须保持不一样，如果三个传感器的端口值相同即000或者111时，便会认为霍尔传感器发生了故障。由于霍尔传感器的端口值与HLVector的值是具有对应关系的，因此只需要判断HLVector的值是否为-1，如果HLValve值为-1，则认为霍尔传感器发生故障，此时的故障可以认为是三级故障，即需要关断系统。

转速计算过程如图3所示，其中霍尔中断即霍尔传感器正常工作，能够采集到正常的霍尔传感器信号。

系统处于运行状态时，霍尔信号定时查询诊断方法如图4所示，首先判断系统是否处于额定转速状态，如果系统没有在额定转速状态运行，则霍尔信号的诊断方法与空闲状态的霍尔信号诊断方法相同：首先读出霍尔端口值HLValue，然后根据HLValue查表得到HLVector的值，判断HLVector的值是否为-1，如果HLValve值为-1，则判断为三级故障。如果系统处于额定转速运行状态，则判断当前转速，同时计算1秒内三路霍尔边沿的个数，取其最大值为当前转速。如果当前转速为0，说明1秒内三路霍尔信号均没有边沿发生，说明三个霍尔传感器均出现了故障，则确定为三级故障。当磁悬浮分子泵转子旋转一圈时。每一个霍尔传感器应该出现一个高电平一个低电平，出现两个上升沿，三个霍尔传感器则出现六个上升沿。

如图5所示，当系统处于额定转速运行状态时，判断霍尔计数对应的时间是否大于Δt*ξ，其中Δt为当前转速对应的周期的六分之一(转子转一圈应该收到六个上升沿，相邻两个上升沿之间的时间间隔应该为周期的六分之一)，ξ是为防止误判加入的调节系数，如果霍尔计数对应的时间大于Δt*ξ，说明有霍尔中断没有发生，即有霍尔传感器处于故障状态。当霍尔中断发生时，即霍尔传感器正常后会清零霍尔计数。当周期计数对应的时间大于T时，T是当前转速对应的周期，霍尔传感器故障消除，消除后系统可以恢复正常运行。

图6给出了霍尔传感器中断流程，当有霍尔传感器发生故障时，读取故障的霍尔传感器的当前端口值，如图所示，此时霍尔传感器的值为0或者1。

当霍尔传感器的端口值为0时，则根据如下原则对HLVector进行赋值：

如果是A相的霍尔传感器发生故障，则令HLVector＝0，如果是B相的霍尔传感器发生故障，则令HLVector＝4，如果C相的霍尔传感器发生故障，则令HLVector＝2。

当霍尔传感器的端口值为1时，则根据如下原则对HLVector进行赋值：

如果是A相的霍尔传感器发生故障，则令HLVector＝3，如果是B相的霍尔传感器发生故障，则令HLVector＝1，如果C相的霍尔传感器发生故障，则令HLVector＝5。

采用上述方式为HLVector进行赋值后，相当于为故障的霍尔传感器设置了一个正确的值，能够保证系统继续运行。

如图7所示为本实施例提供的故障监控系统的原理图，其包括电机电流信号采集模块01，短路电流识别比较器模块04，系统输入电压信号采集模块02，电机HALL位置信号采集模块03，电机温度铂电阻信号采集模块06，泵体温度铂电阻信号采集模块07，磁轴承轴心位置信号采集模块05，采集和处理故障信息的单片机模块08，用于显示故障信息的显示器模块09，出厂检验和维修时的辅助上位机10。其中的一些故障的检测方法如下：

输入电源欠压故障诊断方法：电压传感器采集的输入电源电压低于设定欠压阈值，判定为输入电源电压欠压故障。

输入电源过压故障诊断方法：电压传感器采集的输入电源电压高于设定过压阈值，判定为输入电源电压过压故障。

电机过流故障：电流传感器采集的电机电流高于设定过流阈值，判定为电机电流过流。

电机短路故障：电流传感器采集的电机电流信号高于硬件设定的短路阈值，比较器给出边沿报警信号，判定为电机短路。

电机过温故障：电机温度采集电路采集的温度信号高于设定过温阈值，判定为电机过温故障。

泵体过温故障：泵体温度采集电路采集的温度信号高于设定过温阈值，判定为泵体过温故障。

磁悬浮故障：由磁悬浮控制算法根据磁轴承质心位置信号判定给出。

过载故障：电机额定转速状态时，如果电机当前转速小于额定转速的90％时，发生系统过载故障。

上述实施例中，当分子泵控制系统上电初始化时，所有状态变量清零，当初始化结束，进入主程序运行时，系统上电状态变量置位；当用户按下启动键，要求分子泵升速至额定转速正常工作时，系统进入运行状态，当用户按下停止键，要求分子泵降速至停机时，系统进入停止状态；系统二级故障是欠压故障、过压故障、电机过流故障、电机短路故障、电机过温故障、泵体过温故障、磁悬浮故障、过载故障，当系统二级故障时，可以查询得到是哪种故障；如果系统在额定运行状态，三路HALL信号全部故障时进入三级故障，其中一路或二路HALL信号故障时系统进入一级故障。

本实施例提供的磁悬浮分子泵的容错控制方法提供了故障恢复状态和故障运行状态。在故障恢复状态，系统暂时关闭电机的驱动输出，并打开定时器，经过一段时间后，从新探测故障信号是否仍然存在，如果仍然存在则给出系统损坏故障信息，如果故障信号消失，则重新进入额定转速运行状态运行。在故障运行状态，由于HALL信号的部分缺失，致使系统进入故障运行状态，包括2种故障运行方法：HALL中断故障运行方法和定时中断故障运行方法。在HALL中断中，因此悬浮分子泵电机只有一种运转方向，所以可以根据HALL信号的高低电平来设置HLVector的值，通过HLVector的值来控制电机换相，即可保持继续运行。在定时中断中，当HALL计数对应的时间大于Δt*ξ，说明应换相，HLVector的值在当前值得基础上加1并对6取余数，通过HLVector的值来控制电机换相，也可继续运行。

本实施例还提供了一种磁悬浮分子泵控制系统，包括

检测单元，用于检测是否存在系统故障；

故障认定单元，用于在系统存在故障时获取系统故障信息并确定故障级别；

判断单元，用于判断所述故障级别是否为一级故障；

第一处理单元，用于在故障级别为一级故障时控制系统带故障运行，并实时检测一级故障是否消除；

第二处理单元，用于在第一预设时间T₁内一级故障消除时，控制系统恢复正常运行，否则控制系统关断。

优选地，所述判断单元，还用于判断所述故障级别是否为二级故障；

所述第一处理单元，还用于在故障级别为二级故障时，控制系统进入故障恢复状态。

进一步优选地，所述判断单元，还用于判断所述故障级别是否为三级故障；

所述第一处理单元，还用于在故障级别为三级故障时，控制系统关断。

本实施例的磁悬浮分子泵控制方法及系统，将系统故障等级进行划分，根据系统故障等级的不同，对系统进行不同的操作。对于级别较低的一级故障，例如部分霍尔传感器故障这种类型的，就可以先保持系统带故障运行，并继续观察故障是否消除，如果在一定的时间内故障消除，则恢复系统正常运行。当系统发生二级故障时，已经没办法继续运行，但是又没有必要将系统关断时，可以先保持系统停止运行，并实时检测系统故障是否消除。如果在一定的时间内，系统故障消除了，则可以继续恢复系统的正常运行，如果系统故障一直存在，则控制系统关断。通过故障恢复状态，进一步避免不必要的系统关断，从而避免对系统硬件造成的损害以及给工业生产带来的影响。

显然，上述实施例仅是为清楚地说明所作的举例，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 (9)

1.一种磁悬浮分子泵控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

检测是否存在系统故障；

若存在，则获取系统故障信息并确定故障级别；

判断所述故障级别是否为一级故障；

若是则系统带故障运行，并实时检测一级故障是否消除；其中：所述一级故障包括部分霍尔传感器故障的状态；通过为故障的霍尔传感器设定正确的信号值维持系统带故障运行；

若在第一预设时间T1内一级故障消除则系统恢复正常运行，否则系统关断。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮分子泵控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：判断所述故障级别是否为二级故障，若是则系统进入故障恢复状态。

3.根据权利要求2所述的磁悬浮分子泵控制方法，其特征在于，所述故障恢复状态为：

系统停止运行；

实时检测二级故障是否消除；

若在第二预设时间T2内二级故障消除，则系统恢复正常运行，否则系统关断。

4.根据权利要求2或3所述的磁悬浮分子泵控制方法，其特征在于：所述二级故障包括欠压故障，过压故障，电机过流故障，电机短路故障，电机过温故障，泵体过温故障，磁悬浮故障，过载故障。

5.根据权利要求4所述的磁悬浮分子泵控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：

判断所述故障级别为三级故障，系统关断。

6.根据权利要求5所述的磁悬浮分子泵控制方法，其特征在于：

所述三级故障包括所有霍尔传感器全部故障的状态。

7.一种磁悬浮分子泵控制系统，其特征在于，包括：

检测单元，用于检测是否存在系统故障；

故障认定单元，用于在系统存在故障时获取系统故障信息并确定故障级别；

判断单元，用于判断所述故障级别是否为一级故障；

第一处理单元，用于在故障级别为一级故障时控制系统带故障运行，并实时检测一级故障是否消除；其中：所述一级故障包括部分霍尔传感器故障的状态；通过为故障的霍尔传感器设定正确的信号值维持系统带故障运行；

第二处理单元，用于在第一预设时间T1内一级故障消除时，控制系统恢复正常运行，否则控制系统关断。

8.根据权利要求7所述的磁悬浮分子泵控制系统，其特征在于：

所述判断单元，还用于判断所述故障级别是否为二级故障；

所述第一处理单元，还用于在故障级别为二级故障时，控制系统进入故障恢复状态。

9.根据权利要求7或8所述的磁悬浮分子泵控制系统，其特征在于：

所述判断单元，还用于判断所述故障级别是否为三级故障；

所述第一处理单元，还用于在故障级别为三级故障时，控制系统关断。