CN110285088B - 一种磁悬浮分子泵平衡质量校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮分子泵平衡质量校正方法，首先，建立磁悬浮分子泵力学模型，得到平衡质量的表达式；然后将分子泵涡轮转子升速至平衡转速，在普通控制模式下解算平衡质量，并将涡轮转子降速到静止，按照前一步计算的平衡质量配重；接着升速涡轮转子至平衡转速进行平衡质量校正，得到校正后的转换系数矩阵；最后通过转换系数矩阵以及平衡质量表达式算出校正后的平衡质量。本发明提出的磁悬浮分子泵电平衡质量校正方法，具有效率高、精度高、步骤简单的优点。

Description

一种磁悬浮分子泵平衡质量校正方法

技术领域

本发明属于磁悬浮分子泵的技术领域，具体涉及一种磁悬浮分子泵平衡质量校正方法，用于高精度校正转子的不平衡质量。

背景技术

超高真空系统是高技术装备制造和高精尖科学装置研制过程中必需的仪器设备。作为超高真空系统的核心设备，其主要作用是为其他仪器设备提供高真空的环境，在芯片生产、真空镀膜、激光陀螺生产、药品生产以及原子物理等行业和领域有着广泛的应用。分子泵的工作原理是涡轮转子由电机带动而快速旋转，高速的涡轮转子“撞击”气体分子，转子的动量从而传递给泵体内的气体分子，气体分子获得动量，从而被排向出气口。分子泵的应用范围比较广，不仅工作压力范围比较宽，而且泵送速度和压缩比都比较大，因此，在需要高真空环境的许多情况下，都会使用分子泵。磁悬浮分子泵的叶片安装在转子一端，转子质心分布在靠近叶片一端，这种特殊的不对称结构造成分子泵的涡轮转子很强的陀螺效应，因此该领域的主要问题是如何在分子泵高速运行的同时，保持涡轮转子稳定。

此外，由于转子各部分材料特性有差异、生产加工和装配过程中产生误差等原因，转子的惯性轴与几何轴不重合，从而导致转子质量不平衡。对于转子本身来说，转子不平衡扰动会使转子有碰到保护轴承的可能，进而导致系统失稳。对于整个磁悬浮系统来说，转子不平衡导致功率放大器的电流和磁轴承磁过饱和，直接影响控制系统的稳定性，并且会增加系统功耗，引起额外的发热散热问题。对于分子泵来说，转子几何轴的跳动降低了机器的性能指标，直接限制了分子泵的极限真空度、最大抽速和压缩比。而对于接入分子泵的仪器设备来说，不平衡产生的振动会缩短设备的使用寿命，而且不平衡引起的噪声污染会损坏操作者的身心健康，不平衡离传递到设备上，会影响仪器设备敏感元件的性能。因此必须要对磁悬浮分子泵进行动平衡校正。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中磁悬浮分子泵转子系统平衡质量校正精度低、步骤繁琐、实用性低的缺陷，克服现有技术的不足，利用互相关算法提取同频电流和同频位移，高精度解算平衡质量，并二次校正平衡质量，该方法步骤简单、效率高，且此测量方法成本极低。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种磁悬浮分子泵平衡质量校正方法，包括以下步骤：

步骤(1)、磁悬浮分子泵涡轮转子转速Ω下，磁悬浮分子泵力学模型；

平衡面1的平衡质量m₁和平衡面2的平衡质量m₂对应的力和力矩等价于转子旋转时的径向磁轴承力、不不平衡力和径向磁轴承力矩、不平衡力矩，其等价关系式表示为：

其中，平衡面1和平衡面2的轴心距分别为r₁和r₂，质心C到平衡面1和平衡面2的横向距离用L_b1和L_b2表示，磁轴承1、磁轴承2到质心C的横向距离分别用L_m1、L_m2表示，磁悬浮转子带叶片质量用m表示，转子轴向转动惯量用J_z表示，径向转动惯量用J_r表示，磁轴承1、磁轴承2的电流刚度分别用k_i1、k_i2表示，磁轴承1、磁轴承2两端上位移刚度分别用k_s1、k_s2表示，磁轴承1、磁轴承2的同频控制电流矢量分别用i₁、i₂表示，磁悬浮转子的平动和转动位移分别用R、γ表示。

根据上述等式关系，平衡质量表达式为：

m₁＝C₁R+D₁γ+E₁i₁+F₁i₂

m₂＝C₂R+D₂γ+E₂i₁+F₂i₂

其中，C₁、D₁、E₁、F₁和C₂、D₂、E₂、F₂表达式如下：

步骤(2)、磁悬浮分子泵涡轮转子转速Ω下，磁悬浮分子泵平衡质量矩阵表达式；

将平衡质量表达式改写成矩阵形式，改写后如下所示：

M_c＝KV

其中，平衡质量矩阵M_c＝[m₁ m₂]^T，转子同频响应矩阵V＝[R γ i₁ i₂]^T，K表示从V到M_c的转换系数矩阵，K表示如下：

步骤(3)、在分子泵涡轮转子平衡转速Ω下实现转子旋转，测量普通控制模式下的涡轮转子同频响应，通过同频响应解算平衡质量；

以同频电流i₁为例进行电流同频量的提取，i表示采集的数据，用两正交序列sin(nT)和cos(nT)分别xi作相关运算，得出相关系数i_u、i_v，表示如下：

其中，T表示采集信号的周期，N表示采集的点数，n为变量，n＝1，2，…，N，由上式得到同频量的大小I和相位

上式的极坐标形式表示为：

其中，j为复数形式，e为自然常数

启动磁悬浮分子泵转子，缓慢加速到平衡转速Ω，待涡轮转子稳定工作后，采集涡轮转子的同频响应V₁，根据平衡质量矩阵与同频响应的关系表达式，解算出平衡质量M_c1，如下式所示：

M_c1＝KV₁

步骤(4)、通过电机控制，将涡轮转子降速到静止，根据步骤(3)中解算的平衡质量M_c1进行配重。

步骤(5)、配重之后，此时转子仍然存在不平衡力和不平衡力矩，此时启动磁悬浮分子泵转子，缓慢加速到平衡转速Ω，待涡轮转子稳定工作后，采集涡轮转子的同频响应V₂，此时有如下表达式：

其中，M_c2表示校正涡轮转子所加的平衡质量，K₂表示校正后的转换系数矩阵。

步骤(6)、根据步骤(5)，可得到校正后的转换系数矩阵K₂：

K₂＝M_c1(V₁-V₂)^-1

通过平衡质量矩阵与同频响应和校正后的转换系数矩阵K₂，可求解校正涡轮转子所加的平衡质量：

M_c2＝K₂V₂

本发明的基本原理：当磁悬浮转子高速旋转时，轴承力和力矩就是转子的不平衡力和力矩，根据对应关系，可将平衡面的平衡质量可用磁轴承线圈同频电流和转子同频位移表示。通过计算平衡质量表达式，在平衡面上加重或减重，达到平衡质量校正的目的。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1、本发明设计的磁悬浮分子泵平衡质量校正方法，在转速Ω下，轴承力和力矩就是转子的不平衡力和力矩，根据对应关系，可将平衡面的平衡质量可用磁轴承线圈同频电流和转子同频位移表示。通过计算平衡质量表达式，使得步骤简单，并且解算精度高。同时整个测量方法无需额外使用的设备，只借助磁轴承自带电流传感器和位移传感器来测量，简化了设备，降低了成本。

2、本发明设计的磁悬浮分子泵平衡质量校正方法，利用互相关算法精确提取同频响应，提取精度高，且易于计算。

3、本发明设计的磁悬浮分子泵平衡质量校正方法，不仅适用于磁悬浮分子泵的涡轮转子，且对于细长轴或者扁平转子都适用。

附图说明

图1为本发明中磁悬浮转子结构示意图；

图2为本发明中磁悬浮分子泵涡轮转子校正面示意图，其中，图2(a)为本发明中磁悬浮分子泵涡轮转子剖面示意图，图2(b)为本发明中磁悬浮分子泵涡轮转子校正面示意图；

图3为本发明中霍尔传感器安装示意图；

图4为本发明中涡轮转子绝对位置检测示意图；

图5为本发明中平衡质量校正流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

本发明一种磁悬浮分子泵平衡质量校正方法，具体包括如下步骤：

步骤(1)、构建磁悬浮转子结构；如图1所示，是本发明所涉及的磁悬浮转子结构示意图，所述转子轴系包括转子、平衡面1、平衡面2、磁轴承1和磁轴承2。其中平衡面1和平衡面2的轴心距分别为r₁和r₂，质心C到平衡面1和平衡面2的横向距离用L_b1和L_b2表示，质心C到磁轴承1和磁轴承2的横向距离用L_m1和L_m2表示。

步骤(2)、如图2所示，是本发明中磁悬浮分子泵涡轮转子校正面示意图，分子泵有两个校正面，每个面上有12个螺纹孔，两两螺纹孔相差30°，通过在螺纹孔加上螺丝钉，可进行平衡。

步骤(3)、如图3、图4所示，分别为是本发明的霍尔传感器安装示意图和绝对位置检测示意图，根据霍尔传感器和转子绝对位置，可在平衡面的正确位置加重，达到平衡的目的。

步骤(4)、在转速9000r/min下实现转子高速旋转，测量磁轴承的控制电流和位移；

此时，从同频响应矩阵V到平衡质量矩阵M_c的转换系数矩阵K表示为：

提取同此时的频响应V₁，得到：

通过解算，得到涡轮转子的第一次平衡质量M_c1为：

但是在实际中，螺钉的质量大小不是固定不变的，并且，整个平衡面只有12个配重孔，由于以上两点的限制，不能完全按照理论计算结果进行配重，需要进行质量的合成与分解，因此实际添加的涡轮转子的第一次校正质量M'_c1为：

步骤(5)、通过电机控制，使磁悬浮转子转速降到0，在平衡面加上平衡质量M'_c1，然后按照步骤(4)同样的方式，得到同频响应V₂：

步骤(6)、通过电机控制，使磁悬浮转子转速降到0，此时校正后的转换系数矩阵K₂可解算出：

根据校正后的转换系数矩阵K₂和同频响应V₂可解算出第二次平衡质量M_c2,：

同理，根据步骤(4)，实际的第二次平衡质量为：

本发明可以作为一种通用的磁悬浮分子泵平衡质量校正方法，容易实现，算法高效便捷，提高了计算的效率，且不需要借助额外辅助工具。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (3)

1.一种磁悬浮分子泵平衡质量校正方法，其特征在于，通过如下步骤实现：

步骤(1)、磁悬浮分子泵涡轮转子转速Ω下，磁悬浮分子泵力学模型；

平衡面1的平衡质量m₁和平衡面2的平衡质量m₂对应的力和力矩等价于磁悬浮分子泵涡轮转子旋转时的径向磁轴承力、不不平衡力和径向磁轴承力矩、不平衡力矩，其等价关系式表示为：

其中，平衡面1和平衡面2的轴心距分别为r₁和r₂，质心C到平衡面1和平衡面2的横向距离用L_b1和L_b2表示，磁轴承1、磁轴承2到质心C的横向距离分别用L_m1、L_m2表示，磁悬浮分子泵涡轮转子带叶片质量用m表示，磁悬浮分子泵涡轮转子轴向转动惯量用J_z表示，径向转动惯量用J_r表示，磁轴承1、磁轴承2的电流刚度分别用k_i1、k_i2表示，磁轴承1、磁轴承2两端上位移刚度分别用k_s1、k_s2表示，磁轴承1、磁轴承2的同频控制电流矢量分别用i₁、i₂表示，磁悬浮分子泵涡轮转子的平动和转动位移分别用R、γ表示；

根据上述等价关系式关系，平衡质量表达式为：

m₁＝C₁R+D₁γ+E₁i₁+F₁i₂

m₂＝C₂R+D₂γ+E₂i₁+F₂i₂

其中，C₁、D₁、E₁、F₁和C₂、D₂、E₂、F₂表达式如下：

步骤(2)、磁悬浮分子泵涡轮转子转速Ω下，磁悬浮分子泵平衡质量矩阵表达式；

将平衡质量表达式改写成矩阵形式，改写后如下所示：

M_c＝KV

其中，平衡质量矩阵M_c＝[m₁ m₂]^T，磁悬浮分子泵涡轮转子同频响应矩阵V＝[R γi₁i₂]^T，K表示从V到M_c的转换系数矩阵，K表示如下：

步骤(3)、在磁悬浮分子泵涡轮转子平衡转速Ω下实现磁悬浮分子泵涡轮转子旋转，测量普通控制模式下的磁悬浮分子泵涡轮转子同频响应，通过同频响应解算平衡质量；

启动磁悬浮分子泵涡轮转子，缓慢加速到平衡转速Ω，待磁悬浮分子泵涡轮转子稳定工作后，采集磁悬浮分子泵涡轮转子的同频响应V₁，根据平衡质量矩阵与同频响应的关系表达式，解算出平衡质量M_c1，如下式所示：

M_c1＝KV₁

步骤(4)、通过电机控制，将磁悬浮分子泵涡轮转子降速到静止，根据步骤(3)中解算的平衡质量M_c1进行配重；

步骤(5)、配重之后，此时磁悬浮分子泵涡轮转子仍然存在不平衡力和不平衡力矩，此时启动磁悬浮分子泵涡轮转子，缓慢加速到平衡转速Ω，待磁悬浮分子泵涡轮转子稳定工作后，采集磁悬浮分子泵涡轮转子的同频响应V₂，此时有如下表达式：

其中，M_c2表示校正磁悬浮分子泵涡轮转子所加的平衡质量，K₂表示校正后的转换系数矩阵；

步骤(6)、根据步骤(5)，可得到校正后的转换系数矩阵K₂：

K₂＝M_c1(V₁-V₂)^-1

通过平衡质量矩阵与同频响应和校正后的转换系数矩阵K₂，可求解校正磁悬浮分子泵涡轮转子所加的平衡质量：

M_c2＝K₂V₂。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮分子泵平衡质量校正方法，其特征在于：所述步骤(1)中提取出同频控制电流信号和同频位移信号，使用互相关算法提取，具体提取方法如下：

x表示采集的数据，用两正交序列sin(nT)和cos(nT)分别与x作相关运算，得出相关系数x_u、x_v，表示如下：

其中，T表示采集信号的周期，N表示采集的点数，n为变量，n＝1，2，…，N，由上式得到同频量的大小X和相位

上式的极坐标形式表示为：

其中，j为复数形式，e为自然常数。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮分子泵平衡质量校正方法，其特征在于：所述的步骤(4)中对平衡质量进行配重，需要知道传感器检测磁悬浮分子泵涡轮转子的位置与磁悬浮分子泵涡轮转子绝对位置之间的相位差，具体方法如下：

利用霍尔传感器作为参考信号，设Hall传感器信号上升沿为磁悬浮分子泵涡轮转子绝对位置点，霍尔上升沿时刻为T_h，采样时刻为T_d，T_h和T_d的时间间隔为Δt，

因此转子绝对位置参考角度为：

其中，f为采样频率。

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