[發明專利]一種磁懸浮分子泵的自適應控制系統及控制方法

有效

• 申請號: 201010619785.2
• 申請日: 2010-12-31
• 公開（公告）號: CN102032208A
• 公開（公告）日: 2011-04-27
• 發明（設計）人: 張凱;張小章;李奇志;鄒蒙;武涵
• 申請（專利權）人: 清華大學;北京中科科儀技術發展有限責任公司
• 主分類號: F04D27/00
• 分類號: F04D27/00;F04D19/04
• 代理公司: 北京三聚陽光知識產權代理有限公司 11250
• 代理人: 張杰

1.一種磁懸浮分子泵的自適應控制系統，其特征在于：

包括數據采集存儲單元和調整控制單元；

所述數據采集存儲單元獲取分子泵安裝于某一預定安裝位置時的徑向磁軸承偏置電流、軸向磁軸承偏置電流和PID控制參數，包括靜態懸浮模塊、參數調整模塊和參數記錄模塊；

所述靜態懸浮模塊利用靜態懸浮程序實現分子泵轉子安裝在某一預定安裝位置時穩定靜態懸浮；

所述參數調整模塊調整徑向磁軸承偏置電流、軸向磁軸承偏置電流和PID控制參數實現磁懸浮分子泵的穩定工作；

所述參數記錄模塊記錄并存儲磁懸浮分子泵在各預定安裝位置時的安裝角α、旋轉角β、徑向和軸向磁軸承偏置電流和PID控制參數；

所述調整控制單元包括角度估算模塊、數據調取模塊和數據導入模塊；

所述角度估算模塊估算分子泵安裝在某一位置并利用靜態懸浮模塊實現穩定靜態懸浮后的安裝角α和旋轉角β；

所述數據調取模塊根據所述角度估算模塊估算的安裝角α和旋轉角β查找所述參數記錄模塊中的參數，找到相同或最接近的安裝角α和旋轉角β所對應的徑向磁軸承偏置電流、軸向磁軸承偏置電流以及PID控制參數；

所述數據導入模塊將所述靜態懸浮模塊的靜態懸浮程序中的控制參數更新為所述數據調取模塊查找的控制參數；

其中，以水平向右的方向為x軸正方向，垂直地面向上的方向為y軸正方向，建立直角坐標系；以磁懸浮分子泵轉子軸線相對于直角坐標系y軸正方向逆時針旋轉角度為磁懸浮分子泵的安裝角α；以徑向磁軸承定子的磁極對1產生的磁力與徑向磁軸承定子各磁極的合力的夾角為磁懸浮分子泵旋轉角β。

2.根據權利要求1所述的控制系統，其特征在于：

所述角度估算模塊包括磁軸承電磁力估算子模塊、安裝角α估算子模塊和旋轉角β估算子模塊：

所述磁軸承電磁力估算子模塊根據徑向磁軸承靜態工作電流和軸向磁軸承靜態工作電流計算徑向磁軸承和軸向磁軸承的分力情況；

安裝角α估算子模塊和旋轉角β估算子模塊根據徑向磁軸承和軸向磁軸承的分力情況計算磁懸浮分子泵安裝角α和旋轉角β；

所述磁軸承電磁力估算模塊的計算公式如下：

當磁懸浮分子泵轉子靜態懸浮時，對于徑向磁軸承來說，轉子與磁極對1之間的距離和轉子與磁極對3之間的距離相等，轉子與磁極對2之間的距離和轉子與磁極對4之間的距離相等；對于軸向磁軸承來說，轉子與上、下磁軸承之間的距離相等；由此磁軸承電磁力計算公式為：

k1×(I112-I132)=F11k2×(I122-I142)=F12k3×(I212-I232)=F21k4×(I222-I242)=F22k5×(IZ12-IZ22)=Fz]]>

其中，k_i(i＝1，2，...5)為磁軸承電磁力系數；F_z為軸向磁軸承合力，方向沿上軸向磁軸承磁力方向；

I₁₁，I₁₂，I₁₃，I₁₄分別為上徑向磁軸承磁極對1-4對應的靜態工作電流；

I₂₁，I₂₂，I₂₃，I₂₄分別為下徑向磁軸承磁極對1-4對應的靜態工作電流；

I_z1，I_z2分別為上、下軸向磁軸承對應的靜態工作電流；

F₁₁為上徑向磁軸承磁極對1，3的合力，正方向為沿上徑向磁軸承磁極對1磁力方向；

F₁₂為上徑向磁軸承磁極對2，4的合力，正方向為沿上徑向磁軸承磁極對2磁力方向；

F₂₁為下徑向磁軸承磁極對1，3的合力，正方向為沿下徑向磁軸承磁極對1磁力方向；

F₂₂為下徑向磁軸承磁極對2，4的合力，正方向為沿下徑向磁軸承磁極對2磁力方向；

所述安裝角α的計算公式如下：

當安裝角α在[0°，90°]和(270°，360°]區間內變化時，軸向磁軸承合力F_z變化情況相同，當兩個區間內F_z取值相同時，所需磁軸承控制參數也相同；當安裝角α在(90°，180°]和(180°，270°]區間內變化時，軸向磁軸承合力F_z變化情況相同，當兩個區間內F_z取值相同時，所需磁軸承控制參數也相同；

通過已知的F_z和F₂的數值計算安裝角α；

F₁×L₁＝F₂×L₂，F1=F112+F122,]]>F2=F212+F222;]]>

當安裝角α在[0°，90°]和(270°，360°]區間時，F_z＞0，

安裝角α計算公式為：

α=arctanF1+F2Fz=arctan(L1+L2)F2L1Fz=arctan(L1+L2)F212+F222L1Fz]]>

安裝角α在(90°，180°]和(180°，270°]區間時，F_z＜0，

安裝角α計算公式為：

α=π-arctanF1+F2Fz=π-arctan(L1+L2)F2L1Fz=π-arctan(L1+L2)F212+F222L1Fz]]>

其中，上徑向磁軸承分力為F₁；下徑向磁軸承分力為F₂；轉子重力為G，正方向豎直向下；上徑向磁軸承與轉子質心距離為L₁；下徑向磁軸承與轉子質心距離為L₂；

通過上徑向各磁極對所需提供的電磁力合力F₁₁和F₁₂的數值計算旋轉角β，所述旋轉角β的計算公式為：

如果F₁₁＞0，F₁₂＞0，則β=arctanF12F11;]]>

如果F₁₁＜0，F₁₂＞0，則β=π-arctan(F12-F11);]]>

如果F₁₁＜0，F₁₂＜0，則β=π+arctanF12F11;]]>

如果F₁₁＞0，F₁₂＜0，則β=2π-arctan(-F12F11).]]>