磁悬浮分子泵径向振动控制方法
专利名称：磁悬浮分子泵径向振动控制方法
技术领域：
本发明涉及一种控制方法，特别涉及一种磁悬浮分子泵径向振动控制方法。
背景技术：
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。由于磁悬浮分子泵具有无摩擦、无需润滑、无污染、高速度、寿命长等优点，因此磁悬浮分子泵广泛用于高真空度、高洁净度的真空获得领域。在磁悬浮分子泵工作过程中，其叶轮叶片振动会造成磁悬浮分子泵转子轴向振动。为了抑制转子轴向振动，可以将轴向磁轴承设计成一个窄带宽系统。叶轮叶片振动频率处的轴向磁轴承闭环增益很小，无法引起轴向磁轴承响应，轴向振动即可被抑制。磁悬浮分子泵在升速过程中，转子挠性峰振动和叶轮叶片振动会造成转子在径向产生振动。磁悬浮分子泵的叶轮一般有几个叶轮叶片共振峰(下文简称叶轮叶片峰)，叶轮叶片峰的个数和叶片峰频率与叶轮结构有关。转子的陀螺效应会引起转子挠性峰振动频率发生变化，转子离心力会引起叶轮叶片峰频率发生变化。如果控制系统在转子升速过程中对磁悬浮分子泵转子的挠性峰振动和叶轮叶片振动不加以抑制，则磁悬浮分子泵转子挠性峰振动和叶轮叶片振动可能会造成转子失稳，导致转子无法到达工作转速。为使转子迅速到达工作转速并稳定运行，必须将磁悬浮分子泵转子挠性峰振动和叶轮叶片振动考虑在内，从而设计得到的控制系统才可以有效抑制磁悬浮分子泵径向振动。而现有技术中所公开的抑制磁悬浮分子泵振动的控制方法中，并未提出如何同时抑制磁悬浮分子泵转子径向挠性峰振动和叶轮叶片峰振动，也未提出如何对转子挠性峰振动频率变化和叶轮叶片峰频率变化实现自适应控制，因此，无法有效地抑制磁悬浮分子泵转子径向振动，很可能会造成磁悬浮分子泵转子的失稳，导致转子无法到达工作转速。
发明内容
为此，本发明要解决的技术问题在于提出可以有效地抑制磁悬浮分子泵转子径向振动，使转子能过到达工作转速的磁悬浮分子泵径向振动控制方法。本发明提出的一种磁悬浮分子泵径向振动控制方法，包括以下步骤a.通过锤击实验获得叶片峰振动频率和转子挠性峰振动频率，并根据所述叶片峰振动频率和所述转子挠性峰振动频率设计得到叶片峰陷波滤波器和转子挠性峰陷波滤波器；b.利用所述叶片峰陷波滤波器、所述转子挠性峰陷波滤波器和PID控制器组成磁悬浮分子泵径向振动控制器控制磁悬浮分子泵静态悬浮；c.通过对磁悬浮分子泵正弦扫频获得转子径向位移信息；d.根据所述转子径向位移信息设计得到新挠性峰陷波滤波器，并与步骤b中所得到的磁悬浮分子泵径向振动控制器组成优化后的新磁悬浮分子泵径向振动控制器；
e.通过步骤d中所得到的磁悬浮分子泵径向振动控制器控制磁悬浮分子泵电机进行升速试验，并根据转子各个转速下的振动情况调整陷波滤波器参数，获取适用于特定转速的陷波滤波器，这些陷波滤波器和PID控制器共同组成特定转速范围的最终磁悬浮分子泵径向振动控制器；对控制参数进行记录，控制参数包括陷波器中心频率、陷波深度和陷波器适用的转速范围。利用修正后的控制器继续升速，并继续根据转子振动情况进行必要修正，直到最终将磁悬浮分子泵稳定运行到工作转速；将最终所获得的适用于各个转速范围的控制参数完整记录到泵内存储介质中；f.磁悬浮分子泵正常工作时，利用转速检测装置检测当前转子转速信息；g.通过步骤e中所得到的所述最终磁悬浮分子泵径向振动控制器，根据步骤f中所检测到的所述转子转速信息选择不同的陷波器，进行径向振动控制从而实现磁悬浮分子泵正常工作。上述的磁悬浮分子泵径向振动控制方法，步骤a中对所述叶片峰陷波滤波器和所述转子挠性峰陷波滤波器设计方式具体为通过对所述磁悬浮分子泵带叶轮的转子进行锤击实验得到叶轮叶片峰振动频率和转子挠性峰振动频率，将所述叶轮叶片峰振动频率作为叶片峰陷波滤波器预设中心频率设计叶片峰陷波滤波器，将所述挠性峰振动频率作为挠性峰陷波滤波器预设中心频率设计得到挠性峰陷波滤波器。上述的磁悬浮分子泵径向振动控制方法，步骤c中通过对磁悬浮分子泵正弦扫频获得转子径向位移信息的过程具体为使用不同频率的正弦信号驱动磁轴承功率放大器对所述磁悬浮分子泵径向各自由度扫频，利用转子位移传感器检测所述转子振动时当前的转子径向位移信息。上述的磁悬浮分子泵径向振动控制方法，步骤d中所述新转子挠性峰陷波滤波器具体设计方式为通过对步骤c获得的所述转子径向位移信息进行傅立叶变换得到转子振动信号频谱，从而得到转子挠性峰振动频率，然后将所述挠性峰振动频率作为新挠性峰陷波滤波器中心频率设计得到优化后的新挠性峰陷波滤波器，并与步骤b中所得到的磁悬浮分子泵径向振动控制器组成优化后的新磁悬浮分子泵径向振动控制器；上述的磁悬浮分子泵径向振动控制方法，步骤e中所述最终磁悬浮分子泵径向振动控制器的设计方式为通过步骤d所得到的磁悬浮分子泵径向振动控制器控制磁悬浮分子泵电机进行升速试验，利用所述转速检测装置检测转子转速，根据所述当前转子转速信息切换不同频率的陷波滤波器进行控制；利用转子位移检测装置检测转子振动，并对转子位移信息进行傅里叶变换得到新的转子振动信号频谱，对所述转子振动信号频谱进行分析；如果转子振动不超标，则此时的磁悬浮分子泵径向振动控制器为此转速范围内的最终磁悬浮分子泵径向振动控制器，用于实现分子泵在该转速范围内运行时的稳定悬浮；并将此时控制器参数，包括陷波器中心频率、陷波深度和陷波器适用的转速范围，记录到磁悬浮分子泵内部的存储介质中；如果转子振动超标，则对振动峰进行判断i.若该转子振动峰是由转子弯曲模态造成的，将该转子振动峰频率作为转子挠性峰陷波滤波器预设中心频率参数，重新设计得到新转子挠性峰陷波滤波器；ii.如果转子振动峰是由叶轮叶片振动造成的，将该转子振动峰频率作为叶轮叶片峰陷波滤波器预设中心频率参数，重新设计得到新叶轮叶片峰陷波滤波器；iii.根据步骤i或ii中所得到的叶轮叶片峰陷波滤波器或转子挠性峰陷波滤波器和磁悬浮分子泵径向振动控制器组合得到新磁悬浮分子泵径向振动控制器；重复步骤e 中的升速工作，根据上述的设计方式，通过重复迭代的方式对叶片峰陷波滤波器和所述转子挠性峰陷波滤波器进行重新设计，直到在磁悬浮分子泵转子升速过程中始终不再出现转子振动峰，至此磁悬浮分子泵径向振动控制器设计完成，并将得到的磁悬浮分子泵径向振动控制器参数，包括陷波滤波器中心频率、陷波深度和陷波器适用的转速范围，记录到磁悬浮分子泵内存储介质中。上述的磁悬浮分子泵径向振动控制方法，步骤g中的实现磁悬浮分子泵正常工作具体方式为磁悬浮分子泵开机后，控制系统自动调用磁悬浮分子泵内存储介质中的控制器参数，根据检测到的所述当前转子转速信息，从现有陷波滤波器中选择与所述转速信息相对应的陷波滤波器进行控制，即可实现磁悬浮分子泵正常工作。上述技术方案具有以下优点1.所述磁悬浮分子泵径向振动控制系统可以自动检测磁悬浮分子泵转子挠性峰振动频率和叶轮叶片峰振动频率，并据此设计合适的磁悬浮分子泵径向振动控制器。该控制器对转子的径向振动实现了良好的抑制，避免造成磁悬浮分子泵转子的失稳，从而导致转子无法到达工作转速，可以使转子在整个速度范围下实现自适应控制，无需人为操作，具有自适应性强、鲁棒性好的特点；2.由于零件加工和装配等因素，不同磁悬浮分子泵转子的挠性峰振动频率和叶轮叶片峰振动频率不同。本发明将获得的磁悬浮分子泵径向振动控制器参数存储在泵内存储介质中，更换磁悬浮分子泵控制器时，新控制器自动调用泵内存储介质中的控制器参数， 即可实现磁悬浮分子泵正常工作，从而实现了磁悬浮分子泵控制器与磁悬浮分子泵的互换性。3.通过重复迭代的过程可以对陷波滤波器的中心频率、陷波深度和陷波器适用频率范围进行反复校正，从而获得优化的陷波器抑制磁悬浮分子泵的径向振动。4.在磁悬浮分子泵转子升速过程中，转子的陀螺效应会引起转子的挠性峰振动频率变化，转子离心力会引起叶轮叶片峰振动频率变化，因此需要根据变化后的转子挠性峰振动频率和叶轮叶片峰振动频率修改磁悬浮分子泵径向振动控制器。根据试验可知，在磁悬浮分子泵转子升速过程中，转子挠性峰振动频率和叶轮叶片峰振动频率会在各自初始频率附近变化。在转子升速过程中，可以根据转子振动情况判断该振动是由转子弯曲模态造成的，还是由叶轮叶片振动造成的。通过步骤C、步骤d和步骤e的工作可以获得具有较为理想参数的叶片峰陷波滤波器和转子挠性峰陷波滤波器，从而有效地抑制磁悬浮分子泵径向振动。
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为磁悬浮分子泵径向振动控制方法的流程图；图2为磁悬浮分子泵径向振动控制器的修正步骤的流程具体实施方式
实施例1本实施例中的磁悬浮分子泵径向振动控制方法包括两个阶段，第一个阶段为磁悬浮分子泵径向振动控制器设计阶段，第二个阶段为转子径向振动抑制阶段。磁悬浮分子泵径向振动控制器具有陷波滤波器，所述陷波滤波器包括叶片峰陷波滤波器和转子挠性峰陷波滤波器。如图1所示为磁悬浮分子泵径向振动控制方法，其中磁悬浮分子泵径向振动控制器设计阶段包括以下步骤a.叶片峰陷波滤波器和转子挠性峰陷波滤波器设计步骤通过锤击实验获得叶片峰振动频率和转子挠性峰振动频率，并根据所述叶片峰振动频率和所述转子挠性峰振动频率设计叶片峰陷波滤波器和挠性峰陷波滤波器；b.磁悬浮分子泵静态悬浮步骤利用所述叶片峰陷波滤波器、所述转子挠性峰陷波滤波器以及PID控制器组成磁悬浮分子泵径向振动控制器控制磁悬浮分子泵静态悬浮。c.正弦扫频获得转子径向位移信息步骤使用不同频率的正弦信号驱动磁轴承功率放大器对所述磁悬浮分子泵径向各自由度扫频，利用转子位移传感器检测所述转子振动时当前的转子径向位移信息；所述位移传感器为设于磁悬浮分子泵转子径向位置上的径向位移传感器。d.转子挠性峰陷波滤波器修正步骤通过对步骤c获得的所述转子径向位移信息进行傅立叶变换得到转子振动信号频谱，从而得到所述新转子挠性峰振动频率，然后将所述新转子挠性峰振动频率作为转子挠性峰陷波滤波器预设中心频率设计得到优化后的新转子挠性峰陷波滤波器；利用所述磁悬浮分子泵径向振动控制器和新转子挠性峰陷波滤波器组成新磁悬浮分子泵径向振动控制器。e.磁悬浮分子泵径向振动控制器的修正步骤如图2所示，通过步骤d所得到的磁悬浮分子泵径向振动控制器控制磁悬浮分子泵电机进行升速试验，利用所述转速检测装置检测转子转速。根据所述当前转子转速信息切换不同频率的陷波滤波器进行控制；利用转子位移检测装置检测转子振动，并对转子位移信号进行傅里叶变换得到转子振动信号频谱。对所述转子振动信号频谱进行分析，如果转子振动不超标，则此时的磁悬浮分子泵径向振动控制器为该转速范围内磁悬浮分子泵的最终径向振动控制器，当分子泵在该转速范围内运行时，用于实现其稳定悬浮。将该控制器参数，包括陷波器中心频率、陷波深度、参数适用的转速范围，记录到磁悬浮分子泵内部的存储介质中；如果转子振动超标，则对振动峰进行判断i.若该转子振动峰是由转子弯曲模态造成的，将该转子振动峰频率作为转子挠性峰陷波滤波器预设中心频率参数，重新设计得到新转子挠性峰陷波滤波器；ii.如果转子振动峰是由叶轮叶片振动造成的，将该转子振动峰频率作为叶轮叶片峰陷波滤波器预设中心频率参数，重新设计得到新叶轮叶片峰陷波滤波器。iii.如图2所示，根据步骤e中所得到的叶轮叶片峰陷波滤波器或转子挠性峰陷波滤波器和磁悬浮分子泵径向振动控制器组合得到新磁悬浮分子泵径向振动控制器。重复步骤e工作，通过重复迭代的方式对叶片峰陷波滤波器和所述转子挠性峰陷波滤波器进行重新设计，直到在磁悬浮分子泵转子升速过程中始终不再出现转子振动峰，至此磁悬浮分子泵径向振动控制器设计完成。将得到的磁悬浮分子泵径向振动控制器参数，包括陷波滤波器中心频率、陷波深度和陷波器适用的转速范围，记录到磁悬浮分子泵内存储介质中。径向振动抑制阶段包括以下步骤f.转子转速信息检测步骤通过转速传感器检测获得磁悬浮分子泵的当前转子转速信息；g.磁悬浮分子泵运行控制步骤磁悬浮分子泵开机后，磁悬浮分子泵控制器自动调用磁悬浮分子泵内存储介质中的控制器参数。根据检测到的所述当前转子转速信息，在不同的当前转子转速情况下，从若干个陷波滤波器中选择与所述转速信息相对应的陷波滤波器进行控制，从而实现了磁悬浮分子泵正常工作。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根据设备的大小不同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。
权利要求
1.一种磁悬浮分子泵径向振动控制方法，其特征在于包括以下步骤a.通过锤击实验获得叶片峰振动频率和转子挠性峰振动频率，并根据所述叶片峰振动频率和所述转子挠性峰振动频率设计得到叶片峰陷波滤波器和转子挠性峰陷波滤波器；b.利用所述叶片峰陷波滤波器、所述转子挠性峰陷波滤波器和PID控制器组成磁悬浮分子泵径向振动控制器控制磁悬浮分子泵静态悬浮；c.对转子进行正弦扫频获得转子径向位移信息；d.根据所述转子径向位移信息设计得到优化后的新挠性峰陷波滤波器，并与步骤b中所得到的磁悬浮分子泵径向振动控制器组成新磁悬浮分子泵径向振动控制器；e.通过步骤d中所得到的磁悬浮分子泵径向振动控制器控制磁悬浮分子泵电机进行升速试验，并根据转子各个转速下的振动情况调整陷波滤波器参数，获取适用于特定转速的陷波滤波器，这些陷波滤波器和PID控制器共同组成特定转速范围的最终磁悬浮分子泵径向振动控制器；对控制参数进行记录，控制参数包括陷波器中心频率、陷波深度和陷波器适用的转速范围。利用修正后的控制器继续升速，并继续根据转子振动情况进行必要修正， 直到最终将磁悬浮分子泵稳定运行到工作转速；将最终所获得的适用于各个转速范围的控制参数完整记录到泵内存储介质中；f.磁悬浮分子泵正常工作时，利用转速检测装置检测当前转子转速信息；g.通过步骤e中所得到的所述最终磁悬浮分子泵径向振动控制器，根据步骤f中所检测到的所述转子转速信息选择不同的陷波器，进行转子径向振动控制从而实现磁悬浮分子泵正常工作。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮分子泵径向振动控制方法，其特征在于步骤a中对所述叶片峰陷波滤波器和所述转子挠性峰陷波滤波器设计方式具体为通过对所述磁悬浮分子泵带叶轮的转子进行锤击实验得到叶轮叶片峰振动频率和转子挠性峰振动频率，将所述叶轮叶片峰振动频率作为叶片峰陷波滤波器预设中心频率设计叶片峰陷波滤波器，将所述挠性峰振动频率作为挠性峰陷波滤波器预设中心频率设计得到挠性峰陷波滤波器。
3.根据权利要求1或2所述的磁悬浮分子泵径向振动控制方法，其特征在于步骤c中对转子正弦扫频获得转子径向位移信息的过程具体为使用不同频率的正弦信号驱动磁轴承功率放大器对所述磁悬浮分子泵径向各自由度扫频，利用转子位移传感器检测所述转子振动时当前的转子径向位移信息。
4.根据权利要求3所述的磁悬浮分子泵径向振动控制方法，其特征在于步骤d中所述新转子挠性峰陷波滤波器具体设计方式为通过对步骤c获得的所述转子径向位移信息进行傅立叶变换得到转子振动信号频谱，从而得到转子挠性峰振动频率， 然后将所述挠性峰振动频率作为新挠性峰陷波滤波器中心频率设计得到优化后的新挠性峰陷波滤波器，并与步骤b中所得到的磁悬浮分子泵径向振动控制器组成优化后的新磁悬浮分子泵径向振动控制器。
5.根据权利要求4所述的磁悬浮分子泵径向振动控制方法，其特征在于步骤e中所述最终磁悬浮分子泵径向振动控制器的设计方式为通过步骤d所得到的磁悬浮分子泵径向振动控制器控制磁悬浮分子泵电机进行升速试验，利用所述转速检测装置检测转子转速，根据所述当前转子转速信息切换不同频率的陷波滤波器进行控制；利用转子位移检测装置检测转子振动，并对转子位移信息进行傅里叶变换得到新的转子振动信号频谱，对所述转子振动信号频谱进行分析；如果转子振动不超标，则此时的磁悬浮分子泵径向振动控制器为此转速范围内的最终磁悬浮分子泵径向振动控制器，用于实现分子泵在该转速范围内运行时的稳定悬浮；并将此时控制器参数，包括陷波器中心频率、陷波深度和陷波器适用的转速范围，记录到磁悬浮分子泵内部的存储介质中；如果转子振动超标，则对振动峰进行判断i.若该转子振动峰是由转子弯曲模态造成的，将该转子振动峰频率作为转子挠性峰陷波滤波器预设中心频率参数，重新设计得到新转子挠性峰陷波滤波器；ii.如果转子振动峰是由叶轮叶片振动造成的，将该转子振动峰频率作为叶轮叶片峰陷波滤波器预设中心频率参数，重新设计得到新叶轮叶片峰陷波滤波器；iii.根据步骤i或ii中所得到的叶轮叶片峰陷波滤波器或转子挠性峰陷波滤波器和磁悬浮分子泵径向振动控制器组合得到新磁悬浮分子泵径向振动控制器；重复步骤e中的升速工作，根据上述的设计方式，通过重复迭代的方式对叶片峰陷波滤波器和所述转子挠性峰陷波滤波器进行重新设计，直到在磁悬浮分子泵转子升速过程中始终不再出现转子振动峰，至此磁悬浮分子泵径向振动控制器设计完成，并将得到的磁悬浮分子泵径向振动控制器参数，包括陷波滤波器中心频率、陷波深度和陷波器适用的转速范围，记录到磁悬浮分子泵内存储介质中。
6.根据权利要求5所述的磁悬浮分子泵径向振动控制方法，其特征在于步骤g中的实现磁悬浮分子泵正常工作具体方式为磁悬浮分子泵开机后，控制系统自动调用磁悬浮分子泵内存储介质中的控制器参数，根据检测到的所述当前转子转速信息，从现有陷波滤波器中选择与所述转速信息相对应的陷波滤波器进行控制，从而实现磁悬浮分子泵正常工作。
全文摘要
本发明提出了一种磁悬浮分子泵径向振动控制方法，该控制方法可以对磁悬浮分子泵转子的径向振动实现良好的控制，保证磁悬浮分子泵稳定运行。该方法通过锤击试验和正弦扫频试验获得磁悬浮分子泵转子的叶片峰振动频率和转子挠性峰振动频率，并据此设计叶片峰陷波滤波器和转子挠性峰陷波滤波器。该控制方法利用转速检测装置检测转子转速，利用转子位移测量装置检测转子振动情况，并据此利用上述叶片峰陷波滤波器和挠性峰陷波滤波器对转子径向振动进行抑制。本发明提出的磁悬浮分子泵径向振动控制方法可以自动辨识磁悬浮分子泵转子挠性峰频率和叶轮叶片峰频率，并据此调整陷波滤波器参数抑制转子的径向振动，具有自适应性强、鲁棒性好的特点。
文档编号F04D19/04GK102322436SQ201110243488
公开日2012年1月18日 申请日期2011年8月23日 优先权日2011年8月23日
发明者张剀, 张小章, 李奇志, 武涵, 邹蒙 申请人:北京中科科仪技术发展有限责任公司, 清华大学
技术领域：
本发明涉及一种控制方法，特别涉及一种磁悬浮分子泵径向振动控制方法。
背景技术：
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。由于磁悬浮分子泵具有无摩擦、无需润滑、无污染、高速度、寿命长等优点，因此磁悬浮分子泵广泛用于高真空度、高洁净度的真空获得领域。在磁悬浮分子泵工作过程中，其叶轮叶片振动会造成磁悬浮分子泵转子轴向振动。为了抑制转子轴向振动，可以将轴向磁轴承设计成一个窄带宽系统。叶轮叶片振动频率处的轴向磁轴承闭环增益很小，无法引起轴向磁轴承响应，轴向振动即可被抑制。磁悬浮分子泵在升速过程中，转子挠性峰振动和叶轮叶片振动会造成转子在径向产生振动。磁悬浮分子泵的叶轮一般有几个叶轮叶片共振峰(下文简称叶轮叶片峰)，叶轮叶片峰的个数和叶片峰频率与叶轮结构有关。转子的陀螺效应会引起转子挠性峰振动频率发生变化，转子离心力会引起叶轮叶片峰频率发生变化。如果控制系统在转子升速过程中对磁悬浮分子泵转子的挠性峰振动和叶轮叶片振动不加以抑制，则磁悬浮分子泵转子挠性峰振动和叶轮叶片振动可能会造成转子失稳，导致转子无法到达工作转速。为使转子迅速到达工作转速并稳定运行，必须将磁悬浮分子泵转子挠性峰振动和叶轮叶片振动考虑在内，从而设计得到的控制系统才可以有效抑制磁悬浮分子泵径向振动。而现有技术中所公开的抑制磁悬浮分子泵振动的控制方法中，并未提出如何同时抑制磁悬浮分子泵转子径向挠性峰振动和叶轮叶片峰振动，也未提出如何对转子挠性峰振动频率变化和叶轮叶片峰频率变化实现自适应控制，因此，无法有效地抑制磁悬浮分子泵转子径向振动，很可能会造成磁悬浮分子泵转子的失稳，导致转子无法到达工作转速。
发明内容
为此，本发明要解决的技术问题在于提出可以有效地抑制磁悬浮分子泵转子径向振动，使转子能过到达工作转速的磁悬浮分子泵径向振动控制方法。本发明提出的一种磁悬浮分子泵径向振动控制方法，包括以下步骤a.通过锤击实验获得叶片峰振动频率和转子挠性峰振动频率，并根据所述叶片峰振动频率和所述转子挠性峰振动频率设计得到叶片峰陷波滤波器和转子挠性峰陷波滤波器；b.利用所述叶片峰陷波滤波器、所述转子挠性峰陷波滤波器和PID控制器组成磁悬浮分子泵径向振动控制器控制磁悬浮分子泵静态悬浮；c.通过对磁悬浮分子泵正弦扫频获得转子径向位移信息；d.根据所述转子径向位移信息设计得到新挠性峰陷波滤波器，并与步骤b中所得到的磁悬浮分子泵径向振动控制器组成优化后的新磁悬浮分子泵径向振动控制器；
e.通过步骤d中所得到的磁悬浮分子泵径向振动控制器控制磁悬浮分子泵电机进行升速试验，并根据转子各个转速下的振动情况调整陷波滤波器参数，获取适用于特定转速的陷波滤波器，这些陷波滤波器和PID控制器共同组成特定转速范围的最终磁悬浮分子泵径向振动控制器；对控制参数进行记录，控制参数包括陷波器中心频率、陷波深度和陷波器适用的转速范围。利用修正后的控制器继续升速，并继续根据转子振动情况进行必要修正，直到最终将磁悬浮分子泵稳定运行到工作转速；将最终所获得的适用于各个转速范围的控制参数完整记录到泵内存储介质中；f.磁悬浮分子泵正常工作时，利用转速检测装置检测当前转子转速信息；g.通过步骤e中所得到的所述最终磁悬浮分子泵径向振动控制器，根据步骤f中所检测到的所述转子转速信息选择不同的陷波器，进行径向振动控制从而实现磁悬浮分子泵正常工作。上述的磁悬浮分子泵径向振动控制方法，步骤a中对所述叶片峰陷波滤波器和所述转子挠性峰陷波滤波器设计方式具体为通过对所述磁悬浮分子泵带叶轮的转子进行锤击实验得到叶轮叶片峰振动频率和转子挠性峰振动频率，将所述叶轮叶片峰振动频率作为叶片峰陷波滤波器预设中心频率设计叶片峰陷波滤波器，将所述挠性峰振动频率作为挠性峰陷波滤波器预设中心频率设计得到挠性峰陷波滤波器。上述的磁悬浮分子泵径向振动控制方法，步骤c中通过对磁悬浮分子泵正弦扫频获得转子径向位移信息的过程具体为使用不同频率的正弦信号驱动磁轴承功率放大器对所述磁悬浮分子泵径向各自由度扫频，利用转子位移传感器检测所述转子振动时当前的转子径向位移信息。上述的磁悬浮分子泵径向振动控制方法，步骤d中所述新转子挠性峰陷波滤波器具体设计方式为通过对步骤c获得的所述转子径向位移信息进行傅立叶变换得到转子振动信号频谱，从而得到转子挠性峰振动频率，然后将所述挠性峰振动频率作为新挠性峰陷波滤波器中心频率设计得到优化后的新挠性峰陷波滤波器，并与步骤b中所得到的磁悬浮分子泵径向振动控制器组成优化后的新磁悬浮分子泵径向振动控制器；上述的磁悬浮分子泵径向振动控制方法，步骤e中所述最终磁悬浮分子泵径向振动控制器的设计方式为通过步骤d所得到的磁悬浮分子泵径向振动控制器控制磁悬浮分子泵电机进行升速试验，利用所述转速检测装置检测转子转速，根据所述当前转子转速信息切换不同频率的陷波滤波器进行控制；利用转子位移检测装置检测转子振动，并对转子位移信息进行傅里叶变换得到新的转子振动信号频谱，对所述转子振动信号频谱进行分析；如果转子振动不超标，则此时的磁悬浮分子泵径向振动控制器为此转速范围内的最终磁悬浮分子泵径向振动控制器，用于实现分子泵在该转速范围内运行时的稳定悬浮；并将此时控制器参数，包括陷波器中心频率、陷波深度和陷波器适用的转速范围，记录到磁悬浮分子泵内部的存储介质中；如果转子振动超标，则对振动峰进行判断i.若该转子振动峰是由转子弯曲模态造成的，将该转子振动峰频率作为转子挠性峰陷波滤波器预设中心频率参数，重新设计得到新转子挠性峰陷波滤波器；ii.如果转子振动峰是由叶轮叶片振动造成的，将该转子振动峰频率作为叶轮叶片峰陷波滤波器预设中心频率参数，重新设计得到新叶轮叶片峰陷波滤波器；iii.根据步骤i或ii中所得到的叶轮叶片峰陷波滤波器或转子挠性峰陷波滤波器和磁悬浮分子泵径向振动控制器组合得到新磁悬浮分子泵径向振动控制器；重复步骤e 中的升速工作，根据上述的设计方式，通过重复迭代的方式对叶片峰陷波滤波器和所述转子挠性峰陷波滤波器进行重新设计，直到在磁悬浮分子泵转子升速过程中始终不再出现转子振动峰，至此磁悬浮分子泵径向振动控制器设计完成，并将得到的磁悬浮分子泵径向振动控制器参数，包括陷波滤波器中心频率、陷波深度和陷波器适用的转速范围，记录到磁悬浮分子泵内存储介质中。上述的磁悬浮分子泵径向振动控制方法，步骤g中的实现磁悬浮分子泵正常工作具体方式为磁悬浮分子泵开机后，控制系统自动调用磁悬浮分子泵内存储介质中的控制器参数，根据检测到的所述当前转子转速信息，从现有陷波滤波器中选择与所述转速信息相对应的陷波滤波器进行控制，即可实现磁悬浮分子泵正常工作。上述技术方案具有以下优点1.所述磁悬浮分子泵径向振动控制系统可以自动检测磁悬浮分子泵转子挠性峰振动频率和叶轮叶片峰振动频率，并据此设计合适的磁悬浮分子泵径向振动控制器。该控制器对转子的径向振动实现了良好的抑制，避免造成磁悬浮分子泵转子的失稳，从而导致转子无法到达工作转速，可以使转子在整个速度范围下实现自适应控制，无需人为操作，具有自适应性强、鲁棒性好的特点；2.由于零件加工和装配等因素，不同磁悬浮分子泵转子的挠性峰振动频率和叶轮叶片峰振动频率不同。本发明将获得的磁悬浮分子泵径向振动控制器参数存储在泵内存储介质中，更换磁悬浮分子泵控制器时，新控制器自动调用泵内存储介质中的控制器参数， 即可实现磁悬浮分子泵正常工作，从而实现了磁悬浮分子泵控制器与磁悬浮分子泵的互换性。3.通过重复迭代的过程可以对陷波滤波器的中心频率、陷波深度和陷波器适用频率范围进行反复校正，从而获得优化的陷波器抑制磁悬浮分子泵的径向振动。4.在磁悬浮分子泵转子升速过程中，转子的陀螺效应会引起转子的挠性峰振动频率变化，转子离心力会引起叶轮叶片峰振动频率变化，因此需要根据变化后的转子挠性峰振动频率和叶轮叶片峰振动频率修改磁悬浮分子泵径向振动控制器。根据试验可知，在磁悬浮分子泵转子升速过程中，转子挠性峰振动频率和叶轮叶片峰振动频率会在各自初始频率附近变化。在转子升速过程中，可以根据转子振动情况判断该振动是由转子弯曲模态造成的，还是由叶轮叶片振动造成的。通过步骤C、步骤d和步骤e的工作可以获得具有较为理想参数的叶片峰陷波滤波器和转子挠性峰陷波滤波器，从而有效地抑制磁悬浮分子泵径向振动。
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为磁悬浮分子泵径向振动控制方法的流程图；图2为磁悬浮分子泵径向振动控制器的修正步骤的流程具体实施方式
实施例1本实施例中的磁悬浮分子泵径向振动控制方法包括两个阶段，第一个阶段为磁悬浮分子泵径向振动控制器设计阶段，第二个阶段为转子径向振动抑制阶段。磁悬浮分子泵径向振动控制器具有陷波滤波器，所述陷波滤波器包括叶片峰陷波滤波器和转子挠性峰陷波滤波器。如图1所示为磁悬浮分子泵径向振动控制方法，其中磁悬浮分子泵径向振动控制器设计阶段包括以下步骤a.叶片峰陷波滤波器和转子挠性峰陷波滤波器设计步骤通过锤击实验获得叶片峰振动频率和转子挠性峰振动频率，并根据所述叶片峰振动频率和所述转子挠性峰振动频率设计叶片峰陷波滤波器和挠性峰陷波滤波器；b.磁悬浮分子泵静态悬浮步骤利用所述叶片峰陷波滤波器、所述转子挠性峰陷波滤波器以及PID控制器组成磁悬浮分子泵径向振动控制器控制磁悬浮分子泵静态悬浮。c.正弦扫频获得转子径向位移信息步骤使用不同频率的正弦信号驱动磁轴承功率放大器对所述磁悬浮分子泵径向各自由度扫频，利用转子位移传感器检测所述转子振动时当前的转子径向位移信息；所述位移传感器为设于磁悬浮分子泵转子径向位置上的径向位移传感器。d.转子挠性峰陷波滤波器修正步骤通过对步骤c获得的所述转子径向位移信息进行傅立叶变换得到转子振动信号频谱，从而得到所述新转子挠性峰振动频率，然后将所述新转子挠性峰振动频率作为转子挠性峰陷波滤波器预设中心频率设计得到优化后的新转子挠性峰陷波滤波器；利用所述磁悬浮分子泵径向振动控制器和新转子挠性峰陷波滤波器组成新磁悬浮分子泵径向振动控制器。e.磁悬浮分子泵径向振动控制器的修正步骤如图2所示，通过步骤d所得到的磁悬浮分子泵径向振动控制器控制磁悬浮分子泵电机进行升速试验，利用所述转速检测装置检测转子转速。根据所述当前转子转速信息切换不同频率的陷波滤波器进行控制；利用转子位移检测装置检测转子振动，并对转子位移信号进行傅里叶变换得到转子振动信号频谱。对所述转子振动信号频谱进行分析，如果转子振动不超标，则此时的磁悬浮分子泵径向振动控制器为该转速范围内磁悬浮分子泵的最终径向振动控制器，当分子泵在该转速范围内运行时，用于实现其稳定悬浮。将该控制器参数，包括陷波器中心频率、陷波深度、参数适用的转速范围，记录到磁悬浮分子泵内部的存储介质中；如果转子振动超标，则对振动峰进行判断i.若该转子振动峰是由转子弯曲模态造成的，将该转子振动峰频率作为转子挠性峰陷波滤波器预设中心频率参数，重新设计得到新转子挠性峰陷波滤波器；ii.如果转子振动峰是由叶轮叶片振动造成的，将该转子振动峰频率作为叶轮叶片峰陷波滤波器预设中心频率参数，重新设计得到新叶轮叶片峰陷波滤波器。iii.如图2所示，根据步骤e中所得到的叶轮叶片峰陷波滤波器或转子挠性峰陷波滤波器和磁悬浮分子泵径向振动控制器组合得到新磁悬浮分子泵径向振动控制器。重复步骤e工作，通过重复迭代的方式对叶片峰陷波滤波器和所述转子挠性峰陷波滤波器进行重新设计，直到在磁悬浮分子泵转子升速过程中始终不再出现转子振动峰，至此磁悬浮分子泵径向振动控制器设计完成。将得到的磁悬浮分子泵径向振动控制器参数，包括陷波滤波器中心频率、陷波深度和陷波器适用的转速范围，记录到磁悬浮分子泵内存储介质中。径向振动抑制阶段包括以下步骤f.转子转速信息检测步骤通过转速传感器检测获得磁悬浮分子泵的当前转子转速信息；g.磁悬浮分子泵运行控制步骤磁悬浮分子泵开机后，磁悬浮分子泵控制器自动调用磁悬浮分子泵内存储介质中的控制器参数。根据检测到的所述当前转子转速信息，在不同的当前转子转速情况下，从若干个陷波滤波器中选择与所述转速信息相对应的陷波滤波器进行控制，从而实现了磁悬浮分子泵正常工作。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根据设备的大小不同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。
权利要求
1.一种磁悬浮分子泵径向振动控制方法，其特征在于包括以下步骤a.通过锤击实验获得叶片峰振动频率和转子挠性峰振动频率，并根据所述叶片峰振动频率和所述转子挠性峰振动频率设计得到叶片峰陷波滤波器和转子挠性峰陷波滤波器；b.利用所述叶片峰陷波滤波器、所述转子挠性峰陷波滤波器和PID控制器组成磁悬浮分子泵径向振动控制器控制磁悬浮分子泵静态悬浮；c.对转子进行正弦扫频获得转子径向位移信息；d.根据所述转子径向位移信息设计得到优化后的新挠性峰陷波滤波器，并与步骤b中所得到的磁悬浮分子泵径向振动控制器组成新磁悬浮分子泵径向振动控制器；e.通过步骤d中所得到的磁悬浮分子泵径向振动控制器控制磁悬浮分子泵电机进行升速试验，并根据转子各个转速下的振动情况调整陷波滤波器参数，获取适用于特定转速的陷波滤波器，这些陷波滤波器和PID控制器共同组成特定转速范围的最终磁悬浮分子泵径向振动控制器；对控制参数进行记录，控制参数包括陷波器中心频率、陷波深度和陷波器适用的转速范围。利用修正后的控制器继续升速，并继续根据转子振动情况进行必要修正， 直到最终将磁悬浮分子泵稳定运行到工作转速；将最终所获得的适用于各个转速范围的控制参数完整记录到泵内存储介质中；f.磁悬浮分子泵正常工作时，利用转速检测装置检测当前转子转速信息；g.通过步骤e中所得到的所述最终磁悬浮分子泵径向振动控制器，根据步骤f中所检测到的所述转子转速信息选择不同的陷波器，进行转子径向振动控制从而实现磁悬浮分子泵正常工作。
2.根据权利要求1所述的磁悬浮分子泵径向振动控制方法，其特征在于步骤a中对所述叶片峰陷波滤波器和所述转子挠性峰陷波滤波器设计方式具体为通过对所述磁悬浮分子泵带叶轮的转子进行锤击实验得到叶轮叶片峰振动频率和转子挠性峰振动频率，将所述叶轮叶片峰振动频率作为叶片峰陷波滤波器预设中心频率设计叶片峰陷波滤波器，将所述挠性峰振动频率作为挠性峰陷波滤波器预设中心频率设计得到挠性峰陷波滤波器。
3.根据权利要求1或2所述的磁悬浮分子泵径向振动控制方法，其特征在于步骤c中对转子正弦扫频获得转子径向位移信息的过程具体为使用不同频率的正弦信号驱动磁轴承功率放大器对所述磁悬浮分子泵径向各自由度扫频，利用转子位移传感器检测所述转子振动时当前的转子径向位移信息。
4.根据权利要求3所述的磁悬浮分子泵径向振动控制方法，其特征在于步骤d中所述新转子挠性峰陷波滤波器具体设计方式为通过对步骤c获得的所述转子径向位移信息进行傅立叶变换得到转子振动信号频谱，从而得到转子挠性峰振动频率， 然后将所述挠性峰振动频率作为新挠性峰陷波滤波器中心频率设计得到优化后的新挠性峰陷波滤波器，并与步骤b中所得到的磁悬浮分子泵径向振动控制器组成优化后的新磁悬浮分子泵径向振动控制器。
5.根据权利要求4所述的磁悬浮分子泵径向振动控制方法，其特征在于步骤e中所述最终磁悬浮分子泵径向振动控制器的设计方式为通过步骤d所得到的磁悬浮分子泵径向振动控制器控制磁悬浮分子泵电机进行升速试验，利用所述转速检测装置检测转子转速，根据所述当前转子转速信息切换不同频率的陷波滤波器进行控制；利用转子位移检测装置检测转子振动，并对转子位移信息进行傅里叶变换得到新的转子振动信号频谱，对所述转子振动信号频谱进行分析；如果转子振动不超标，则此时的磁悬浮分子泵径向振动控制器为此转速范围内的最终磁悬浮分子泵径向振动控制器，用于实现分子泵在该转速范围内运行时的稳定悬浮；并将此时控制器参数，包括陷波器中心频率、陷波深度和陷波器适用的转速范围，记录到磁悬浮分子泵内部的存储介质中；如果转子振动超标，则对振动峰进行判断i.若该转子振动峰是由转子弯曲模态造成的，将该转子振动峰频率作为转子挠性峰陷波滤波器预设中心频率参数，重新设计得到新转子挠性峰陷波滤波器；ii.如果转子振动峰是由叶轮叶片振动造成的，将该转子振动峰频率作为叶轮叶片峰陷波滤波器预设中心频率参数，重新设计得到新叶轮叶片峰陷波滤波器；iii.根据步骤i或ii中所得到的叶轮叶片峰陷波滤波器或转子挠性峰陷波滤波器和磁悬浮分子泵径向振动控制器组合得到新磁悬浮分子泵径向振动控制器；重复步骤e中的升速工作，根据上述的设计方式，通过重复迭代的方式对叶片峰陷波滤波器和所述转子挠性峰陷波滤波器进行重新设计，直到在磁悬浮分子泵转子升速过程中始终不再出现转子振动峰，至此磁悬浮分子泵径向振动控制器设计完成，并将得到的磁悬浮分子泵径向振动控制器参数，包括陷波滤波器中心频率、陷波深度和陷波器适用的转速范围，记录到磁悬浮分子泵内存储介质中。
6.根据权利要求5所述的磁悬浮分子泵径向振动控制方法，其特征在于步骤g中的实现磁悬浮分子泵正常工作具体方式为磁悬浮分子泵开机后，控制系统自动调用磁悬浮分子泵内存储介质中的控制器参数，根据检测到的所述当前转子转速信息，从现有陷波滤波器中选择与所述转速信息相对应的陷波滤波器进行控制，从而实现磁悬浮分子泵正常工作。
全文摘要
本发明提出了一种磁悬浮分子泵径向振动控制方法，该控制方法可以对磁悬浮分子泵转子的径向振动实现良好的控制，保证磁悬浮分子泵稳定运行。该方法通过锤击试验和正弦扫频试验获得磁悬浮分子泵转子的叶片峰振动频率和转子挠性峰振动频率，并据此设计叶片峰陷波滤波器和转子挠性峰陷波滤波器。该控制方法利用转速检测装置检测转子转速，利用转子位移测量装置检测转子振动情况，并据此利用上述叶片峰陷波滤波器和挠性峰陷波滤波器对转子径向振动进行抑制。本发明提出的磁悬浮分子泵径向振动控制方法可以自动辨识磁悬浮分子泵转子挠性峰频率和叶轮叶片峰频率，并据此调整陷波滤波器参数抑制转子的径向振动，具有自适应性强、鲁棒性好的特点。
文档编号F04D19/04GK102322436SQ201110243488
公开日2012年1月18日 申请日期2011年8月23日 优先权日2011年8月23日
发明者张剀, 张小章, 李奇志, 武涵, 邹蒙 申请人:北京中科科仪技术发展有限责任公司, 清华大学
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