[发明专利]一种磁悬浮分子泵的自适应控制系统及控制方法

权利要求书

1.一种磁悬浮分子泵的自适应控制系统，其特征在于：

包括数据采集存储单元和调整控制单元；

所述数据采集存储单元获取分子泵安装于某一预定安装位置时的径向磁轴承偏置电流、轴向磁轴承偏置电流和PID控制参数，包括静态悬浮模块、参数调整模块和参数记录模块；

所述静态悬浮模块利用静态悬浮程序实现分子泵转子安装在某一预定安装位置时稳定静态悬浮；

所述参数调整模块调整径向磁轴承偏置电流、轴向磁轴承偏置电流和PID控制参数实现磁悬浮分子泵的稳定工作；

所述参数记录模块记录并存储磁悬浮分子泵在各预定安装位置时的安装角α、旋转角β、径向和轴向磁轴承偏置电流和PID控制参数；

所述调整控制单元包括角度估算模块、数据调取模块和数据导入模块；

所述角度估算模块估算分子泵安装在某一位置并利用静态悬浮模块实现稳定静态悬浮后的安装角α和旋转角β；

所述数据调取模块根据所述角度估算模块估算的安装角α和旋转角β查找所述参数记录模块中的参数，找到相同或最接近的安装角α和旋转角β所对应的径向磁轴承偏置电流、轴向磁轴承偏置电流以及PID控制参数；

所述数据导入模块将所述静态悬浮模块的静态悬浮程序中的控制参数更新为所述数据调取模块查找的控制参数；

其中，以水平向右的方向为x轴正方向，垂直地面向上的方向为y轴正方向，建立直角坐标系；以磁悬浮分子泵转子轴线相对于直角坐标系y轴正方向逆时针旋转角度为磁悬浮分子泵的安装角α；以径向磁轴承定子的磁极对1产生的磁力与径向磁轴承定子各磁极的合力的夹角为磁悬浮分子泵旋转角β。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：

所述角度估算模块包括磁轴承电磁力估算子模块、安装角α估算子模块和旋转角β估算子模块：

所述磁轴承电磁力估算子模块根据径向磁轴承静态工作电流和轴向磁轴承静态工作电流计算径向磁轴承和轴向磁轴承的分力情况；

安装角α估算子模块和旋转角β估算子模块根据径向磁轴承和轴向磁轴承的分力情况计算磁悬浮分子泵安装角α和旋转角β；

所述磁轴承电磁力估算模块的计算公式如下：

当磁悬浮分子泵转子静态悬浮时，对于径向磁轴承来说，转子与磁极对1之间的距离和转子与磁极对3之间的距离相等，转子与磁极对2之间的距离和转子与磁极对4之间的距离相等；对于轴向磁轴承来说，转子与上、下磁轴承之间的距离相等；由此磁轴承电磁力计算公式为：

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

其中，k_i(i＝1，2，...5)为磁轴承电磁力系数；F_z为轴向磁轴承合力，方向沿上轴向磁轴承磁力方向；

I₁₁，I₁₂，I₁₃，I₁₄分别为上径向磁轴承磁极对1-4对应的静态工作电流；

I₂₁，I₂₂，I₂₃，I₂₄分别为下径向磁轴承磁极对1-4对应的静态工作电流；

I_z1，I_z2分别为上、下轴向磁轴承对应的静态工作电流；

F₁₁为上径向磁轴承磁极对1，3的合力，正方向为沿上径向磁轴承磁极对1磁力方向；

F₁₂为上径向磁轴承磁极对2，4的合力，正方向为沿上径向磁轴承磁极对2磁力方向；

F₂₁为下径向磁轴承磁极对1，3的合力，正方向为沿下径向磁轴承磁极对1磁力方向；

F₂₂为下径向磁轴承磁极对2，4的合力，正方向为沿下径向磁轴承磁极对2磁力方向；

所述安装角α的计算公式如下：

当安装角α在[0°，90°]和(270°，360°]区间内变化时，轴向磁轴承合力F_z变化情况相同，当两个区间内F_z取值相同时，所需磁轴承控制参数也相同；当安装角α在(90°，180°]和(180°，270°]区间内变化时，轴向磁轴承合力F_z变化情况相同，当两个区间内F_z取值相同时，所需磁轴承控制参数也相同；

通过已知的F_z和F₂的数值计算安装角α；

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

当安装角α在[0°，90°]和(270°，360°]区间时，F_z＞0，

安装角α计算公式为：

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

安装角α在(90°，180°]和(180°，270°]区间时，F_z＜0，

安装角α计算公式为：

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

其中，上径向磁轴承分力为F₁；下径向磁轴承分力为F₂；转子重力为G，正方向竖直向下；上径向磁轴承与转子质心距离为L₁；下径向磁轴承与转子质心距离为L₂；

通过上径向各磁极对所需提供的电磁力合力F₁₁和F₁₂的数值计算旋转角β，所述旋转角β的计算公式为：

如果F₁₁＞0，F₁₂＞0，则β=arctanF12F11;]]>

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

如果F₁₁＜0，F₁₂＜0，则β=π+arctanF12F11;]]>

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