一种磁悬浮分子泵的自适应控制系统及控制方法 【技术领域】
本发明属于流体设备领域， 尤其涉及一种磁悬浮分子泵的自适应控制系统及控制方法。 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。
磁悬浮分子泵的负载由径向磁轴承和轴向磁轴承共同承担。在工作过程中， 磁悬 浮分子泵可能需要在任意位置安装。磁悬浮安装在不同安装位置时， 径向磁轴承和轴向磁 轴承分担的负载不同， 磁轴承线圈电流也随之变化， 因此需要合理分配磁轴承承载力。 针对 分子泵安装角 α 和旋转角 β 变化的问题， 较常见的方法是将径向磁轴承偏置电流和轴向 磁轴承偏置电流始终取各种安装情况下所需值的最大值， 以保证磁轴承产生的静态磁场满
足承载需求， 避免出现径向磁轴承和轴向磁轴承的承载力不足 ； 同时在分子泵安装角 α 和 旋转角 β 变化时， 采用固定的控制算法保证系统稳定。
上述方案的缺陷在于 ： 将径向磁轴承偏置电流和轴向磁轴承偏置电流均取最大值 将导致大部分工况下磁轴承线圈偏置电流过大， 功耗增加， 线圈发热严重。 不论分子泵安装 角 α 和旋转角 β 如何变化， 控制程序采用固定的控制算法容易造成系统性能下降。 发明内容 本发明所要解决的技术问题是现有分子泵控制程序无法根据分子泵安装位置的 变化实时调整径向磁轴承偏置电流、 轴向磁轴承偏置电流及 PID 控制参数， 提供一种磁悬 浮分子泵控制系统及控制方法， 在磁悬浮分子泵安装位置变化后， 自动估算分子泵安装角 α 和旋转角 β， 并据此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 ( 即 Proportional-Integral-Derivative Parameter， PIDParameter， 又称为 “比 例 - 积 分 - 微分控制参数” )， 实现分子泵稳定运行。
为此， 本发明所采用的技术方案为 ： 一种磁悬浮分子泵的自适应控制系统， 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 ； 静态悬浮程序设计方法参考 “Schweitzer G.， Traxler A.， Bleuler H. 著， 虞烈， 袁崇军译， 《主动磁轴承基础、 性能及应用》 ， 北京新时代出版社， 1997 ： P26-37。
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、 径向磁轴承偏置电流、 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。
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 ：
其中， ki(i ＝ 1， 2， ...5) 为磁轴承电磁力系数 ； Fz 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 ；
Iz1， Iz2 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， 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， 方向为沿上径向磁轴承磁极对 2 磁力方 F21 为下径向磁轴承磁极对 1， 3 的合力， 方向为沿下径向磁轴承磁极对 1 磁力方 F22 为下径向磁轴承磁极对 2， 4 的合力， 方向为沿下径向磁轴承磁极对 2 磁力方向；
向；
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 Fz 变化情况相同， 当两个区间内 Fz 取值相同时， 所需磁轴承控制参数也相同。因此安装角 α 在这两个区间变化时， 对于同一个 Fz 值安装角 α 只取对应 [0°， 90° ] 范围内的那个角度 值； 当安装角 α 在 (90°， 180° ] 和 (180°， 270° ] 区间内变化时， 轴向磁轴承合力 Fz 变 化情况相同， 当两个区间内 Fz 取值相同时， 所需磁轴承控制参数也相同。因此安装角 α 在 这两个区间变化时， 对于同一个 Fz 值安装角 α 只取对应 (90°， 180° ] 范围内的那个角度 值；
通过已知的 Fz 和 F2 的数值计算安装角 α ； F1×L1 ＝ F2×L2， 当安装角 α 在 [0°， 90° ] 和 (270°， 360° ] 区间时， Fz ＞ 0， 安装角 α 计算公式为 ：安装角 α 在 (90°， 180° ] 和 (180°， 270° ] 区间时， Fz ＜ 0， 安装角 α 计算公式为 ：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， 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 如果 F11 ＜ 0， F12 ＞ 0， 则 如果 F11 ＜ 0， F12 ＜ 0， 则 如果 F11 ＞ 0， F12 ＜ 0， 则 进一步地， 还包括，10
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说明书4/14 页安装角 α′估算子模块， 通过 Fz 和 F1 的数值计算安装角 ；
安装角 α 优化子模块， 通过将 Fz 和 F1， 以及 Fz 和 F2 分别得到的安装角数据进行 优化处理， 获得更精确的安装角估计值
所述安装角 α′估算子模块的计算公式为 ：
当 Fz ＞ 0 时，
当 Fz ＜ 0 时，所 述 安 装 角 α 优 化 子 模 块 将 利 用 Fz 和 F2 数 值 多 次 测 得 的 安 转 角 αi， 以及 利用 Fz 和 F1 数值多次测得的安转角 α′ i 取平均值， 获得更精确的安装角估计值
其中 i ＝ N。 进一步地， 还包括，
旋转角 β′估算子模块， 通过下径向各磁极对所需提供的电磁力合力 F21 和 F22 的 数值计算旋转角 ；
旋转角 β 优化子模块， 通过将 F11 和 F12， 以及 F21 和 F22 分别得到的旋转角数据进
行优化处理， 获得更精确的旋转角估计值
所述旋转角 β′估算子模块的计算公式为 ： 如果 F21 ＞ 0， F22 ＞ 0， 则 如果 F21 ＜ 0， F22 ＞ 0， 则 如果 F21 ＜ 0， F22 ＜ 0， 则 如果 F21 ＞ 0， F22 ＜ 0， 则 所述旋转角 β 优化子模块将利用 F11 和 F12 数值多次测得的旋转角 βi， 以及
利用 F21 和 F22 数值多次测得的旋转角 β′ i 取平均值， 获得更精确的旋转角估计值 其中 i ＝ N。 所述数据采集存储单元在安装角 α 和旋转角 β 每变化 5°时进行一次数据采集 和存储， 其中 α， β ∈ [0°， 360° ]。
同时， 由于当安装角 α 在 [0°， 90° ] 和 (270°， 360° ] 区间内变化时， 轴向磁 轴承合力 Fz 变化情况相同， 当两个区间内 Fz 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 Fz 变化情 况相同， 当两个区间内 Fz 取值相同时， 所需磁轴承控制参数也相同。因此数据采集存储单 元中只需要存储安装角 α 在 [0°， 180° ] 范围内变化， 旋转角 β 在 [0°， 360° ] 范围内 变化时的安装角 α、 旋转角 β 及其对应的磁轴承控制参数。
一种数据采集存储单元中的数据采集存储方法， 包括如下步骤 ：
步骤 1 ： 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。
分子泵安装于某一预定位置时， 测量并记录此时分子泵安装角 α 和旋转角 β， 利 用静态悬浮程序实现分子泵转子稳定静态悬浮 ；
步骤 2 ： 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， 记录该组偏置电流和 PID 控制参数 ；
步骤 3 ： 改变磁悬浮分子泵安装角 α 和旋转角 β， 重复步骤 1 至 2， 得到各个预定 安装位置处磁悬浮分子泵的安装角 α、 旋转角 β、 径向磁轴承偏置电流、 轴向磁轴承偏置 电流和 PID 控制参数， 并将上述四个参数制成参数表放置在存储器中。 一种调整控制单元的调整控制方法， 包括如下步骤 ：
步骤 1 ： 将磁悬浮分子泵安装在某一安装位置后， 利用静态悬浮程序实现分子泵 转子稳定静态悬浮， 测量径向磁轴承静态工作电流和轴向磁轴承静态工作电流， 据此估算 出磁悬浮分子泵安装角 α 和旋转角 β ；
步骤 2 ： 根据估算出的分子泵安装角 α 和旋转角 β 查找所述数据采集存储阶段 的参数表， 找到参数表中相同或最相近的安装角 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， 并更新控制程序中的相关参数。
进一步地， 所述的调整控制方法中所述分子泵的安装角 α 和旋转角 β 的估算方 法如下 ：
①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 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 ：
其中， ki(i ＝ 1， 2， ...5) 为磁轴承电磁力系数 ； Fz 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 ；
Iz1， Iz2 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， 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， 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， 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， 方向为沿下径向磁轴承磁极对 2 磁力方 向；
②当安装角 α 在 [0°， 90° ] 和 (270°， 360° ] 区间内变化时， 轴向磁轴承合力 Fz 变化情况相同， 当两个区间内 Fz 取值相同时， 所需磁轴承控制参数也相同。因此安装角 α 在这两个区间变化时， 对于同一个 Fz 值安装角 α 只取对应 [0°， 90° ] 范围内的那个角 度值 ； 当安装角 α 在 (90°， 180° ] 和 (180°， 270° ] 区间内变化时， 轴向磁轴承合力 Fz 变化情况相同， 当两个区间内 Fz 取值相同时， 所需磁轴承控制参数也相同。因此安装角 α 在这两个区间变化时， 对于同一个 Fz 值安装角 α 只取对应 (90°， 180° ] 范围内的那个角 度值 ；
通过已知的 Fz 和 F2 的数值计算安装角 α， 计算公式如下 ：
F1×L1 ＝ F2×L2， 当安装角 α 在 [0°， 90° ] 和 (270°， 360° ] 区间时， Fz ＞ 0， 安装角 α 计算公式为 ：安装角 α 在 (90°， 180° ] 和 (180°， 270° ] 区间时， Fz ＜ 0， 安装角 α 计算公式为 ：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， 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 ；③旋转角 β 在 [0°， 360° ] 范围变化时， 径向磁轴承各磁极对合力的大小和正负 均会变化， 即各磁极对的承载状态会发生变化， 需要不同的控制参数。 根据上径向磁轴承各 磁极对静态工作电流可以得到各磁极对所需提供的电磁力合力 F11 和 F12 的大小和正负， 据 此可以推算出旋转角 β 的大小， 计算公式为 ：
如果 F11 ＞ 0， F12 ＞ 0， 则 如果 F11 ＜ 0， F12 ＞ 0， 则
如果 F11 ＜ 0， F12 ＜ 0， 则 如果 F11 ＞ 0， F12 ＜ 0， 则 进一步地， 所述的调整控制方法还包括将安装角数据进行优化的步骤 ； 步骤 1 ： 通过 Fz 和 F1 的数值计算安装角 α′， 其计算公式为 ： 当 Fz ＞ 0 时，
当 Fz ＜ 0 时，步骤 2 ： 所述安装角 α 优化子模块将利用 Fz 和 F2 数值多次测得的安转角 αi， 以及利用 Fz 和 F1 数值多次测得的安转角 α′ i 取平均值， 获得更精确的安装角估计值 其中 i ＝ N。进一步地， 所述的调整控制方法还包括将旋转角进行优化的步骤 ；
步骤 1 ： 通过下径向各磁极对所需提供的电磁力合力 F21 和 F22 的数值计算旋转角 β′ ； 计算公式为 ：
如果 F21 ＞ 0， F22 ＞ 0， 则 如果 F21 ＜ 0， F22 ＞ 0， 则 如果 F21 ＜ 0， F22 ＜ 0， 则 如果 F21 ＞ 0， F22 ＜ 0， 则 步骤 2 ： 所述旋转角 β 优化子模块将利用 F11 和 F12 数值多次测得的旋转角 βi，
以及利用 F21 和 F22 数值多次测得的旋转角 β′ i 取平均值， 获得更精确的旋转角估计值 其中 i ＝ N。 相比现有技术， 本发明的有益效果在于 ：
1、 磁悬浮分子泵安装于某一位置时， 能够根据所处的安装角 α 和旋转角 β 匹配 对应的径向和轴向磁轴承偏置电流以及 PID 控制参数， 实现磁悬浮分子泵稳定工作， 有效 地避免了磁轴承偏置电流取固定值时产生的电流过大或偏小问题， 以及采用固定控制算法 造成磁悬浮分子泵性能下降的问题， 提高了系统性能。
2、 本发明所述的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， 根据磁悬浮分子泵转子静态悬浮时的静态工作电流来推导 出安装角 α、 旋转角 β， 从而可以通过测量和计算获得所述磁悬浮分子泵安装在当前位置 对应的安装角 α、 旋转角 β， 提高了其测量精度， 为所述调整控制单元得到当前的径向磁 轴承偏置电流、 轴向磁轴承偏置电流和磁轴承 PID 控制参数提供输入参数。该技术方案不 需要增加位置传感器即可得到安装角 α 和旋转角 β， 节省了成本。
3、 通过安装角 α 估算优化子模块， 旋转角 β 估算优化子模块， 有助于提高安装角 α、 旋转角 β 的测量和计算精度， 保证了所需结果径向磁轴承偏置电流、 轴向磁轴承偏置 电流和磁轴承 PID 控制参数的精度。
4、 所述数据采集存储单元在安装角 α 和旋转角 β 每变化 5°时进行一次数据采 集和存储， 这样数据采集存储单元可以均匀的得到各个预定安装位置的参数， 从而保证了 数据采集存储单元数据采集的普遍性和准确性。 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 是安装角 α 变化时， 径向磁轴承和轴向磁轴承分力图 ；
图 2 是旋转角 β 变化时， 径向磁轴承各磁极对分力图 ；
图 3 是磁悬浮分子泵安装角 α 的示意图 ；
图 4 是磁悬浮分子泵旋转角 β 示意图 ；
图 5 是磁悬浮分子泵控制系统结构图。
图中所示标记为 ： 11- 上径向磁轴承 ； 12- 转子 ； 13- 电机 ； 14- 下径向磁轴承 ； 15- 上轴向磁轴承 ； 16- 推力盘 ； 17- 下轴向磁轴承。
具体实施方式
结合图 3 所示， 本发明所述的磁悬浮分子泵包括径向磁轴承、 轴向磁轴承、 转子 12、 电机 13 和推力盘 16 ； 所述的径向磁轴承包括上径向磁轴承 11 和下径向磁轴承 14， 所述 的轴向磁轴承包括上轴向磁轴承 15 和下轴向磁轴承 17。磁悬浮分子泵的自适应控制系统 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包括数据采集模块和数据存储模块 ：
所述数据采集存储单元获取分子泵安装于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 12 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位置时的安装角 α、 旋转角 β、 径向磁轴承偏置电流、 轴向磁轴承偏置电流和 PID 控制参数 ；所述数据采集存储单元在安装角 α 和旋转角 β 每变化 5°时进行一次数据采集 和存储， 其中 α， β ∈ [0°， 360° ]。由于当安装角 α 在 [0°， 90° ] 和 (270°， 360° ] 区间内变化时， 轴向磁轴承合力 Fz 变化情况相同， 当两个区间内 Fz 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 Fz 变化情况相同， 当两个区间内 Fz 取值相同时， 所需磁轴承控制参数也相同。 因此数据采集存储单元中只需要存储安装角 α 在 [0°， 180° ] 范围内变化， 旋转角 β 在 [0°， 360° ] 范围内变化时的安装角 α、 旋转角 β 及其对应的磁轴承控制参数。
所述数据采集存储单元中的数据采集存储方法包括如下步骤 ：
步骤 1 ： 其中， 如图 3 所示， 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 ； 如图 4 所示， 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。
分子泵安装于某一预定位置时， 测量并记录此时分子泵安装角 α 和旋转角 β， 利 用静态悬浮程序实现分子泵转子 12 稳定静态悬浮 ；
步骤 2 ： 调整径向和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， 记录该组偏置电流和 PID 控制参数 ； 步骤 3 ： 改变磁悬浮分子泵安装角 α 和旋转角 β， 重复步骤 1 至 2， 得到多个预定 安装位置处磁悬浮分子泵的安装角 α、 旋转角 β、 径向磁轴承偏置电流、 轴向磁轴承偏置 电流和 PID 控制参数， 并将上述四个参数制成参数表放置在存储器中。
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 ；
结合图 1 和图 2 所示， 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 12 静态悬浮时， 对于径向磁轴承来说， 转子 12 与磁极对 1 之 间的距离和转子 12 与磁极对 3 之间的距离相等， 转子 12 与磁极对 2 之间的距离和转子 12 与磁极对 4 之间的距离相等 ； 对于轴向磁轴承来说， 转子 12 与上轴向磁轴承 15 和下轴向磁 轴承 17 之间的距离相等 ； 由此磁轴承电磁力公式为 ：
其中， ki(i ＝ 1， 2， ...5) 为磁轴承电磁力系数 ； Fz 为轴向磁轴承合力， 向沿上轴向 磁轴承 15 磁力方向 ；
I11， I12， I13， I14 分别为上径向磁轴承 11 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 14 磁极对 1-4 对应的静态工作电流 ；
Iz1， Iz2 分别为上轴向磁轴承 15 和下轴向磁轴承 17 对应的静态工作电流 ；
F11 为上径向磁轴承 11 磁极对 1， 3 的合力， 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 11 磁极对 2， 4 的合力， 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 14 磁极对 1， 3 的合力， 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 14 磁极对 2， 4 的合力， 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 Fz 变化情况相同， 当两个区间内 Fz 取值相同时， 所需磁轴承控制参数也相同。因此安装角 α 在这两个区间变化时， 对于同一个 Fz 值安装角 α 只取对应 [0°， 90° ] 范围内的那个角度 值； 当安装角 α 在 (90°， 180° ] 和 (180°， 270° ] 区间内变化时， 轴向磁轴承合力 Fz 变 化情况相同， 当两个区间内 Fz 取值相同时， 所需磁轴承控制参数也相同。因此安装角 α 在 这两个区间变化时， 对于同一个 Fz 值安装角 α 只取对应 (90°， 180° ] 范围内的那个角度 值；
通过已知的 Fz 和 F2 的数值计算安装角 α ；
17F1×L1 ＝ F2×L2 当安装角 α 在 [0°， 90° ] 和 (270°， 360° ] 区间时， Fz ＞ 0， 安装角 α 计算公式为 ：安装角 α 在 (90°， 180° ] 和 (180°， 270° ] 区间时， Fz ＜ 0， 安装角 α 计算公式为 ：102032208 A CN 102032211
说明书11/14 页其中， 上径向磁轴承 11 分力为 F1， 方向如图 1 所示 ； 下径向磁轴承 14 分力为 F2， 方向如图 1 所示 ； 转子 12 重力为 G， 方向竖直向下 ； 上径向磁轴承 11 与转子 12 质心距离为 L1 ； 下径向磁轴承 14 与转子 12 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 如果 F11 ＜ 0， F12 ＞ 0， 则 如果 F11 ＜ 0， F12 ＜ 0， 则 如果 F11 ＞ 0， F12 ＜ 0， 则
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参数更新为所述数 据调取模块查找的参数 ；
其中， 如图 3 所示， 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 ； 如图 4 所示， 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。
所述调整控制单元的调整控制方法包括如下步骤 ：
步骤一 ： 将磁悬浮分子泵安装在某一安装位置后， 利用静态悬浮程序实现分子泵 转子 12 稳定静态悬浮， 测量径向磁轴承静态工作电流和轴向磁轴承静态工作电流， 据此估 算出磁悬浮分子泵安装角 α 和旋转角 β ；
所述分子泵的安装角 α 和旋转角 β 的估算方法如下 ：
①磁悬浮分子泵转子 12 静态悬浮时， 对于径向磁轴承来说， 转子 12 与磁极对 1 之 间的距离和转子 12 与磁极对 3 相等， 转子 12 与磁极对 2 之间的距离和转子 12 与磁极对 4 之间的距离相等 ； 对于轴向磁轴承来说， 转子 12 与上轴向磁轴承 15 和下轴向磁轴承 17 之 间的距离相等 ； 由此磁轴承电磁力计算公式为 ：
其中， ki(i ＝ 1， 2， ...5) 为磁轴承电磁力系数 ； Fz 为轴向磁轴承合力， 方向沿上轴向磁轴承 15 磁力方向 ；
I11， I12， I13， I14 分别为上径向磁轴承 11 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 14 磁极对 1-4 对应的静态工作电流 ；
Iz1， Iz2 分别为上轴向磁轴承 15 和下轴向磁轴承 17 对应的静态工作电流 ；
F11 为上径向磁轴承 11 磁极对 1， 3 的合力， 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 11 磁极对 2， 4 的合力， 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 14 磁极对 1， 3 的合力， 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 14 磁极对 2， 4 的合力， 方向为沿下径向磁轴承磁极对 2 磁力 方向 ；
②当安装角 α 在 [0°， 90° ] 和 (270°， 360° ] 区间内变化时， 轴向磁轴承合力 Fz 变化情况相同， 当两个区间内 Fz 取值相同时， 所需磁轴承控制参数也相同。因此安装角 α 在这两个区间变化时， 对于同一个 Fz 值安装角 α 只取对应 [0°， 90° ] 范围内的那个角 度值 ； 当安装角 α 在 (90°， 180° ] 和 (180°， 270° ] 区间内变化时， 轴向磁轴承合力 Fz 变化情况相同， 当两个区间内 Fz 取值相同时， 所需磁轴承控制参数也相同。因此安装角 α 在这两个区间变化时， 对于同一个 Fz 值安装角 α 只取对应 (90°， 180° ] 范围内的那个角 度值 ；
通过已知的 Fz 和 F2 的数值计算安装角 α， 计算公式如下 ：
F1×L1 ＝ F2×L2， 当安装角 α 在 [0°， 90° ] 和 (270°， 360° ] 区间时， Fz ＞ 0， 安装角 α 计算公式为 ：安装角 α 在 (90°， 180° ] 和 (180°， 270° ] 区间时， Fz ＜ 0， 安装角 α 计算公式为 ：其中， 上径向磁轴承 11 分力为 F1， 方向如图 1 所示 ； 下径向磁轴承 14 分力为 F2， 方 向如图 1 所示 ； 转子 12 重力为 G， 方向为竖直向下 ； 上径向磁轴承 11 与转子 12 质心距离为 L1 ； 下径向磁轴承 14 与转子 12 质心距离为 L2 ；
③旋转角 β 在 [0°， 360° ] 范围变化时， 径向磁轴承各磁极对合力的大小和正负 均会变化， 即各磁极对的承载状态会发生变化， 需要不同的控制参数。 根据上径向磁轴承 11 各磁极对静态工作电流可以得到各磁极对所需提供的电磁力合力 F11 和 F12 的大小和正负， 据此可以推算出旋转角 β 的大小， 计算公式为 ：
如果 F11 ＞ 0， F12 ＞ 0， 则如果 F11 ＜ 0， F12 ＞ 0， 则 如果 F11 ＜ 0， F12 ＜ 0， 则 如果 F11 ＞ 0， F12 ＜ 0， 则 为获得更精确的安装角数值， 还包括将安装角数据进行优化的步骤 ； 步骤 1 ： 通过 Fz 和 F1 的数值计算安装角 α′， 其计算公式为 ： 当 Fz ＞ 0 时，
当 Fz ＜ 0 时，步骤 2 ： 所述安装角 α 优化子模块将利用 Fz 和 F2 数值多次测得的安转角 αi， 以及利用 Fz 和 F1 数值多次测得的安转角 α′ i 取平均值， 获得更精确的安装角估计值 其中 i ＝ N。为获得更精确的旋转角数值， 还包括将旋转角进行优化的步骤 ：
步骤 1 ： 通过下径向各磁极对所需提供的电磁力合力 F21 和 F22 的数值计算旋转角 β′ ； 计算公式为 ：
如果 F21 ＞ 0， F22 ＞ 0， 则 如果 F21 ＜ 0， F22 ＞ 0， 则 如果 F21 ＜ 0， F22 ＜ 0， 则 如果 F21 ＞ 0， F22 ＜ 0， 则 步骤 2 ： 所述旋转角 β 优化子模块将利用 F11 和 F12 数值多次测得的旋转角 βi，
以及利用 F21 和 F22 数值多次测得的旋转角 β′ i 取平均值， 获得更精确的旋转角估计值 其中 i ＝ N。 步骤二 ： 根据估算出的分子泵安装角 α 和旋转角 β 查找所述数据采集存储阶段 的参数表， 找到参数表中相同或最相近的安装角 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， 并更新静态悬浮程序中的相关参数。
结合图 5 所示的磁悬浮分子泵的自适应控制系统框图， 首先离线建立控制参数 表， 该控制参数表存储有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。使用时， 根据磁轴承静态工作电流估算安装角 α 和旋转角 β， 查找控制参数表获得磁轴承偏置电流和 PID 参数并据此更新静态悬浮程序中 的控制参数， 使系统稳定运行。图中， r 为系统输入， u(k) 为控制器输出的控制量， x 为转子 位移， 当转子位置变化时， 检测装置检测到 x 并反馈到控制器中构成闭环。
显然， 上述实施例仅仅是为清楚地说明本专利思想所作的举例， 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。