一种磁悬浮分子泵转子极小位移主动控制方法技术

本发明专利技术涉及一种磁悬浮分子泵转子极小位移主动控制方法。通过分析磁悬浮转子系统不平衡振动形成机理，建立磁悬浮转子系统的广义被控对象数学模型。基于线性自抗扰控制原理设计各通道控制器，将系统的不平衡振动视为一种外部扰动，利用线性扩展状态观测器对扰动进行实时估计并补偿，使得控制信号中叠加了幅值和相位合适的同频补偿信号以抵消转子不平衡激振力，实现转子绕几何轴高速高精度旋转，从而达到磁悬浮转子系统极小位移主动控制的目的。与传统控制方法相比，该方法参数调理简单，易于实现，能大幅减小位移信号中的转速同频分量，转子涡动半径小，旋转精度高，对提高磁悬浮转子系统性能和可靠性有重要意义。

An active control method for minimum displacement of magnetic suspension molecular pump rotor

The invention relates to an active displacement control method for a magnetic suspension molecular pump rotor. By analyzing the formation mechanism of unbalanced vibration of magnetic suspension rotor system, a generalized controlled object mathematical model of magnetic suspension rotor system is established. Based on the principle of linear ADRC, the unbalanced vibration of the system is regarded as an external disturbance. The disturbance is real-time estimated and compensated by the linear extended state observer. The control signal is superimposed with the same frequency compensation signal with appropriate amplitude and phase to counteract the unbalanced exciting force of the rotor. Now the rotor rotates around the geometric axis with high speed and high precision, so as to achieve the purpose of active control of the minimum displacement of the magnetic suspension rotor system. Compared with the traditional control method, this method is simple in parameter adjustment, easy to realize, can greatly reduce the same frequency component of rotational speed in the displacement signal, the rotor whirl radius is small, the rotation accuracy is high, and has important significance to improve the performance and reliability of the magnetic suspension rotor system.

【技术实现步骤摘要】
一种磁悬浮分子泵转子极小位移主动控制方法
本专利技术涉及一种磁悬浮分子泵转子极小位移主动振动控制方法，可应用于高速磁悬浮转子系统高精度和强鲁棒控制，属于运动控制领域。
技术介绍
磁悬浮分子泵是获取高真空的一个重要设备，被广泛应用于各种高真空场合。相较于传统机械轴承，磁悬浮轴承作为一种新型轴承，因其具有非接触、无摩擦、高转速、高精度、长寿命、可对转子动不平衡进行主动控制等特殊优点，具有广阔的应用前景。由于磁悬浮转子系统的控制精度是决定分子泵能否高速长期稳定可靠运行的重要因素，而磁悬浮转子在实际运转过程中存在各种复杂振动问题，其中最主要是由于与转子同频的动不平衡，给系统的高精度和高稳定控制带来巨大挑战。动不平衡产生的根本原因在于转子质量不平衡，由于机械加工精度等原因，转子的质量分布不均匀，几何轴和惯性主轴不重合，产生离心力。由于离心力的大小与转子转速的平方成正比，尤其随着转子在转速升高，不平衡振动力急剧增加，导致转子位移精度下降，严重时转子会与机械保护轴承碰撞，影响系统的稳定运行。磁悬浮转子系统具备实时主动控制能力，为实施不平衡振动控制提供了独特优势，通过对不平衡振动抑制，对提高磁悬浮转子系统控制精度和可靠性均有重要意义。目前，针对磁悬浮转子不平衡振动主动控制方法有两种，方法一：自平衡主动振动控制，在反馈通道中通过消除位移传感器输出信号中的转速同频分量，从而消除传递给磁轴承的同步激振力，让转子绕惯性主轴旋转；方法二：自对中主动振动控制，使得线圈产生额外的补偿电磁力来抵消不平衡激振力，抑制转子位移的同频振动，使转子绕几何主轴旋转。方法一具有运行噪声小，动基座效应小等优点，但是无法抑制转子位移信号中的转速同频涡动，随着转速升高，造成转子涡动半径增大，可能与保护轴承碰撞，导致系统失稳；方案二能使转子旋转精度高，涡动半径小，但是由于同频轴承力反作用到磁轴承上，系统噪声和动基座效应较为明显，系统功耗增加。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：针对磁悬浮分子泵转子系统受不平衡振动引起位移精度下降的问题，提出一种基于线性自抗扰控制器的转子极小位移主动控制方法。该方法将系统的不平衡振动视为一种外部扰动，通过线性扩展状态观测器对扰动进行实时估计并补偿，实现转子绕几何轴高速高精度旋转，从而达到磁悬浮转子系统极小位移主动控制的目的，为磁悬浮分子泵稳定可靠运行提供了有效的控制方法。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案是：一种磁悬浮分子泵转子极小位移主动控制方法，包括以下步骤：(1)磁悬浮分子泵的转子动力学模型将磁悬浮分子泵转子视为刚性转子，磁悬浮转子的动不平衡是由静不平衡和偶不平衡两部分组成，其中静不平衡是由于转子存在质量偏心，即惯性轴与几何轴互不重合，造成静不平衡力；偶不平衡是由于转子惯性轴与几何轴不平行，造成扰动力矩；以动不平衡转子的质心为原点建立广义坐标系，得到磁悬浮转子的动力学方程：式中：m为转子质量，Jx、Jy和Jz分别是转子绕x、y和z轴的转动惯量；Fx是转子受到沿x方向的磁力，Fy是转子受到沿y方向的磁力，Mx是转子受到x方向的磁力矩、My是转子受到y方向的磁力矩；Ω是转子旋转角速度；αG、βG是转子在广义坐标系下绕x轴和y轴的角位移；xG、yG分别是转子在广义坐标系下的位移；fxd是沿x方向的静不平衡力，fyd是沿y方向的静不平衡力；pxd是沿x方向的扰动力矩，pyd是沿y方向的扰动力矩；其中：式中：ε为静不平衡偏心距；σ为旋转轴与坐标轴夹角；θ为静不平衡角位置；为偶不平衡的角位置。考虑功放系统为一阶惯性环节，传感器为比例环节，结合磁悬浮转子的动力学方程，得到磁悬浮转子系统径向四通道的广义被控对象数学模型：式中：xa、xb、ya和yb时是磁悬浮转子分别在Ax、Bx、Ay和By方向上的线性位移量；f(·)为系统的总扰动，其中ωi(i＝1,2,3,4)是磁悬浮转子的不平衡扰动量；b0i(i＝1,2,3,4)是控制信号ui(t)(i＝1,2,3,4)的系数。(2)设计线性自抗扰控制器磁悬浮转子系统四通道采用相同结构的控制器，对于Ax通道，具有模型辅助的线性扩张状态观测器表达形式：式中：y是Ax通道传感器的位移输出，y＝xa；u是控制器输出的控制信号；z1是y的跟踪信号，z2是的跟踪信号，z3是的跟踪信号，z4是总扰动f(·)的跟踪信号；a0是y的系数，a1是的系数，a2是的系数；b0是Ax通道控制信号系数b01的估计值；L＝[β1β2β3β4]为线性扩张状态观测器增益。线性状态误差反馈控制律的表达形式为：式中：u0为误差的线性组合；u是控制器的输出；KP是比例系数，Kd1是一阶微分系数，Kd2是二阶微分系数，均是控制器调节参数；ysp是设定的位移跟踪目标值。本专利技术的原理是：根据自抗扰控制器对系统扰动的特殊处理方式，将磁悬浮转子系统受到的不平衡振动视为一种外部扰动，通过具有模型辅助的线性扩展状态观测器对其进行实时估计并补偿，使得控制信号中叠加了幅值和相位合适的同频补偿信号以抵消转子不平衡激振力，实现磁悬浮转子系统极小位移的主动振动控制。本专利技术在建立磁悬浮转子系统广义被控对象数学模型的基础上，基于线性自抗扰控制原理，设计各子系统的线性自抗扰控制器，最终实现转子系统极小位移的主动控制。本专利技术与现有控制方案相比的优点在于：(1)本专利技术提出了一种基于线性自抗扰控制器的磁悬浮分子泵转子极小位移主动控制方法，该方法结构简单，参数调理容易，易于实现，可应用于对高速磁悬浮转子位移振动幅度要求较高的场合。(2)本专利技术所提出的方法不需要被控对象的精确模型，而且能对系统模型不确定性和陀螺效应进行估计和补偿，有效提高系统的鲁棒性。附图说明图1为本专利技术方案的流程框图；图2为磁悬浮转子系统结构图，其中，1代表转子，2代表传感器A，3代表磁轴承A，4代表磁轴承B，5代表传感器B；图3为磁轴承控制系统结构框图；图4为单通道线性自抗扰控制器结构图；图5为具有模型辅助的线性扩张状态观测器结构图；图6为线性自抗扰控制器Ax通道位移信号频谱图；图7为传统PID控制器Ax通道位移信号频谱图；图8为含随机噪声的线性自抗扰控制器Ax通道位移信号频谱图；图9为含随机噪声的传统PID控制器Ax通道位移信号频谱图。具体实施方案下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本专利技术。如图1-9所示，本专利技术一种磁悬浮分子泵转子极小位移主动控制方法的具体步骤如下：(1)如图1所示，本专利技术首先分析磁悬浮转子系统不平衡振动形成机理，建立动不平衡的磁悬浮转子动力学方程，然后考虑功放环节和传感器环节，得到磁悬浮转子系统的广义被控对象数学模型，最后，基于线性自抗扰控制原理和广义被控对象数学模型，设计出具有模型辅助的线性自抗扰控制器，用于磁悬浮转子系统极小位移的主动控制。(2)如图2所示，本专利技术将磁悬浮分子泵转子视为刚性转子，磁悬浮转子的动不平衡是由静不平衡和偶不平衡两部分组成，主要是由于转子质量分布不均匀、加工和安装误差等原因造成。其中静不平衡是由于转子存在质量偏心，即惯性轴与几何轴互不重合，造成静不平衡力；偶不平衡是由于转子惯性轴与几何轴不平行，造成扰动力矩。以动不平衡转子的质心为原点建立广义坐标系，得到磁悬浮转子的动力学方程：式中：m为转子质量，Jx、Jy和Jz分别是转子绕x、y和z本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁悬浮分子泵转子极小位移主动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)磁悬浮分子泵的转子动力学模型将磁悬浮分子泵转子视为刚性转子，磁悬浮转子的动不平衡是由静不平衡和偶不平衡两部分组成，其中静不平衡是由于转子存在质量偏心，即惯性轴与几何轴互不重合，造成静不平衡力；偶不平衡是由于转子惯性轴与几何轴不平行，造成扰动力矩；以动不平衡转子的质心为原点建立广义坐标系，得到磁悬浮转子的动力学方程：

【技术特征摘要】
1.一种磁悬浮分子泵转子极小位移主动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)磁悬浮分子泵的转子动力学模型将磁悬浮分子泵转子视为刚性转子，磁悬浮转子的动不平衡是由静不平衡和偶不平衡两部分组成，其中静不平衡是由于转子存在质量偏心，即惯性轴与几何轴互不重合，造成静不平衡力；偶不平衡是由于转子惯性轴与几何轴不平行，造成扰动力矩；以动不平衡转子的质心为原点建立广义坐标系，得到磁悬浮转子的动力学方程：式中：m为转子质量，Jx、Jy和Jz分别是转子绕x、y和z轴的转动惯量；Fx是转子受到沿x方向的磁力，Fy是转子受到沿y方向的磁力，Mx是转子受到x方向的磁力矩、My是转子受到y方向的磁力矩；Ω是转子旋转角速度；αG、βG是转子在广义坐标系下绕x轴和y轴的角位移；xG、yG分别是转子在广义坐标系下的位移；fxd是沿x方向的静不平衡力，fyd是沿y方向的静不平衡力；pxd是沿x方向的扰动力矩，pyd是沿y方向的扰动力矩；其中：式中：ε为静不平衡偏心距；σ为旋转轴与坐标轴夹角；θ为静不平衡角位置；为偶不平衡的角位置；考虑功放系统为一阶惯性环节，传感器为比...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑世强，王灿，韩邦成，宋欣达，孟云平，陈诚，周冲，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11