一种分子泵的升速控制方法与流程

本发明涉及真空泵控制技术领域，具体涉及一种分子泵的升速控制方法。

背景技术：

分子泵是一种常见的真空获得设备，它是利用高速旋转的叶片把动量传递给气体分子，使得气体在刚体表面产生定向速度，并驱至排气口，再被前级真空抽走的一种真空泵。

现有技术的分子泵电机的一般结构如附图1中所示，一般包括定子1和转子2，定子上缠绕y型连接的绕组a3、绕组b4、绕组c5，定子具有三条引线：引线r6、引线g7和引线b8，每条引线一端与一个绕组相连，另一端与分子泵控制器相连，每个绕组与一个公共点com9相连，该公共点com9为所有三个绕组共同使用。

转子由围绕电机圆周的极性相反的永磁体构成，当任意两相绕组如绕组a和绕组b通电时，定子可产生磁场，磁场方向由如附图1中右部n和s标记指示，此时转子在磁场转矩的作用下旋转，使得转子的n磁极与定子磁场的s磁极对齐，同样的，转子的s磁极与定子磁场的n磁极对齐。

现有技术中分子泵升速过程如附图2中所示，分为(1)预定位、(2)开环加速、(3)-(4)开环转速检测、(5)闭环控制共四个阶段，预定位阶段首先对两相绕组通电，通电后在两相定子绕组中将产生一定方向的合成磁场，如果磁场足够强，通过延时一段时间，合成的电磁转矩即可将分子泵转子拖动到与定子绕组合成磁场轴线重合的位置，从而完成定位过程。

预定位结束后，电机进入开环加速阶段，在这个过程中，通过升压升频的方法，按照电机的加速曲线可以将转子加速；开环加速阶段结束后，进入开环转速检测阶段，通过断电切换的方法，事先根据电机的反电动势特性设置一个切换速度值，当电机开环加速到该切换速度值时，将所有绕组断电若干周期，并检测分子泵的转速，实现闭环切换，进入闭环控制阶段；在闭环控制阶段，以分子泵转速值作为反馈，通过控制算法进行分子泵的转速控制，保证分子泵转速上升。

现有技术的分子泵升速控制方法存在两个问题：

一是在预定位阶段，存在一种特殊情况，如果预定位前电机转子磁场与定子绕组合成磁场恰好为180°机械角度，则此时电磁转矩刚好为零，此时无法完成预定位，导致分子泵升速失败。

二是在闭环控制阶段，电机在闭环控制的升速阶段会发生失步现象，此时分子泵的转速就无法检测准确，甚至转速的检测值会发生突变，与分子泵的真实转速值相差甚大；此时，闭环运算控制算法因为转速反馈的错误，会进一步恶化转速控制效果，造成分子泵升速失败。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种分子泵的升速控制方法，解决了现有技术分子泵升速控制过程中无法完成预定位以及升速失败的技术问题。

本发明通过下述技术方案实现：包括如下步骤：

(1)预定位：进行两次或大于两次的预定位操作，所述预定位操作为给任意两相绕组通电，第n次预定位操作中通电的绕组组合与第n-1次预定位操作通电的绕组组合不同，其中n是大于或等于2的整数，控制分子泵的转子定位在目标位置上；

(2)开环加速：控制所述转子加速；

(3)开环转速检测：检测分子泵转速信号，根据转速信号判断是否进入所述闭环控制；

(4)闭环控制：控制分子泵的转速上升、达到设定转速并最终稳定在设定转速。

优选地，所述闭环控制包括闭环升速过程和稳速控制过程；

所述闭环升速过程实时判定电机失步与否，并根据实时判定结果执行下列相应的动作：

若电机失步，分子泵控制器减小输出电流，并继续判定电机失步与否，分子泵控制器根据实时判定结果执行相应的动作；

若电机未失步，继续判断当前分子泵转速是否达到设定转速，若达到则分子泵控制器进入稳速控制过程，若未达到则分子泵控制器增大输出电流，并继续判定电机失步与否，继而分子泵控制器执行相应的动作。

优选地，所述判定电机失步的方法为：设定分子泵的转速增量阈值δv，实时检测分子泵的转速为v1，相比于实时转速v1上一时刻的转速v0，比对v1-v0的绝对值与阈值δv的大小，若绝对值abs(v1-v0)>δv，则判定电机发生了失步，若abs(v1-v0)小于或等于δv，则判定电机未失步。

优选地，所述分子泵控制器输向通电绕组的输出电流为每隔一段时间δt、以一定步长δi为增量的电流，所述步长δi为正值。

优选地，分子泵控制器根据电机失步与否增大或减小输出电流的方法为：

若电机未失步，且判定分子泵转速未达到设定转速，则分子泵控制器继续每隔一段时间δt、以步长δi为增量增大输出电流，若电机未失步且分子泵转速达到设定转速，则分子泵控制器不再继续增大输出电流；

若电机失步，则分子泵控制器不再继续增大电流，并控制当前的输出电流减小，且减小值为步长δi。

优选地，所述稳速控制过程采用pid控制算法，控制分子泵的转速稳定在设定转速。

优选地，所述开环转速检测过程为：开环加速结束后，将分子泵的所有绕组断电若干个电周期，检测分子泵当前转速，若检测到分子泵的转速信号，则分子泵控制器进入闭环升速过程，若检测不到分子泵的转速信号，则分子泵控制器进入预定位过程重新开始。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

(1)本发明中预定位过程进行两次或多次预定位，避免了只有一次预定位出现转子磁场与定子绕组合成磁场恰好为180°机械角度的情况时，导致预定位无法成功的情况，通过两次或多次预定位的方法，确保将分子泵转子固定在目标位置上。

(2)闭环升速过程的控制算法，不再以分子泵的速度值的大小作为反馈值，而以是否发生电机失步现象作为反馈值，这样出现了电机失步现象，分子泵也能正常升速，解决了分子泵电机失步时的升速失败问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为现有的分子泵电机的结构图。

图2为现有技术中分子泵升速控制方法流程图。

图3为本发明中分子泵升速控制方法流程图。

图中：1定子、2转子、3绕组a、4绕组b、5绕组c、6引线r、7引线g、8引线b、9公共点com、10分子泵控制器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

本发明提出的一种分子泵的升速控制方法，包括如下步骤：

(1)预定位：进行两次或大于两次的预定位操作，可以选择两次或者三次、四次等，根据需要进行设置；每次的预定位操作中，给任意两相绕组通电，第n次预定位操作中通电的绕组组合与第n-1次预定位操作通电的绕组组合不同，其中n是大于或等于2的整数；例如第一次预定位，给任意两相绕组通电，第二次预定位，给任意两相与第一次不同的绕组通电，控制分子泵的转子定位在目标位置上，即是将分子泵的转子拖动到与定子绕组合成的磁场轴线重合的位置上；

(2)开环加速：预定位结束后，控制转子加速，此过程与现有的开环加速过程相同；

(3)开环转速检测：开环加速结束后，将定子的所有绕组断电若干个电周期，然后检测分子泵的转速信号，根据转速信号判断是否进入闭环控制，若能检测到分子泵转速，分子泵控制器10的控制程序切换入闭环升速过程，若检测不到分子泵的转速，则控制程序就跳转到预定位阶段，重新开始；

(4)闭环控制：包括闭环升速过程和稳速控制过程，在闭环升速过程中，给绕组通过一个电流初始值i0，i0值不能过大，否则会产生造成电机失步；也不能过小，否则分子泵转速会无法维持并下降，需要根据电机特性如定子绕组匝数、绕组阻值、额定功率等确定电流初始值，并记i1＝i0，参数i1表示上一时刻的电流输出值，且每隔一段时间δt，以δi为步长，向绕组输出电流iout＝i1+δi，并记i1＝iout，此处以时间间隔δt＝0.1s、步长δi＝0.1a为例，则在前一个0.1s，所有通电绕组的通过电流均为1a，下一个0.1s，所有通电绕组的通过电流均为1.1a。

闭环升速过程实时判定电机失步与否，分子泵控制器10根据判定结果执行下列相应的动作：

若电机失步，分子泵控制器10减小输出电流，并继续判定电机失步与否，根据实时判定结果，分子泵控制器10继续进行以上的动作，直至检测到分子泵的转速达到设定转速，进入稳速控制过程。

若电机未失步，继续判断当前分子泵转速是否达到了设定转速，若达到则分子泵控制器10进入稳速控制过程，若未达到则分子泵控制器10增大输出电流，并继续判定电机失步与否，继而分子泵控制器10继续进行以上的动作，直至检测到分子泵的转速达到设定转速，进入稳速控制过程。

具体地判定电机失步的方法为：设定分子泵的转速增量阈值δv，阈值δv可以根据实际需要进行调整，实时检测分子泵的转速为v1，相比于实时转速v1上一时刻的转速v0，比对v1-v0的绝对值与阈值δv的大小，若绝对值abs(v1-v0)等于或小于δv，判定电机未发生失步，继而判断当前时刻分子泵的转速是否达到设定转速，若达到了则进入稳速控制过程，若未达到，则继续每隔一段时间δt，以δi为步长继续增大输出电流，并持续判定电机失步与否，分子泵控制器10根据判定结果执行相应的动作，直至分子泵转速达到设定转速，若绝对值abs(v1-v0)>δv，则判定电机发生了失步，不再继续增大iout，此时令iout＝i1-δi来减小输出电流，并持续判定电机失步与否，继而分子泵控制器10根据判定结果执行相应的动作。

稳速控制过程采用pid控制算法，控制分子泵转速稳定在设定转速。

以下以具体案例进行详细说明：

一种分子泵的升速控制方法，包括如下步骤(1)-(11)，共四个阶段，其中步骤(1)-(2)为预定位阶段，步骤(3)为开环加速阶段，步骤(4)-(5)为开环转速检测阶段，步骤(6)-(11)为闭环控制阶段，其中步骤(6)-(10)是闭环升速过程，步骤(11)为稳速控制过程。

具体步骤如下，流程如附图3中所示：

(1)第一次预定位，给分子泵的绕组a与绕组b通电，绕组a与绕组b所通过电流iout1＝2a，并延时t1＝2s，使转子定住。

(2)第二次预定位，给分子泵的绕组b与绕组c通电，绕组b与绕组c所通过电流大小为iout2＝4a，并延时t2＝4s，使转子定住。

(3)两次预定位结束后，进行开环加速，设置开环切换转速为分子泵设定转速的10％。

(4)开环加速结束后，将定子所有绕组断电2个电周期，检测当前分子泵转速。

(5)若能检测到分子泵转速，分子泵控制器的控制程序进入闭环升速过程，进入步骤(6)；若检测不到分子泵转速，则分子泵控制器的控制程序跳至步骤(1)，整个过程重新开始。

(6)在闭环控制时，给绕组通过一个电流初始值i0＝1a，并记i1＝i0，参数i1表示上一时刻分子泵控制器的电流输出值。

(7)每隔一段时间δt＝2s，以δi＝0.1a为电流步长，给绕组通过电流iout＝i1+δi，并记i1＝iout。

(8)设定速度增量阈值δv为设定转速的1％，并实时检测当前时刻分子泵转速v1，并与分子泵的上一时刻转速v0作对比，若abs(v1-v0)>δv，则判定电机发生了失步现象，控制分子泵控制器进入步骤(9)，若未发生失步现象，分子泵控制器的控制程序进入步骤(10)。

(9)发生失步现象时，不再继续增大iout，此时令iout＝i1-δi，并记i1＝iout，控制程序转入步骤(8)，继续判定失步与否，根据判定结果，分子泵控制器继续执行相应的动作。

(10)未发生失步现象时，判断分子泵当前转速是否达到设定的转速，若达到设定转速，程序进入步骤(11)，若未达到设定转速，升速程序进入步骤(7)，继续增大输出电流，直到分子泵转速达到设定转速，程序进入步骤(11)。

(11)升速程序结束，开始稳速控制过程，该稳速控制过程采用pid运算算法进行控制，使分子泵的转速始终稳定在设定转速，此过程中，设置比例增益kp＝2，积分增益ki＝5，微分增益kd＝0，当然这里的各个参数kp、ki、kd可以根据需要进行调整，且pid运算算法为已知技术，为本领域技术人员应该掌握的现有技术，在此不再进行赘述。

所有上述控制步骤(1)至(11)均由分子泵控制器完成，此外分子泵控制器还需要完成转速信号的检测并对绕组输出控制电流，且分子泵控制器为现有技术，其具体的结构、控制原理均为本领域技术人员应该掌握的现有技术。

在上述过程中，时间δt、电流步长δi、电流初始值i0、速度增量阈值δv、两次预定位的电流iout1与iout2、两次预定位延时时间t1和t2等所有参数都可以根据不同的需要进行调整，且根据不同种类的分子泵，设置不同的要达到的设定转速。

本领域普通技术人员可以理解实现上述事实和方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，涉及的程序或者的程序可以存储于一计算机所可读取存储介质中，该程序在执行时，包括如下步骤：此时引出相应的方法步骤，的存储介质可以是rom/ram、磁碟、光盘等等。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。