能量流停机控制的磁悬浮轴承分子泵控制系统的

本发明涉及一种磁悬浮轴承分子泵设备领域，具体涉及关于应用用能量流停机控制使磁悬浮轴承分子泵快速且安全停机的控制系统及其相应的控制方法。背景技术：1、磁悬浮轴承是利用磁力作用将转子悬浮于空中，使转子与定子之间没有机械接触，非常适用于高转速的场景。采用磁悬浮轴承的分子泵广泛应用于真空领域，尤其是高等级半导体(数纳米级别)制程中的工业镀膜、离子注入和硅刻蚀等环节都需要用到磁悬浮分子泵。如荷兰的阿斯麦尔就大量采购来自英国edwards的磁悬浮轴承分子泵。此外，在高校院所的科技研究中，需要高真空度的场景，也同样是需要使用磁悬浮轴承分子泵。2、在半导体工艺制程中，需要反复启停分子泵。而由于采用高速旋转的磁悬浮分子泵，处于高真空度环境下运行，没有空气阻力，且轴承运行时候处于悬浮状态，没有摩擦力。转子的机械转动惯量相对于零空气阻力和零摩擦力的减速阻尼很大，所以一般完全停机需要十分钟左右。十分钟的停机时长影响了整个工艺制程的时长，以及工艺的连贯性。3、此外，在传统的磁悬浮分子泵中，其电机控制模块在停机过程对从电源模块输出，并输入电机控制的直流母线环节设置母线采样、电压控制环节。在停机过程中，需要对直流母线上的电压进行pi控制，以确保系统母线电压在安全范围内运行。由于pi是闭环控制方式，响应速度较慢、灵敏度不足、对非线性系统的适应性差是pi调节的特点。尤其是用磁悬浮轴承分子泵这样高速运转的高精密设备的控制，要求其控制响应速度极快。通常，在调节参数设置好的情况下，运行稳态中，pi控制可以保障直流电压的稳定。但是，磁悬浮轴承分子泵的停机情况，是一个复杂过程，采用pi控制的方式经常会导致系统过调节或欠调节。因此在磁悬浮分子泵停机情况下，pi调节方式容易导致控制失稳进而造成转子跌落，额外消耗保护轴承的寿命。传统方式解决该问题的逻辑就是通过延长停机过程时间，给pi调节更长的控制时段，来实现分子泵的稳步降速停机。但是，对应的代价就是磁悬浮轴承分子泵停机时间过长。4、另一方面，磁悬浮分子泵在突然外部供电掉电的情况下，磁悬浮轴承失去电力，造成转子悬浮失稳跌落。通常运行速率为60000至150000rpm高速旋转的转子跌落到保护轴承上，会对保护轴承造成重大冲击伤害，缩短分子泵的寿命。如果进一步，转子跌落时，造成分子泵叶轮动静片之间接触，即所谓碎泵事故。分子泵控制器在失电情况下，其母线电压的急剧变化，电机控制模块采用pi调节更加难以应对该种情况以保持输出的母线电压稳定。5、通常磁悬浮分子泵没有单独设置保护失电保护的功能。对于极端失电情况，在半导体工厂，通常在工厂的供电线路上设置有ups。但ups同样存在故障的可能性。相较于半导体工厂加工产品的高价值性和精密性，同时磁悬浮分子泵本体昂贵的价格，在磁悬浮轴承分子泵控制器设置失电保护功能很有必要性。而在在高校院所的科技研究中，需要高洁净度、高真空的环境，同样大量使用分子泵。在这些高精密的研发场合中，其实并没有配置相应足量的ups以对抗可能存在的失电风险，一旦出现供电电力故障情况，有大概率造成高速旋转运行中的磁悬浮分子泵转子失稳跌落。这些都是传统磁悬浮轴承分子泵所具有的技术不足。技术实现思路1、本发明的目的在于提供一种能量流停机控制的磁悬浮轴承分子泵控制系统，旨在至少解决上述现有技术存在的技术问题之一，为实现上述目的，其采用的技术解决方案如下：2、能量流停机控制的磁悬浮轴承分子泵控制系统，包括电源模块、电机控制模块、磁悬浮轴承控制模块、逻辑供电模块、过压制动模块和降压模块；所述电机控制模块还包括pi稳态控制单元和能量流停机控制单元；正常稳态运行时，由电源模块整流出直流电，输出至直流母线，由直流母线为电机控制模块供电；所述电机控制模块将直流电调制为控制高速电机运行的pwm波形输出给高速电机；直流母线上的直流电经过所述降压模块后提供给所述磁悬浮轴承控制模块，所述电机控制模块将降压后的直流电调制为控制磁悬浮轴承运行的pwm波形输出给磁悬浮轴承；直流母线输出直流电给所述逻辑供电模块，生成逻辑供电，为所述电机控制模块和磁悬浮轴承控制模块提供控制逻辑电；所述控制系统在稳态运行时，由pi控制单元向所述电机控制模块发出控制指令，此时由电源模块提供稳定的直流电给直流母线，由直流母线为电机控制模块、磁悬浮轴承控制模块、逻辑供电模块供电；所述控制系统在正常停机或检测到电网故障需要紧急停机等非稳态运行时，系统切换至能量流停机控制单元向所述电机控制模块发出控制指令，此时能量流向发生变化，由所述电机控制模块运行至发电机模式，将高速旋转的转子机械能转化为电能，快速消耗转子上的能量的同时提供直流电给直流母线，由直流母线为电机控制模块、磁悬浮轴承控制模块、逻辑供电模块供电以维持系统运行直至转子转速下降到停机安全转速以下。3、优选地，所述控制系统在稳态运行时采用闭环控制，所述pi稳态控制单元对直流母线上的母线电压进行采样，pi稳态控制单元获得采样后的母线电压反馈值udc_fdb，通过比较器与母线电压参考值udc_ref进行比较后，将两者之偏差进行积分控制，对结果进行限幅后输出电机q轴控制电流参考值-iq_ref至电机控制模块。4、优选地，所述系统在停机时采用开环控制；所述能量流停机控制单元的输入为停机时间t、转动惯量模型和控制策略；所述能量流停机控制单元的输出为电机q轴控制电流参考值-iq_ref至电机控制模块。5、优选地，在停机时，其控制方法为：6、步骤一，控制由pi稳态控制单元切换至能量流停机控制单元，能量流停机控制单元的输出电机q轴控制电流参考值至电机控制模块；7、步骤二，切换所述电机控制模块运行至发电机模式，向直流母线输出电力；8、步骤三，步骤一和步骤二均切换成功后，关闭所述电源模块；9、步骤四，电机控制模块根据设定停机时间t，输出能量，消耗转子动能，将转子转速降低至安全停机转速下。10、优选地，转子上存储的能量为：j为转子的转动惯量，ω1为初始转速，停机设定时间为t，停止发电时的转速为ω2，则停止所需消耗之能量流为：该时间内的损耗功率为p(t)，取积分计算：根据能量流，在所述电源模块关闭情况下，p(t)包括电机控制模块的损耗、逻辑供电的损耗、过压制动模块的损耗以及磁悬浮轴承控制的损耗，即p(t)＝pinverter+pdc-dc+pbrake(t)+pamb；其中，所述电机控制模块的损耗pinverter、辑供电的损耗pdc-dc以及磁悬浮轴承控制的损耗pamb为恒定值，制动电阻的损耗pbrake(t)为调节项；能量流积分计算公式为p(t)＝pconst+pbrake(t)；其中，电机发电功率为电机控制计算值，即p为永磁同步电机的极对数，ψf为永磁同步电机的磁链，iq为q轴电流参考值，ω(t)为实时转速；所述能量流停机控制单元输出电机q轴控制电流参考值-iq_ref为11、优选地，所述能量流停机控制单元输入的控制策略有2个自由度可以调节，以形成两种控制策略：12、(1)制动电阻的功率，以保证制动电阻的制动功率不超器件降额；pbrake(t)保持恒定，以制动电阻能够承受的最大功率发电，快速降低电机转速；13、(2)电机转速，iq(t)保持恒定，以恒定的转矩发电，制动电阻功率减小。14、优选地，在同一次停机制动的过程中的不同时间段，可分别采用控制策略(1)和控制策略(2)组合。15、与现有技术相比本发明具如下有益效果：16、在停机情况下，舍弃了常规的母线采样、电压控制pi环节，增加能量流控制模块，使用开环控制，得控制更简单、高效，减小停机时的故障可能，提升了磁悬浮分子泵停机过程中的安全性和稳定性。即便在电网掉电的情况下，仍可以通过电机控制器运行在发电机模式，将旋转转子的动能转化为机械能给磁悬浮轴承控制器供电。17、进一步的，由于采用此发明，还缩短了磁悬浮分子泵的停机时长，使高等级半导体加工工艺的制程时长可以相应缩短，改善了半导体的加工效率。