Drive System Identification and Optimal Control for Medium Power Turbomolecular Pumps

摘要

本研究針對中型動力渦輪分子幫浦(Medium Power Turbo-Molecular Pump Medium Power TMP)，設計與建置一個五自由度轉子/磁浮軸承系統。 由於渦輪分子幫浦能將真空腔室抽至極高真空度(Ultra-high Vacuum Degree)的狀態。 在極高真空度的狀態下，磁浮軸承的散熱能力將會大幅受限。 因此，於設計轉子/磁浮軸承系統的階段，考量了三個因素: (1) 調控磁吸力的響應速度; (2) 磁浮軸承的熱能產生量; (3) 磁浮軸承能輸出最大的磁吸力。 藉由考量這三個因素，所設計出來的磁浮軸承能更適用於渦輪分子幫浦，並且對於外來干擾能有更高的耐受度。 除了設計出適用於中型動力渦輪分子幫浦的轉子/磁浮軸承系統之外，本研究另外設計一組用於驅動磁浮軸承的創新混合式驅動電路，本論文稱之為: 雙模式驅動電路(Dual Cooperative Drive Circuit DC2)。 顧名思義，雙模式驅動電路具有兩種操作模式: 分別為數位驅動模式(Digital Driving Mode DDM)與類比驅動模式(Analog Driving Mode ADM)。 此雙模式驅動電路能即時(Real-time)依負載的動態需求，於數位驅動模式與類比驅動模式間切換。 因此，所提出的雙模式驅動電路兼具高電流動態(High Current Slew Rate)與電流紋波小(Small Current Ripples)等優點。 另外，為了調節轉子偏移量與抑制轉子振動，本研究提出了微分型狀態相依最佳調節器(State Dependent Differential Optimal Regulator SDDOR)與激振抑制策略(Resonance-Driven Prevention Strategy RDPS)。 其中，微分型狀態相依最佳調節器(SDDOR)能精確的透過磁浮軸承調控轉子的位置。 相對地，激振抑制策略(RDPS)可以用來抑制轉子轉速經過轉子/磁浮軸承系統的共振頻率中的轉子偏?幅度。 經模擬成果可以得知，即使轉子/磁浮軸承系統的狀態有變化或有外來的干擾，所設計的激振抑制策略(RDPS)亦能有效抑制轉子共振當下的轉子偏移量。 藉由整合所提出的微分型狀態相依最佳調節器(SDDOR)、激振抑制策略(RDPS)與適用於中型動力渦輪分子幫浦的轉子/磁浮軸承系統，可以: (1) 提供足夠的磁吸力，但有著較少的熱能產生; (2) 提升磁吸力的響應速度; (3) 抑制因轉子上的偏心質量所導致的振動與偏?，有助於改善傳統渦輪分子幫浦的缺陷。

獎項日期	2019
原文	English
監督員	Nan-Chyuan Tsai (Supervisor)