JP2007152157A - 遠心機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、ベルト駆動遠心機において、ベルトのすべり量が変動してもロータの回転速度を精度良く保ち、且つ最適なモータ制御を行うことである。
【解決手段】試料を入れて回転するロータと、該ロータを係合して回転する回転軸と、前記ロータおよび該回転軸を回転駆動するモータと、該モータの回転力を前記回転軸に伝達するベルトと、前記ロータの回転速度を検出するロータ速度検出手段と、前記モータの回転速度を検出するモータ速度検出手段と、前記モータを駆動制御する制御装置を有する遠心機において、
前記制御装置は、前記ロータ速度検出手段からの信号に基づいて前記ロータの回転速度を制御する信号を算出し、前記モータ速度検出手段からの信号と前記算出信号に基づいて前記モータを制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、モータの回転力をベルト等の動力伝達部材を介してロータに伝達するベルト駆動の遠心機に関するものである。

遠心機は、分離すべき試料をチューブやボトルを介して保持させたロータをモータ等の駆動装置によって高速に回転させることによって、ロータに保持された試料の分離、精製等を行うものである。ロータの回転速度は用途によって異なり、最高回転速度が数千回転（ｒｐｍ）程度の比較的低速のものから、最高回転速度が１５万回転（ｒｐｍ）程度の高速のものまで、幅広い回転速度をもつ製品群が一般に提供されている。

遠心機は大別すると、床に固定して使用する床置き型と、作業台に設置して使用する卓上型の２つのタイプがある。通常の床置き型遠心機の場合、図１０に示すように試料を保持するロータ１は駆動源となるモータ２の出力回転軸２ａ上に載置し、モータ２の回転力を出力軸２ａを介してロータ１に直接伝達（直結駆動）させている。一方、卓上型の遠心機の場合、作業台に設置するため床置き型遠心機と同じ構成すなわち直結駆動としてしまうと、遠心機自体の高さが高くなり使い勝手が悪くなってしまう。そのため、本願出願人は、遠心機の高さを抑え使い勝手の向上を図るため、図１１に示すようにロータ１をモータ２と直結させずモータ２をロータ１の横に配置し、モータ２の回転力をベルト１１を介してロータ１に伝達し駆動させる所謂ベルト駆動型の遠心機を開発した。

図１１に示す従来のベルト駆動遠心機２００は、分離する試料を保持するロータ１と、ロータ１を載置するロータ回転軸９と、ロータ回転軸９に固定されるロータプーリ１０ｂと、駆動源である出力軸２ａを有する例えば誘導モータ２と、モータ２の出力軸２ａに固定されるモータプーリ１０ａと、モータ２の回転速度を検出するモータ速度検出器３と、モータ２の回転力をロータ１に伝達するベルト１１と、モータ速度検出器３の出力に基づきモータ２を制御する制御装置４と、制御装置４の出力に基づきモータ２を駆動するモータ駆動装置５と、ロータ１の目標回転速度や運転時間等の運転条件を入力する操作パネル６とを備えている。

従来のベルト駆動遠心機２００の制御装置４は、図１２に示すように、操作パネル６から入力されたロータ目標回転速度設定値とモータ速度検出器３によって検出した実際のモータ回転速度を入力し、そられの入力信号に基づいてモータ２への印加電圧Ｖと励磁周波数ｆを演算しモータ２を制御する。

図１２において制御装置４は、操作パネル６から入力されたロータ目標回転速度設定値に応じてロータ１の目標回転速度Ｎｒ^＊を出力するロータ目標回転速度出力部４１と、ロータ目標回転速度Ｎｒ^＊をモータ２の目標回転速度Ｎｍ^＊に変換するモータ目標回転速度変換部４５と、モータ目標回転速度Ｎｍ^＊とモータ速度検出器３によって検出した実際のモータ回転速度Ｎｍとを比較しその偏差Ｎｅを演算するモータ速度偏差演算部４６と、偏差Ｎｅとモータ回転速度Ｎｍに基づき印加電圧Ｖを演算する印加電圧演算部４７と、モータ回転速度Ｎｍに基づきモータ励磁周波数ｆを演算する励磁周波数演算部４８とを備えている。

すなわち、モータ目標回転速度変換部４５は、モータプーリ１０ａとロータプーリ１０ｂの外径比に基づき、ロータ目標回転速度Ｎｒ^＊をモータ目標回転速度Ｎｍ^＊に変換する。すなわち式１によりモータ目標回転速度Ｎｍ^＊を算出する。

Ｎｍ^＊＝Ｎｒ^＊×Ｄｒ／Ｄｍ （式１）
ここで、Ｎｍ^＊はモータ目標回転速度、Ｎｒ^＊はロータ目標回転速度、Ｄｒはロータプーリ１０ｂの外径、Ｄｍはモータプーリ１０ａの外径である。

その後、モータ速度偏差演算部４６はモータ目標回転速度Ｎｍ^＊と実際のモータ回転速度Ｎｍとを比較して偏差Ｎｅ（＝Ｎｍ^＊−Ｎｍ）を演算し、印加電圧演算部４７はこの偏差Ｎｅとモータ回転速度Ｎｍに基づいて周知のＰＩＤ制御（演算）によってモータ印加電圧Ｖを算出する。励磁周波数演算部４８はモータ回転速度Ｎｍに基づきモータ励磁周波数ｆをモータ回転速度Ｎｍの関数として算出する。従って、制御装置４はモータ速度検出器３によって検出した実際のモータ回転速度Ｎｍのみに基づいて印加電圧Ｖと励磁周波数ｆを算出してモータ２を制御する。

一方、このようなベルト駆動遠心機においては、ベルト１１にすべりが生じることが知られており、そのすべり量を検出する方法は、本出願人が先に出願した特許文献１に示されている。
特願２００５−２９０８９０

ロータに保持した試料を正確に分離するためには、ロータの回転精度が重要なためロータの回転速度を監視する必要がある。しかしながら、従来のベルト駆動遠心機２００においては、モータ２の回転速度Ｎｍは検出しているもののロータ１の回転速度Ｎｒは検出していないため、ロータ１の目標回転速度Ｎｒ^＊からモータ２の目標回転速度Ｎｍ^＊を算出し、このモータ目標回転速度Ｎｍ^＊とモータ回転速度Ｎｍに基づいて、すなわちモータ２の回転速度情報のみに基づいてロータ１の回転速度を制御している。また、ロータ１の回転速度は、式１を変形した式２によってモータ回転速度Ｎｍから推定しなければならない。

Ｎｒ＝Ｎｍ×Ｄｍ／Ｄｒ （式２）
ここで、Ｎｒはロータ回転速度、Ｎｍはモータ回転速度、Ｄｍはモータプーリ１０の外径、Ｄｒはロータプーリ１０ｂの外径である。

ところが、上記したようにベルト駆動遠心機２００は定常的に所定のすべりＳを生じており、その値は例えば軽負荷すなわち使用するロータ１が小さい（軽い）ときには１％、重負荷すなわち使用するロータ１が大きい（重い）ときには５％と、負荷（使用するロータ）によって異なる。従って、式２を用いてロータ回転速度Ｎｒを推定すると、ベルト１１によるすべりＳを考慮していないことになり負荷によって異なる誤差が発生し、ロータ１の回転速度を正確に制御できないという問題があった。

例えば、上記したベルト駆動遠心機２００のように誘導モータを用いた場合、制御する項目は励磁周波数ｆと印加電圧Ｖの２項目があり、励磁周波数ｆはモータ２の回転速度Ｎｍに実験的に定めた所定の比率を乗じた値すなわちモータ回転速度Ｎｍの関数（ｆ＝ｇ（Ｎｍ））として算出し、印加電圧Ｖはモータ目標回転速度Ｎｍ^＊とモータ回転速度Ｎｍの差分Ｎｅに応じて増減することになり、ロータ回転速度Ｎｒには依存しない制御となり、ロータ１の回転速度を正確に制御できない。

また、モータ駆動装置５として汎用インバータを用いた場合、周知のＶ／ｆ制御では図１３に示すように励磁周波数ｆと印加電圧Ｖの比を一定にしてモータ制御するため、例えば強いトルクが必要な加速時と、出来るだけ低電力で使用したい整定（定速回転）時のどちらの場合にも、同じＶ／ｆとなり運転状態に合わせた最適な制御ができない。

一方、ＤＣブラシレスモータを用いた場合も同様に、制御する項目はモータ２の回転子磁極の向きに対する固定子励磁の位相差すなわち進角θと、印加電圧Ｖの２項目があり、モータ回転速度Ｎｍのみに依存した制御となってしまい、ロータ１の回転速度を正確に制御できないと共に、最適なモータ制御ができない。

従って、本発明は上記した課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ベルトのすべり量にかかわらずロータの回転速度を正確に制御すると共に、モータを最適に制御することにある。

上記した課題を解決するために、本発明となる遠心機は、試料を入れて回転するロータと、該ロータを係合して回転する回転軸と、前記ロータおよび該回転軸を回転駆動するモータと、該モータの回転力を前記回転軸に伝達するベルトと、前記ロータの回転速度を検出するロータ速度検出手段と、前記モータの回転速度を検出するモータ速度検出手段と、前記モータを駆動制御する制御装置を有し、前記制御装置は、前記ロータ速度検出手段からの信号に基づいて前記ロータの回転速度を制御する信号を算出し、前記モータ速度検出手段からの信号と前記算出信号に基づいて前記モータを制御する。

本発明によれば、ベルトのすべり量の変動にかかわらずロータの回転速度を精度良く保つことができ、且つ最適なモータ制御を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、繰返しの説明を省略する。また、上記背景技術と同一機能を有する部材についても、背景技術と同一の符号を付してある。

まず、本発明となるベルト駆動遠心機の全体構成について図１を用いて説明する。ベルト駆動遠心機１００は、分離すべき試料を保持するロータ１と、一端にはロータ１が載置され他端にはロータプーリ１０ｂが固定されるロータ回転軸９と、ロータ１に設けられたロータ信号発生器７から出力されるロータ１の回転速度信号を検出するロータ速度検出器８と、ロータ１の駆動源となりモータプーリ１０ａが固定されるモータ回転軸２ａを有するモータ２と、モータプーリ１０ａ及びロータプーリ１０ｂに係合しモータ２の回転力をロータ１に伝達するベルト１１と、モータ２の回転速度を検出するモータ速度検出器３と、ロータ１の目標回転速度や運転時間等の運転条件を入力する操作パネル６と、モータ３を制御する制御装置４と、制御装置４の制御信号に基づいてモータ３を駆動するモータ駆動装置５とを備えている。なお、ロータ信号発生器７はロータ回転速度信号を発生すると共に、ロータ１の種類情報すなわちロータ形名や許容最高回転速度等の信号を発生し、ロータ速度検出器８はロータ１の回転速度を検出すると共にロータ１の種類を判別する機能を有している。

次に、制御装置４の構成について図２を用いて説明する。制御装置４は、ロータ目標回転速度出力部４１と、ロータ速度偏差演算部４２と、印加電圧演算部４３と、励磁周波数演算部４４とを備えている。制御装置４には、操作パネル６から入力されたロータ目標回転速度設定値と、ロータ速度検出器８によって検出されたロータ１の実際の回転速度Ｎｒと、モータ速度検出器３によって検出されたモータ２の実際の回転速度Ｎｍが入力される。

ロータ目標回転速度出力部４１はロータ目標回転速度設定値に応じてロータ目標回転速度Ｎｒ^＊を出力する。ロータ速度偏差演算部４２はロータ目標回転速度Ｎｒ^＊と実際のロータ回転速度Ｎｒを入力し、ロータ目標回転速度Ｎｒ^＊とロータ回転速度Ｎｒとの偏差Ｎｅ（＝Ｎｒ^＊−Ｎｒ）を演算する。

印加電圧演算部４３は偏差Ｎｅと実際のモータ回転速度Ｎｍを入力し、式３に示す周知のＰＩＤ制御（演算）によりモータ２に印加する最適な電圧（印加電圧）Ｖを演算する。

Ｖ_ｎ＝Ｖ_ｎ−１＋Ｋ_ｐ・Ｎｅ＋Ｋ_ｉ・∫Ｎｅ・ｄｔ＋Ｋ_ｄ・ｄＮｅ／ｄｔ （式３）
ここで、Ｖ_ｎは今回の印加電圧、Ｖ_ｎ−１は前回の印加電圧、Ｋ_ｐは比例係数、Ｋ_ｉは積分係数、Ｋ_ｄは微分係数である。各係数Ｋ_ｐ、Ｋ_ｉ、Ｋ_ｄはモータ回転速度Ｎｍの関数として式４により算出される。

Ｋ_ｐ＝ｇ_１（Ｎｍ）、Ｋ_ｉ＝ｇ_２（Ｎｍ）、Ｋ_ｄ＝ｇ_３（Ｎｍ） （式４）
すなわちロータ回転速度Ｎｒとモータ回転速度Ｎｍに基づいて印加電圧Ｖを演算するため、モータ２を最適な電圧で制御できると共にロータ１の回転速度を正確に制御することができる。

励磁周波数演算部４４は実際のモータ回転速度Ｎｍを入力しモータ２の励磁周波数ｆをモータ回転速度Ｎｍの関数として算出する。例えば加速及び整定時の励磁周波数ｆを示す図６のように、所定のモータ回転速度Ｎｍ_０までは一定の励磁周波数ｆ_０とし、それ以降は励磁周波数ｆをモータ回転速度Ｎｍの関数として、モータ回転速度Ｎｍに応じて予め定められたすべりＳに対し周知の式５により演算する。図６に示すように励磁周波数ｆはモータ回転速度Ｎｍに相当する周波数より高い値となる。

ｆ＝ｇ_４（Ｎｍ）＝１／（１−Ｓ）・Ｎｍ （式５）
ここで、ｆは励磁周波数、Ｓはすべり、Ｎｍはモータ回転速度である。

次にモータ２の制御方法について図３のフローチャートを参照して説明する。まずステップ１において操作パネル６からロータ目標回転速度、運転時間等の運転条件を設定し、図示しないスタートスイッチを押すと、ステップ２において制御装置４の印加電圧演算部４３及び励磁周波数演算部４４はそれぞれ、図６に示すように初期印加電圧Ｖ_０及び初期励磁周波数ｆ_０をモータ駆動装置５に出力しモータ２を駆動して遠心機１００の運転を開始する。すなわちモータ２の回転力はモータ出力軸２ａに固定されたモータプーリ１０ａ、ベルト１１、ロータプーリ１０ｂ、及びロータ回転軸９を介してロータ１に伝達され、遠心機１００の運転を開始する。

運転開始後、ステップ３において、制御装置４はモータ速度検出器３及びロータ速度検出器８によって実際のモータ回転速度Ｎｍ及びロータ回転速度Ｎｒをそれぞれ検出し、各回転速度を取り込む。また、ステップ１で設定したロータ目標回転速度設定値をロータ目標回転速度出力部４１を介してロータ目標回転速度Ｎｒ^＊として入力する。

ステップ４において、ロータ速度偏差演算部４２はロータ目標回転速度Ｎｒ^＊とロータ回転速度Ｎｒから偏差Ｎｅ（＝Ｎｒ＊−Ｎｒ）を算出する。その後、制御装置４はステップ５及びステップ６において印加電圧Ｖ及び励磁周波数ｆを算出する。

印加電圧Ｖはステップ５を示す図４の印加電圧演算部４３の制御フローチャートに従って算出される。ステップ５１において、印加電圧演算部４３は、ステップ３で取り込まれたモータ速度検出器３によって検出したモータ回転速度Ｎｍにより、現在のモータ回転速度Ｎｍが所定値Ｎｍ_０を超えたか否かを判断する。ステップ５１でＮｏの場合すなわち現在のモータ回転速度Ｎｍが所定値Ｎｍ_０以下の場合はステップ５２においてステップ２で予め決められている初期印加電圧Ｖ_ｏをモータ駆動装置５に出力する。ステップ５１でＹｅｓの場合すなわち現在のモータ回転速度Ｎｍが所定値Ｎｍ_０を超えた場合は、ステップ５３において上記した式４によりモータ回転速度Ｎｍの関数として演算係数Ｋ_ｐ、Ｋ_ｉ、及びＫ_ｄを算出する。その後、ステップ５４において、ステップ５４で求めた演算係数Ｋ_ｐ、Ｋ_ｉ、及びＫ_ｄとステップ４でロータ速度偏差演算部４２によって求めた偏差Ｎｅに基づき、上記した式３によりロータ回転速度Ｎｒとモータ回転速度Ｎｍに基づいてモータ２を駆動するのに最適な印加電圧Ｖを算出する。

一方、励磁周波数ｆはステップ６を示す図５の制御フローチャートに従って算出される。ステップ６１において、ステップ３で取り込んだ現在のモータ回転速度Ｎｍが所定値Ｎｍ_０を超えたか否かを判断する。ステップ６１においてＮｏの場合すなわちモータ回転速度Ｎｍが所定値Ｎｍ_０以下の場合はステップ６２においてステップ２で予め決められている初期励磁周波数ｆ_０をモータ駆動装置５に出力する。ステップ６１においてＹｅｓの場合すなわちモータ回転速度Ｎｍが所定値Ｎｍ_０を超えた場合は、ステップ６３においてモータ回転速度Ｎｍの関数として上記した式５により励磁周波数ｆを算出する。

従って、本発明に従うベルト駆動遠心機１００は、ロータ１の回転速度Ｎｒとモータ２の回転速度Ｎｍをそれぞれ検出し、励磁周波数ｆはモータ回転速度Ｎｍ毎にすべりＳを決定しておきモータ回転速度Ｎｍの関数として算出し、印加電圧Ｖはロータ回転速度Ｎｒの偏差Ｎｅとモータ回転速度Ｎｍの両方の関数として算出する、すなわち、モータ２の回転速度Ｎｍに対して印加する励磁周波数ｆを制御する一方で、ロータ速度偏差演算部４２の出力に応じてトルクの増減すなわちモータ２の印加電圧を制御する。その結果、モータ回転速度Ｎｍに基づいて励磁周波数ｆを算出した上で、周知のＶ／ｆ制御のようにその比を一定にせずロータ回転速度Ｎｒの偏差分を印加電圧Ｖにより調節することにより、ベルト１１のすべり量の変動にかかわらず、ロータ１の回転速度を正確に制御できると共に、モータ２をロータ１の回転速度に応じた最適な印加電圧Ｖ及び励磁周波数ｆにより制御することができる。

また、本発明で使用するモータ２として誘導モータの場合について説明したが、ＤＣブラシレスモータを使用した場合にも適用でき、図７に示すように、励磁周波数演算部４４に代えて励磁位相演算部５０を設け、モータ２の回転速度に応じた進角すなわちモータ内部回転子の磁力の向きに対する励磁位相θを制御する一方で、ロータ速度偏差演算部４２の出力に応じてトルクの増減すなわちモータ２の印加電圧Ｖを制御するようにしても、誘導モータと同様に、ベルトのすべり量の変動にかかわらず、ロータ１の回転速度を正確に制御できると共に、モータ２をロータ１の回転速度に応じた最適な印加電圧Ｖ及び励磁周波数ｆにより制御することができる。ここで、励磁位相θは図８に示すように、遠心機の運転開始時すなわちモータ２の起動時は初期励磁位相θ_０とし、その後は式６からモータ回転速度Ｎｍの関数として算出することができる。

θ＝ｇ_５（Ｎｍ） （式６）
ここで、θは励磁位相、Ｎｍはモータ回転速度である。

更に、図９に示すように、ロータ１と同じ回転速度で回転するロータ回転軸９に回転軸速度信号発生器１２を設けると共に、回転軸速度信号発生器１２からの速度信号を検出する回転軸速度検出器１３を設け、ロータ１の回転速度の代わりに、ロータ回転軸９の回転速度を検出しても良い。

本発明の実施形態に係る遠心機の構成図 本発明の実施形態に係る遠心機のモータとして誘導モータを用いた制御装置の構成図 本発明の制御フローチャート 本発明の印加電圧の制御フローチャート 本発明の励磁周波数の制御フローチャート 本発明の励磁周波数とモータ回転速度との関係図 本発明の実施形態に係る遠心機のモータとしてＤＣブラシレスモータを用いた場合の制御装置の構成図 本発明の進角とモータ回転速度との関係図 本発明の第２の実施形態に係る遠心機の構成図 従来の直結駆動遠心機の構成図 従来のベルト駆動遠心機の構成図 従来のベルト駆動遠心機の制御装置の構成図 一般的なＶ／ｆ制御を示す図

符号の説明

１：ロータ、 ２：モータ、 ３：モータ速度検出器、 ４：制御装置、 ５：駆動装置、 ６：操作パネル、 ７：ロータ信号発生器、 ８：ロータ速度検出器、 ９：ロータ回転軸、 １０：プーリ、 １１：ベルト、 ４１：ロータ目標回転速度出力部、 ４２：ロータ速度偏差演算部、 ４３：印加電圧演算部、 ４４：励磁周波数演算部、 ５０励磁位相演算部

Claims (6)

1. 試料を入れて回転するロータと、該ロータを係合して回転する回転軸と、前記ロータおよび該回転軸を回転駆動するモータと、該モータの回転力を前記回転軸に伝達するベルトと、前記ロータの回転速度を検出するロータ速度検出手段と、前記モータの回転速度を検出するモータ速度検出手段と、前記モータを駆動制御する制御装置を有する遠心機において、
   前記制御装置は、前記ロータ速度検出手段からの信号に基づいて前記ロータの回転速度を制御する信号を算出し、前記モータ速度検出手段からの信号と前記算出信号に基づいて前記モータを制御することを特徴とする遠心機。
2. 更に、前記ロータの目標回転速度を入力する操作パネルを有し、
   前記制御装置は、前記ロータ目標回転速度および前記ロータ速度検出手段からの信号、及び前記モータ速度検出手段からの信号を入力し、前記ロータ目標回転速度と前記ロータ速度検出手段からの信号に基づいて前記ロータの回転速度を制御する信号を算出するロータ速度偏差演算部と、該ロータ速度偏差演算部からの信号と前記モータ速度検出手段からの信号に基づいて前記ロータの印加電圧を制御する印加電圧演算部と、前記モータ速度検出手段からの信号に基づいて前記ロータの励磁周波数を制御する励磁周波数演算部とを有することを特徴とする請求項１記載の遠心機。
3. 前記ロータの回転速度を制御する信号は、前記ロータ目標回転速度と前記ロータ速度検出手段からの信号の偏差であることを特徴とする請求項１又は２に記載の遠心機。
4. 前記モータは誘導モータであることを特徴とする請求項１又は２に記載の遠心機。
5. 前記モータはＤＣブラシレスモータであることを特徴とする請求項１又は２に記載の遠心機。
6. 試料を入れて回転するロータと、該ロータを係合して回転する回転軸と、前記ロータおよび該回転軸を回転駆動するモータと、該モータの回転力を前記回転軸に伝達するベルトと、前記回転軸の回転速度を検出する回転軸速度検出手段と、前記モータの回転速度を検出するモータ速度検出手段と、前記モータを駆動制御する制御装置を有する遠心機において、
   前記制御装置は、前記回転軸速度検出手段からの信号に基づいて前記ロータの回転速度を制御する信号を算出し、前記モータ速度検出手段の信号と前記算出信号に基づいて前記モータを制御することを特徴とする遠心機。
   
   

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