CN1575855A - 悬挂式离心机及其电机的驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种悬挂式离心机，所述离心机通过省略外部附加机械旋转速度传感器使得定期维护变得没有必要，而且减少了过冲和下冲。本发明将一个永久磁型同步电机应用于悬挂式离心机中，为了将所述电机的特征应用于悬挂式离心机，电机驱动控制单元通过将馈送正向控制、可变PI控制和干扰均衡补偿控制相结合来执行依赖于惯性负载量的正向补偿控制，直到目标旋转速度的偏离量达到第一设置值，当目标旋转速度的偏离量达到第一设置值时，实施固定PI控制。

Description

悬挂式离心机及其电机的驱动控制方法

技术领域

本发明涉及一种具有通过弹性耦合与电机相连的旋转磁鼓的悬挂式离心机及其电机驱动控制方法。主张基于2003年5月30日在日本递交的、申请号为2003-155823专利申请的优先权，其内容在此被引用。

背景技术

悬挂式离心机通常用于食品工业、制药业、糖提取和化学上机械地分离固体和液体操作，以及田里泥浆中的排水工业，比如说液体废物处理，诸如此类的等等。在该悬挂式离心机中，由于旋转磁鼓是悬挂的，因此电机在机壳内通过弹性耦合可进行自由的旋转。该旋转磁鼓被由反相器输出的交流电转动的电机以任意旋转速度进行控制(参考文献1：日未审查的专利申请，首次公开：2002-159882号)。

然而，因为，上述悬挂式离心机通常的安装环境中，温度高且湿度也高，检测旋转速度所需要的外部机械旋转速度检测器将很容易破坏，而且需要停下来维护该装置。这个问题接下来将会引起生产效率的下降。因此，悬挂式离心机必要部分的可靠性最好是能够提高使得破坏不易发生。然而，为防止损害的发生，去掉旋转速度感应器的时候，控制具有很大惯性能量的旋转磁鼓的旋转速度就会变得很困难，同时由于过冲或者是下冲，或者此类原因将会使得这样的操作变得不稳定。

考虑到上述问题，本发明的目的是提供一种悬挂式离心机及其电机驱动控制方法，其中使用了一个用于悬挂式离心机的永久磁型同步电机，及一种新颖的驱动控制方法，以使该类型的电机特征与悬挂式离心机相匹配，因此，过冲或者是下冲等将会降低，定期的维护就变得没有必要。

发明内容

为了解决上述的问题，本发明提供了一种悬挂式离心机，其中旋转磁鼓通过弹性耦合与电机相连该悬挂式离心机包括一驱动控制单元，其中通过将馈送正向控制、可变PI控制和干扰均衡补偿控制结合来实施依赖于惯性负载量的正向补偿控制，直到电机的目标旋转速度的偏离量达到第一设置值；并且当目标旋转速度的偏离量达到了第一设置值的时候，实施固定的PI控制。

根据本发明，电机驱动控制单元执行依赖于惯性负载量的正向补偿控制，直到电机的目标旋转速度的偏离量达到第一设置值(比如与97％的目标旋转速度相对应的3％)，并且当达到第一设置值(比如3％)时，执行固定PI控制。因此，电机的特征能够与离心机相匹配，该电极能通过在某一短周期内重复地启动惯性能量大的旋转磁鼓、使其加速和减速，来再生能量。因此，可以减少过冲和下冲，同时实现稳定的操作。

此外，在本发明中，电机驱动控制单元具有如下的特征，即，具有一个系统惯性负载量自动补偿功能产生单元，该单元可以进行正向补偿控制的操作，而该操作依赖于惯性负载量，直到电机的最高旋转速度达到了第二设置值；当电机的最高旋转速度等于或小于第二设置值，则产生一种功能为：连续地减少系统惯性量直到达到额定惯性量的第三设置值(比如，等于或小于10％)。

根据本发明，因为系统惯性量自动补偿功能产生单元执行依赖于惯性负载量的正向补偿控制，直到达到最高旋转速度的第二设置值(比如25％)，当等于或小于第二设置值时，持续或非持续地减少正向补偿量，直到达到额定惯性量的第三设置值(比如10％)，有可能提供一种悬挂式离心机，该离心机可抑制低速区域内转距脉动引起的弹性耦合中噪音的产生。

此外，本发明的特征在于，使用一永久磁型同步电机作为电机，利用转子中的永久磁铁的电动势计算旋转速度，并将计算结果通知给电机驱动控制单元。

根据本发明，由于使用电机中永久磁铁产生的电动势现象来计算旋转速度是可能的，因此安装一个外部的、机械的旋转速度传感器就没有必要了，而且无需定期的维护，也能实现防止超速的连锁。

此外，本发明的特征在于，电机驱动控制单元具有一个可变PI控制单元，其稳定基于作为命令值输入的设定输入和电机状态量之间偏离量的操作，以及包括比例增益和积分增益的传输功能。

此外，本发明的特征在于，电机驱动控制单元有馈送正向控制单元，该馈送正向控制单元维持0时设定输入和状态量之间的偏离。

此外，本发明的特征在于，电机驱动控制单元具有一个干扰均衡补偿控制单元，该干扰均衡补偿控制单元最小化惯性负载量的影响和影响电机操作特征的参数波动。

而且，为了解决上述问题，本发明也提供了一种悬挂式离心机电机的驱动控制方法，其中，旋转磁鼓与电机通过弹性耦合相连接，包括以下步骤：通过将馈送正向控制、可变PI控制和干扰均衡补偿控制相结合来实施依赖于惯性负载量的正向补偿控制，直到电机的目标旋转速度的偏离量达到第一设置值；当目标旋转速度的偏离量达到第一设置值时，实施固定PI控制。

附图说明

图1是本发明所述悬挂式离心机中电机驱动控制单元的具体实施例的框图；

图2是引用来解释本发明操作的流程图；

图3是当悬挂式离心机通过一个永久磁型同步电机(过冲)进行控制时的旋转速度控制曲线的数据显示图；

图4是控制一传统的悬挂式离心机(过冲)时的旋转速度控制曲线的数据显示图；

图5是当悬挂式离心机通过一个永久磁型同步电机(下冲)进行控制时的旋转速度控制曲线的数据显示图；

图6是控制一传统的悬挂式离心机(下冲)时的旋转速度控制曲线的数据显示图。

具体实施方式

图1是本发明所述悬挂式离心机中电机驱动控制单元的具体实施例的框图。

如图1所示，电机驱动控制单元1位于提供旋转速度命令与检测反馈信号的参数设置单元2和包括大块且惯性能量大的负载的控制目标3之间；其中通过将馈送正向控制、可变PI控制和干扰均衡补偿控制结合在一起来实现依赖于负载惯性量的正向补偿控制，直到电机的目标旋转速度偏离量达到第一设置值；而且当目标旋转速度的偏离量达到了第一设置值的时候，固定的PI控制才能够实施。

电机驱动控制单元1是由可变PI控制单元11、馈送正向控制单元12、干扰均衡补偿控制单元13，以及系统惯性量自动补偿功能产生单元14组成的。

可变PI控制单元11稳定基于作为命令值输入的设定输入和电机状态量之间偏离量的操作，以及包括比例增益和积分增益的传输功能。馈送正向控制单元12维持设定输入和0状态量之间的差异。干扰均衡补偿控制单元13具有如下的功能：最小化惯性负载量的影响及影响电机可控性的参数波动。通过将这些单元结合来实施驱动控制，使得对控制目标3的强烈、快速的反应成为可能。

此外，我们知道，通过将可变PI控制单元11、馈送正向控制单元12和干扰均衡补偿控制单元13结合来实施正向补偿控制的装置在2770461，2850075和2850076的日本专利中有所公开。

另外，系统惯性量自动补偿功能产生单元14具有如下功能：执行基于惯性负载量的正向补偿控制，直到电机的最高旋转速度达到第二设置值(比如，目标旋转速度的25％)；当电机的最高旋转速度等于或小于第二设置值时，就产生一种功能，即，连续地降低最高旋转速度，直到达到额定惯性量的第三设置值。

而且，一永久磁型同步电机可以被用于驱动电机，所述驱动电机是本发明悬挂式离心机的必要部分，利用转子中的永久磁铁的电动势来计算旋转速度，同时将计算结果通知给电机驱动控制单元1。

图2引用来解释本具体实施例运作的流程图，下面，将参考图2的流程图对图1中显示的本发明具体实施例的操作进行解释说明。

在本实施例中，旋转速度根据永久磁型同步电机的电流和电压计算出，该永久磁型同步电机作为悬挂式离心机的启动电机使用，同时对悬挂式离心机的运动监控和旋转速度的优选测量成为可能。

也就是，因为在电机中使用了永久磁铁的结构，而这恰恰是永久磁型同步电机的特点，所以电机的内部旋转速度可以被检测出，因此一外设的旋转速度检测机构，比如通常所要求的脉冲发生器变得没有必要。另外，在同步电机内，由于输出频率和旋转速度与它们的操作原理一致，因而当从输出频率和磁极位计算出两种类型的旋转速度信号的时候，就有可能从两项监控旋转速度异常性，因此同步电机具有比传统技术要高的可靠性。

在图2显示的流程图中，首先，检测出电动势(S21)，然后电机旋转速度就可以通过使用上述计算进行计算(S22)。而且，可以进行超速检测(S23)。在超速为105％时，嵌入电机转子的永久磁铁中的磁极位也将被连续不断地检测，并且通过利用磁极位探测计算出的内部旋转速度信号连锁发生。还有，在超速为110％时，通过监控输出频率连锁发生(S24)。

接下来，检测出与目标旋转速度有关的偏离量(S25)。这里，通过将馈送正向控制单元12的馈送正向控制、可变PI控制单元11的可变PI控制和干扰均衡补偿控制单元13的干扰均衡补偿控制结合来实施依赖于负载惯性量的正向补偿控制，直到电机的目标旋转速度偏离量达到了第一设置值，比如3％(S26)。相较而言，当目标转动速度偏离量落入到第一设置值内，比如说3％以内，系统惯性量自动补偿功能产生单元14提供固定的P增益和完整时间常数给可变PI控制单元11，并且执行标准固定PI控制(S27)。在其他情况下，根据惯性负载量，P增益被设置在7.5至30之间，而完整时间常数被设置在67ms至179ms之间，可变PI控制将可以被执行。

而且，最大旋转速度偏离量在进行S25(S28)检测的同时被平行检测。这里，正向补偿控制基于惯性负载量被执行，直到电机的最大旋转速度达到了第二设置值，比如25％(S26)，在等于或小于25％的时候，系统惯性量自动补偿功能产生单元14产生如下功能：连续或不连续地降低电机的旋转速度偏离量，直到达到额定负载量的第三设置值，比如说大约10％。随后根据馈送正向控制单元12的馈送正向控制、可变PI控制单元11的可变PI控制和干扰均衡补偿控制单元13的干扰均衡补偿控制的结合来执行正向补偿控制。

如上面的解释，因为具有大量惯性能量的悬挂式离心机的操作稳定，具有快速反应能力的控制方法也没有必要了，甚至在偏离量大约为3％的步骤中转换为标准固定PI控制时，通过设置适当的控制常数，在所有区域进行安全操作成为可能。

另外，在速度等于或小于旋转速度25％的低速区域，通过执行控制，系统惯性量被设置得很低，这样惯性负载的明显量就变小，就会有派生效果，即弹性电缆单元中产生的噪音能够被抑制。

图3显示的是当悬挂式离心机通过一永久磁型同步电机进行控制时的旋转速度控制曲线的数据(20ms/div)。

根据该数据，可以这样理解：没有过冲或下冲，且通过为适当的旋转速度控制设置控制常数，就可以平稳地达到设置的旋转速度。也就是说，最大旋转速度的过冲宽度大约是16.4rpm，或者在添加了传统的脉冲发生器的情况下大约是1.13％(在最大旋转速度为1450rpm时)。相比之下，根据本发明的具体实施例，过冲宽度分别是16.5rpm和大约1.13％，而且在冲量上几乎是没有区别的。如图5(本发明的具体实施例)和图6(传统例子)中所显示的，在最小旋转速度的控制期间，可达到相同的效果。

从这些结果中，可以肯定的是，在本发明中也有可能获得与利用旋转速度探测器的传统向量控制方法中相同的可控性。

原因在于，适当旋转速度的控制常数(比例常数在30至7.5之间，积分时间常数在57ms至179ms之间)是通过从快速反应控制方法向PI控制方法转换来进行设置的，而在大约有3％的偏离时，PI控制方法是标准控制方法，因为惯性能量是非常稳定的离心机所特有的。

此外，当确定旋转速度控制方法时，与传统反应相比，使用反相器将旋转速度的子式微分(minor differential)加到标准PI控制中来减慢反应，这里使用了依赖于惯性负载量的正向补偿控制方法。也就是，使用了一种控制方法(一种馈送正向控制、可变PI控制和将一转换功能用于整个系统的干扰均衡补偿控制的结合)来增加正向补偿，直到达到97％的目标旋转速度，所述正向补偿依赖于与旋转速度设置波动有关的惯性负载量。控制被执行，以使得目标旋转速度在最佳时间内达到，其中，控制速度偏离量被设置为不超过3％，由于采用了PI控制方法(PI操作)，因此比例量被设置地很小、旋转速度检测筛选时间(I操作)被延长，同时P和I二者都抑制了可控性。

此外，由于电机转子本身的惯性能量与作为负载的旋转磁鼓相比极小，同时在电机和负载之间的耦合是一弹性电缆，因此需要考虑到由低速范围内电机转距脉动引起的机械谐振现象的发生。然而，弹性电缆单元产生噪音可通过将系统惯性量设置得低来防止，如此一来，在等于或小于25％的低速范围内，惯性负载的明显量就变小了。

而且，顺序如下：每个可变PI控制单元11、馈送正向控制单元12、干扰均衡补偿控制单元13，和形成如图1显示的电机驱动控制单元1的系统惯性量自动补偿功能产生单元14，被记录在一计算机可读记录媒体中。在此记录媒体中记录的程序被读入计算机系统，本发明的悬挂式离心机的电机驱动控制方法，通过在计算机系统中执行该程序来实现。这里所称的“计算机系统”包括操作系统和硬件，诸如外围设备。

此外，在使用“WWW”系统的情况下，“计算机系统”还包括提供主页(或者是演示环境)的环境。

此外，上述程序可以通过传送媒体或传送媒体的传送波，从存储装置或者类似装置中存储该程序的计算机系统传送至另一计算机系统。这里，传送程序的“传送媒体”有传送信息的功能，比如说网络，诸如互联网(电信网络)，或者是一个长途通信电路(电信线路)，比如一电话电路。

此外，上述程序可以用于实现部分上述的功能。而且，上述功能可以与预先记录于计算机系统中的程序结合实现，这些程序就是已知的分布式文件(分布式程序)。

本发明的具体实施例已经在上面参照附图进行了描述，但是具体结构并不仅仅限于这些实施例，而是还包括一切不脱离本发明精神范围内的所有设计。

如上所述，根据本发明，用于旋转速度检测机构的永久磁型同步电机用于本发明所述的悬挂式离心机，此外，可靠性的提高和新颖控制由于基于使用频率的双重旋转速度测量和旋转速度基础上而成为可能。因此，通过外部连接控制速度传感机构来达到保持旋转速度控制的反应准确和提高悬挂式离心机的可靠性就变得没有必要。此外，也无需定期的维护，因此可以降低维护成本。

此外，根据本发明，提供一种悬挂式离心机，其电机具有如下特征：通过重复性地执行驱动、加速、减速可被用于离心机上的短周期之间具有很大惯性能量的旋转磁鼓，来再生能量，可以减少过冲或下冲，因而可以实现稳定的操作。而且，可以达到这样的派生效果：使对弹性耦合情况下低速范围内的转距脉动引起的噪音的产生进行抑制的控制成为可能。

Claims (7)

1、一种悬挂式离心机，其中旋转磁鼓通过弹性耦合与电机相连包括：电机驱动控制单元，其中，通过将馈送正向控制、可变PI控制和干扰均衡补偿控制相结合来实施依赖于惯性负载量的正向补偿控制，直到所述电机的目标旋转速度的偏离量达到第一设置值，在所述目标旋转速度的偏离量达到了第一设置值时，执行固定PI控制。

2、如权利要求1所述的悬挂式离心机，其特征在于，所述电机驱动控制单元包括系统惯性量自动补偿功能产生单元，所述系统惯性量自动补偿功能产生单元执行依赖于惯性负载量的正向补偿控制，直到电机的最高旋转速度达到第二设置值，当电机的最高旋转速度等于或小于第二设置值时，产生连续地降低所述最高旋转速度直到达到额定惯性量的第三设置值的功能。

3、如权利要求1或2所述的悬挂式离心机，其特征在于，所述电机采用永久磁型同步电机作为所述电机，采用转子内的永久磁铁的电动势来计算旋转速度，将计算结果通知给所述电机驱动控制单元。

4、如权利要求1和2所述的悬挂式离心机，其特征在于，所述电机驱动控制单元包括可变PI控制单元，所述可变PI控制单元基于作为命令值输入的设定输入与所述电机状态量之间的偏离量来稳定所述电机的操作，以及包括包括比例增益和积分增益的传输功能。

5、如权利要求1和2所述的悬挂式离心机，其特征在于，所述电机驱动控制单元包括馈送正向控制单元，所述正向控制单元保持所述设定输入和0状态量之间的差异。

6、如权利要求1和2所述的悬挂式离心机，其特征在于，所述电机驱动控制单元包括干扰均衡补偿控制单元，所述干扰均衡补偿控制单元使得惯性负载量的影响和影响所述电机操作特征的参数波动变小。

7、一种悬挂式离心机的电机的驱动控制方法，其中旋转磁鼓通过弹性耦合与电机相连，所述方法包括如下步骤：

通过将馈送正向控制、可变PI控制和干扰均衡补偿控制结合，来实施依赖于惯性负载量的正向补偿控制，直到所述电机的目标旋转速度的偏离量达到第一设置值；以及

当所述目标旋转速度值的偏离量达到第一设置值时，实施固定PI控制。

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