CN1974023A

CN1974023A - 离心机

Info

Publication number: CN1974023A
Application number: CNA2006101611243A
Authority: CN
Inventors: 高桥广之; 藤卷贵弘; 大山久延
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2026-11-30
Also published as: US7548034B2; TW200734057A; JP2007152157A; US20070138988A1; CN1974023B; TWI309178B; DE102006056134A1

Abstract

本发明的目的在于，在皮带驱动离心机中，即使皮带的滑动量发生变动也可以高精度地保证旋转体的旋转速度，而且进行最佳电动机控制。本发明提供一种离心机，具有：旋转体，其在投入试料后旋转；旋转轴，其与该旋转体卡合而进行旋转；电动机，其旋转驱动上述旋转体以及该旋转轴；皮带，其把该电动机的旋转动力传递到上述旋转轴；旋转体速度检测单元，其检测上述旋转体的旋转速度；电动机速度检测单元，其检测上述电动机的旋转速度；以及控制装置，其驱动控制上述电动机，其特征在于，上述控制装置基于来自上述旋转体速度检测单元的信号，计算控制上述旋转体的旋转速度的信号，基于来自上述电动机速度检测单元的信号和上述计算信号控制上述电动机。

Description

离心机

技术领域

本发明涉及一种皮带驱动的离心机，其电动机的旋转动力经由皮带等动力传递部件传递到旋转体。

背景技术

离心机通过电动机等驱动装置使旋转体进行高速旋转，由此使经由管道或瓶子保持在旋转体中的试料分离、精加工。旋转体的旋转速度根据用途而不同，从最高旋转速度为几千转(rpm)左右的低速离心机开始，直至最高旋转速度为15万转(rpm)左右的高速离心机，通常提供拥有大范围的旋转速度的产品群。

离心机大致分为两种类型，即，固定在地上使用的落地式和设置在工作台上使用的台式。通常的落地式离心机的情况下，保持试料的旋转体1如图10所示安置在作为驱动源的电动机2的输出旋转轴2a上，电动机2的旋转动力经由输出轴2a直接传递(直连驱动)到旋转体1上。另一方面，台式离心机的情况下，由于设置在工作台上，如果和落地式离心机具有相同结构，即，进行直连驱动的话，则离心机自身的高度变高导致使用的便利性变差。因此，本发明人为了抑制离心机的高度，提高使用便利性，开发了所谓皮带驱动型的离心机，即旋转体1如图11所示不与电动机2直连，把电动机配置在旋转体1旁边，电动机2的旋转动力经由皮带11传递到旋转体1进行驱动。

图11所示的现有的皮带驱动离心机200具有：旋转体1，其保持将要分离的试料；旋转体旋转轴9，其安置旋转体1；旋转体带轮10b，其被固定在旋转体旋转轴9上；例如感应电动机2，其作为驱动源，具有输出轴2a；电动机带轮10a，其被固定在电动机2的输出轴2a上；电动机速度检测器3，其检测电动机2的旋转速度；皮带11，其把电动机2的旋转动力传递到旋转体1；控制装置4，其根据电动机速度检测器3的输出控制电动机2；电动机驱动装置5，其根据控制装置4的输出驱动电动机2；操作面板，其输入旋转体1的目标旋转速度或运行时间等运行条件。

现有的皮带驱动离心机200的控制装置4如图12所示，输入旋转体目标旋转速度设定值和实际电动机旋转速度，该旋转体目标旋转速度设定值是从操作面板6输入的，该实际电动机旋转速度是由电动机速度检测器3检测出的，根据这些输入信号来计算对电动机2的施加电压V和励磁频率f，控制电动机2。

在图12中的控制装置4具有：旋转体目标速度输出部41，其输出与从操作面板6输入的旋转体目标旋转速度设定值对应的目标旋转速度Nr^*；发电机目标旋转速度转换部45，其把旋转体目标旋转速度Nr^*转换为电动机2的目标旋转速度Nm^*；电动机速度偏差计算部46，其将电动机目标旋转速度Nm^*和通过电动机速度检测器3检测出的实际电动机旋转速度Nm进行比较，计算两者的偏差Ne；施加电压计算部47，其根据偏差Ne和电动机旋转速度Nm计算施加电压V；励磁频率计算部48，其根据电动机旋转速度Nm计算电动机励磁频率f。

即，电动机目标旋转速度转换部45根据电动机带轮10a和旋转体带轮10b的外径比，把旋转体目标旋转速度Nr^*转换为电动机目标旋转速度Nm^*。即通过算式1计算出电动机目标旋转速度Nm^*。

Nm^*＝Nr^*×Dr/Dm (算式1)

这里，Nm^*是电动机目标旋转速度，Nr^*是旋转体目标旋转速度，Dr是旋转体带轮10b的外径，Dm是电动机带轮10a的外径。

之后，电动机速度偏差计算部46将电动机目标旋转速度Nm^*和实际电动机旋转速度Nm进行比较，计算偏差Ne(＝Nm^*-Nm)，施加电压计算部47根据该偏差Ne和电动机旋转速度Nm通过公知的PID控制(运算)计算出电动机施加电压V。励磁频率计算部48根据电动机旋转速度Nm计算出作为电动机旋转速度的函数的电动机励磁频率f。因此，控制装置4只根据通过电动机速度检测器3所检测出的实际电动机旋转速度Nm，计算施加电压V和励磁频率f，控制电动机2。

另一方面，在上述的皮带驱动离心机中，可以得知皮带11产生滑动，关于检测该滑动量的方法，显示在本发明人在之前提交的专利文献1中。

专利文献1：特愿2005-290890

发明内容

为了把旋转体中保持的试料正确的分离，由于旋转体的旋转精度很重要，所以需要监视旋转体的旋转速度。但是，现有的皮带驱动离心机200中，由于只检测电动机2的旋转速度Nm而没有检测旋转体1的旋转速度Nr，所以从旋转体1的目标旋转速度Nr^*中计算电动机2的目标旋转速度Nm^*，根据该电动机目标旋转速度Nm^*和电动机旋转速度Nm，即只根据电动机2的旋转速度信息控制旋转体1的旋转速度。另外，旋转体1的旋转速度必须通过算式1变形后的算式2，根据电动机的旋转速度Nm推定。

Nr＝Nm×Dm/Dr (算式2)

这里，Nr是旋转体旋转速度，Nm是电动机旋转速度，Dm是电动机带轮10a的外径，Dr是旋转体带轮10b的外径。

但是，如上述所述，皮带驱动离心机200稳定地产生规定的滑动S，该值根据负载(使用的旋转体)而不同，在例如轻负载即使用的旋转体1较小(轻)时为1％，重负载即使用的旋转体1较大(重)时为5％。因此，使用算式2推定旋转体旋转速度Nr时，由于不考虑皮带11所产生的滑动S，根据负载而会产生不同的误差，出现无法正确的控制旋转体1的旋转速度的问题。

例如，如上述皮带驱动离心机200那样使用感应电动机的情况下，控制的变量为励磁频率f和施加电压V这2个变量，励磁频率f是作为在电动机2的旋转速度Nm上乘以通过实验确定的规定比率而得到的值，即作为电动机旋转速度Nm的函数(f＝g(Nm))而计算出，施加电压V对应于电动机目标旋转速度Nm^*和电动机旋转速度Nm的偏差Ne进行增减，成为不依赖于旋转体旋转速度Nr的控制，从而无法正确控制旋转体1的旋转速度。

另外，作为电动机驱动装置5使用通用逆变器的情况下，由于在公知的V/f控制中，如图13所示使励磁频率f和施加电压V的比恒定而进行电动机控制，所以例如在需要大扭矩的加速时，和希望在尽可能低的功率下使用的稳定(定速旋转)时的任意一个情况下，都是相同的V/f，从而不能成为与运行状态相符合的最佳控制。

另一方面，使用DC无刷电动机的情况下也同样，控制的变量为与电动机2的转子磁极方向相对的定子励磁的相位差，即提前角θ，及施加电压V这2个变量，从而成为只依赖于电动机旋转速度Nm的控制，无法正确控制旋转体1的旋转速度，同时也无法进行最佳电动机控制。

因此，本发明就是为了解决上述问题而提出的，其目的在于，无论皮带的滑动量如何，都能够正确控制旋转体的旋转速度，同时最适宜地控制电动机。

为了解决上述问题，作为本发明的离心机具有：旋转体，其在投入试料后旋转；旋转轴，其与该旋转体卡合而进行旋转；电动机，其旋转驱动上述旋转体以及该旋转轴；皮带，其把该电动机的旋转动力传递到上述旋转轴；旋转体速度检测单元，其检测上述旋转体的旋转速度；电动机速度检测单元，其检测上述电动机的旋转速度；以及控制装置，其驱动控制上述电动机，上述控制装置基于来自上述旋转体速度检测单元的信号，计算控制上述旋转体的旋转速度的信号，基于来自上述电动机速度检测单元的信号和上述计算出的信号控制上述电动机。

发明的效果

通过本发明，无论皮带的滑动量如何波动，都能够高精度的保持旋转体的旋转速度，而且可以进行最佳电动机控制。

附图说明

图1是本发明实施方式所涉及的离心机的结构图。

图2是本发明实施方式所涉及的作为离心机的电动机使用感应电动机的控制装置的结构图。

图3是本发明的控制流程图。

图4是本发明的施加电压的控制流程图。

图5是本发明的励磁频率的控制流程图。

图6是本发明的励磁频率和电动机旋转速度之间的关系图。

图7是本发明实施方式所涉及的作为离心机的电动机使用DC无刷电动机的情况下的控制装置的结构图。

图8是本发明的提前角和电动机旋转速度之间的关系图。

图9是本发明实施方式2所涉及的离心机的结构图。

图10是现有的直连驱动离心机的结构图。

图11是现有的皮带驱动离心机的结构图。

图12是现有的皮带驱动离心机的控制装置的结构图。

图13是表示通常的V/f控制的图。

具体实施方式

下面，参考附图说明本发明的实施方式。而且，在为了说明实施方式的所有图中，具有相同功能的部件赋予相同的符号，省略重复的说明。另外，对于与上述背景技术具有相同功能的部件，赋予和背景技术相同的符号。

首先，使用图1说明作为本发明的皮带驱动离心机的整体构成。皮带驱动离心机100具有：旋转体1，其保持要分离的试料；旋转轴9，其一端载置旋转体1，另一端固定旋转体带轮10b；旋转体速度检测器8，其检测来自旋转体1上设置的旋转体信号发生器7所输出的旋转体1的旋转速度信号；电动机2，其作为旋转体1的驱动源，具有固定电动机带轮10a的电动机旋转轴2a；皮带11，其与电动机带轮10a及旋转体带轮10b卡合，把电动机2的旋转动力传递到旋转体1；电动机速度检测器3，其检测电动机2的旋转速度；操作面板6，其输入旋转体1的目标旋转速度或运行时间等运行条件；控制装置4，其控制电动机2；电动机驱动装置5，其基于控制装置4的控制信号，驱动电动机2。另外，旋转体信号发生器7在产生旋转体旋转速度信号的同时也产生旋转体1的种类信息，即旋转体形状名称或容许最高旋转速度等信号，旋转体速度检测器8在检测旋转体的旋转速度的同时也具有判断旋转体1的种类的功能。

下面，使用图2说明控制装置4的构成。控制装置4具有：旋转体目标旋转速度输出部41；旋转体速度偏差计算部42；施加电压计算部43；以及励磁频率计算部44。控制装置4中输入：旋转体目标旋转速度设定值，其从操作面板6输入；旋转体1的实际旋转速度Nr，其通过旋转体速度检测器8检测出；电动机2的实际旋转速度Nm，其通过电动机速度检测器3检测出。

旋转体目标旋转速度输出部41输出与旋转体目标旋转速度设定值对应的旋转体目标旋转速度Nr^*。旋转体速度偏差计算部42输入旋转体目标旋转速度Nr^*和实际旋转体旋转速度Nr，计算旋转体目标旋转速度Nr^*和旋转体旋转速度Nr之间的偏差Ne(＝Nr^*-Nr)。

施加电压计算部43输入偏差Ne和实际电动机旋转速度Nm，如算式3所示通过公知的PID控制(运算)来计算施加于电动机2的最佳电压(施加电压)V。

V_n＝V_n-1+K_p·N_e+K_i·∫N_e·dt+K_d·dNe/dt (算式3)

这里，V_n是本次的施加电压，V_n-1是上次的施加电压，K_p是比例系数，K_i是积分系数，K_d是微分系数。各系数K_p、K_i、K_d作为电动机旋转速度Nm的函数通过算式4计算。

K_p＝g₁(Nm)，K_i＝g₂(Nm)，K_d＝g₃(Nm) (算式4)

即由于根据旋转体旋转速度Nr和电动机旋转速度Nm计算施加电压，所以能够通过最佳电压控制电动机2，同时能够正确地控制旋转体1的旋转速度。

励磁频率计算部44输入实际电动机旋转速度Nm，算出作为电动机旋转速度Nm的函数的电动机2的励磁频率f。例如表示加速及稳定时的励磁频率f的图6所示，在到达规定的电动机旋转速度Nm_o为止，励磁频率f_o恒定，之后励磁频率f作为电动机旋转速度Nm的函数，与电动机旋转速度Nm对应，针对事先确定的滑动S通过公知的算式5计算。励磁频率f的值如图6所示要高于与电动机旋转速度Nm相当的频率。

f＝g₄(Nm)＝1/(1-S)·Nm (算式5)

这里，f是励磁频率，S是滑动，Nm是电动机旋转速度。

下面参考图3的流程图说明电动机2的控制方法。首先步骤1中，从操作面板6设定旋转体目标旋转速度、运行时间等运行条件，按下未图示的开始开关后，在步骤2中，控制装置4的施加电压计算部43以及励磁频率计算部44，分别如图6所示向电动机驱动装置5输出初始施加电压V_o及初始励磁频率f_o，驱动电动机2开始离心机100的运行。即，电动机2的旋转动力经由电动机输出轴2a上固定的电动机带轮10a、皮带11、旋转体带轮10b及旋转体旋转轴9传递到旋转体1，开始离心机100的运行。

运行开始后，在步骤3中，控制装置4通过电动机速度检测器3及旋转体速度检测器8分别检测出实际的电动机旋转速度Nm及旋转体旋转速度Nr，读入各旋转速度。另外，步骤1中设定的旋转体目标旋转速度设定值经由旋转体目标旋转速度输出部41作为旋转体目标旋转速度Nr^*输入。

在步骤4中，旋转体速度偏差计算部42由旋转体目标旋转速度Nr^*和旋转体旋转速度Nr计算出偏差Ne(＝Nr^*-Nr)。之后，控制装置4在步骤5及步骤6中计算出施加电压V及励磁频率f。

图5示出了步骤5中的施加电压计算部43的控制流程，按照该控制流程计算出施加电压V。在步骤51中，施加电压计算部43根据在步骤3中读入的由发动机速度检测器3检测出的电动机旋转速度Nm，判断现在的电动机旋转速度Nm是否超过规定值Nm_o。步骤51中为否时，即现在的电动机旋转速度Nm小于或等于规定值Nm_o时，在步骤52中向电动机驱动装置5输出在步骤2中预先确定的初始施加电压V_o。步骤51为是时，即现在的电动机旋转速度Nm大于规定值Nm_o时，在步骤53中通过上述算式4计算出作为电动机旋转速度Nm的函数的计算系数Kp、Ki、Kd。然后在步骤54中，根据在步骤54中所求得的计算系数Kp、Ki、Kd和在步骤4中通过旋转体速度偏差计算部42求得的偏差Ne，根据由上述算式3计算的旋转体旋转速度Nr和电动机旋转速度Nm，计算驱动电动机2的最佳施加电压V。

另一方面，图4示出了步骤6的的控制流程，按照该控制流程计算出励磁频率f。在步骤61中，判断步骤3中读入的现在的电动机旋转速度Nm是否超过规定值Nm_o。步骤61中为否时，即电动机旋转速度Nm小于或等于规定值Nm_o时，在步骤62中向电动机驱动装置5输出在步骤2中预先确定的初始励磁频率f_o。步骤61为是时，即电动机旋转速度Nm大于规定值Nm_o时，在步骤63中作为电动机旋转速度Nm的函数根据上述算式5计算励磁频率f。

因此，本发明所涉及的皮带驱动离心机100分别检测出旋转体1的旋转速度Nr和电动机2的旋转速度Nm，针对每个电动机旋转速度Nm确定滑动S，计算作为电动机旋转速度Nm的函数的励磁频率f，施加电压V作为旋转体旋转速度Nr的偏差Ne和电动机旋转速度Nm双方的函数计算，即，一方面控制针对电动机2的旋转速度Nm控制施加的励磁频率f，另一方面，与旋转体速度偏差计算部42的输出对应，控制扭矩的增减，即控制电动机2的施加电压。其结果，在根据电动机旋转速度Nm计算出励磁频率f的基础上，通过旋转体旋转速度Nr的偏差量来调节施加电压V，而不是像公知的V/f控制那样使其比率恒定，由此，无论皮带11的滑动量如何波动，都能够正确地控制旋转体1的旋转速度，同时能够通过与旋转体1的旋转速度对应的最佳施加电压V及励磁频率f来控制电动机2。

另外，本发明中将感应电动机作为所使用的电动机2进行了说明，在使用DC无刷电动机的情况下也可以适用，如图7所示，代替励磁频率计算部44而设置励磁相位计算部50，控制与电动机2的旋转速度对应的提前角，即，相对于电动机内部转子的磁力方向的励磁相位θ进行控制，另一方面，与旋转体速度偏差计算部42的输出对应，控制扭矩的增减即电动机2的施加电压，这样，与感应电动机相同，无论皮带的滑动量如何波动，都能够正确地控制旋转体1的旋转速度，同时能够通过与旋转体1的旋转速度对应的最佳施加电压V及励磁频率f来控制电动机2。这里，励磁相位θ如图8所示，在离心机的运行开始时即电动机2启动时为初始励磁相位θ_o，然后可以由算式6作为电动机旋转速度Nm的函数计算。

θ＝g₅(Nm) (算式6)

这里，θ是励磁相位，Nm是电动机旋转速度。

进而，如图9所示，也可以在与旋转体1以相同旋转速度旋转的旋转体旋转轴9上设置旋转轴速度信号发生器12，同时设置检测来自旋转轴速度信号发生器12的速度信号的旋转轴速度检测器13，检测旋转体旋转轴9的旋转速度，以替代旋转体1的旋转速度。

Claims

1.一种离心机，其具有：

旋转体，其在投入试料后旋转；

旋转轴，其与该旋转体卡合而进行旋转；

电动机，其旋转驱动上述旋转体及该旋转轴；

皮带，其把该电动机的旋转动力传递到上述旋转轴；

旋转体速度检测单元，其检测上述旋转体的旋转速度；

电动机速度检测单元，其检测上述电动机的旋转速度；

以及控制装置，其驱动控制上述电动机，

其特征在于，

上述控制装置基于来自上述旋转体速度检测单元的信号，计算控制上述旋转体的旋转速度的信号，基于来自上述电动机速度检测单元的信号和上述计算出的信号控制上述电动机。

2.根据权利要求1所述的离心机，其特征在于，

还具有操作面板，其输入上述旋转体的目标旋转速度，

上述控制装置具有：旋转体速度偏差计算部，其输入上述旋转体目标旋转速度及来自上述旋转体速度检出单元的信号，及来自上述电动机速度检测单元的信号，根据上述旋转体目标旋转速度及来自上述旋转体速度检出单元的信号，计算控制上述旋转体的旋转速度的信号；施加电压计算部，其基于来自该旋转体速度偏差计算部的信号和来自上述电动机速度检测单元的信号，控制上述旋转体的施加电压；以及励磁频率计算部，其基于来自上述电动机速度检测单元的信号，控制上述电动机的励磁频率。

3.根据权利要求1所述的离心机，其特征在于，

还具有操作面板，其输入上述旋转体的目标旋转速度，

上述控制装置具有：旋转体速度偏差计算部，其输入上述旋转体目标旋转速度及来自上述旋转体速度检出单元的信号，及来自上述电动机速度检测单元的信号，根据上述旋转体目标旋转速度及来自上述旋转体速度检出单元的信号，计算控制上述旋转体的旋转速度的信号；施加电压计算部，其基于来自该旋转体速度偏差计算部的信号和来自上述电动机速度检测单元的信号，控制上述旋转体的施加电压；以及励磁相位计算部，其基于来自上述电动机速度检测单元的信号，控制上述电动机的励磁相位。

4.根据权利要求1所述的离心机，其特征在于，

控制上述旋转体的旋转速度的信号，是上述旋转体目标旋转速度和来自上述旋转体速度检测单元的信号的偏差。

5.根据权利要求1或2所述的离心机，其特征在于，

上述电动机为感应电动机。

6.根据权利要求1或3所述的离心机，其特征在于，

上述电动机为DC无刷电动机。

7.一种离心机，其具有：

旋转体，其在投入试料后旋转；

旋转轴，其与该旋转体卡合而进行旋转；

电动机，其旋转驱动上述旋转体以及该旋转轴；

皮带，其把该电动机的旋转动力传递到上述旋转轴；

旋转轴速度检测单元，其检测上述旋转轴的旋转速度；

电动机速度检测单元，其检测上述电动机的旋转速度；

以及控制装置，其驱动控制上述电动机，

其特征在于，

上述控制装置基于来自上述旋转轴速度检测单元的信号，计算控制上述旋转体的旋转速度的信号，基于来自上述电动机速度检测单元的信号和上述计算出的信号控制上述电动机。