JP2006000731A - モータ制御装置および該制御装置を用いた遠心機 - Google Patents

Abstract

【課題】 モータの発熱を抑制し、モータ軸受け部のボールベアリングの温度上昇を抑制できるモータの制御装置および該制御装置を有する遠心機を提供する。
【解決手段】 遠心機２００は、試料を収納するロータ１と、ロータ１を回転駆動するモータ２と、モータ２の現在回転速度を検出する速度検出センサ３と、モータ２を駆動するインバータ４と、インバータ４を制御する制御部５と、モータ２の電流を検出するモータ電流検出器１０とを有する。制御部５内には、電圧変調波生成部６、キャリア生成部７、電圧変調波とキャリアの大小比較によりＰＷＭ信号をインバータ４に出力するＰＷＭ信号生成部８と、キャリア生成部７にキャリア周波数を出力するキャリア周波数指示部９を設ける。キャリア周波数指示部９は、モータの加減速或いは整定動作に際し、整定時のキャリア周波数を加減速時よりも高く決定し、発熱を抑制する。
【選択図】図２

Description

本発明は、遠心分離用ロータ等を駆動するモータの回転数を制御する制御装置および該制御装置を用いた遠心機に関するものである。

遠心機用モータの制御装置として、力率改善用コンバータと、インバータを備えているものが知られている。力率改善用コンバータは、交流源と直流源間の電力変換において、交流源から直流源への変換は昇圧コンバータとして作用し、直流源から交流源への変換は降圧コンバータとして作用し、且つ、交流電源から流れる電流の高調波成分を抑制する。インバータは、直流源とモータ間の電力変換においては、直流源を電力源としてロータを回転駆動させるモータを制御し、力行、回生運転させる。

この制御装置は、モータを力行させロータの回転速度を上げる加速時、或いはロータの回転速度を一定に保つ整定時は、上記力率改善用コンバータで昇圧した直流電源によりインバータを介してモータ印加電圧を制御するＰＷＭ電圧制御、及びプラスのすべり制御によりモータを駆動する。モータを回生させロータの回転速度を下げる減速時は、インバータを介して上記ＰＷＭ電圧制御、及びマイナスのすべり制御によりモータを駆動し、且つ、直流電源に回生された電気エネルギーを力率改善用コンバータで降圧して交流電源に戻す（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−２４６３５１号公報（第９頁、図２）

上記した従来のモータ制御装置は、モータの加減速時は交流電源を直流電源に変換する力率改善用コンバータにより、直流電源電圧を交流電源電圧のピーク値より高い電圧に保っており、インバータのＰＷＭ電圧制御の変調率の調整でモータ印加電圧を制御しているため、モータに印加する電圧の制御が不充分であった。

また、ロータを収納するチャンバ内を真空に制御しロータを高速で回転する超遠心機では、ロータの風損が無視できるので、整定時のモータ負荷は加速時のモータ負荷に対し１０分の１程度に低下する。そのため、上記した制御装置は、モータ入力電力を低減するようモータ印加電圧を下げる必要があり、ＰＷＭ電圧の変調率を減少させている。しかしこのとき、モータ電流の高調波成分が増加して無効電力が増大し、モータの発熱が大きくなりモータ軸受け部のボールベアリングの温度上昇を招く欠点があった。

本発明は上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、モータ電流の高調波成分を低減させモータの発熱を抑制し、モータ軸受け部のボールベアリングの温度上昇を抑制することが可能なモータの制御装置および該制御装置を用いた遠心機を提供することである。

上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、モータの現在回転速度を検出する速度検出センサと、前記モータを駆動する駆動部と、前記駆動部を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記モータに印可する相電圧の目標となる電圧変調波を生成する電圧変調波生成部と、キャリアを生成するキャリア生成部と、前記電圧変調波と前記キャリアとの大小比較により生成される駆動信号を前記駆動部に出力する駆動信号生成部と、前記速度検出センサにより検出される前記モータの運転状態に応じて前記キャリアのキャリア周波数を決定し、前記キャリア生成部に前記キャリア周波数を出力するキャリア周波数指示部と、
を備え、前記キャリア周波数指示部は、前記モータの整定時のキャリア周波数を加減速時のキャリア周波数よりも高くすることを特徴とするモータの制御装置である。

請求項1に記載の制御装置においては、速度検出センサがモータの回転速度を検出し、制御部に出力する。制御部のキャリア周波数指示部は、検出されたモータの運転状態が整定時には、加減速時よりも高いキャリア周波数をキャリア生成部に指示する。駆動信号生成部は、キャリア生成部が出力するキャリアと、電圧変調波とにより駆動信号を生成する。

請求項２に記載の発明は、上記制御装置において前記制御部は、前記電圧変調波の周波数の変化にかかわらず前記キャリア周波数を一定とする非同期モードと、前記電圧変調波の周波数の変化に伴い前記キャリア周波数が前記電圧変調波の周波数に対し整数倍の関係となり前記電圧変調波と前記キャリアとの位相を常に同期させる同期モードとを切り替えるモード切り替え手段をさらに有し、前記モード切り替え手段は、前記モータの加減速時においては、前記電圧変調波の周波数が所定値以下の場合には前記非同期モードに切り替え、前記電圧変調波の周波数が所定値を越えると前記同期モードに切り替え、前記モータの整定時においては、同期モードに切り替えることを特徴としている。

請求項３に記載の発明は、上記制御装置が、前記モータの電流を検出するモータ電流検出器をさらに備え、前記制御部は、前記モータの整定運転時に前記モータ電流検出器による前記モータの電流の大きさに応じて前記キャリア周波数を調整することを特徴としている。

請求項４に記載の発明は、モータと、前記モータに接続されて回転するロータと、前記モータの回転を制御する請求項１に記載のモータの制御装置と、を有することを特徴とする遠心機である。

請求項１記載の制御装置によれば、モータの加減速或いは整定動作に際しキャリア周波数指示部が、整定時のキャリア周波数を加減速時のキャリア周波数よりも高くするので、モータ電流の高調波成分を低減でき、モータの発熱を抑制し、モータ軸受け部のボールベアリングの温度上昇を抑制する効果がある。

請求項２に記載の制御装置によれば、加減速時にはモータ励磁周波数に応じて同期モードと非同期モードとを切り替えることができ、低回転においてのキャリア周波数変化が必要なく、制御が容易になる。所定回転数以上の加減速時、および整定時には同期モードとするので、電圧変動を抑制することができる。

請求項３に記載の制御装置によれば、整定時のキャリア周波数はモータ電流量に応じて設定されるので、モータの発熱を抑制することが可能である。

請求項４に記載の遠心機によれば、ロータを回転させるモータが発熱を抑制され、モータ軸受け部のボールベアリングの温度上昇を抑制されているので、遠心機内部の温度上昇を抑制できる。

以下、本発明の１実施の形態による遠心機用モータの制御装置を図に基づき説明する。図１は、本実施の形態による制御装置１００を備えた遠心機２００の構成を示した概略断面図、図２は、本実施の形態による制御装置１００を備えた遠心機２００の構成を示したブロック図である。

図１に示すように遠心機２００は、本体３０と、ドア３３とを備えている。本体３０には、上部に開口部３１が形成されている。ドア３３は、本体３０の上部に設けられ、開口部３１を開閉可能である。上部には、キーボード３５と表示部３６とが設けられている。表示部３６を見ながらユーザは、キーボード３５から、例えば遠心分離する試料の名称等の必要事項を入力し、表示部３６で入力した値を確認することができる。

本体３０内部には、ロータ１、モータ２、制御装置１００等が設けられている。ロータ１は、試料を収納し、遠心分離するために用いられる。モータ２は、誘導モータ等により構成される。ロータ１は、駆動シャフト３７を介してモータ２へ接続されており、モータ２から駆動シャフト３７を介してロータ１へ回転駆動トルクが伝達されて回転する。従ってモータ２の回転数は、ロータ１の回転数に一対一対応となっている。モータ２は、モータ２の制御を行うための遠心機２００の制御装置１００に接続されている。以下、詳細な構成及び機能を説明する。

図２に示すように、ロータ１は試料を収納し、回転可能に備えられている。モータ２は、ロータ１を回転駆動する３相の誘導モータである。制御装置１００は、速度検出センサ３、インバータ４、インバータ制御部５、モータ電流検出器１０等を有している。

速度検出センサ３は、モータ２の現在回転速度を検出する速度検出センサである。インバータ４は、モータ２に可変周波数の電圧を出力する駆動部である。インバータ４は、ＩＧＢＴやＦＥＴ等の６個のスイッチング素子４Ｕ、４Ｖ、４Ｗ、４Ｘ、４Ｙ、４Ｚを備えている。

インバータ制御部５はインバータ４の６個のスイッチング素子４Ｕ、４Ｖ、４Ｗ、４Ｘ、４Ｙ、４Ｚにオン、オフ信号を出力する制御部である。インバータ制御部５は、例えば本実施形態では日立製ＳＨ７０６５マイコンのような３相モータ駆動用のタイマが内蔵されているマイコンを中核とし構成されている。

モータ電流検出器１０は、モータ２の電流を検出する。モータ電流検出器１０の出力は、インバータ制御部５へ入力される。

インバータ制御部５は、電圧変調波生成部６、キャリア生成部７、ＰＷＭ信号生成部８、キャリア周波数指示部９等を備えている。電圧変調波生成部６は、モータ２に印可する相電圧の目標となる電圧変調波Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*を生成する。電圧変調波Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*の周波数は、モータ励磁周波数ｆ１である。キャリア生成部７は、キャリアＣＲを生成する。ＰＷＭ信号生成部８は、駆動信号生成部であり、電圧変調波Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*とキャリアＣＲの大小比較により生成される駆動信号たるＰＷＭ信号をインバータ４に出力する。このＰＷＭ信号は、インバータ４の６個のスイッチング素子４Ｕ、４Ｖ、４Ｗ、４Ｘ、４Ｙ、４Ｚのオン、オフ信号となる。キャリア周波数指示部９は、キャリア生成部７にキャリア周波数指令ｆｃ*を出力する。

次に、遠心機２００の動作について図３から図９を参照して説明する。なお、図３から図９において、図２と同様の部位については、同一の符号を付している。

図３は、モータ２の駆動信号たるＰＷＭ信号の生成方法を示す図である。図３において横軸は時間、縦軸は電圧である。上述したようにＰＷＭ信号は、インバータ４を構成する６個のスイッチング素子４Ｕ、４Ｖ、４Ｗ、４Ｘ、４Ｙ、４Ｚのオン、オフ信号となる。

ＰＷＭ信号Ｅｕｎ２２、Ｅｖｎ２３、Ｅｗｎ２４は、電圧変調波生成部６の出力であるモータ２の３相の相電圧の目標となる電圧変調波Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*と、キャリア生成部７の出力であるキャリアＣＲを、ＰＷＭ信号生成部８で大小比較することで生成される。なお、上記電圧変調波Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*は式（１）に従い生成される。

式（１）において、Ｖｍは電圧変調波Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*の電圧振幅であり、θｖｎはＵ相の電圧変調波Ｖｕ*の位相である。電圧変調波Ｖｕ*の位相θｖｎは、非同期ＰＷＭモードの場合にはキャリアＣＲの上側頂上と下側頂上（以下、それぞれキャリア山、谷と称す）の位相差Δθｖと前回の電圧変調波Ｖｕ*の位相θｖｎ-１から、式（２）によりキャリアＣＲの山谷毎に算出する。

また、同期ＰＷＭモードの場合での位相差Δθｖは、モータ励磁周波数ｆ１の１周期２π（ｒａｄ）をキャリアＣＲの山谷の数で除算して求められる。

ＰＷＭ信号Ｅｕｎ２２、Ｅｖｎ２３、Ｅｗｎ２４はＰＷＭ信号生成部８で生成された駆動信号であり、キャリアＣＲに対し電圧変調波Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*が大きい場合は、インバータ４の上アームのスイッチング素子４Ｕ、４Ｖ、４Ｗがオンとなり、同時に上下に対応する下アームのスイッチング素子４Ｘ、４Ｙ、４Ｚがオフとなる。一方、キャリアＣＲに対し電圧変調波Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*が小さい場合は、上アームがオフ、下アームがオンとなる。

信号ｅＵＶ２５、ｅＶＷ２６、ｅＷＵ２７はそれぞれ、モータ２のＵＶ相、ＶＷ相、ＷＵ相間に出力される電圧波形を示す。ＰＷＭ信号の変調率を変更する時は、電圧変調波Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*の振幅Ｖｍを変更し、電圧変調波Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*の１周期でのキャリアＣＲの数を変更する時は、キャリア周波数ｆｃの変更によりΔθｖを変更すればよい。

以下、キャリア周波数ｆｃの変更方法を図４と図５を参照し説明する。図４はキャリア周波数指示部９の詳細な構成を示すブロック図である。

図４に示すように、キャリア周波数指示部９は、キャリアモード指示部５０、キャリア周波数指令部５１を有している。キャリア周波数指示部９には、モータ励磁周波数ｆ１、モータ電流Ｉが入力されている。

キャリアモード指示部５０は、モータ２の加減速或いは整定動作の運転状態とモータ励磁周波数ｆ１とにより、キャリア周波数指令部５１のキャリア周波数指令ｆｃ*の生成モードを指示する切り替え手段である。なお、モータ２の運転状態は、速度検出センサ３から入力される、モータ２の回転数に応じた信号（図示せず）により判定する。

キャリア周波数指令部５１は、モータ２の加減速或いは整定動作の運転状態に応じてキャリア周波数指令ｆｃ*をキャリア生成部７に出力する。モータ２の加減速時ではモータ励磁周波数ｆ１と運転状態を基に、整定時ではモータ励磁周波数ｆ１と運転状態とモータ電流Iを基に、キャリア周波数指令ｆｃ*の生成方法を切り替える。

キャリア周波数指令部５１は、非同期モードキャリア周波数指令部５１ａ、同期モードキャリア周波数指令部５１ｂを有している。非同期モードキャリア周波数指令部５１ａは、モータ励磁周波数ｆ１に因らずキャリア周波数ｆｃを一定とする非同期ＰＷＭモードにより、生成すべきキャリアＣＲのキャリア周波数ｆｃに応じたキャリア周波数指令ｆｃ*をキャリア生成部７に出力する。同期モードキャリア周波数指令部５１ｂは、キャリア周波数ｆｃがモータ励磁周波数ｆ１に対し整数倍の関係となり、且つ、電圧変調波Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*の位相とキャリアＣＲの位相を常に同期させる同期ＰＷＭモードにより、生成すべきキャリアＣＲのキャリア周波数ｆｃに応じたキャリア周波数指令ｆｃ*をキャリア生成部７に出力する。

次に、モータ２の加減速時のキャリア周波数変化について説明する。図５は、モータ２の加減速時のモータ励磁周波数ｆ１の変化に伴う、図４のキャリア周波数指令部５１でのキャリア周波数指令ｆｃ*の変化を示したものである。モータ２は加減速時において、モータ励磁周波数ｆ１が所定周波数ｆ1ａ以下の場合には非同期ＰＷＭモード、所定周波数ｆ1ａを超えると同期ＰＷＭモードで駆動される。

図５において、区間Iは非同期モードキャリア周波数指令部５１ａでの非同期ＰＷＭモード区間であり、区間IIから区間IVは同期モードキャリア周波数指令部５１ｂでの同期ＰＷＭモード区間である。周波数ｆ１ａは非同期ＰＷＭモード区間Iから同期ＰＷＭモード区間IIへ切り替わる時のモータ励磁周波数であり、周波数ｆ１ｂ及びｆ１ｃはキャリア数切り替え時のモータ励磁周波数である。

周波数ｆｃ１は非同期ＰＷＭモード区間Iでの一定キャリア周波数であり、周波数ｆｃ２はモータ２の加減速時でのキャリア周波数の上限である。

本実施形態では、インバータ４を構成するスイッチング素子にＩＢＧＴを用いており、例えば、周波数ｆｃ１を１０ｋＨｚ、加減速時のキャリア周波数の上限周波数ｆｃ２を１２ｋＨｚとしている。非同期ＰＷＭモードと同期ＰＷＭモードの境界モータ励磁周波数ｆ１ａは、周波数ｆｃ１を１０ｋＨｚと固定した状態でのキャリア数が２５個以上となるように４００Ｈｚとしている。また、同期ＰＷＭモードでのキャリア数を区間IIでは２１個、区間IIIでは１５個、区間IVでは９個としており、キャリア数切り替え時のモータ励磁周波数ｆ１ｂ及びｆ１ｃは、キャリア周波数ｆｃが周波数ｆｃ２の１２ｋＨｚを超えないように、周波数ｆ１ｂを５７１Ｈｚ、周波数ｆ１ｃを８００Ｈｚとしている。

次に、キャリア周波数ｆｃを変更する時のキャリア生成部７におけるカウンタクロックのカウント値変更動作について図６を参照し説明する。図６は、キャリア周波数変更時の電圧変調波生成部６で決定される電圧変調波Ｖｕ＊のカウンタのカウント値とキャリア生成部７で決定されるキャリアのカウント値の時間的変化を示した図である。ここでは、電圧変調波Ｖｕ*の位相０付近以外のカウンタ値の時間的変化は省略している。

図６において、キャリアＣＲ'はキャリア生成部７のカウント値の時間的変化を示しており、キャリア生成部７のカウンタはキャリア谷からキャリア山まではアップカウントし、キャリア山からキャリア谷まではダウンカウントする。区間Ｐは例として、同期ＰＷＭモードでの加減速時のキャリアＣＲ'とＵ相の電圧変調波Ｖｕ*の関係を示しており、区間Ｑは、整定時でのキャリアＣＲ'とＵ相の電圧変調波Ｖｕ*の関係を示している。カウント値Ｘは加減速時のキャリアＣＲ'のカウント値であり、カウント値Ｙは整定時のキャリアＣＲ'のカウント値である。ここで、上記のカウント値Ｘ、Ｙはキャリア周波数指示部９が出力するキャリア周波数指令ｆｃ*を基にキャリア生成部７で演算される値であり、カウンタ内部クロック周波数を２倍のキャリア周波数指令ｆｃ*で除算した値である。

モータ２の整定時には、区間Ｑのようにキャリア周波数指示部９がキャリア生成部７へ出力するキャリア周波数指令ｆｃ*を高めることで、キャリア生成部７のカウント値は、カウント値Ｙのように加減速時のカウント値Ｘに対し小さくなり、整定時でのキャリア周波数ｆｃを加減速時より高くすることが可能となる。

本実施形態による制御装置１００では、インバータ４のスイッチング素子にＩＢＧＴを用いている。一般に上記ＩＧＢＴのスイッチング損失は、キャリア周波数とモータ２を流れる電流に比例して大小する。ここで、図２におけるロータ１は図示しないチャンバと真空ポンプにより真空状態に保たれており、ロータ1は真空中で回転するので風損を無視でき、モータ２の出力は小さくなる。

モータ２の出力が大きくモータ２を流れる電流が大きい加減速時は、スイッチング素子のスイッチング損失が大きいので、キャリア周波数を制限する必要があるが、整定時ではモータ２の出力が小さくモータ２を流れる電流が小さくなる。スイッチング素子のスイッチング損失は、モータ２を流れる電流とキャリア周波数との積に比例して増大するため、加減速時のキャリア周波数より整定時のキャリア周波数を高くしてもインバータ４のスイッチング素子のスイッチング損失を加速時と同等に抑制可能である。

本実施形態による制御装置１００において、キャリア周波数指示部９は、モータ２の整定時にキャリア周波数指令ｆｃ*を加減速時の指令より高めるように動作する。これにより、モータ２整定時のモータ励磁周波数ｆ１の１周期中のキャリア数を増加することができるので、整定時のモータ電流の高調波成分を低減する事が可能となり、モータ２軸受け部のボールベアリングの温度上昇を抑制することができる。

また本実施形態による制御装置１００では、非同期ＰＷＭモードから同期ＰＷＭモードへの切り替え時は、モータトルクの乱れが発生しないように、キャリア生成部７は電圧変調波Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*とキャリアＣＲの位相を位相０で一致させるキャリアの調整を行う。

キャリア生成部７で実行される上記調整でのカウンタのカウント値の様子について、図７を参照し説明する。図７は、ＰＷＭモードを非同期モードから同期モードに変更する際の、電圧変調波生成部６で決定される電圧変調波Ｖｕ*のカウント値とキャリア生成部７で決定されるキャリアのカウント値の時間的変化を示した図である。図６と同様に、電圧変調波Ｖｕ*の位相０付近以外のカウント値の時間的変化は省略している。

図７において、区間Ｒは非同期ＰＷＭモード、区間Ｓはキャリアの調整区間、区間Ｔは同期ＰＷＭモードを示している。カウント値Ｘ'は非同期ＰＷＭモード及び同期ＰＷＭモードでのキャリアＣＲ'のカウント値であり、カウント値Ｙ'はキャリア周波数調整区間でのキャリアＣＲ'のカウント値である。位相超過量dθは、電圧変調波Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*の位相θｖが０（図中時刻ａ）となった直後のキャリアＣＲ'の位相が０（図中時刻ｂ）となった時の、電圧変調波Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*の位相超過量である。

キャリアの調整区間Ｓでは、電圧変調波の位相θｖが次に０となる時刻でキャリアＣＲ'の位相も０になるように、位相超過量dθを徐々にキャリアの山谷毎で吸収する。

ここで、位相超過量dθに対応するキャリア生成部７のカウンタクロックのカウント値Δｃｎｔは、カウンタクロックをｆｍｍｔとすると、dθとモータ励磁周波数ｆ１から式（３）で表される。

カウント値Ｘ'は、カウンタクロックをｆｍｍｔとし、式（４）に従い求められる。

位相超過量dθを徐々にキャリアの山谷毎で吸収するため、周波数調整区間Ｓでのカウント値Ｘ'をカウント値Ｙ'に変更する必要があり、この時のカウント値Ｘ'に対する変更量ΔＸ'は、以下に示すように決定される。

キャリア周波数調整区間Ｓでのキャリア山谷の回数を１〜kとすると、電圧変調波Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*の位相θｖが０（時刻ａ）となった直後のキャリアＣＲ'の位相が０（時刻ｂ）となる点がキャリアの谷である場合は、区間Ｓでのキャリア山谷の回数は１からｋまでのｋ回となるので、変更量ΔＸ'は、位相超過分dθのカウント値Δｃｎｔをキャリア山谷の回数ｋ回で除算すれば良く、式（５）により算出する。

なお、電圧変調波の位相θｖが０となった直後のキャリアＣＲ'の位相が０となる点がキャリア山の場合には、区間Ｓでのキャリア山谷の回数は（ｋ−１）回であり、ΔＸ'は式（６）に従い求められる。

よって、図７のキャリア周波数調整区間ＳでのキャリアＣＲ'のカウント値Ｙ'は、式（７）に示すように、非同期ＰＷＭモードでのカウント値Ｘ'から変更量ΔＸ'を減算し算出する。

式（７）で求めたカウント値Ｙ'をキャリアの谷１でセットし、キャリア山谷１からｋでキャリアと変調波の同期調整が実施され、キャリア及び電圧変調波の位相が０で同期が取れた時刻ｃで同期ＰＷＭモードでのカウント値Ｘ'に切り替える。

上記のように、キャリア生成部７によるキャリアの調整動作により非同期ＰＷＭモードから同期ＰＷＭモードへの切り替え時のモータトルクの脈動を抑える事ができ、切り替えを好適に行うことが可能となる。

以上説明したキャリア周波数指令部５１が行うキャリア周波数指令ｆｃ*の変更動作のフローチャートを図８に示し説明する。図８においてステップ６０では、キャリアモード指示部５０が、速度検出センサからの出力によりモータ２が加減速又は整定動作かを判断する。加減速動作の場合はステップ６１へ、加減速ではない整定動作の時はステップ６５へ進む。

ステップ６１では、モータ２が加速或いは減速時に、キャリアモード指示部５１がキャリア周波数ｆｃに上限ｆｃ２を設定する。ステップ６２へ進みキャリアモード指示部５１は、モータ励磁周波数ｆ１が所定の値ｆ１ａ以下か否かを判断する。モータ励磁周波数ｆ１が周波数ｆ１ａ以下の場合はステップ６３へ、周波数ｆ１ａを超えた場合はステップ６４へ進む。

ステップ６３では非同期ＰＷＭモードでモータ２を駆動するため、非同期モードキャリア周波数指令部５１ａはキャリア周波数指令ｆｃ＊を一定の値ｆｃ１*とし、キャリア生成部７に出力する非同期ＰＷＭモードでのキャリア周波数指令ｆｃ*を出力する。

モータ励磁周波数ｆ１が周波数ｆ１ａを超えていた際はモータ２を同期ＰＷＭモードで駆動するため、同期モードキャリア周波数指令部５１ｂは、キャリア周波数ｆｃを、モータ励磁周波数ｆ１に対し３の倍数で、且つ周波数ｆｃ２以下に制限するキャリア周波数指令ｆｃ＊を、キャリア生成部７に出力する（ステップ６４）。

モータ運転状態を判断するステップ６０において、モータ２は整定動作を行っていると判断した場合はステップ６５へ進む。非同期モードキャリア周波数指令部５１ａは、モータ電流検出器１０からモータ２の相電流Ｉを検出し、キャリア周波数指令ｆｃ*'を電流Ｉに従い決定する（ステップ６５）。キャリアモード指示部５０が同期ＰＷＭモードでキャリア生成を行うことを指示すると、同期モードキャリア周波数指令部５１ｂは、ステップ６５で出力されたキャリア周波数指令ｆｃ*'を同期ＰＷＭモードでのキャリア周波数指令ｆｃ*となるように、キャリア周波数ｆｃの調整を実施する（ステップ６６）。

なおここで、ステップ６５でのキャリア周波数指令ｆｃ*'の決定について図９を用い説明する。インバータ４のスイッチング素子のスイッチング損失はモータ電流とスイッチング周波数に比例し大小するので、加速時のモータ最大電流とその時のキャリア周波数を掛け合わせた値を損失の基準値とし、この基準値をモータ電流検出器１０による電流Iで除算することでキャリア周波数指令ｆｃ*'を求める。

このとき、キャリア周波数指令ｆｃ*'は電流Iの反比例関数で表されるので、図９に示したように電流Iが小さい時にキャリア周波数指令ｆｃ*'をｆｃ３以上に高めないように制限を掛けている。また、整定時のモータ電流Ｉは加速時のモータ電流よりも小さく、キャリア周波数ｆｃ２でのモータ電流Ｉｆｃ２以上の電流が流れることはないので、整定時のキャリア周波数は、加減速時のキャリア周波数よりも高く保たれる。

なお、ステップ６５で求めたキャリア周波数指令に対するモータ励磁周波数ｆ１の１周期におけるキャリア数が例えば１５個未満となり充分多くできない場合は、モータ２の３相の相電流が不平衡となる恐れがあるため、ステップ６６によりＰＷＭ生成モードが同期ＰＷＭモードとなるようにキャリア周波数指令ｆｃ*'を低下調整する動作が行われる。

以上、本実施の形態による制御装置１００では、モータ２の電流が小さくなる整定時は、キャリア周波数ｆｃをモータ電流の大きさに従いスイッチング素子の発熱量が許し得る最大まで高速化するので、モータ励磁周波数の１周期中のキャリア数を増加することができる。従って、モータ２整定時のモータ電流の高調波成分を低減することが可能となり、モータ２軸受け部のボールベアリングの温度上昇を抑制することができる。

また、モータ２整定時のモータ励磁周波数の１周期におけるキャリア数を充分多くできない場合は、同期ＰＷＭモードとなるようにキャリア周波数ｆｃを調整するように動作する。よって、モータ電流の不平衡によるモータトルク乱調を防止しつつ、モータ２軸受け部のボールベアリングの温度上昇を抑制することができる。

以上詳細に説明したように、本実施の形態による制御装置１００を備えた遠心機によれば、試料を収納するロータ１と、該ロータ１を回転駆動するモータ２と、該モータ２の現在回転速度を検出する速度検出センサ３と、該モータ２を駆動するインバータ４と、該インバータ４を制御する制御部５と、モータ２の電流を検出するモータ電流検出器１０を備え、制御部５はモータ２に印可する相電圧の目標となる電圧変調波Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*を生成する電圧変調波生成部６と、キャリアＣＲを生成するキャリア生成部７と、電圧変調波Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*とキャリアＣＲの大小比較によりＰＷＭ信号を前記インバータ４に出力するＰＷＭ信号生成部８と、キャリア周波数を決定しキャリア生成部７にキャリア周波数指令を出力するキャリア周波数指示部９を設け、キャリア周波数指示部９は、所定のモータ励磁周波数でのモータの加減速或いは整定動作に際し、整定時のキャリア周波数を加減速時のキャリア周波数ｆｃよりも高くするので、モータ電流の高調波成分を低減でき、整定時のＰＷＭモードでの駆動においてもモータ２の発熱を抑制し、モータ２の軸受け部のボールベアリングの温度上昇を抑制することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明によるモータの制御装置の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変形や改良が可能である。

本発明による制御装置は、遠心機用のモータを駆動制御する制御装置として利用可能である。

制御装置１００を備えた遠心機２００の概略断面図である。 制御装置１００を備えた遠心機２００の構成を示すブロック図である。 インバータ４のスイッチング信号となるＰＷＭ信号生成方法を示す図である。 キャリア周波数指示部９の詳細な構成を示すブロック図である。 モータ励磁周波数ｆ１とキャリア周波数ｆｃの関係を示す図である。 キャリア周波数ｆｃの変更動作の詳細を示す図である。 非同期ＰＷＭモードから同期ＰＷＭモードへの切り替え動作を示す図である。 キャリア周波数ｆｃの変更動作を示すフローチャートである。 整定時のモータ２を流れる相電流Ｉとキャリア周波数ｆｃの関係を示す図である。

符号の説明

１・・・ロータ、 ２・・・モータ、 ３・・・速度検出センサ、 ４・・・インバータ、 ５・・・インバータ制御部、 ６・・・電圧変調波生成部、 ７・・・キャリア生成部、 ８・・・ＰＷＭ信号生成部、９・・・キャリア周波数指示部、 １０・・・モータ電流検出器、 １００・・・制御装置、 ２００・・・遠心機

Claims (4)

1. モータの回転速度を検出する速度検出センサと、
   前記モータを駆動する駆動部と、
   前記駆動部を制御する制御部と、
   を備え、前記制御部は、
   前記モータに印可する相電圧の目標となる電圧変調波を生成する電圧変調波生成部と、
   キャリアを生成するキャリア生成部と、
   前記電圧変調波と前記キャリアとの大小比較により生成される駆動信号を前記駆動部に出力する駆動信号生成部と、
   前記速度検出センサにより検出される前記モータの運転状態に応じて前記キャリアのキャリア周波数を決定し、前記キャリア生成部に前記キャリア周波数を出力するキャリア周波数指示部と、
   を備え、
   前記キャリア周波数指示部は、前記モータの整定時のキャリア周波数を加減速時のキャリア周波数よりも高くすることを特徴とするモータの制御装置。
2. 前記制御部は、
   前記電圧変調波の周波数の変化にかかわらず前記キャリア周波数を一定とする非同期モードと、前記電圧変調波の周波数の変化に伴い前記キャリア周波数が前記電圧変調波の周波数に対し整数倍の関係となり前記電圧変調波と前記キャリアとの位相を常に同期させる同期モードとを切り替えるモード切り替え手段、
   をさらに有し、
   前記モード切り替え手段は、
   前記モータの加減速時においては、前記電圧変調波の周波数が所定値以下の場合には前記非同期モードに切り替え、前記電圧変調波の周波数が所定値を越えると前記同期モードに切り替え、
   前記モータの整定時においては、同期モードに切り替えることを特徴とする請求項１記載のモータの制御装置。
3. 前記制御装置は、前記モータの電流を検出するモータ電流検出器をさらに備え、前記制御部は、前記モータの整定運転時に前記モータ電流検出器による前記モータの電流の大きさに応じて前記キャリア周波数を調整することを特徴とする請求項１または２のいずれか一項に記載の制御装置。
4. モータと、
   前記モータに接続されて回転するロータと、
   前記モータの回転を制御する請求項１に記載のモータの制御装置と、
   を有することを特徴とする遠心機。
   

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