JP4919038B2

JP4919038B2 - 遠心分離機

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Publication number: JP4919038B2
Application number: JP2007058312A
Authority: JP
Inventors: 幸一赤津; 廣之高橋; 貴弘藤巻
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2007-03-08
Filing date: 2007-03-08
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2027-03-08
Also published as: JP2008221030A

Description

本発明は、商用電源ＡＣ１００Ｖ系または商用電源ＡＣ２００Ｖ系など異なる交流電圧をもつ複数の交流電源に接続可能な遠心分離機に関し、特に、試料を遠心分離するために使用されるモータの回転を、接続される交流電源の交流電圧に関係なく、同一の加速時間等の仕様で制御できる遠心分離機の制御手段に関する。

周知の遠心分離機において、遠心分離に使用する試料を保持するロータを回転させるためのモータにはブラシレス直流モータが広く使用されている。このモータの制御装置は、交流電源を直流電圧に変換する直流変換器（コンバータ）と、直流変換器に接続され直流電圧を出力する平滑コンデンサと、該平滑コンデンサに並列にブリッジ接続された複数のスイッチング素子から構成されたモータ巻線に電力を供給するためのインバータと、上記複数のスイッチング素子をパルス幅変調（ＰＷＭ）信号で駆動するインバータ駆動部と、パルス幅変調信号を生成するための演算制御部（ＣＰＵ）と、パルス信号形成に必要なデータを記憶するための不揮発性メモリ等を含む記憶部とを具備している。上記制御装置におけるＣＰＵは、モータの回転数検出部の検出信号に基づいてモータの回転数を把握し、上記記憶部に格納されているプログラムに従ってモータを回転制御するためのパルス幅変調信号を生成して、モータ（試料搭載のロータ）の回転を制御するものである。

遠心分離機は、遠心分離する試料をロータに保持させ、モータによってそのロータを所定時間、所定回転速度で回転駆動させることによって、試料の成分等を正確に遠心分離するものである。また、遠心分離する試料によっては比較的短時間の設定時間内に作業を終了させなければならない場合もある。従って、遠心分離機のロータを回転駆動させるためのモータの運転には、設定された回転速度（整定回転数）を設定時間（整定時間）どおり正確に制御できることが要求され、また、設定回転速度に到達するまでの加速時間も所定時間内に正確に設定できることが要求される。

ロータの整定速度の制御範囲、整定時間の制御範囲、加速度の制御範囲等モータの回転制御に係る仕様または機能が同一である遠心分離機を、商用交流電源の電圧が異なった地域または国に出荷する場合、その商用交流電源の電圧に対応するモータの制御回路装置（制御ボード）を変更する必要がある。例えば、商用電源ＡＣ１００Ｖ系用の遠心分離機に設計されたモータ制御回路装置を、商用電源ＡＣ２００Ｖ系に適用する場合、同一仕様の遠心分離機能を得るために、商用電源とその交流電圧を直流電圧に変換する直流変換器（コンバータ）との間に電源トランスを追加して商用電源ＡＣ２００Ｖ系からＡＣ１００Ｖ系に降圧し、例えば、ＡＣ２００Ｖから降圧したＡＣ１００Ｖを、商用電源ＡＣ１００Ｖ用に設計した直流変換器に接続することによって直流変換器の出力側に接続される平滑コンデンサの充電電圧を商用電源ＡＣ１００の場合と同様な充電電圧に変換していた。

すなわち、商用電源ＡＣ１００Ｖ系と商用電源ＡＣ２００Ｖ系において、電源トランスを変更して直流変換器の出力直流電圧（平滑コンデンサの充電電圧）を同一電圧とすることにより、商用電源ＡＣ１００Ｖ用遠心分離機に設計したモータ回路装置を適用していた。

また、電源トランスを追加することなく商用電源ＡＣ１００Ｖ系と商用電源ＡＣ２００Ｖ系に同一のモータ制御回路装置を適用する他の手段として、商用電源を直流電圧に変換する直流変換器に倍電圧整流回路を追加する手法がある。この倍電圧整流回路は、商用電源ＡＣ１００Ｖ系の地域に出荷する場合は、例えば、ＡＣ１００Ｖ×１．４×２＝２８０Ｖの入力交流電圧を倍電圧整流して直流電圧に変換する。一方、商用電源ＡＣ２００Ｖ系の地域へ出荷する場合は、上記１００Ｖ用倍電圧整流回路から直流変換する出力端子を１箇所切替えることによって、例えば２００Ｖ×１．４＝２８０Ｖの直流電圧（倍電圧整流の半分の直流電圧）に変換できる。

すなわち、商用電源ＡＣ１００Ｖ系と商用電源ＡＣ２００Ｖ系の両者に対して同一の倍電圧整流手段を適用する。そして、商用電源ＡＣ２００Ｖ系の場合は、その出力端子をジャンパー線等によって出荷前に切替えることによって、商用電源ＡＣ１００Ｖ系と商用電源ＡＣ２００Ｖ系の入力交流電圧に対して出力直流電圧をほぼ同じ電圧とし、直流変換器の出力側に接続されるインバータ回路およびその駆動回路を含むモータ制御回路装置に同一設計仕様のものを適用して同一機能の遠心分離機を構成する。

一方、下記特許文献１には、モータの運転状況に従って変化するモータの印加電圧を安定化させるために、直流変換器の出力側に接続される平滑コンデンサの充電電圧を検出し、該充電電圧を一定電圧にするように、商用電源から直流変換器の入力側に供給される交流電圧を調整する技術が開示されている。

特開２００１−１１２２９２号公報

しかしながら、上述した技術に従って商用電源ＡＣ１００Ｖ用遠心分離機に設計されたモータ用制御装置を商用電源ＡＣ２００Ｖ系に適用する場合、交流電源の交流電圧を直流電圧に変換する直流変換器の間に高価な電源トランスを追加してＡＣ２００ＶからＡＣ１００Ｖに降圧する必要があるので、製造コストが高価になってしまうという問題がある。

また、交流電源を直流電圧に変換する直流変換器に倍電圧整流手段を追加して、商用電源ＡＣ１００Ｖ系および商用電源ＡＣ２００Ｖ系に共通のモータ制御回路装置を適用する上記技術は、製造工程において、商用電源ＡＣ１００Ｖ系と商用電源ＡＣ２００Ｖ系で倍電圧整流手段の出力端子を切替えるという煩わしさがあり、製造ラインが複雑となる。

この場合、倍電圧整流手段の出力端子を商用電源ＡＣ１００Ｖ用に接続した制御回路装置を、誤って商用電源ＡＣ２００Ｖ用として実装する恐れもある。万が一、誤って実装した場合、その遠心分離機を商用電源ＡＣ２００Ｖの下で使用すれば、ＡＣ２００Ｖ×２×１．４＝５４０Ｖの直流電圧が直流変換器によって出力されることになるので、平滑コンデンサには、商用電源ＡＣ１００Ｖの使用時に対して２倍の直流電圧が印加されることになる。これによって、平滑コンデンサ、インバータ（モータ用電力変換器）等は、印加された過大電圧によって故障または破損してしまうという問題を生ずる。

さらに、上記特許文献１に開示された技術は、所定の交流電圧をもつ入力交流電源と直流変換器の間に給電スイッチ（電子的スイッチ）を挿入することによって、直流変換器の出力側に接続された平滑コンデンサの充電電圧を所定の電圧に調整するもので、交流電圧が大きく異なる交流電源の両者に対して一様に充電電圧を調整することが困難となる。

従って、本発明の主目的は、互いに異なる交流電圧を持つ複数の交流電源に対して接続可能なモータ制御回路装置を具備する遠心分離機を提供することにある。

本発明の他の目的は、従来の上記問題点を解決するために、例えば商用電源ＡＣ１００Ｖ系と商用電源ＡＣ２００Ｖ系のような異なる商用交流電源に対して、電源トランスの設置または倍電圧整流回路の出力端子の切替えを行うことなく、モータの所定の制御を可能にするモータ制御回路装置を具備する遠心分離機を提供することにある。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの特徴を説明すれば、次のとおりである。

本発明の一つの特徴は、遠心分離する試料を保持するためのロータと、該ロータを回転させるために接続されたモータと、回転磁界を与えて前記モータの起動及び速度を制御するために前記モータ内に設けられたモータ巻線と、交流電源を入力し直流電圧を出力するための直流変換器と、該直流変換器の出力側に接続され前記直流電圧を充電するための平滑コンデンサと、該平滑コンデンサに並列にブリッジ接続された複数のスイッチング素子から構成された前記モータ巻線に電力を供給するためのインバータと、前記複数のスイッチング素子をパルス幅変調信号で駆動するインバータ駆動手段と、前記平滑コンデンサの充電電圧に応答してパルス幅変調信号を生成して前記インバータ駆動手段に供給する制御手段と、前記インバータ駆動手段及び前記制御手段に所定の駆動直流電圧を供給するために、前記交流電源から直流電圧を生成するための直流電源生成手段と、を具備する遠心分離機において、前記直流変換器は、前記交流電源として互いに異なる交流電圧を有する少なくとも二つの交流電源のどちらか一方を接続可能とする入力端子を有し、前記直流電源生成手段は、前記互いに異なる交流電圧を持つ前記二つの交流電源に対して一定の直流電圧を出力するように構成し、前記平滑コンデンサは、前記二つの交流電源の異なる交流電圧に応答する前記直流変換器の出力直流電圧を充電できるように接続し、前記制御手段は、前記平滑コンデンサの充電電圧に対する前記パルス幅変調信号のパルス幅を補正するための電圧指令係数の特性を記憶する第１の記憶手段、及び前記モータの回転数に対応する前記モータへの供給電圧をパルス幅で示す電圧指令値の特性を記憶する第２の記憶手段を具備し、前記制御手段は、前記平滑コンデンサから検出された充電電圧と、前記第１及び第２の記憶手段に記憶された前記電圧指令係数の特性及び前記電圧指令値の特性とに基づいて、前記平滑コンデンサから検出される充電電圧に対して所定のモータ回転数となるように前記パルス幅変調信号のパルス幅を出力するようにしたことにある。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記制御手段は、モータの所定の加速運転期間において、所定のモータ回転数に加速するように、前記パルス幅変調信号のパルス幅を出力する。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記直流変換器の前記入力端子に接続される前記二つの交流電源は、ＡＣ１００Ｖ系の商用交流電源またはＡＣ２００Ｖ系の商用交流電源である。

本発明のさらに他の特徴によれば、前記モータは、ブラシレス直流モータから構成される。

本発明の上記特徴によれば、互いに異なる交流電圧を持つ複数の交流電源に対して接続可能なモータ制御回路装置を具備する遠心分離機を提供できる。また、商用電源ＡＣ１００Ｖ系と商用電源ＡＣ２００Ｖ系のような異なる商用交流電源に対して、電源トランスの設置または倍電圧整流回路の出力端子の切替えを行うことなく、モータの所定の制御を可能にするモータ制御回路装置を具備する遠心分離機を提供できる。

本発明の上記および他の目的、ならびに上記および他の特徴は、以下の本明細書の記述および添付図面よりさらに明らかになるであろう。

以下、本発明の実施形態の一例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための各図面において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明を省略する。

図１は、商用電源ＡＣ１００Ｖ系および商用電源ＡＣ２００Ｖ系の両者の交流電源に接続可能な本発明に係る遠心分離機の機能ブロック図を示す。

図１において、遠心分離機５０は、遠心分離する試料を保持するロータ（以下、遠心分離用ロータと称する場合がある）７と、遠心分離用ロータ７を駆動するモータ６と、モータ６を回転駆動させるための駆動信号を出力するインバータ（電力変換器）５と、インバータ５へ電力を供給するための直流変換器（コンバータ）２と、平滑コンデンサ３と、直流電源生成部１４と、制御部１５とを含んでいる。

特に、本発明の遠心分離機５０に従えば、遠心分離機５０を運転するための交流電源１として、商用電源ＡＣ１００Ｖまたは商用電源ＡＣ２４０Ｖの両者の交流電源を適用可能に構成されている。

遠心分離用ロータ７は、モータ６の回転出力軸に着脱自在に取付けられた回転体で、遠心分離させる試料を入れた試料容器を保持する構造を持つ。このロータ７にはアングルロータまたはスイングロータを適用できる。

モータ６は、例えば、３相ブラシレス直流モータから成る。ブラシレス直流モータ６は、インナーロータ型で、図示しないマグネット（永久磁石）ロータおよび該マグネットロータの回転位置を検出するための回転位置検出素子（ホール素子）と、スター結線された固定子の電機子巻線（モータ巻線）Ｕ、ＶおよびＷとから構成される。遠心分離用ロータ１は、ブラシレス直流モータ６の回転軸（図示しないマグネットロータの回転軸）に着脱自在に接続され、ブラシレス直流モータ６によって回転力が与えられる。遠心分離用ロータ７（モータ６）の回転数信号は回転検出センサ部８によって検出される。回転検出センサ部８は、例えば、モータの回転軸に穴の空いた円盤を取付け、円盤の穴の有無をホトインタラプト等で電気信号として検出する構造となっている。回転検出センサ部８によって検出された信号は、回転数検出部１３によって波形整形を行い、後述する演算制御部（ＣＰＵ）９へ回転数信号として出力する。

インバータ（電力変換器）５は、３相ブリッジ形式に接続された６個の絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）Ｔ１と、トランジスタＴ１のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ並列接続されたフライホイールダイオードＤ２とから構成される。ブリッジ接続された６個のトランジスタＴ１の各ゲートはインバータ駆動部（インターフェイス部）５ａに接続され、また、６個のトランジスタＴ１のコレクタまたはエミッタはスター結線された電機子巻線Ｕ、ＶおよびＷに接続される。これによって、６個のトランジスタＴ１は、インバータ駆動部５ａから入力されたスイッチング素子駆動信号によってスイッチング動作を行い、ブリッジインバータ５に印加される直流電圧を３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）電源として各電機子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへ電力を供給する。この際、６個のトランジスタＴ１へのスイッチング素子駆動信号をパルス幅変調（ＰＷＭ）信号として供給し、後述する制御部１５によって、パルス幅変調信号のパルス幅を変化させることによりモータへの電力を調整し、モータの起動および速度を制御する。

直流変換器（コンバータ）２は、交流電源を全波整流するためにブリッジ接続された４つのダイオードＤ１を含む。直流変換器２の入力側には交流電源（商用電源）１を接続するための接続端子Ｉｎ１、Ｉｎ２を有し、その出力側には脈流直流電圧を平滑するための平滑コンデンサ３が接続される。本発明によれば、交流電源１として、例えば、商用電源ＡＣ１００Ｖまたは商用電源ＡＣ２４０Ｖの両交流電源を用いることができる。

制御部１５は、モータ６（ロータ７）の運転制御またはモータ６の回転制御を行う制御信号を出力するための演算制御部（ＣＰＵ）９と、演算制御部９の処理プログラムや制御データを保存する、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＳＲＡＭ等の半導体メモリから成る記憶部１２と、記憶部１２に記憶されたパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）の作成用データに基づいて演算制御部９から出力される制御信号によってインバータ駆動部５ａの出力駆動信号を形成するインバータゲート部１１と、を具備する。演算制御部９は、モータ６（ロータ７）を迅速に減速するためにモータ巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへ直流電流を流し直流磁界を発生させて制動を与えるための逆転制御部（図示なし）も含んでいる。

記憶部１２は、本発明に従って、平滑コンデンサ３の充電電圧に対するインバータ駆動部５ａのＰＷＭ信号のパルス幅を補正するための電圧指令係数Ｋを記憶する第１の記憶領域１２ａと、モータ６の回転数に対応するモータ６への供給電圧をパルス幅で示す電圧指令値Ｖｄｕｔｙを記憶する第２の記憶領域１２ｂとを有する。

平滑コンデンサ３の充電電圧Ｖｐは電圧検出部４によって検出される。電圧検出部４は、例えば、ホトカプラ等で絶縁された電圧−周波数変換器（Ｖ−Ｆ変換器）と、周波数−電圧変換器（Ｆ−Ｖ変換器）とを組合せて構成する。また、電圧検出部４の他の変形例としては、平滑コンデンサ３の充電電圧Ｖｐを、複数の直列接続抵抗器で分圧して検出してもよい。

電圧検出部４で検出した平滑コンデンサ３の充電電圧（アナログ値）Ｖｐは、Ａ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ／Ｄｉｇｉｔａｌ）変換部１０によってデジタル値Ｖａｄに変換されて、演算制御部（ＣＰＵ）９に入力される。

直流電源生成部１４は、本発明に従って設けられ、交流電源ＡＣ１００Ｖ系から交流電源ＡＣ２００Ｖ系までの入力交流電源に応答して所定の直流電圧Ｖｃｃ１およびＶｃｃ２を出力する直流安定化電源である。すなわち、直流電源生成部１４は、交流電源の接続端子Ｉｎ１、Ｉｎ２に接続される交流電源ＡＣ１００Ｖ系または交流電源ＡＣ２００Ｖ系を変圧および整流し、インバータ駆動部５ａの駆動直流電源Ｖｃｃ１、Ａ／Ｄ変換部１０の駆動直流電源Ｖｃｃ２、その他制御部１５の駆動直流電源Ｖｃｃ２など複数の駆動直流電圧Ｖｃｃ１およびＶｃｃ２を供給する。

直流電源生成部１４は、本実施態様によれば、交流電源ＡＣ１００Ｖ系から交流電源ＡＣ２００Ｖ系までの入力電圧範囲の広い入力交流電源に応答して、直流電圧Ｖｃｃ１（例えば、１２Ｖ）および直流電圧Ｖｃｃ２（例えば、５Ｖ）を出力するスイッチング電源によって構成する。

スイッチング電源１４の回路例を図２の回路図に示す。図２に示すスイッチング電源１４において、直流変換器１４ａは、全波整流形式にブリッジ接続された４つのダイオードＤａから構成されている。直流変換器１４ａの入力側の交流接続端子Ｉｎ１、Ｉｎ２には交流電源ＡＣ１００Ｖまたは交流電源ＡＣ２４０Ｖが接続され、その出力側には、平滑コンデンサ１４ｂが接続される。

パワーデバイス１４ｃは、スイッチングトランス１４ｄを駆動するパワーＭＯＳＦＥＴ（図示なし）と、該パワーＭＯＳＦＥＴを駆動制御するスイッチング電源制御回路（図示なし）とから構成される。

スイッチングトランス１４ｄは、パワーデバイス１４ｃによって平滑コンデンサ１４ｂに充電された直流電圧を高周波電圧に変換する。スイッチングトランス磁気リセット部１４ｅは、高周波用ダイオードＤｅと、高周波用コンデンサＣｅと、コンデンサＣｅに充電された電荷を放電する放電用抵抗器Ｒｅとから構成される。コントロール巻線電圧平滑部１４ｆは、整流用高周波用ダイオードＤｆと平滑コンデンサＣｆとから構成され、スイッチングトランス１４ｄに出力されるスイッチング電圧の一部をパワーデバイス１４ｃへフィードバックする。

第１のスイッチングトランス整流平滑部１４ｇは、整流用高周波用ダイオードＤｇと平滑コンデンサＣｇから構成され、第１の直流電圧Ｖｃｃ１を出力する。また、第２のスイッチングトランス整流平滑部１４ｈは、整流用高周波用ダイオードＤｈと平滑コンデンサＣｈから構成され、第２の直流電圧Ｖｃｃ２を出力する。

スイッチング電源（直流電源生成部）１４において、平滑コンデンサ１４ｂに充電される直流電圧は、交流電源ＡＣ１００Ｖの場合は１００Ｖ×１．４＝１４０Ｖとなり、交流電源ＡＣ２４０Ｖの場合は２４０Ｖ×１．４＝３３６Ｖとなる。パワーデバイス１４ｃはこれらの両交流電源の変動電圧に応答して、平滑コンデンサ１４ｂに充電される直流電圧をＰＷＭ（パルス幅変調）信号によってスイッチング駆動し、出力電圧Ｖｃｃ１およびＶｃｃ２を所定の電圧、例えば、１２Ｖおよび５Ｖへ定電圧化する。

このような遠心分離機５０において、本発明によれば、記憶部１２の第１の記憶領域１２ａには、図４に示すような、平滑コンデンサ３の充電電圧Ｖｐ（デジタル電圧Ｖａｄ）に対するインバータ駆動部５ａのＰＷＭ信号のパルス幅を補正するための電圧指令係数（電圧補正係数）Ｋの関係を示すテーブルまたは関係式を記憶し、記憶部１２の第２の記憶領域１２ｂには、図５に示すような、モータ６の回転数Ｎに対応するモータ６への供給電圧をパルス幅（デューティ比）で示す電圧指令値Ｖｄｕｔｙの関係を示すテーブルまたは関係式を記憶する。

これによって、平滑コンデンサ３の充電電圧（Ｖｐ）と、回転数検出部１３の回転数検出信号（Ｎ）と、モータ６のマグネットロータからの回転位置検出信号（図示なし）と、記憶部１２から読出す制御データとに基づいて、演算制御部９およびインバータゲート部１１は、平滑コンデンサ３の充電電圧（Ｖｐ）に応答してインバータ駆動部５ａへ出力するパルス幅変調信号（Ｖｄｕｔｙ）のパルス幅（デューティ比）（Ｋ）を変化させることにより、モータ６の起動および速度を制御する。このとき、制御系用電源部１４は、交流接続端子Ｉｎ１、Ｉｎ２に接続される交流電圧ＡＣ１００Ｖまたは交流電圧ＡＣ２００Ｖに対して所定の駆動直流電圧Ｖｃｃ１（１２Ｖ）およびＶｃｃ２（５Ｖ）を出力できるので、制御部１５およびインバータ駆動部５ａ等による回転制御は正しく実行できる。

図６は、本実施例に係る遠心分離機５０を用いて遠心分離用ロータ７（モータ６）の回転制御を行った場合の回転数Ｎのタイムチャートを示す。

図６の特性図において、モードＡは、静止状態からスローにロータを回転させて加速する過程であり、比較的にスローに加速するように演算制御部９は、ＰＩＤ（ＰｒｏｐｏｒｔｉｎａｌＩｎｔｅｇｒａｌＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御を行うために演算し、パルス幅を生成してモータ６（ロータ７）を回転制御する。

図６に示すモードＢは、目標の整定回転Ｎｄまで比較的に急速に加速する過程である。本発明によれば、図７に示す制御フローチャートによって、直流変換器２の電源接続端子Ｉｎ１、Ｉｎ２に接続される交流電源１がＡＣ１００Ｖ系またはＡＣ２００Ｖ系の両電源に対して安定した加速運転処理を行う。

この両交流電源に対する加速運転処理について、図７に示したフローチャートに従って説明する。

入力交流電源１の交流電圧がＡＣ１００Ｖ系の場合はＡＣ１００Ｖ、またＡＣ２００Ｖ系の場合はＡＣ２４０Ｖが供給されるものとする。この両者の交流電圧に対して、平滑コンデンサ３に充電される充電電圧（波高値）Ｖｐは、ＡＣ１００Ｖの場合は１００Ｖ×１．４＝１４０Ｖとなり、ＡＣ２４０Ｖの場合は２４０Ｖ×１．４＝３３６Ｖになる。

従って、ステップＳ１の平滑コンデンサ電圧検出処理において、平滑コンデンサ３の充電電圧（平滑コンデンサ電圧）Ｖｐ（図３）を電圧検出部４で電圧検出し、Ａ／Ｄ変換部１０は、アナログ電圧Ｖｐをデジタル値Ｖａｄ（図３）に変換する。演算制御部９は、Ａ／Ｄ変換部１０から出力されたデジタル値Ｖａｄ（図３）を認識（一時記憶）する。平滑コンデンサ電圧Ｖｐに対するＡ／Ｄ変換値Ｖａｄの関係は図３に示され、例えば、平滑コンデンサ電圧ＶｐがＶ１００およびＶ２４０に対するＡ／Ｄ変換値Ｖａｄは、Ｖａｄ１００およびＶａｄ２４０Ｖとなる。

ステップＳ２の電圧指令係数算出処理において、記憶部１２の第１の記憶領域１２ａに保存されているＡ／Ｄ変換値Ｖａｄ（図４）に対するパルス幅変調信号のパルス幅を補正するための補正係数となる電圧指令係数Ｋ（図４）の関係（データテーブル）を使用して、Ａ／Ｄ変換値Ｖａｄ１００またはＶａｄ２４０に対する電圧指令係数Ｋ１００および２４０を算出する。図４に示すように、記憶領域１２ａに記憶されたＡ／Ｄ変換値Ｖａｄに対する電圧指令係数Ｋの関係（データテーブル）は、Ａ／Ｄ変換値（Ｖａｄ）がＶａｄ１００、Ｖａｄ２４０に対し、電圧指令係数（Ｋ）はＫ１００、Ｋ２４０となる。すなわち、平滑コンデンサ３の充電電圧値（Ｖａｄ）の値が高くなると、パルス幅変調信号のデューティ比（通流比）の関数を示す電圧指令係数（Ｋ）は小さくなる。

ステップＳ３の回転数検出処理において、モータ６の回転軸回転数Ｎを回転検知センサ部８でパルス検出し、そのパルスを回転数検出部１３で波形整形して方形波として演算制御部９へ入力とする。演算制御部９は、その方形波の立上り部または立下り部の周期を計測して、周期の逆数によって回転数Ｎを算出する。

ステップＳ４の目標回転数判断処理において、ステップＳ３で算出したモータ６の回転数Ｎについて現在の回転数Ｎｐが目標の回転数Ｎｄに加速されたか否か判断する。現在回転数Ｎｐ＜目標回転数Ｎｄならば（Ｎｏの場合）、ステップＳ５へ進み、演算制御部９は、回転数に対応したパルス幅変調信号を出力するように電圧指令値Ｖｄｕｔｙを発生する。また、回転数Ｎが現在回転数Ｎｐ≧目標回転数Ｎｄならば（Ｙｅｓの場合）、ステップ４１の整定運転処理Ｓ４１へ移行し、所定の目標回転数Ｎｄで定速状態になるように制御する。

ステップＳ５の回転数Ｎｐに対応した電圧指令処理において、記憶部１２の第２の記憶領域１２ｂに保存されている回転数Ｎ（図５）に対するモータ６の電機子巻線に必要な供給電圧をパルス幅（デューティ比）で表す電圧指令値Ｖｄｕｔｙ（図５）の関係（データテーブル）を使用して、回転数検出処理Ｓ３で算出の回転数Ｎ１に対する電圧指令値Ｖｄｕｔｙ１を算出する。図５に示すように、回転数Ｎに対する電圧指令値Ｖｄｕｔｙの関係は、例えば、回転数ＮがＮ１またはＮ２の場合、電圧指令値Ｖｄｕｔｙは、Ｖｄｕｔｙ１またはＶｄｕｔｙ２となる。

ステップＳ６の電圧指令算出処理において、演算制御部９は、ステップＳ５で算出した回転数Ｎに対応した電圧指令値Ｖｄｕｔｙに基づいて、上記ステップＳ２の電圧指令係数算出処理で算出した電圧指令係数Ｋを乗算する。これによって、平滑コンデンサ電圧Ｖｐに対応するパルス幅変調信号のデューティ比を持つパルス幅のデータを得ることができる。例えば、ステップＳ２において図４の特性図に従ってＡＣ１００Ｖ入力時の電圧指令係数ＫがＫ１００を一時記憶し、かつステップＳ５において図５の特性図に従ってモータ回転数Ｎ１に対応する電圧指令値Ｖｄｕｔｙ１を一時記憶した場合、ステップＳ６の処理では、電圧指令値Ｖｄｕｔｙ１に電圧指係数Ｋ１００を乗算し、Ｖｄｕｔｙ１×Ｋ１００を算出する。

ステップＳ７のＰＷＭパルス出力処理において、例えば入力交流電源ＡＣ１００Ｖの場合においてステップＳ６の電圧指令算出処理で算出したＶｄｕｔｙ１×Ｋ１００に基づいて、制御部１５からインバータ駆動部５ａへ、ＰＷＭパルスの所定パルス幅を持つ駆動信号を出力する。これによって、平滑コンデンサ３の充電電圧（波高値）Ｖｐに対応してインバータ５を駆動するＰＷＭパルス幅を制御し、モータ６を所定の回転数に制御する。モータ６のロータが永久磁石を使用する場合、電機子巻線（Ｕ、Ｖ、Ｗ）の電流は、回転数Ｎによって変化するモータ逆起電圧と、演算制御部９が生成するパルス幅変調信号のパルス幅と、直流変換器２に接続される平滑コンデンサ３の充電電圧Ｖｐとによって決定されるので、ロータ７を回転駆動するモータ６のインバータ５の電流制限値内になるように電機子巻線（Ｕ、Ｖ、Ｗ）のモータ電流を制限して最大加速運転をさせる。

平滑コンデンサ電圧Ｖｐに対して演算制御部９（制御部１５）から生成するパルス幅が広い場合、モータ電流はロータを回転駆動するインバータ５の電流制限値を越えて過電流となり加速運転を続けることができない。逆に、平滑コンデンサ電圧Ｖｐに対して演算制御部９（制御部１５）から生成されるパルス幅が狭い場合、モータ電流は小さくなり単位時間当たりのモータ６（ロータ７）の回転数上昇値が小さくなり、結果として、加速時間が非常に遅くなる。従って、本発明によれば、平滑コンデンサ電圧Ｖｐに対応した最適なパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）のパルス幅により、交流電源ＡＣ１００Ｖ系または交流電源ＡＣ２００Ｖ系の交流電源１に対して、電源電圧の大きさに影響されることなく、目標整定回転数Ｎｄまで急速に加速する過程を同じ時間で実現できる。すなわち、本発明によれば、入力交流電源の電源電圧に依存することなく、一定の加速時間を得ることができる。

図６を再び参照してモードＣについて説明すれば、モードＣの回転制御は、モータ６の回転数Ｎを目標整定回転数Ｎｄに一定に維持する過程であり、一定回転数Ｎｄに保たれるように目標回転数Ｎｄに対する現在回転数Ｎｐとの差を演算制御部９によってＰＩＤ演算してインバータ駆動部５ａのＰＷＭ信号のパルス幅を生成してモータ６を回転制御する。

図６に示すモードＤの回転制御は、モータ６（ロータ７）を直流制動により急速に減速する過程であり、モータ６の電機子巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに、例えば、インバータ５によって、巻線のＵ相からＶ相およびＷ相へ直流電流を流し直流磁界を発生させて直流制動してロータを減速させる。

次に図６に示すモードＥの回転制御は、ロータ急速減速過程の後ロータを静止状態へスローに減速させる過程であり、直流制動により減速力を与えて円滑に停止させるように演算制御部９によってＰＩＤ演算してインバータ駆動部５ａのＰＷＭ信号のパルス幅を生成してモータ６を回転制御する。

以上の回転制御において、直流電源生成部１４は、図２に示すようなスイッチング電源によって構成されているので、異なる入力交流電源１に対して常に一定の直流電圧Ｖｃｃ１、Ｖｃｃ２を出力することができる。

以上の実施形態の説明から明らかなように、本発明によれば、交流電源ＡＣ１００Ｖ系用として設計した遠心分離機を、交流電源ＡＣ２００Ｖ系用遠心分離機として使用することができる。この場合、交流電源の交流電圧を直流電圧に変換するコンバータとの間に高価な電源トランスを追加するような制御回路装置の変更は不要となり、かつ製造ラインも簡略化できるので、遠心分離機の製造コストを低減できる。

上記実施形態では、モータ６として、３相ブラシレス直流モータを使用したが、２相モータ、４相以上のモータ等を使用することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

本発明の実施形態に係る遠心分離機の機能ブロック図。図１に示した遠心分離機に適用される直流電源生成部の回路図。図１に示した遠心分離機に適用されたＡ／Ｄ変換器の特性図。図１に示した遠心分離機の記憶部に記憶されるＡ／Ｄ変換値と電圧指令係数の関係を表す特性図。図１に示した遠心分離機の記憶部に記憶される回転数と電圧指令値の関係を表す特性図。図１に示した遠心分離機でモータの回転制御を行うためのタイムチャート。図１に示した遠心分離機でモータの加速運転制御を行うためのフローチャート。

符号の説明

１：交流電源（ＡＣ１００Ｖ系またはＡＣ２００Ｖ系商用電源）２：直流変換器
３：平滑コンデンサ４：電圧検出部５：インバータ（電力変換器）
５ａ：インバータ駆動部６：モータ（ブラシレス直流モータ）
７：ロータ（遠心分離用）８：回転検知センサ部９：演算制御部（ＣＰＵ）
１０：Ａ／Ｄ変換器１１：インバータゲート部１２：記憶部
１２ａ：第１の記憶領域１２ｂ：第２の記憶領域１３：回転数検出部
１４：直流電源生成部（制御系用電源部）１５：制御部５０：遠心分離機

Claims

遠心分離する試料を保持するためのロータと、
該ロータを回転させるために接続されたモータと、
回転磁界を与えて前記モータの起動及び速度を制御するために前記モータ内に設けられたモータ巻線と、
交流電源を入力し直流電圧を出力するための直流変換器と、
該直流変換器の出力側に接続され前記直流電圧を充電するための平滑コンデンサと、
該平滑コンデンサに並列にブリッジ接続された複数のスイッチング素子から構成された前記モータ巻線に電力を供給するためのインバータと、
前記複数のスイッチング素子をパルス幅変調信号で駆動するインバータ駆動手段と、
前記平滑コンデンサの充電電圧に応答してパルス幅変調信号を生成して前記インバータ駆動手段に供給する制御手段と、
前記インバータ駆動手段及び前記制御手段に所定の駆動直流電圧を供給するために、前記交流電源から直流電圧を生成するための直流電源生成手段と、を具備する遠心分離機において、
前記直流変換器は、前記交流電源として互いに異なる交流電圧を有する少なくとも二つの交流電源のどちらか一方を接続可能とする入力端子を有し、
前記直流電源生成手段は、前記互いに異なる交流電圧を持つ前記二つの交流電源に対して一定の直流電圧を出力するように構成し、
前記平滑コンデンサは、前記二つの交流電源の異なる交流電圧に応答する前記直流変換器の出力直流電圧を充電できるように接続し、
前記制御手段は、前記平滑コンデンサの充電電圧に対する前記パルス幅変調信号のパルス幅を補正するための電圧指令係数の特性を記憶する第１の記憶手段、及び前記モータの回転数に対応する前記モータへの供給電圧をパルス幅で示す電圧指令値の特性を記憶する第２の記憶手段を具備し、
前記制御手段は、前記平滑コンデンサから検出された充電電圧と、前記第１及び第２の記憶手段に記憶された前記電圧指令係数の特性及び前記電圧指令値の特性とに基づいて、前記平滑コンデンサから検出される充電電圧に対して所定のモータ回転数となるように前記パルス幅変調信号のパルス幅を出力する
ことを特徴とする遠心分離機。
前記制御手段は、モータの所定の加速運転期間において、所定のモータ回転数に加速するように、前記パルス幅変調信号のパルス幅を出力することを特徴とする請求項１に記載された遠心分離機。
前記直流変換器の前記入力端子に接続される前記二つの交流電源は、ＡＣ１００Ｖ系の商用交流電源又はＡＣ２００Ｖ系の商用交流電源であることを特徴とする請求項１又は請求項２の何れか一つに記載された遠心分離機。
前記モータは、ブラシレス直流モータから成ることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載された遠心分離機。