JPH02176173A - 無脈動ポンプの制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、無脈動ポンプに係り、特に圧力脈動を小さく
するようにプランジャの位相制御を行う無脈動ポンプの
制御方法に関する。

〔従来の技術〕

従来の装置は、ピストン往復式の２台のポンプを直列に
接続するとともに、前記両ポンプのピストン速度を互い
に逆に切り換えることにより、−方のポンプを吸入行程
としたとき、他方のポンプを吐出行程として、前記両ポ
ンプの合成吐出圧を一定に制御する無脈動ポンプの制御
方法において、前記合成吐出圧を検出し、その検出信号
から圧力脈動のピーク位置を求めるとともに、前記ピス
トン速度の切り換え開始時から前記ピーク位置までの時
間をマイクロコンピュータ内のタイマで計測し、その計
測時間に、前記ポンプ固有の定数を乗算して補正時間を
算出し、前記合成吐出圧が低下しているときは、前記ピ
ストン速度の切り換え開始時を前記補正時間分だけ遅延
させ、前記合成吐出圧が上昇しているときは、前記ピス
トン速度の切り換え開始時を前記補正時間分だけ早める
操作を逐時行って圧力脈動を小さくすることである。

なお、この種の装置として開運するものには例えば、特
開昭６３−１７３８６６号公報が挙げられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、ピストン速度の切り換え開始時から、
圧力脈動のピーク位置までの時間を計測する計測方法に
おいて、圧力脈動のピーク位置を決める条件として、時
間をｔ、順次吐出圧力を取り込む時間間隔をΔｔとして
、新しく取り込まれＡ／Ｄ変換された吐出圧力値から順
にＰｎ−ｉ（ｔ＋Δｔ　Ｌ　ＰｆｌＣｔ　）ｐ　Ｐ　ｎ
−ｘｃ　ｔ−Δｔ）とすると、かっこを省略して、ｓ　
＝（ｐｎ＋ｘ　　ｐｎ）ｘ　（ｐｎ　　Ｐｎ−ｘ）が負
になったときを、吐出圧力が下降から上昇か、または上
昇から下降に変わった圧力脈動のピーク位置とみなして
計測を終了するようにしていた。

しかしながら、このような判定条件の場合、吐出圧力値
が低すぎてＳ／Ｎ比が悪いと正確な計測時間で計測を終
了しない、ピーク位１ＮでＳ＝ｏとなった場合に判定が
しにくい、などの問題があった。

本発明の目的は、制御プログラムの誤動作を防ぎ、ピス
トンの速度及び位相を適切に制御することにより圧力脈
動が極めて小さいポンプを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本発明の無脈動ポンプの
制御方法は、ピストン往復式の２台のポンプを直列に接
続するとともに、前記両ポンプのピストン速度を互いに
逆に切り換えることにより、一方のポンプを吸入行程と
した時、他方のポンプを吐出行程として、前記両ポンプ
の合成吐出圧を一定に制御する無脈動ポンプの制御方法
において、前記合成吐出圧を検出し、その検出信号から
圧力脈動のピーク位置を求めるとともに、前記ピストン
速度の切り換え開始時から前記ピーク位置までの時間を
マイクロコンピュータ内のタイマで計１１１１し、その
計測時間に前記ポンプ固有の定数を乗算して補正時間を
算出し、前記合成吐出圧が低下している時は、前記ピス
トン速度の切り換え開始時を前記補正時間だけ遅延させ
、前記合成吐出圧が上昇している時は、前記ピストン速
度の切り換え開始時を前記補正時間だけ早める操作を逐
次行なって圧力脈動を小さくすることである。

〔作用〕

逆止弁の応答遅れ、駆動系のガタ、低圧から高圧に圧縮
するためのタイミングのずれによって圧力が低下してい
るところでは、ピストンが停止しているために生ずるの
と同等の圧力低下となる。

例えば、第７図（ｂ）に示すようなボールねじ機構の速
度指令パターンにおいて、第２ピストンが吐出行程から
吸入行程に移行する時、すなわち。

第１ピストンが吸入行程から吐出行程に移行する時は、
低圧から高圧に圧縮するのに要する時間及びモータが逆
転するためバックラッシュを吸収するのに要する時間が
必要なので、この時第１ピストンは停止しているのと同
等に見なせる。

したがって、第１ピストンの速度切り換えに対して、第
２ピストンの速度切り換えタイミングを少し遅らせるよ
うにすれば、実質のピストン速度の和は一定となり、圧
力の低下を防止できる。実験結果からも、第８図（ａ）
に示すような速度指令パターンを同図（ｂ）に示すよう
に位相制御を行うことにより、ピストン速度切り換え時
の圧力変動を小さくできることが確認されている。

上記位相差を決めるアルゴリズムは下記のとおりである
。第９図（ａ）に示すように、圧力が低下する場合、圧
力が低下し始めて再び上昇し始めるところまでは、逆止
弁の応答遅れ、機械系のガタなどにより実質のピストン
速度の和が低下していることを示し、再び圧力が上昇し
ているところはピストン速度の和が設定の値に復帰した
ことを示している。又、第９図（ｂ）に示すように、圧
力が上昇する場合、圧力が上昇し始めて再び低下し始め
るところまではピストン速度の和が過大となっているこ
とを示し、再び低下しているところはピストン速度の和
が設定値に戻ったことを示している。そこで、ピストン
速度切り換え開始から圧力のピーク位置までの時間第９
図（ａ）、（ｂ）に示すようにそれぞれｔｚ、ｔｚとし
、これらをマイクロコンピュータ内のタイマを使って計
測する。

これらの時間を計測するアルゴリズムを第１図及び第２
図をもとに説明する。

初めに、吐出圧力値が比較的安定しているところをサン
プリングして吐出圧力の平均値Ｐｅｔａ。を計算する０
次に、サンプリングタイム毎に圧力センサからＡ／Ｄ変
換器でデジタル化され、マイクロコンピュータに入力さ
れる吐出圧力値が変動し始めているか否かを、平均値Ｐ
、、＆。どのずれによってチエツクする。すなわち、取
り込んだ吐出圧力値をＰｎ”ｌ　とすると、 ＰＩＩ處ａｎ を満たした場合、吐出圧力値が変動したとみなし。

位相補正カウンタをスタートさせる。次に、圧力脈動の
ピーク位置を見つけて位相補正カウンタをストップさせ
る必要がある。当初、このピーク位置を見つけるため、
次のような条件を採用していた。吐出圧力値を新しく取
り込んだ方から順にＰ　ｎ十ｌｙ　ＰｎＨＰ＋＋−ｔ　
とすると、圧力脈動のピーク位置においては。

（Ｐｎ−Ｐａｊ）　　Ｘ　　（Ｐｎ＋ｔ　　　ｐｎ）　
　＜Ｏ（２）が満足されるはずである。しかしながら、
このような条件で位相補正カウンタを終了させた場合、
位相補正カウンタに明らかに正しくないと思われる値が
カウントされ、制御操作が正しく行えなかった。この原
因としては、第３図に示したようなことが考えられる。

すなわち、（２）式の条件においては、吐出圧力値Ｐ　
１１４１　、　Ｐ　ｎ　、　Ｐ　ｎ−１のどれか２つが
同じ値だった場合は、たとえ圧力脈動のピーク位置であ
っても、カウントが終了しないということである。第３
図において、正常なカウント値は５０　ｍ　ｓであるが
、実際にカウントを終了するのはＰｎ十！、Ｐ！ｌ、ｐ
Ｈ−１が６８．７０．６６になるＬｉｏｎｓ経過したと
まである。このような誤動作を防ぐため、カウンタの終
了条件を次のように変更した。

（Ｐｍｔａｎ　　Ｐｎ）Ｘ（Ｐｎ　　Ｐｎ＋１）＜Ｏ（
３）終了条件をこのようにした場合、第８図のような場
合でも正常なカウント値でカウントを終了できる。また
、圧力が上昇した場合でも下降した場合でも、ゼロ判定
などということを行わないで、同じ条件で判定すること
が可能である。

こうすることにより、位相補正カウンタの誤動作を減ら
すことができ、適切な位相補正を行える。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の一例を示す説明図であり、第２図はそ
のアルゴリズムを示すフローチャート、第３図は本発明
の詳細な説明する説明図であり、第４図は、本発明が適
用される無脈動ポンプの制御回路系統図であり、第５図
及び第６図は本発明が適用される二連式往復ポンプ３１
の詳細図でカム機構によるものとボールねじ機構による
ものを示している。

第５図において、パルスモータ１．パルスモータ１と同
一軸上に配置されたカム２とは、それぞれベルト３で連
結されている。カム２にはカムフォロア４，５が当接さ
れ、これらのカムフォロア４．５はそれぞれ第１ピスト
ン６および第２ピストン７に固定されている。第１ピス
トン６にはスプリング８が、第２ピストン７にはスプリ
ング９が設けられ、両スプリング８，９によりカムフォ
ロア４，５はカム２に接近する方向に付勢されている。

第１・第２ピストン６．７の先端には、耐摩耗性、低薬
品性のある材料（例えばルビー）で形成された第１プラ
ンジヤ１０および第２プランジヤ１１が取付けられ、第
１・第２プランジヤ１０．１１はシリンダヘッド１２に
形成されたポンプ室１３．１４内に往復自在に挿入され
ている。

１５．１６はポンプ室１３．１４を密閉するシール、１
７．１８は第１ピストン６の前後に配置された逆止弁で
ある。

第１プランジヤ１０と第２プランジヤ１１の合成速度の
和が第７図（ａ）の如く一定となるように、カム２のカ
ム面形状は創成されている。また、第１プランジヤ１０
は第２プランジヤ１１の倍の速度で動くようになってお
り、第１ポンプは補填を行ないつつ第２ポンプに液体を
吐出し、第１ポンプが吸入行程のときは、逆止弁が作用
することにより、第２ポンプのみで送液することができ
る。

また、第６図は前述したカム２の代わりにボールねじ２
０を設け、このボールねじ２０によってパルスモータ１
の回＠運動を直線往復運動に変換するようにした二連式
往復ポンプ３１であり、他の構成は前述した二連式往復
ポンプ３０と同様である０図中２１は遊星歯車減速機、
２２はボールねじ２０と遊里歯車減速機２１を支持する
スラスト軸受である。なお、ボールねじ２０によって第
１・第２のプランジャ１０．１１は第７図（ｂ）の如く
動き、その合成速度を一定となるようになっている。

上述した二連式往復ポンプ３１を使用した場合の圧力脈
動を抑える方法について、第４図を参照して説明する。

図に示すように、流斌設定器（あるいは外部流量コント
ローラ）３２はコード変換回路３３を介してマイクロコ
ンピュータ３４に接続されている。スタート・ストップ
ボタン３５はパルス発生回路３６を介してマイクロコン
ピュータ３４に接続されている。一方、マイクロコンピ
ュータ３４はパルスモータドライバ３７を介して二連式
往復ポンプ３１のパルスモータ１に連結されている。ま
た、二連式往復ポンプ３１の吐出側には液体クロマトグ
ラフィ等（図示せず）が接続され、その途中に圧力セン
サ３８が設けられている。圧力センサ３８はＡ／Ｄ変換
器３９を経てマイクロコンピュータ３４につなげられて
いる６次に本実施例の動作について説明する。

まず、流＃、設定器３２で設定された流量設定信号は、
コード変換回路３３で二進化十進コードから二進コード
に変換された後、マイクロコンピュータ３４に入力され
る。またスタート・ストップボタンからスタート信号が
パルス発生回路３６を経てマイクロコンピュータ３４に
人力されると、マイクロコンピュータ３４はパルスモー
タ駆動周波数等を計算して、その出力ボートからパルス
モータドライバ３７へ第５図（ｂ）で示したプランジャ
速度駆動パターンをつくり出すパルス列、回転方向を決
める信号、電流制御信号等を出力する。

これらの信号はパルスモータドライバ３７で分配されて
、２台のパルスモータ１を１Ｍｍｔする。パルスモータ
１が回転すると遊星歯車減速機２１により減速され、ス
ラスト軸受２２．ボールねじ２０よりなる駆動伝達系を
介して回転運動が直線往復運動に変換され、プランジャ
１０．１１を往復運動させて、前記第７図（ｂ）を用い
て説明したような送液のしかたで、液体を高圧にして吐
出する。

この場合、前に述べた逆止弁１７，１８の応答遅れの他
、液体を低圧から高圧にする際の体積弾性率が使用する
液体で異なること等の原因で、ピストンの速度切り換え
のタイミングがずれて脈動が発生する。圧力センサ３８
がライン圧力と圧力変動を検出し、その検出信号は１図
示はしていない増幅器及びノイズ除去するためのフィル
タを通してＡ／Ｄ変換器３９でデジタル信号に変換され
。

コントロールライン４０より支持した時間間隔（以後こ
れをサンプリングタイムと呼ぶ）でデータライン４１よ
りマイクロコンピュータ３４に入力される。

マイクロコンピュータ３４は、この検出信号をもとに、
合成吐出圧を常に一定に保つようにピストン駆動信号を
制御する。以−ドに、その制御方法について述べる。

前に述べたように、逆止弁の応答遅れ、肢体を低圧から
高圧にする際の体積弾性率が使用する液体で異なること
などが原因となって、ピストン速度切り換え時に大きな
圧力脈動が生じる。この圧力脈動を補償するため、例え
ば、第７図（ｂ）に示すようなボールねじ機構の速度指
令パターンにおいて、第２ピストン７が吐出行程から吸
入行程に移行する時、すなわち、第１ピストン６が吸入
行程から吐出行程に移行する時は、低圧から晶圧に圧縮
するのに要する時間及びモータが逆転するためバックラ
ッシュを吸収するのに要する時間が必要なので、このと
き、第１ピストン６は停止しているのと同等に見なせる
。

したがって、第１ピストン６の速度切り換えに対して、
第２ピストン７の速度切り換えのタイミングを少し遅ら
せるようにすれば、実質のピストン速度の和は一定とな
り、圧力の低下を防止できる。実験結果からも、第８図
（ａ）に示すような速度指令パターンを同図（ｂ）に示
すように位相制御を行うことにより、ピストン速度切り
換え時の圧力脈動を小さくできることが確認されている
。

上記位相差を決めるアルゴリズムを、第１図及び第２回
をもとに説明する。第１図はこの制御アルゴリズムの説
明図、第２図はフローチャートである。

始めに、吐出圧力値が比較的安定しているところをサン
プリングして吐出圧力の平均値Ｐ　ｍｍａｎを計算する
。この平均値Ｐ　ｌａｎは一周期毎に新しく計算し直さ
れるようになっている０次に、サンプリングタイム毎に
圧力センサ３８からＡ／Ｄ変換器３９でデジタル化され
、マイクロコンピュータ３４に入力される吐出圧力値が
変動し始めているか否かを平均値Ｐ　ｍｅａｎとのずれ
によってチエツクする。すなわち、吐出圧力値をＰ０◆
１とすると、Ｐ　Ｔａｍｍｎ を満たした場合、吐出圧力値が変動したとみなし、位相
補正カウンタをスタートさせる。

次に、圧力脈動のピーク位置を見つけて位相補正カウン
タをストップさせる必要がある。当初、このピーク位置
を見つけるための条件として、次のような条件を採用し
ていた。すなわち、吐出圧力値を新しく取り込んだ方か
ら順にＰ　ｎｉ　、　Ｐ　、　。

Ｐｎ−１とすると、圧力脈動のピーク位置においては、 （Ｐ＋＋−Ｐ＋ｔ−ｔ）　Ｘ　（Ｐｎ”！−ｐｎ）　＜
ｏ　　　（５）が満足されるはずである。しかしながら
、このような条件で位相補正カウンタを終了させた場合
、位相補正カウンタに、明らかに正しくないと思われる
値がカウントされ、制御操作が正しく行えなかった。こ
の原因としては、第３図に示したようなことが考えられ
る。すなわち、（５）式の条件においては、吐出圧力値
Ｐ　ｎ’ｓ、　Ｐｎｔ　Ｐ　ｎ−１のどれか２つが同じ
値だった場合は、たとえ圧力脈動のピーク位置であって
も、カウントが終了しない、ということである。第３図
において、正常なカウント値は５０　ｍ　ｓであるが、
実際にカウントを終了するのはＰ　ｎ”ｌｔ　Ｐｎ＋　
Ｐｎ−１が６８．７０゜６６になる１１０ｍ５経過した
ときである。このような誤動作を防ぐため、カウンタの
終了条件を次のように変更した。

（Ｐａｇａｎ−Ｐｎ）　ｘ　（ｐ、−ｐｎ−ｚ）　＜Ｏ
（６）終了条件をこのようにした場合、第３図において
も正常なカウント値でカウントを終了できる。

また圧力が上昇した場合でも下降した場合でも、同じ条
件で判定することが可能である。

このように終了条件として（６）式の条件を用いて、ピ
ストン速度切り換え開始時から圧力のピーク位置までの
時間がカウントされる。第１及び第２ピストンが吐出行
程から吸入行程に切り換わるときのそれぞれのカウント
時間ｔｘ＋ｔｚは、一端メモリに格納される。その後、
位相補正カウンタはゼロクリアされる。

一方、カウント時間ｔｚ、ｔｚは、位相補正時間を計算
するルーチンにおいて、定数ａ及びｂをかけて位相補正
時間ａｔｘ、ｂｔｚとする。この位相補正時間は、それ
ぞれのピストンが吐出行程から吸入行程に切り換わる切
り換え時刻に、吐出圧力が低下している場合は足し込ま
れる。その結果、切り換え時刻は一周期前よりも遅くな
る。また、上昇している場合は、切り換え時刻から引か
れて。

ピストン切り換え時刻が一周期前よりも早められる。以
後、この操作をくり返すことにより数回の修正で最適位
相差を決定できる。又、定数ａ及びｂは位相補正時間と
カウント時間との比より決定される定数である。

このようにして、圧力脈動を検出しつつ位相をシフトさ
せ適正なところを設定するようにフィードバックをかけ
る。

〔発明の効果〕

本発明によれば圧力脈動のピーク値を正確にとらえるこ
とができるので、制御プログラムが誤動作することなく
正常に機能するので圧力脈動を極めて小さくできる効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の説明図、第２図はそのアル
ゴリズムを示すフローチャート回、第３図は本明の動作
を説明する説明図、第４図は本発明が適用される無脈動
ポンプの制御回路系統図。 第５図はボールねじ機構を用いた二連式往復ボン回路、
３４・・・マイクロコンピュータ、３５・・・スタート
・ストップボタン、３６・・・パルス発生回路、３７・
・・パルスモータドライバ、３８・・・圧力センサ、３
９・・・Ａ／Ｄ変換器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ピストン往復式の２台のポンプを直列に接続すると
   ともに、前記両ポンプのピストン速度を互いに逆に切り
   換えることにより、一方のポンプを吸入行程としたとき
   、他方のポンプを吐出行程として、前記両ポンプの合成
   吐出圧を一定に保つポンプと、前記合成吐出圧を検出す
   る検出器、その検出信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器
   、そのデジタル化された吐出圧力値をもとに合成吐出圧
   を一定に保つように駆動信号を制御するマイクロコンピ
   ュータより成る二連式往復動型無脈動ポンプの、前記合
   成吐出圧を検出し、その検出信号から圧力脈動のピーク
   位置を求めるとともに、前記ピストン速度の切り換え開
   始時から前記ピーク位置までの時間を計測する計測方法
   において、吐出圧力の平均値を Ｐ＿ｍ＿ｔ＿ａ＿ｎ、吐出圧力値を新しく取り込んだ方
   から順にＰ＿ｎ、Ｐ＿ｎ＿−＿１としたとき、前記ピー
   ク位置を求めるための条件を、 （Ｐ＿ｍ＿ｔ＿ａ＿ｎ−Ｐ＿ｎ）×（Ｐ＿ｎ−ｐ＿ｎ＿
   −＿１）＜０とすることを特徴とする無脈動ポンプの制
   御方法。