TWI309178B - - Google Patents

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1309178 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種將電動機之轉動力經由皮帶等動力傳 遞構件傳遞給轉子之皮帶驅動之離心機。 【先前技術】 離心機係藉由電動機等驅動裝置高速轉動經由管或瓶保 持欲分離之試料之轉子，對保持於轉子上之試料進行分 _ 離、精製等之裝置。轉子之轉速根據用途而異，—般可提 供從最高轉速為數千轉（rpm)左右之較低速型至最高轉速 達15萬轉（rpm)左右之高速型之轉速範圍廣泛之系列產 品° 離心機大體分為固定於地面上使用之地面型和設置於作 業臺上使用之桌上型2種型式。通常之地面型離心機如圖 10所示，保持試料之轉子1載置於作為驅動源之電動機2之 輸出轉動軸2a上，將電動機2之轉動力經由輸出軸2a直接 φ 傳遞（直連驅動）至轉子1β另一方面，桌上型離心機因係置 於作業臺上，若採用與地面型離心機相同結構、即直連驅 動，則會增加離心機本身高度，不便於使用。為此，本專 利申請人為限制離心機高度、提高使用便利性，開發了一 種如圖11所示之不將轉子丨直連於電動機2而將電動機2置 於轉子1之側面，經由皮帶u傳遞電動機2之驅動力至轉子 1、驅動轉子1之所謂皮帶驅動型離心機。 如圖11所示之先前之皮帶驅動離心機200，具有：保持 刀離δ式料之轉子1;載置轉子1之轉子轉動軸9;固定於轉 115891.doc 1309178 子轉動軸9上之轉子滑輪1〇b ;具有作為驅動源之輸出轴η 之電動機2,例如感應電動機；固定於電動機2之輸出轴仏 上之電動機滑輪他；檢測電動機2之轉速之電動機速度檢 測器3 ;向轉子丨傳遞電動機2之轉動力之皮帶丨丨；根據電 動機速度檢測器3之輸出，控制電動機2之控制裝置4 ;根 據控制裝置4之輸出，驅動電動機2之電動機驅動裝置5 ; 及輸入轉子1之目標轉速及運轉時間等運轉條件之操作面 板6。 先前之皮帶驅動離心機200之控制裝置4,如圖12所示， 被輸入從操作面板6輸入之轉子目標轉速設定値和藉由電 動機速度檢測器3檢測之實際電動機轉速，並根據該等輸 入佗號運算施加於電動機2之外加電壓v和勵磁頻率f，來 控制電動機2。 圖12中之控制裝置4具有：根據從操作面板6輸入之轉子 目標轉速設定値輸出轉子丨之目標轉速Nr*之轉子目標轉速 φ 輸出部41 ;將轉子目標轉速Nr*轉換成電動機2之目標轉速 Nm*之電動機目標轉速轉換部45;比較電動機目標轉速 Nm*和藉由電動機速度檢測器3所檢測之實際電動機轉速 Nm ’運算其偏差Ne之電動機速度偏差運算部46 ;根據偏 差Ne和電動機轉速Nm運算外加電壓v之外加電壓運算部 47;及根據電動機轉速1^111運算電動機勵磁頻率[之勵磁頻 率運算部48。 即’電動機目標轉速轉換部45根據電動機滑輪l〇a與轉 子滑輪10b之外徑比’將轉子目標轉速Nr*轉換成電動機目 115891.doc 1309178 標轉速Nm*。即，依據式丨算出電動機目標轉速1^111*。 Nm*=Nr*xDr/Dm (式 1) 式中，Nm*係電動機目標轉速、Nr*係轉子目標轉速、仏 係轉子滑輪10b之外徑、Dm係電動機滑輪丨〇&之外徑。 之後，電動機速度偏差運算部46比較電動機目標轉速 Nm與實際電動機轉速]^^，運算偏差Ne(=Nm*_Nm)，外 加電壓運算部47則根據此偏差Ne和電動機轉速]^〇1，藉由 周知之PID控制（運算）算出電動機外加電壓v。勵磁頻率運 算°卩48根據電動機轉速Nm，作為電動機轉速1^111之函數算 出電動機勵磁頻率卜因而，控制裝置4僅依據藉由電動機 速度檢測器3檢測之實際電動機轉速Nm算出外加電塵v和 勵磁頻率f，來控制電動機2。 另一方面，已知於此等皮帶驅動離心機中皮帶丨丨會發生 @ 其滑動量之檢測方法本專利申請人已在先前申請之 專利文獻1中揭示。 [專利文獻1]日本專利申請2005-290890 [發明欲解決之問題] 轉子之轉動精度對於正確分離保持於轉子上之試料非常 重要，因此必須監視轉子之轉速H在立前之皮帶驅 動離心機200中，雖然檢測了電動機2之轉^勤但沒有檢 測轉子i之轉速Nr，故從轉B之目標轉速Nr*算出電動機2 之目標轉速Nm* ’並根據此電動機目標轉速Nm*和電動機 轉速Nm，即僅依據電動機2之轉速資料控制轉子丨之轉 速。此外，轉子i之轉速須藉由將式丨變形後得出之式2從 115891.doc 1309178 電動機轉速Nm推定。

Nr=NmxDm/Dr (式 2) 式中’ Nr係轉子轉速、Nm係電動機轉速、Dm係電動機滑 輪l〇a之外徑、Dr係轉子滑輪10b之外徑。 然而，如上述之皮帶驅動離心機200會恆定地發生預定 之滑動S，其値在例如輕負荷、即使用之轉子i小（輕）時為 ，重負荷、使用之轉子【大（重）時為5%，依負荷（使用之 轉子）而異。因此，若用式2推定轉子轉速Nr，則沒有將皮 帶11發生之滑動S考慮在内，而依照負荷產生不同之誤 差’有無法準確地控制轉子1之轉速之問題。 例如’如上述之皮帶驅動離心機2〇〇般使用感應電動機 時，控制項目為勵磁頻率f和外加電壓¥之2項，勵磁頻率f 係電動機2轉乘以經實驗而定之預定比率之値、即作 為電動機轉速]^111之函數（f=g(Nm))而算出，外加電壓V係 根據電動機目標轉速Nm*和電動機轉速]^!之差Ne而增 減，其控制不依存於轉子轉速Nr，故不能準確地控制轉子 1之轉速。 此外’作為電動機驅動裝置5使用通用反相器時，在周 知之V/f控制中’如圖13所示，因為係將勵磁頻率f與外加 電壓V之比固定而進行電動機控制，故例如需要大扭矩之 加速時和希望盡可能在低電流下使用之穩定（定速轉動） 時，皆成為同樣之V/F，不能進行符合運轉状態之最佳控 制。 另 方面’使用DC無刷電動機時亦同樣，控制項目有 115891.doc 1309178 電動機2之相對於轉子磁極方向之定子勵磁之相位差、即 進角Θ和外加電壓項，而成為僅依存電動機轉速_之 控制，不能準確地控制轉子丨轉速，同時亦不能實施最佳 之電動機控制。 【發明内容】 <因此，本發明係鑒於上述問題而完成者，其目的在於不 又皮帶滑動量之影響而準確地控制轉子轉速，同時最佳地 控制電動機。

[解決問題之方法] 為解決上述問題，本發明之離心機具有填裝試料並轉動 之轉子；扣合該轉子並轉動之轉動軸；驅動前述轉子及該 轉動轴轉動之電動冑；向前述轉動轴傳遞該電動機之轉動 力2皮帶；檢測前述轉子之轉速之轉子速度檢測機構；檢 測别述電動機之轉速之電動機速度檢測機構；及驅動控制 月』述電動機之控制裝置，前述控制裝置根據來自於前述轉 子速度檢測機構之信號算出控制前述轉子之轉速之信號， 並根據來自於前述電動機速度檢職狀錢和前述算出 信號控制前述電動機。 [發明效果] 如據本發明， 持轉子之轉速， 【實施方式】 可不受皮帶滑動量之變動影響高精度地保 並可進行最佳之電動機控制。 以下參照圖式説明本發明之實施形態。在用以説明實施 形態之全圖中’對具有相同功能之構件附加相同符號，省 115891.doc 1309178 略反覆説明。此外，對於具有與上述先前技術相同功能之 構件亦附加與先前技術相同之符號。 b 首先，參照圖1説明本發明之皮帶驅動離心機之整體幹 構。皮帶驅動離心機100具有：保持欲分離之試料之轉子 1，一端裝載轉子1、另一端固定轉子滑輪1〇b之轉子轉動 軸9 ;檢測由設置於轉子丨上之轉子信號產生器7輸出之轉 子1之轉速信號之轉子速度檢測器8;成為轉子丨之驅動 鲁源，且具有固定有電動機滑輪10a之電動機轉動轴“之電動 機2 ;扣合於電動機滑輪1〇a與轉子滑輪1〇b，向轉子丄傳遞 電動機2之轉動力之皮帶11;檢測電動機2之轉速之電動機 速度檢測器3 ;輸入轉子丨之目標轉速及運轉時間等運轉條 件之操作面板6 ;控制電動機3之控制裝置4 ;及根據控制 裝置4之控制信號驅動電動機3之電動機驅動裝置$。再 者，轉子信號產生器7具有產生轉子轉速信號，且產生轉 子1之種類資訊即轉子型式或允許最高轉速等信號之功 φ 能’轉子速度檢測器8具有檢測轉子1之轉速，同時判斷轉 子1之種類之功能。 其次’參照圖2説明控制裝置4之結構。控制裝置4具 有：轉子目標轉速輸出部41;轉子速度偏差運算部42;外 加電壓運算部43 ;及勵磁頻率運算部44。控制裝置4被輸 入從操作面板6輸入之轉子目標轉速設定値、藉由轉子速 度檢測器8檢測之轉子1之實際轉速Nr、及藉由電動機速度 檢測器3檢測之電動機2之實際轉速Nm。 轉子目標轉速輸出部41根據轉子目標轉速設定値輸出轉 115891.doc 11 1309178 子目標轉速Nr*。轉子速度偏差運算部42被輸入轉子目標 轉速，和實際轉子轉速价，運算轉子目標轉速^與轉: 轉速Nr之偏差Ne(=Nr*-Nr)。 外加電壓運算部43被輸入偏差Ne和實際電動機轉速 Nm，藉由式3所示之周知之piD控制（運算），運算施加於電 動機2之最佳電磨（外加電麼）v。

Vn=Vn.1+Kp . Ne+Ki . i Ne . dt+Kd · dNe/dt (^3) 式中：Vn係此次外加電壓、V"係前次外加電廢、％係比 例係數、&係積分係數、Kd係微分係數。各係數&、〖I、 Kd作為電動機轉之函數藉由式4而算出。 KP=gl(Nm) > K^g^Nm) ^ Kd=g3(Nm) (式 4) 即，由於藉由轉子轉速Nr和電動機轉速Nm運算外加電 壓V，故可以最佳電壓控制電動機2,同時能夠準確地控制 轉子1之轉速。 勵磁頻率運算部44被輸入實際電動機轉速]^111，將電動 •機2之勵磁頻率f作為電動機轉速Nm之函數而算出。例 如’如表示加速及穩定時之勵磁頻率f之圖6所示，至預定 之電動機轉速Nm。為一定之勵磁頻率f。，其後，將勵磁頻 率『作為電動機轉速Nm之函數，對根據電動機轉速Nm預先 疋之β動量S’藉由周知之式5而運算。如圖6所示，勵 磁頻率f高於相當於電動機轉速]^111之頻率値。 f=g4(Nm)=l/(l-S) . Nm (式 5) 式中· f係勵磁頻率、S係滑動量、Nm係電動機轉速。 其次’參照圖3流程圖説明電動機2之控制方法。首先， 115891.doc -12· 1309178 於步驟1，從操作面板6設定轉子目標轉速、運轉時間等運 轉條件，按下未圖示之啓動開關後，於步驟2，控制裝置4 之外加電壓運算部43及勵磁頻率運算部44如圖6所示分別 向電動機驅動裝置5輸出初期外加電壓v。及初期勵磁頻率 f。，驅動電動機2，離心機1〇〇開始運轉。即，電動機2之轉 動力經由固定於電動機輸出轴2a上之電動機滑輪i〇a、皮帶 11、轉子滑輪l〇b及轉子轉動軸9向轉子1傳遞，離心機j 〇〇 開始運轉。 開始運轉後，於步驟3，控制裝置4藉由電動機速度檢測 器3及轉子速度檢測器8分別檢測實際之電動機轉速1^111和 轉子轉速Nr，並讀取各轉速。此外，將於步驟is定之轉 子目標轉速設定値經由轉子目標轉速輸出部41作為轉子目 標轉迷Nr*而輸入。 於步驟4,轉子速度偏差運算部42由轉子目標轉速1^*和 轉子轉速Nr算出偏差Ne(=Nr*-Nr)。然後，控制裝置4於步 φ 驟5及步驟6算出外加電壓V及勵磁頻率f。 根據表示步驟5之圖5之外加電壓運算部43之控制流程圖 算出外加電壓V。於步驟51，外加電壓運算部43根據於步 驟3讀取之藉由電動機速度檢測器3檢測之電動機轉速 Nm’判斷現在之電動機轉動速度]^„1是否超過預定値 Nm。。於步驟512No之情形，即現在之電動機轉速Nm低 於預定値Nm。之情形，則於步驟52向電動機驅動裝置5輸 出於步驟2預先決定之初期外加電壓Vd。於步驟51iYes之 情形，即現在之電動機轉速Nm超過預定値Nm。之情形，於 11589l.doc •13- 1309178 步驟53藉由上述式4作為電動機轉速Nm之函數算出運算係 數Κρ、Κ;、及Kd。然後，於步驟54，根據於步驟54求得之 運具係數Kp、Ki、及Kd和於步驟4藉由轉子速度偏差運算 部42求得之偏差Ne ’藉由上述式3算出根據轉子轉速沁和 電動機轉速Nm驅動電動機2之最佳外加電壓V。 另一方面，依據表示步驟6之圖4之控制流程圖算出勵磁 頻率f。於步驟61，判斷於步驟3讀取之現在之電動機轉速 Nm是否超過預定値Nm。。於步驟61之No之情形，即電動 機轉速Nm低於預定値Nm。之情形，於步驟62向電動機驅動 裝置5輸出於步驟2預先決定之初期勵磁頻率f。。於步驟61 之Yes之情形，即電動機轉速Nm超過預定値Nm。之情形， 於步驟63作為電動機轉速Nm之函數藉由上述式5算出勵磁 頻率f。 因此’依據本發明之皮帶驅動離心機100，分別檢測轉 子1之轉速Nr和電動機2之轉速Nm，對應各電動機轉速1^111 預先確定滑動量S，作為電動機轉速Nm之函數算出勵磁頻 率f’作為轉子轉速Nr之偏差Ne和電動機轉速Nm兩者之函 數算出外加電壓V ’即，控制對電動機2之轉速Nm施加之 勵磁頻率f，同時對應於轉子速度偏差運算部42之輸出， 控制扭矩之增減、即控制電動機2之外加電壓。其結果， 於根據電動機轉速Nm算出勵磁頻率f之基礎上，如周知之 V/f控制般’不固定其比率地藉由外加電壓v調節轉子轉速 Nr之偏差f ’藉此，可不受皮帶11之滑動量之變動之影響 地準確地控制轉子1之轉速，同時可藉由與轉子1之轉速對 115891.doc • 14- 1309178 應之最佳外加電壓V及勵磁頻率f控制電動機2。 此外’以上就於本發明使用之電動機2係感應電動機時 之情況進行了説明，但亦適用於使用DC無刷電動機之情 形，如圖7所示，以勵磁相位運算部5〇取代勵磁頻率運算 4 44 ’控制與電動機2之轉速相對應之進角、即相對於電 動機内部轉子之磁力方向之勵磁相位㊀，同時根據轉子速 度偏差運舁部42之輸出，控制扭矩之增減 '即電動機2之 外加電壓V’亦與感應電動機同様，可不受皮帶11之滑動 量之變動之影響準確地控制轉子1之轉速，同時可藉由與 轉子1之轉速對應之最佳外加電壓V及勵磁頻率£控制電動 機2。此處’勵磁相位0如圖8所示，離心機開始運轉時、 即電動機2起動時為初期勵磁相位θ。，其後可作為電動機 轉速Nm之函數由式6算出。 e=g5(Nm) (式 6) 式中：Θ係勵磁相位、Nm係電動機轉速。 進而如圖9所示，亦可於以與轉子丨相同轉速轉動之轉子 轉動軸9上設置轉動軸速度信號產生器12，同時設置檢測 轉動軸速度信號產生器12所發出之速度信號之轉動軸速度 檢測器13，取代轉子丨之轉速，檢測轉子轉動軸9之轉速亦 可。 【圖式簡單說明】 圖1係本發明之實施形態之離心機之結構圖。 圖2係使用感應電動機作為本發明之實施形態之離心機 之電動機之控制裝置之結構圖。 115891.doc -15- 1309178 圖3係本發明之控制流程圖。 圖4係本發明之勵磁頻率之控制流程圖。 圖5係本發明之外加電壓之控制流程圖。 圖6係本發明之勵磁頻率與電動機轉速之關係圖。 圖7係使用DC無刷電動機作為本發明之實施形態之離心 機之電動機時之控制裝置之結構圖。 圖8係本發明之進角與電動機轉速之關係圖。 圖9係本發明之第2實施形態之離心機之結構圖。 圖10係先前之直連驅動離心機之結構圖。 圖11係先前之皮帶驅動離心機之結構圖。 圖12係先前之皮帶驅動離心機之控制裝置之結構圖。 圖13係顯示一般V/f控制之圖。 【主要元件符號說明】 1 轉子 2 電動機 3 電動機速度檢測器 4 控制裝置 5 驅動裝置 6 操作面板 7 轉子信號產生器 8 轉子速度檢測器 9 轉子轉動軸 10 滑輪 11 皮帶 115891.doc -16- 1309178 41 轉子目標轉速輸出部 42 轉子速度偏差運算部 43 外加電壓運算部 44 勵磁頻率運算部 50 勵磁相位運算部 115891.doc •17-

Claims (1)

1309178 十、申請專利範圍： 1. 一種離心機，其具有： 供填裝試料並轉動之轉子； 扣合該轉子並轉動之轉動軸； 驅動前述轉子及該轉動轴轉動之電動機； 向前述轉動軸傳遞該電動機之轉動力之皮帶； 檢測前述轉子之轉逮之轉子速度檢測機構； 檢測前述電動機之轉速之電動機速度檢測機構；及 驅動控制前述電動機之控制裝置； 其特徵在於： 前述控制裝置根據來自於前述轉子速度檢測機構之信 號’算出控制前述轉子之轉速之信號，並根據來自於前 述電動機速度檢測機構之信號和前述算出信號控制前述 電動機。 2.

如請求項1之離心機，其中 進而具有輸入前述轉子之目標轉速之操作面板，前述 控制裝置具有：轉子速度偏差運算部，係被輸入前述轉 子目標轉速、來自於前述轉子速度檢測機構之信號以及 來自於前述電動機速度檢測機構之信號，根據前述轉子 目標轉速和來自於前述轉子速度檢測機構之信號，算出 控制前述轉子之轉速之信號者；外加電壓運算部，係根 據來自於該轉子速度偏差運算部之信號和來自於前述電 動機速度檢測機構之信號控制前述轉子之外加電壓者； 及勵磁頻率運算部 ，係根據來自於前述電動機速度檢測 115891.doc 1309178 機構之信號控制前述轉子之勵磁頻率者。 3‘如請求項1或2之離心機，其中 控制前述轉子之轉速之信號係前述轉子目標轉速與來 自於前述轉子速度檢測機構之信號之偏差。 4·如請求項1或2之離心機，其中 前述電動機係感應電動機。 5. 如請求項1或2之離心機，其中 前述電動機係DC無刷電動機。 6. —種離心機，其具有： 供填裝試料並轉動之轉子； 扣合該轉子並轉動之轉動軸； 驅動刖述轉子及該轉動軸轉動之電動機； 向前述轉動軸傳遞該電動機之轉動力之皮帶； 檢測别述轉動軸之轉速之轉動軸速度檢測機構； 檢測前述電動機之轉速之電動機速度檢測機構；及 驅動控制前述電動機之控制裝置； 其特徵在於： 前述控制裝置根據來自於前述轉動軸速度檢測機構之 信號算出控制前述轉子之轉速之信號，並根據來自於前 述電動機速度檢測機構之信號和前述算出信號控制前述 電動機。 115891.doc