TWI309178B - - Google Patents
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- TWI309178B TWI309178B TW095144485A TW95144485A TWI309178B TW I309178 B TWI309178 B TW I309178B TW 095144485 A TW095144485 A TW 095144485A TW 95144485 A TW95144485 A TW 95144485A TW I309178 B TWI309178 B TW I309178B
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Description
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
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