トップ :: B 処理操作 運輸 :: B04 物理的または化学的工程を行なうための遠心装置または機械

【発明の名称】 遠心分離機
【発明者】 【氏名】赤津 幸一

【氏名】高橋 廣之

【氏名】藤巻 貴弘

【要約】 【課題】交流電源AC100V系用遠心分離機に設計されたモータ用制御装置を交流電源AC200V系に適用可能とし、交流電源と直流変換器との間に電源トランスを必要としない制御装置を具備する遠心分離機の提供。

【解決手段】制御部15は、平滑コンデンサ3の充電電圧に対するインバータ5を駆動する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の記憶領域12a、およびモータ6の回転数に対応するモータ6への供給電圧を示す電圧指令値の特性を記憶する第2の記憶領域12bを有し、制御部15は平滑コンデンサ3から検出された充電電圧と、第1および第2の記憶領域12a、12bに記憶された前記電圧指令係数および前記電圧指令値とに基づいて、平滑コンデンサ3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。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
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およ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、前記パルス幅変調信号を生成するための制御手段と、前記インバータ駆動手段およ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、およ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および第2の記憶手段に記憶された前記電圧指令係数の特性およ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。
【請求項2】
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。
【請求項3】
前記直流電源生成手段は、スイッチング電源から成ることを特徴とする請求項1または請求項2に記載された遠心分離機。
【請求項4】
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ことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一つに記載された遠心分離機。
【請求項5】
前記直流電源生成手段は、スイッチング電源から成ることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一つに記載された遠心分離機。
【請求項6】
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5のいずれか一つに記載された遠心分離機。
【請求項7】
試料を遠心分離するロータを回転駆動させるためのモータであって、該モータの起動およ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を有するモータと、交流電源を入力し直流電圧を出力するための直流変換手段と、該直流変換手段の出力側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、前記パルス幅変調信号を生成するための制御手段と、前記インバータ駆動手段および前記制御手段に所定の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、
前記直流変換手段は、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し、かつ接続可能な前記異なる交流電圧に応答する直流電圧を出力するように構成し、
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、
前記制御手段は、前記直流変換手段の出力直流電圧に応答して前記複数のスイッチング素子を駆動する前記パルス幅変調信号のパルス幅を可変することによって前記モータを所定の回転数に制御することを特徴とする遠心分離機。
【請求項8】
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7に記載された遠心分離機。
【請求項9】
前記直流電源生成手段は、スイッチング電源から成ることを特徴とする請求項7または請求項9に記載された遠心分離機。
【請求項10】
前記直流変換手段に接続可能な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ことを特徴とする請求項7乃至請求項9のいずれか一つに記載された遠心分離機。
【請求項11】
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7乃至請求項11のいずれか一つに記載された遠心分離機。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
【特許文献1】特開2001−112292号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【課題を解決するための手段】
【0016】
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。
【0017】
本発明の一つの特徴によれば、試料を遠心分離するロータを回転駆動させるためのモータであって、該モータの起動およ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を有するモータと、交流電源を入力し直流電圧を出力するための直流変換手段と、該直流変換手段の出力側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、前記パルス幅変調信号を生成するための制御手段と、前記インバータ駆動手段および前記制御手段に所定の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、前記直流変換手段は、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し、かつ接続可能な前記異なる交流電圧に応答する直流電圧を出力するように構成し、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、前記制御手段は、前記直流変換手段の出力直流電圧に応答して前記複数のスイッチング素子を駆動する前記パルス幅変調信号のパルス幅を可変することによって前記モータを所定の回転数に制御する。
【0018】
本発明の他の特徴によれば、前記制御手段は、前記直流変換手段の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、およ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および第2の記憶手段に記憶された前記電圧指令係数の特性およ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。
【0019】
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。
【0020】
本発明のさらに他の特徴によれば、前記直流電源生成手段は、スイッチング電源から構成される。
【0021】
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。
【0022】
本発明のさらに他の特徴によれば、前記直流電源生成手段は、スイッチング電源から構成される。
【0023】
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。
【発明の効果】
【0024】
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。
【0025】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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(Proportinal Integral Differential)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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
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。
【0058】
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。
【0059】
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。
【0060】
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。
【0061】
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。
【0062】
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。
【0063】
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。
【0064】
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。
【0065】
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。
【0066】
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。
【図面の簡単な説明】
【0067】
【図1】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2】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3】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4】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5】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6】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7】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】
【0068】
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
【出願人】 【識別番号】000005094
【氏名又は名称】日立工機株式会社
【出願日】 平成19年3月8日(2007.3.8)
【代理人】 【識別番号】100072394
【弁理士】
【氏名又は名称】井沢 博


【公開番号】 特開2008−221030(P2008−221030A)
【公開日】 平成20年9月25日(2008.9.25)
【出願番号】 特願2007−58312(P2007−58312)