JPH0219670A - 無脈動ポンプの制御装置 - 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、液体クロマトグラフィ、医用検査装置などに
用いられる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速度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〕

従来の無脈動ポンプ装置は、特開昭５７−７０９７６に
記載のように、２本のプランジャを１つのカム駆動によ
り往復運動させて各プランジャのポンプ動作による合成
吐出量を得るようにした二連式の往復動型ポンプにおい
て、カムを駆動するモータに駆動制御回路を接続し、さ
らに合成吐出量の圧力を検出して圧力変動位置を検知す
る回路と、力供給して駆動モータの速度制御を行う構成
になっている。前記カムの回転位置を認識する手段は、
カムの回転軸に設けたパルス発生器と、回転数補正設定
器とを備え、パルス発生器で検出されるカムの位置パル
スをパルスカウンタで計数して、これにより前記回転数
補正設定器から出力される補正信号と比較器で比較して
、カム１回転中の任意のある角度だけ補正するようにな
っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、（１）プランジャの駆動が、カムの加
工誤差や減速機のバックラッシュ等機械系のガタが原因
となって駆動制御回路からの指令通り行えない場合、圧
力脈動を効果的に低減できない。（２）２つのプランジ
ャを１つのモータで駆動しているため、吐出圧力を補正
するためにモータを局部的に増速する駆動制御を行って
も、その動作の自由度に限界があり、適切な制御が行い
にくい。（３）吐出圧力を圧力検出器で検出し、この検
出信号により直接駆動モータを制御するフィードバック
制御（閉ループ制御）ではなく、開ループ制御であるた
め、回転数補正設定器で設定される値が、動部的に低下
した吐出圧力の変動値に適正でなく、短時間で正確に脈
動を減少させることが困難である、などの問題点があっ
た。

本発明の目的は、上記の欠点を改良し、圧力脈動の小さ
い二連式往復動ポンプの制御方式を提供することにある
。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による無脈動ポンプの制御方式は、吸入通路と吐
出通路に逆止弁を有するシリンダヘッド中に形成したポ
ンプ室中で往復運動するプランジャ、及び、プランジャ
を往復運動させるための駆動装置から成る二連式往復動
型無脈動ポンプにおいて、プランジャの位置及び速度を
検出する検出器、及び回路、合成吐出量の圧力を検出す
る検出器、その検出値をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路
を設け、それらの出力信号をマイクロコンピュータに入
力して二つのプランジャの速度の和が一定となる駆動パ
ターンを算出し、この該駆動パターンに圧力変動分に相
当したモータ駆動周波数補正値を逐時加゛算することに
よって補正するプランジャ速度制御を行うことを特徴と
したものである。

〔作用〕

液体クロマトグラフィ等に用いられる無脈動ポンプは、
脈動なく連続吐出できることが望ましく、また、高圧の
液体を吐出する必要があることから、例えば、第３図に
示したように、１つの往復動ポンプの吸入側と吐出側に
逆止弁を設け、吐出弁の出口を他の１つの往復動ポンプ
に連通させた構成の２連式の往復動ポンプが用いられる
。

この往復動ポンプの２つのプランジャを駆動する機構は
、第３図のように各プランジャを別々のモータからボー
ルねじなどの回転−直線運動変換機構を介して、駆動す
るようになっている。

２つのプランジャの速度パターンとしては、例えば第４
図に示すようなものがあり、逆止弁の効果を入れると２
つのプランジャの速度の和は常に一定になるように動作
される。こうすることによって、原理的には脈動のない
ポンプとなる。しかしながら、実際には減速機のバック
ラッシュやカムの加工誤差など機械系のガタが原因とな
って、マイクロコンピュータから出力される速度指令値
通りにプランジャが動作せず、圧力脈動が生じる。

このため、プランジャの速度を制御して２つのプランジ
ャの合成速度が常に一定となるようにする必要がある。

プランジャの速度を制御するために、例えばプランジャ
にリニヤエンコーダ等の検出器を取り付け、その検出器
からの検出値をプランジャの位置速度検出回路を通して
マイクロコンピュータに取り込んで、逐時プランジャの
速度補正を行うようにする。

例えば、モータにパルスモータを適用した場合、プラン
ジャの速度ｄＸ、／ｄｔ　　は、ａを定数、ｆをパルス
モータの駆動周波数とすると、ｄ　Ｘｐ／　ｄ　ｔ　＝
　ａ　ｆ　　　　　　　　　　　・・（１）となる。す
なわち、プランジャの速度を制御したい場合には、プラ
ンジャを駆動するモータの駆動周波数を制御すればよい
。以下、その制御方法を説明する。

プランジャの合成速度をｆｔｏｔ（θ、ｔ）、第１プラ
ンジャの速度をｆ、Ｃθ、ｔ）、第２プランジャの速度
をｆｔ、（θ、ｔ）とする。θ及びｔはそれぞれ、モー
タの回転角及び時間を示し、駆動周波数ｆはモータの回
転角または時間の関数とする。

第１プランジャをマスタープランジャ、第２プランジャ
をスレーブプランジャと呼ぶ。２つのプランジャの合成
速度が一定ということにより、それぞれの駆動周波数は
次式で与えられる。

２回目の速度指令値は、１回目の計測で得られたゲイン
ａｌ、Ｇｔを考慮して、そのゲインの補正この制御方法
の簡単なモデルを第５図に示す。

ｆｓを速度指令値、ｆＲを理想速度（周波数）、ｆＫを
計測値とし、第１及び第２プランジャの各各の計測値に
対する指令値の割合（以下、これをゲインと呼ぶ、）を
Ｇ　ａ　、　Ｇｂとする。また、添字は、順次、単位時
間経過した後に出力される順番を示している。

ポンプが運動を開始してから一単位時間経過した後の各
々のプランジャの速度指令値及びゲインは次式で与えら
れる。ここで回転角θ及びｔは省略する。） ３回目は、 よってｎ回目は、 となる。

また、吐出圧力は、圧力検出器で検出され、Ａ／Ｄ変換
器よりＡ／Ｄ変換されてマイクロコンピュータに入力さ
れるようになっている。マイクロコンピュータでは、そ
の圧力検出信号をもとに、圧力脈動を減少するためのモ
ータ駆動周波数補正分ΔｆｌＩが逐時算出され、常にマ
スタープランジャである第１プランジャの動きを補正す
る第２プランジャ（＝スレーブプランジャ）に加算され
て出力される。よってｎ回目の速度指令値は、上記補正
も行われるため、最終的に次のようになる。

こうすることにより、適正な速度指令値で常時プランジ
ャを確実に駆動することができ、圧力脈動の低減を効果
的に行える。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。第３
図は、本発明に用いる二連式往復動型無脈動ポンプの一
例を示すもので、二つの別個のパルスモータ１の回転運
動を、遊星歯車減速機１４゜スラスト軸受１５．ボール
ねじ１６から成る駆動伝達系を介して、ピストン５，６
の直線往復運動に変換することによって、該ピストン５
．６の先端に連結した第１プランジャ８および第２プラ
ンジャ９を別個のパルスモータ１，１で駆動するように
なっている。１０はシール、１８ａ、１８ｂは逆止弁で
ある。

上記のポンプを用いた本発明の実施例を第１図を参照し
て説明する。流量設定器２６（あるいは外部流量コント
ローラ）で設定された流量設定信号は、二進化十進−二
進コード変換回路２７で二進コードに変換されてマイク
ロコンピュータ２４に入力される。この信号と、スター
ト・ストップボタン２８からのスタート信号がパルス発
生回路２９を経てマイクロコンピュータ２４に入力され
ると、マイクロコンピュータ２４は、パルスモータ駆動
周波数等を計算してマイクロコンピュータ２４の出力ポ
ートからパルスモータドライバ２５へ第４図で示したプ
ランジャ速度駆動パターンをつくり出すパルス列９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２５で分配されて２分の
パルスモータ１を駆動する。この場合、２台のモータは
それぞれ別の周波数で駆動される。パルスモータ１が回
転すると、遊星歯車減速機１４により減速され、スラス
ト軸受１５．ボールねじ１６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、プランジャを往
復運動させて、第３図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
べたカムの加工誤差や減速機のバックラッシュなど機械
系のガタが原因となってプランジャがマイクロコンピュ
ータ２４からの速度指令値通り動作せず、脈動が発生す
る。このようなことを防ぐため、個々のプランジャの位
置を検出する２台の検出器１９を設け、その検出器１９
からの信号は、それに接続された位置速度検出回路２３
を通してマイクロコンピュータ２４に入力される。

また、逆止弁の応答遅れや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、プランジ
ャの動作以外のことが原因となって脈動が発生すること
もあるため、圧力センサ２ｏがライン圧力と圧力変動を
検出するために設けられており、その検出信号は増幅器
及びノイズを除去するためのフィルタ２１を通してＡ／
Ｄ変換器２２でデジタル信号に変換されてマイクロコン
ピュータ２４に入る。

マイクロコンピュータ２４は、前に述べたプランジャの
速度検出信号をもとに、速度指令値がハード自体の性能
の違いによってどの程度理想的に実現されているかを示
す定数（ゲイン）を算出し、第１及び第２プランジャの
合成速度が常時一定となるような速度制御を、主に第２
プランジャ９の速度を補正することによって行う。

また、圧力センサからの信号は、マイクロコンピュータ
２４内でプランジャ速度の補正分、すなわちパルスモー
タ駆動周波数の補正分に換算され、第２プランジャの駆
動周波数に足し込まれる。

このように、マイクロコンピュータ２４で、プランジャ
の速度検出信号及び圧力検出信号をもとにプランジャの
速度制御を行うことによって、圧力脈動のない安定した
送液が可能となる。

ここでプランジャの速度を検出する手段としてプランジ
ャ自身の速度を検出するりニヤエンコーダ等の装置を用
いたが、プランジャの速度検出が回連な場合は、モータ
に取り付けたエンコーダ等でも可とする。

また、本実施例ではモ、−夕の回転運動を直線運動に変
換しピストンを駆動する機構としてボールねじを用いた
が、これは各々のモータに接続した２つのカムで代用し
ても本発明は実施可能である。

第２図は本発明における第２実施例を示す説明図である
。第１図及び第２図において、同一符号ま同一または該
当する部分を示すものとする。

第２実施例では、第１実施例においてマイクロコンピュ
ータ２４にフィードバックしていたプランジャ速度検出
信号を、位置速度検出回路２３を通してパルスモータド
ライバ２５にフィードバックしている。パルスモータド
ライバ２５は、プランジャの速度検出信号をもとに前記
で述べた制御方法でプランジャの速度制御を行いプラン
ジャの合成速度が常に一定になるように調整する。

また圧力センサからの信号は、マイクロコンピュータ２
４内でブランジン速度の補正分、すなわちパルスモータ
駆動周波数の補正分に換算され、第２プランジャの駆動
周波数に足し込まれる。

このようにパルスモータドライバ２５及びマイクロコン
ピュータ２４で、プランジャ速度検出信号と圧力検出信
号をもとにプラ゛ンジャの速度制御を行うことによって
、圧力脈動のない安定した送液が可能となる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、プランジャの速度を速度指令値通り理
想的に駆動でき、また、圧力脈動の変動分を除去するの
に適正な大きさのプランジャ速度の補正を行うことが可
能なので、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図及び第２図は１本発明の実施例を示す制御回路系
統図、第３図は本発明の適用される二連式往復動型無脈
動ポンプを示した図であり、第４図（ａ）、（ｂ）は本
発明の基本的な速度パターンを示した図であり、第５図
は本発明の制御方法を説明するために制御対象をモデル
化した説明図である。 １・・・パルスモータ、５・・・第１ピストン、６・・
・第２ピストン、８・・・第１プランジャ、９・・・第
２プランジャ、１０・・・シール、１１・・・シリンダ
ヘッド、１４・・・遊星歯車減速機、１５・・・スラス
ト軸受、１６・・・ボールねじ、１８ａ、１８ｂ・・・
逆止弁、１９・・・プランジャ位置速度検出器、２０・
・・圧力センサ、２１・・・ローパスフィルタ、２２・
・・Ａ／Ｄ変換器、２３・・・位置速度検出回路、２４
・・・マイクロコンピュータ、２５・・・パルスモータ
ドライバ、２６・・・流量設定器、２７・・・コード変
換回路、２８・・・スタート・ストップボタン、２９・
・・パルス発生区 ／　／（６ル人モーヲ ５、どじ大トン ３、ｑ　　）゛ランシ〈 ／４う入違ぺ ／乙　汀ぐ−ルねじ゛ ／２逆止青 ６６一

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、吸入通路と吐出通路に逆止弁を有するシリンダヘッ
   ド中に形成したポンプ室中で往復運動するプランジャ及
   びプランジャを往復運動させるための駆動装置から成る
   二連式往復動型無脈動ポンプの制御方法において、プラ
   ンジャの位置及び速度と合成吐出量の圧力を検出し、そ
   れらの検出された信号を入力して、二つのプランジャの
   速度の和が一定となる駆動パターンを算出し、主に第２
   プランジャの速度をリアルタイムに第１プランジャに追
   従させてプランジャの速度制御を行うことを特徴とする
   無脈動ポンプの制御方法。 ２、第２プランジャの速度を、速度フィードバック信号
   に基づいて逐時制御して吐出行程中にある二つのプラン
   ジャの速度の和を一定に保つ特許請求の範囲第１項記載
   の無脈動ポンプの制御方法。