JP2019134498A - モータの制御装置及び制御方法、並びにポンプシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】電源部の出力状況に合わせて応答性良く適切な回転数でモータを駆動させることができるモータの制御装置及び制御方法を提供する。【解決手段】電源部10から電力が供給され、モータ21の駆動を制御する制御装置30は、モータ21に対して通電を行う駆動回路部31と、駆動回路部31を制御する制御部32と、モータ21に対して通電される電流の電流値を検出する電流検出部33と、を有する。制御部32は、電流検出部33で検出される電流値に基づいて電源部32の電圧値を算出する電源電圧算出部と、電源電圧算出部で算出される電圧値に基づいてモータ21の回転数を調整する調整部と、を有する。【選択図】図1
Description
本発明は、モータの制御装置及び制御方法、並びにポンプシステムに関する。
国際公開第2003/065564号には、太陽電池を電源として電動機を可変速駆動する太陽光インバータの制御装置が開示される。当該制御装置は、いわゆる最大電力点追尾(Maximum Power Point Tracking:MPPT)制御法を用いて太陽光インバータを制御する。MPPT制御法では、日射量が変動しても、太陽電池の動作点がその都度の最大電力点に追従する。
特許文献1の方法では、太陽光インバータに電圧を検出する装置等が設けられ、太陽電池の電力が監視される。この監視装置からモータの駆動を制御する制御部に情報を出力する際に、タイムラグが生じる可能性がある。タイムラグが生じると、常に適切な回転数でモータの駆動を制御できなくなってしまう。
以上の点に鑑みて、本発明は、電源部の出力状況に合わせて応答性良く適切な回転数でモータを駆動させることができるモータの制御装置及び制御方法を提供する。また、本発明をポンプシステムで用いることで、電力インフラが整っていない環境でも効率良く水を汲み上げることを可能にする。
本発明の例示的なモータの制御装置は、電源部から電力が供給され、モータの駆動を制御する制御装置であって、前記モータに対して通電を行う駆動回路部と、前記駆動回路部を制御する制御部と、前記モータに対して通電される電流の電流値を検出する電流検出部と、を有する。前記制御部は、前記電流検出部で検出される電流値に基づいて前記電源部の電圧値を算出する電源電圧算出部と、前記電源電圧算出部で算出される電圧値に基づいて前記モータの回転数を調整する調整部と、を有する
本発明の例示的なポンプシステムは、前記電源部と、前記モータを有するポンプ部と、上述した本発明の例示的な制御装置と、を有する。
本発明の例示的なモータの制御方法は、電源部から供給される電力によって駆動するモータの制御方法であって、前記モータに対して通電される電流の電流値を検出する第1ステップと、検出された電流値に基づいて前記電源部の電圧値を算出する第2ステップと、算出された電圧値に基づいて前記モータの回転数を調整する第3ステップと、を有する。
例示的な本発明によれば、電源部の出力状況に合わせて応答性良く適切な回転数でモータを駆動させることができるモータの制御装置及び制御方法を提供するができる。また、例示的な本発明によれば、電力インフラが整っていない環境でも効率良く水を汲み上げることができるポンプシステムを提供することができる。
以下、本発明の例示的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
<1.ポンプシステムの概略>
<1.ポンプシステムの概略>
まず、本発明の例示的な実施形態に係るポンプシステムの概略構成について説明する。図1は、本発明の実施形態に係るポンプシステム1の構成を示すブロック図である。図1に示すように、ポンプシステム1は、電源部10と、ポンプ部20と、制御装置30とを有する。
電源部10は、発電部11とパワーコンディショナー(Power Conditioning System :PCS)12とを有する。本実施形態では、発電部11は、自然エネルギーを利用して発電する。このために、本実施形態のポンプシステム1は、電力インフラが整っていない地域でも利用することができる。
発電部11は、例えば、太陽光発電装置、風力発電装置、波力発電装置、及び、地熱発電装置のうちのいずれかであってよい。なお、波力発電装置は、海水等の波のエネルギーを利用して発電する装置である。また、発電部11は、これらの自然エネルギーを利用する発電装置を複数種類含んでもよい。本実施形態では、発電部11は太陽光発電装置である。PCS12は、発電部11で発電される電力の電力変換を適宜行う。発電部11が太陽光発電装置である場合、PCS12は直流電力を交流電力に変換する。
ポンプ部20はモータ21を有する。本実施形態では、モータ21はブラシレスモータである。図2は、本発明の実施形態に係るポンプシステム1が有するポンプ部20及びその周辺の構成を示す模式図である。図2に示すように、ポンプ部20は、モータ21に接続されるインペラ部22を有する。インペラ部22は、モータ21の駆動によって回転する羽根(不図示)を有する。
ポンプシステム1は、インペラ部22に接続される流水ケーブル40と、貯水槽41とを有する。ポンプ部20は、例えば地中の水源に浸される。モータ21の駆動によってインペラ部22の羽根が回転して水を吸い上げる。インペラ部22によって吸い上げられた水は、流水ケーブル40を通って地上に汲み上げられる。汲み上げられた水は貯水槽41に貯められる。
制御装置30は、電源部10から電力を供給され、モータ21の駆動を制御する。制御装置30は、モータ21とケーブルで接続され、地上に配置される。本実施形態では、制御装置30は、PCS12と共に1つの制御ボックスの中に収容される。制御装置30は、不図示の入力装置からの指令によって駆動する。入力装置は、例えば、制御装置30を収容する筐体に設けられてもよいし、リモートコントローラであってもよい。入力装置は、例えば、制御装置30をオンオフする電源スイッチを有してよい。また、入力装置は、制御装置30を操作する複数の入力キーを有してよい。入力キーは、例えばボタン或いはタッチパネル等であってよい。
<2.制御装置の詳細>
<2.制御装置の詳細>
制御装置30は、駆動回路部31と、制御部32と、電流検出部33とを有する。駆動回路部31は、モータ21に対して通電を行う。駆動回路部31は、詳細にはインバータである。本実施形態では、駆動回路部31は、PWM(Pulse Width Modulation)制御方式のインバータである。
制御部32は駆動回路部31を制御する。本実施形態では、制御部32は、駆動回路部31をPWM信号によって制御する。制御部32は、CPU(Central Processing Unit)32a及びメモリ32bを有するマイコンである。メモリ32bは、ROM(Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory)を有する。ROMには、モータ21の駆動を制御するために必要なプログラム及びデータが記憶されている。
電流検出部33は、モータ21に対して通電される電流の電流値を検出する。具体的には、電流検出部33は、駆動回路部31がモータ21に対して通電する際、駆動回路部31を流れる電流の電流値を検出する。電流検出部33は、検出した電流値を制御部32に出力する。本実施形態では、電流検出部33は、シャント抵抗を用いて構成された電流測定回路である。電流検出部33は、ホール素子等を用いて構成された電流測定回路であってもよい。
図3は、本発明の実施形態に係る制御装置30が有する制御部32のブロック図である。図3には、理解を容易とするために、駆動回路部31及び電流検出部33も示されている。制御部32は、初期値出力部321と、デューティ比生成部322と、回転数算出部323と、デューティ比計測部324と、電源電圧算出部325と、調整部326と、判断部327とを有する。これらの機能部のうち一部或いは全部は、例えば、CPU32aがメモリ32bに記憶された各種プログラムを実行することで実現される。また、これらの機能部のうち一部或いは全部は、LSI(Large Scale Integration)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)等のハードウェア機能部であってもよい。
初期値出力部321は、PWM信号のデューティ比の初期値を出力する。本実施形態では、初期値はメモリ32bに記憶される。初期値をいかなる値とするかは、特に限定されない。本実施形態では、初期値は、モータ21の回転数を最適な回転数(定格値)とするデューティ比である。このデューティ比のことを、以下、定格PWMデューティ比と記載する。例えば、メモリ32bには、デューティ比80%等が初期値として記憶される。また、最適な回転数とは、例えば、上記のポンプシステムで用いた場合、予め定めた流量で水を流すための回転数である。PWM信号のデューティ比の初期値が予め準備されているために、モータ21の制御を素早く適切に開始することができる。
デューティ比生成部322は、回転数算出部323で算出される回転数に基づいてPWM信号のデューティ比を生成する。本実施形態では、デューティ比生成部322は、デューティ比を初期値とした場合に想定されるモータ21の回転数と、回転数算出部323で算出される回転数とを比較してデューティ比を生成する。
メモリ32bには、デューティ比を初期値とした場合に想定されるモータ21の回転数が記憶されている。この予め記憶されている回転数のことを、以下、目標回転数と記載する。本実施形態では、デューティ比が定格PWMデューティ比とされた場合のモータ21の回転数(例えば5000rpm)が目標回転数として予め記憶されている。デューティ比生成部322は、回転数算出部323から取得される現在のモータ21の回転数と目標回転数とを比較してデューティ比を生成する。
回転数算出部323は、電流検出部33で検出される電流値に基づいてモータ21の回転数を算出する。モータ21の回転数と、モータ21の使用電流とは比例関係にある。このために、使用するモータ21の回転数と電流値の関係を予め計測しておけば、モータ21の電流値の検出によって、モータ21の回転数を算出できる。
デューティ比計測部324は、デューティ比生成部322で生成されるデューティ比の変動を検出する。本実施形態では、デューティ比計測部324は、予め設定した時間におけるデューティ比の変化量を計測する。デューティ比計測部324は、計測される変化量が所定の閾値を超えた場合に、所定のデューティ比の変動があったことを検出する。
電源電圧算出部325は、電流検出部33で検出される電流値に基づいて電源部10の電圧値を算出する。本実施形態では、電源電圧算出部325は、回転数算出部323で算出される回転数に基づいて電源部10の電圧値を算出する。本願の発明者は、電源部10の電圧値は、経験的に以下に示す式(1)で算出されることを見出している。
Sv=a×Mr÷(D÷100)+b (1)
Sv:電源部の電圧値[V]
Mr:モータの回転数[rpm]
D :デューティ比[%]
a,b:定数
定数a及びbは、モータ21の特性によって決まる。
Sv=a×Mr÷(D÷100)+b (1)
Sv:電源部の電圧値[V]
Mr:モータの回転数[rpm]
D :デューティ比[%]
a,b:定数
定数a及びbは、モータ21の特性によって決まる。
調整部326は、電源電圧算出部325で算出される電圧値に基づいてモータ21の回転数を調整する。本実施形態では、調整部326は、PWM信号のデューティ比を調整する。デューティ比の調整により、モータ21の回転数が変動する。調整部326は、デューティ比計測部324によって所定のデューティ比変動が検出された場合に、電源電圧算出部325によって算出される電圧値に基づいてデューティ比を調整する。
詳細には、調整部326は、電源部10の電圧値を目標電圧値に近づけるように、デューティ比の調整を行う。本実施形態では、目標電圧値は、電源部10の出力が100%(定格値)となる場合の電源部10の電圧値である。目標電圧値は、予め実験等によって取得され、メモリ32bに記憶されている。
本実施形態では、発電部11は、日射量によって、その時点で出力することができる最大電力が変動する。また、日射量の変動によって、発電部11の電力を最大とする電圧値と電流値の関係は変動する。ただし、本願の発明者は、最大電力を得るための電圧値が日射量の変動に応じて変動する割合は経験的に小さいことを見出している。このために、調整部326は、電源部10の電圧値が目標電圧値に近づくように、デューティ比の調整を行う。これにより、日射量変動にかかわらず、電源部10が、その時点で出力することができる最大電力に近い値を出力した状態で、モータ21を駆動させることができる。
判断部327は、電源電圧算出部325で算出される電圧値に基づいてモータ21の駆動を停止するか否かを判断する。本実施形態では、判断部327は、電源電圧算出部325で算出される電圧値が所定の値より小さい場合に、モータ21の駆動を停止すると判断する。所定の値は、モータ21の駆動に最低限必要な電圧値である。モータ21の駆動に最低限必要な電圧値が得られない場合にモータ21の駆動を停止することで、モータ21を保護することができる。制御部32は、場合によっては判断部327を有しなくてもよい。
<3.制御装置の動作>
<3.制御装置の動作>
図4は、本発明の実施形態に係る制御装置30の動作の一例を示すフローチャートである。換言すると、図4は、電源部10から供給される電力によって駆動するモータ21の制御方法の一例を示す。
制御装置30の電源がオンされると、オン信号が制御部32に入力される。オン信号の入力により、初期値出力部321は、デューティ比の初期値をメモリ32bから読み出して出力する(ステップS1)。
デューティ比生成部322は、モータ21の目標回転数をメモリ32bから取得し、回転数算出部323から取得した回転数と比較してデューティ比を生成する(ステップS2)。回転数算出部323が算出した回転数と目標回転数との差が所定の範囲内であれば、現在のデューティ比が生成される。
回転数算出部323が算出した回転数と目標回転数との差が所定の範囲を超えた時、デューティ比生成部322は、回転数算出部323が算出した回転数が目標回転数と異なると判断する。デューティ比生成部322は、回転数算出部323が算出した回転数が目標回転数より低い場合には、現在のデューティ比より大きなデューティ比を生成する。また、デューティ比生成部322は、回転数算出部323が算出した回転数が目標回転数より高い場合には、現在のデューティ比より小さなデューティ比を生成する。
デューティ比をどの程度大きくするか、或いは、小さくするかは、算出された回転数と目標回転数との差の大きさに応じて決定されるのが好ましい。デューティ比を決定するためのテーブル或いは計算式がメモリ32bに記憶されるのが好ましい。なお、デューティ比生成部322は、回転数算出部323が回転数を算出する前においては、初期値出力部321から出力されたデューティ比と同じデューティ比を生成する。
デューティ比生成部322によって生成されたデューティ比でモータ21が駆動されると、回転数算出部323は、電流検出部33で検出された電流値を取得する(ステップS3)。すなわち、モータ21の制御方法は、モータ21に対して通電される電流の電流値を検出するステップを有する。回転数算出部323は、取得した電流値に基づきモータ21の回転数を算出する(ステップS4)。この時点で、デューティ比計測部324によって、所定のデューティ比変動が検出されたか否かが確認される(ステップS5)。ステップS5で所定のデューティ比変動が検出されない場合、ステップS2に戻って、上述の動作が繰り返される。
ステップS5で所定のデューティ比変動が検出された場合、電源電圧算出部325によって電源部10の電圧値が算出される(ステップS6)。すなわち、モータ21の制御方法は、検出された電流値に基づいて電源部10の電圧値を算出するステップを有する。なお、上述のように、本実施形態では、電源電圧算出部325は、検出された電流値に基づいて算出されたモータ21の回転数を利用して電源部10の電圧値を算出する。
調整部326は、算出された電圧値が目標電圧値であるか否かを確認する(ステップS7)。調整部326は、算出された電圧値と目標電圧値との差が所定の範囲内であれば、算出された電圧値が目標電圧値であると判断する。一方、調整部326は、算出された電圧値と目標電圧値との差が所定の範囲を超えた場合に、算出された電圧値が目標電圧値でないと判断する。
ステップS7で、算出された電圧値が目標電圧値であると判断されると、調整部326は、デューティ比を現在のデューティ比に維持する(ステップS8)。デューティ比が維持された状態で、ステップS6に戻って、それ以降の動作が繰り返される。
一方、ステップS7で、算出された電圧値が目標電圧値でないと判断されると、判断部327が、算出された電圧値が所定の値より小さいか否かを確認する(ステップS9)。ステップS9で、電源電圧算出部325で算出された電圧値が所定の値より小さい場合、モータ21の駆動を停止する(ステップS10)。モータ21の駆動停止は、制御部32から駆動回路部31に指示される。
一方、ステップS9で、算出された電圧値が所定の値以上である場合、調整部326はデューティ比の変更を行う(ステップS11)。詳細には、算出された電圧値が目標電圧値より小さい場合、調整部326は現在のデューティ比を下げる。算出された電圧値が目標電圧値より大きい場合、調整部326は現在のデューティ比を上げる。デューティ比が下がると、モータ21の電流値及び回転数が下がり、電源部10の電圧値は上がる。デューティ比が上がると、モータ21の電流値及び回転数が上がり、電源部10の電圧値は下がる。すなわち、モータ21の制御方法は、算出された電圧値に基づいてモータ21の回転数を調整するステップを有する。調整部326は、電源部10の電圧値が目標電圧値に近づくように、デューティ比の調整を行う。デューティ比の調整後、ステップS6に戻って、それ以降の動作が繰り返される。
なお、デューティ比の調整量は、算出された電圧値と目標電圧値との差の大きさに応じて決定されるのが好ましい。デューティ比の調整量を決定するためのテーブル或いは計算式がメモリ32bに記憶されるのが好ましい。テーブル或いは計算式は、実験によって集めた情報に基づいて作成すればよい。
本実施形態では、制御装置30の電源がオンされて所定のデューティ比変動が検出されるまでは、モータ21は目標回転数になるように制御される。一方、所定のデューティ比変動が検出された後は、モータ21は、電源部10の電圧値が目標電圧値になるように制御される。本実施形態によれば、モータ21に対して通電される電流の電流値から電源部10の電圧値を算出することによって、電源部10の出力状況に合わせてモータ21を適切な回転数で回転させることができる。また、制御装置30を有するポンプシステム1は、効率良く水の汲み上げを行うことができる。
また、電源部10の出力状況に合わせてモータ21の回転数を適切に制御するにあたって、モータ21に対して通電される電流の電流値が利用される。このために、電源部10の電力を監視する監視装置から情報を得てモータ21の駆動を制御する場合に比べて、応答性良くモータの駆動を制御することができる。
<4.変形例>
<4.変形例>
図5は、本発明の実施形態に係る制御装置30の変形例を説明するためのブロック図である。図5に示すように、変形例の制御装置も、駆動回路部31と、制御部34と、電流検出部33とを有する。駆動回路部31及び電流検出部33は、上述した実施形態の構成と同じである。変形例の制御装置においては、制御部34に初期値出力部321を設ける代わりに、制御部34外に、初期値設定部35が設けられる。この点が、上述した実施形態の構成とは異なる。制御部34が有するデューティ比生成部322、回転数算出部323、デューティ比計測部324、電源電圧算出部325、調整部326、及び、判断部327は、上述した実施形態と基本的に同じである。このために、これらの詳細な説明は、特に必要な場合を除き説明を省略する。
初期値設定部35は、詳細には、外部からPWM信号のデューティ比の初期値を入力し、入力された初期値を制御部34に出力するための装置である。すなわち、制御部34は、外部からPWM信号のデューティ比の初期値を設定可能に設けられている。デューティ比生成部322は、デューティ比を前記初期値とした場合に想定される回転数と、回転数算出部323で算出される回転数とを比較してデューティ比を生成する。初期値出力部321から得られるデータの代わりに、初期値設定部35から得られるデータが利用される点を除いて、制御部34の動作は、上述した実施形態の制御部32と同じである。初期値設定部35が用いられる場合、デューティ比の初期値を外部から変更することができる。このために、例えばポンプシステム1の使用環境等に応じて初期値を適切に設定することができる。
初期値設定部35は、制御部34と有線にて通信する構成でもよいし、無線にて通信する構成でもよい。初期値設定部35の情報の入力は、例えばボタン入力方式或いはタッチパネル入力方式等であってよい。初期値設定部35は、デューティ比の初期値以外に目標回転数等の他の情報を入力する機能を有してもよい。初期値設定部35は、例えば携帯端末等であってもよい。
以上においては、本発明の制御装置がポンプシステムに適用される構成を説明した。しかし、これは例示である。本発明の制御装置は、例えばファンを駆動するシステム等、他のシステムに適用されてもよい。
その他、以上に示した実施形態や変形例の構成は、本発明の例示にすぎない。実施形態や変形例の構成は、本発明の技術的思想を超えない範囲で適宜変更されてもよい。また、複数の実施形態及び変形例は、可能な範囲で組み合わせて実施されてよい。
本発明は、例えば太陽光発電或いは風力発電等の自然エネルギーを利用した電源部によってモータを駆動するシステムに好適に利用できる。
1・・・ポンプシステム、10・・・電源部、11・・・発電部、20・・・ポンプ部、21・・・モータ、30・・・制御装置、31・・・駆動回路部、32,34・・・制御部、33・・・電流検出部、321・・・初期値出力部、322・・・デューティ比生成部、323・・・回転数算出部、324・・・デューティ比計測部、325・・・電源電圧算出部、326・・・調整部
Claims (12)
- 電源部から電力が供給され、モータの駆動を制御する制御装置であって、
前記モータに対して通電を行う駆動回路部と、
前記駆動回路部を制御する制御部と、
前記モータに対して通電される電流の電流値を検出する電流検出部と、
を有し、
前記制御部は、
前記電流検出部で検出される電流値に基づいて前記電源部の電圧値を算出する電源電圧算出部と、
前記電源電圧算出部で算出される電圧値に基づいて前記モータの回転数を調整する調整部と、
を有する、制御装置。 - 前記制御部は、前記電流検出部で検出される電流値に基づいてモータの回転数を算出する回転数算出部を有する、請求項1に記載の制御装置。
- 前記電源電圧算出部は、前記回転数算出部で算出される回転数に基づいて前記電源部の電圧値を算出する、請求項2に記載の制御装置。
- 前記制御部は、前記駆動回路部をPWM信号によって制御し、
前記調整部は、前記PWM信号のデューティ比を調整する、請求項2又は3に記載の制御装置。 - 前記制御部は、前記回転数算出部で算出される回転数に基づいて前記PWM信号のデューティ比を生成するデューティ比生成部を有する、請求項4に記載の制御装置。
- 前記制御部は、前記PWM信号のデューティ比の初期値を出力する初期値出力部を有し、
前記デューティ比生成部は、デューティ比を前記初期値とした場合に想定される前記モータの回転数と、前記回転数算出部で算出される回転数とを比較してデューティ比を生成する、請求項5に記載の制御装置。 - 前記制御部は、外部から前記PWM信号のデューティ比の初期値を設定可能に設けられ、
前記デューティ比生成部は、デューティ比を前記初期値とした場合に想定される前記モータの回転数と、前記回転数算出部で算出される回転数とを比較してデューティ比を生成する、請求項5に記載の制御装置。 - 前記制御部は、前記デューティ比生成部で生成されるデューティ比の変動を検出するデューティ比計測部を有し、
前記デューティ比計測部によって所定のデューティ比変動が検出された場合に、前記電源電圧算出部によって算出される電圧値に基づいてデューティ比が調整される、請求項5から7のいずれか1項に記載の制御装置。 - 前記電源電圧算出部で算出される電圧値が所定の値より小さい場合に、前記モータの駆動を停止する、請求項1から8のいずれか1項に記載の制御装置。
- 前記電源部と、
前記モータを有するポンプ部と、
請求項1から9のいずれか1項に記載の制御装置と、
を有する、ポンプシステム。 - 前記電源部は、自然エネルギーを利用して発電する発電部を有する、請求項10に記載のポンプシステム。
- 電源部から供給される電力によって駆動するモータの制御方法であって、
前記モータに対して通電される電流の電流値を検出する第1ステップと、
検出された電流値に基づいて前記電源部の電圧値を算出する第2ステップと、
算出された電圧値に基づいて前記モータの回転数を調整する第3ステップと、
を有する、制御方法。
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