JP2020143954A - 回転角算出方法および回転角制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】回転角センサからの複数の信号を用いて回転体の回転角を算出する回路構成の製造コストを抑制しながら、当該回転角の精度を向上させる。【解決手段】回転角算出方法は、信号Sg1〜Sg4の各々について、第1サンプリング時間帯Ts1における第1サンプリング時刻および第1サンプリング時刻における第1信号値と、第2サンプリング時間帯における第2サンプリング時刻および第2サンプリング時刻における第2信号値と、第2サンプリング時間帯Ts2に含まれる特定時刻t35とから導かれる、第1信号値および第2信号値の少なくとも一方に関する一次式によって、特定時刻t35における推定値を算出する。回転角算出方法は、信号Sg1〜Sg4の各々の特定時刻t35における推定値を用いて回転体の回転角を算出する。【選択図】図6
Description
本発明は、回転角センサからの複数の信号を用いて、回転体の回転角を算出する回転角算出方法および回転角制御装置に関する。
従来、回転角センサからの複数の信号を用いて、回転体の回転角を算出する回転角算出方法および回転角制御装置が知られている。たとえば、特開2016−53547号公報(特許文献1)には、3次元の空間内または2次元の平面内における磁界を検出する非接触回転角センサに備えられた磁気センサ信号処理回路が開示されている。当該磁気センサ信号処理回路によれば、2つのホール起電力信号の非直交性が補正されることにより、3次元の磁界ベクトルから3次元の電気信号ベクトルを生成する磁電変換の精度が向上し、検出対象の回転体の回転位置を高精度に検出することができる。
特許文献1に開示されている回転角算出方法においては、2つのAD(Analog to Digital)変換回路がサンプリングクロック信号に同期して回転角センサからの各信号をデジタル信号に変換する。そのため、回転角センサからの各信号のサンプリング時刻にずれが生じ難い。
しかし、2つのAD変換回路を同期させるための回路構成は複雑となることが多い。特許文献1に開示されている回転角算出方法によると、当該方法を実現する回路構成の製造コストを抑制することが困難である。
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、回転角センサからの複数の信号を用いて回転体の回転角を算出する回路構成の製造コストを抑制しながら、当該回転角の精度を向上させることである。
本発明に係る回転角算出方法は、回転体に取り付けられた回転角センサから、位相が互いに異なる第1〜第N信号(Nは2以上の自然数)を受けて回転体の回転角を算出する。回転角算出方法は、サンプリングするステップと、推定値を算出するステップと、回転体の回転角を算出するステップとを含む。サンプリングするステップは、連続する第1および第2サンプリング時間帯の各々において、サンプリング対象の信号を第1信号から第N信号へサンプリング間隔毎に順番に変更しながら、サンプリング対象の信号の信号値をサンプリングする。推定値を算出するステップは、第1〜第N信号の各々について、第1サンプリング時間帯における第1サンプリング時刻および第1サンプリング時刻における第1信号値と、第2サンプリング時間帯における第2サンプリング時刻および第2サンプリング時刻における第2信号値と、第2サンプリング時間帯に含まれる特定時刻とから導かれる、第1信号値および第2信号値の少なくとも一方に関する一次式によって、特定時刻における推定値を算出する。回転体の回転角を算出するステップは、第1〜第N信号の各々の特定時刻における推定値を用いて回転体の回転角を算出する。
本発明に係る回転角制御装置は、記憶部と、演算部とを備える。演算部は、回転体に取り付けられた回転角センサから、位相が互いに異なる第1〜第N信号(Nは2以上の自然数)を受けて回転体の回転角を算出する。演算部は、連続する第1および第2サンプリング時間帯の各々において、サンプリング対象の信号を第1信号から第N信号へサンプリング間隔毎に順番に変更しながら、サンプリング対象の信号の信号値をサンプリングして記憶部に信号値を保存する。演算部は、第1〜第N信号の各々について、第1サンプリング時間帯における第1サンプリング時刻および第1サンプリング時刻における第1信号値と、第2サンプリング時間帯における第2サンプリング時刻および第2サンプリング時刻における第2信号値と、第2サンプリング時間帯に含まれる特定時刻とから導かれる、第1信号値および第2信号値の少なくとも一方に関する一次式によって、特定時刻における推定値を算出する。演算部は、第1〜第N信号の各々の特定時刻における推定値を用いて回転体の回転角を算出する。
本発明に係る回転角算出方法および回転角制御装置によれば、第1信号値および第2信号値に関する一次式によって特定時刻における推定値を算出するため、回転角センサからの複数の信号を用いて回転体の回転角を算出する回路構成の製造コストを抑制しながら、当該回転角の精度を向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
図1は、実施の形態に係るモータ駆動装置1の構成を示す機能ブロック図である。図1に示されるように、モータ駆動装置1は、回転角制御装置10と、制御電源21と、駆動回路22と、インターフェイス回路23と、センサインターフェイス回路24とを備える。回転角制御装置10は、CPU(Central Processing Unit)11(演算部)と、メモリ12(記憶部)とを含む。
制御電源21は、直流電源2から直流電力を受けて演算部11に電力を供給する。駆動回路22は、直流電源2から直流電力を受けて駆動する。駆動回路22は、複数のスイッチング素子を含む。駆動回路22は、回転角制御装置10からの信号を受けて複数のスイッチング素子を動作させて、モータ3(回転体)に駆動電流を供給する。
回転角センサ4は、モータ3に取り付けられている。回転角センサ4は、モータ3の回転位置に応じて、位相が互いに異なる信号Sg1〜Sg4をセンサインターフェイス回路24に出力する。信号Sg1〜Sg4の各々は、正弦波信号である。
センサインターフェイス回路24は、信号Sg1〜Sg4をCPU11が受け取り可能な形式に変換してCPU11に出力する。インターフェイス回路23は、外部回路5からの指示信号をCPU11が受け取り可能な形式に変換してCPU11に出力する。外部回路5からの指示信号は、たとえば回転指令、停止指令、回転方向、あるいは目標位置に関する情報を含む。外部回路5は、たとえばECU(Engine Control Unit)を含む。インターフェイス回路23には、ソフトウェアから指示信号が入力されてもよい。
CPU11は、マルチプレクサ111と、サンプルホールド回路112と、AD変換器113とを有する。マルチプレクサ111は、共通端子Ecと、端子E1〜E4とを含む。端子E1〜E4には、信号Sg1〜Sg4がそれぞれ入力される。マルチプレクサ111は、共通端子Ecの接続先を、端子E1〜E4の間で切り替える。
共通端子Ecおよび端子E1が接続されている場合、共通端子Ecからサンプルホールド回路112に信号Sg1が出力され、信号Sg1がサンプリングされる。共通端子Ecおよび端子E2が接続されている場合、共通端子Ecからサンプルホールド回路112に信号Sg2が出力され、信号Sg2がサンプリングされる。共通端子Ecおよび端子E3が接続されている場合、共通端子Ecからサンプルホールド回路112に信号Sg3が出力され、信号Sg3がサンプリングされる。共通端子Ecおよび端子E4が接続されている場合、共通端子Ecからサンプルホールド回路112に信号Sg4が出力され、信号Sg4がサンプリングされる。
サンプルホールド回路112は、マルチプレクサ111からの信号の電圧値を一定時間保持する。AD変換器113は、サンプルホールド回路112によって保持されている電圧値をデジタル信号に変換する。
CPU11は、AD変換器113から出力されるデジタル信号値をメモリ12に保存するとともに、当該デジタル信号値を用いてモータ3の回転角を算出する。CPU11は、外部回路5からの指示信号およびモータ3の回転角に基づいてモータ3の制御信号を駆動回路22に出力する。
モータ3の回転角を正確に算出するためには、図2に示されるようにサンプリング時刻t1において信号Sg1〜Sg4に対して同時にサンプリングされることが望ましい。しかし、マルチプレクサ111のスイッチングには時間を要するため、サンプリング時刻t1において信号Sg1〜Sg4に対して同時にサンプリングすることはできない。サンプリング対象の信号は信号Sg1からSg4へサンプリング間隔毎に順番に変更されながら、サンプリング対象の信号の信号値がサンプリングされる。その結果、図3に示されるように、信号Sg1〜Sg4に対するサンプリング時刻にはずれが生じる。
モータが停止状態(モータ3の回転速度が基準速度より小さい状態)である場合、信号Sg1〜Sg4の各々の周期との関係では、サンプリング間隔Isは無視することができる程度に小さい。そのため、図4に示されるように、信号Sg1のサンプリング時刻t11における信号Sg2〜Sg4の各々の信号値と、回転角の算出に用いられる当該信号のサンプリング時刻における信号値との差は比較的小さい。すなわち、サンプリング時刻t11における信号Sg2の信号値と信号Sg2のサンプリング時刻t12における信号値との差d2、サンプリング時刻t11における信号Sg3の信号値と信号Sg3のサンプリング時刻t13における信号値との差d3、サンプリング時刻t11における信号Sg4の信号値と信号Sg4のサンプリング時刻t14における信号値との差d4は、比較的小さい。モータが停止状態である場合、信号Sg1〜Sg4に対するサンプリング時刻のずれに起因するモータ3の回転角の誤差は比較的小さい。
モータ3の回転速度が上昇するにつれて、信号Sg1〜Sg4の各々の周期が短くなる。そのため、図5に示されるように、信号Sg1のサンプリング時刻t21における信号Sg2〜Sg4の各々の信号値と、回転角の算出に用いられる当該信号のサンプリング時刻における信号値との差はモータ3が停止状態である場合よりも大きくなる。すなわち、サンプリング時刻t21における信号Sg2の信号値と信号Sg2のサンプリング時刻t22における信号値との差d12、サンプリング時刻t21における信号Sg3の信号値と信号Sg3のサンプリング時刻t23における信号値との差d13、サンプリング時刻t21における信号Sg4の信号値と信号Sg4のサンプリング時刻t24における信号値との差d14は、モータ3が停止状態である場合よりも大きい。モータ3の回転速度が上昇するにつれて、信号Sg1〜Sg4に対するサンプリング時刻のずれに起因するモータ3の回転角の誤差が大きくなる。
そこで、回転角制御装置10においては、信号Sg1〜Sg4の各々について、前回のサンプリング時間帯(第1サンプリング時間帯)における第1サンプリング時刻および第1サンプリング時刻における第1信号値と、今回のサンプリング時間帯(第2サンプリング時間帯)における第2サンプリング時刻および第2サンプリング時刻における第2信号値と、今回のサンプリング時間帯に含まれる信号Sg1のサンプリング時刻(特定時刻)とから導かれる、第1信号値および第2信号値に関する一次式によって、今回のサンプリング時間帯に含まれる信号Sg1のサンプリング時刻における第3信号値を推定する。
回転角制御装置10によれば、第1信号値および第2信号値に関する一次式によって今回のサンプリング時間帯に含まれる信号Sg1のサンプリング時刻における第3信号値を推定することにより、信号Sg1のサンプリング時刻における信号Sg2〜Sg4の各々の信号値とモータ3の回転角の算出に用いられる値との誤差が抑制される。そのため、1つのAD変換器によってモータ3の回転角を高精度に算出することができる。すなわち、回転角制御装置10によれば、回転角センサ4からの複数の信号を用いてモータ3の回転角を算出する回路構成の製造コストを抑制しながら、当該回転角の精度を向上させることができる。
図6は、図1の回転角制御装置10によって行なわれる回転角の算出処理の一例を説明するための信号Sg1〜Sg4のタイムチャートである。図6には、時刻と電圧(信号値の物理量)とによって点が指定される座標平面が示されている。
図6に示されるように、サンプリング時間帯Ts1(第1サンプリング時間帯)およびサンプリング時間帯Ts2(第2サンプリング時間帯)は、この順に連続している。サンプリング時間帯Ts1における信号Sg1〜Sg4のサンプリング時刻は、それぞれ時刻t31〜t34である。サンプリング時間帯Ts2における信号Sg1〜Sg4のサンプリング時刻は、それぞれ時刻t35〜t38である。
1つのサンプリング時間帯は、当該サンプリング時間帯における信号Sg1のサンプリング時刻から、次のサンプリング時間帯の信号Sg1のサンプリング時刻までの時間帯である。すなわち、1つのサンプリング時間帯の長さは、サンプリング間隔Isに回転角センサ4からの信号数(実施の形態においては4)を乗じた長さである。
サンプリング時間帯Ts1における信号Sg1〜Sg4のサンプリング値は、それぞれ信号値Vs11〜Vs14である。サンプリング時間帯Ts2における信号Sg1〜Sg4のサンプリング値は、それぞれ信号値Vs21〜Vs24である。
点P11(第1点)の座標は、時刻t31(第1サンプリング時刻)および信号値Vs11(第1信号値)である。点P12(第1点)の座標は、時刻t32(第1サンプリング時刻)および信号値Vs12(第1信号値)である。点P13(第1点)の座標は、時刻t33(第1サンプリング時刻)および信号値Vs13(第1信号値)である。点P14(第1点)の座標は、時刻t34(第1サンプリング時刻)および信号値Vs14(第1信号値)である。
点P21(第2点)の座標は、時刻t35(第2サンプリング時刻)および信号値Vs21(第2信号値)である。点P22(第2点)の座標は、時刻t36(第2サンプリング時刻)および信号値Vs22(第2信号値)である。点P23(第2点)の座標は、時刻t37(第2サンプリング時刻)および信号値Vs23(第2信号値)である。点P24(第2点)の座標は、時刻t38(第2サンプリング時刻)および信号値Vs24(第2信号値)である。
サンプリング時刻t35(特定時刻)における信号Sg1〜Sg4の推定値Vc21〜Vc24は、以下の式(1)〜(4)のようにそれぞれ表される。
推定値Vc21は、信号値Vs21に等しい。推定値Vc22は、信号値Vs12およびVs22に関する一次式として表される。推定値Vc22は、点P12と点P22とを両端とする線分を3対1に内分する内分点P32の電圧である。推定値Vc23は、信号値Vs13およびVs23に関する一次式によって表される。推定値Vc23は、点P13と点P23とを両端とする線分を1対1に内分する内分点P33の電圧である。推定値Vc24は、信号値Vs14およびVs24に関する一次式によって表される。推定値Vc24は、点P14と点P24とを両端とする線分を1対3に内分する内分点P34の電圧である。CPU11は、推定値Vc21〜Vc24を用いて、今回のサンプリング時間帯Ts2に含まれるサンプリング時刻t35におけるモータ3の回転角を算出する。
図7は、サンプリング時間帯毎にCPU11によって行なわれる回転角計算処理の流れを示すフローチャートである。図7に示される処理は、モータ3の統合的な制御を行なう不図示のメインルーチンから呼び出される。
図7に示されるように、CPU11は、S101においてサンプリング対象の信号を信号Sg1〜Sg4へサンプリング間隔Is毎に順番に変更しながら、サンプリング対象の信号の信号値をサンプリングしてメモリ12に保存し、処理をS102に進める。
CPU11は、S102において、前回および今回のサンプリング時間帯の信号Sg1〜Sg4各々の信号値を式(1)〜(4)に代入して、今回のサンプリング時間帯の信号Sg1のサンプリング時刻における信号Sg1〜Sg4各々の推定値を算出し、処理をS103に進める。
CPU11は、S103において今回のサンプリング時間帯の信号Sg1のサンプリング時刻における信号Sg1〜Sg4各々の推定値を用いてモータ3の回転角を算出し、処理をメインルーチンに返す。
実施の形態においては、信号Sg1〜Sg4各々について、今回のサンプリング時間帯の信号Sg1のサンプリング時刻における推定値を算出する場合について説明した。推定値を算出する時刻は、今回のサンプリング時間帯の時刻であればどの時刻でもよい。たとえば、図8に示されるように、今回のサンプリング時間帯の信号Sg4のサンプリング時刻t38における推定値を算出することも可能である。サンプリング時刻t38における信号Sg1〜Sg4の推定値Vc25〜Vc28は、以下の式(5)〜(8)のようにそれぞれ表される。
推定値Vc25は、信号値Vs11およびVs21に関する一次式として表される。推定値Vc25は、点P11と点P21とを両端とする線分を7対3に外分する外分点P41の電圧である。推定値Vc26は、信号値Vs12およびVs22に関する一次式として表される。推定値Vc26は、点P12と点P22とを両端とする線分を3対1に外分する外分点P42の電圧である。推定値Vc27は、信号値Vs13およびVs23に関する一次式として表される。推定値Vc27は、点P13と点P23とを両端とする線分を5対1に外分する外分点P43の電圧である。推定値Vc28は、信号値Vs24に等しい。CPU11は、推定値Vc25〜Vc28を用いて、今回のサンプリング時間帯Ts2に含まれるサンプリング時刻t38におけるモータ3の回転角を算出する。
以上、実施の形態に係る回転角算出方法および回転角制御装置によれば、回転角センサからの複数の信号を用いて回転体の回転角を算出する回路構成の製造コストを抑制しながら、当該回転角の精度を向上させることができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 モータ駆動装置、2 直流電源、3 モータ、4 回転角センサ、5 外部回路、10 回転角制御装置、11 演算部、12 メモリ、21 制御電源、22 駆動回路、23 インターフェイス回路、24 センサインターフェイス回路、111 マルチプレクサ、112 サンプルホールド回路、113 AD変換器、E1〜E4 端子、Ec 共通端子。
Claims (10)
- 回転体に取り付けられた回転角センサから、位相が互いに異なる第1〜第N信号(Nは2以上の自然数)を受けて前記回転体の回転角を算出する回転角算出方法であって、
連続する第1および第2サンプリング時間帯の各々において、サンプリング対象の信号を前記第1信号から前記第N信号へサンプリング間隔毎に順番に変更しながら、前記サンプリング対象の信号の信号値をサンプリングするステップと、
前記第1〜第N信号の各々について、前記第1サンプリング時間帯における第1サンプリング時刻および前記第1サンプリング時刻における第1信号値と、前記第2サンプリング時間帯における第2サンプリング時刻および前記第2サンプリング時刻における第2信号値と、前記第2サンプリング時間帯に含まれる特定時刻とから導かれる、前記第1信号値および前記第2信号値の少なくとも一方に関する一次式によって、前記特定時刻における推定値を算出するステップと、
前記第1〜第N信号の各々の前記特定時刻における推定値を用いて前記回転角を算出するステップとを含む、回転角算出方法。 - 時刻と信号値の物理量とによって点が指定される座標平面において、前記推定値は、前記第1サンプリング時刻および前記第1信号値によって指定される第1点と、前記第2サンプリング時刻および前記第2信号値によって指定される第2点とを通過する直線上の点の前記物理量である、請求項1に記載の回転角算出方法。
- 前記特定時刻は、前記第1信号の第2サンプリング時刻であり、
前記推定値は、前記第1点と前記第2点とを両端とする線分の内分点の前記物理量である、請求項2に記載の回転角算出方法。 - 前記特定時刻は、前記第N信号の第2サンプリング時刻であり、
前記推定値は、前記第1点と前記第2点とを両端とする線分の外分点の前記物理量である、請求項2に記載の回転角算出方法。 - 前記第1〜第N信号の各々は、正弦波信号である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の回転角算出方法。
- 記憶部と、
回転体に取り付けられた回転角センサから、位相が互いに異なる第1〜第N信号(Nは2以上の自然数)を受けて前記回転体の回転角を算出する演算部とを備え、
前記演算部は、
連続する第1および第2サンプリング時間帯の各々において、サンプリング対象の信号を前記第1信号から前記第N信号へサンプリング間隔毎に順番に変更しながら、前記サンプリング対象の信号の信号値をサンプリングして前記記憶部に前記信号値を保存し、
前記第1〜第N信号の各々について、前記第1サンプリング時間帯における第1サンプリング時刻および前記第1サンプリング時刻における第1信号値と、前記第2サンプリング時間帯における第2サンプリング時刻および前記第2サンプリング時刻における第2信号値と、前記第2サンプリング時間帯に含まれる特定時刻とから導かれる、前記第1信号値および前記第2信号値の少なくとも一方に関する一次式によって、前記特定時刻における推定値を算出し、
前記第1〜第N信号の各々の前記特定時刻における推定値を用いて前記回転角を算出する、回転角制御装置。 - 時刻と信号値の物理量とによって点が指定される座標平面において、前記推定値は、前記第1サンプリング時刻および前記第1信号値によって指定される第1点と、前記第2サンプリング時刻および前記第2信号値によって指定される第2点とを通過する直線上の点の前記物理量である、請求項6に記載の回転角制御装置。
- 前記特定時刻は、前記第1信号の第2サンプリング時刻であり、
前記推定値は、前記第1点と前記第2点とを両端とする線分の内分点の前記物理量である、請求項7に記載の回転角制御装置。 - 前記特定時刻は、前記第N信号の第2サンプリング時刻であり、
前記推定値は、前記第1点と前記第2点とを両端とする線分の外分点の前記物理量である、請求項7に記載の回転角制御装置。 - 前記第1〜第N信号の各々は、正弦波信号である、請求項6〜9のいずれか1項に記載の回転角制御装置。
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