JP2021013261A - モータ制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】位置の検出誤差を低減可能なモータ制御装置を提供する。【解決手段】モータ電流の中からリップル成分を抽出し、それに同期するパルス信号を出力するリップル検出器と、駆動要求信号(RQ)に応じて複数のスイッチング素子を制御することで直流モータを駆動するモータ駆動制御部と、を有する。モータ駆動制御部は、リップル検出器からのパルス信号(RP)の数に基づいて、直流モータの制御対象物の位置を更新する位置検出部と、駆動要求信号(RQ)を受けた時点と直流モータの駆動を開始する時点との間に設けられる駆動前処理期間(T1〜T5)において、スイッチング(H1,L1,H2,L2)を含む駆動前処理を行う駆動前処理部とを備える。駆動前処理部は、駆動前処理期間の間、位置検出部が制御対象物の位置を更新しないように制御するための制御信号(EN)を出力する。【選択図】図3

Description

本発明は、直流モータを駆動制御するモータ制御装置に関する。
特許文献1には、モータの回転位置及び回転速度を、センサを設けることなく検出可能なモータ駆動装置が示される。具体的には、当該モータ駆動装置は、モータの端子電圧およびモータ電流を検出し、これらの検出結果に基づいてモータの動作により発生するリップルパルスを検出し、当該リップルパルスに基づいてモータの回転位置および回転速度を算出する。
特開平6−311773号公報
例えば、直流モータの回転位置および回転速度を検出する方式として、特許文献1に示されるようなリップルセンシング方式が知られている。すなわち、直流モータでは、ロータの回転に伴いブラシと整流子の接触が切り替わることに起因して、モータ電流の中に電気角に応じて周期的に変化するリップル成分が含まれる。そこで、リップル検出器を用いて当該リップル成分を検出することで、ホールIC等のセンサを用いることなくモータの回転位置および回転速度を検出可能になる。
一方、直流モータに対する電力供給は、例えば、Hブリッジ回路等のスイッチング回路を介して行われる。ここで、システムによっては、直流モータを実際に駆動する前に、例えば、当該スイッチング回路内のスイッチング素子をオン・オフすることで、スイッチング素子の故障診断等を行う場合がある。この場合、リップル検出器は、このスイッチング素子のオン・オフに伴う電流変化または電圧変化を、リップル成分として誤検出する恐れがあった。そして、このような誤検出に伴い、位置の検出誤差が増大する恐れがあった。
本発明は、このようなことに鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、位置の検出誤差を低減可能なモータ制御装置を提供することにある。
本発明のモータ制御装置は、直流モータに接続されるモータ端子と、前記モータ端子と高電位側電源および低電位側電源との間にそれぞれ接続される複数のスイッチング素子を含み、前記複数のスイッチング素子のスイッチングによって前記モータ端子を介して前記直流モータに所定の電力を供給するスイッチング回路と、前記直流モータに流れるモータ電流を検出する電流センサと、前記電流センサによって検出された前記モータ電流の中からリップル成分を抽出し、前記リップル成分に同期するパルス信号を出力するリップル検出器と、駆動要求信号に応じて前記スイッチング回路内の前記複数のスイッチング素子を制御することで前記直流モータを駆動するモータ駆動制御部と、を有し、前記モータ駆動制御部は、前記リップル検出器からの前記パルス信号の数に基づいて、前記直流モータによって制御される対象物の位置を更新する位置検出部と、前記駆動要求信号を受けた時点と前記直流モータの駆動を開始する時点との間に設けられる駆動前処理期間において、前記複数のスイッチング素子の少なくともいずれか一つのスイッチングを含む駆動前処理を行う駆動前処理部と、を備え、前記駆動前処理部は、前記駆動前処理期間の間、前記位置検出部が前記対象物の位置を更新しないように制御するための制御信号を出力する。
本発明の他の態様では、前記駆動前処理部は、前記複数のスイッチング素子の故障の有無を診断する故障診断部を有する。
本発明の他の態様では、前記駆動前処理部は、前記モータ端子を初期電位に設定するプリチャージ部を有する。
本発明の他の態様では、前記スイッチング回路は、Hブリッジ回路である。
本発明の他の態様では、前記直流モータによって制御される前記対象物は、前記駆動要求信号に応じて、全閉位置と全開位置との間の任意の位置に移動可能な開閉体である。
本発明によれば、モータ制御装置において、位置の検出誤差が低減可能になる。
(a)は、本発明の一実施の形態によるモータ制御装置周りの主要部の構成例を示す概略図であり、(b)は、(a)におけるリップル検出器の模式的な動作例を示す波形図である。 図1(a)のモータ制御装置を適用した車両用開閉体装置の主要部の構成例を示す概略図である。 図1(a)における駆動前処理部の処理内容の一例を示すシーケンス図である。 図1(a)のモータ制御装置の概略的な動作例を示すフロー図である。
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
《モータ制御装置の構成》
図1(a)は、本発明の一実施の形態によるモータ制御装置周りの主要部の構成例を示す概略図であり、図1(b)は、図1(a)におけるリップル検出器の模式的な動作例を示す波形図である。図1(a)には、モータ制御装置であるコントローラ(ECU)10と、当該コントローラ(ECU)10によって制御される直流モータMTとが示される。直流モータMTは、ブラシおよび整流子を含んだブラシ付直流モータであり、コントローラ(ECU)10のモータ端子Pm1,Pm2に接続される。コントローラ(ECU)10は、例えば、制御基板等によって構成され、制御基板上に実装されるマイクロコントローラ(MCU)15、プリドライバ16、スイッチング回路17および電流センサ(例えば電流検出用抵抗)Rsを有する。
スイッチング回路17は、例えば、複数(ここでは4個)のスイッチング素子SWh1,SWl1,SWh2,SWl2を含むHブリッジ回路である。スイッチング素子SWh1およびスイッチング素子SWl1は、モータ端子Pm1と、高電位側電源VDDおよび低電位側電源GNDとの間にそれぞれ接続される。スイッチング素子SWh2およびスイッチング素子SWl2は、モータ端子Pm2と高電位側電源VDDおよび低電位側電源GNDとの間にそれぞれ接続される。スイッチング回路17は、複数のスイッチング素子SWh1,SWl1,SWh2,SWl2のスイッチングによってモータ端子Pm1,Pm2を介して直流モータMTに所定の電力を供給する。
電流センサ(電流検出用抵抗)Rsは、この例では、スイッチング回路17における低電位側電源GNDの電源ライン上に挿入され、スイッチング回路17を介して直流モータMTに流れるモータ電流Imを検出する。ただし、電流センサRsは、低電位側電源GNDの電源ライン上に限らず、高電位側電源VDDの電源ライン上に設置することや、直流モータMTの接続ライン上に(すなわち直流モータMTに直列接続される形で)設置することも可能である。また、電流センサRsは、電流検出用抵抗に限らず、カレントトランス等であってもよい。
マイクロコントローラ(MCU)15は、モータ駆動制御部20と、リップル検出器21とを有する。リップル検出器21は、電流センサRsによって検出されたモータ電流Imの中からリップル成分を抽出し、当該リップル成分に同期するリップルパルス信号RPを出力する。リップル検出器21は、概略的には、例えば、電流検出部25、フィルタ処理部26およびリップルパルス生成部27等を含む。
電流検出部25は、電流センサRsによって検出されたモータ電流Im(詳細にはモータ電流Imに比例する電圧)を、所定のサンプリング周期でディジタル値となる検出電流値Idetに変換する。当該検出電流値Idetには、図1(b)に示されるように、直流モータMTの回転に同期して変化する(例えば、電気角60°周期で変化する)リップル成分40に加えて、ノイズ成分(高周波ノイズ等)41が含まれる。フィルタ処理部26は、検出電流値Idetの中からノイズ成分41を除去する。リップルパルス生成部27は、フィルタ処理部26の出力信号をパルス信号に変換することで、リップル成分40に同期するリップルパルス信号RPを出力する。なお、リップル検出器21の検出方式は、例えば、特許文献1の方式を代表に様々な方式が知られており、そのいずれを用いてもよい。
モータ駆動制御部20は、外部からの駆動要求信号RQに応じてスイッチング回路17内の複数のスイッチング素子SWh1,SWl1,SWh2,SWl2を制御することで直流モータMTを駆動する。具体的には、モータ駆動制御部20は、例えば、駆動前処理部30と、位置検出部31と、デューティ比算出部32と、PWM(Pulse Width Modulation)信号生成部33とを備える。
位置検出部31は、例えば、カウンタであり、リップル検出器21からのリップルパルス信号RPの数(例えば、エッジの発生数)に基づいて、直流モータMTによって制御される対象物の位置を更新する。駆動前処理部30は、例えば、故障診断部35およびプリチャージ部36等を含む。駆動前処理部30は、詳細は後述するが、駆動要求信号RQを受けた時点と直流モータMTの駆動を開始する時点との間に設けられる駆動前処理期間において、複数のスイッチング素子SWh1,SWl1,SWh2,SWl2の少なくともいずれか一つのスイッチングを含む駆動前処理を行う。
デューティ比算出部32は、位置検出部31によって検出される対象物の位置に応じたPWMデューティ比を算出する。具体例として、デューティ比算出部32は、対象物の位置と直流モータMTの目標回転速度との関係を定めた速度マップ等を備え、直流モータMTの実回転速度が当該速度マップに従うようにPI(比例・積分)制御等を用いてPWMデューティ比を算出する。なお、直流モータMTの実回転速度は、例えば、リップルパルス信号RPの周波数に基づいて検出可能である。
PWM信号生成部33は、デューティ比算出部32からのPWMデューティ比に基づいてPWM信号を生成する。そして、PWM信号生成部33は、当該生成したPWM信号を用いて、プリドライバ16を介してスイッチング回路17内の各スイッチング素子SWh1,SWl1,SWh2,SWl2をPWM制御することで、モータ端子Pm1,Pm2間の実効的な駆動電圧、ひいては、モータ電流Imの大きさを制御する。
なお、ここでは、モータ駆動制御部20およびリップル検出器21は、マイクロコントローラ(MCU)15に実装されたが、これに限らず、一部または全てがFPGA(Field Programmable Gate Array)や専用のハードウエア(ASIC(Application Specific Integrated Circuit))等で構成されてもよい。すなわち、モータ駆動制御部20およびリップル検出器21は、CPU(Central Processing Unit)によるプログラム処理や、専用のハードウエアによるハードウエア処理や、または、その組み合わせで構成されればよい。
《モータ制御装置の適用例》
図2は、図1(a)のモータ制御装置を適用した車両用開閉体装置の主要部の構成例を示す概略図である。図2には、車両用開閉体装置の一例として、自動車等の車両に設けられるパワーウインドウ装置が示される。ただし、図1(a)のモータ制御装置は、パワーウインドウ装置に限らず、サンルーフ装置や、場合によってはパワースライドドア装置等に適用されてもよい。さらに、図1(a)のモータ制御装置は、車両用開閉体に限らず、直流モータMTによって制御される様々なシステムに対して適用可能である。
図2には、直流モータMTと、図1(a)のモータ制御装置に該当するコントローラ(ECU)10と、ウインドウ45と、直流モータMTの回転動作をウインドウ45の開閉動作に変換する開閉駆動ユニットとが示される。開閉駆動ユニットには、直流モータMTの回転を減速するギアGRと、ギアGRに連結されるドラム49と、ウインドウ45を支持するキャリアプレート47と、キャリアプレート47の上下運動をガイドするガイドレール46と、キャリアプレート47に接続されドラム49によって巻かれる駆動ケーブル48とが含まれる。
コントローラ(ECU)10は、直流モータMTの近くに設置されるか、または、直流モータMTと同一の筐体内に設置されてもよい。コントローラ(ECU)10は、例えば、車両のサイドドアに設置されたスイッチ等からの駆動要求信号RQに応じて、直流モータMTを回転駆動することで、対象物となるウインドウ(開閉体)45を全閉位置と全開位置との間の任意の位置に移動させる。直流モータMTが回転すると、所定の減速比でドラム49も回転する。ドラム49は、直流モータMTの回転方向に応じて、キャリアプレート47を上昇させる方向、または下降させる方向に駆動ケーブル48を巻き取る。その結果、ウインドウ45は、閉方向、または開方向に移動する。
この際に、図1(a)の位置検出部31は、例えば、ウインドウ(開閉体)45が全閉位置に達した場合を基準位置(例えば、カウンタ値=リセット値)として、ウインドウ45の基準位置に対する相対的な開閉位置を検出する。そして、モータ駆動制御部20は、この開閉位置に基づいて、前述した開閉速度の制御や、または、挟み込み検知の有効/無効の切り替え等を行う。したがって、開閉速度の適切な制御を行うためや、または、挟み込みの誤検知等を防止するためには、位置検出部31による位置の検出誤差を低減することが望まれる。
《駆動前処理部の詳細》
図3は、図1(a)における駆動前処理部の処理内容の一例を示すシーケンス図である。図3には、図1(a)に示した各スイッチング素子SWh1,SWl1,SWh2,SWl2に対するスイッチング信号H1,L1,H2,L2と、リップルパルス信号RPとが示される。駆動前処理部30は、前述したように、駆動要求信号RQを受けた時点(tr)と、PWM制御を用いて直流モータMTの駆動を開始する時点(ts)との間に設けられる駆動前処理期間T1〜T5において、複数のスイッチング素子の少なくともいずれか一つのスイッチングを含む駆動前処理を行う。
駆動前処理期間T1〜T5には、例えば、故障診断部35による故障診断期間T1〜T3、および/またはプリチャージ部36によるプリチャージ期間T4,T5が含まれる。故障診断部35は、複数のスイッチング素子SWh1,SWl1,SWh2,SWl2の故障の有無を診断する。この例では、故障診断部35は、期間T1において、PWM信号生成部33を介してスイッチング信号L1,L2をオンレベルに駆動することで、ロウサイドのスイッチング素子SWl1,SWl2をオンに制御する。ここで、仮に、ハイサイドのスイッチング素子SWh1,SWh2の少なくとも一方にショート故障が存在する場合、大きな貫通電流が電流センサRsに流れるため、これによって故障が検出される。
同様に、故障診断部35は、期間T3において、PWM信号生成部33を介してスイッチング信号H1,H2をオンレベルに駆動することで、ハイサイドのスイッチング素子SWh1,SWh2をオンに制御する。仮に、ロウサイドのスイッチング素子SWl1,SWl2の少なくとも一方にショート故障が存在する場合、大きな貫通電流が電流センサRsに流れるため、これによって故障が検出される。
ここで、モータ駆動制御部20は、故障診断部35によって故障が検出された場合、期間T7における直流モータMTの駆動を行わない。なお、故障診断の方式は、これに限らず、例えば、ハイサイドのスイッチング素子SWh1とロウサイドのスイッチング素子SWl1を極短時間オンに制御して、オープン故障を検出する等、様々な方式が考えられる。いずれも方式を用いた場合でも、少なくとも、複数のスイッチング素子SWh1,SWl1,SWh2,SWl2の少なくともいずれか一つのスイッチングが行われる。
プリチャージ部36は、期間T5において、PWM信号生成部33を介してスイッチング信号L1,L2をオンレベルに駆動することで、ロウサイドのスイッチング素子SWl1,SWl2をオンに制御する。これにより、プリチャージ部36は、モータ端子Pm1,Pm2を初期電位(ここでは低電位側電源GNDの電位)に設定する。その後は、期間T6において、ロウサイドのスイッチング素子SWl2のオンが維持され、続いて、期間T7において、スイッチング信号H1によってスイッチング素子SWh1がPWM制御されることで直流モータMTの駆動が行われる。
ここで、駆動前処理期間T1〜T5では、図3の誤検知箇所42に示されるように、故障診断またはプリチャージに伴うスイッチング素子のスイッチングによってリップルパルス信号RPが生成される場合がある。具体的には、各スイッチング素子(例えば、パワーMOSFET等)SWh1,SWl1,SWh2,SWl2には、ゲート・ソース間、ゲート・ドレイン間等に大きな寄生容量が存在している。このようなスイッチング素子をスイッチングすると、例えば、容量結合または容量の充放電に伴う電圧変化・電流変化によって、電流センサRsに瞬時的な電流が流れる場合がある。リプル検出器21は、電流センサRsに流れる電流の変化を検出するように構成されるため、このような瞬時的な電流に応じてリップルパルスRPを生成し得る。
この駆動前処理期間T1〜T5では、直流モータMTの駆動(ひいては、対象物の移動)は行われないため、当該リップルパルス信号RPに応じて位置検出部31が対象物の位置を更新すると、位置検出誤差が生じる。特に、図2において、例えば、ウインドウ45が開閉途中の位置で駆動要求信号RQに応じて複数回開閉されたような場合、その都度、駆動前処理期間T1〜T5に伴う位置検出誤差が蓄積され、大きな位置検出誤差に繋がる恐れがある。
そこで、駆動前処理部30は、図1(a)および図3に示されるように、駆動前処理期間T1〜T5の間、位置検出部31が対象物の位置を更新しないように制御するための制御信号(イネーブル信号EN)を出力する。すなわち、駆動前処理部30は、駆動前処理期間T1〜T5では、イネーブル信号ENをネゲートレベルに制御し、これに応じて、位置検出部31は、対象物の位置を更新しない。一方、駆動前処理部30は、期間T6以降では、イネーブル信号ENをアサートレベルに制御し、これに応じて、位置検出部31は、リップルパルス信号RPに基づいて対象物の位置を更新する。
なお、この例では、駆動前処理部30は、位置検出部31の動作(例えば、カウンタのカウント動作)を直接的に禁止したが、その代わりに、例えば、リップル検出器21からのリップルパルス信号RPの出力を禁止すること等によって、位置検出部31の動作を間接的に禁止してもよい。
《モータ制御装置の概略動作》
図4は、図1(a)のモータ制御装置の概略的な動作例を示すフロー図である。図4において、モータ駆動制御部20は、駆動要求信号RQを待ち受け(ステップS101)、駆動要求信号RQを受信した場合には駆動前処理を実行する(ステップS102)。駆動前処理(ステップS102)において、駆動前処理部30は、まず、イネーブル信号ENのネゲートによって位置検出部31における位置更新動作を禁止する(ステップS102−1)。続いて、故障診断部35は、スイッチング素子の故障診断を行い、故障の有無を判定する(ステップS102−2,S102−3)。
ステップS102−3で故障有りの場合、故障診断部35は、エラー出力を行って処理を終了する(ステップS102−6)。一方、ステップS102−3で故障無しの場合、プリチャージ部36は、プリチャージを行う(ステップS102−4)。プリチャージが行われた後、駆動前処理部30は、イネーブル信号ENのアサートによって位置検出部31における位置更新動作を許可し、駆動前処理(ステップS102)を終了する(ステップS102−5)。その後、モータ駆動制御部20は、リップル検出器21からのリップルパルス信号RPに基づいて、PWM信号を用いてスイッチング回路17を制御することで、直流モータMTを実際に駆動する(ステップS103)。
《実施の形態の主要な効果》
以上、実施の形態のモータ制御装置を用いることで、直流モータMTを駆動する前の駆動前処理期間で生じ得る位置更新動作を禁止できるため、位置の検出誤差を低減可能になる。その結果、対象物(開閉体等)の高精度な制御(例えば速度制御等)が可能になり、また、各種保護機能(例えば挟み込み検知機能)の誤検知等を防止できる。
本発明は上記実施の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で種々変更可能であることは言うまでもない。その他、上記各実施の形態における各構成要素の材質,形状,寸法,数,設置箇所等は、本発明を達成できるものであれば任意であり、上記各実施の形態に限定されない。
10 コントローラ(ECU)
15 マイクロコントローラ(MCU)
16 プリドライバ
17 スイッチング回路
20 モータ駆動制御部
21 リップル検出器
25 電流検出部
26 フィルタ処理部
27 リップルパルス生成部
30 駆動前処理部
31 位置検出部
32 デューティ比算出部
33 PWM信号生成部
35 故障診断部
36 プリチャージ部
40 リップル成分
41 ノイズ成分
42 誤検知箇所
45 ウインドウ
46 ガイドレール
47 キャリアプレート
48 駆動ケーブル
49 ドラム
EN イネーブル信号
GND 低電位側電源
GR ギア
H1,H2,L1,L2 スイッチング信号
Idet 検出電流値
Im モータ電流
MT 直流モータ
Pm1,Pm2 モータ端子
RP リップルパルス信号
RQ 駆動要求信号
Rs 電流センサ
SWh1,SWh2,SWl1,SWl2 スイッチング素子
VDD 高電位側電源

Claims (5)

  1. 直流モータに接続されるモータ端子と、
    前記モータ端子と高電位側電源および低電位側電源との間にそれぞれ接続される複数のスイッチング素子を含み、前記複数のスイッチング素子のスイッチングによって前記モータ端子を介して前記直流モータに所定の電力を供給するスイッチング回路と、
    前記直流モータに流れるモータ電流を検出する電流センサと、
    前記電流センサによって検出された前記モータ電流の中からリップル成分を抽出し、前記リップル成分に同期するパルス信号を出力するリップル検出器と、
    駆動要求信号に応じて前記スイッチング回路内の前記複数のスイッチング素子を制御することで前記直流モータを駆動するモータ駆動制御部と、
    を有するモータ制御装置であって、
    前記モータ駆動制御部は、
    前記リップル検出器からの前記パルス信号の数に基づいて、前記直流モータによって制御される対象物の位置を更新する位置検出部と、
    前記駆動要求信号を受けた時点と前記直流モータの駆動を開始する時点との間に設けられる駆動前処理期間において、前記複数のスイッチング素子の少なくともいずれか一つのスイッチングを含む駆動前処理を行う駆動前処理部と、
    を備え、
    前記駆動前処理部は、前記駆動前処理期間の間、前記位置検出部が前記対象物の位置を更新しないように制御するための制御信号を出力する、
    モータ制御装置。
  2. 前記駆動前処理部は、前記複数のスイッチング素子の故障の有無を診断する故障診断部を有する、請求項1に記載のモータ制御装置。
  3. 前記駆動前処理部は、前記モータ端子を初期電位に設定するプリチャージ部を有する、請求項1に記載のモータ制御装置。
  4. 前記スイッチング回路は、Hブリッジ回路である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のモータ制御装置。
  5. 前記直流モータによって制御される前記対象物は、前記駆動要求信号に応じて、全閉位置と全開位置との間の任意の位置に移動可能な開閉体である、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のモータ制御装置。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113236059A (zh) * 2021-06-11 2021-08-10 安徽英泰曼特电子有限公司 一种天窗电机控制系统及其检测方法

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