JP2023176443A - 制御装置、制御システム及び二次抵抗推定方法 - Google Patents

制御装置、制御システム及び二次抵抗推定方法 Download PDF

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Abstract

【課題】二次抵抗の推定値を容易に更新すること。【解決手段】誘導電動機を駆動するインバータを制御する制御装置であって、前記誘導電動機の二次抵抗を使用する第1演算方法を用いて、前記誘導電動機の励磁電流により前記誘導電動機に発生する第1磁束を演算する第1演算部と、前記誘導電動機の二次抵抗を使用しない第2演算方法を用いて、前記励磁電流により前記誘導電動機に発生する第2磁束を演算する第2演算部と、前記二次抵抗の更新に、前記第1演算部により演算された前記第1磁束及び前記第2演算部により演算された前記第2磁束を使用する二次抵抗推定部と、を備える、制御装置。【選択図】図2

Description

本開示は、制御装置、制御システム及び二次抵抗推定方法に関する。
従来、誘導電動機の始動直前に直流励磁の状態にして、交流信号発生回路の出力の微小振幅の交流信号を電流指令値に重畳させることで直流励磁の電流を変化させ、このときに二次抵抗演算回路で誘導電動機の二次抵抗を演算する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開平9-331700号公報
しかしながら、従来技術は、二次抵抗の推定のために特殊な電流を流すので、実用途において、二次抵抗の推定値を適切に更新することが難しい。
本開示は、二次抵抗の推定値を容易に更新可能なことを課題とする。
本開示の一態様として、
誘導電動機を駆動するインバータを制御する制御装置であって、
前記誘導電動機の二次抵抗を使用する第1演算方法を用いて、前記誘導電動機の励磁電流により前記誘導電動機に発生する第1磁束を演算する第1演算部と、
前記誘導電動機の二次抵抗を使用しない第2演算方法を用いて、前記励磁電流により前記誘導電動機に発生する第2磁束を演算する第2演算部と、
前記二次抵抗の更新に、前記第1演算部により演算された前記第1磁束及び前記第2演算部により演算された前記第2磁束を使用する二次抵抗推定部と、を備える、制御装置が提供される。
本開示の一態様によれば、二次抵抗の推定値を容易に更新できる。
一実施形態の制御システムの構成例を示す図である。 二次抵抗推定器の構成例を示す図である。 誘導電動機の等価回路を示す図である。 二次抵抗の推定方法の第1例を説明するためのタイミングチャートである。 二次抵抗の推定方法の第2例を説明するためのタイミングチャートである。
以下、本開示に係る実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、一実施形態の制御システムの構成例を示す図である。図1に示す制御システム100は、インバータ1によってモータ200を制御するシステムの一例である。制御システム100は、例えば、レール上を走行する鉄道車両に搭載される電動機制御システムであり、誘導電動機の一例であるモータ200を制御する。制御システム100は、鉄道車両に搭載される場合、直流の架線から集電装置及びLCフィルタを介して給電されるインバータ1によって、鉄道車両の車輪を回転させるモータ200を駆動する。集電装置は、例えば、鉄道車両の上面に搭載されたパンタグラフである。なお、インバータ1によって駆動されるモータ200の台数は、一つに限られず、複数でもよい。図1は、二つのモータIM1,IM2を例示する。
制御システム100は、インバータ1及び制御装置30を備える。
インバータ1は、スイッチング動作により直流を交流に変換し、モータ200に供給する交流電力を生成する。インバータ1は、例えば、VVVF(可変電圧可変周波数)方式のPWM(パルス幅変調)インバータである。インバータ1は、制御装置30から供給されるPWM指令に従ってスイッチングする複数のスイッチング素子を備え、それらの複数のスイッチング素子のスイッチングによって、直流を交流に変換する。
制御装置30は、不図示の外部電源から供給される直流を入力としてモータ200を駆動するインバータ1を制御する。制御装置30は、不図示の指令装置から供給されるトルク指令値τと、電流検出器2による電流検出値とに基づいて、モータ200を駆動するインバータ1を制御する。モータ200は、例えば、三相の誘導電動機である。
なお、図1は、モータ200のロータの角周波数ωを検出する速度・位置センサなしでベクトル制御を行う形式を示すが、本開示の技術は、速度・位置センサ付きのベクトル制御で行う形式にも適用できる。速度・位置センサ付きのベクトル制御の場合、制御装置30は、例えば、速度・位置センサにより検出された角周波数ωを速度検出値ωとして取得する。
電流検出器2は、インバータ1から出力される交流の電流(一次電流)を検出する。一次電流とは、モータ200のステータコイルに流れる電流であり、相電流ともいう。この例では、電流検出器2は、モータ200に流れる三相の相電流の電流値を検出し、検出した各相の電流値を表す相電流検出値i,i,iを制御装置30に出力する。
制御装置30は、三相/二相変換器4、速度推定器7、磁束オブザーバ9、すべり周波数演算部12、加算器11、積分器10、磁束制御部14、トルク電流指令値演算部15、磁束電流調節部16、トルク電流調節部17、二相/三相変換器18及び二次抵抗推定器20を備える。
制御装置30は、例えば、メモリとプロセッサ(例えば、CPU(Central Processing Unit))を有し、制御装置30の各機能は、メモリに記憶されたプログラムによって、プロセッサが動作することにより実現される。制御装置30の各機能は、FPGA(Field Programmable Gate Array)又はASIC(Application Specific Integrated Circuit)によって実現されてもよい。
三相/二相変換器4は、電流検出器2により検出された三相の一次電流(相電流)を、d軸とq軸で定義される回転座標系の成分で表された励磁電流検出値i及びトルク電流検出値iに変換する。d軸は、モータ200の磁束の方向に伸びる軸である。q軸は、d軸に直交する軸である。励磁電流検出値iは、速度推定器7、磁束オブザーバ9、磁束電流調節部16及び二次抵抗推定器20に入力されるd軸電流である。トルク電流検出値iは、速度推定器7、磁束オブザーバ9、トルク電流調節部17及び二次抵抗推定器20に入力されるq軸電流である。
磁束オブザーバ9は、モータ200に発生する磁束φを推定し、その推定値である磁束演算値φを出力する。磁束φの推定方法は、公知の方法でよい。磁束オブザーバ9は、例えば、二次抵抗推定値R^、励磁電流検出値i、トルク電流検出値i、磁化電圧指令値v 及びトルク電圧指令値v を用いて、磁束φの推定値である磁束演算値φを導出する。
速度推定器7は、モータ200のロータの角周波数ωを推定し、その推定値を速度検出値ωとして出力する。角周波数は、角速度とも称される。角周波数ωの推定方法は、公知の方法でよい。速度推定器7は、例えば、磁束演算値φ、二次抵抗推定値R^、励磁電流検出値i、トルク電流検出値i、磁化電圧指令値v 及びトルク電圧指令値v を用いて、角速度ωの推定値(検出値)である速度検出値ωを導出する。角周波数ωの推定値の初期値は、推定速度初期値設定部8により設定される。
すべり周波数演算部12は、モータ200のすべり周波数ωを演算する。すべり周波数ωの演算方法は、公知の方法でよい。すべり周波数演算部12は、例えば、二次抵抗推定値R^、トルク電流指令値τ及び磁束指令値φ を用いて、すべり周波数ωを導出する。
加算器11は、すべり周波数ωと速度検出値ωとの和である一次周波数ωを出力する。
積分器10は、加算器11から入力される一次周波数ωを積分することで、モータ200のロータの回転角θを導出する。回転角は、位相角とも称される。回転角θは、三相/二相変換器4における電流のベクトル演算、及び、二相/三相変換器18における電圧のベクトル演算に用いられる。
磁束制御部14は、磁束指令値φ と磁束演算値φとの偏差が零になるようにPI制御を行うことによって、励磁電流指令値i を生成する。
トルク電流指令値演算部15は、トルク指令値τに基づいて、トルク電流指令値i を生成する。
磁束電流調節部16は、励磁電流指令値i と励磁電流検出値iとの偏差が零になるようにPI制御を行うことによって、一次電圧指令値のd軸成分である磁化電圧指令値v を生成する。
トルク電流調節部17は、トルク電流指令値i とトルク電流検出値iとの偏差が零になるようにPI制御を行うことによって、一次電圧指令値のq軸成分であるトルク電圧指令値v を生成する。
二相/三相変換器18は、一次電圧指令値(磁化電圧指令値v とトルク電圧指令値v )を、PWM指令である三相の駆動パルスに変換してインバータ1に出力する。インバータ1は、PWM指令に従って動作する。
二次抵抗推定器20は、モータ200の二次抵抗Rを推定し、その推定値である二次抵抗推定値R^を出力する。二次抵抗推定器20は、励磁電流指令値i 、一次周波数ω、トルク電圧指令値v 、励磁電流検出値i及びトルク電流検出値iを用いて、二次抵抗Rの推定値である二次抵抗推定値R^を導出する。
二次抵抗推定器20は、二次抵抗推定値R^を用いてモータ200の内部温度を推定し、その推定値である温度推定値T^を導出してもよい。
図2は、二次抵抗推定器の構成例を示す図である。図2に示す二次抵抗推定器20は、図3に示すような等価回路で表現される誘導電動機の二次抵抗Rを推定する。図3において、Rは一次抵抗、Rは二次抵抗、Sはすべり、lは一次側漏れインダクタンス、lは二次側漏れインダクタンス、Lは励磁インダクタンスを表す。
図2において、*のついている文字は、指令値またはパラメータ設定値を表す。^の付いている文字は、推定値を表す。Rは一次抵抗、Rは二次抵抗、φdrは磁束、v dsはd軸電圧指令、v qsはq軸電圧指令、idsはd軸電流、iqsはq軸電流、T^はモータ内部温度、ωは一次周波数、L1(=l+L)は一次インダクタンス、L2(=l+L)は二次インダクタンス、Lは励磁インダクタンス、σは漏れ係数、sはラプラス演算子を表す。
二次抵抗推定器20は、磁束指令演算部21,磁束推定器22、二次抵抗推定部23及び温度推定器24を有する。
磁束指令演算部21は、モータ200の二次抵抗Rを使用する第1演算方法を用いて、モータ200の励磁電流によりモータ200に発生する第1磁束φ drを演算する第1演算部の一例である。第1演算方法を用いることにより、二次抵抗Rの影響が考慮された演算結果である第1磁束φ drが得られる。
図2に示す例では、磁束指令演算部21は、二次抵抗推定値R^を使用して定義される演算式1を用いて、モータ200の励磁電流(d軸電流ids)の入力によりモータ200に発生する第1磁束φ drを演算する。二次抵抗推定値R^は、二次抵抗推定部23による推定処理により得られる値である。第1磁束φ drの初回の演算時は、二次抵抗推定値R^の予め決められた初期値が使用される。
図2に示す演算式1は、ラプラス演算子sで規定される伝達関数を表す。d軸電流idsが演算式1(伝達関数)に入力されることで第1磁束φ drが出力される。演算式1(伝達関数)から出力される第1磁束φ drは、d軸電流idsの入力に対してモータ200に発生する磁束φの予想される応答を表す。d軸電流idsには、例えば、励磁電流指令値i が入力される。なお、二次抵抗Rを使用する第1演算方法は、図2に示す演算式1とは異なる演算式を利用してもよい。
磁束推定器22は、モータ200の二次抵抗Rを使用しない第2演算方法を用いて、モータ200の励磁電流によりモータ200に発生する第2磁束φ^drを演算する第2演算部の一例である。第2演算方法を用いることにより、二次抵抗Rの影響が考慮されない演算結果である第2磁束φ^drが得られる。
図2に示す例では、磁束推定器22は、二次抵抗Rを使用せずに定義される演算式2を用いて、モータ200の励磁電流(d軸電流ids)の入力によりモータ200に発生する第2磁束φ^drを演算する。
図2に示す演算式1は、誘導電動機の電圧方程式を表す。d軸電流idsが演算式2に入力されることで第2磁束φ^drが出力される。演算式2から出力される第2磁束φ^drは、d軸電流idsの入力に対してモータ200に発生する磁束φの実際の応答を表す。d軸電流idsには、例えば、励磁電流指令値i が入力される。なお、二次抵抗Rを使用しない第2演算方法は、図2に示す演算式2とは異なる演算式を利用してもよい。
二次抵抗推定部23は、磁束指令演算部21により演算された第1磁束φ drと磁束推定器22により演算された第2磁束φ^drとを用いて、二次抵抗Rを推定し、その推定値である二次抵抗推定値R^を出力する。第1磁束φ drは、二次抵抗Rを考慮した演算方法で演算された磁束指令値であり、第2磁束φ^drは、二次抵抗Rを考慮しない演算方法で演算された磁束推定値である。したがって、第1磁束φ drと第2磁束φ^drとが相違する場合、二次抵抗Rの設定値が異なっていると言える。二次抵抗推定部23は、この点に着目し、磁束指令演算部21により演算された第1磁束φ drと磁束推定器22により演算された第2磁束φ^drとの違いに基づいて、二次抵抗Rを推定する。
次に、第1磁束φ drと第2磁束φ^drとを用いて二次抵抗Rを推定する方法の具体例について説明する。
図4は、二次抵抗の推定方法の第1例を説明するためのタイミングチャートである。図4は、インバータ1に対する運転指令を表すノッチのオン/オフにより鉄道車両用のモータ200を制御する場合を例示する。
トルク指令値τを生成する指令装置は、ノッチのオフ信号が入力されると(インバータ1の停止指令が入力されると)、トルク指令値τを零まで漸減させる(例えば、ジャークで絞る)。磁束制御部14は、トルク指令値τが零になった直後に、励磁電流指令値i を正値から負値に設定変更することで、磁束φを急速に減衰させる(逆フォーシング)。
二次抵抗Rは、モータ200の温度上昇により変化している。二次抵抗Rが変化すると、モータ200の二次時定数τ(=L/R)も変化するので、二次抵抗Rの変化は、磁束φの応答に反映される。二次抵抗Rが増加した場合、磁束φの応答は速くなり、二次抵抗Rが減少した場合、磁束φの応答は遅くなる。
したがって、第1演算方法で使用する二次抵抗R^(=二次抵抗Rの設定値R )が実値と異なっていると、二次抵抗Rを考慮した第1演算方法で演算された第1磁束φ drと二次抵抗Rを考慮しない第2演算方法で演算された第2磁束φ^drは、相違する。つまり、図4に示すように、励磁電流の変化により第1磁束φ drに生じる変化と励磁電流の変化により第2磁束φ^drに生ずる変化との間に差が生ずる。二次抵抗推定部23は、この差に基づいて、二次抵抗Rを推定する。
例えば、二次抵抗推定部23は、励磁電流の変化により第1磁束φ drが所定値φthまで変化する第1時間tと励磁電流の変化により第2磁束φ^drが所定値φthまで変化する第2時間tとの時間差Δtに基づいて、二次抵抗Rを推定する。図4は、所定値φthが零の場合を例示するが、所定の正値でもよい。
第1演算方法で使用された二次抵抗Rを設定値R とすると、
^=R ×(t/t) ・・・式3
という関係が成立する。(t/t)は、第1時間tと第2時間tとの比を表す。
したがって、二次抵抗推定部23は、式3の右辺に各値を代入することで、二次抵抗推定値R^を演算でき、設定値R を新たに演算された二次抵抗推定値R^に更新できる。
二次抵抗推定部23は、第1磁束φ drと第2磁束φ^drとの差の積分値DAを用いて、二次抵抗Rを推定してもよい。積分値DAは、二次抵抗Rと相関するので、二次抵抗推定部23は、積分値DAに所定の相関係数を乗算することで、二次抵抗推定値R^を演算できる。
二次抵抗推定部23は、第1磁束φ drの積分値と第2磁束φ^drの積分値との差DBを用いて、二次抵抗Rを推定してもよい。積分値の差DBは、二次抵抗Rと相関するので、二次抵抗推定部23は、積分値の差DBに所定の相関係数を乗算することで、二次抵抗推定値R^を演算できる。
制御装置30は、例えば、二次抵抗推定部23により得られた二次抵抗推定値R^を次回の運転条件(モータ定数)として反映する。制御装置30は、例えば、トルク指令τが零になってから所定の期間内に二次抵抗推定値R^を反映する場合には、モータ200の熱時定数を用いて、次回の運転条件(モータ定数)として反映する二次抵抗推定値R^を補正する。
図5は、二次抵抗の推定方法の第2例を説明するためのタイミングチャートである。図5に示すように、二次抵抗の推定は、ノッチのオフをトリガーとする場合に限られない。二次抵抗推定部23は、例えば、モータ200の運転中に磁束φが二次時定数τよりも十分早く変化したときを利用して、二次抵抗を推定してもよい。推定方法は、図4の場合と同様でよい。
図2において、温度推定部24は、二次抵抗推定値R^を用いて、モータ200の内部温度を推定し、その推定値である温度推定値T^を導出する。二次抵抗Rとモータ200の内部温度Tは、相関関係がある。温度推定部24は、例えば、
^=(R^/R )×(α+T)-α
に基づいて、温度推定値T^を導出する。R は、温度Tにおける二次抵抗Rを、R^は、温度T^における二次抵抗Rの推定値を表す。
制御装置30は、モータ200の内部温度の上昇が温度推定部24により推定されると、モータ200を保護する動作を行う。これにより、モータ200の故障等を防ぐことができる。
以上、実施形態を説明したが、本開示の技術は上記の実施形態に限定されない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が可能である。
また、本開示の技術は、鉄道車両用のモータを駆動するインバータを制御する制御装置に限られず、鉄道車両用以外のモータを駆動するインバータを制御する制御装置にも適用できる。
1 インバータ
20 二次抵抗推定器
30 制御装置
100 制御システム
200 モータ

Claims (13)

  1. 誘導電動機を駆動するインバータを制御する制御装置であって、
    前記誘導電動機の二次抵抗を使用する第1演算方法を用いて、前記誘導電動機の励磁電流により前記誘導電動機に発生する第1磁束を演算する第1演算部と、
    前記誘導電動機の二次抵抗を使用しない第2演算方法を用いて、前記励磁電流により前記誘導電動機に発生する第2磁束を演算する第2演算部と、
    前記二次抵抗の更新に、前記第1演算部により演算された前記第1磁束及び前記第2演算部により演算された前記第2磁束を使用する二次抵抗推定部と、を備える、制御装置。
  2. 前記二次抵抗推定部は、前記第1演算部により演算された前記第1磁束と前記第2演算部により演算された前記第2磁束との違いに基づいて、前記二次抵抗を推定する、請求項1に記載の制御装置。
  3. 前記違いは、前記励磁電流の変化により前記第1磁束に生じる変化と前記励磁電流の変化により前記第2磁束に生ずる変化との差である、請求項2に記載の制御装置。
  4. 前記差は、前記励磁電流の変化により前記第1磁束が所定値まで変化する第1時間と前記励磁電流の変化により前記第2磁束が前記所定値まで変化する第2時間との時間差である、請求項3に記載の制御装置。
  5. 前記二次抵抗推定部は、前記第1時間と前記第2時間との比を用いて、前記二次抵抗を推定する、請求項4に記載の制御装置。
  6. 前記二次抵抗推定部は、前記第1演算方法で使用された前記二次抵抗に前記比を乗算することで、前記二次抵抗を推定する、請求項5に記載の制御装置。
  7. 前記二次抵抗推定部は、前記第1磁束と前記第2磁束との差の積分値、又は、前記第1磁束の積分値と前記第2磁束の積分値との差を用いて、前記二次抵抗を推定する、請求項3に記載の制御装置。
  8. 前記違いは、前記誘導電動機に発生する磁束を前記励磁電流の変化により減衰させるときの違いである、請求項2から7のいずれか一項に記載の制御装置。
  9. 前記二次抵抗の推定値を用いて、前記誘導電動機の内部温度を推定する温度推定部を備える、請求項2から7のいずれか一項に記載の制御装置。
  10. 前記内部温度の上昇が前記温度推定部により推定されると、前記誘導電動機を保護する、請求項9に記載の制御装置。
  11. 前記誘導電動機は、鉄道車両用の交流電動機である、請求項1から7のいずれか一項に記載の制御装置。
  12. 請求項1から7のいずれか一項に記載の制御装置と、前記インバータと、を備える、制御システム。
  13. 誘導電動機の二次抵抗を推定する二次抵抗推定方法であって、
    前記誘導電動機を駆動するインバータを制御する制御装置は、前記誘導電動機の二次抵抗を使用する第1演算方法を用いて、前記誘導電動機の励磁電流により前記誘導電動機に発生する第1磁束を演算し、
    前記制御装置は、前記誘導電動機の二次抵抗を使用しない第2演算方法を用いて、前記励磁電流により前記誘導電動機に発生する第2磁束を演算し、
    前記制御装置は、前記二次抵抗の更新に、前記第1磁束の演算値及び前記第2磁束の演算値を使用する、二次抵抗推定方法。
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