JP3663917B2 - 洗濯機の制御装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ回路によりモータを駆動させる洗濯機の制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、家庭用の洗濯機は、インバータ装置によりモータの周波数を変えてモータの回転数を大幅に変えることにより、洗浄性能、あるいは脱水性能を向上させるものが提案されている。
【0003】
従来、この種の洗濯機は、特開平10−15278号公報に示すように構成されていた。すなわち、ブラシレスモータにより撹拌体および回転槽をダイレクトドライブし、モータからの騒音を減らすために、正弦波駆動して回転性能を確保するようにしていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の構成では、モータの正弦波駆動により静騒音となる特徴があるが、制御が複雑となる問題を有していた。また、撹拌体および回転槽をダイレクトドライブした場合には回転数制御範囲を大きくとる必要があり、このとき、ブートストラップによる上アームスイッチング手段の駆動回路の電源を確保できなくなる問題があった。
【0005】
本発明は上記従来課題を解決するもので、起動時、あるいは低速回転起動時のブートストラップによる充電不足を防いで低速回転制御を可能とし、かつ上下交互PWM制御により静騒音化できるようにすることを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路によりモータを駆動して洗濯槽を駆動し、インバータ回路を制御回路により制御する。制御回路は、モータ回転駆動前にインバータ回路を構成するパワースイッチング手段の下アームスイッチング手段を断続通電してブートストラップによる充電動作を行い、モータ回転開始時に、インバータ回路を構成するパワースイッチング手段の上アームスイッチング手段のみPWM制御してブートストラップによる充電動作を行い、モータの回転子の位置を検出する回転子位置検出手段によりモータの回転数を検知し、その検知したモータの回転数が所定値に達した時、上アームスイッチング手段と下アームスイッチング手段の上下交互PWM制御を行うよう構成したものである。
【0007】
これにより、起動時、あるいは低速回転起動時のブートストラップによる充電不足を防いで、低速回転制御が可能となり、かつ、上下交互PWM制御により静騒音化できる。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項1に記載の発明は、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、洗濯槽の底部に配設して洗濯槽を駆動し前記インバータ回路により駆動されるモータと、前記インバータ回路を制御する制御回路と、前記モータの回転子の位置を検出する回転子位置検出手段とを備え、前記制御回路は、前記モータ回転駆動前に前記インバータ回路を構成するパワースイッチング手段の下アームスイッチング手段を断続通電して、ブートストラップによる充電動作を行い、前記モータ回転開始時に、前記インバータ回路を構成するパワースイッチング手段の上アームスイッチング手段のみPWM制御してブートストラップによる充電動作を行い、前記回転子位置検出手段により前記モータの回転数を検知し、その検知した前記モータの回転数が所定値に達した時、前記上アームスイッチング手段と前記下アームスイッチング手段の上下交互PWM制御に切り換えるように構成したものであり、低速回転起動時のブートストラップ電圧を確保でき、モータの低速回転制御が可能となり、回転起動してから上下交互PWM制御に切り換えるので、静騒音で洗濯槽、あるいは撹拌翼を駆動することができるとともに、モータの回転数を検知して上アームスイッチング手段のPWM制御から、上下アームスイッチング手段を交互にPWM制御するよう切り換えるので、ブートストラップ動作を確実にすると同時に、パワースイッチング手段のスイッチングストレスを減らすことができ、アーム切り換え時のモータ騒音を減らすことができる。
【0009】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【0010】
(実施例1)
図1に示すように、直流電源1は、交流電源2を整流回路3により直流電圧に変換して構成し、インバータ回路4により、直流電力を交流電力に変換してモータ5に交流電力を加える。インバータ回路4は、チョークコイル40と、入力コンデンサ41とパワースイッチング手段42とで構成している。
【0011】
パワースイッチング手段42は、トランジスタと逆並列接続したダイオードよりなるスイッチング素子を6個用いて3相ブリッジ回路を構成し、3相交流電流をモータ5に加えている。パワースイッチング手段42は、直流電源1のプラス側に共通接続された上アームスイッチング手段42aと、直流電源1のマイナス側に共通接続された下アームスイッチング手段42bより構成している。インバータ回路4は、制御回路6により位置検出手段7の信号に応じてパワースイッチング手段42の導通を制御することにより3相交流電力を発生させる。
【0012】
制御回路6は、マイクロコンピュータを制御の中枢として3相交流を発生させ、モータ5の正逆転あるいは回転数を制御する回転制御回路60と、回転制御回路60の出力信号によりパワースイッチング手段42の一定周期内のオンオフデューティを制御するPWM制御回路61と、回転制御回路60の出力信号とPWM制御回路61の出力信号により、パワースイッチング手段42の上アームスイッチング手段42aと下アームスイッチング手段42bを交互にPWM制御する交互PWM制御回路62と、交互PWM制御回路62の出力信号によりパワースイッチング手段42を駆動する駆動回路63と、パワースイッチング手段42のオンオフスイッチングにより駆動回路63の直流電源を充電するブートストラップ回路64とで構成している。
【0013】
駆動回路63は、上アームスイッチング手段42aのU相、V相、W相各スイッチング素子を駆動する駆動回路63a、63b、63cと下アームスイッチング手段42bを駆動する駆動回路63dより構成され、ブートストラップ回路64は駆動回路63a、63b、63cの直流電源を充電する。
【0014】
モータ5は、図2に示すように、筐体8に吊り棒9を介して受水槽10を設置し、受水槽10内に洗濯槽11を設け、洗濯槽11の底部に配設した撹拌翼12または洗濯槽11を駆動するものである。通常の洗い撹拌時には撹拌翼12を駆動し、脱水運転時には洗濯槽11を回転駆動する。また、給水しながらすすぎを行う給水すすぎ行程では、給水しながら洗濯槽11を低速回転させる。また、循環洗いの一手段として洗濯槽11を回転させながら洗濯する場合も洗濯槽11を低速回転させる。
【0015】
モータ5は、回転子50と固定子51より構成し、回転子50の固定子側表面には永久磁石52を接着している。永久磁石52の位置検出のために位置検知手段7をモータ5の内部に配置し、固定子51からの磁力と永久磁石52の磁力により回転運動が継続するように、位置検出手段7の出力信号に応じてインバータ回路4のパワースイッチング手段42の導通を制御する。
【0016】
撹拌翼12を回転駆動する場合には、モータ5の軸13は、遊星歯車による減速機構14に接続し、減速機構14の出力軸15は撹拌翼12に接続されており、モータ5の回転子50の回転数を減速してトルクコンバータとしているので、モータ5の最大出力トルクを減らすことができ、モータ5を小型化できる。脱水運転のように、洗濯槽11のみ回転駆動する場合には、クラッチ機構により(図示せず)減速機構14は介さず、モータ5と洗濯槽11が直結される。
【0017】
このとき、洗濯槽11が直結されており、遠心力により洗濯水を循環させて洗浄する場合、または給水すすぎする場合には、低速で回転制御する必要があり、ブートストラップ動作が不安定となり、上アームスイッチング手段42aの駆動回路64の直流電源電圧不足となる課題があり、本発明は低速回転制御の課題を解決するものである。
【0018】
図3は、交互PWM制御回路62の一実施例で、回転制御回路60の出力信号U、V、W、X、Y、Z、SとPWM制御回路61の出力信号pwmにより、パワースイッチング手段42の導通制御するものである。信号Sは、上アームスイッチング手段42a、または下アームスイッチング手段42bでPWM制御するかを選択する交互PWM選択信号で、ハイにセットすると上アームスイッチング手段42aがPWM制御され、ローにセットすると下アームスイッチング手段42bがPWM制御される。
【0019】
ANDゲート620aは上アームスイッチング手段42aのパルス幅変調を行い、ANDゲート620bは下アームスイッチング手段42bのパルス幅変調を行う。パルス幅変調の切り換え制御は、NANDゲート621、622と、反転回路623、624で行う。
【0020】
NANDゲート621の出力信号は、論理式で表すと、(pwm)OR(NOT S)なので、信号Sがハイならば、PWM信号がそのまま出力される。また、信号Sがローならば、出力はハイとなる。同様に、NANDゲート622の出力信号は、(pwm)OR(S)となり、信号Sがハイならばハイとなり、信号Sがローならばpwmが出力される。
【0021】
よって、信号SがハイならばANDゲート620aの出力信号Up、Vp、Wpは、U、V、Wがパルス幅変調されることとなる。信号Sがローならば、ANDゲート620bにより下アームスイッチング手段42bがパルス幅変調される。信号Sをハイかローに切り換えることにより、上下交互PWM制御できる。
【0022】
図4は、駆動回路63とブートストラップ回路64の接続関係を示し、U相駆動スイッチング手段とU相駆動回路63aの部分的な回路構成例を示す。トランジスタ421aは上アームスイッチング手段42aのU相駆動用IGBTで、駆動回路63aは、電圧駆動素子のトランジスタ421aをオンオフ制御する。トランジスタ421bは、下アームスイッチング手段42bのU相駆動用IGBTで、駆動回路63dによりオンオフ制御される。
【0023】
U相ブートストラップ回路64aは、15V程度の直流電源640と、ダイオード641a、抵抗642a、コンデンサ643aの直列接続体より構成され、コンデンサ643aのマイナス電位側は、駆動回路63aのマイナス電位側に接続され、トランジスタ421aのエミッタ端子に共通接続される。コンデンサ643aのプラス端子は、駆動回路63aの電源プラス端子Vccに接続される。
【0024】
モータ5を回転駆動する直前に、トランジスタ421bをオンオフデューティ50%で断続通電すると、トランジスタ421bのオン期間中、直流電源640よりダイオード641a、抵抗642aを介してコンデンサ643aが初期充電される。断続通電時間は、抵抗642aとコンデンサ643aのCR時定数の4から10倍に設定する。
【0025】
つぎに、モータ5を回転起動させる場合には、上アームスイッチング手段42aをPWM制御する。ブートストラップ回路64の充電動作は、上アームスイッチング手段42aのトランジスタがオフしたとき、モータ5のインダクタンスの蓄積エネルギーが、下アームスイッチング手段42bのダイオードを介して回生電流として流れ、そのとき、ブートストラップコンデンサのマイナス端子はインバータ回路4のマイナスN端子と同電位となり、充電されることとなる。
【0026】
よって、下アームスイッチング手段42bのトランジスタがオンした場合と、上アームスイッチング手段42aがオンオフした時に充電されるので、ブートストラップ動作は最も確実となる。
【0027】
モータ5が回転起動した後、所定時間経過した場合、もしくはモータ回転数が所定値に達した場合、上アームスイッチング手段42aと下アームスイッチング手段42bの交互PWM制御に切り換える。交互PWM制御の場合には、部分的に充電期間が短くなり、上アームのPWMによるブートストラップと比較すると充電電圧が低くなる欠点があるが、回転数が高くなると、ブートストラップコンデンサの放電時間も短くなるので、駆動回路63の電源電圧は充分確保される。
【0028】
図5は、本発明による交互PWM制御のタイミングチャートを示す。H1、H2、H3は回転子位置検出手段7の出力信号で、Sは回転制御回路60から交互PWM制御回路62に加えられる交互PWM選択信号である。この場合には、上アームと下アームを交互に切り換えるために、位置信号H1、H2、H3のイクスクルーシブオア信号をとり、信号Sがハイのとき上アームがPWM制御され、ローのとき下アームがPWM制御される。
【0029】
信号U、V、Wは回転制御回路60から出力される3相回転磁界を発生させる上アーム駆動信号で、信号X、Y、Zは下アーム駆動信号である。このタイミング波形は、回転子位置検出手段7の出力信号H1、H2、H3のビットパターンから決定される。
【0030】
信号Up、Vp、Wp、Un、Vn、Wnは交互PWM制御回路62の出力信号で、図3にて説明したように、パルス幅変調信号を駆動回路63に出力する。パワースイッチング手段42のトランジスタは、矩形波駆動なので120度通電で、デッドタイム制御は不必要であり、前半60度はPWM制御で、後半60度は100%通電としている。
【0031】
上アームまたは下アームのいずれかのトランジスタがPWM制御されており、モータ電流が制御できる。前半60度をPWM制御し、後半60度を100%通電としているので、例えば、上アームU相トランジスタ(Up)が後半60度でトランジスタをオフした時、下アームV相トランジスタ(Vn)はPWM制御から100%通電となり、モータ5のU相コイルに蓄積されたエネルギーは、下アームU相トランジスタの逆並列ダイオードと下アームV相トランジスタを介して回生電流が流れる。
【0032】
この回生電流は、U相コイルのインダクタンスと抵抗の時定数で決まる減衰電流なので、電流変化が緩やかとなり、高調波成分が少なく、モータコイルの振動騒音が減少する特徴がある。さらに、パワースイッチング手段42のそれぞれのトランジスタが均等にPWM制御しているので、トランジスタの損失が均等になる特徴がある。
【0033】
このように、本実施例によれば、モータ回転起動時に上アームスイッチング手段42aによりPWM制御して、低速回転制御時のブートストラップ電圧低下を防ぎ、その後、上アームスイッチング手段42aと下アームスイッチング手段42bの交互PWM制御に切り換えることにより、モータ電流の高調波を減らして騒音低減らすことができ、さらに、上下交互PWM制御によりトランジスタのスイッチング期間を均等にして損失を均等にできる。
【0034】
(実施例2)
図1における制御回路6は、回転子位置検出手段7の出力信号により3相回転信号を生成する回転制御回路60よりPWM制御回路61にPWM制御信号を加えて電流制御を行い、回転制御回路60の出力信号、すなわち3相回転信号と交互PWM選択信号と、PWM制御回路61の出力信号を、交互PWM制御回路62に加え、パルス幅変調信号を生成し、駆動回路63に加えるようにしている。
【0035】
回転起動時、あるいは低速回転時には、上アームスイッチング手段42aのみパルス幅変調するように交互PWM選択信号をハイに設定し、回転子位置検出手段7より検出した回転数が所定値以上になると、交互PWM選択信号をハイ、ロー交互に設定して、上アームスイッチング手段42aと下アームスイッチング手段42bの交互にパルス幅変調させる。他の構成は上記実施例1と同じである。
【0036】
上記構成において図6を参照しながら動作を説明する。図6のフローチャートは、本発明によるモータ5のPWM制御の一実施例である。ステップ600より、モータ制御サブルーチンが開始し、ステップ601にて、下アームスイッチング手段42bを周期的に断続通電し、ステップ602にて数msecまたは数10msec休止期間を設け、ステップ603にてPWM初期値および初期の上アームのみのPWM制御を設定する。
【0037】
ステップ604にて回転子位置検出手段7からの信号で回転子50の位置を検出し、ステップ605にてロータ位置に応じたIGBT駆動信号を演算し、モータ5を回転駆動させる。ステップ606は、モータ5の回転数を検出するもので、回転子位置検出手段7からのパルス信号で回転子50の回転数を検出する。
【0038】
ステップ607は、回転子50の回転数Nが所定回転数Ns以上かどうか判定し、所定回転数Ns以下ならばステップ608に進み上アームスイッチング手段42aのみでPWM制御する。回転数NがNsより大きくなると、ステップ609に進み、上アームスイッチング手段42aと下アームスイッチング手段42bの上下交互PWM制御を行う。
【0039】
ステップ610は、モータ5の回転数制御を行うもので、設定回転数あるいは設定電流からの偏差によりPWM値を演算してモータ5の電流を制御する。ステップ611にて、モータ5の運転時間が経過したかどうか判定し、運転時間が経過すればステップ612にてサブルーチンを終了してメインルーチンに戻り、運転時間が所定時間経過しなければ、ステップ604にジャンプする。
【0040】
図7は、上アームPWM制御から交互PWM制御に切り換わる実施例のタイミングチャートで、モータ駆動開始から、時間t4までは上アームスイッチング手段42aのみでPWM制御し、時間t4以降は交互PWM制御に移行する。図7においては、上アームの駆動信号のパルス数をカウントする実施例で、上アーム各UVW相通電終了後、同期して交互PWM制御に切り換える。
【0041】
上アームUVW相のパルスに同期して切り換えることにより、上アームPWM制御から交互PWM制御への切り換えが滑らかとなり、パワースイッチング半導体42のサージ電流、電圧もほとんど発生しない。
【0042】
図7の実施例は、上アーム駆動信号のパルス数をカウントし、回転子50の回転角度あるいは回転数をカウントした実施例である。モータ回転数が所定回転まで上昇すると、交互PWMに切り換えても、ブートストラップの充電はほぼ問題ない。さらに、充電を確実にするためには、回転周期、あるいは、t4とt3の差の時間等が所定値より小さくなれば交互PWMに切り換える方法が良い。
【0043】
このように本実施例によれば、モータ5の回転駆動初期には上アームのみでPWM制御するので、上アームスイッチング手段42aのPWM制御の断続通電によるブートストラップと、下アームスイッチング手段42bの通電によるブートストラップによりブートストラップ動作が最も確実に行える。さらに、回転子50の回転角度、あるいは回転数をカウントし、かつ、回転に同期して、上アームPWM制御から交互PWM制御に切り換えるので、低速回転制御でのブートストラップが確実になると同時に、騒音を減らし、PWM制御切り換え時のパワースイッチング手段42のストレスを減らすことができる。
【0044】
なお、上記各実施例では、永久磁石を用いたブラシレスモータの実施例を示したが、3相誘導電動機についても同様である。
【0045】
【発明の効果】
以上のように本発明の請求項1に記載の発明によれば、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、洗濯槽の底部に配設して洗濯槽を駆動し前記インバータ回路により駆動されるモータと、前記インバータ回路を制御する制御回路と、前記モータの回転子の位置を検出する回転子位置検出手段とを備え、前記制御回路は、前記モータ回転駆動前に前記インバータ回路を構成するパワースイッチング手段の下アームスイッチング手段を断続通電して、ブートストラップによる充電動作を行い、前記モータ回転開始時に、前記インバータ回路を構成するパワースイッチング手段の上アームスイッチング手段のみPWM制御してブートストラップによる充電動作を行い、前記回転子位置検出手段により前記モータの回転数を検知し、その検知した前記モータの回転数が所定値に達した時、前記上アームスイッチング手段と前記下アームスイッチング手段の上下交互PWM制御に切り換えるように構成したから、回転起動時のブートストラップ動作が確実となり、特に、低速回転制御の起動時におけるブートストラップの充電不足を防ぐことができ、モータの低速回転制御が可能となり、回転起動してから上下交互PWM制御に切り換えるので、静騒音で洗濯槽、あるいは撹拌翼を駆動することができるとともに、ブートストラップ動作を確実にすると同時に、パワースイッチング手段のスイッチングストレスを減らすことができ、アーム切り換え時のモータ騒音を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施例の洗濯機の制御装置のブロック回路図
【図2】 同洗濯機の制御装置を備えた洗濯機の断面図
【図3】 同洗濯機の制御装置の交互PWM制御回路の回路図
【図4】 同洗濯機の制御装置のブートストラップ回路の回路図
【図5】 同洗濯機の制御装置の交互PWM制御のタイミングチャート
【図6】 本発明の第2の実施例の洗濯機の制御装置のモータ制御サブルーチンのフローチャート
【図7】 同洗濯機の制御装置の上アームPWM制御から交互PWM制御に切り換えるタイミングチャート
【符号の説明】
4 インバータ回路
5 モータ
6 制御回路
11 洗濯槽
42 パワースイッチング手段
42a 上アームスイッチング手段
42b 下アームスイッチング手段

Claims (1)

  1. 直流電力を交流電力に変換するインバータ回路と、洗濯槽の底部に配設して洗濯槽を駆動し前記インバータ回路により駆動されるモータと、前記インバータ回路を制御する制御回路と、前記モータの回転子の位置を検出する回転子位置検出手段とを備え、前記制御回路は、前記モータ回転駆動前に前記インバータ回路を構成するパワースイッチング手段の下アームスイッチング手段を断続通電して、ブートストラップによる充電動作を行い、前記モータ回転開始時に、前記インバータ回路を構成するパワースイッチング手段の上アームスイッチング手段のみPWM制御してブートストラップによる充電動作を行い、前記回転子位置検出手段により前記モータの回転数を検知し、その検知した前記モータの回転数が所定値に達した時、前記上アームスイッチング手段と前記下アームスイッチング手段の上下交互PWM制御に切り換えるように構成した洗濯機の制御装置。
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