JP3999226B2 - 電動機制御装置 - Google Patents

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この発明は、電動機制御装置、特に直流電源に接続された三相インバータの交流側端子に接続された電動機の制御装置において、三相インバータを構成するパワー素子のスイッチング制御により、三相インバータの直流側と交流側の電力収受を遮断する電動機制御装置に関するものである。
従来の電動機制御装置、特に電気自動車の電気システムに適用されたものにおいて、直流側と交流側の電力の収受を遮断する場合には、車両駆動用の永久磁石形同期電動機を駆動する電気システムにてインバータと電動機との間に交流側開閉スイッチを、また、バッテリとインバータとの間に直流側開閉スイッチを接続し、インバータの直流側電圧が過電圧になった時、交流側開閉スイッチを開動作させた後、直流側開閉スイッチを開動作させることによって、直流側電圧が必要以上に上昇するのを防止するようにしていた。(例えば特許文献1参照)。
特開平9−46813号公報
従来の電動機制御装置は上記のように構成されているため、インバータを構成している半導体スイッチに加え、新たにインバータと電動機との間に開閉スイッチを設ける必要がある。この開閉スイッチを半導体スイッチによって構成する場合は、スイッチを開閉するための互いに電気的に絶縁されたスイッチング信号生成回路が必要となり、製品のコストが上昇するという問題点があった。
また、開閉スイッチを接点リレーなど機械的なスイッチによって構成した場合は、製品コストの上昇に加えて振動による接点部の誤動作など品質に対する懸念が生じるという問題点があった。すなわち、三相インバータの直流側過電圧を解消するために設けるものであるにもかかわらず、接点部の誤動作によって電動機制御の安定性を損ない、動作不調を誘発する一因となる可能性があった。
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、新たに開閉スイッチを追加することなく、かつ信頼性を損なうことなく、簡単、廉価な構成でありながら三相インバータの直流側と交流側との間の電力収受を遮断することが可能となる電動機制御装置を提供することを目的とする。
この発明に係る電動機制御装置は、上アーム及び下アームを構成するパワー素子を有し、直流電力と交流電力を相互に変換する三相インバータと、上記パワー素子のスイッチングを制御する制御演算装置とを備え、上記三相インバータの交流側端子に接続された三相交流電動機を駆動または制動制御する電動機制御装置において、いずれの位相角においても、上アームのパワー素子を全て開放し、下アームのパワー素子の内二相を短絡、一相を開放すると共に、上記三相交流電動機の回転位相角に基づいて上記二相分の短絡相を順次切り替えることにより、直流側と交流側との電力収受を遮断するものである。
このような構成とすることにより、電動機の端子電圧を所定値(直流低電位側電圧)とするよう三相インバータ内のパワー素子のスイッチングを行って直流側と交流側の電力収受を遮断することができる。
この発明に係る電動機制御装置は上記のように構成されており、三相の電動機制御装置において三相インバータを構成する6個のトランジスタの内、下アームのトランジスタ二相分を短絡、残る4個のトランジスタを開放すると共に、電動機の回転位相角に合わせて短絡相を順次切り替えることにより、直流側と交流側の電力収受を遮断することができる。
このため、直流電圧が増加し破損の懸念があるような場合に、直流側と交流側の電力収受を遮断して更なる直流電圧の増加を抑止し、過電圧による装置の損壊を防止することができる。
また、直流側と交流側との電力収受遮断動作を間欠的に実行することにより、電動機を制動状態で運転している際に交流側から直流側に流入する発電電力の経路を断続的に接合、遮断することが可能となり直流側へ流入する平均電力を調節し、ひいては直流平均電圧を所望値に制御することができる。
さらに、直流電流を検出することで、直流側から交流側に電力が流出しているにもかかわらず、パワー素子のスイッチングや直流側電気回路の共振に起因する直流電圧の一時的な変動を捉えた過電圧防止のための直流側と交流側の電力収受遮断動作の誤実行を抑止することができる。
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1を図にもとづいて説明する。
図1は、実施の形態1によるシステムの全体構成を示すブロック図である。
この図において、直流電源3は三相インバータ5を介して電動機2に接続されている。
動作形態の一例として、三相インバータ5は内部のパワー素子を構成する計6個のトランジスタ8a〜8fによってU相、V相、W相の上アーム及び下アームを構成すると共に、各トランジスタをスイッチングすることにより直流電力と交流電力を相互に変換して電動機2を駆動または制動する。
ここで三相インバータ5内のトランジスタ8a〜8fは、例えば公知のベクトル制御法などの制御演算手法に従い、制御演算装置6の出力するスイッチングタイミング信号に基づいてゲート駆動回路7が発生するゲート駆動信号に応じてOn(短絡)、Off(開放)動作を行うようにされている。なお、三相インバータ5と制御演算装置6とゲート駆動回路7とによって電動機制御装置1が構成されている。また、4は位相角検出器、11aは高電位側電圧検出器、11bは低電位側電圧検出器である。
さらに、別の動作形態の例として、トランジスタ8a〜8fを導通させず、電動機2の制動力による交流発電電力を全てフライホィールダイオード9a〜9fを通じて直流電力に変換する場合がある。これは三相交流に対しダイオードを用いて全波整流動作を行うものである。
この発明は、上記のような電動機2の駆動または制動動作時の三相インバータ5における直流側と交流側の電力の収受を遮断する手法を提供するものである。ここで、具体的な動作の説明に先立ち、この発明の基本となる電力収受遮断の原理について説明する。
電動機2は固定子三相構造としてU、V、W各相巻線から成り立っているものとする。
このとき電気的には、U相はU相電機子抵抗201a、U相電機子インダクタンス202a、U相誘起電圧(eu)203aとから構成されているとみなすことができる。
同様にV相はV相電機子抵抗201b、V相電機子インダクタンス202b、V相誘起電圧(ev)203bとから、W相はW相電機子抵抗201c、W相電機子インダクタンス202c、W相誘起電圧(ew)203cとから構成されているとみなすことができる。
インダクタンスに関しては、各相の自己インダクタンス成分と相間の相互インダクタンス成分とが存在する。U相誘起電圧eu、V相誘起電圧ev、W相誘起電圧ewは次式のように振幅が同じで位相が2π/3ずつ異なる正弦波状であるとする。
Figure 0003999226
ただしΦaは回転子の回転によって固定子(電機子)の巻線に鎖交する磁束数の最大値、ωeは回転子の回転角速度、θはU相電機子巻線を基準位相とした場合の磁束ベクトルの位相角であり、回転子の回転位相を示す。
回転子の回転位相角に対する各相誘起電圧の波形は図2(a)のように図示される。
W相とV相、U相とW相の線間で見た誘起電圧の波形は図2(b)のように図示される。
ここで位相角0゜から360゜は、0ラジアンから2πラジアンに相当する。
線間で見た誘起電圧のプラス側の波形に着目すると、三相の双対性から位相角0゜から120°ではV相、U相間の波形が、位相角120°から240゜ではW相、V相間の波形が、240゜から360゜ではU相、W相問の波形が、それぞれ他の2つより振幅が大きくなる。
次に、電動機2が制動状態で交流側から直流側へ電力が受け渡しされている場合を考える。このとき、電力経路から、電流はU相上側フライホィールダイオード(以下DiUHという)9a、V相上側フライホィールダイオード(以下DiVHという)9c、W相上側フライホィールダイオード(以下DiWHという)9eのいずれかを通過している。これは、それぞれU相端子電位が直流高電位側電圧よりも高くなりDiUHが順バイアスにて導通、V相端子電位が直流高電位側電圧よりも高くなりDiVHが順バイアスにて導通、W相端子電位が直流高電位側電圧よりも高くなりDiWHが順バイアスにて導通している状態である。
ここで、視点を変えるとDiUH9a、DiVH9c、DiWH9e、及び、U相上側トランジスタ(以下TrUHという)8a、V相上側トランジスタ(以下TrVHという)8c、W相上側トランジスタ(以下TrWHという)8eのいずれも導通しなければ交流側から直流側へ電力が受け渡しされず、電力の収受が遮断されることとなる。すなわち、上アームトランジスタを全てOff(開放)し、U相、V相、W相の各相端子電位を直流高電位側電圧よりも低く保持することができれば電力の収受を遮断することが可能となる。
いま、トランジスタ8a〜8fのスイッチングによって上述の電力収受遮断を実現する方法について考える。図3は、6個のトランジスタ8a〜8fのうちU相下側トランジスタ(以下TrULという)8b、V相下側トランジスタ(以下TrVLという)8dのみOn(短絡)し、残りをOff(開放)している状態の電動機2、直流電源3、三相インバータ5の電気回路を示す。
図3の回路状態において、TrUL8bとTrVL8dをOnしていることから、U相端子電圧とV相端子電圧は直流低電位側電圧と等しくなる。このため上アームの内DiUH9aとDiVH9cは逆バイアスとなって導通せず、電流は流れない。
従って、この状態で交流側から直流側へ電力が受け渡しされる上アームの経路はDiWH9eの順バイアスでの導通のみとなる。ここでDiWH9eが順バイアスとなるか否かは、W相端子電圧が(DiWHの導通時の電圧降下を織り込んで)直流高電位側電圧よりも高いか否かによる。すなわち、U相端子電圧とV相端子電圧が直流低電位側電圧と等しいとの条件の下で定まる電動機2の電機子巻線の中性点電圧に、W相巻線の両端電位差が加わって成るW相端子電圧と直流高電位側電圧との大小関係によって直流側と交流側の電力収受が遮断されるかどうか識別することができる。
図3の回路状態からU、V、W各相に流れる電流を三相端子から中性点へ向かう方向を正としてそれぞれiu、iv、iwとすると、直流低電位側電圧を基準としたW相端子電圧Vwnは次式のようになる。
Figure 0003999226
ただしRaは電機子抵抗、Laは電機子自己インダクタンス、Maは電機子相互インダクタンスである。式(2)にてVwnが直流高電位側電圧より大きくなる場合にDiWH9eが順バイアスとなる。このため、式(2)中の−ev+ew、すなわちW相、V相間で見た誘起電圧が低い場合にはDiWH9eは順バイアスとなりづらい。つまり直流側と交流側の電力収受を遮断するためにW相、V相間で見た誘起電圧が低くなる位相においてTrUL8bとTrVL8dをOnすることでW相の端子電圧を低く保ち、DiWH9eが順バイアスとなる状態を回避することが望ましい。
一方W相、V相間で見た誘起電圧が高くなる位相においてはTrVL8dとW相下側トランジスタ(以下TrWLという)8fをOnし、W相端子電圧とV相端子電圧を直流低電位側電圧と等しくなるようにすることが望ましい。
これらを整理すると、三相の双対性から図4に示されるように回転子の位相角に合わせて6個のトランジスタの内、下アームのトランジスタ二相分の短絡相を順次切り替えて、残るトランジスタをOff(開放)することで、直流側と交流側の電力収受を遮断することができる。
図5は、各位相角に対応するトランジスタ8a〜8fのスイッチング状態を図示するものである。すなわち、いずれの位相角においても上側トランジスタを全てOff(開放)、下側トランジスタの内二相分をOn(短絡)、残る一相をOff(開放)すると共に、位相角0゜、120°、240°のタイミングでOn(短絡)する相を切り替えれば良い。
以上の原理に基づくこの発明の動作は次のようになる。
制御演算装置6は演算のための入力情報として直流側電圧信号、及び、角度信号を入力する。まず、位相角検出器4により電動機2の回転子の回転位相角情報が検出され、位相角検出信号Θ_sigとして制御演算装置6に伝達される。
また、高電位側電圧検出器11aにより三相インバータ5の直流高電位側電圧が、低電位側電圧検出器11bにより三相インバータ5の直流低電位側電圧が検出され、それぞれ信号Vdch_sig、Vdcl_sigとして制御演算装置6に伝達される。
図6は、制御演算装置6の詳細な構成を示す構成図である。
この図において、位相角算出器61は位相角検出器4からの位相角検出信号Θ_sigを入力とし、電動機2の回転位相角θを算出する。また、電圧算出器62は電圧検出器11a、11bからの直流高電位側電圧信号Vdch_sigと直流低電位側電圧信号Vdcl_sigを入力とし、三相インバータ5の直流側端子Nの電位を基準とする直流電圧Vdcを算出する。
続いて電圧比較器63は、直流電圧Vdcと切り替えしきい電圧Vdc_thの大小関係を比較し、Vdc>Vdc_thであるか、Vdc≦Vdc_thであるかの識別信号を出力し、スイッチング信号生成器64へ伝達する。スイッチング信号生成器64は回転位相角θ、及び、VdcとVdc_thの大小関係識別信号に基づき、トランジスタ8a〜8fのスイッチングタイミング信号を生成し出力する。スイッチングタイミング信号は三相インバータ5内のゲート駆動回路7へ伝達され、トランジスタ8a〜8fのゲート駆動信号として波形整形され各トランジスタを駆動し、ひいては電動機2を所望の通り駆動、あるいは制動することとなる。
ここで、スイッチング信号生成器64で生成されるスイッチングタイミング信号はVdcとVdc_thの大小関係においてVdc≦Vdc_thならば電動機2を通常通り駆動、あるいは、制動する信号として生成される。Vdc>Vdc_thならば三相インバータ5の直流側と交流側の電力収受を遮断するよう図5に示される形態の信号として生成される。すなわち、位相角θにかかわらず三相各相の上アーム側トランジスタTrUH8a、TrVH8c、TrWH8eをOff(開放)とし、位相角θが0゜から120°の範囲では下アーム側トランジスタの内TrUL8b、TrVL8dをOn(短絡)、TrWL8fをOff(開放)とする。また位相角θが120°から240゜の範囲では下アーム側トランジスタの内TrVL8d、TrWL8fをOn(短絡)、TrUL8bをOff(開放)とし、位相角θが240°から360°の範囲では下アーム側トランジスタの内TrWL8f、TrUL8bをOn(短絡)、TrVL8dをOff(開放)とする。
切り替えしきい電圧Vdc_thは、三相インバータ5の直流側と交流側の電力収受遮断実行、停止の切り替え条件として設定される。すなわち、直流電源3や直流電源3と三相インバータ5の間の電力経路に異常が発生した場合にVdc_thを直流電圧Vdcより低く設定して直流側と交流側の電力収受を遮断するよう動作させることができる。
また、直流電圧が増加し例えば三相インバータ5を構成する平滑コンデンサ10の耐圧を超え破損の懸念があるような場合に、これを防止すべくVdc_thを上記耐圧より低く設定しておき、直流電圧の上昇をVdc_thまでに制限するよう動作させることが可能である。
実施の形態1は以上のように構成されているため、直流側と交流側の電力収受を遮断することができる。三相インバータの直流側電圧が増加している場合に交流側との電力収受を遮断することで、さらなる直流側電圧の増加を抑止し、直流側電圧の過電圧による装置の損壊を防止することができる。
実施の形態2.
次に、この発明の実施の形態2の構成を図にもとづいて説明する。
図7は、実施の形態2によるシステムの全体構成を示すブロック図である。
この図において、図1と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。図1と異なる点は、直流電源3がバッテリであり、電気負荷12を備えている点である。
いま、電動機2を制動状態で制御しているとすると、電動機2による発電電力は直流電源(バッテリ)3と電気負荷12に振り分けられて吸収される。ここで、直流電圧は発電電力、電気負荷の消費電力、バッテリの充電電力のバランスに応じたある値となる。このうち電気負荷12の消費電力は発電電力の大小に制約されず所望の需要に応じたものであり、かつ機器の動作の安定性、保護、ノイズ発生抑制の点から、直流電圧は一定の範囲に変動無く収まることが望まれる。
また、バッテリ3の充電電力はバッテリの残存容量、温度によって変化するものであり、直流電圧を調整することによって間接的に制御可能な量である。以上の点から、発電電力を調整することで電気負荷12の消費電力、バッテリ3の充電電力とのバランスを操作し、直流電圧を所定値へ調整するものである。
図8は、実施の形態2による直流電圧平均値制御の動作説明図で、(a)は交流側と直流側の電力収受を全く遮断している状態から電力収受遮断比率が小さく平均的な直流側流入電力を高く調整している状態へ移行している状況を示し、(b)は交流側と直流側の電力収受を全く遮断している状態から、電力収受遮断比率が大きく平均的な直流側流入電力を低く調整している状態へ移行している状況を示している。
直流電圧は発電電力、電気負荷の消費電力、バッテリの充電電力のバランスに応じたものとなることから、発電電力を調整することで直流電圧の平均値を制御することができる。ここで、発電電力の調整は三相インバータの交流側と直流側の電力収受の遮断を間欠的に実行することで行える。すなわち直流側へ発電電力が流入している状態と電力収受を遮断している状態の時間的配分を変化させると、ある時間範囲の中での平均的な直流側流入電力量が変化することとなる。よって、直流電圧は、調整された直流側流入電力と電気負荷の消費電力、バッテリの充電電力のバランスに応じて定まることとなる。
上記電力収受遮断比率は、一定周期内での電力収受遮断動作が占める割合(DUTY)を調整するものであっても良いし、電圧比較器63での直流電圧Vdcと切り替えしきい電圧Vdc_thの大小関係比較においてヒステリシス特性を持ったものであっても良い。
図9は、一定周期内での電力収受遮断動作が占める割合(DUTY)を調整して電力収受遮断比率を変化させる場合の制御演算装置6の内部構成を示すブロック図である。
この図においてまず、減算器65によって直流電圧指令Vdc*から電圧算出器62が出力する直流電圧Vdcが減算され直流電圧偏差Vdc_errが出力される。直流電圧制御器66は例えば比例積分(PI)演算などの公知の制御演算を行って直流電圧偏差Vdc_errがゼロとなるように電力収受遮断変調指令を算出し、PWM信号発生器67へ伝達する。
PWM信号発生器67は電力収受遮断変調指令をパルス幅変調し、電力収受遮断動作を実行するか、停止するかの指示信号を出力する。この信号は、実施の形態1での電圧比較器63における直流電圧Vdcと切り替えしきい電圧Vdc_thの大小関係の識別信号と同様の役割を果たすものである。以上のように直流電圧Vdcが所望の直流電圧指令Vdc*に一致するように電力収受遮断動作の実行と停止の割合を調整する。
実施の形態2は以上のように構成されているため、直流側と交流側の電力収受の遮断動作を間欠的に実行することで、平均的な直流側流入電力量を調整して直流平均電圧を所望の値に制御することができる。
実施の形態3.
次に、この発明の実施の形態3の構成を図にもとづいて説明する。
図10は、実施の形態3によるシステムの全体構成を示すブロック図である。
この図において、図1と同一または相当部分には同一符号を付して説明を省略する。図1と異なる点は、三相インバータ5の直流側電流を検出する電流検出器13を設けた点である。
電流検出器13によって三相インバータ5の直流側電流が検出されて電流検出信号idc_sigとして制御演算装置6へ伝達される。
図11は、実施の形態3による制御演算装置6の内部構成を示すブロック図である。
この図において、電流算出器68は電流検出信号idc_sigを入力とし直流電流idcを算出する。続いて、スイッチング信号生成器64は回転位相角θ、直流電圧Vdcと切り替えしきい電圧Vdc_thの大小関係の識別信号、及び、直流電流idcに基づき、Vdc>Vdc_th、かつ、idcが交流側から直流側へ流れている場合にのみ三相インバータ5の直流側と交流側の電力収受を遮断するようスイッチングタイミング信号を生成する。
上記動作により、直流側から交流側に電力が流出しているにもかかわらず、三相インバータ5のパワー素子近傍のインダクタンス成分に起因するパワー素子のスイッチング時の直流電圧の一時的な変動や、三相インバータ5から直流電源3に至る経路と平滑コンデンサ10からなる電気回路の共振での直流電圧の一時的な変動によって、過電圧を防止するための直流側と交流側の電力収受遮断動作を誤って実行してしまうことを抑止できる。
この発明の実施の形態1によるシステムの全体構成を示すブロック図である。 実施の形態1における電動機の回転位相角に対する誘起電圧波形の特性図である。 実施の形態1における直流側と交流側の電力収受遮断動作の原理を説明するための説明図である。 実施の形態1における直流側と交流側の電力収受遮断動作を行うトランジスタの短絡相を示す図である。 実施の形態1における直流側と交流側の電力収受遮断動作を行うトランジスタの動作タイミングの説明図である。 実施の形態1による制御演算装置6の内部構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態2によるシステムの全体構成を示すブロック図である。 実施の形態2による直流電圧平均値制御の動作説明図である。 実施の形態2による制御演算装置6の内部構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態3によるシステムの全体構成を示すブロック図である。 実施の形態3による制御演算装置6の内部構成を示すブロック図である。
符号の説明
1 電動機制御装置、 2 電動機、 3 直流電源、 4 位相角検出器、
5 三相インバータ、 6 制御演算装置、 7 ゲート駆動回路、
8a U相上側トランジスタ、 8b U相下側トランジスタ、 8c V相上側トランジスタ、 8d V相下側トランジスタ、 8e W相上側トランジスタ、
8f W相下側トランジスタ、 9a
U相上側フライホィールダイオード、 9b U相下側フライホィールダイオード、
9c V相上側フライホィールダイオード、
9d V相下側フライホィールダイオード、
9e W相上側フライホィールダイオード、
9f W相下側フライホィールダイオード、 10 平滑コンデンサ、
11a 高電位側電圧検出器、 11b 低電位側電圧検出器、 12 電気負荷、 13 電流検出器、 61 位相角算出器、 62 電圧算出器、 63 電圧比較器、 64 スイッチング信号生成器、 65 減算器、
66 直流電圧制御器、 67 PWM信号発生器、 68 電流算出器、
201a U相電機子抵抗、 201b V相電機子抵抗、
201c W相電機子抵抗、 202a U相電機子インダクタンス、
202b V相電機子インダクタンス、 202c W相電機子インダクタンス、
203a U相誘起電圧(eu)、 203b V相誘起電圧(ev)、
203c W相誘起電圧(ew)。

Claims (4)

  1. 上アーム及び下アームを構成するパワー素子を有し、直流電力と交流電力を相互に変換する三相インバータと、上記パワー素子のスイッチングを制御する制御演算装置とを備え、上記三相インバータの交流側端子に接続された三相交流電動機を駆動または制動制御する電動機制御装置において、
    いずれの位相角においても、上アームのパワー素子を全て開放し、下アームのパワー素子の内二相を短絡、一相を開放すると共に、上記三相交流電動機の回転位相角に基づいて上記二相分の短絡相を順次切り替えることにより、直流側と交流側との電力収受を遮断することを特徴とする電動機制御装置。
  2. 請求項1記載の電動機制御装置において、所定の電圧設定値に基づいて上記直流側と交流側との電力収受遮断動作の実行と停止を切り替えることを特徴とする電動機制御装置。
  3. 請求項2記載の電動機制御装置において、上記直流側と交流側との電力収受遮断動作を間欠的に実行することにより、直流平均電圧を所望値に制御することを特徴とする電動機制御装置。
  4. 請求項2記載の電動機制御装置において、直流電流値に基づいて上記直流側と交流側との電力収受遮断動作の実行と停止を切り替えることを特徴とする電動機制御装置。
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