JP6896032B2 - Motor drive, vacuum cleaner and hand dryer - Google Patents

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Description

本発明は、単相の永久磁石同期電動機(以下適宜、「単相PMモータ」(Permanent Magnet Motor)と称する)を駆動するモータ駆動装置、並びに単相PMモータを用いた電気掃除機及びハンドドライヤーに関する。 The present invention relates to a motor drive device for driving a single-phase permanent magnet synchronous motor (hereinafter, appropriately referred to as a "single-phase PM motor" (Permanent Magnet Motor)), and an electric vacuum cleaner and a hand dryer using the single-phase PM motor. Regarding.

モータには、ブラシ付き直流モータ、誘導モータ及びPMモータ等、様々な種類があり、モータの相数にも単相及び三相等の種類がある。これらの種々のモータの中で、単相PMモータは、ブラシ付き直流モータと比較して、機械構造であるブラシを用いない“ブラシレス”の構造であるためブラシの摩耗が発生しない。この特徴により、単相PMモータは、高寿命且つ高信頼性を確保することができる。 There are various types of motors such as brushed DC motors, induction motors and PM motors, and there are also types such as single-phase and three-phase motors. Among these various motors, the single-phase PM motor has a "brushless" structure that does not use a brush, which is a mechanical structure, as compared with a DC motor with a brush, so that brush wear does not occur. Due to this feature, the single-phase PM motor can ensure a long life and high reliability.

また、単相PMモータは、誘導モータと比較して、ロータに2次電流が流れないため高効率なモータである。 Further, the single-phase PM motor is a highly efficient motor because a secondary current does not flow through the rotor as compared with an induction motor.

さらに、単相PMモータの場合、相数が異なる三相PMモータと比較しても次の利点がある。
(1)三相PMモータの場合には三相インバータが必要であるのに対し、単相PMモータでは単相インバータでよい。
(2)三相インバータとして一般的に用いられるフルブリッジインバータを用いると、6つのスイッチング素子が必要であるのに対し、単相PMモータの場合、フルブリッジインバータを用いたとしても4つのスイッチング素子で構成できる。
(3)(1)及び(2)の特徴により、単相PMモータは、三相PMモータに比して、装置の小型化が可能である。
Further, the single-phase PM motor has the following advantages as compared with the three-phase PM motor having different numbers of phases.
(1) In the case of a three-phase PM motor, a three-phase inverter is required, whereas in a single-phase PM motor, a single-phase inverter may be used.
(2) When a full-bridge inverter generally used as a three-phase inverter is used, six switching elements are required, whereas in the case of a single-phase PM motor, four switching elements are required even if a full-bridge inverter is used. Can be configured with.
(3) Due to the features of (1) and (2), the single-phase PM motor can be made smaller than the three-phase PM motor.

なお、単相PMモータの駆動方式に関する技術を開示した先行文献としては、例えば以下に記載する特許文献1及び非特許文献1がある。 In addition, as prior documents disclosing the technology relating to the drive system of a single-phase PM motor, for example, there are Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 described below.

特開2012−130378号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-13378

電気学会 学会論D,121巻10号,平成13年 「ヒルベルト変換を用いた単相系統連系インバータの制御法」Institute of Electrical Engineers of Japan D, Vol. 121, No. 10, 2001 "Control method for single-phase system-connected inverter using Hilbert transform"

上記特許文献1によれば、『電動送風機への通電量を制御する制御手段を有し、予め実験等によって求められている「通電量−電流−風量」の関係より風量を推定すると共に、推定風量が第一の所定の範囲内であるときに、前記推定風量が低下するにしたがって、前記電動送風機への通電量を下げる方向に制御し、且つ、前記通電量は、前記第一の所定の範囲となる風量領域において、前記集塵室内の真空度が略一定に、且つ、予め実験等によって設定された値となるように制御する』との記載がある。すなわち、特許文献1において、電動送風機による風量は、電動送風機の仕事量により決定されることになり、また、電動送風機における電気エネルギーの観点からは、有効電力により決定されることになる。 According to the above-mentioned Patent Document 1, "the air volume is estimated and estimated from the relationship of" energization amount-current-air volume "which has a control means for controlling the energization amount to the electric blower and is obtained in advance by an experiment or the like. When the air volume is within the first predetermined range, as the estimated air volume decreases, the energization amount to the electric blower is controlled to decrease, and the energization amount is the first predetermined range. In the air volume region within the range, the degree of vacuum in the dust collecting chamber is controlled to be substantially constant and to a value set in advance by an experiment or the like. " That is, in Patent Document 1, the air volume by the electric blower is determined by the work amount of the electric blower, and is determined by the active power from the viewpoint of the electric energy in the electric blower.

上記の通り、特許文献1では推定風量に応じて通電量を制御しているが、有効電力及び無効電力という観点での制御は行われていない。また、通電量のみでは皮相電力は制御されるものの、必要な有効電力を個別に制御することはできていない。このため、特許文献1の技術では、電動機に流れる電流が最大効率点より大きくなり、効率が悪化するという課題がある。 As described above, in Patent Document 1, the energization amount is controlled according to the estimated air volume, but the control is not performed from the viewpoint of active power and ineffective power. Moreover, although the apparent power is controlled only by the amount of energization, the required active power cannot be controlled individually. Therefore, the technique of Patent Document 1 has a problem that the current flowing through the electric motor becomes larger than the maximum efficiency point and the efficiency deteriorates.

また、非特許文献1には、単相系統連系インバータの電流制御及び電力制御の一手法に関して記載がある。この手法によれば、系統電流をヒルベルト変換によって複素平面上での瞬時電流ベクトルに変換すると共に、系統電圧をヒルベルト変換によって複素平面上での瞬時電圧ベクトルに変換する。そして、瞬時電流ベクトルを瞬時電圧ベクトルの位相を使用してd軸及びq軸への座標変換を行う。さらに、dq変換したd軸の系統電流及びq軸の系統電流のそれぞれを制御することにより、単相瞬時電力を制御する手法が記載されている。 Further, Non-Patent Document 1 describes one method of current control and power control of a single-phase system interconnection inverter. According to this method, the system current is converted into an instantaneous current vector on the complex plane by the Hilbert transform, and the system voltage is converted into the instantaneous voltage vector on the complex plane by the Hilbert transform. Then, the instantaneous current vector is subjected to coordinate conversion to the d-axis and the q-axis using the phase of the instantaneous voltage vector. Further, a method of controlling single-phase instantaneous power by controlling each of the dq-converted d-axis system current and the q-axis system current is described.

また、非特許文献1の手法では、系統電流を直流値として変換することで、単相瞬時電力の取り扱いを容易化しているが、単相系統連系インバータへの適用に限定したものであり、本発明のような単相PMモータへの適用に関する検討はなされていない。 Further, in the method of Non-Patent Document 1, the handling of single-phase instantaneous power is facilitated by converting the system current as a DC value, but the application is limited to the single-phase system interconnection inverter. No study has been made on application to a single-phase PM motor as in the present invention.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、単相PMモータにおける効果的な単相瞬時電力制御及び回転数制御の実現を可能とするモータ駆動装置、電気掃除機及びハンドドライヤーを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and provides a motor drive device, a vacuum cleaner, and a hand dryer that enable effective single-phase instantaneous power control and rotation speed control in a single-phase PM motor. The purpose is to do.

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係るモータ駆動装置は、単相PMモータを駆動するモータ駆動装置である。モータ駆動装置は、複数のスイッチング素子を具備し、単相PMモータに交流電圧を印加する単相インバータ、単相PMモータに流れるモータ電流に応じたモータ電流検出信号を出力するモータ電流検出部、及びモータ電流検出信号を入力としスイッチング素子の駆動信号を出力するインバータ制御部を備える。インバータ制御部は、単相PMモータの回転数に応じて有効電力を制御する。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, the motor drive device according to the present invention is a motor drive device that drives a single-phase PM motor. The motor drive device includes a plurality of switching elements, a single-phase inverter that applies an AC voltage to the single-phase PM motor, and a motor current detector that outputs a motor current detection signal according to the motor current flowing through the single-phase PM motor. It also includes an inverter control unit that receives a motor current detection signal as an input and outputs a drive signal of a switching element. The inverter control unit controls the active power according to the rotation speed of the single-phase PM motor.

本発明によれば、単相PMモータにおける効果的な単相瞬時電力制御及び回転数制御を実現できる、という効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to realize effective single-phase instantaneous power control and rotation speed control in a single-phase PM motor.

実施の形態1におけるモータ駆動装置の構成を示す図The figure which shows the structure of the motor drive device in Embodiment 1. 実施の形態1におけるロータ回転位置と位置検出信号の関係を示す図The figure which shows the relationship between the rotor rotation position and the position detection signal in Embodiment 1. 実施の形態1におけるインバータ制御部の構成を示すブロック図The block diagram which shows the structure of the inverter control part in Embodiment 1. 実施の形態1における位置検出信号とモータ回転数推定値の関係を示す図The figure which shows the relationship between the position detection signal and the motor rotation speed estimated value in Embodiment 1. 実施の形態1におけるモータ回転数推定値とロータ回転位置推定値の関係を示す図The figure which shows the relationship between the motor rotation speed estimated value and the rotor rotation position estimated value in Embodiment 1. 実施の形態1におけるモータ電流の瞬時ベクトル及びインバータ出力電圧の瞬時ベクトルのdq座標系におけるベクトル関係を示す図The figure which shows the vector relation in the dq coordinate system of the instantaneous vector of a motor current and the instantaneous vector of an inverter output voltage in Embodiment 1. 実施の形態1におけるスイッチング素子駆動信号生成部の動作説明に供するタイムチャートA time chart provided for explaining the operation of the switching element drive signal generation unit according to the first embodiment. 実施の形態1におけるモータ駆動装置の応用例として電気掃除機の構成の一例を示す図The figure which shows an example of the structure of the electric vacuum cleaner as an application example of the motor drive device in Embodiment 1. 実施の形態1におけるモータ駆動装置の他の応用例としてハンドドライヤーの構成の一例を示す図The figure which shows an example of the structure of the hand dryer as another application example of the motor drive device in Embodiment 1. 実施の形態2におけるロータ回転位置及び位置検出信号とロータ磁石磁束の関係を示す図The figure which shows the relationship between a rotor rotation position and a position detection signal, and a rotor magnet magnetic flux in Embodiment 2. 図7に示すベクトル図にロータ磁石磁束を追加したベクトル図Vector diagram with rotor magnet magnetic flux added to the vector diagram shown in FIG. 図11に示すベクトル図においてインバータ出力電圧の瞬時ベクトル上にd軸を設定した場合のベクトル図In the vector diagram shown in FIG. 11, the vector diagram when the d-axis is set on the instantaneous vector of the inverter output voltage. 実施の形態2におけるインバータ制御部の構成を示すブロック図The block diagram which shows the structure of the inverter control part in Embodiment 2. 実施の形態1及び実施の形態2のインバータ制御部に係るハードウェア構成の一例を示すブロック図A block diagram showing an example of a hardware configuration related to the inverter control unit of the first embodiment and the second embodiment. 実施の形態1及び実施の形態2のインバータ制御部に係るハードウェア構成の他の例を示すブロック図A block diagram showing another example of the hardware configuration related to the inverter control unit of the first embodiment and the second embodiment.

以下に、本発明の実施の形態に係るモータ駆動装置、電気掃除機及びハンドドライヤーを図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, the motor drive device, the vacuum cleaner, and the hand dryer according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments.

実施の形態1.
図1は、実施の形態1におけるモータ駆動装置の構成を示す図である。実施の形態1におけるモータ駆動装置100は、単相PMモータ3を具備する負荷を駆動するモータ駆動装置であり、直流電源1、単相インバータ2、インバータ制御部4、モータ電流検出部5、直流電源電圧検出部6及びロータ位置検出部7を備えて構成される。単相PMモータ3を具備する負荷としては、電動送風機を備えた電気掃除機及びハンドドライヤーが例示される。
Embodiment 1.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a motor drive device according to the first embodiment. The motor drive device 100 in the first embodiment is a motor drive device for driving a load including a single-phase PM motor 3, and is a DC power supply 1, a single-phase inverter 2, an inverter control unit 4, a motor current detection unit 5, and a DC. It is configured to include a power supply voltage detection unit 6 and a rotor position detection unit 7. Examples of the load including the single-phase PM motor 3 include a vacuum cleaner equipped with an electric blower and a hand dryer.

直流電源1は、単相インバータ2に直流電力を供給する。単相インバータ2は、スイッチング素子211〜214及びスイッチング素子211〜214のそれぞれに逆並列に接続されるダイオード221〜224を具備し、単相PMモータ3に交流電圧を印加する。インバータ制御部4は、単相インバータ2のスイッチング素子211〜214への駆動信号S1〜S4を出力する。ロータ位置検出部7は、単相PMモータ3のロータ3aの回転位置であるロータ回転位置θに応じた信号である位置検出信号S_rotationをインバータ制御部4へ出力する。モータ電流検出部5は、単相PMモータ3に流れるモータ電流Iに応じた信号をインバータ制御部4へ出力する。直流電源電圧検出部6は、直流電源1の電圧である直流電圧Vdcを検出する。駆動信号S1〜S4は、ロータ回転位置θ及びモータ電流Iに基づいて生成されたパルス幅変調(Pulse Width Modulation:以下「PWM」と表記)信号である。単相インバータ2のスイッチング素子211〜214をPWM信号である駆動信号S1〜S4で駆動することにより、任意の電圧を単相PMモータ3に印加することができる。 The DC power supply 1 supplies DC power to the single-phase inverter 2. The single-phase inverter 2 includes diodes 221 to 224 connected in antiparallel to each of the switching elements 211 to 214 and the switching elements 211 to 214, and applies an AC voltage to the single-phase PM motor 3. The inverter control unit 4 outputs drive signals S1 to S4 to the switching elements 211 to 214 of the single-phase inverter 2. Rotor position detector 7 outputs the position detection signal S_ rotation is a signal corresponding to the rotor rotational position theta m is the rotational position of the single-phase PM motor 3 of the rotor 3a to the inverter control unit 4. Motor current detector 5 outputs a signal corresponding to the motor current I m flowing through the single-phase PM motor 3 to the inverter control unit 4. The DC power supply voltage detection unit 6 detects the DC voltage V dc , which is the voltage of the DC power supply 1. Drive signals S1~S4 the rotor rotational position theta m and pulse width modulation are generated based on the motor current I m: is (Pulse Width Modulation hereinafter referred to as "PWM") signal. By driving the switching elements 211 to 214 of the single-phase inverter 2 with the drive signals S1 to S4 which are PWM signals, an arbitrary voltage can be applied to the single-phase PM motor 3.

なお、直流電源1は交流電源からの交流電圧をダイオードブリッジ等で整流し且つ平滑して直流電圧を生成する直流電源でも問題なく、太陽電池及びバッテリーなどの直流電源を用いても何ら問題ない。また、単相インバータ2のスイッチング素子211〜214は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOS−FET(Metal Oxide Semiconductor− Field Effect Transistor)、サイリスタ及びGTO(Gate Turn−Off Thysistor)を含む、何れのスイッチング素子を用いても何ら問題ない。また、前述のようなスイッチング素子の半導体素材として主流であるSiのみならず、SiC及びGaNなどに代表されるワイドバンドギャップ半導体と称される半導体素材を使用しても問題はない。 The DC power supply 1 may be a DC power supply that rectifies and smoothes the AC voltage from the AC power supply with a diode bridge or the like to generate a DC voltage, and there is no problem even if a DC power supply such as a solar cell or a battery is used. Further, the switching elements 211 to 214 of the single-phase inverter 2 include an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), a MOS-FET (Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor), a thyristor, and a GTO (Gate Turn-off). There is no problem even if a switching element is used. Further, there is no problem even if a semiconductor material called a wide bandgap semiconductor represented by SiC, GaN or the like is used as well as Si which is the mainstream semiconductor material for the switching element as described above.

ロータ位置検出部7は、例えば図2に示すようなモータのロータ回転位置θに応じた位置検出信号S_rotationを生成してインバータ制御部4に出力する。図2の場合には、ホールセンサなどの磁気センサを用いてロータ回転位置θに応じたパルス状の電圧信号である位置検出信号S_rotationを出力する場合を想定しており、0≦θ<πでは、S_rotation=“Highレベル”、π≦θ<2πでは、S_rotation=“Lowレベル”を例として記載している。ただし、磁気センサに限らず、エンコーダ、レゾルバなどの位置検出センサを用いても何ら問題ない。 The rotor position detection unit 7 generates a position detection signal S_rotation corresponding to the rotor rotation position θ m of the motor as shown in FIG. 2, and outputs the position detection signal S_rotation to the inverter control unit 4. In the case of FIG. 2, it is assumed that a magnetic sensor such as a hall sensor is used to output a position detection signal S_rotation , which is a pulsed voltage signal corresponding to the rotor rotation position θ m , and 0 ≦ θ m. In <π, S _rotation = “High level”, and in π ≦ θ m <2π, S _rotation = “Low level” is described as an example. However, there is no problem even if a position detection sensor such as an encoder or a resolver is used instead of the magnetic sensor.

図3は、実施の形態1におけるインバータ制御部4の構成を示すブロック図である。インバータ制御部4は、d軸電流Idを制御する第1の電流制御部411、q軸電流Iを制御する第2の電流制御部412、モータ回転数推定値ωm^を制御する回転数制御部42、極座標系からd軸及びq軸における座標系(以下「dq軸座標系」と称する)への座標変換を行う第1の座標変換部431、dq軸座標系から極座標系への座標変換を行う第2の座標変換部432、位置検出信号S_rotationに応じてロータ回転位置推定値θ^及びモータ回転数推定値ω^を検出するモータ位置及び回転数検出部44、回転数指令値ω*を生成する回転数指令値生成部45、インバータ出力電圧指令値V*より駆動信号S1〜S4を生成するスイッチング素子駆動信号生成部46、q軸電流指令値I*を生成するq軸電流指令値生成部47、及びヒルベルト変換によりモータ電流Iを複素化するヒルベルト変換部48を備えて構成され、以下に各部の詳細を説明する。なお、「θ^」及び「ω^」における「^」の表記、並びに後述する「I」及び「V」における「」の表記であるが、本来であれば「θ」又は「ω」の文字の上部に「^」の記号を付し、また、「I」及び「V」の文字の上部に「」の記号を付すべきところであるが、その表記ができない。このため、本明細書では、イメージで挿入する数式部分を除き、該当文字又は文字列の後に「^」又は「」の文字を付して表記する。 FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the inverter control unit 4 according to the first embodiment. The inverter control unit 4 has a first current control unit 411 that controls the d-axis current Id, a second current control unit 412 that controls the q-axis current I q, and a rotation speed control that controls the estimated motor rotation speed ωm ^. Part 42, the first coordinate conversion unit 431 that performs coordinate conversion from the polar coordinate system to the coordinate system on the d-axis and the q-axis (hereinafter referred to as "dq-axis coordinate system"), coordinate conversion from the dq-axis coordinate system to the polar coordinate system. The second coordinate conversion unit 432 that detects the rotor rotation position estimated value θ m ^ and the motor rotation speed estimated value ω m ^ according to the position detection signal S_rotation , the motor position and rotation speed detection unit 44, and the rotation speed command. The rotation speed command value generator 45 that generates the value ω *, the switching element drive signal generator 46 that generates the drive signals S1 to S4 from the inverter output voltage command value V m *, and the q-axis current command value I q * are generated. q-axis current command value generating unit 47, and the motor current I m is configured with a Hilbert transform unit 48 for complex by Hilbert conversion, each part will be described details below. It should be noted that the notation "^" in the "θ m ^" and "ω m ^", and is a representation of the "→" in the "I →" and "V →" later, if the original "θ" or The "^" symbol should be added to the upper part of the "ω" character, and the " " symbol should be added to the upper part of the "I" and "V" characters, but that notation is not possible. Therefore, in this specification, except for the mathematical expression part to be inserted in the image, the character "^" or " " is added after the corresponding character or character string.

まず、モータ位置及び回転数検出部44の詳細動作に関して説明する。前述の通り、ロータ位置検出部7は、図2に示すような位置検出信号S_rotationを生成してモータ位置及び回転数検出部44に出力している。図4は、実施の形態1における位置検出信号S_rotationとモータ回転数推定値ω^との関係を示す図である。モータ位置及び回転数検出部44は、位置検出信号S_rotationの周期T_rotationを用いて、以下の(1)式に示す計算式によりモータ回転数推定値ω^を検出することができる。なお、実施の形態1ではモータの極対数PをP=1として説明するが、無論P≠1であっても構わない。ただし、P≠1の場合には、電気角回転数ωと機械角回転数であるモータ回転数ωとの間には、ω=P×ωとの関係がある。 First, the detailed operation of the motor position and the rotation speed detection unit 44 will be described. As described above, the rotor position detection unit 7 generates the position detection signal S_rotation as shown in FIG. 2 and outputs it to the motor position and rotation speed detection unit 44. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the position detection signal S_rotation and the motor rotation speed estimated value ω m ^ in the first embodiment. The motor position and rotation speed detection unit 44 can detect the motor rotation speed estimated value ω m ^ by the calculation formula shown in the following equation (1) using the period T _rotation of the position detection signal S _rotation. In the first embodiment, the pole logarithm P of the motor is described as P = 1, but of course P ≠ 1. However, when P ≠ 1, there is a relationship of ω e = P × ω m between the electric angle rotation speed ω e and the motor rotation speed ω m which is the mechanical angle rotation speed.

Figure 0006896032
Figure 0006896032

図5は、実施の形態1におけるモータ回転数推定値ω^とロータ回転位置推定値θ^との関係を示す図である。図5及び以下の(2)式に示すように、ロータ回転位置推定値θ^は、モータ回転数推定値ω^を積分することで算出可能である。ただし、図5の例では、制御周期Tcntでの離散制御系を想定した記載であり、制御タイミングnにおけるロータ回転位置推定値をθ^[n]と記載している。 FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the motor rotation speed estimated value ω m ^ and the rotor rotation position estimated value θ m ^ in the first embodiment. As shown in FIG. 5 and the following equation (2), the rotor rotation position estimated value θ m ^ can be calculated by integrating the motor rotation speed estimated value ω m ^. However, in the example of FIG. 5, the description assumes a discrete control system in the control cycle Tct , and the rotor rotation position estimated value at the control timing n is described as θ m ^ [n].

Figure 0006896032
Figure 0006896032

以上より、(1)式及び(2)式を用いることで、位置検出信号S_rotationからモータ回転数推定値ω^及びロータ回転位置推定値θ^を算出することができる。なお、位置検出信号S_rotationの周期T_rotationよりモータ回転数推定値ω^及びロータ回転位置推定値θ^を算出する上記の手法はあくまでも一例であり、他の手法を採用しても問題ないことは言うまでもない。 From the above, by using the equations (1) and (2), the motor rotation speed estimated value ω m ^ and the rotor rotation position estimated value θ m ^ can be calculated from the position detection signal S_rotation. The above-described method of calculating the motor rotation speed estimation value omega m ^ and the rotor rotational position estimate theta m ^ than the period T _rotation position detection signal S _rotation is only an example, it is employed other methodological issues It goes without saying that there is no such thing.

次に、単相交流での表記からdq軸への座標変換を行う第1の座標変換部431及びヒルベルト変換によりモータ電流Iを複素化するヒルベルト変換部48に関して、図6を用いて説明する。図6は、モータ電流の瞬時ベクトルI及びインバータ出力電圧の瞬時ベクトルVのdq座標系におけるベクトル関係を示す図である。 Next, with respect to the Hilbert conversion unit 48 for complex the motor current I m by a first coordinate conversion unit 431 and the Hilbert transform of performing coordinate conversion to the dq-axis from representation in the single-phase AC will be described with reference to FIG. 6 .. FIG. 6 is a diagram showing a vector relationship in the dq coordinate system of the instantaneous vector I → of the motor current and the instantaneous vector V → of the inverter output voltage.

上記非特許文献1にも記載の通り、モータ電流Iを複素数ベクトルで表現した場合、その表現式は解析関数とみなせるため、当該ベクトルの実部及び虚部は互いにヒルベルト変換の関係で結ばれる。非特許文献1では単相系統での電流を対象としているが、本願発明のように、モータ電流Iを対象としている。モータ電流Iにヒルベルト変換の関係を満たす虚部Iimaginalを合成することで、モータ電流Iの瞬時ベクトルIを、以下の(3)式により検出することができる。 As also described in Non-Patent Document 1, when expressed the motor current I m in a complex vector, therefore expression is regarded as the analysis function, the real and imaginary parts of the vector are connected by the relationship of the Hilbert transform to each other .. Although it directed to a current in the non-patent document 1, a single phase system, as in the present invention is directed to a motor current I m. By combining the imaginary part I imaginal satisfying the relation of the Hilbert transform to the motor current I m, the instantaneous vector I the motor current I m, can be detected by the following equation (3).

Figure 0006896032
Figure 0006896032

上式において、IrealとIimaginalとの間には、Iimaginal=H[Ireal]の関係がある。また、H[ ]は、ヒルベルト変換処理を表しており、以下の(4)式で表される特性を有する。 In the above equation, there is a relationship of I imaginal = H [I real ] between I real and I imaginal. Further, H [] represents the Hilbert transform process, and has the characteristic represented by the following equation (4).

Figure 0006896032
Figure 0006896032

第1の座標変換部431は、上記(4)式に従って単相交流からdq座標系への座標変換を行い、以下の(5)式で表されるd軸電流I及びq軸電流Iを算出する。 The first coordinate conversion unit 431 performs coordinate conversion from the single-phase alternating current to the dq coordinate system according to the above equation (4), and the d-axis current I d and the q-axis current I q represented by the following equation (5). Is calculated.

Figure 0006896032
Figure 0006896032

上式において、θはインバータ出力電圧の位相(以下「インバータ出力電圧位相」と称する)であり、第2の座標変換部432によって算出された値を利用する。また、上式において、φは力率角を表している。 In the above equation, θ V is the phase of the inverter output voltage (hereinafter referred to as “inverter output voltage phase”), and the value calculated by the second coordinate conversion unit 432 is used. Further, in the above equation, φ represents the power factor angle.

図6の例によれば、第1の座標変換部431は、モータ電流Iの瞬時ベクトルIをインバータ出力電圧位相θ上で座標変換を行っている。 According to the example of FIG. 6, the first coordinate conversion unit 431 is performing coordinate conversion of the instantaneous vector I motor current I m on the inverter output voltage phase theta V.

次に、上記(5)式について、図6に示される関係性から、式展開を行う。まず、図6より、Ireal及びIimaginalは、以下の(6)式で表すことができる。 Next, the equation (5) is expanded from the relationship shown in FIG. First, from FIG. 6, I real and I imaginal can be expressed by the following equation (6).

Figure 0006896032
Figure 0006896032

上式において、Im_rmsは、モータ電流Iの実効値(以下、適宜「モータ電流実効値」と称する)を表している。 In the above formula, I M_rms, the effective value of the motor current I m (hereinafter, appropriately referred to as "motor current effective value") it represents.

上記(5)式に上記(6)式を代入して、式展開すれば、以下の(7)式が得られる。 By substituting the above equation (6) into the above equation (5) and expanding the equation, the following equation (7) can be obtained.

Figure 0006896032
Figure 0006896032

上記(7)式の両式には、インバータ出力電圧位相θは含まれておらず、d軸電流I及びq軸電流Iが直流量として変換されたことが分かる。 It can be seen that both of the above equations (7) do not include the inverter output voltage phase θ V , and the d-axis current I d and the q-axis current I q are converted as DC quantities.

次に、インバータ出力電圧の瞬時値v(t)及びモータ電流Iの瞬時値i(t)を以下の(8)式のように定義したときの、単相交流電力Pの瞬時値(以下「単相交流電力瞬時値」と称する)P(t)に対するd軸電流I及びq軸電流Iの関係性について説明する。 Then, when the instantaneous value i m of the instantaneous value v m (t) and the motor current I m of the inverter output voltage (t) is defined as the following equation (8), the instantaneous single-phase AC power P m The relationship between the d-axis current I d and the q-axis current I q with respect to the value (hereinafter referred to as “single-phase AC power instantaneous value”) P m (t) will be described.

Figure 0006896032
Figure 0006896032

上記(8)式における第1式は、インバータ出力電圧の瞬時値(以下「インバータ出力単相電圧瞬時値」と称する)v(t)を表す式であり、第2式はモータ電流Iの瞬時値(以下「モータ電流瞬時値」と称する)i(t)を表す式である。また、Vm_rmsは、インバータ出力単相電圧瞬時値v(t)の実効値である。なお、図6では、インバータ出力単相電圧瞬時値v(t)に対してモータ電流瞬時値i(t)が進み位相となる容量性負荷であると仮定しているが、インバータ出力単相電圧瞬時値v(t)に対してモータ電流瞬時値i(t)が遅れ位相である誘導性負荷であってもよい。モータ電流瞬時値i(t)が遅れ位相である場合には、力率角φが負の値をとることとなる。 The first equation in the above equation (8) is an equation representing an instantaneous value of the inverter output voltage (hereinafter referred to as "inverter output single-phase voltage instantaneous value") v m (t), and the second equation is a motor current Im. the instantaneous value (hereinafter referred to as "motor current instantaneous value") is an expression representing a i m (t). Further, V m_rms is an effective value of the inverter output single-phase voltage instantaneous value v m (t). In FIG. 6, it is assumed that the capacitive load motor current instantaneous value i m (t) is the phase lead with respect to the inverter output single-phase voltage instantaneous value v m (t), the inverter output single phase voltage instantaneous value v m (t) with respect to the motor current instantaneous value i m (t) may be a delay inductive load is the phase. If a motor current instantaneous value i m (t) is delayed phase, so that the power factor angle φ takes a negative value.

単相交流電力瞬時値P(t)は、以下の(9)式で表される。 The single-phase AC power instantaneous value P m (t) is expressed by the following equation (9).

Figure 0006896032
Figure 0006896032

上記(9)式を加法定理により式展開すると、以下の(10)式で表される。 When the above equation (9) is expanded by the addition theorem, it is expressed by the following equation (10).

Figure 0006896032
Figure 0006896032

上記(10)式は瞬時電力を表す式であり、特に第1項は瞬時電力の有効電力成分(以下「有効電力瞬時値」と称する)を表し、第2項は瞬時電力の無効電力成分(以下「無効電力瞬時値」と称する)を表している。ここで、(7)式を(10)式へ代入すると、以下の(11)式が得られる。 The above equation (10) is an equation expressing instantaneous power, in particular, the first term represents the active power component of instantaneous power (hereinafter referred to as "instantaneous active power value"), and the second term is the reactive power component of instantaneous power (hereinafter referred to as "instantaneous active power value"). Hereinafter referred to as "instantaneous value of ineffective power"). Here, by substituting the equation (7) into the equation (10), the following equation (11) is obtained.

Figure 0006896032
Figure 0006896032

上記(11)式を上記(10)式と比較すれば明らかなように、d軸電流Idは有効電力を表す式に含まれ、q軸電流Iqは無効瞬時電力を表す式に含まれる。したがって、d軸電流Idにより有効電力を制御可能であり、q軸電流Iqにより無効瞬時電力を制御可能であると言える。 As is clear from comparing the above equation (11) with the above equation (10), the d-axis current Id is included in the equation representing the active power, and the q-axis current Iq is included in the equation representing the ineffective instantaneous power. Therefore, it can be said that the active power can be controlled by the d-axis current Id and the invalid instantaneous power can be controlled by the q-axis current Iq.

ここで、単相電力における有効電力及び無効電力の制御における一般方式であるPQ変換では、PQ変換後の値に脈動が生じることが知られている。これに対し、本発明の手法によれば、上記(7)式に示したように、d軸電流Id及びq軸電流Iqは直流量として変換されるため、制御性の向上を図ることができる。なお、制御性の向上についての詳細は後述する。 Here, it is known that in PQ conversion, which is a general method for controlling active power and ineffective power in single-phase power, pulsation occurs in the value after PQ conversion. On the other hand, according to the method of the present invention, as shown in the above equation (7), the d-axis current Id and the q-axis current Iq are converted as DC quantities, so that controllability can be improved. .. The details of improving the controllability will be described later.

ここまで、第1の座標変換部431及びヒルベルト変換部48の説明に際し、図6のような定義を行った上で式展開を行ったが、このような定義はあくまで説明の便宜上、行ったものであり、必ずしも記載の定義である必要はない。 Up to this point, in the explanation of the first coordinate transforming unit 431 and the Hilbert transforming unit 48, the formula has been expanded after defining as shown in FIG. 6, but such a definition has been made for convenience of explanation. It does not necessarily have to be the definition described.

次に、dq座標系から極座標系、すなわち単相交流の座標系への座標変換を行う第2の座標変換部432に関して説明する。第2の座標変換部432では、d軸電圧指令値V*及びq軸電圧指令値V*を使用し、以下の(12)式に基づいて、交流電圧であるインバータ出力電圧指令値V*に変換する。 Next, a second coordinate conversion unit 432 that performs coordinate conversion from the dq coordinate system to the polar coordinate system, that is, the single-phase alternating current coordinate system will be described. The second coordinate conversion unit 432 uses the d-axis voltage command value V d * and the q-axis voltage command value V q *, and is an AC voltage inverter output voltage command value V based on the following equation (12). Convert to m *.

Figure 0006896032
Figure 0006896032

なお、上記(12)式は、インバータ出力電圧指令値V*への座標変換式の一例であり、前述した第1の座標変換部431における定義などにより、(12)式の内容は変化する。 The above equation (12) is an example of the coordinate conversion equation to the inverter output voltage command value V m *, and the content of the equation (12) changes depending on the definition in the first coordinate conversion unit 431 described above. ..

なお、第1の座標変換部431にて使用するインバータ出力電圧位相θは、上記(12)式におけるcos内の位相角に相当する。すなわち、インバータ出力電圧位相θは、以下の(13)式で表すことができる。 The inverter output voltage phase θ V used by the first coordinate conversion unit 431 corresponds to the phase angle in cos in the above equation (12). That is, the inverter output voltage phase θ V can be expressed by the following equation (13).

Figure 0006896032
Figure 0006896032

次に、第1の電流制御部411及び第2の電流制御部412に関して説明する。第1の電流制御部411は、前述したd軸電流Iがd軸電流指令値I*に一致するように制御するフィードバック制御器であり、第2の電流制御部412は、前述したq軸電流Iがq軸電流指令値I*に一致するように制御するフィードバック制御器である。第1の電流制御部411及び第2の電流制御部412の何れも、例えば以下の(14)式に示すような伝達関数GPID(s)を具備するPID制御系などを採用することができる。(14)式において、Kは比例ゲイン、Kは積分ゲイン、Kは微分ゲイン、sはラプラス演算子を表している。なお、PID制御である点、フィードバック制御である点などは本明細書における説明例として挙げた制御方式の一例であることは言うまでもない。 Next, the first current control unit 411 and the second current control unit 412 will be described. The first current control unit 411 is a feedback controller that controls the above-mentioned d-axis current I d to match the d-axis current command value I d *, and the second current control unit 412 is the above-mentioned q. This is a feedback controller that controls the shaft current I q so that it matches the q-axis current command value I q *. Both the first current control unit 411 and the second current control unit 412 can employ, for example, a PID control system having a transfer function GPID (s) as shown in the following equation (14). .. (14) In the equation, K p is a proportional gain, K I is an integral gain, K d is the differential gain, s represents the Laplace operator. Needless to say, the points of PID control, the point of feedback control, and the like are examples of the control methods given as explanatory examples in the present specification.

Figure 0006896032
Figure 0006896032

次に、回転数制御部42に関して説明する。回転数制御部42は、モータ回転数推定値ω^が回転数指令値ω*に一致するように制御するフィードバック制御器であり、第1の電流制御部411又は第2の電流制御部412と同様なPID制御などを採用することができる。なお、PID制御である点、またフィードバック制御である点などは、第1の電流制御部411及び第2の電流制御部412と同様に制御方式の一例であることは言うまでもない。 Next, the rotation speed control unit 42 will be described. The rotation speed control unit 42 is a feedback controller that controls the motor rotation speed estimated value ω ^ to match the rotation speed command value ω *, and is combined with the first current control unit 411 or the second current control unit 412. Similar PID control and the like can be adopted. Needless to say, the point of PID control and the point of feedback control are examples of the control method like the first current control unit 411 and the second current control unit 412.

次にスイッチング素子駆動信号生成部46に関して説明する。図7は、スイッチング素子駆動信号生成部46の動作説明に供するタイムチャートである。図の上段部において、細線はキャリア波形を示し、太線はインバータ出力電圧指令値V*の波形を示している。なお、図7の例では、キャリア周期Tに対し、制御周期Tcntをキャリア周期Tの1/2に設定している。また、図7の下段部では、スイッチング素子211〜214を駆動する駆動信号S1〜S4の波形を示している。 Next, the switching element drive signal generation unit 46 will be described. FIG. 7 is a time chart provided for explaining the operation of the switching element drive signal generation unit 46. In the upper part of the figure, the thin line shows the carrier waveform, and the thick line shows the waveform of the inverter output voltage command value V m *. In the example of FIG. 7, with respect to the carrier period T c, and setting the control period T cnt to 1/2 of carrier period T c. Further, in the lower part of FIG. 7, the waveforms of the drive signals S1 to S4 for driving the switching elements 211 to 214 are shown.

制御周期Tcntによる離散制御系を想定した場合、インバータ出力電圧指令値V*[n]は、離散的に値が変更される。例えば、制御タイミングnに着目した場合、制御タイミングnにおけるインバータ出力電圧指令値V*[n]とキャリアの大小関係により駆動信号S1〜S4のハイレベル及びローレベルを決定する。このとき、S1とS4、S2とS3は同一の信号であり、またS2,S3はS1,S4に対して反転した波形である。ここで、スイッチング素子には立ち上がり時間及び立ち下がり時間などの、スイッチング素子固有の遅れ時間が存在するため、一般的にデッドタイムと称される短絡防止時間を設ける場合が多い。 Assuming a discrete control system with a control cycle T ct , the inverter output voltage command value V m * [n] is changed discretely. For example, when focusing on the control timing n, the high level and the low level of the drive signals S1 to S4 are determined by the magnitude relationship between the inverter output voltage command value V m * [n] at the control timing n and the carrier. At this time, S1 and S4, S2 and S3 are the same signal, and S2 and S3 are waveforms inverted with respect to S1 and S4. Here, since the switching element has a delay time peculiar to the switching element such as a rise time and a fall time, a short-circuit prevention time generally called a dead time is often provided.

図7ではデッドタイムは0として記載しているが、デッドタイム≠0であっても問題はない。なお、図7における駆動信号S1〜S4の生成方式はあくまでも一例であり、PWM信号を生成する手法であれば、何れの手法を用いても問題ない。 Although the dead time is described as 0 in FIG. 7, there is no problem even if the dead time ≠ 0. The method for generating the drive signals S1 to S4 in FIG. 7 is merely an example, and any method may be used as long as it is a method for generating a PWM signal.

次に、回転数指令値生成部45に関して説明する。図8は、実施の形態1におけるモータ駆動装置の応用例として電気掃除機の構成の一例を示す図である。図8において、電気掃除機8は、バッテリーなどの直流電源1、上述した単相PMモータ3により駆動される電動送風機81を備え、さらに集塵室82、センサ83、吸込口体84、延長管85及び操作部86を備えて構成される。 Next, the rotation speed command value generation unit 45 will be described. FIG. 8 is a diagram showing an example of the configuration of a vacuum cleaner as an application example of the motor drive device according to the first embodiment. In FIG. 8, the vacuum cleaner 8 includes a DC power source 1 such as a battery, an electric blower 81 driven by the single-phase PM motor 3 described above, a dust collecting chamber 82, a sensor 83, a suction port body 84, and an extension pipe. It is configured to include 85 and an operation unit 86.

電気掃除機8は、直流電源1を電源として単相PMモータ3を駆動し、吸込口体84から吸込みを行い、延長管85を介して集塵室82へごみを吸引する。使用の際は操作部86を持ち、電気掃除機8を操作する。 The vacuum cleaner 8 drives the single-phase PM motor 3 using the DC power supply 1 as a power source, sucks the dust from the suction port 84, and sucks the dust into the dust collecting chamber 82 through the extension pipe 85. At the time of use, the operation unit 86 is held to operate the vacuum cleaner 8.

操作部86には、電気掃除機8の吸込み量を調節するための操作スイッチ86aが設けられている。電気掃除機8の使用者は、操作スイッチ86aを操作して、電気掃除機8の運転状態を強運転又は弱運転などに設定する。操作部86は、設定された運転状態に応じた回転数設定値ω**を回転数指令値生成部45(図3参照)に付与する。回転数設定値ω**は回転数指令値生成部45に入力され、回転数指令値生成部45からは回転数指令値ω*が出力される。なお、操作部86により回転数設定値ω**を設定する手法は本実施の形態における一例であり、他の手法を用いてもよい。例えば、センサ83に応じて回転数設定値ω**を自動設定する手法などを用いてもよく、何れの方式であってもよい。 The operation unit 86 is provided with an operation switch 86a for adjusting the suction amount of the vacuum cleaner 8. The user of the vacuum cleaner 8 operates the operation switch 86a to set the operating state of the vacuum cleaner 8 to strong operation, weak operation, or the like. The operation unit 86 assigns the rotation speed setting value ω ** according to the set operating state to the rotation speed command value generation unit 45 (see FIG. 3). The rotation speed setting value ω ** is input to the rotation speed command value generation unit 45, and the rotation speed command value ω * is output from the rotation speed command value generation unit 45. The method of setting the rotation speed setting value ω ** by the operation unit 86 is an example in the present embodiment, and other methods may be used. For example, a method of automatically setting the rotation speed setting value ω ** according to the sensor 83 may be used, or any method may be used.

図9は、実施の形態1におけるモータ駆動装置の他の応用例としてハンドドライヤーの構成の一例を示す図である。図9において、ハンドドライヤー90は、ケーシング91、手検知センサ92、水受け部93、ドレン容器94、カバー96、センサ97及び吸気口98を備える。ケーシング91内には、実施の形態1のモータ駆動装置によって駆動される図示しない電動送風機が設けられている。ハンドドライヤー90では、水受け部93の上部にある手挿入部99に手を挿入することで電動送風機による送風で水を吹き飛ばし、水受け部93からドレン容器94へと水を溜めこむ構造となっている。センサ97は、ジャイロセンサ及び人感センサのいずれかであり、センサ97に応じて回転数設定値ω**を自動設定するようにインバータ制御部4の制御系を構成すればよい。 FIG. 9 is a diagram showing an example of the configuration of a hand dryer as another application example of the motor drive device according to the first embodiment. In FIG. 9, the hand dryer 90 includes a casing 91, a hand detection sensor 92, a water receiving portion 93, a drain container 94, a cover 96, a sensor 97, and an intake port 98. An electric blower (not shown) driven by the motor drive device of the first embodiment is provided in the casing 91. The hand dryer 90 has a structure in which water is blown off by blowing air from an electric blower by inserting a hand into the hand insertion portion 99 above the water receiving portion 93, and water is stored from the water receiving portion 93 into the drain container 94. ing. The sensor 97 is either a gyro sensor or a motion sensor, and the control system of the inverter control unit 4 may be configured so as to automatically set the rotation speed setting value ω ** according to the sensor 97.

次に、q軸電流指令値生成部47に関して説明する。q軸電流指令値生成部47からはq軸電流指令値I*が出力される。q軸電流Iは、前述の通り無効電力を制御する操作量になる。無効電力は実際の仕事量に寄与しない電力である。ただし、無効電力が増加するとモータ電流Iが増加するので効率が悪化する。このため、通常は、q軸電流指令値I*=0となるように設定する。ただし、弱め界磁などの制御手法を併用する場合には、回転数の増加に応じて無効電力をゼロ以外に制御することもあり得る。このような場合には、q軸電流指令値I*をテーブルデータとしてq軸電流指令値生成部47に保持させるようにしてもよい。 Next, the q-axis current command value generation unit 47 will be described. The q-axis current command value generation unit 47 outputs the q-axis current command value I q *. The q-axis current I q is an operation amount for controlling the reactive power as described above. Reactive power is power that does not contribute to the actual amount of work. However, when the reactive power increases, the motor current Im increases, so that the efficiency deteriorates. Therefore, normally, the q-axis current command value I q * = 0 is set. However, when a control method such as field weakening is used in combination, the negative power may be controlled to a value other than zero according to the increase in the number of rotations. In such a case, the q-axis current command value I q * may be held by the q-axis current command value generation unit 47 as table data.

以上の構成により、回転数推定値ω^が回転数指令値ω*に一致するようにd軸電流Iにより有効電力を制御することができる。具体的に説明すると、回転数指令値ω*が増加した際には有効電力が増加するようにd軸電流Iを制御し、回転数指令値ω*が減少した際には有効電力が減少するようにd軸電流Iを制御する。また、同時に無効電力をq軸電流Iにより制御することも可能であり、モータ駆動時の力率を制御することも可能である。これにより、例えば無効電力がゼロとなるように制御することで、モータ電流Iを有効電力にのみ関係する分だけに抑制することができる。その結果、モータ電流を最小に制御し、巻線抵抗などにおける損失を含むモータの銅損、スイッチング素子におけるオン抵抗又はオン電圧による損失を含むインバータの導通損失、並びに、スイッチング素子がオンオフするときの損失であるスイッチング損失を抑制することができるので、モータ駆動装置を適用した応用製品の高効率化を実現できる。 With the above configuration, the active power can be controlled by the d-axis current I d so that the rotation speed estimated value ω ^ matches the rotation speed command value ω *. Specifically, the d-axis current Id is controlled so that the active power increases when the rotation speed command value ω * increases, and the active power decreases when the rotation speed command value ω * decreases. The d-axis current Id is controlled so as to do so. At the same time, the reactive power can be controlled by the q-axis current Iq , and the power factor at the time of driving the motor can be controlled. Thus, for example, by reactive power is controlled to be zero, it is possible to suppress only the amount that only relevant motor current I m in effective power. As a result, the motor current is controlled to the minimum, the copper loss of the motor including the loss in the winding resistance, the conduction loss of the inverter including the on-resistance or the loss due to the on-voltage in the switching element, and the on / off of the switching element. Since switching loss, which is a loss, can be suppressed, high efficiency of applied products to which a motor drive device is applied can be realized.

ここまで、モ−タ電流Iにヒルベルト変換を適用し、ヒルベルト変換したモ−タ電流Iの解析関数をdq軸座標系に座標変換して有効電力を制御する手法を説明した。次に、本実施の形態に係る手法による効果について、従来の一手法であるPQ変換を用いた制御と比較して説明する。 So far, mode - have been described a method of controlling the active power by performing coordinate transformation to the dq-axis coordinate system parsing functions motor current I m - applying a Hilbert transform to the data current I m, Hilbert transformed mode. Next, the effect of the method according to the present embodiment will be described in comparison with the control using the PQ conversion, which is one of the conventional methods.

まず、単相交流におけるPQ変換を表す式は、以下の(15−1)及び(15−2)式で定義される。 First, the equations representing the PQ conversion in single-phase alternating current are defined by the following equations (15-1) and (15-2).

Figure 0006896032
Figure 0006896032

上記(15−1)及び(15−2)式において、IはP軸電流、IはQ軸電流を表している。また、(15−1)及び(15−2)式では、ロータ回転位置推定値θ^を使用して座標変換を行っているが、あくまでも一例であり、これに限定されるものではない。 In the above (15-1) and (15-2) below, I P is the P-axis current, I Q represents the Q-axis current. Further, in the equations (15-1) and (15-2), the coordinate transformation is performed using the rotor rotation position estimated value θ m ^, but this is merely an example and is not limited thereto.

前述の通り、単相交流電力瞬時値P(t)は(9)式で表されるため、(9)式に(15−1)及び(15−2)式を代入すると、以下の(16)式が得られる。 As described above, the single-phase AC power instantaneous value P m (t) is expressed by the equation (9). Therefore, when the equations (15-1) and (15-2) are substituted into the equation (9), the following ( 16) Equation is obtained.

Figure 0006896032
Figure 0006896032

上記(16)式によれば、P軸電流Iによって有効電力が制御可能であり、Q軸電流Iによって無効電力が制御可能であると言うことはできる。しかしながら、d軸電流I及びq軸電流Iを表す(7)式と、P軸電流I及びQ軸電流Iを表す(15−1)及び(15−2)式とを比較すると各数式が表す意味が大きく異なる。 According to the above (16), an active power can be controlled by the P-axis current I P, to say that the reactive power by the Q-axis current I Q is controllable can. However, representative of the d-axis current I d and the q-axis current I q and (7), is compared with the representative of the P-axis current I P and Q-axis current I Q (15-1) and (15-2) below The meaning of each formula is very different.

より詳細に説明すると、(15−1)及び(15−2)式に示されるP軸電流I及びQ軸電流Iでは、三角関数内に交流成分であるインバータ出力電圧位相θが含まれている。これにより、第1の電流制御部411及び第2の電流制御部412のような電流制御を行うにあたって、P軸電流I及びQ軸電流Iには交流成分が含まれるため、周波数特性を考慮した設計を行う必要がある。特に、電気掃除機のような高速回転するモータが制御対象の場合、P軸電流I及びQ軸電流Iの周波数範囲が広いため、広帯域での特性を考慮した制御設計が必要となり、制御設計が困難となる。 More particularly, (15-1) and (15-2), the P-axis current I P and Q-axis current I Q shown in equation includes the inverter output voltage phase theta V is an AC component in the trigonometric It has been. Thus, when the current control is performed such as the first current control section 411 and the second current control section 412, since the P-axis current I P and Q-axis current I Q contains AC component, the frequency characteristic It is necessary to design in consideration. In particular, when the motor rotating at a high speed such as a vacuum cleaner of the controlled object, since the frequency range of the P-axis current I P and Q-axis current I Q is wide, it is necessary to control design considering the characteristics of a wide band, control Design becomes difficult.

これに対し、(7)式に示されるd軸電流I及びq軸電流Iでは、三角関数の引数が交流成分を含まない力率角φであり、d軸電流I及びq軸電流Iは直流量となる。このため、本実施の形態に係る制御手法では、PQ変換による制御の課題である周波数特性については考慮する必要がなく、また制御対象であるモータの回転数範囲にも依存しない制御が可能となる。 On the other hand, in the d-axis current I d and the q-axis current I q shown in Eq. (7), the argument of the trigonometric function is the power factor angle φ that does not include the AC component, and the d-axis current I d and the q-axis current I q is the amount of DC. Therefore, in the control method according to the present embodiment, it is not necessary to consider the frequency characteristic, which is a problem of control by PQ conversion, and control that does not depend on the rotation speed range of the motor to be controlled becomes possible. ..

なお、実施の形態1では、ヒルベルト変換によってモータ電流の瞬時ベクトルを生成し、当該瞬時ベクトルをインバータ出力電圧位相上でdq座標軸上の電流成分に変換する手法について説明したが、ヒルベルト変換に準ずる手法もしくは異なる手法によってモータ電流の瞬時ベクトルを生成してもよい。肝要な点は、座標変換後のモータ電流に含まれる交流成分が直流成分に比べて小さければよく、座標変換後のモータ電流は直流量として見なすことができる。 In the first embodiment, a method of generating an instantaneous vector of the motor current by Hilbert transform and converting the instantaneous vector into a current component on the dq coordinate axis on the inverter output voltage phase has been described, but a method similar to the Hilbert transform has been described. Alternatively, an instantaneous vector of the motor current may be generated by a different method. The important point is that the AC component contained in the motor current after the coordinate conversion should be smaller than the DC component, and the motor current after the coordinate conversion can be regarded as a DC amount.

座標変換後のモータ電流を直流量として扱うことができれば、電流制御器の設計に際して周波数特性を考慮する必要がなく、制御構築を容易に実現できる。 If the motor current after coordinate conversion can be treated as a DC amount, it is not necessary to consider the frequency characteristics when designing the current controller, and the control construction can be easily realized.

また、前述の通り、モータ回転数に応じた必要な有効電力を制御することができるため、高効率な制御を実現できる。特に、図8に示す電気掃除機のような高速回転する負荷装置を内蔵バッテリーにより駆動する場合には、バッテリーでの駆動時間を長時間化することができる。更には、高効率駆動である利点を活かして、バッテリーの容量を削減することもできるため、負荷装置の小型化を図ることができる。 Further, as described above, since the required active power can be controlled according to the motor rotation speed, highly efficient control can be realized. In particular, when a load device that rotates at high speed such as the vacuum cleaner shown in FIG. 8 is driven by the built-in battery, the driving time by the battery can be extended. Furthermore, the capacity of the battery can be reduced by taking advantage of the high-efficiency drive, so that the load device can be miniaturized.

実施の形態2.
実施の形態1では、単相PMモータ向けの回転数制御及び電力制御に関する説明を行った。実施の形態2では、図1に示すモータ制御装置の構成は同一とし、インバータ制御部4における追加動作に関する説明を行う。なお、インバータ制御部4における追加動作の説明を行う前に、図6に示したベクトル図に対して再度の説明を行う。
Embodiment 2.
In the first embodiment, the rotation speed control and the power control for the single-phase PM motor have been described. In the second embodiment, the configuration of the motor control device shown in FIG. 1 is the same, and the additional operation of the inverter control unit 4 will be described. Before explaining the additional operation in the inverter control unit 4, the vector diagram shown in FIG. 6 will be described again.

単相PMモータのロータ磁石の磁束量(以下「ロータ磁石磁束」と称する)をΦrotorとする。ここで、実施の形態2では、ロータ回転位置θとロータ磁石磁束Φrotorとの関係性を図10のように定義したとする。図10の関係を、ロータ磁石磁束Φrotorをロータ回転位置推定値θ^の関数として表すと、以下の(17)式で表すことができる。 The amount of magnetic flux of the rotor magnet of the single-phase PM motor (hereinafter referred to as "rotor magnet magnetic flux") is defined as Φ rotor . Here, in the second embodiment, it is assumed that the relationship between the rotor rotation position θ m and the rotor magnet magnetic flux Φ rotor is defined as shown in FIG. The relationship of FIG. 10 can be expressed by the following equation (17) when the rotor magnet magnetic flux Φ rotor is expressed as a function of the rotor rotation position estimated value θ m ^.

Figure 0006896032
Figure 0006896032

なお、上記(17)式では、θ=θ^と仮定している。また、Φrotor_maxは、ロータ磁石磁束Φrotorの最大値である。 In the above equation (17), it is assumed that θ m = θ m ^. Further, Φ rotor_max is the maximum value of the rotor magnet magnetic flux Φ rotor.

(17)式で表されるロータ磁石磁束Φrotorを図6のベクトル図に追加すると、図11が得られる。図11は、実施の形態1と同様に、d軸電流I及びq軸電流Iを(5)式で定義した場合のベクトル図である。 When the rotor magnet magnetic flux Φ rotor represented by the equation (17) is added to the vector diagram of FIG. 6, FIG. 11 is obtained. FIG. 11 is a vector diagram in the case where the d-axis current I d and the q-axis current I q are defined by the equation (5) as in the first embodiment.

ここで、(5)式で定義されたd軸電流I及びq軸電流Iは、インバータ出力電圧の瞬時ベクトルV上にd軸を設定した場合の定義となる。次に、図12のようにロータ磁石磁束Φrotor上にd軸を設定した場合について検討する。この場合、d軸電流I及びq軸電流Iは(18)式で再定義される。 Here, (5) the d-axis current I d and a q-axis current I q as defined in formula, the definitions of setting the d-axis instantaneous vector V on the inverter output voltage. Next, a case where the d-axis is set on the rotor magnet magnetic flux Φ rotor as shown in FIG. 12 will be examined. In this case, the d-axis current I d and the q-axis current I q are redefined by Eq. (18).

Figure 0006896032
Figure 0006896032

図12より、ロータ磁石磁束Φrotorに対して、d軸電流Iは平行であり、q軸電流Iは直交する。したがって、d軸電流Iは励磁成分電流と見なし、q軸電流Iはトルク成分電流と見なすことができる。これにより、q軸電流Iを操作することにより、トルク制御が可能となる。 From FIG. 12, the d-axis current I d is parallel to the rotor magnet magnetic flux Φ rotor , and the q-axis current I q is orthogonal to the rotor magnet magnetic flux Φ rotor. Therefore, the d-axis current I d can be regarded as an exciting component current, and the q-axis current I q can be regarded as a torque component current. As a result, torque control becomes possible by manipulating the q-axis current I q.

ここで、実施の形態1にて定義したインバータ出力電圧の瞬時値v(t)及びモータ電流の瞬時値i(t)を表す(8)式を以下に再掲する。 Here, shown again the instantaneous value v m (t) and representing the instantaneous value i m (t) of the motor current (8) of the inverter output voltage as defined in the first embodiment as follows.

Figure 0006896032
Figure 0006896032

図12において、インバータ出力電圧位相θは、以下の(20)式で表される。 In FIG. 12, the inverter output voltage phase θ V is represented by the following equation (20).

Figure 0006896032
Figure 0006896032

上記(20)式において、θVVは、インバータ出力電圧の瞬時ベクトルVのd軸に対する進み角(以下「インバータ出力電圧進角」と称する)であり、以下の(21)式で表される。 In the above equation (20), θ VV is the advance angle of the instantaneous vector V → of the inverter output voltage with respect to the d-axis (hereinafter referred to as “inverter output voltage advance angle”), and is represented by the following equation (21). ..

Figure 0006896032
Figure 0006896032

(6)式及び(21)式を(19)式に代入すると、d軸電流I及びq軸電流Iと、Ireal及びIimaginalとの間の関係性を表す、以下の(22)式が得られる。 Substituting Eqs. (6) and (21) into Eq. (19), the following (22) shows the relationship between the d-axis currents I d and the q-axis currents I q and the I real and I image. The formula is obtained.

Figure 0006896032
Figure 0006896032

(22)式より、定常状態では、インバータ出力電圧進角θVV及び力率角φは一定と見なすことができるため、図12のベクトル図においても、d軸電流I及びq軸電流Iは直流量として見なすことができる。このため、実施の形態1と同様の制御構成を実現可能である。 From the equation (22), since the inverter output voltage advance angle θ VV and the power factor angle φ can be regarded as constant in the steady state, the d-axis current I d and the q-axis current I q also in the vector diagram of FIG. Can be regarded as a DC quantity. Therefore, the same control configuration as in the first embodiment can be realized.

図13は、実施の形態2におけるインバータ制御部4の構成を示すブロック図である。図13において、図3に示す実施の形態1の構成と同一又は同等の部位については、同一符号を付している。実施の形態1と差異点について説明すると以下の通りである。 FIG. 13 is a block diagram showing the configuration of the inverter control unit 4 according to the second embodiment. In FIG. 13, the same or equivalent parts as those of the configuration of the first embodiment shown in FIG. 3 are designated by the same reference numerals. The differences from the first embodiment will be described below.

まず、第1の座標変換部431については、上述の通り、座標変換するdq軸の定義が異なっている。このため、実施の形態2の第1の座標変換部431では、ロータ回転位置推定値をθ^を入力とし、(18)式により座標変換を行う。すなわち、図12の例によれば、第1の座標変換部431は、モータ電流Iの瞬時ベクトルIをロータ回転位置θ上で座標変換を行っている。 First, with respect to the first coordinate conversion unit 431, as described above, the definition of the dq axis for coordinate conversion is different. Therefore, in the first coordinate conversion unit 431 of the second embodiment, the rotor rotation position estimated value is input to θ m ^, and the coordinate conversion is performed by the equation (18). That is, according to the example of FIG. 12, the first coordinate conversion unit 431 is performing coordinate conversion of the instantaneous vector I motor current I m on the rotor rotational position theta m.

また、第2の電流制御部412はq軸電流Iを制御するが、前述の通り、実施の形態1と異なり、トルク電流成分と見なすことができるため、第2の電流制御部412は、回転数制御のマイナーループとしてq軸の電流制御部として設定する。 Further, the second current control unit 412 controls the q-axis current I q , but as described above, unlike the first embodiment, it can be regarded as a torque current component, so that the second current control unit 412 can be regarded as a torque current component. It is set as a q-axis current control unit as a minor loop for rotation speed control.

以上が、実施の形態1と実施の形態2との差異点である。なお、第1の電流制御部411、回転数制御部42、モータ位置及び回転数検出部44及び回転数指令値生成部45については、実施の形態1と同様のため、詳細な説明は省略する。 The above is the difference between the first embodiment and the second embodiment. Since the first current control unit 411, the rotation speed control unit 42, the motor position and rotation speed detection unit 44, and the rotation speed command value generation unit 45 are the same as those in the first embodiment, detailed description thereof will be omitted. ..

以上の構成により、実施の形態1と同様に単相PMモータの回転数制御を実現することができ、実施の形態1と同様な効果を得ることができる。 With the above configuration, the rotation speed control of the single-phase PM motor can be realized as in the first embodiment, and the same effect as that of the first embodiment can be obtained.

最後に、実施の形態1,2における各種の制御部をソフトウェアで実現する際のハードウェア構成について、図14を参照して説明する。なお、ここでいう各種の制御部とは、インバータ制御部4における、第1の電流制御部411、第2の電流制御部412、回転数制御部42、第1の座標変換部431、第2の座標変換部432、モータ位置及び回転数検出部44、回転数指令値生成部45、スイッチング素子駆動信号生成部46、q軸電流指令値生成部47及びヒルベルト変換部48などが該当する。 Finally, the hardware configuration when the various control units according to the first and second embodiments are realized by software will be described with reference to FIG. The various control units referred to here are the first current control unit 411, the second current control unit 412, the rotation speed control unit 42, the first coordinate conversion unit 431, and the second in the inverter control unit 4. Coordinate conversion unit 432, motor position and rotation speed detection unit 44, rotation speed command value generation unit 45, switching element drive signal generation unit 46, q-axis current command value generation unit 47, Hilbert conversion unit 48, and the like correspond to the above.

上述した各種の制御手段の機能をソフトウェアで実現する場合には、図14に示すように、演算を行うCPU(Central Processing Unit:中央処理装置)200、CPU200によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ202及び信号の入出力を行うインタフェース204を含む構成とすることができる。なお、CPU200は、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、又はDSP(Digital Signal Processor)などと称されるものであってもよい。また、メモリ202とは、例えば、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable ROM)、EEPROM(Electrically EPROM)などの、不揮発性又は揮発性の半導体メモリなどが該当する。 When the functions of the various control means described above are realized by software, as shown in FIG. 14, a CPU (Central Processing Unit) 200 that performs calculations and a memory in which a program read by the CPU 200 is stored. The configuration may include 202 and an interface 204 for inputting / outputting signals. The CPU 200 may be referred to as an arithmetic unit, a microprocessor, a microcomputer, a processor, a DSP (Digital Signal Processor), or the like. The memory 202 is, for example, a non-volatile or volatile semiconductor memory such as a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), a flash memory, an EPROM (Erasable Program ROM), or an EPROM (Electrically EPROM). Applies to.

具体的に、メモリ202には、各種の制御手段の機能を実行するプログラムが格納されている。CPU200は、インタフェース204を介して、必要な情報の授受を行うことにより、本実施の形態で説明された各種の演算処理を実行する。 Specifically, the memory 202 stores programs that execute the functions of various control means. The CPU 200 executes various arithmetic processes described in the present embodiment by exchanging and exchanging necessary information via the interface 204.

なお、図14に示すCPU200及びメモリ202は、図15のように処理回路203に置き換えてもよい。処理回路203は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field−Programmable Gate Array)、又は、これらを組み合わせたものが該当する。 The CPU 200 and the memory 202 shown in FIG. 14 may be replaced with the processing circuit 203 as shown in FIG. The processing circuit 203 includes, for example, a single circuit, a composite circuit, a programmed processor, a parallel programmed processor, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an FPGA (Field-Programmable Gate Array), or a combination thereof. Applicable.

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。 The configuration shown in the above-described embodiment shows an example of the content of the present invention, can be combined with another known technique, and is configured without departing from the gist of the present invention. It is also possible to omit or change a part of.

1 直流電源、2 単相インバータ、3 単相PMモータ、3a ロータ、4 インバータ制御部、5 モータ電流検出部、6 直流電源電圧検出部、7 ロータ位置検出部、8 電気掃除機、42 回転数制御部、44 モータ位置及び回転数検出部、45 回転数指令値生成部、46 スイッチング素子駆動信号生成部、47 q軸電流指令値生成部、48 ヒルベルト変換部、81 電動送風機、82 集塵室、83 センサ、84 吸込口体、85 延長管、86 操作部、86a 操作スイッチ、90 ハンドドライヤー、91 ケーシング、92 手検知センサ、93 水受け部、94 ドレン容器、96 カバー、97 センサ、98 吸気口、99 手挿入部、100 モータ駆動装置、200 CPU、202 メモリ、203 処理回路、204 インタフェース、211〜214 スイッチング素子、221〜224 ダイオード、411 第1の電流制御部、412 第2の電流制御部、431 第1の座標変換部、432 第2の座標変換部。 1 DC power supply, 2 single-phase inverter, 3 single-phase PM motor, 3a rotor, 4 inverter control unit, 5 motor current detector, 6 DC power supply voltage detector, 7 rotor position detector, 8 electric vacuum cleaner, 42 rotations Control unit, 44 motor position and rotation speed detection unit, 45 rotation speed command value generation unit, 46 switching element drive signal generation unit, 47 q-axis current command value generation unit, 48 hill belt conversion unit, 81 electric blower, 82 dust collection chamber , 83 sensor, 84 suction port, 85 extension tube, 86 operation unit, 86a operation switch, 90 hand dryer, 91 casing, 92 hand detection sensor, 93 water receiver, 94 drain container, 96 cover, 97 sensor, 98 intake Port, 99 manual insertion part, 100 motor drive, 200 CPU, 202 memory, 203 processing circuit, 204 interface, 211-214 switching element, 221-224 diode, 411 first current control part, 412 second current control 431 First coordinate conversion unit, 432 Second coordinate conversion unit.

Claims (9)

単相永久磁石同期モータを駆動するモータ駆動装置であって、
複数のスイッチング素子を具備し、前記単相永久磁石同期モータに交流電圧を印加する単相インバータと、
前記単相永久磁石同期モータに流れるモータ電流に応じたモータ電流検出信号を出力するモータ電流検出部と、
前記モータ電流検出信号を入力とし前記スイッチング素子の駆動信号を出力するインバータ制御部と、
を備え、
前記インバータ制御部は、前記単相永久磁石同期モータの回転数に応じて有効電力及び無効電力を制御する
モータ駆動装置。
A motor drive device that drives a single-phase permanent magnet synchronous motor.
A single-phase inverter equipped with a plurality of switching elements and applying an AC voltage to the single-phase permanent magnet synchronous motor.
A motor current detector that outputs a motor current detection signal according to the motor current flowing through the single-phase permanent magnet synchronous motor, and a motor current detector.
An inverter control unit that receives the motor current detection signal as an input and outputs a drive signal of the switching element.
With
The inverter control unit is a motor drive device that controls active power and ineffective power according to the rotation speed of the single-phase permanent magnet synchronous motor.
前記モータの回転数が第1の値を超えた際に前記モータ電流から求まるq軸電流が増加するように前記単相インバータを制御する請求項1に記載のモータ駆動装置。 The motor drive device according to claim 1, wherein the single-phase inverter is controlled so that the q-axis current obtained from the motor current increases when the rotation speed of the motor exceeds the first value. 前記インバータ制御部は、前記モータ電流をヒルベルト変換によって瞬時電流ベクトルを生成する請求項1又は2に記載のモータ駆動装置。 The motor drive device according to claim 1 or 2, wherein the inverter control unit generates an instantaneous current vector by converting the motor current into a Hilbert transform. 前記インバータ制御部は、前記瞬時電流ベクトルを前記単相インバータの出力電圧位相上で座標変換する座標変換部を備える請求項3に記載のモータ駆動装置。 The motor drive device according to claim 3, wherein the inverter control unit includes a coordinate conversion unit that performs coordinate conversion of the instantaneous current vector on the output voltage phase of the single-phase inverter. 前記インバータ制御部は、前記瞬時電流ベクトルを前記単相永久磁石同期モータのロータ回転位置上で座標変換する座標変換部を備える請求項3に記載のモータ駆動装置。 The motor drive device according to claim 3, wherein the inverter control unit includes a coordinate conversion unit that converts the instantaneous current vector into coordinates on the rotor rotation position of the single-phase permanent magnet synchronous motor. 前記インバータ制御部は、座標変換後のモータ電流を制御する電流制御部を備える請求項1から5の何れか1項に記載のモータ駆動装置。 The motor drive device according to any one of claims 1 to 5, wherein the inverter control unit includes a current control unit that controls a motor current after coordinate conversion. 前記インバータ制御部は、前記単相永久磁石同期モータの回転数を指令値通りに制御する回転数制御部を備え、前記回転数制御部の出力を前記電流制御部における電流指令値とする請求項6に記載のモータ駆動装置。 The inverter control unit includes a rotation speed control unit that controls the rotation speed of the single-phase permanent magnet synchronous motor according to a command value, and uses the output of the rotation speed control unit as a current command value in the current control unit. 6. The motor drive device according to 6. 請求項1から7の何れか1項に記載のモータ駆動装置を搭載した電気掃除機。 An electric vacuum cleaner equipped with the motor drive device according to any one of claims 1 to 7. 請求項1から7の何れか1項に記載のモータ駆動装置を搭載したハンドドライヤー。 A hand dryer equipped with the motor drive device according to any one of claims 1 to 7.
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