JPH0223086A - 誘導電導機の制御方法 - Google Patents

誘導電導機の制御方法

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JPH0223086A
JPH0223086A JP63168446A JP16844688A JPH0223086A JP H0223086 A JPH0223086 A JP H0223086A JP 63168446 A JP63168446 A JP 63168446A JP 16844688 A JP16844688 A JP 16844688A JP H0223086 A JPH0223086 A JP H0223086A
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JP
Japan
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torque
magnetic flux
induction motor
excitation current
angular frequency
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JP63168446A
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Tokukazu Endo
遠藤 徳和
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Toyota Motor Corp
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Toyota Motor Corp
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、電気自動車などに用いる誘導電動機の制御
方法、特にそのエネルギー効率の改善に関する。
[従来の技術] 従来から交流電動機のトルク応答制御として、1次電流
を励磁電流とトルク電流に分解して考えるベクトル制御
が広く行われている。そして、誘導電動機のベクトル制
御は通常励磁電流を一定値としておき、トルク電流を変
更して出力トルクを制御している。
また、特公昭61−59071号公報には誘導電動機の
回転数が所定値まで増加した時には、励磁電流を減少さ
せる界磁弱め制御について示されている。
さらに、特開昭58−49092号公報には、誘導電動
機の低負荷時において、励磁電流をあらかじめ定められ
た一定の比率で減少し、界磁弱め制御を行うことが示さ
れている。
また、各出力トルク毎に最適な励磁電流値、トルク電流
値を実験により求めておき、この実験データに基づいて
、励磁電流値、トルク電流値を制御する方法も知られて
いる。
そして、前記励磁電流を変化させて誘導電動機を最大効
率で運転するための制御が電気学会回転機研究会資料8
5−3に示されている。
この従来における制御は銅損が最少となるようにすべり
周波数を定め、この回転速度と出力トルクの両方に依存
することなく一定に定められるすべり周波数に応じて励
磁電流を変化させることによって誘導電動機を高効率で
運転制御するものである。
さらに、従来の他の制御方法として、誘導機を簡易ベク
トル制御する際に磁気飽和とトルク効率を考慮する方法
が電気学会全国大会論文集6〇−670に記されている
。そして、この従来方法によれば、磁性材の磁気飽和が
最大トルクを与えるすべり周波数に影響することが示唆
されている。
[発明が解決しようとする課題] このような従来の誘導電動機の制御方法においては、次
のような課題があった。
(A)励磁電流を一定とする場合は、低負荷時にエネル
ギーの損失が大きいという問題があった。
つまり、励磁電流を一定値とする場合は必要とされる最
大トルクに対応する値に励磁電流を固定する必要がある
。このため、低負荷領域においては、励磁電流が必要以
上に大きくなり、エネルギー損失が大きくなるという問
題があった。そして、特に電気自動車の駆動源としての
誘導電動機のような場合、発進時、急加速時、登り坂走
行時など高負荷の場合が多くある。このため、このよう
な高トルク時に合わせて励磁電流値を設定すると、低ト
ルク時のエネルギーロスが非常に大きくなる。
(B)特公昭61−59071号公報記載のように高回
転時に界磁弱め制御を行っても、低負荷時のエネルギー
損失を減少することはできない。
(C)特開昭57−49092号公報記載のように、低
負荷時に界磁弱め制御を行えば、ある程度のエネルギー
ロスの改善は図れる。しかし、励磁電流値を最適値にで
きる訳ではなく、十分なエネルギー効率の改善は図れな
かった。また、トルク電流と励磁電流の配分を変更する
と、磁束が励磁電流に対して一次遅れになっていること
に起因して、過渡的にトルクはこれらの積に比例しなく
なり正確なトルク制御が行えなかった。
(D)最適値を予め求めた実験データによって求める方
法によれば、かなりの場合に適当な励磁電流、トルク電
流の設定が行え、エネルギーロスを減少できる。しかし
、この方法で精度を上げるためには、実験量をそれだけ
多くしなければならず、また実験条件の設定上の都合上
すべての場合に十分な対応をすることは困難であった。
(E)また、従来において、効率の高い制御を行うため
励磁電流を変化させ、このときに銅損を考慮し、さらに
磁気飽和をこれらのベクトル制御に考慮することを示唆
するものがあったが、いずれの励磁電流制御においても
、ステータの磁化特性から最高効率の一次電流を求める
という制御方法は行われていなかった。
本発明は上記従来の課題に鑑み為されたものであり、そ
の目的は、ステータの磁化特性を考慮して所望のトルク
出力が得られる励磁電流を正しく求め、これによって広
範囲のトルク領域において効率の高い制御を行うことの
できる改良された制御方法を提供することにある。
[課題を解決するための手段] 上記目的を達成するために、本発明は、トルク指令値に
基づいて誘導電動機への電力供給を励磁電流とトルク電
流とに分けてベクトル制御する誘導電動機の制御方法に
おいて、 ステータに用いる磁性材の磁化曲線から励磁電流に対す
るインダクタンスを求め、前記トルクをパラメータとし
た励磁電流とインダクタンスとの関係から所望のトルク
を得るために最適効率の励磁電流を求め、誘導電動機の
出力トルクをトルク指令値に対応させることを特徴とす
る。
[作用] 従って、本発明によれば、広範囲のトルク変動領域にお
いて最適な励磁電流制御が行われ、これによって従来一
定であった磁束電流を指令トルクに応じて変化させ、効
率のよいベクトル制御を可能とする。
そして、本発明によれば、前記ベクトル制御を行うとき
に、ステータの磁化特性によってインダクタンス、特に
相互インダクタンスが一定でなく、励磁電流の増加にし
たがって、磁気飽和によりインダクタンスが低下するこ
とに着目し、必要な出力トルクをパラメータとして磁化
特性に応じて励磁電流とインダクタンスとの関係から前
記磁気飽和を補償することのできる励磁電流を求め、こ
れによって必要なトルクを出力し、実際の誘導電動機に
最適な高効率ベクトル制御を可能とする。
[実施例] この発明に係る誘導電動機の制御方法を適用した電気自
動車の一実施例について図面に基づいて説明する。
バッテリ10からの直流電力は、インバータ主回路12
のスイッチングトランジスタ(図示せず)のスイッチン
グ制御によって、所定の交流電力に変換され、誘導電動
機14に供給される。そして、誘導電動Fa14が駆動
制御されることによって、電気自動屯が走行制御される
この誘導電動機14の回転数ωrはタコジェネレータ1
6によって検出される。そして、この回転数ωrは磁束
Φ2指令口路18に供給される。
この磁束Φ2指令回路18は、トルク指令値* Tq から求めた2次磁束Φ2をベクトル制御回路10
0に供給すると共に、ωS 指令回路2Gに供給する。
ここで、この磁束Φ2指令回路18にはトルク指令値T
q から計算によって求められた2次磁束Φ2が供給さ
れるが、この発明では2次磁束Φ2の算出に最適すべり
角周波数演算回路22によって得られた最適すべり角周
波数ωs winを利用する。そこで、この最適すべり
角周波数ωSm1nの算出について説明する。
この最適すべり一角周波数の05m1nの算出は、誘導
電動機14の定常回転時において、特定のすべり角周波
数で誘導電動機14の銅損が最小となることを基本とす
る。そして、2次磁束が飽和しない範囲内では、すべり
角周波数ωSをこの演算によって得た特定のすべり角周
波数、つまりこの最適すべり角周波数ωs ll1nに
保持するのである。
また、トルク応答性をベクトル制御と同等とする為、励
磁電流■ を2次磁束Φ2を微分することによって求め
る。このようにすることによって、トルク指令Tq が
変化した場合にもトルク出力を制御できるようになる。
そして、誘導電動機14を2軸変換した場合の等価回路
を第2図に示す。これによれば、次のような関係が成立
つことが分る。
1ld−(Φ、 +に−d/d t (Φ9))7M i  q−K・ωS・027M ■ i  d −−(1/R) xd/d t (Φ2)i
q−一ωS・Φ2/R2 ここで、idは1次側励磁電流で1゜に対応■ するものであり、11qは1次側トルク電流でItに対
応するものであり、12dは、1.qはそれぞれ2次側
の励磁方向電流、トルク方向電流である。また、ωSは
すべり角周波数、Kは2次側インダクタンスL2と2次
側漏れインダクタンスの和を2次側抵抗R2で除算した
もの(K−(L  +f  )/R)、Φ2は2次側磁
束である。
また、出力トルクTは、 T■Φ2・12Q であり、これをすべり周波数ωSを使って表せば次のよ
うになる。
T−ωSΦ 2/R ここで、誘電電動機14における抵抗への電流流通の際
のエネルギー損失である鋼損りは、電流の2乗に抵抗を
乗算して得られる。そして、定常状態ではdΦ/dtが
0となるので損失しは次式%式% ] この銅損りを最小にするωS、つまり最適すべり角周波
数ωs akinを求める為には、この銅損りをωSで
微分し、これが0となるωSを求めればよい。このよう
にして、最適すべり角周波数ω5sinが次式のように
求められる。
+R(L  +j!  )2)]  ””このようにし
て求めた最適すべり周波数ωs l1inは回転数ωr
、  トルクTに無関係である。
このため、過渡期間を含めてすべり角周波数ωSをこの
最適すべり角周波数ωs ff1inに保持すれば、銅
損りを最小限とした状態での制御が行えることになる。
そこで、最適すべり角周波数演算回路22は上述のよう
に誘導電動機14の特性値から最適すべり角周波数ωs
 1Iinを演算算出している。
本発明において特徴的なことは、励磁電流を変化させて
ベクトル制御を行う場合、例えば実施例において前述し
たごとき最適すべり角周波数ωSm1nを演算するに際
し、従来一定値とされていたインダクタンス、特に前述
した実施例によれば、第2図の相互インダクタンスMが
ステータの磁化特性によって変化することを考慮したこ
とにある。
第4図には励磁電流idと磁束Φ2との関係、■ すなわち磁化曲線の一例が示されており、実線で示され
る如く励磁電流の増加にしたがって磁束は飽和に近付く
ので曲線的に増加の度合いが低下することが理解される
。第4図において、励磁電流に応じて3種類の相互イン
ダクタンスM1〜M3が励磁電流と磁束の傾きとして示
されており、図のごとく励磁電流の増加にしたがって相
互インダクタンスMが低下することが理解される。
第5図には前記第4図の特性を他の形、すなわち励磁電
流rtdと相互インダクタンスMとの関係として示した
ものであり、図の破線が相互インダクタンスMの特性を
示し、図示のごとく、励磁電流の増加によって相互イン
ダクタンスMが低下していることが理解される。
そして、T1〜T4で示される特性は所望のトルクTを
パラメータとしたときの励磁電流と相互インダクタンス
との特性であり、第5図から所望のトルクTが定まれば
、このときに最適効率でモータ制御するときの励磁電流
は各トルクTをパラメータとしたときの実線と相互イン
ダクタンスMの破線で示される特性との交点で求められ
ることとなる。
そして、前述したすべり角周波数ωSを使って求めたト
ルクTの式に前述した最適すべり角周波数ωs sin
を求める式を代入すると、2.2 T−M  −t  d  [R/fM2Rt     
t      2 +(L  +1  )2Rl]” ここで、〜伯L 〉〉J!2 なので (L2+12)丑Mとすると1 、    2                  0
.5T−M−1ld   fR1/ (R1+R2)1
0.5 M−T−((R1+R2)/R11 /1 d2 ■ となる。
従って、上記式により、トルク指令が定まれば、このと
きの励磁電流と相互インダクタンスとの関係が定まり、
これを前記第5図のトルクTをパラメータとした相互イ
ンダクタンスの非線形特性から最適条件、すなわち必要
なトルクを得るための励磁電流と相互インダクタンスと
の値が得られる。
従って、トルク指令値Tq に対し、モータ温度から一
次電流Rに次電流R2を求め、前記トルク指令から定ま
る相互インダクタンスMと励磁電流11dから最適すべ
り角周波数ωs winを求めることができる。
そして、この最適すべり角周波数ωswanは除算器2
4に供給されるが、この除算器24には乗算器26で2
次側抵抗R2が乗算されたトルク指令値Tq が供給さ
れ、ここでこれらの割算が行なわれる。この演算結果は
ルート7anrI28にてさらに演算され2次磁束Φ2
が算出され、これが磁束の2指令回路18に供給される
つまり、2次磁束Φ2は次式によって演算算出される。
0.5 Φ −(Tq −R2/ω5llin)また、磁束Φ2
指令回路18及びωS 指令回路20においては、この
ようにして得られた2次磁束Φ2を予め求められている
最大磁束Φa+aXと比較する。これは、出力電圧には
上限があり、また磁束密度が飽和に達するとそれ以上2
次磁束Φ2を大きくできないため、これらを考慮した限
界値ΦmaXをあらかじめ記憶しておき、これと計算に
よって求められた2次磁束Φ2を比較し出力する2次磁
束指令値Φ2 が最大磁束Φff1aXを越えないよう
にするためである。
つまり、磁束Φ2指令回路18は2次磁束Φ2が最大磁
束Φll1axより大きい場合は、2次磁束指* 令値Φ  として2次磁束Φ2に代えて最大磁束Φma
xを出力する。
Φ2−Offiax また、ωS 指令回路20は2次磁束Φ2が最大磁束Φ
ff1axより大きい場合は、すべり角周波数指令値ω
S として最適すべり角周波数ωs minに代えて次
の値を出力する。
*    2 (IJS    −R2争 Tq    / ΦIaX
このように、2次磁束が最大値になった時はこれを一定
としたまますべり角周波数指令値ωS*を変更すること
によって、従来技術と同様の出力トルクへの追従が自動
的に行える。
次に、ベクトル制御部100について説明する。
このベクトル制御部100の構成は、従来から知られて
いるものと同様であり、ここにはトルク指令値Tq 、
2次磁束指令値Φ ゝ及び回転数ω「にすべり角周波数
指令値ωS を加算器32で加算して得た電源角周波数
ω。 が供給される。
そして、インバータ主回路12ヘインバータ制御指令値
iu   1v   Lw  を供給する。
除算器42にはトルク指令値Tq と2次磁束* 指令値Φ2 が供給され、ここでTq  /Φ2の除算
が行なわれる。そして、この演算結果は定数乗算器44
に供給され、ここで定数が乗算され、トルク電流指令値
It  が演算算出され、これが2/3相変換器46に
供給される。これによって、トルク電流指令は次式のよ
うになる。
* It  −(Tq  /Φ2 ) ×(L2+12)7M ここで、L2は誘導電動機14の2次側インダクタンス
、1゜は誘導電動機14の2次側漏れインダクタンス、
Mは誘導電動機14の1次側と2次側の相互インダクタ
ンスである。
また、定数乗算器48には、2次磁束指令値* Φ2 が供給され、ここで1/Mが乗算される。
そして、この結果は2次磁束指令値Φ2 が定数乗算器
50、微分器52を経て加算器54に供給される結果と
加算され、励磁電流指令値工。 が算出される。つまり
、励磁電流指令は次のようになる。
IO−(Φ27M) +d/dtf(Φ27M) ×(L2+12)/R2) さらに、除算器56には除算器42の演算結果及び磁束
Φ2指令回路18からの2次磁束指令値Φ2*が供給さ
れ、ここでこれらの除算が行われる。そして、この除算
器56の演算結果は定数乗算器58で誘導電動機14の
2次側抵抗R2が乗算され、その結果算出されるすべり
角周波数ωSをωS 指令回路20に供給する。ここで
、このすべり角周波数ωSは次のようになる。
**2 ωswmTq xR2/Φ2 * ωS 指令回路20は2次磁束指令Φ2が最大磁束ΦW
aXより小さい場合は、最適すべり角周波数ω5m1n
をすべり角周波数指令ωS として出力し、2次磁束指
令Φ2が最大磁束Φa+axより大きい場合は、上記演
算結果のすべり角周波数指令ωSをすべり角周波数ωS
 として出力する。この出力値は、加算器32で回転数
ωrが加算され、電源周波数ω。 として2/3相変換
器46に供給される。
2/3相変換器46は、入力されたトルク電流* 指令It  、励磁電流指令■。 及び電源周波数* ω0 よりインバータ主回路におけるスイッチングを制
御する3相電流指令値iu* iv*iw*を出力する
このような第1図に示す実施例の動作をまとめると、第
3図に示すフローチャート図のようになる。
このように、2次磁束の2が最大磁束Φll1axより
小さい場合は最適すべり角周波数ωs rAinとした
最適効率制御が行なれ、2次磁束が最大磁束Φ11aX
を越えた場合は2次磁束指令値Φ2 を最大磁束Φff
1axに固定した従来と同様の処理が行われる。
以上のようにして、本実施例によれば、最大効率のベク
トル制御を行うときに、銅損を最小とする最適すべり角
周波数ω5Ilinを求め、このすべり角周波数ωs 
1linの演算時にステータの磁化特性を考慮し、具体
的には相互インダクタンスMが励磁電流にしたがって低
下することから、トルクをパラメータとして励磁電流と
相互インダクタンスとの関係を求め、この非線形相互イ
ンダクタンス特性を用いて前記最適すべり角周波数ωs
 m1nを求めたものである。
前記インダクタンスの磁化特性は磁性材固有のものであ
って、それ自体の有する物理的な磁化特性から前述した
第4図の特性が求められる。
前述した実施例は、最適すべり角周波数を求めるときに
は銅損のみが最小となる演算を行っているが、本発明に
おいて、ステータの磁化特性を用いる他の任意のベクト
ル制御が対象となり、例えば前記損失を銅損ばかりでな
く一次側鉄損を考慮することも可能である。
第6図には鉄損を考慮した場合の誘導電動機の等価回路
が示され、−次側d軸に鉄損抵抗RMか直列に挿入され
ており、他の等価回路は前述した実施例における第2図
と同様である。
そして、このような鉄損を考慮したときには、最適すべ
り角周波数のs minを求める時に銅損及び鉄損を考
慮した損失りを求め、これに基づいて最適すべり角周波
数ωs l1linが求められる。
すなわち、誘電電動機14における抵抗への電流流通の
際の銅損及び鉄損を含んだエネルギー損失しは、各成分
の電流の2乗に抵抗を乗算して?11られる。そして、
定常状態ではdΦ/dtがOとなるので損失しは次式で
表される。
−T [fl+ <L  +4  ) 2/M2XR/
RlωS+(R1+RM)R2 / M 2 ×1/ωS] ここでRMは鉄損抵抗を示す。
この損失りを最小にするωS、つまり最適すべり角周波
数ωs minを求める為には、この損失りをωSで微
分し、これがOとなるωSを求めればよい。このように
して、最適すべり角周波数ωSm1nが次式のように求
められる。
2                2   0.5・
 R2+R,(L2 +J!2 )   lコこのよう
にして求めた最適すべり角周波数ω5fflinは回転
数ωrに対応して変化し、過渡期間を含めてすべり角周
波数ωSをこの最適すべり角周波数ω5iinに保持す
れば、損失りを最小限とした状態での制御が行えること
になる。
そこで、最適すべり角周波数演算回路22は上述のよう
に誘導電動機14の特性値から最適すべり角周波数ωs
 IIunを演算算出している。
前記誘導電動機14の各特性定数は現実的にはモータ温
度あるいはモータ回転数によって変化し、例えば−次低
抗R1,R2は温度上昇と共に増加し、また鉄損抵抗R
Mは回転数の増加と共に増加する。従って、演算回路2
2はトルク指令値Tq*に対してモータ温度及びモータ
回転数から前記各モータ特性定数を決定し、これに基づ
いて最適すべり角周波数ωs akinを演算する。
また、もちろん本発明において相互インダクタンスはそ
の非線形特性に対応してトルクをパラメータとした励磁
電流との関係から求められる。
前述したごとく、本発明の他の実施例において特徴的な
ことは、従来モータ効率に対して無視されていた鉄1月
を考慮するために鉄損抵抗RMを最適すへす角周波数ω
s minを求めるために演算項目として採用したこと
であり、第8図には無負荷試験と拘束試験とにより実験
的に求めた鉄損抵抗R9の一例が示され、図示のごとく
回転数の増加と共にy、損抵抗が増加していることが理
解される。
前述したごとく本実施例によれば、前記y、損低抵抗4
は第2図から明らかなごとく、d輔−次側にのみ挿入さ
れ、q軸−次側には鉄損成分を入れることなく、これに
よって演算回路22の演算は極めて容易に行われる。
また、第7図には鉄損を考慮した時における第6図の実
施例のフローチャートが示され、前記第3図のフローチ
ャートと同様に最適すべり角周波数ωs akinを求
める時に、相互インダクタンスMがトルクTをパラメー
タとした励磁電流との関係式で求められている。
前述した各実施例において、相互インダクタンスと励磁
電流との関係は前記トルクTをパラメータとした演算式
と第4図の特性曲線から求めているが、本発明において
、これらのデータを予めマツプに記憶しておき、このマ
ツプから順次データを読出すことも勿論可能である。
[発明の効果] 以上のように、本発明に係る誘導電動機の制御方法によ
れば、励磁電流を変化させて最適効率のベクトル制御を
行う際に、ステータに用いる磁性材の非線形特性を考慮
して、指令トルクをパラメータとした励磁電流とインダ
クタンスとの関係を用いるので、広いトルク範囲におい
てエネルギー損失の少ない高効率の制御を達成すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例に係る誘導電動機の制御方
法を適用したシステムのブロック図、第2図は同実施例
の誘導電動機14の等価回路図、 第3図は同実施例の動作を示すフローチャート図、 第4図は同実施例における磁束と励磁電流の非線形性を
示す特性図、 第5図は同じく同実施例における励磁電流と相互インダ
クタンスとの関係を示す特性図、第6図は本発明の他の
実施例における鉄損を考慮した誘導電動機の等価回路図
、 第7図は第6図の鉄損を考慮した場合における本発明に
係る制御方法のフローチャート図、第8図は第7図の実
施例における鉄損抵抗と回転数との特性を示す特性図で
ある。 10 ・・・ バッテリ 12 ・・・ インバータ主回路 14 ・・・ 誘導電動機 16 ・・・ タコジェネレータ 18 ・・・ 磁束Φ2指令回路 20 ・・・ ωS 指令回路 22 ・・・ 最小すべり角周波数演算回路第1図 (副wrpa用

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 トルク指令値に基づいて誘導電動機への電力供給を励磁
    電流とトルク電流とに分けてベクトル制御する誘導電動
    機の制御方法において、 ステータに用いる磁性材の磁化曲線から励磁電流に対す
    るインダクタンスを求め、 前記トルクをパラメータとした励磁電流とインダクタン
    スとの関係から所望のトルクを得るために最適効率の励
    磁電流を求め、 誘導電動機の出力トルクをトルク指令値に対応させるこ
    とを特徴とする誘導電動機の制御方法。
JP63168446A 1988-07-06 1988-07-06 誘導電導機の制御方法 Pending JPH0223086A (ja)

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Cited By (2)

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