JPH08317685A - インバータ装置 - Google Patents

インバータ装置

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JPH08317685A
JPH08317685A JP7118207A JP11820795A JPH08317685A JP H08317685 A JPH08317685 A JP H08317685A JP 7118207 A JP7118207 A JP 7118207A JP 11820795 A JP11820795 A JP 11820795A JP H08317685 A JPH08317685 A JP H08317685A
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inverter device
inverter
brushless
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Mitsuhide Azuma
光英 東
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、N極3相ブラシレスDCモータの
磁気騒音および漏洩電流を低減し、かつ単相商用電源使
用時においてもDCリアクトル容量を5mH以下に抑え
ることができ、しかもモータを安定かつ高効率に駆動で
きる中容量PWM制御インバータ装置を比較的簡単な構
成・構造・制御アルゴリズムのシステムとして提供する
ことを目的とする。 【構成】 商用交流電源を整流する整流部、この整流部
から直流電流に変換する電流源部、その直流電流を検出
する電流検出素子、電流源部からの直流電流を交流電流
に変換しブラシレスDCモータに交流電流を供給するイ
ンバータ部、これとモータ巻線間に並列に三相接続され
たコンデンサ部、モータ2相間の端子電圧を検出する電
圧検出部と、この電圧検出器からの出力電圧のゼロクロ
ス点を検出するゼロクロス検出部とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は電動機の磁気騒音および
漏洩電流を抑制できるブラシレスDCモータを負荷とす
る中容量のPWM制御インバータ装置と制御方式に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】従来のブラシレスDCモータ駆動用イン
バータ装置の代表的な一例の概略図を図6に示す。商用
電源11をコンバータ13で整流し、コンデンサ14に
より平滑化して一定直流電圧をインバータ15に供給す
る。また、ACリアクトル12は、コンデンサ14への
突入電流を緩らげる働きをする。図7に示すが、商用電
源の電圧体系によりコンバータ13は、単相用通常タイ
プ(a)や倍電圧整流型(b)、あるいは6ヶのダイオ
ードを用いた三相用タイプがある。整流された直流電圧
は、インバータ15でPWM制御によりパルス状電圧に
変換され、モータに印加される。このパルス状電圧波形
には、等幅もしくは不等幅があり、120°通電方式で
は前者、180°通電では後者が一般的である。図8に
示すように、インバータはそれぞれ6ヶのダイオードと
トランジスタ31〜36で構成されている。本インバー
タ装置で速度サーボ系を構成するとすれば、モータの回
転速度を何らかの手段で検出し、その速度情報によりイ
ンバータのTrスイッチングデューティをPWM回路1
9で決定し、モータ16の電気子電流を増減することで
モータ発生トルクを制御し、回転速度を指令値に収束さ
せる。この時の実速度検出手段には、PGあるいはPS
などのパルスエンコーダをモータに搭載して直接速度を
検知するか、図示されているように電圧検出器17でモ
ータ電圧を検出、あるいはモータ電流の検出情報により
速度を推定する方式がある。制御回路18では、この速
度推定やPWM波形生成等の処理を行う。
【0003】このインバータ方式では出力電圧がPWM
波形となるため、そのキャリア周波数に呼応した磁気騒
音が発生する欠点があった。また、この磁気騒音は、コ
ンデンサ14のDC電圧が高くなるほど顕著に現れ、特
にブラシレスDCモータ16の低速運転時にひどくなる
傾向がある。従って、13の部分にアクティブ素子を使
用して低速運転時には14のDC電圧を低下させ、磁気
騒音を減少させる手法も提案され実施されているが本質
的な対策ではない。さらに、14のマイナス端子からみ
た16の入力端子電位は14のチャージ電圧をVdとす
れば、0〜Vd間で振れることになりこのVdが大きい
ほど漏洩電流も多くなることが分かっている。漏洩電流
とはモータ巻線とモータシェル間の浮遊容量を介して、
高周波電流がシェルに漏れる現象である。したがって、
シェルをアースしていれば問題ないが、していないとき
に人間が万が一さわると感電事故が起きかねない。漏洩
電流を減少させるための方法は幾つかあり、根底にはモ
ータ巻線の中性点電位と、商用電源11の端子電位間の
電位差の高周波(AC)成分実効値を減少させてやれば
よい。そこで、制御面からはPWM波形の改善や、モー
タ構造からでは16の電気子巻線−シェル間の浮遊容量
を低減させるなどの提案がある。しかしながら、効率低
下・トルク脈動増大等のデメリットもあり、最適手法で
あるとはいい難い。
【0004】図9は、モータの無磁気騒音化と低漏洩電
流化を図るPWMインバータの一方式である。本インバ
ータ形式の動作としての特徴は、モータ電流を直接制御
できることにある。商用電源41からACリアクトル4
2とACコンデンサ43を介してコンバータ44に交流
電圧が入力される。44の構成の一例を図5に示す。図
10において第1のトランジスタ51(T+ )および第
2のトランジスタ52(T- )により、図9のDCリア
クトル45に流れる電流が、ある一定の直流電流となる
ようにPWM回路413でPWM制御する。このときの
PWM波形の積分値を正弦波状にし、かつ位相検出回路
411により41の電源電圧と位相を同等にすれば、電
源電流波形(42を流れる電流)は電圧波形と相似で位
相も同じになり、高力率・低低次高調波電源電流を実現
できる。そして直流電流は、図11のようなインバータ
47の6ヶのTrにより積分値が正弦波状のPWM電流
波形に変換され、コンデンサ48を通過することでその
高周波電流成分を除去、モータ49には正弦波交流電流
を供給する。414はこの時のPWM波形生成回路であ
る。図中のC.T46は、直流電流をフィードバック
し、その電流を設定値となるように制御回路412で制
御する。また、モータの回転子位置情報は、モータ端子
電圧から推定し、電圧検出回路410によりフィードバ
ックする。本方式では、正弦波交流電流を直接モータに
流すことができるので、モータ電圧も正弦波となる。ゆ
えに、モータ電磁音がほぼなくなると同時に、母線41
5からみた49の入力端子電圧高周波成分は49の誘起
電圧内で振れるだけであり、とりわけ中低速運転時には
誘起電圧も小さい。また、413のPWM駆動パターン
の適切な選択により、415からみた41の端子電圧の
高周波成分も単位時間当たり少ないので漏洩電流低減に
効果が期待できる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、44の
入力電源41が単相の場合、DCリアクトル45が非常
に大容量(モータ定格出力1kWのとき30mH以上必
要)となる欠点があり、インバータ装置全体のサイズが
必然的に大がかりなものとなる。また、本インバータ方
式ではI.M(誘導電動機)の駆動法が提案されている
が、ブラシレスDCモータ49を駆動するためのアルゴ
リズム等の報告例はなかった。
【0006】本発明は、上記のような従来技術の欠点を
除き、ブラシレスDCモータの運転時の磁気騒音および
漏洩電流を低減し、かつ単相商用電源使用時においても
図4DCリアクトル45の容量を5mH以下に抑えるこ
とができ、しかもモータを安定かつ高効率に駆動できる
中容量PWM制御インバータ装置を比較的簡単な構成・
構造・制御アルゴリズムのシステムとして提供するもの
である。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、N極3相ブラ
シレスDCモータに可変周波数の交流電力を供給するイ
ンバータにおいて、商用交流電源を整流する整流部と、
この整流部から直流直流に変換する電流源部と、その直
流電流を検出するための電流検出素子と、電流源部から
の直流電流を交流電流に変換しブラシレスDCモータの
巻線に交流電流を供給するインバータ部とを備えたイン
バータ装置である。
【0008】また本発明は、ブラシレスDCモータの2
相間の端子電圧を検出する電圧検出手段を備えることを
特徴としたものである。
【0009】また本発明は、モータの出力電圧のゼロク
ロス点を検出するゼロクロス検出手段とを備えることを
特徴としたものである。
【0010】また本発明は、電圧検出手段と、ゼロクロ
ス検出手段と、モータの回転子位置推定アルゴリズムに
より回転子位置を高精度に推定できる制御手段を持つこ
とを特徴としたものである。
【0011】また本発明は、回転子位置推定アルゴリズ
ムは、モータの電動機定数を用いて構成されていること
を特徴としたものである。
【0012】また本発明は、商用単相電源使用時におい
てもリアクトル容量を低減したことを特徴としたもので
ある。
【0013】また本発明は、回転子位置推定情報をもと
にブラシレスDCモータの巻線電流の位相と周波数を補
正する制御手段を持つことを特徴としたものである。
【0014】また本発明は、上記補正手段は線形近似で
行うことを特徴としたものである。また本発明は、回転
速度指令値と回転速度演算値の偏差により、巻線電流の
振幅を調整する制御手段を持つことを特徴としたもので
ある。
【0015】また本発明は、ブラシレスDCモータの巻
線電流振幅を電流源部のデューティ制御で調節し、電流
周波数および電流位相をインバータ部でPWM制御する
制御手段を持つことを特徴としたものである。
【0016】また本発明は、DC電流指令値と電流検出
手段の出力値の偏差により電流源部のデューティを調節
する制御手段を持つことを特徴としたものである。
【0017】
【作用】本発明は、ブラシレスDCモータ駆動時のキャ
リア周波数に呼応した磁気騒音とモータ巻線−シェル間
の浮遊容量を介する漏洩電流を低減し、かつ単相商用電
源使用時においてもDCリアクトルの容量を5mH以下
に抑えることができ、しかもモータを安定かつ高効率に
駆動できる中容量PWM制御インバータ装置を比較的簡
単な構成・構造・制御アルゴリズムのシステムとして提
供しようとするものである。
【0018】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づき説明する。
【0019】図1は、本発明の一実施例を示すインバー
タシステムのブロック図である。本図の構成は全体を、
モータ駆動部725、制御演算部726、モータ回転子
位置検出演算部727の3部分に分けることができる。
モータ駆動部725においては、商用電源71をコンバ
ータ73で整流し、一定電圧源を得るためコンデンサ7
4が並列挿入されている。73の構成は、図7で説明し
たものと同等である。電流源75の構成は、図3に示す
とおり少なくとも2個の半導体素子92および93で構
成され、リアクトル94を介してインバータ部78に直
流電流を供給している。ここで直流電流は、パルス状電
流に変換され、フィルタ回路79を通ることによりモー
タ710(永久磁石型電動機−P.M)に交流電流を供
給する。
【0020】次に制御演算部726の機能を順次説明す
る。図1において速度指令714ω′は任意の角速度指
令値であり、この値はランプ状もしくは段階的に変化
し、その変化率はモータが脱調・乱調しない範囲での適
当な値である。モータ一次電流角周波数ω1 をω1 演算
器715でω1 ≧ωTHの時は出力せず、ω1 <ωTHの時
はω1 =ω′となるように演算する。ここでωTHはしき
い値であり運転する上で適切な値を選ぶと良い。それ
は、ω1 ≧ωTHにおいてモータ誘起電圧のゼロポイント
が検出できることが条件である。ω1 補正器716では
φR 演算器713からの出力である補正要素φR により
以下の演算を行う。
【0021】 ω1 =ω1 −Kpw・φR (1) ここで、Kpwは比例ゲインである。θ1 演算器で θ1 =∫ω1 dt (2) を計算し、θ1 補正器では θ1 =θ1 −φR (3) を計算する。なお、(1)式、(3)式の演算はω1
ωTHのときのみモータ電流の一周期に1回、もしくは2
回、あるいはそれ以上行い、(1)式・(3)式で補正
されたω1 とθ1 を用いて次回のθ1 を(2)式で計算
する。このように求められたθ1 は、PWM回路724
に出力されてインバータの6ヶのTrをドライブする。
78の構成は図11と同等である。PWM原理は平均値
PWM方式であり、キャリアは鋸波、もしくは三角波を
用いる。図2にその一例を示す。本図では、キャリアと
して鋸波を採用している。信号波Iu′,Iv′,I
w′の絶対値82・83・84と振幅1の鋸波81の大
小により、各TrのON−OFFを決定する。図中のT
+ の意味は上アームのU相TrをONさせることであ
り、Tu- は下アームのU相TrをONさせる。図示の
ように、iu′が正なら85、負なら86にスイッチン
グ状態を変更する。
【0022】Iu′=Ks・sin(θ1 ) Iv′=Ks・sin(θ1 −2π/3) Iw′=Ks・sin(θ1 +2π/3) Ks:電流制御率(0≦Ks≦1) θ1 =∫ω1 dt ここで、Ksは電流制御率と呼ばれるものであり、1に
近い方がより電流の有効利用が図れる。この時モータに
流れる電流Iu,Iv,Iwは、DCリアクトル76に
流れる直流電流をIdとすると次式になる。
【0023】Iu=Ks・Id・sin(θ1 ) Iv=Ks・Id・sin(θ1 −2π/3) Iw=Ks・Id・sin(θ1 +2π/3) モータのq軸(界磁磁束と直行する軸)方向電流指令
値、すなわちトルク電流指令iq′はiq′演算器71
9により次式で計算する。
【0024】 Δω=ω′−ω1 (4) iq′=Kpq・Δω+Kiq・∫Δωdt (5) ここで、Kpq,Kiqは比例・積分ゲインであり、
(5)式の各3項にはリミッタを設けている。Id′演
算器721ではiq′とd軸(界磁磁束と平行な軸)電
流指令であるid′722により流すべき直流電流Id
の指令値Id′を計算する。
【0025】 Id′=√{2/3・(id′2 +iq′2 )}/Ks (6) デューティ演算器720では、C.T77の出力の直流
電流フィードバックIdにより、 ΔId=Id′−Id (7) Idy′=Kp・ΔId+Ki・∫(ΔId)dt (8) を演算し、信号波Idy′をデューティ回路723に出
力する。また、Kp,Kiは比例・積分ゲインであり、
(8)式の各3項にはリミッタを設けており、0≦Id
y′≦1である。デューティ回路の原理は、瞬時値比較
方式もしくは平均値PWM方式を用いる。瞬時値比較の
場合には(8)式の計算は不要となり、(7)式におい
て適切なヒステリシスを設定し、ΔIdがほぼ零になる
ように電流源のTrをON−OFFすればよい。図4に
平均値PWM方式の一例を示す。本図では、キャリアと
して鋸波を採用している。信号波Idy′102と振幅
1の鋸波101の大小により、Tr92のON−OFF
103を決定する。こうすることで、直流電流Idを目
標値Id′に収束できる。
【0026】次に、図1においてモータ回転子位置検出
演算部727の機能を、図5のベクトル図をもとに説明
する。基本的な概念として、モータ二相化モデル(d−
q軸変換)電圧方程式に基づいて構成されている。図示
されているように、モータ710の回転子位置をd−q
軸(d軸:モータ界磁磁束平行軸<磁石のNS方向>,
q軸:モータ界磁磁束直行軸)と名付け、それとδ−γ
軸(電流ベクトル制御軸でモータ巻線の成分電流を表
す。制御回路はこのδ−γ軸に対してモータ電流指令を
演算)の反時計方向相差角をφ、U相巻線軸から反時計
方向廻りのモータ回転子位置角(d軸の位置角)をθと
する。モータを効率よく滑らかに運転するには、つねに
δ−γ軸をd−q軸に一致させる必要がある。こうする
ことにより、指令値どおりのd軸電流およびq軸電流を
モータに供給でき、安定かつ効率のよい運転を可能にす
る。モータ電流Iu,Ivは次式で表記できる。
【0027】Iu=Im・sin(θ1 +Ψ′) Iv=Im・sin(θ1 +Ψ′−2π/3) θ1 =θ+φ Im=√{2/3・(id′2 +iq′2 )} Ψ′=tan-1(id′/iq′) この時、モータ電圧Vu,Vvはモータ定数を用いて次
式で与えられ、 Vu=Vm・sin(θ1 +Ψ) Vv=Vm・sin(θ+Ψ−2π/3) Vm=√{2/3・(vd2 +vq2 )} Ψ=tan-1(vd/vq) vd=R1 id′−ω1 Lqiq′+LdPid′ vq=R1 iq′+ω1 Ldid′+ω1 E0+LqP
iq′ vd・vqはd−q軸上のモータ電圧成分である。ここ
で、 Ld:一次巻線のd軸インダクタンス Lq:一次巻線のq軸インダクタンス R1 :一次抵抗 E0:界磁磁束鎖交数の√(3/2) P :微分演算子 なお、Ld・Lqは相互インダクタンスを考慮して換算
した値を用いる。さて、モータ運転時の定常状態におい
て、Vu(U相電圧)=0時点のθ1 より、φの推定値
φR は次式で計算出来る。
【0028】 φR =θ1Z+Ψ″−nπ(n=0or1) Ψ″≡tan-1(vd/vq) =tan-1((R1 id′/ω1 −Lqiq′)/(R1 iq′/ω1 + Ldid′+E0)) ≒tan-1(−Lqiq′/(R1 iq′/ω1 +E0) ≒tan-1(−Lqiq′/E0) なお、上式の変形にはid′が十分に小さいことを仮定
している。また、Ψ″の第4式はR1 ・iq′/ω1
E0に比し十分に小さい場合のみ有効である。ここで、 θ1Z:モータ電圧Vuのゼロクロス点におけるθ1 Ψ″:Ψの計算値 従って、モータ誘起電圧のゼロポイントが検出できるω
1 ≧ωTHの領域では、φを上式により求めることがで
き、φ→0すなわちφR →0とする制御を行う((1)
式と(3)式で行う)ことでd−q軸にδ−γ軸をほぼ
一致させることが可能となりモータを安定に駆動でき
る。以上の一連の電圧検出〜φR 演算を電圧検出器71
1・ゼロクロス検出器712・φR 演算器713の各部
にて行う。
【0029】0≦ω1 <ωTHにおいては強制駆動モード
になり、開ループ制御をおこなう。始動時にはモータ電
流最大値Imをモータが始動するレベルまで増やし、ω
1 をランプ状に徐々に変化させる。そして、ω1 ≧ωTH
になった時点でフィードバック制御に切り替える。
【0030】
【発明の効果】本発明によれば、ブラシレスDCモータ
駆動時のキャリア周波数に呼応した磁気騒音とモータ巻
線−シェル間の浮遊容量を介する漏洩電流を低減し、か
つ単相商用電源使用時においてもDCリアクトルの容量
を5mH以下に抑えることができ、しかもモータを安定
かつ高効率に駆動できる中容量PWM制御インバータ装
置を比較的簡単な構成・構造・制御アルゴリズムのシス
テムとして提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例のシステムブロック図
【図2】インバータPWM波形生成を示す説明図
【図3】DC電流源構成を示す回路図
【図4】DC電流源駆動用PWM波形生成を示す説明図
【図5】同期電動機d−q軸モデルを示す説明図
【図6】従来のインバータシステム構成を示すブロック
【図7】(a)は同コンバータ構成図 (b)は同コンバータ構成図
【図8】同インバータ構成図
【図9】従来の他のインバータシステム構成を示すブロ
ック図
【図10】同コンバータ構成図
【図11】同コンバータ構成図
【符号の説明】
72 ACリアクトル 73 コンバータ 74 整流用DCコンデンサ 75 電流源 76 DCリアクトル 77 電流検出器 78 インバータ 79 フィルタ 710 同期電動機 711 電圧検出器 712 ゼロクロス検出器 713 φR 演算器 716 ω1 補正器 718 θ1 補正器 723 デューティ回路 724 PWM回路 726 制御演算部 727 位置検出演算部

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】N極3相ブラシレスDCモータに可変周波
    数の交流電力を供給するとともに、一般の商用交流電源
    を整流してDC電圧源を得るコンデンサ並列挿入・リア
    クトル直列挿入型整流部と、この整流部から出力電流可
    変型の直流電流に変換するためのリアクトル直列挿入型
    電流源部と、その直流電流を検出するための電流検出手
    段と、前記電流源部からの直流電流を可変周波数の交流
    電流に変換し前記ブラシレスDCモータの巻線にその交
    流電流を供給するインバータ部と、このインバータと前
    記ブラシレスDCモータとの間に並列に三相接続された
    コンデンサ部とを備えることを特徴としたインバータ装
    置。
  2. 【請求項2】ブラシレスDCモータの2相間の端子電圧
    を検出する電圧検出手段を備えることを特徴とした請求
    項1記載のインバータ装置。
  3. 【請求項3】モータの出力電圧のゼロクロス点を検出す
    るゼロクロス検出手段とを備えることを特徴とした請求
    項2記載のインバータ装置。
  4. 【請求項4】電圧検出手段と、ゼロクロス検出手段と、
    モータの回転子位置推定アルゴリズムにより回転子位置
    を高精度に推定できる制御手段を持つことを特徴とした
    請求項1記載のインバータ装置。
  5. 【請求項5】回転子位置推定アルゴリズムは、モータの
    電動機定数を用いて構成されていることを特徴とした請
    求項4記載のインバータ装置。
  6. 【請求項6】商用単相電源使用時においてもリアクトル
    容量を低減したことを特徴とした請求項1記載のインバ
    ータ装置。
  7. 【請求項7】回転子位置推定情報をもとにブラシレスD
    Cモータの巻線電流の位相と周波数を補正する制御手段
    を持つことを特徴とした請求項5記載のインバータ装
    置。
  8. 【請求項8】補正手段は線形近似で行うことを特徴とし
    た請求項7記載のインバータ装置。
  9. 【請求項9】回転速度指令値と回転速度演算値の偏差に
    より、巻線電流の振幅を調整する制御手段を持つことを
    特徴とした請求項1記載のインバータ装置。
  10. 【請求項10】ブラシレスDCモータの巻線電流振幅を
    電流源部のデューティ制御で調節し、電流周波数および
    電流位相を上記インバータ部でPWM制御する制御手段
    を持つことを特徴とした請求項1記載のインバータ装
    置。
  11. 【請求項11】DC電流指令値と電流検出手段の出力値
    の偏差によりデューティを調節する制御手段を持つこと
    を特徴とした請求項10記載のインバータ装置。
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