JPS6392292A - 直流電動機の運転制御方法 - Google Patents

直流電動機の運転制御方法

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JPS6392292A
JPS6392292A JP61234437A JP23443786A JPS6392292A JP S6392292 A JPS6392292 A JP S6392292A JP 61234437 A JP61234437 A JP 61234437A JP 23443786 A JP23443786 A JP 23443786A JP S6392292 A JPS6392292 A JP S6392292A
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motor
voltage
controlling
current
speed
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JP61234437A
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Kuniaki Kubokura
久保倉 邦明
Tomoyuki Saito
斉藤 友之
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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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〕 本発明は、直流電動機の運転制御方法に関するものであ
る。
〔従来の技術〕
直流電動機は起動電流が大きいため、従来より、例えば
特開昭59−169377号公報に記載のごとく、電流
を制限する技術が開発されている。一方、直流電動機は
、その制御性が良好な利点を生かして、例えば特開昭6
0−134788号公報に記載のごとく、一定速制御を
おこなう技術が開発されている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明は、従来形直流電動機についてさらに見直しの結
果なされたものであって、その目的とするところは、従
来よりも低損失で、しかも高安定な定速制御をおこなう
ことのできる、機器の信頼性にすぐれた直流電動機の運
転制御方法を提供しようとするものである。
〔問題点を解決するための手段〕
前記目的は、コンデンサを並列接続した直流モートルと
直列に、コイルと電流検出用低抵抗とを接続し、これら
と並列に、フリーホイールダイオードを接続し、さらに
これらと直列に、直流電源とパルス幅変調制御パワー素
子とを接続し、前記電流検出抵抗の電圧を電流帰還電圧
として、これと前記モートルの回転速度帰還電圧と比較
して動作するコンパレータを有し、前記コンパレータの
発振デユティで前記パワー素子の導通を制御することに
よって達成される。
〔作用〕
即ち、本発明は、直流電動機に対する通電制御を、負荷
電流および回転速度の電圧比較による自励発振コンパレ
ータのデユティによっておこなうパルス幅制御としてモ
ートルの低損失化をはかり、かつ前記コンパレータ発振
をコントロールする帰還電圧を制御することにより、モ
ートルの高安定な定速制御化をはかることができる。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例を図面にもとづいて説明する。
第1図において、1は電圧E (V)の直流電源2はパ
ルス幅変調制御(以下、PWM制御と称す)をおこなう
パワートランジスタであり、容量L(H)のコイル3.
モートル4.抵抗値R2(Ω〕の電流検出抵抗5.容量
C(F)のコンデンサ6゜フリーホイールダイオード7
を図のごとく接続する。そして、各々抵抗値Ra、 R
zo、 Re [Ω]の抵抗8,10,11およびコン
パレータ9、さらにはモートル4の速度の上昇により低
下し、下降により上昇する電圧v4 〔v〕を出力する
速度帰還電圧回路12を図のごとく接続する。また、各
々の回路の電圧〔V〕、電流[A)を、図のごと< I
t、 vl ILI Iot x + In、 V2.
 Vs、 VIGIv4として動作を説明すると、第2
図および以下のようになる。
第2図の横軸を時間tとして、1=0でコンパレータ9
の出力Vsoが低圧となったとすると、パワートランジ
スタ2が導通し、電圧Vがコイル3以下にかかる。これ
により、電源1より電流工!が流入し、コイル3.抵抗
5に流れる電流ILは、回路網とラプラス変換手法等の
過渡現象理論解析によると、近似的に以下のようになる
但し、 τ工=LIIR2(sec〕         式(2
)%式%() 次に、t : t 1でVzo::高圧となり、パワー
トランジスタ2が非導通となったとすると、ILは下記
のようになる。
但し、Ioz・・・1=11におけるILそして。
Iow Iし= Io+ i            
     式(4)即ち、電流はダイオード7を環流す
る。
t =t zでVtoが低圧となり、再びパワートラン
ジスタ2が導通したとすると、PWMの周期Tはt2と
なり1式(2)は、t : t 2で式(1)のt=0
と等しくなり、これらから1式(1)と(2)よりIO
Iを消去し、デユティDt を求めると、一方、直流モ
ートルの公知の特性式は。
Vm=Vn十IoRm            式(6
)但し、Vヨ・・・モートル印加電圧(V)Vn・・・
モートル逆起電圧(V) R1・・モートルコイル抵抗〔Ω〕 そして、 V c ” V m + I o Rz       
    式(7)式(5)〜(7)より、 ■ パワートランジスタ2の導通降下電圧を無視すれば、v
句Eとなり、電源電圧EにデユティD。
をかけた電圧がモートル4と抵抗5とで消費される形と
なる。そして、一定速制御をなし、Vn”一定とならし
めれば、デユティDt と電流工。とは、リニアの関係
となる。
このデユティD、は、コンパレータ9の動作により決ま
る。コンパレータ9の動作は、以下のとおりである。
t = O” t を間−Vs=Vz=Lt、−Rz<
v4    式(9)t=t1’t’   Vs=Vz
=ILoRz≧v4     式(1o)a 即ち、自励発振をおこなう。式(9)〜(12)を用い
てデユティDt を求めると Rs+Rz。
Dtはdの単調増加関数につき、Dcの代りにdに注目
してみると。
va≦l0R2テd = O+ Dt = O式(15
)そして、■4とIOとは、自動制御理論にのっ−ドパ
ツク系で表現でき、実際的には、GR2>1゛ 1につき、第4図のごとく、ゲイン−のブロンz り22に集約化される。そして、第1図の全体は、サー
ボ理論によって第5図のごとく記述できる。
第5図において、モートル4は、ブロック22からの電
流工。を受け、出力ω、  (rOd/5ee)で回転
する。出力ω0は負帰還され、指令速度ω1と比較され
て、その差が伝達関数Gtのブロック23を介しV4を
出力する。モートル4の伝達関数をG、とすると、 T G、=−式(16) 但し、Kr・・・モートルのトルク定数(g−an/A
)J ・・・モートルのイナーシャg ” C1!l 
’ 5ee2S ・・・ラプラス変換記号 そして、第5図は第6図、第7図のごとく等価変換され
る。
但し。
即ち、目標速度に対しては、−次遅れ系ながら、定常偏
差なしの制御ができるシステムである。
さらに、制御が位相同期化制御で、ロータの同期化座標
を基準とした回転子の回転角(位相)θを検出、フィー
ドバックしているケースでは、系は、第8図のごとく記
述できる。ここで、ブロック26は、位相指令O1と出
力位相θ0との差によって電圧を出力するゲインGpで
ある。また、27は速度−位相変換を意味する。第8図
は第9図、第10図のごとく等価変換され、結局、系は
、2次振動系ながら、定常偏差なしのシステムとなる。
但し、 そして、式(18)のKは同期化力を与え、式(17)
のDはダンピング力を与えていることが分る。
かかる系のモートル4にトルク負荷を与えると、下記の
如き関係で出力位相が大きくなり、定常偏差が発生し、
つり合いなから一定速運転となる。
Tq=K(θ0−θI)(g−all)    式(1
9)そして、電流Ioの増加と共に、式(I3)の自励
発振周波数は低下する。即ち、パルス幅変調制御のキャ
リア周波数が自動的に下がり、パワートランジスタ2の
スイッチング損失の低減に有効に働く。
このような制御の、位相θ。検出からv4発生までの方
法は、第11図、第12図の原理で説明できる公知技術
で、P L L (Phase Locked Loo
p)制御と称されている。即ち、クリスタル等を用いる
基準発振回路30からの基準信号は、速度ωiと位相θ
量の指令をもつ。ブロック31は、モートル4にとりつ
けられた、例えばエンコーダ等の回転速度2位相検出の
周波数発電センサであり、θ監、ω1に対し、θ0.ω
0の出力位相、速度のフィードバック信号を出す。これ
らの信号のうち、θ1と00とは、位相比較回路32で
比較され、その差に応じて、位相差−電圧変換回路33
を介し位相フィードバック電圧Vl を出力する。
35を介し速度フィードバック電圧v11を出力する。
この2つのフィードバック電圧Vl とV−とは、加算
器36にて加算され、■4を出力する。
このとき、センサ31からの検出はサンプル値であり、
また回路33.35の出力は、デジタル−アナログ変換
された、いわゆる零次ホールド回路出力であり、その他
も入れ、解析は、Z変換手法等の非線形理論の対象であ
るが、目標定速の同期化速度近辺で考え、かつセンサ3
1のサンプル値周期が系の時定数に比し小さいので、実
用的には線形で近似でき、既述の第8〜第10図で扱い
得る。なお、第11図のごとく、回路30からの信号が
01.ω□の両者を含む場合、第8図のω1はSθ、と
なり、第10図のブロック29の分子はDS+にとなる
が、基本事項は変わらない。
また、第11図の回路34.35および32゜33の出
力特性例は、第12図、第13図のごとくなる。第12
回において、Δωは同期化範囲で。
例えば10%にとる。第12図におけるΔωのこの範囲
の速度において、位相関係は第13図のごとくであり、
Δωの外でω0が高いときは、VM=O%、Vρ=O%
、ω0が低いときは、v−=100%、Ve =100
%テアル。なお、0゜2100%は2π(rad)を意
味する。
さらに1式(19)の負荷トルクTq と式(I6)の
KT、式(15)等の工0の関係は、工。の無負荷電流
分を無視して、 Tq” I o ’ KT  (g ’ Cm)   
    式(20)として、制御された系のモートル4
の速度−トルり特性が説明できる。そして、第14図の
ごとく、目標同期化速度ωiとその時の工。、Tqを各
々100(%)として表示したとき、速度ωが0(%)
のときは、トルクT、は100(%)以上の起動トルク
、電流Ioも100%以上の起動電流が流れ、加速後は
目標のω1に達し、その同期化範囲Δωの中で、負荷ト
ルクTq100%以下のつり合ったトルク点で定速運転
をおこない、電流もそれに対応した値におちつく。
なお、このとき、電源1あるいはパワートランジスタ2
の容量等で、電流Ioを制限してクランプする必要があ
るが、それは式(21)において可能であり、■4を制
御、クランプすることによって実現できる。その原理ブ
ロックを第15図に、また制限時のトルク特性例を第1
6図、第17図。
第18図に、示す。
第15図において、加算器36からの出力v4は、電圧
クランプ回路50を介して、最大値はV’4にクランプ
され、コンパレータ9に入力する値はV’4以上には上
がらない。電圧クランプ回路50は、クランプ値制御回
路51によりその値を制御される。例えば、 I cl
> I C2> I csの例で、 v’ += Icz ・RZ          式(
22)v’ 4:Icz・R2式(23) V’  4= Ica・ R2式(24)となるごとく
回路51.50を設計した時の特性例は、第16図〜第
18図のごとくなり、v 1番が小さい程、モートル4
の出力トルクTqの最大値は、 Tqsg TI+2.
 Tqxのごとく制限される。
しかし、回路51が速度の情報を含む形とすると、v 
/4は速度にもとづいて変えることができる。例えば、
定速制御の目標速度以下で式(24)とし、目標速度内
(例えば、第12図のΔω内)では、式(23)とすれ
ば、そのトルク特性は第19図のごとくなり、加速トル
クと目標速度への引込トルクはT q a >そのとき
のクランプ電流はIC3で制限されるが、加速後の目標
速度範囲からの脱出トルクはT q 3にアップでき、
加速後、クラッチ等で負荷を連結断続するようなシステ
ムに有利である。な゛お、速度の上昇と共に、回路51
のクランプ指令値を連続的に変化させて、式(24)の
v′婆と式(23)のv /4 との間を連続的にコン
トロールすることも、もちろん可能である。
ここで、第12図、第13図のごとき特性のVu、Ve
 をもって第11図のごとくシステム構成した場合、よ
り詳細にv4の内容を説明すると、以下のようになる。
第11図における加算部36の1位相電圧Vlおよび速
度電圧vIIに対するゲインをgtxgγ。
gmXgγとする。gyは両者に共通のゲインである。
そして、比較電圧をVyとし、信号回路電源電圧をVc
c(V)とすると、 式(25) 但し、  0区・・・負荷トルク相当位相Δθ1・・・
θ、の変動幅 C・・・負荷変動角周波数 Vy・・・比較電圧 ここで、 gθ#gω畔0.5         式(26)与駒
5in(ct)  式(27) θ直=□            式(29)但し、T
t”負荷トルク ΔT。
Δθ露=□          式(3o)但し、ΔT
n=負荷トルク変動幅 gy弁2             式(31)g y
 g gVcc弁Vy          式(32)
θI:π             式(33)式(3
4) 即ち1式(32)は1位相指令01.速度指令ωl対応
力をカットしており、式(34)の第1項は平均負荷対
応、第2項は負荷変動分対応となる。これを電流に直す
と、以下のようになる。
式(35) 即ち、Viのクランプは電流のクランプであり。
また発生トルクのクランプである。したがって、定常状
態のみならず、負荷変動、ハンチングによる位相、速度
変動の過渡時においても、制御の線形域から非線形域の
飽和への到達点を与えるもので、制御安定性にも影響を
与える。そのため、起動、加速時は、第16図のごとく
、電流をICIでクランプし、目標速度に達した後は、
例えば第18図のごとく、低くIcsでクランプするこ
とが有効な例もある。
なお、既述の位相θは、第8図〜第11図のシステムで
の、位相θ0のフィードバックセンサ31のパルス数が
考慮された機械角、電気角変換値である。そして、実際
的には、式(26)〜式(33)のような条件が成立す
べく設計し、式(34)。
(35)で考察できる形で線形域を考え、またクランプ
値を設定することにより、第12図、第13実現できる
ことは容易に分る。■4のクランプについても、周知の
各種電圧クランプ回路で容易に実現できる。例えば、第
19図のごとく、目標速度内でクランプ値を上昇させる
一例として、目標速度内に達したならば低位(LOW)
から高位電圧(High)に変化する出力を出す、例え
ば同期検出回路を設け、その出力を逆流防止ダイオード
を介して第15図の回路51あるいは50に接続し、ク
ランプ値を上昇させることができる。
また、第1図、第2図2式(9)〜(13)等で説明し
たコンパレータ9によるデユティ発振をより安定的に発
振させるには、第20図のごとく、コンパレータ9の出
力電圧Vloを、抵抗値Rhoの抵抗60を介して、■
4を流出する回路12に帰還すると、第2図のv4とV
iとの関係は第21図のごとくなり、Viが時間0〜t
1では負の勾配。
t1〜t2では正の勾配となって、より安定してv9と
交わり、安定したデユティで発振させ得る。
その場合、式(25)のv4に1±、Vzoの帰還分g
1oVzoが加算される。
v番=式(25) + gF−gxo ・VIO式(3
6)但し、vlo・・・第2図のごとく変化glo・・
・フィードバックゲイン そして、式(32)は、次のようになる。
gy (g9 aVcc+gxoVto)4Vy   
 式(37)これらのシステムが動作を継続するには、
式(9)〜式(12)が継続成立して自励発振する必要
があるが、逆を云うと、これらの条件を不成立にして発
振停止、即ち運転停止を指令することもできる。
それは、第11図におけるVi、V−を強制的に低位に
し、式(25)のVY項以外を零に近ずけ、式(12)
が成立しないようにすることである。それは、以下の条
件となる。
式(38) 各種条件変動に対し、この条件をより確実に成立させる
ためには、vloを定電圧化するなどの他に、停止指令
時、電圧v9あるいは電圧Vγを強制的に引き上げれば
よいことが分る。
即ち、モートル4の運転と停止は、例えば低位(Low
) 、高位()Iigh)のデジタル信号で指令し。
これを受けて、停止時は、Vi、Vi を低位に強制保
持、■9あるいはVγを高位方向に強制保持とすればよ
い。より具体的に表現すれば、停止のための高位信号を
、逆流防止ダイオードを介してそのまま79点あるいは
71点に接続することも有効である。
また、第1図のモートル4は、駆動回路を含むブラシレ
スモートルであってもよい。これを、第22図にもとづ
いて説明すると、例えばコイル81,82,83を有す
るモートル80が、モートル磁極の位置に関係して、パ
ワートランジスタ71〜76の制御された導通により運
転される、いわゆる3相余波駆動方式ブラシレスモート
ルであっても、第1図の原理は成立する。
本発明は以上のごときであり、ここで、既述した本発明
の動作系を総括して下記すると1本発明によれば、速度
帰還、電流帰還をなした安定な直流モートル4の定速制
御が、負荷の増大と共にキャリア周波数が低下してスイ
ッチング損失が低下するメリットをも含めて、低損失の
PWM方式で実現できる。
また、速度電圧帰還回路部と、抵抗値R2(電圧VZ)
の電流検出抵抗5と、PWM発振コンパレータ9との関
連において、以下の特徴が得られる。
すなわち、速度帰還として、速度ωおよび回転位相θを
加算的に帰還する。さらに、これにPVM発振コンパレ
ータ9の出力を帰還し、■4となして、コンパレータ9
の発振の安定化を計る。
v4は、比較参照電圧Vγによって、速度ω。
位相θの指令とコンパレータ出力の帰還対応分のバイア
ス分がカットさ九、線形領域の下方部が設定される。ま
た、■4は、速度電圧712位相電圧Veの帰還ゲイン
g@ + geによって線形領域の上方部が設定され、
かつv4のクランプによって、電流クランプがなされる
。v4クランプによる電流クランプは、トルククランプ
に通じ、目標定速度範囲内にあるときは、目標速度範囲
内にあることを検出し、例えば高位電圧を出力する他用
途用の検出回路の出力を流用して、クランプ値を上げる
ことができる(第19図)。その逆も可能である(第1
6〜18図)。
また、運転、停止指令は、停止指令として、速度と位相
の両帰還電圧を強制的に低位電圧となしおよび(あるい
は)発振コンパレータ9の電流帰還部電圧を強制的に高
位となしおよび(あるいは)帰還電圧の比較参照電圧V
γを強制的に高位となして容易におこない得る。
〔発明の効果〕
以上、図面を参照しておこなった前記説明からも明らか
なように1本発明によれば、従来よりも低損失で、しか
も高安定な定速制御をおこなうことのできる、機器の信
頼性にすぐれた直流電動機の運転制御方法を提供するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
第1図〜第19図は本発明の一実施例を示し、第1図は
本発明で用いられる直流電動機の電気回路図、第2図は
第1図の出力波形図、第3図〜第10図は自動制御理論
にのっとって本発明の動作原理を説明するブロック図、
第11図は速度・位相帰還の構成を示すブロック図、第
12図および第13図は第11図の出力特性線図、第1
4図は第1図に符号4で示すモートルの出力特性線図。 第15図は電流クランプのための帰還電圧クランプを説
明するブロック図、第16図〜第19図は電流クランプ
時におけるモートル4の出力特性線図、第20図は本発
明で用いられる直流電動機の変形例を示すコンパレータ
9の電気回路図、第21図は第20図の出力波形図、第
22図は本発明で用いられる直流電動機のさらに他の変
形例を示すモートル4の電気回路図である。 1・・・直流電源、2・・・PWM制御パワートランジ
スタ、4・・・モートル、5・・・電流検出抵抗、7・
・・フリーホイールダイオード、9・・・PWM発振用
コンパレータ、12−・・速度帰還電圧回路。 第1 図 /−一一直弐電ネ ク m−−7ツー不イづしクイI−ト。 ’7 −−− f’IAI/r’Iq#4−:yン/v
t−7tz  −−−悲’fp@@L(D %第zEJ ヒー+ 第5図 第6図 i #7図 2り $3図 篤11 図 咥  J5 帽ば     躬137 一々ノーど〉≦ノ                 
         − とロ、7fノ第14図 ″″″′″″″ ′″″屓鈎 Bヨ                 
Zt乙 出射2I図 名2z図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、コンデンサを並列接続した直流モートルと直列に、
    コイルと電流検出用低抵抗とを接続し、これらと並列に
    、フリーホイールダイオードを接続し、さらにこれらと
    直列に、直流電源とパルス幅変調制御パワー素子とを接
    続し、前記電流検出抵抗の電圧を電流帰還電圧として、
    これと前記モートルの回転速度帰還電圧と比較して動作
    するコンパレータを有し、前記コンパレータの発振デユ
    テイで前記パワー素子の導通を制御することを特徴とす
    る直流電動機の運転制御方法。 2、特許請求の範囲第1項記載の発明において、速度帰
    還電圧は、回転速度電圧と回転位相電圧との加算よりな
    り、各々の指令相当分の電圧が比較参照電圧で除去され
    、さらに電流の最高値がクランプされている直流電動機
    の運転制御方法。 3、特許請求の範囲第2項記載の発明において、速度帰
    還電圧部にさらにコンパレータ出力電圧を帰還させる直
    流電動機の運転制御方法。 4、特許請求の範囲第2項または第3項記載の発明にお
    いて、電圧クランプ値が目標定速度範囲の内外において
    異なる直流電動機の運転制御方法。 5、特許請求の範囲第2項〜第4項のいずれかに記載の
    発明において、モートルの運転、停止指令がデジタルの
    2値電圧にして、停止は、帰還の回転速度電圧および回
    転位相電圧を強制的に低位となす直流電動機の運転制御
    方法。 6、特許請求の範囲第2項〜第4項のいずれかに記載の
    発明において、モートルの運転、停止指令がデジタルの
    2値電圧にして、停止は、発振コンパレータの電流帰還
    部電圧を強制的に高位となす直流電動機の運転制御方法
    。 7、特許請求の範囲第2項〜第4項のいずれかに記載の
    発明において、モートルの運転、停止指令がデジタルの
    2値電圧にして、停止は、帰還電圧の比較参照電圧部を
    強制的に高位となす直流電動機の運転制御方法。 8、特許請求の範囲第5項記載の発明において、モート
    ルの停止は、さらに発振コンパレータの電流帰還部電圧
    を強制的に高位となす直流電動機の運転制御方法。 9、特許請求の範囲第5項記載の発明において、モート
    ルの停止は、さらに帰還電圧の比較参照電圧部を強制的
    に高位となす直流電動機の運転制御方法。 10、特許請求の範囲第6項記載の発明において、モー
    トルの停止は、さらに帰還電圧の比較参照電圧部を強制
    的に高位となす直流電動機の運転制御方法。 11、特許請求の範囲第8項記載の発明において、モー
    トルの停止は、さらに帰還電圧の比較参照電圧部を強制
    的に高位となす直流電動機の運転制御方法。 12、特許請求の範囲第2項〜第11項のいずれかに記
    載の発明において、目標定速度範囲内では、通電非制御
    時の該当速度に対応する電流以上の電流クランプ値を設
    定し、目標定速範囲未満の速度では、前記クランプ値未
    満の低位の電流クランプ値を設定する直流電動機の運転
    制御方法。
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