KR20240028232A - 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치 및 방법 - Google Patents

인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

이 명세서는 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치 및 방법에 관한 것이다. 이 명세서의 일 실시예에 따른 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 방법은, 토크 에러에 기초하여 각속도 명령 값을 출력하는 단계; 속도 명령 값과 각속도 추정 값에 기초하여 d축과 q축 성분의 전류 명령 값을 생성하는 단계; d축과 q축 성분의 전류 명령 값 및 모터에 흐르는 d축과 q축 성분의 전류 값에 기초하여 회전자의 기동을 위한 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 신호를 생성하는 단계; 및 PWM 신호에 기초하여 구동 신호를 생성하여 모터를 구동하는 단계를 포함하고, 각속도 명령 값을 출력하는 단계는, 모터의 입력 파워 추정 값과 각속도 추정 값에 기초하여 토크 값을 추정하는 단계; 토크 명령 값과 토크 추정 값에 기초하여 토크 에러를 생성하는 단계; 및 토크 에러에 기초하여 각속도 명령 값을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치 및 방법 {Apparatus and method for controlling sensor-less motor driven by inverter}
이 명세서는 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 인버터 구동 센서리스 모터의 토크를 일정하게 유지하는 장치와 방법에 관한 것이다.
최근 대부분의 공조시스템(HAVC(Heating, Ventilating and Air Conditioning))에는 효율을 높이기 위해, 즉 전력 소모를 줄이고 소음을 줄이기 위해 인버터로 구동하는 모터가 채용되고 있고, 또한 모터의 기계적 수명을 길게 유지하기 위해서 브러시를 제거한 브러시리스 직류(BLDC: Brushless Direct Current) 모터가 채용되고 있다.
BLDC 모터는 회전자에 코일 대신에 영구 자석을 사용하여 브러시를 제거한 구조로 외부에 회전 자계를 형성하기 위한 회로를 필요로 한다. 즉, BLDC 모터에서, 초기에 고정자의 코일에 전류를 가하여 전기장이나 자기장을 형성시키면, 이와 반대되는 자기장을 가지고 정지하고 있는 회전자에 자기적 반발력이 발생하여 회전자가 회전하게 된다. 이러한 자기적 반발력을 이용하기 위해서는 회전자의 위치를 감지할 필요가 있다.
회전자의 위치를 검출하기 위해서, BLDC 모터는 위치 검출 소자, 예를 들어 홀 소자, 인코더 등을 포함해야 한다. 하지만, 최근에는 이러한 위치 검출 소자의 비용마저 줄이기 위해, 공조 시스템에 센서가 없는 센서리스 BLDC 모터가 일반적으로 채용되고 있다.
한편, 최근 공조 시스템은 여러 장치가 연결되어 복잡해지는 추세, 예를 들어 시스템 에어컨은 하나의 실외기에 여러 실내기가 연결되어 사용되고 있는 추세이다. 각 실내기마다 용량이나 요구되는 온도가 다를 수 있고, 여러 실내기의 용량과 온도 조건을 모두 동시에 만족시키기 위해서는, 실외기의 모터를 정밀하게 제어할 필요가 있다.
특히, 공조 시스템에서 모터에 연결되는 장치가 상황에 따라 바뀌어 부하가 변동하는 것과 관련하여, 모터의 입력 또는 출력 파워, 즉 모터의 토크를 정밀하게 제어하는 것이 중요해지고 있다.
(선행기술 1) 한국 공개특허공보 10-2004-0036364호 (2004.04.30. 공개) (선행기술 2) 일본 공개특허공보 특개 2004-242430호 (2004.08.26. 공개)
이 명세서는 이러한 상황을 감안한 것으로, 이 명세서의 목적은 인버터로 구동되는 센서리스 모터의 토크를 제어하는 장치와 방법을 제공하는 데 있다.
이 명세서의 다른 목적은, 모터의 토크를 제어하기 위해 모터의 토크를 추정하는 장치와 방법을 제공하는 데 있다.
이 명세서의 실시예에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 이 명세서의 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 이 명세서의 일 실시예에 따른 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치는, 모터의 회전자의 각속도와 위치를 추정하기 위한 위치 추정부; 모터의 입력 파워를 추정하기 위한 파워 추정부; 위치 추정부와 파워 추정부가 각각 출력하는 각속도 추정 값과 입력 파워 추정 값에 기초하여 토크 값을 추정하고, 토크 명령 값과 토크 추정 값에 기초하여 각속도 명령 값을 생성하기 위한 토크 제어부; 각속도 명령 값과 각속도 추정 값에 기초하여 d축과 q축 성분의 전류 명령 값을 생성하기 위한 속도 제어부; 속도 제어부가 출력하는 d축과 q축 성분의 전류 명령 값 및 모터에 흐르는 d축과 q축 성분의 전류 값에 기초하여 회전자의 기동을 위한 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 신호를 생성하기 위한 전류 제어부; 및 전류 제어부가 출력하는 PWM 신호에 기초하여 모터를 구동하는 구동 신호를 생성하기 위한 인버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 명세서의 다른 실시예에 따른 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 방법은, 토크 에러에 기초하여 각속도 명령 값을 출력하는 단계; 속도 명령 값과 각속도 추정 값에 기초하여 d축과 q축 성분의 전류 명령 값을 생성하는 단계; d축과 q축 성분의 전류 명령 값 및 모터에 흐르는 d축과 q축 성분의 전류 값에 기초하여 회전자의 기동을 위한 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 신호를 생성하는 단계; 및 PWM 신호에 기초하여 구동 신호를 생성하여 모터를 구동하는 단계를 포함하고, 각속도 명령 값을 출력하는 단계는, 모터의 입력 파워 추정 값과 각속도 추정 값에 기초하여 토크 값을 추정하는 단계; 토크 명령 값과 토크 추정 값에 기초하여 토크 에러를 생성하는 단계; 및 토크 에러에 기초하여 각속도 명령 값을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 모터에 입력되는 전류와 전압을 이용하여 센서리스 모터의 토크를 직접 추정함으로써, 모터의 토크를 좀더 정확하게 추정할 수 있다.
또한, 좀더 정확하게 추정된 토크를 목표 토크와 비교하여 모터의 각속도를 조절함으로써, 모터의 토크를 좀 더 정교하게 제어할 수 있게 된다.
또한, 센서 없이 모터를 제어하면서도 모터에 부과되는 부하 변동에도 모터 토크를 원하는 값으로 일정하게 제어할 수 있게 된다.
또한, 모터가 원하는 목표 토크에 해당하는 각속도에 빠르게 진입할 수 있게 되어, 불필요한 전력 소모를 줄일 수 있게 된다.
또한, 시스템 부하가 바뀌더라도 모터의 토크를 원하는 값으로 일정하게 유지하면서 바뀌는 부하에 맞추어 모터의 속도를 가변할 수 있게 된다.
이 명세서에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 이 명세서의 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있다.
도 1은 이 명세서의 일 실시예에 따른 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치의 구성을 기능 블록으로 도시한 것이고,
도 2는 도 1의 토크 제어부의 구성을 구체적으로 도시한 것이고,
도 3은 도 1의 전류 제어부의 구성을 구체적으로 도시한 것이고,
도 4a와 도 4b는 명세서의 일 실시예에 따른 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서(disclosure)에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 명세서의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 명세서(disclosure)의 용어는 document, specification, description 등의 용어로 대체할 수 있다.
일반적으로, 회전자의 위치를 검출하기 위한 검출 소자를 포함하지 않는 센서리스 모터를 제어하기 위한 제어 장치는, 회전자의 위치를 정확하게 추정하기 위한 위치 추정기를 필요로 하고, 위치 추정기가 출력하는 위치 추정 값이나 각속도 추정 값에 기초하여 속도를 제어하는 속도 제어기를 전류 제어기 앞단에 배치한다.
센서리스 모터를 제어하기 위한 제어 장치는, 호스트(미도시)로부터 입력되는 토크 명령 값으로 모터의 토크를 일정하게 제어하기 위해서, 토크 제어기를 필요로 한다.
이 명세서는, 인버터로 구동되는 센서리스 모터를 제어하는 제어 장치가 모터의 토크를 원하는 값으로 제어하기 위해 필요한 토크 제어기의 구성 및 제어 장치의 기존 구성 요소와의 연결 관계를 제시한다.
도 1은 이 명세서의 일 실시예에 따른 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치의 구성을 기능 블록으로 도시한 것이다. 여기서, 도 1에 도시된 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치는 일 실시예일 뿐이고, 그 구성 요소들이 도 1에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성 요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
도 1에 도시한 것과 같이, 이 명세서의 실시예에 따른 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치는, 토크 제어부(100), 속도 제어부(200), 전류 제어부(300), 인버터(400), 모터(500), 위치 추정부(600) 및 파워 추정부(700)를 포함할 수 있는데, 모터(500)는 센서리스 BLDC 모터일 수 있다.
토크 제어부(100)는, 모터(500)의 토크를 추정하고 이를 목표 토크 값과 비교하고 비교 결과에 기초하여 모터(500) 회전자의 각속도를 제어하기 위한 제어 명령을 출력한다.
토크 제어부(100)는, 모터(500)의 토크를 추정하기 위해 위치 추정부(600)로부터 각속도 추정 값(Wr^)을, 파워 추정부(700)로부터 파워 추정 값(p^)을, 그리고 외부 호스트(미도시)로부터 목표 토크 값(또는 토크 명령 값)(Tm*)을 입력 받을 수 있다.
토크 제어부(100)는, 각속도 추정 값(Wr^)과 파워 추정 값(p^)에 기초하여 모터(500)의 토크를 추정하고, 토크 추정 값을 토크 명령 값(Tm*)과 비교하여 토크 에러를 계산하고, 토크 에러에 기초하여 각속도 명령 값(Wr*)을 얻고 이를 속도 제어부(200)에 출력할 수 있다.
도 2는 도 1의 토크 제어부의 구성을 구체적으로 도시한 것이다.
토크 제어부(100)는 토크 추정부(110), 제4 합산부(120) 및 각속도 설정부(130)를 포함할 수 있다.
토크 추정부(110)는 각속도 추정 값(Wr^)과 파워 추정 값(p^)에 기초하여 모터(500)의 토크를 추정할 수 있는데, 토크는 모터(500)의 입력 파워(또는 출력 파워)를 각속도로 나눈 값에 비례하므로, 파워 추정부(700)가 출력하는 파워 추정 값(p^)에 소정 게인을 곱한 후 위치 추정부(600)가 출력하는 각속도 추정 값(Wr^)으로 나누어 모터(500)의 토크를 추정, 즉 토크 추정 값(T^)을 출력할 수 있다.
제4 합산부(120)는 호스트로부터 입력되는 목표 토크 값(Tm*)과 토크 추정부(110)가 출력하는 토크 추정 값(T^)의 차이 값을 토크 에러 값(Te)으로 출력한다.
각속도 설정부(130)는 토크 에러 값(Te)에 기초하여 각속도 명령 값(Wr*)을 생성하여 출력한다. 각속도 설정부(130)는, 목표 토크 값(Tm*)에서 토크 추정 값(T^)을 뺀 토크 에러 값(Te)이 제로에 가깝다면 각속도 명령 값(Wr*)을 현재 값으로 유지하고, 토크 에러 값(Te)이 0보다 크면 각속도가 낮다고 판단하여 각속도 명령 값(Wr*)을 상향 조절하고, 토크 에러 값(Te)이 0보다 작으면 각속도가 높다고 판단하여 각속도 명령 값(Wr*)을 하향 조절할 수 있다.
토크 에러 값(Te)을 토크 추정 값(T^)에서 목표 토크 값(Tm*)을 뺀 값으로 정의한다면, 각속도 설정부(130)는, 반대로 토크 에러 값(Te)이 0보다 크면 각속도가 높다고 판단하여 각속도 명령 값(Wr*)을 하향 조절하고, 토크 에러 값(Te)이 0보다 작으면 각속도가 낮다고 판단하여 각속도 명령 값(Wr*)을 상향 조절할 수도 있다.
이때, 각속도 설정부(130)는, 각속도 명령 값(Wr*)의 상향 또는 하향 조절하는 값은 토크 에러 값(Te)의 절대 값에 비례하게 그 단계 또는 스텝을 가변할 수 있다. 즉, 각속도 설정부(130)는, 토크 에러 값(Te)의 절대 값이 클 때에는 조절하는 값의 스텝을 크게 하고 토크 에러 값(Te)의 절대 값이 작을 때에는 조절하는 값의 스텝을 작게 하여, 토크 에러 값(Te)이 마이너스 값에서 플러스 값으로 또는 플러스 값에서 마이너스 값으로 반복하여 널뛰기하는 현상을 줄이고, 토크 추정 값(T^)이 점진적으로 목표 토크 값(Tm*)에 수렴하도록 할 수 있다.
속도 제어부(200)는 토크 제어부(100)가 출력하는 각속도 명령 값(Wr*)에 기초하여 모터(500)의 각속도를 제어하는 제어 신호를 출력하는데, 토크 제어부(100)가 출력하는 각속도 명령 값(Wr*)과 위치 추정부(600)가 출력하는 각속도 추정 값(Wr^)은 제1 합산부(10)에 의해 각속도 에러 값으로 연산되어 속도 제어부(200)에 입력될 수 있다.
또는, 제1 합산부(10)는 속도 제어부(200)에 포함될 수 있고, 이 경우 속도 제어부(200)는 토크 제어부(100)와 위치 추정부(600)로부터 각속도 명령 값(Wr*)과 각속도 추정 값(Wr^)을 입력 받고, 내부에서 이에 기초하여 각속도 에러 값을 계산할 수도 있다.
즉, 속도 제어부(200)는 각속도 에러 값에 기초하여 각속도 에러 값이 0으로 수렴하도록 모터(500)의 각속도 제어를 위한 전류 명령 값을 생성할 수 있는데, d축과 q축 성분으로 나눈 전류 명령 값(id*, iq*)을 출력할 수 있다. 여기서 d축은 자속 축에 해당하고 q축은 토크 축에 해당한다.
속도 제어부(200)는, 각속도 에러 값에, 예를 들어 비례기와 적분기가 결합된 비례 적분기(또는 PI 제어기)를 적용하여 토크 축인 q축 성분의 전류 명령 값(iq*)을 생성할 수 있다. 또한, 속도 제어부(200)는 자속 축인 d축 성분의 전류 명령 값(id*)으로는 제로 값을 출력할 수 있다.
일반적으로 모터(500)에 흐르는 d축 성분의 전류(id)는 자속을 만드는 성분으로 여자 전류로 불리지만, 토크 발생에는 관여하지 않는다. 반면, q축 성분의 전류(iq)는 토크 전류로 불리고, 모터(500)의 토크 발생에 관여한다.
속도 제어부(200)가 출력하는 d축과 q축 성분의 전류 명령 값(id*, iq*)과 모터(500)에 흐르는 d축과 q축 성분의 전류 값(id, iq)의 차이 값인 d축과 q축 성분의 전류 에러 값(ids, iqs)이 각각 제2 및 제3 합산부(20, 30)에서 생성되어, 전류 제어부(300)에 입력된다.
또는, d축과 q축 성분의 전류 에러 값(ide, iqe)을 생성하는 제2 및 제3 합산부(20, 30)는 전류 제어부(300) 내부에 포함될 수 있는데, 이 경우 전류 제어부(300)는 속도 제어부(200)로부터 d축과 q축 성분의 전류 명령 값(id*, iq*)을 입력 받고, 내부에서 생성하는 모터(500)에 흐르는 d축과 q축 성분의 전류 값(id, iq)을 이용하여 d축과 q축 성분의 전류 에러 값(ide, iqe)을 생성할 수도 있다.
전류 제어부(300)는, d축과 q축 성분의 전류 에러 값(ide, iqe) 및 위치 추정부(600)가 출력하는 위치 추정 값(θ^)에 기초하여, 모터(500) 회전자를 기동하기 위한 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 신호(PWM1 ~ PWM6)를 생성하여 인버터(400)에 출력할 수 있다.
도 3은 도 1의 전류 제어부의 구성을 구체적으로 도시한 것이다.
전류 제어부(300)는 제1 비례 적분기(310), 제2 비례 적분기(320), 좌표 변환부(330), PWM 생성부(340), 3상/2상 변환부(350) 및 벡터 변환부(360)를 포함할 수 있다.
제1 비례 적분기(310)와 제2 비례 적분기(320)는 각각, 속도 제어부(200)가 출력하는 d축과 q축 성분의 전류 명령 값(id*, iq*) 또는 d축과 q축 성분의 전류 에러 값(ide, iqe)에 기초하여, d축과 q축 성분의 전압 명령 값(Vd, Vq)을 생성하여 출력하는데, d축과 q축 성분의 전류 에러 값(ide, iqe)이 제로가 되도록 하는 d축과 q축 성분의 전압 명령 값(Vd, Vq)을 생성할 수 있다.
제1 비례 적분기(310)와 제2 비례 적분기(320)가 출력하는 d축과 q축 성분의 전압 명령 값(Vd, Vq)은 파워 추정부(700)에 공급되어, 모터(500)에 입력되는 입력 파워를 계산하는 데 사용될 수 있다.
좌표 변환부(330)는 제1 비례 적분기(310)와 제2 비례 적분기(320)가 출력하는 전압 명령 값(Vd, Vq)을 2축 좌표계의 전압 값(Vα, Vβ)으로 변환하는데, 이때 위치 추정부(600)가 출력하는 위치 추정 값(θ^)을 이용할 수 있다.
PWM 생성부(340)는 좌표 변환부(330)에서 변환된 2축 좌표계의 전압 값(Vα, Vβ)에 기초하여 펄스 폭 변조(PWM) 신호(PWM1 ~ PWM6)를 생성할 수 있는데, PWM 신호(PWM1 ~ PWM6)는 예를 들어 3상일 수 있다. PWM 신호(PWM1 ~ PWM6)는 인버터(400)에 의해 모터(500)를 구동하기 위한 구동 전류 형태로 변환되어 모터(500)에 인가된다.
3상/2상 변환부(350)는, 인버터(400)와 모터(500) 사이 배선 중 적어도 일부에 장착된 전류 검출기(40, 50)에 의해 검출된 3상 전류 Ia, Ib, Ic 중 적어도 둘 이상을 등가인 2상 전류(iα, iβ)로 변환한다.
벡터 회전부(360)는, 3상/2상 변환부(350)가 변환하여 출력하는 2상 전류(iα, iβ) 및 위치 추정부(600)가 출력하는 위치 추정 값(θ^)에 기초하여, d축과 q축 성분의 전류 값(id, iq)을 생성한다.
벡터 회전부(360)가 생성하는 d축과 q축 성분의 전류 값(id, iq)은, 제2 및 제3 가산부(20, 30)에 공급되어, 속도 제어부(200)가 출력하는 d축과 q축 성분의 전류 명령 값(id*, iq*)에 마이너스 값으로 합산되어, d축과 q축 성분의 전류 에러 값(ide, iqe)을 생성하는데 이용될 수 있다.
또한, 벡터 회전부(360)가 생성하는 d축과 q축 성분의 전류 값(id, iq)은 파워 추정부(700)에 공급되어, 모터(500)에 입력되는 입력 파워를 계산하는 데 사용될 수 있다.
인버터(400)는 전류 제어부(300)가 출력하는 PWM 신호(PWM1 ~ PWM6)에 기초하여 구동 신호인 3상 전류(Ia, Ib, Ic)를 생성하여 모터(500)에 공급하여 모터(500)를 구동한다.
위치 추정부(600)는 모터(500)에 인가되는 전압과 전류를 이용하여 회전자의 위치를 추정하는데, 전류 제어부(300)로부터 입력되는 2축 좌표계의 전압 값(Vα, Vβ)과 2상 전류(iα, iβ)를 이용한다.
또한, 위치 추정부(600)는, 모터(500)의 전기자 코일의 d축과 q축 성분의 유도 계수(Ld, Lq) 및 저항(R)을 미리 저장하고, 전류 제어부(300)에서 전송되는 전류와 전압 및 저장된 정보에 기초하여, 영구 자석이 만드는 자속에 의해서 전기자 코일 내에 발생하는 야기 전압의 d축 성분의 추정 값(Ed)을 계산하고, d축 성분의 야기 전압 추정 값(Ed)을 회전자의 각속도 추정 값(Wr^)으로 하여 토크 제어부(100)와 속도 제어부(200)에 출력하는데, 각속도 추정 값(Wr^)은 모터(500)의 토크를 추정하거나 각속도 에러 값을 생성하는데 이용될 수 있다.
또한, 위치 추정부(600)는, 각속도 추정 값(Wr^)을 적분함으로써 회전자의 회전 위치 추정 값(θ^)을 계산할 수 있고, 이를 전류 제어부(300)에 출력할 수 있다.
파워 추정부(700)는, 전류 제어부(300)로부터 d축과 q축 성분의 전류 값(id, iq)과 전압 명령 값(Vd, Vq)을 입력으로 받고, 이에 기초하여 모터(500)에 입력되는 입력 파워를 계산하고, 이를 토크 제어부(100)에 출력하고, 토크 제어부(100)는 입력 파워에 기초하여 모터(500)의 토크를 추정할 수 있다.
도 4a와 도 4b는 명세서의 일 실시예에 따른 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것으로, 도 4a와 도 4b는 토크 제어부(100)의 동작에 대한 것이다.
토크 제어부(100)의 토크 추정부(110)는 위치 추정부(600)와 파워 추정부(700)로부터 각각 각속도 추정 값(Wr^)과 파워 추정 값(p^)을 수신하고, 이에 기초하여 모터(500)의 토크를 추정할 수 있는데(S410), 토크 추정 값(T^)은 파워 추정 값(p^)에 소정 게인을 곱한 후 각속도 추정 값(Wr^)으로 나누어 구할 수 있다.
토크 제어부(100)의 제4 합산부(120)는, 호스트로부터 입력되는 목표 토크 값(Tm*)과 토크 추정부(110)가 출력하는 토크 추정 값(T^)에 기초하여 토크 에러 값(Te)을 생성할 수 있는데(S420), 토크 에러 값(Te)은 목표 토크 값(Tm*)에서 토크 추정 값(T^)을 뺀 값으로 계산할 수 있다.
토크 제어부(100)의 각속도 설정부(130)는 토크 에러 값(Te)에 기초하여 각속도 명령 값(Wr*)을 생성하여 속도 제어부(200)에 출력할 수 있다(S430).
각속도 설정부(130)의 동작은 도 4b에 구체적으로 설명되어 있다.
각속도 설정부(130)는 토크 에러 값(Te)에 따라, 즉 목표 토크 값(Tm*)과 토크 추정 값(T^)의 대소 여부에 따라 각속도 명령 값(Wr*)을 조절할 수 있다.
각속도 설정부(130)는, 토크 에러 값(Te)이 0인지 여부 또는 0에 가까운지 여부를 확인하고(S431), 토크 에러 값(Te)이 0이거나 0에 가까우면(431에서 Yes) 각속도 명령 값(Wr*)을 현재 값으로 유지할 수 있다(S432).
반면, 각속도 설정부(130)는, 토크 에러 값(Te)이 0보다 큰지 확인하여(S433), 토크 에러 값(Te)이 0보다 클 때(S433에서 Yes) 모터(500)의 각속도가 낮다고 판단하여 모터(500)의 각속도가 증가할 수 있도록 각속도 명령 값(Wr*)을 상향 조절할 수 있다(S434).
또한, 각속도 설정부(130)는, 토크 에러 값(Te)이 0보다 작을 때(S433에서 No) 모터(500)의 각속도가 높다고 판단하여 모터(500)의 각속도가 감소할 수 있도록 각속도 명령 값(Wr*)을 하향 조절할 수 있다(S435).
각속도 설정부(130)는, S434 단계와 S435 단계에 각속도 명령 값(Wr*)을 상향 또는 하향 조절할 때, 토크 에러 값(Te)의 절대 값에 비례하게 상향 또는 하향 조절하는 단계를 가변할 수 있다.
즉, 각속도 설정부(130)는, 토크 에러 값(Te)의 절대 값이 클 때에는 각속도 명령 값(Wr*)을 상향 또는 하향 조절하는 단계를 크게 하고, 토크 에러 값(Te)의 절대 값이 작을 때에는 각속도 명령 값(Wr*)을 상향 또는 하향 조절하는 단계를 작게 할 수 있다.
상향 또는 하향 조절하는 각속도 명령 값(Wr*)의 단계를 가변함으로써, 토크 에러 값(Te)이 마이너스 값에서 플러스 값으로 또는 플러스 값에서 마이너스 값으로 반복하여 널뛰기하는 현상을 줄일 수 있고, 토크 추정 값(T^)이 점진적으로 목표 토크 값(Tm*)으로 수렴하도록 할 수 있다.
이 명세서에 기재된 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치와 방법은 아래와 같이 설명될 수 있다.
일 실시예에 따른 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치는, 모터의 회전자의 각속도와 위치를 추정하기 위한 위치 추정부; 모터의 입력 파워를 추정하기 위한 파워 추정부; 위치 추정부와 파워 추정부가 각각 출력하는 각속도 추정 값과 입력 파워 추정 값에 기초하여 토크 값을 추정하고, 토크 명령 값과 토크 추정 값에 기초하여 각속도 명령 값을 생성하기 위한 토크 제어부; 각속도 명령 값과 각속도 추정 값에 기초하여 d축과 q축 성분의 전류 명령 값을 생성하기 위한 속도 제어부; 속도 제어부가 출력하는 d축과 q축 성분의 전류 명령 값 및 모터에 흐르는 d축과 q축 성분의 전류 값에 기초하여 회전자의 기동을 위한 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 신호를 생성하기 위한 전류 제어부; 및 전류 제어부가 출력하는 PWM 신호에 기초하여 모터를 구동하는 구동 신호를 생성하기 위한 인버터를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 토크 제어부는, 입력 파워 추정 값과 각속도 추정 값에 기초하여 토크 값을 추정하기 위한 토크 추정부; 토크 명령 값과 토크 추정 값에 기초하여 토크 에러 값을 계산하기 위한 제4 합산부; 및 토크 에러 값에 기초하여 각속도 명령 값을 설정하기 위한 각속도 설정부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 토크 추정부는 입력 파워 추정 값을 각속도 추정 값으로 나눈 값에 비례하도록 토크 추정 값을 계산할 수 있다.
일 실시예에서, 각속도 설정부는, 토크 에러가 없으면 각속도 명령 값을 유지하고, 토크 명령 값이 토크 추정 값보다 커 토크 에러가 0보다 크면 각속도 명령 값을 상향 조절하고, 토크 에러가 0보다 작으면 각속도 명령 값을 하향 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 각속도 설정부는, 상기 각속도 명령 값을 상향 또는 하향 조절하는 스텝을 상기 토크 에러의 절대 값에 비례하도록 가변할 수 있다.
일 실시예에서, 파워 추정부는 모터에 공급되는 d축과 q축 성분 각각의 전류와 전압에 기초하여 입력 파워를 추정할 수 있다.
일 실시예에서, 전류 제어부는, 속도 제어부가 출력하는 d축과 q축 성분의 전류 명령 값에 기초하여 d축과 q축 성분의 전압 명령 값을 각각 출력하기 위한 제1 및 제2 비례 적분기; 제1 및 제2 비례 적분기가 출력하는 전압 명령 값 및 위치 추정부가 출력하는 회전자의 위치 추정 값에 기초하여 2축 좌표계 전압 값으로 변환하기 위한 좌표 변환부; 좌표 변환부가 변환한 고정 2축 좌표계 값에 기초하여 3상의 PWM 신호를 생성하기 위한 형성하는 PWM 생성부; 인버터와 모터 사이 배선에 장착된 전류 검출기에서 검출된 3상 전류를 등가인 2상 전류 값으로 변환하기 위한 3상/2상 변환부; 및 2상 전류 값 및 위치 추정부가 출력하는 회전자의 위치 추정 값에 기초하여 d축과 q축 성분의 전류를 생성하기 위한 벡터 회전부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 및 제2 비례 적분기는, 속도 제어부가 출력하는 d축과 q축 성분의 전류 명령 값과 벡터 회전부가 출력하는 d축과 q축 성분의 전류의 차이에 기초하여 d축과 q축 성분의 전압 명령 값을 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 위치 추정부는 좌표 변환부가 출력하는 2축 좌표계 전압 값과 3상/2상 변환부가 변환한 2상 전류 값에 기초하여 회전자의 각속도와 위치를 추정할 수 있다.
다른 실시예에 따른 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 방법은, 토크 에러에 기초하여 각속도 명령 값을 출력하는 단계; 속도 명령 값과 각속도 추정 값에 기초하여 d축과 q축 성분의 전류 명령 값을 생성하는 단계; d축과 q축 성분의 전류 명령 값 및 모터에 흐르는 d축과 q축 성분의 전류 값에 기초하여 회전자의 기동을 위한 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 신호를 생성하는 단계; 및 PWM 신호에 기초하여 구동 신호를 생성하여 모터를 구동하는 단계를 포함하고, 각속도 명령 값을 출력하는 단계는, 모터의 입력 파워 추정 값과 각속도 추정 값에 기초하여 토크 값을 추정하는 단계; 토크 명령 값과 토크 추정 값에 기초하여 토크 에러를 생성하는 단계; 및 토크 에러에 기초하여 각속도 명령 값을 조절하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 각속도 명령 값을 조정하는 단계는, 토크 에러가 없으면 각속도 명령 값을 유지하고, 토크 명령 값이 토크 추정 값보다 커 토크 에러가 0보다 크면 각속도 명령 값을 상향 조절하고, 토크 에러가 0보다 작으면 각속도 명령 값을 하향 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 각속도 명령 값을 조정하는 단계는, 상기 각속도 명령 값을 상향 또는 하향 조절하는 스텝을 상기 토크 에러의 절대 값에 비례하도록 가변할 수 있다.
일 실시예에서, 토크 값은 입력 파워 추정 값을 각속도 추정 값으로 나눈 값에 비례할 수 있다.
일 실시예에서, 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 방법은 모터에 공급되는 d축과 q축 성분 각각의 전류와 전압에 기초하여 입력 파워를 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이 명세서는 기재된 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
10, 20, 30: 제1, 제2, 제3 합산부
40, 50: 전류 검출기
100: 토크 제어부 110: 토크 추정부
120: 제4 합산부 130: 각속도 설정부
200: 속도 제어부 300: 전류 제어부
310: 제1 비례 적분기 320: 제2 비례 적분기
330: 좌표 변환부 340: PWM 생성부
350: 3상/2상 변환부 360: 벡터 회전부
400: 인버터 500: 모터
600: 위치 추정부 700: 파워 추정부

Claims (14)

  1. 모터의 회전자의 각속도와 위치를 추정하기 위한 위치 추정부;
    상기 모터의 입력 파워를 추정하기 위한 파워 추정부;
    상기 위치 추정부와 파워 추정부가 각각 출력하는 각속도 추정 값과 입력 파워 추정 값에 기초하여 토크 값을 추정하고, 토크 명령 값과 상기 토크 추정 값에 기초하여 각속도 명령 값을 생성하기 위한 토크 제어부;
    상기 각속도 명령 값과 상기 각속도 추정 값에 기초하여 d축과 q축 성분의 전류 명령 값을 생성하기 위한 속도 제어부;
    상기 속도 제어부가 출력하는 d축과 q축 성분의 전류 명령 값 및 상기 모터에 흐르는 d축과 q축 성분의 전류 값에 기초하여 상기 회전자의 기동을 위한 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 신호를 생성하기 위한 전류 제어부; 및
    상기 전류 제어부가 출력하는 PWM 신호에 기초하여 상기 모터를 구동하는 구동 신호를 생성하기 위한 인버터를 포함하는,
    인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 토크 제어부는,
    상기 입력 파워 추정 값과 상기 각속도 추정 값에 기초하여 상기 토크 값을 추정하기 위한 토크 추정부;
    상기 토크 명령 값과 상기 토크 추정 값에 기초하여 토크 에러 값을 계산하기 위한 제4 합산부; 및
    상기 토크 에러 값에 기초하여 상기 각속도 명령 값을 설정하기 위한 각속도 설정부를 포함하는,
    인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 토크 추정부는 상기 입력 파워 추정 값을 상기 각속도 추정 값으로 나눈 값에 비례하도록 상기 토크 추정 값을 계산하는, 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 각속도 설정부는, 상기 토크 에러가 없으면 상기 각속도 명령 값을 유지하고, 상기 토크 명령 값이 상기 토크 추정 값보다 커 상기 토크 에러가 0보다 크면 상기 각속도 명령 값을 상향 조절하고, 상기 토크 에러가 0보다 작으면 상기 각속도 명령 값을 하향 조절하는, 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 각속도 설정부는, 상기 각속도 명령 값을 상향 또는 하향 조절하는 스텝을 상기 토크 에러의 절대 값에 비례하도록 가변하는, 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 파워 추정부는 상기 모터에 공급되는 d축과 q축 성분 각각의 전류와 전압에 기초하여 상기 입력 파워를 추정하는, 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 전류 제어부는,
    상기 속도 제어부가 출력하는 d축과 q축 성분의 전류 명령 값에 기초하여 d축과 q축 성분의 전압 명령 값을 각각 출력하기 위한 제1 및 제2 비례 적분기;
    상기 제1 및 제2 비례 적분기가 출력하는 전압 명령 값 및 상기 위치 추정부가 출력하는 회전자의 위치 추정 값에 기초하여 2축 좌표계 전압 값으로 변환하기 위한 좌표 변환부;
    상기 좌표 변환부가 변환한 고정 2축 좌표계 값에 기초하여 3상의 PWM 신호를 생성하기 위한 형성하는 PWM 생성부;
    상기 인버터와 상기 모터 사이 배선에 장착된 전류 검출기에서 검출된 3상 전류를 등가인 2상 전류 값으로 변환하기 위한 3상/2상 변환부; 및
    상기 2상 전류 값 및 상기 위치 추정부가 출력하는 회전자의 위치 추정 값에 기초하여 상기 d축과 q축 성분의 전류를 생성하기 위한 벡터 회전부를 포함하는,
    인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 비례 적분기는 상기 속도 제어부가 출력하는 d축과 q축 성분의 전류 명령 값과 상기 벡터 회전부가 출력하는 d축과 q축 성분의 전류의 차이에 기초하여 상기 d축과 q축 성분의 전압 명령 값을 생성하는, 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 위치 추정부는 상기 좌표 변환부가 출력하는 2축 좌표계 전압 값과 상기 3상/2상 변환부가 변환한 2상 전류 값에 기초하여 상기 회전자의 각속도와 위치를 추정하는, 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 장치.
  10. 토크 에러에 기초하여 각속도 명령 값을 출력하는 단계;
    상기 속도 명령 값과 각속도 추정 값에 기초하여 d축과 q축 성분의 전류 명령 값을 생성하는 단계;
    상기 d축과 q축 성분의 전류 명령 값 및 모터에 흐르는 d축과 q축 성분의 전류 값에 기초하여 회전자의 기동을 위한 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 PWM 신호에 기초하여 구동 신호를 생성하여 상기 모터를 구동하는 단계를 포함하고,
    상기 각속도 명령 값을 출력하는 단계는,
    상기 모터의 입력 파워 추정 값과 상기 각속도 추정 값에 기초하여 토크 값을 추정하는 단계;
    토크 명령 값과 상기 토크 추정 값에 기초하여 상기 토크 에러를 생성하는 단계; 및
    상기 토크 에러에 기초하여 상기 각속도 명령 값을 조절하는 단계를 포함하는,
    인버터 구동 센서리스 모터의 제어 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 각속도 명령 값을 조정하는 단계는, 상기 토크 에러가 없으면 상기 각속도 명령 값을 유지하고, 상기 토크 명령 값이 상기 토크 추정 값보다 커 상기 토크 에러가 0보다 크면 상기 각속도 명령 값을 상향 조절하고, 상기 토크 에러가 0보다 작으면 상기 각속도 명령 값을 하향 조절하는, 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 각속도 명령 값을 조정하는 단계는, 상기 각속도 명령 값을 상향 또는 하향 조절하는 스텝을 상기 토크 에러의 절대 값에 비례하도록 가변하는, 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 방법.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 토크 값은 상기 입력 파워 추정 값을 상기 각속도 추정 값으로 나눈 값에 비례하는, 인버터 구동 센서리스 모터의 제어 방법.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 모터에 공급되는 d축과 q축 성분 각각의 전류와 전압에 기초하여 상기 입력 파워를 추정하는 단계를 더 포함하는,
    인버터 구동 센서리스 모터의 제어 방법.
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