JP2002112596A - 電動機の制御装置 - Google Patents
電動機の制御装置Info
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- Control Of Ac Motors In General (AREA)
- Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】簡単な制御で高効率、高信頼の運転を可能にす
る、安価かつ高性能な永久磁石型同期電動機の制御装置
を提供する提供すること。 【解決手段】永久磁石型同期電動機20の2相の電流I
u、Ivを検出し、この電流値から座標変換手段17に
より座標変換した電動機の実電流値Id、Iqと、電動
機モデル演算手段18から算出した電流値Imd、Im
qとの差Δid、Δiqを基に電動機の脱調及び不安定
領域を検出する。ここで、d軸電流誤差Δidが、所定
の範囲の値a<Δid<bであれば、安定動作状態と判
断し、前記所定範囲外であれば不安定と判断する。ま
た、Δid≦aの時は、位相を遅らせるように制御し、
b≦Δidの時は、位相を進めるように制御する。更
に、永久磁石型同期電動機20のロータ(図示せず)の
現在位置θを修正する時も、上述した制御と同様の判定
を行う。
る、安価かつ高性能な永久磁石型同期電動機の制御装置
を提供する提供すること。 【解決手段】永久磁石型同期電動機20の2相の電流I
u、Ivを検出し、この電流値から座標変換手段17に
より座標変換した電動機の実電流値Id、Iqと、電動
機モデル演算手段18から算出した電流値Imd、Im
qとの差Δid、Δiqを基に電動機の脱調及び不安定
領域を検出する。ここで、d軸電流誤差Δidが、所定
の範囲の値a<Δid<bであれば、安定動作状態と判
断し、前記所定範囲外であれば不安定と判断する。ま
た、Δid≦aの時は、位相を遅らせるように制御し、
b≦Δidの時は、位相を進めるように制御する。更
に、永久磁石型同期電動機20のロータ(図示せず)の
現在位置θを修正する時も、上述した制御と同様の判定
を行う。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、インバータ等の
半導体電力変換器を用いて永久磁石型同期電動機を効率
よく運転するための制御装置に係り、詳しくは、同期電
動機の印加電圧と周波数をほぼ比例させて制御するセン
サレスベクトル制御方式の制御装置に関するものであ
る。
半導体電力変換器を用いて永久磁石型同期電動機を効率
よく運転するための制御装置に係り、詳しくは、同期電
動機の印加電圧と周波数をほぼ比例させて制御するセン
サレスベクトル制御方式の制御装置に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】永久磁石型同期電動機やリラクタンスモ
ータのように回転子が突極性を有する同期電動機の制御
では、一般に回転子の位置(極性位置)を検出する位置
検出器が必要であり、検出した位置に同期して固定子巻
線の電流位相を制御している。ここで、回転子の位置検
出器としてはホール素子、エンコーダ、レゾルバ等が用
いられている。回転子の位置を検出可能な場合の高効率
運転は比較的容易に実現可能であり、永久磁石型同期電
動機では、回転子の永久磁石が作る磁束方向の電流すな
わちd軸電流をゼロにするId=0制御が一般に採用さ
れる。永久磁石型同期電動機のように回転子に突極性が
ある電動機の場合には、d軸電流はトルクに寄与しない
ため、Id=0制御によって固定子巻線に生じる銅損を
最小限に抑えることができるためである。一方、前述し
たように磁極位置を検出して電動機の電流位相を制御す
る制御方法の他に、電動機の電圧と周波数とを単に比例
させて制御するベクトル制御が良く知られている。図4
はベクトル制御の制御ブロック図を示している。図4に
おいて、周波数設定手段1により所望する永久磁石型同
期電動機7(以下、単に「電動機7」という。)の周波
数を設定し、加減速演算手段2により周波数をランプ関
数状に変化させる。周波数(f)/電圧(V)変換手段
3では、周波数にほぼ比例した電圧が記憶あるいは計算
によって求められ、周波数司令f´に応じた電圧指令V
´が出力される。
ータのように回転子が突極性を有する同期電動機の制御
では、一般に回転子の位置(極性位置)を検出する位置
検出器が必要であり、検出した位置に同期して固定子巻
線の電流位相を制御している。ここで、回転子の位置検
出器としてはホール素子、エンコーダ、レゾルバ等が用
いられている。回転子の位置を検出可能な場合の高効率
運転は比較的容易に実現可能であり、永久磁石型同期電
動機では、回転子の永久磁石が作る磁束方向の電流すな
わちd軸電流をゼロにするId=0制御が一般に採用さ
れる。永久磁石型同期電動機のように回転子に突極性が
ある電動機の場合には、d軸電流はトルクに寄与しない
ため、Id=0制御によって固定子巻線に生じる銅損を
最小限に抑えることができるためである。一方、前述し
たように磁極位置を検出して電動機の電流位相を制御す
る制御方法の他に、電動機の電圧と周波数とを単に比例
させて制御するベクトル制御が良く知られている。図4
はベクトル制御の制御ブロック図を示している。図4に
おいて、周波数設定手段1により所望する永久磁石型同
期電動機7(以下、単に「電動機7」という。)の周波
数を設定し、加減速演算手段2により周波数をランプ関
数状に変化させる。周波数(f)/電圧(V)変換手段
3では、周波数にほぼ比例した電圧が記憶あるいは計算
によって求められ、周波数司令f´に応じた電圧指令V
´が出力される。
【0003】積算手段4は、加減速演算手段2から出力
される周波数指令f´と後述する補正量Δf´との和で
あるf1´を積分し、電動機7の固定子巻線に印加する
電圧の位相θを演算する。PWM制御手段5は、電圧指
令ν´の大きさ及び位相θに基づいてパルス幅変調を行
い、駆動パルスを生成してインバータ6のスイッチング
素子をオン、オフ制御する。インバータ6からはパルス
幅制御された三相の交流電圧が出力され、この電圧は永
久磁石型同期電動機7の固定子巻線に印加されて回転磁
界を発生させる。ここで、一般にベクトル制御では、定
常的にトルクが振動したり、負荷が急変した場合には脱
調して運転不能になる等の点で、安定性に問題がある。
そこで、電動機7の入力電流を検出し、安定化制御手段
31により3相/2相変換、座標変換、フィルタ処理、
比例増幅処理、偏差演算処理等を行って印加電圧ベクト
ルに対し直交または平行な電流成分を検出し、これを補
正量Δf´として電圧の周波数指令f´に帰還すること
により、制御の安定性を高めている。
される周波数指令f´と後述する補正量Δf´との和で
あるf1´を積分し、電動機7の固定子巻線に印加する
電圧の位相θを演算する。PWM制御手段5は、電圧指
令ν´の大きさ及び位相θに基づいてパルス幅変調を行
い、駆動パルスを生成してインバータ6のスイッチング
素子をオン、オフ制御する。インバータ6からはパルス
幅制御された三相の交流電圧が出力され、この電圧は永
久磁石型同期電動機7の固定子巻線に印加されて回転磁
界を発生させる。ここで、一般にベクトル制御では、定
常的にトルクが振動したり、負荷が急変した場合には脱
調して運転不能になる等の点で、安定性に問題がある。
そこで、電動機7の入力電流を検出し、安定化制御手段
31により3相/2相変換、座標変換、フィルタ処理、
比例増幅処理、偏差演算処理等を行って印加電圧ベクト
ルに対し直交または平行な電流成分を検出し、これを補
正量Δf´として電圧の周波数指令f´に帰還すること
により、制御の安定性を高めている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、回転子
の位置検出器を備えた制御装置は、Id=0制御によっ
て高効率運転を比較的容易に実現できる反面、装置の小
型化に難点があり、また、検出器の信号を伝える複数本
の配線や受信回路が必要であるため、信頼性、作業性、
価格等の面で問題を抱えている。一方、図4に示した従
来のベクトル制御は、位置検出器が不要であり、且つ制
御が簡単であるので、制御装置の低価格化が可能である
が、回転子の位置が不明であるため、Id=0制御を採
用することができず、高効率運転が難しかった。
の位置検出器を備えた制御装置は、Id=0制御によっ
て高効率運転を比較的容易に実現できる反面、装置の小
型化に難点があり、また、検出器の信号を伝える複数本
の配線や受信回路が必要であるため、信頼性、作業性、
価格等の面で問題を抱えている。一方、図4に示した従
来のベクトル制御は、位置検出器が不要であり、且つ制
御が簡単であるので、制御装置の低価格化が可能である
が、回転子の位置が不明であるため、Id=0制御を採
用することができず、高効率運転が難しかった。
【0005】また、センサレスベクトル制御では、位置
検出器を搭載していないため、速度・位置情報を所定の
演算により推定を行っていたため、入力電圧の変動や推
定精度の問題で電動機が脱調する可能性が大きかった。
検出器を搭載していないため、速度・位置情報を所定の
演算により推定を行っていたため、入力電圧の変動や推
定精度の問題で電動機が脱調する可能性が大きかった。
【0006】このため、本発明では、上述した課題を解
決し、簡単な制御で高効率、高信頼の運転を可能にす
る、安価かつ高性能な永久磁石型同期電動機の制御装置
を提供するものである。
決し、簡単な制御で高効率、高信頼の運転を可能にす
る、安価かつ高性能な永久磁石型同期電動機の制御装置
を提供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項1に記載の発明は、電力変換器により、永久
磁石型同期電動機の巻線に印加する電圧とその周波数と
をほぼ比例させて制御する永久磁石型同期電動機の制御
装置において、前記巻線に流れる少なくとも2相の電流
を検出する手段と、検出した電流を、電動機に印加する
電圧ベクトルに対し平行な電流成分及びこれに直交する
電流成分に分離する座標変換手段と、前記検出電流と座
標変換手段のモデルから算出した電流との差分から前記
電動機の脱調及び不安定領域を検出する手段とを備えた
ことである。
に、請求項1に記載の発明は、電力変換器により、永久
磁石型同期電動機の巻線に印加する電圧とその周波数と
をほぼ比例させて制御する永久磁石型同期電動機の制御
装置において、前記巻線に流れる少なくとも2相の電流
を検出する手段と、検出した電流を、電動機に印加する
電圧ベクトルに対し平行な電流成分及びこれに直交する
電流成分に分離する座標変換手段と、前記検出電流と座
標変換手段のモデルから算出した電流との差分から前記
電動機の脱調及び不安定領域を検出する手段とを備えた
ことである。
【0008】請求項1に記載の発明によれば、本発明の
制御装置は、演算のみで電動機の現在の動作状況の安定
性を検出することができる。
制御装置は、演算のみで電動機の現在の動作状況の安定
性を検出することができる。
【0009】請求項2に記載の発明は、請求項1に記載
の電動機の脱調及び不安定領域を検出した電流の差分に
基づいて、電流目標値を補正して出力電圧の位相を補正
することである。
の電動機の脱調及び不安定領域を検出した電流の差分に
基づいて、電流目標値を補正して出力電圧の位相を補正
することである。
【0010】請求項2に記載の発明によれば、本発明の
制御装置は、脱調を検出した後、位相を補正するため、
Id電流目標値を補正することにより安定した電動機の
動作が可能となる。
制御装置は、脱調を検出した後、位相を補正するため、
Id電流目標値を補正することにより安定した電動機の
動作が可能となる。
【0011】請求項3に記載の発明は、請求項1に記載
の電動機の脱調及び不安定領域を検出した電流の差分に
基づいて、前記電動機のロータ位置推定部で推定した位
置を補正することである。
の電動機の脱調及び不安定領域を検出した電流の差分に
基づいて、前記電動機のロータ位置推定部で推定した位
置を補正することである。
【0012】請求項3に記載の発明によれば、本発明の
制御装置は、脱調を検出した後、位相を補正するため、
推定した現在位置θを補正することにより安定した電動
機の動作が可能となる。
制御装置は、脱調を検出した後、位相を補正するため、
推定した現在位置θを補正することにより安定した電動
機の動作が可能となる。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面に基づき説明する。図1及び図2は、本発明の基本原
理を説明するためのベクトル線図である。永久磁石型同
期電動機における回転子の永久磁石が作る磁束ベクトル
Ψmをd軸上に取った直交座標をd−q軸とし、電動機
の固定子巻線に印加する電圧ベクトルν´をP軸上に取
った直交座標をP−Q軸とする。また、両座標軸は負荷
角δを保ち、反時計方向に角周波数ωで回転していると
する。このときの電流ベクトルをiとすると、この電流
は、P−Q軸上で観測した際のP軸電流(有効電力成
分)ip及びQ軸電流(無効電力成分)iρとd−q軸
上で観測した際のd軸電流id及びq軸電流iρとの直
交2軸成分に夫々分けられる。まず、電圧ν´と電流i
ρとは直交関係にあるので、インバータが出力する無効
電力Qiは、数式1に示すように両者の積から求めるこ
とができる。
面に基づき説明する。図1及び図2は、本発明の基本原
理を説明するためのベクトル線図である。永久磁石型同
期電動機における回転子の永久磁石が作る磁束ベクトル
Ψmをd軸上に取った直交座標をd−q軸とし、電動機
の固定子巻線に印加する電圧ベクトルν´をP軸上に取
った直交座標をP−Q軸とする。また、両座標軸は負荷
角δを保ち、反時計方向に角周波数ωで回転していると
する。このときの電流ベクトルをiとすると、この電流
は、P−Q軸上で観測した際のP軸電流(有効電力成
分)ip及びQ軸電流(無効電力成分)iρとd−q軸
上で観測した際のd軸電流id及びq軸電流iρとの直
交2軸成分に夫々分けられる。まず、電圧ν´と電流i
ρとは直交関係にあるので、インバータが出力する無効
電力Qiは、数式1に示すように両者の積から求めるこ
とができる。
【0014】
【数1】 次に、電動機側から見た場合の無効電力について、図2
を参照しながら説明する。永久磁石が作る磁束の回転に
よって発生する無負荷誘起電圧emは、その大きさがω
ψmで表されてq軸上に存在する(ψmは、ベクトルΨ
mの大きさを示す)。電圧emとこれに直交する電流i
dとの積、すなわちωψmidは、無効電力になる。ま
た、電流i(大きさI)によるリアクタンス降下eLの
大きさは、固定子巻線のインダクタンスLを用いてωL
Iとなる。eLとiとは直交関係にあるので、両者の
積、すなわちωLI2は無効電力となる。従って、電動
機側から見た無効電力Qmは、数式2に示すように両無
効電力の和として表される。
を参照しながら説明する。永久磁石が作る磁束の回転に
よって発生する無負荷誘起電圧emは、その大きさがω
ψmで表されてq軸上に存在する(ψmは、ベクトルΨ
mの大きさを示す)。電圧emとこれに直交する電流i
dとの積、すなわちωψmidは、無効電力になる。ま
た、電流i(大きさI)によるリアクタンス降下eLの
大きさは、固定子巻線のインダクタンスLを用いてωL
Iとなる。eLとiとは直交関係にあるので、両者の
積、すなわちωLI2は無効電力となる。従って、電動
機側から見た無効電力Qmは、数式2に示すように両無
効電力の和として表される。
【0015】
【数2】 数式1及び数式2により求められる無効電力は、見方が
異なるだけで値は等しいことから、数式3の関係が成立
する。
異なるだけで値は等しいことから、数式3の関係が成立
する。
【0016】
【数3】 数式3を、idのみに比例する項について解くと、数式
4になる。
4になる。
【0017】
【数4】 ψmは、永久磁石が作る磁束であり、電動機に対して一
義的に決まる。このため、数式4の右辺をゼロに近づけ
るように電圧を調整すれば、Id=0制御が可能にな
る。また、前述の数式3は次の数式5のように変形する
ことができる。
義的に決まる。このため、数式4の右辺をゼロに近づけ
るように電圧を調整すれば、Id=0制御が可能にな
る。また、前述の数式3は次の数式5のように変形する
ことができる。
【0018】
【数5】 従って、数式5の右辺をゼロに近づけるように電圧を調
整すれば、idに比例した無効電力つまりωψmidを
ゼロにすることができる。
整すれば、idに比例した無効電力つまりωψmidを
ゼロにすることができる。
【0019】このように、回転子の位置検出器を持たな
い装置では本来なら知ることができないd軸電流idを
演算により求め、トルク発生に寄与しないidをゼロに
するように電動機の印加電圧を制御するものである。
い装置では本来なら知ることができないd軸電流idを
演算により求め、トルク発生に寄与しないidをゼロに
するように電動機の印加電圧を制御するものである。
【0020】図3は、本発明の実施形態を説明する制御
ブロック図であり、速度制御手段10、電流制御手段1
1、2相/3相座標変換手段12及び17、3相PWM
インバータ13、進み位相制御手段14、現在速度・位
置推定手段15、脱調検出手段16、電動機モデル演算
手段18、電流検出手段19、及び永久磁石型同期電動
機20とから構成される。
ブロック図であり、速度制御手段10、電流制御手段1
1、2相/3相座標変換手段12及び17、3相PWM
インバータ13、進み位相制御手段14、現在速度・位
置推定手段15、脱調検出手段16、電動機モデル演算
手段18、電流検出手段19、及び永久磁石型同期電動
機20とから構成される。
【0021】この制御装置の動作としては、永久磁石型
同期電動機20の2相の電流Iu、Ivを電流検出手段
19で検出し、この電流値から2相/3相座標変換手段
17により座標変換した電動機の実電流値Id、Iq
と、電動機モデル演算手段18から算出した電流値Im
d、Imqとの差Δid、Δiqを基に電動機の脱調及
び不安定領域を検出する。
同期電動機20の2相の電流Iu、Ivを電流検出手段
19で検出し、この電流値から2相/3相座標変換手段
17により座標変換した電動機の実電流値Id、Iq
と、電動機モデル演算手段18から算出した電流値Im
d、Imqとの差Δid、Δiqを基に電動機の脱調及
び不安定領域を検出する。
【0022】ここで、d軸電流誤差Δidが、所定の範
囲の値a<Δid<bであれば、安定動作状態と判断
し、前記所定範囲外であれば不安定と判断する。
囲の値a<Δid<bであれば、安定動作状態と判断
し、前記所定範囲外であれば不安定と判断する。
【0023】また、Δid≦aの時は、位相を遅らせる
ように制御し、b≦Δidの時は、位相を進めるように
制御する。
ように制御し、b≦Δidの時は、位相を進めるように
制御する。
【0024】更に、永久磁石型同期電動機20のロータ
(図示せず)の現在位置θを修正する時も、上述した制
御と同様の判定を行う。
(図示せず)の現在位置θを修正する時も、上述した制
御と同様の判定を行う。
【0025】以上、本発明を上述した実施の形態に基づ
いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではな
い。
いて説明したが、本発明はこれに限定されるものではな
い。
【0026】
【発明の効果】以上に説明したように、請求項1に記載
の発明によれば、本発明の制御装置は、演算のみで電動
機の現在の動作状況の安定性を検出することができるた
め、高効率で信頼性の高い電動機の制御装置を安価で提
供することができる。
の発明によれば、本発明の制御装置は、演算のみで電動
機の現在の動作状況の安定性を検出することができるた
め、高効率で信頼性の高い電動機の制御装置を安価で提
供することができる。
【0027】請求項2に記載の発明によれば、本発明の
制御装置は、脱調を検出した後、位相を補正するため、
Id電流目標値を補正することにより安定した電動機の
動作が可能となり、高効率で信頼性の高い電動機の制御
装置を安価で提供することができる。
制御装置は、脱調を検出した後、位相を補正するため、
Id電流目標値を補正することにより安定した電動機の
動作が可能となり、高効率で信頼性の高い電動機の制御
装置を安価で提供することができる。
【0028】請求項3に記載の発明によれば、本発明の
制御装置は、脱調を検出した後、位相を補正するため、
推定した現在位置θを補正することにより安定した電動
機の動作が可能となり、高効率で信頼性の高い電動機の
制御装置を安価で提供することができる。
制御装置は、脱調を検出した後、位相を補正するため、
推定した現在位置θを補正することにより安定した電動
機の動作が可能となり、高効率で信頼性の高い電動機の
制御装置を安価で提供することができる。
【図1】本発明に係るベクトル制御の基本原理を説明す
るためのベクトル線図である。
るためのベクトル線図である。
【図2】本発明に係るベクトル制御の基本原理を説明す
るためのベクトル線図である。
るためのベクトル線図である。
【図3】本発明の実施形態を示す永久磁石型同期電動機
の制御ブロック図である。
の制御ブロック図である。
【図4】従来の永久磁石型同期電動機の制御装置を示す
制御ブロック図である。
制御ブロック図である。
12、17 座標変換手段 15 速度・位置推定手段 16 脱調検出手段 18 電動機モデル演算手段 19 電流検出手段 20 永久磁石型同期電動機
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中山 義紀 栃木県足利市大月町1番地 三洋電機空調 株式会社内 Fターム(参考) 5H560 BB04 BB12 DC12 EB01 TT08 XA02 XA12 XA13 XA15 5H576 BB02 BB06 DD02 DD07 EE01 EE11 GG04 HB01 JJ04 LL12 LL22 LL39 LL41 LL56 MM10
Claims (3)
- 【請求項1】電力変換器により、永久磁石型同期電動機
の巻線に印加する電圧とその周波数とをほぼ比例させて
制御する永久磁石型同期電動機の制御装置において、前
記巻線に流れる少なくとも2相の電流値を検出する手段
と、前記検出した電流値を、電動機に印加する電圧ベク
トルに対し平行な電流成分及びこれに直交する電流成分
に分離する座標変換手段と、前記検出電流と座標変換手
段のモデルから算出した電流値との差分から前記電動機
の脱調及び不安定領域を検出する手段とを備えたことを
特徴とする電動機の制御装置。 - 【請求項2】請求項1に記載の電動機の脱調及び不安定
領域を検出した電流の差分に基づいて、電流目標値を補
正して出力電圧の位相を補正することを特徴とする電動
機の制御装置。 - 【請求項3】請求項1に記載の電動機の脱調及び不安定
領域を検出した電流の差分に基づいて、前記電動機のロ
ータ位置推定部で推定した位置を補正することを特徴と
する電動機の制御装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000294221A JP2002112596A (ja) | 2000-09-27 | 2000-09-27 | 電動機の制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2000294221A JP2002112596A (ja) | 2000-09-27 | 2000-09-27 | 電動機の制御装置 |
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Publication Number | Publication Date |
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JP2002112596A true JP2002112596A (ja) | 2002-04-12 |
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ID=18776869
Family Applications (1)
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JP2000294221A Pending JP2002112596A (ja) | 2000-09-27 | 2000-09-27 | 電動機の制御装置 |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2002112596A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SG104298A1 (en) * | 2001-09-03 | 2004-06-21 | Mitsubishi Electric Corp | An apparatus for detecting a step-out in a synchronous motor, a method for detecting the step-out in the synchrounous motor, a drive of a closed comprossor, and a drive of a fan motor |
JP2008245398A (ja) * | 2007-03-27 | 2008-10-09 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | モータ駆動用インバータ制御装置および該装置を用いた機器 |
US8497646B2 (en) | 2009-01-14 | 2013-07-30 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Controller for AC electric motor and electric powered vehicle |
JP2018074761A (ja) * | 2016-10-28 | 2018-05-10 | コニカミノルタ株式会社 | 永久磁石同期電動機の制御装置、制御方法、および画像形成装置 |
-
2000
- 2000-09-27 JP JP2000294221A patent/JP2002112596A/ja active Pending
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