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JP2005354810A - ブラシレスdcモータの駆動装置 - Google Patents

ブラシレスdcモータの駆動装置 Download PDF

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JP2005354810A
JP2005354810A JP2004173173A JP2004173173A JP2005354810A JP 2005354810 A JP2005354810 A JP 2005354810A JP 2004173173 A JP2004173173 A JP 2004173173A JP 2004173173 A JP2004173173 A JP 2004173173A JP 2005354810 A JP2005354810 A JP 2005354810A
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brushless
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JP2004173173A
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Hiroaki Imanishi
洋彰 今西
Noriyuki Hatayama
敬之 畑山
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Nidec Shibaura Corp
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Nidec Shibaura Corp
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Abstract

【課題】回転数に応じて適切な通電方式を行うことができるブラシレスDCモータの駆動装置を提供する。
【解決手段】各固定子巻線30の誘起電圧を検出する誘起電圧検出回路26と、検出した2相の誘起電圧の交差点から次の交差点までの時間を演算し、演算した時間が長い程に短い通電時間を決定する通電時間変更回路28と、決定した通電時間に基づいて120度通電、150度通電、または180度通電方式を行ってインバータ回路14を制御する制御回路18とよりなる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、ブラシレスDCモータをインバータ回路で制御する駆動装置に関するものである。
ブラシレスDCモータ(以下、単にモータという)は、ホールICなどからの位置信号や、誘起電圧を用いて回転子の回転位置を検出し、この検出した回転位置に応じてPWM制御を行い、固定子巻線に駆動電流をインバータ回路から流して制御している(例えば、特許文献1参照)。
従来のモータの駆動装置においては、ホールICなどから出力される位置信号に準じた一定の通電時間(すなわち、通電幅である)で駆動電流をインバータ回路から出力して駆動している。図5においては、120度通電方式によって、インバータ回路からモータの三相の固定子巻線に出力される三相の駆動電流の波形を表している。なお、120度通電方式は、図6の各相の誘起電圧に対して、図7のa区間(120度)の間通電する方式である。
また、150度通電方式の場合には、図7の誘起電圧の波形においてb区間(150度)の間通電を行うようになり、180度通電方式の場合には図7の波形においてc区間(180度)の間通電が行うように制御される。
特開2004−23823公報
上記した通電時間は低速領域と高速領域の区別がなく、各相の誘起電圧に対して予め設定された通電時間(例えば、120度)で行うように制御されている。そのため、誘起電圧の周期が長くなる低速領域ではインバータ回路の各スイッチング損失と定常損失を比較した場合、スイッチング損失の占める割合が増大するために、通電時間が長い程に損失が増大するという問題点がある。
そのため、低速領域では120度通電方式に比べ、長時間通電する150度通電方式、180度通電方式では入力電流が増大し、効率の低下を招くという問題点がある。
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、回転数に応じて適切な通電方式を行うことができるブラシレスDCモータの駆動装置を提供する。
請求項1に係る発明は、三相のブラシレスDCモータと、前記ブラシレスDCモータの各相の固定子巻線へ駆動電流を供給するインバーター回路と、前記ブラシレスDCモータの回転数を検出する回転数検出回路と、前記検出した回転数と外部からの速度指令信号に基づいて前記インバーター回路を制御する制御回路と、を有するブラシレスDCモータの駆動装置において、前記各固定子巻線の誘起電圧を検出する誘起電圧検出手段と、前記検出した2相の誘起電圧の交差点から次の交差点までの時間を演算し、前記演算した時間が長い程に短い通電時間を決定する通電変更手段と、を有し、前記制御回路は、前記決定した通電時間に基づいて120度通電、150度通電、または、180度通電を行って前記インバーター回路を制御することを特徴とするブラシレスDCモータの駆動装置である。
請求項2に係る発明は、前記通電変更手段は、前記演算した時間が第1基準時間t1より長いときに120度通電の通電時間に決定し、前記演算した時間が前記第1基準時間t1より短く第2基準時間t2(但し、t2<t1である)より長いときに150度通電の通電時間に決定し、前記演算した時間が前記第2基準時間t2より短いときに180度通電の通電時間を決定することを特徴とする請求項1記載のブラシレスDCモータの駆動装置である。
請求項3に係る発明は、三相のブラシレスDCモータと、前記ブラシレスDCモータの各相の固定子巻線へ駆動電流を供給するインバーター回路と、前記ブラシレスDCモータの回転数を検出する回転数検出回路と、前記検出した回転数と外部からの速度指令信号に基づいて前記インバーター回路を制御する制御回路と、を有するブラシレスDCモータの駆動装置において、前記インバーター回路に供給されるモータ電流を検出するモータ電流検出手段と、前記検出したモータ電流が低い程に短い通電時間を決定する通電変更手段と、を有し、前記制御回路は、前記決定した通電時間に基づいて120度通電、150度通電、または、180度通電を行って前記インバーター回路を制御することを特徴とするブラシレスDCモータの駆動装置である。
請求項4に係る発明は、前記通電変更手段は、前記検出したモータ電流が第1基準値A1より低いときに120度通電の通電時間に決定し、前記検出したモータ電流が前記第1基準値A1より高く第2基準値A2(但し、A1<A2である)より低いときに150度通電の通電時間に決定し、前記検出したモータ電流が前記第2基準値A2より高いときに180度通電の通電時間を決定することを特徴とする請求項3記載のブラシレスDCモータの駆動装置である。
請求項5に係る発明は、三相のブラシレスDCモータと、前記ブラシレスDCモータの各相の固定子巻線へ駆動電流を供給するインバーター回路と、前記ブラシレスDCモータの回転数を検出する回転数検出回路と、前記検出した回転数と外部からの速度指令信号に基づいて前記インバーター回路を制御する制御回路と、を有するブラシレスDCモータの駆動装置において、前記回転数検出回路で検出した回転数を表す回転パルスの周期をサンプリングする回転パルス検出手段と、前記検出した回転パルスの周期が長い程に短い通電時間を決定する通電変更手段と、を有し、前記制御回路は、前記決定した通電時間に基づいて120度通電、150度通電、または、180度通電を行って前記インバーター回路を制御することを特徴とするブラシレスDCモータの駆動装置である。
請求項6に係る発明は、前記通電変更手段は、前記検出した回転パルスの周期が第1基準時間t3より長いときに120度通電の通電時間に決定し、前記検出した回転パルスの周期が第1基準値t3より短く第2基準値t4(但し、t4<t3である)より長いときに150度通電の通電時間に決定し、前記検出した回転パルスの周期が前記第2基準値t4より短いときに180度通電の通電時間を決定することを特徴とする請求項5記載のブラシレスDCモータの駆動装置である。
請求項7に係る発明は、前記回転数検出回路は、前記各固定子巻線の誘起電圧を検出し、この検出した各相の誘起電圧に基づいて前記回転数を検出することを特徴とする請求項1から6の中で少なくとも一項に記載のブラシレスDCモータの駆動装置である。 請求項8に係る発明は、前記回転数検出回路は、前記ブラシレスDCモータの回転子の近傍に位置検出素子を有し、前記位置検出素子からの位置信号に基づいて前記回転数を検出することを特徴とする請求項1から6の中で少なくとも一項に記載のブラシレスDCモータの駆動装置である。
請求項1に係る発明のブラシレスDCモータの駆動装置においては、通電変更手段が、検出した2相の誘起電圧の交差点から次の交差点までの時間を演算し、この演算した時間が長い程に短い通電時間に決定する。これは、演算した時間が長い程に回転速度が低速であることを示しているので、短い通電時間になるようにする。制御回路は、この決定した通電時間に基づいて120度通電、150度通電、180度通電を行ってインバータ回路を制御する。これによって、回転速度に応じた通電時間を実現することができる。
請求項2に係る発明のブラシレスDCモータの駆動装置においては、通電変更手段は、演算した時間が第1基準時間t1より長いとき、すなわち、回転速度が低速であるときには120度通電の通電時間に決定し、演算した時間が第1基準時間t1より短く第2基準時間t2より長いとき、すなわち、中速領域のときは150度通電の通電時間に決定し、演算した時間が第2基準時間t2より短いとき、すなわち、高速領域のときは180度通電の通電時間に決定する。これによって、回転速度に応じた通電時間を実現することができる。
請求項3に係る発明のブラシレスDCモータにおいては、通電変更手段が、検出したモータ電流の値が低い程に短い通電時間に決定する。これは、検出したモータ電流が低い程に低負荷である。これは例えば、ファン負荷の場合には、定常状態では図8のような特性であるため、低負荷であるということは低速であるということなる。そのため、検出したモータ電流が低い程に短い通電時間に決定する。制御回路は、この決定した通電時間に基づいて120度通電、150度通電、180度通電を行ってインバータ回路を制御する。これによって、回転速度に応じた通電方式を実現することができる。
請求項4に係る発明のブラシレスDCモータの駆動装置においては、通電変更手段が、検出したモータ電流が第1基準値A1より低いときに、すなわち、低速領域のときに120度通電の通電時間に決定し、検出したモータ電流が第1基準値A1より高く第2基準値A2より低いとき、すなわち、中速領域のときには150度通電の通電時間に決定し、検出したモータ電流が第2基準値A2より高いとき、すなわち、高速領域のときには180度通電の通電時間に決定する。これによって、回転速度に応じた通電方式を実現することができる。
請求項5に係る発明のブラシレスDCモータの駆動装置においては、通電変更手段は、回転数検出回路で検出した回転パルスの周期をサンプリングして、このサンプリングした周期が長い程に短い通電時間を決定する。これは、回転パルスの周期が長い程に低速であるため短い通電時間を決定するようにする。制御回路は決定した通電時間に基づいて120度通電、150度通電、180度通電を行ってインバータ回路を制御する。これによって、回転速度に応じて通電時間を実現することができる。
請求項6に係る発明のブラシレスDCモータの駆動装置においては、回転パルスの周期が第1基準時間t3より長いとき、すなわち、低速領域のときには120度通電の通電時間に決定し、検出した回転パルスの周期が第1基準値t3より短く第2基準値t4より長いとき、すなわち中速領域のときには150度通電の通電時間に決定し、検出した回転パルスの周期が第2基準値t4より短いとき、すなわち、高速領域のときには180度通電の通電時間を決定する。
以下、本発明の一実施形態のブラシレスDCモータ10の駆動装置12について順番に説明する。
(第1の実施形態)
第1の実施形態のブラシレスDCモータ(以下、単にモータという)10の駆動装置12について、図1及び図2に基づいて説明する。
(1)駆動装置12の構成
駆動装置12の構成について図1のブロック図に基づいて説明する。
駆動装置12は、インバータ回路14、直流電源16、制御回路18、電圧検出回路20、ロータ回転位置検出回路22、回転パルス出力回路24、誘起電圧検出回路26、通電時間変更回路28とより構成される。
インバータ回路14は、6個のスイッチング素子(例えば、MOS−FET)にダイオードを並列に接続したものから構成されたフルブリッジインバータ回路である。このインバータ回路14から、モータ10の三相の固定子巻線30に三相の駆動電流が供給される。このインバータ回路14は、直流電源16から供給されるモータ電流によって駆動する。なお、この直流電源16は、交流電源に整流平滑回路を設けて直流のモータ電流を流す構成であってもよい。
制御回路18は、回転パルス出力回路24からの回転パルス信号に基づいて回転速度を演算し、この回転速度と外部のマイコンなどから入力される速度指令信号Sとを比較し、この速度指令信号にモータ10の回転速度が合致するようにフィードバックを行い、このフィードバックを行った差分信号に基づいて、インバータ回路14の各スイッチング素子のゲート端子にPWM信号を出力するようにPWM制御を行っている。
電圧検出回路20は、インバータ回路14から各相の固定子巻線30に流れる駆動電流に基づいて各相の線間電圧を検出する。
ロータ回転位置検出回路22は、電圧検出回路20で検出した各相の線間電圧に基づいてロータの回転位置を検出し、検出した回転位置信号を回転パルス出力回路24に出力する。
回転パルス出力回路24は、回転位置検出信号に基づいて、モータ10のロータの回転数(すなわち、回転速度)を示す回転パルス信号を制御回路18に出力する。
誘起電圧検出回路26は、電圧検出回路20が検出した線間電圧に基づいて図6に示すような各相の誘起電圧を検出する。この誘起電圧とは、各相の固定子巻線30の両端に発生する電圧を意味し、Y結線における中点Oと各相の固定子巻線の端部との電圧を意味している。
通電時間変更回路28は、誘起電圧検出回路26で検出した各相の誘起電圧のうち、2相(例えば、U相の誘起電圧とV相の誘起電圧)の交差点から次の交差点までの時間tを演算している。そして、この演算した時間tが、予め記憶している第1基準時間t1より長いときには120度通電の通電時間に決定し、その決定信号を制御回路18に出力する。すなわち、t>t1のときは、低速でモータ10が回転している状態であるため、120度通電の通電時間で回転するようにする。
演算した時間tが第1基準時間t1より短く、かつ、第2基準時間t2(但し、t2>t1)より長いときには150度通電の通電時間に決定して、その決定信号を制御回路18に出力する。すなわち、t1>t>t2のときは中速領域で回転している状態であるため150度通電で回転するようにする。
演算した時間tが第2基準時間t1より短いときには180度通電の通電時間に決定して、その決定信号を制御回路18に出力する。すなわち、t2>tのときには高速領域で回転している状態であるため180度通電で回転制御するようにする。
制御回路18は、通電時間変更回路28から出力された決定信号に基づく通電時間からPWM制御を行い回転数を制御する。
(2)駆動装置12の制御状態
上記のように低速領域では120度通電を行い、中速領域では150度通電を行い、高速領域では180度通電を行うことにより、高い効率でモータ10を回転させることができる。
例えば、図2は、120度通電方式と150度通電方式を用いて負荷と回転数における効率の比較を行ったものであり、Tがトルクを、Nが回転数を、Imがモータ電流の実効値を、Effが効率を表している。そして、この測定条件としては直流電源として140Vであり、ブラシレスDCモータのスロット数が12であり、回転子のマグネットが8極である場合である。この図2の表に示すように、低速領域では通電時間の短い120度通電方式の方が効率がよく、中速領域では通電時間が長い150度通電の方が高い効率を表している。この表には示されていないが180度通電においてはより高い回転数で高効率となる。
以上により本実施形態の駆動装置12においては、低速領域では120度通電方式、中速領域では150度通電方式、高速領域では180度通電方式を実現することができるため、モータ10を高い効率で回転させることができる。
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態のモータ10の駆動装置12について図3に基づいて説明する。
本実施形態と第1の実施形態の異なる点は、回転数の検出方法にある。第1の実施形態では各相の誘起電圧の交差点の間の時間によって速度を求めていたが、本実施形態ではモータ電流Iの大きさによって速度を検出するものである。
すなわち、図3に示すように直流電源16とインバータ回路14との間に直流電流検出回路42を介在させ、この直流電流検出回路42によって直流電源16からインバータ回路14に供給されるモータ電流Iの大きさを検出し、そのモータ電流検出信号を通電時間変更回路28に出力する。
通電時間変更回路28においては、検出したモータ電流Iが第1基準値A1より低いときには、低速領域で回転している状態として120度通電の通電時間に決定し、その決定信号を制御回路18に出力する。
検出したモータ電流Iが第1基準値A1より高く第2基準値A2(但し、A1<A2)より低いときには、中速領域で回転している状態として150度通電の通電時間に決定し、その決定信号を制御回路18に出力する。
検出したモータ電流Iが第2基準値A2より高いときには高速領域で回転している状態として180度通電の通電時間に決定し、その決定信号を制御回路18に出力する。
制御回路18では、第1の実施形態と同様に通電時間変更回路28から出力された決定信号に基づいて通電時間に決定し、120度通電方式、150度通電方式、180度通電方式を行う。
本実施形態であっても、第1の実施形態と同様に低速領域では120度通電方式が行われ、中速領域では150度通電方式が行われ、高速領域では180度通電方式が行われる。そのため、モータ10を効率よく回転させることができる。
(第3の実施形態)
次に、第3の実施形態のモータ10の駆動装置12について、図4のブロック図に基づいて説明する。
本実施形態と第1の実施形態の異なる点は、回転速度を検出する方法にあり、本実施形態では回転パルス出力回路24が出力している回転速度を表す回転パルスの周期に基づいて通電時間を決定するものである。
回転パルス出力回路24から出力される回転パルスは回転速度を示すものであり、この回転パルスの周期が長い程に回転速度が遅い状態を表している。そのため、この回転パルスが入力する通電時間変更回路28において、回転パルスの周期をサンプリングし、このサンプリングした周期が長い程に短い通電時間とするものである。
すなわち、検出した回転パルスの周期が第1基準時間t3より長いときは低速領域であると判断して120度通電の通電時間に決定し、その決定信号を制御回路18に出力する。
検出した回転パルスの周期が第1基準値t3より短く第2基準値t4(但し、t4<t3)より長いときに150度通電の通電時間に決定し、その決定信号を制御回路18に出力する。
検出した回転パルスの周期が第2基準値t4より短いときは高速領域で回転しているとして、180度通電の通電時間に決定し、その決定信号を制御回路18に出力する。
制御回路18では第1の実施形態と同様に決定信号に基づいて通電方式を決定するものである。
これにより、低速領域では120度通電方式が行われ、中速領域では150度通電方式が行われ、高速領域では180度通電方式が行われるため、モータ10を効率よく回転させることができる。
(変更例)
本発明は上記各実施形態に限らず、その主旨を逸脱しない限り種々に変更することができる。
(1)変更例1
上記各実施形態においては、低速領域、中速領域、高速領域に対応させて120度通電方式、150度通電方式、180度通電方式を行ったが、これに限らず低速領域と高速領域に分け、低速領域では120度通電方式、高速領域では150度通電方式または180度通電方式を行う制御を実施してもよい。
(2)変更例2
上記実施形態では、120度通電方式、150度通電方式、180度通電方式の3段階で通電を行っていたが、これに代えて、回転速度が速くなればなる程その回転速度に比例して通電時間を連続的に長くするようにしてもよい。
例えば、最低通電時間を120度通電とし、最高通電時間を180度通電とし、回転速度に合わせて120度から180度に通電時間を連続的に長くするようにしてもよい。
(3)変更例3
上記実施形態では回転パルスの検出を三相の線間電圧に基づいて行ったセンサレス方式を採用したが、これに代えて、モータ10の回転子の外側近傍に3個のホールICなどの位置検出素子を設け、この位置検出素子からの位置信号に基づいて回転パルスを生成してもよい。
本実施形態のブラシレスDCモータの駆動装置は、家電機器、例えば、洗濯機、空調機、冷蔵庫などの駆動源の駆動装置として好適である。
本発明の第1の実施形態を示す駆動装置のブロック図である。 通電方式における負荷と回転数における効率を比較した表の図である。 第2の実施形態の駆動装置のブロック図である。 第3の実施形態の駆動装置のブロック図である。 120度通電方式のタイミングチャートの図である。 三相の誘起電圧の波形を表す図である。 誘起電圧に対する通電時間を示すグラフである。 定常状態でのファン負荷特性のグラフであり、縦軸が負荷、横軸が回転数である。
符号の説明
10 モータ
12 駆動装置
14 インバータ回路
16 直流電源
18 制御回路
20 電圧検出回路
22 ロータ回転位置検出回路
24 回転パルス出力回路
26 誘起電圧検出回路
28 通電時間変更回路
30 固定子巻線
42 直流電流検出回路

Claims (8)

  1. 三相のブラシレスDCモータと、
    前記ブラシレスDCモータの各相の固定子巻線へ駆動電流を供給するインバーター回路と、
    前記ブラシレスDCモータの回転数を検出する回転数検出回路と、
    前記検出した回転数と外部からの速度指令信号に基づいて前記インバーター回路を制御する制御回路と、
    を有するブラシレスDCモータの駆動装置において、
    前記各固定子巻線の誘起電圧を検出する誘起電圧検出手段と、
    前記検出した2相の誘起電圧の交差点から次の交差点までの時間を演算し、前記演算した時間が長い程に短い通電時間を決定する通電変更手段と、
    を有し、
    前記制御回路は、
    前記決定した通電時間に基づいて120度通電、150度通電、または、180度通電を行って前記インバーター回路を制御する
    ことを特徴とするブラシレスDCモータの駆動装置。
  2. 前記通電変更手段は、
    前記演算した時間が第1基準時間t1より長いときに120度通電の通電時間に決定し、前記演算した時間が前記第1基準時間t1より短く第2基準時間t2(但し、t2<t1である)より長いときに150度通電の通電時間に決定し、前記演算した時間が前記第2基準時間t2より短いときに180度通電の通電時間を決定する
    ことを特徴とする請求項1記載のブラシレスDCモータの駆動装置。
  3. 三相のブラシレスDCモータと、
    前記ブラシレスDCモータの各相の固定子巻線へ駆動電流を供給するインバーター回路と、
    前記ブラシレスDCモータの回転数を検出する回転数検出回路と、
    前記検出した回転数と外部からの速度指令信号に基づいて前記インバーター回路を制御する制御回路と、
    を有するブラシレスDCモータの駆動装置において、
    前記インバーター回路に供給されるモータ電流を検出するモータ電流検出手段と、
    前記検出したモータ電流が低い程に短い通電時間を決定する通電変更手段と、
    を有し、
    前記制御回路は、
    前記決定した通電時間に基づいて120度通電、150度通電、または、180度通電を行って前記インバーター回路を制御する
    ことを特徴とするブラシレスDCモータの駆動装置。
  4. 前記通電変更手段は、
    前記検出したモータ電流が第1基準値A1より低いときに120度通電の通電時間に決定し、前記検出したモータ電流が前記第1基準値A1より高く第2基準値A2(但し、A1<A2である)より低いときに150度通電の通電時間に決定し、前記検出したモータ電流が前記第2基準値A2より高いときに180度通電の通電時間を決定する
    ことを特徴とする請求項3記載のブラシレスDCモータの駆動装置。
  5. 三相のブラシレスDCモータと、
    前記ブラシレスDCモータの各相の固定子巻線へ駆動電流を供給するインバーター回路と、
    前記ブラシレスDCモータの回転数を検出する回転数検出回路と、
    前記検出した回転数と外部からの速度指令信号に基づいて前記インバーター回路を制御する制御回路と、
    を有するブラシレスDCモータの駆動装置において、
    前記回転数検出回路で検出した回転数を表す回転パルスの周期をサンプリングする回転パルス検出手段と、
    前記検出した回転パルスの周期が長い程に短い通電時間を決定する通電変更手段と、
    を有し、
    前記制御回路は、
    前記決定した通電時間に基づいて120度通電、150度通電、または、180度通電を行って前記インバーター回路を制御する
    ことを特徴とするブラシレスDCモータの駆動装置。
  6. 前記通電変更手段は、
    前記検出した回転パルスの周期が第1基準時間t3より長いときに120度通電の通電時間に決定し、前記検出した回転パルスの周期が第1基準値t3より短く第2基準値t4(但し、t4<t3である)より長いときに150度通電の通電時間に決定し、前記検出した回転パルスの周期が前記第2基準値t4より短いときに180度通電の通電時間を決定する
    ことを特徴とする請求項5記載のブラシレスDCモータの駆動装置。
  7. 前記回転数検出回路は、
    前記各固定子巻線の誘起電圧を検出し、この検出した各相の誘起電圧に基づいて前記回転数を検出する
    ことを特徴とする請求項1から6の中で少なくとも一項に記載のブラシレスDCモータの駆動装置。
  8. 前記回転数検出回路は、
    前記ブラシレスDCモータの回転子の近傍に位置検出素子を有し、
    前記位置検出素子からの位置信号に基づいて前記回転数を検出する
    ことを特徴とする請求項1から6の中で少なくとも一項に記載のブラシレスDCモータの駆動装置。
JP2004173173A 2004-06-10 2004-06-10 ブラシレスdcモータの駆動装置 Pending JP2005354810A (ja)

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