JP4454521B2 - モータ制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、永久磁石を装着された回転子により構成されているブラシレスモータ等の同期モータを駆動制御するモータ制御装置に関する。
従来、ブラシレスモータ(以下、「モータ」と称する)のロータ位置を検出する位置センサを用いずにモータを駆動制御するセンサレス運転においては、通電休止期間を設け通電角を180度未満とした間欠通電駆動方式が一般的に用いられている。この間欠通電駆動方式では、モータコイルヘの通電を行う際に、一定期間の通電休止期間の間にモータの回転によってモータコイルに発生する誘起電圧をモータコイル端子から検出し、この誘起電圧からモータヘの通電タイミングを決定する。このような間欠通電駆動方式としては、通電角を120度としたいわゆる120度通電駆動が一般的である。
他の駆動方式として、通電休止期間を設けずにモータを駆動するいわゆる180度通電駆動方式がある。180度通電駆動方式の代表例としては、正弦波通電駆動方式が挙げられる。
センサレス運転において180度通電駆動方式を用いる場合の通電タイミング決定方法としては、三相のモータコイル中性点と前記三相コイルと並列に抵抗を接続し、三相のモータコイル中性点と抵抗中性点との電圧を比較することでモータ誘起電圧を検出し、検出したモータ誘起電圧に基づいて通電タイミングを決定する方法、モータ電流を高速演算することでモータ位置を検出して通電タイミングを決定する方法、あるいはモータ駆動電圧とモータ電流との位相差に基づいて通電タイミングを決定する方法等が挙げられる。
一般的に、間欠通電駆動方式に比べて180度通電駆動方式は、駆動波形が滑らかなことから、トルク変動、回転変動が少ない駆動方式であると言われている。
また、これら両駆動方式を切換えてモータを駆動制御する制御装置が、特許文献1に開示されている。特許文献1に開示されているモータ制御装置は、モータコイルに流れるモータ電流、インバータ回路から出力されるモータ駆動電圧と前記モータ電流との位相差、インバータ回路に供給されるDC電流、あるいはコンバータ回路に供給されるAC電圧等から外乱を検知し、外乱を検知したときには180度通電駆動方式から間欠通電駆動方式に切換えるものである。
特開2003-111470号公報 特開平8-19263号公報
しかしながら、特許文献1で開示されている2つの駆動方式を切換えてモータを駆動制御するモータ制御装置は、外乱が発生したときでも停止することなく駆動を続行できるという利点を有するが、負荷変動が緩やかに変化する場合の信頼性が考慮されていない。すなわち、特許文献1で開示されているモータ制御装置は、負荷変動が緩やかに変化した場合、例えば位相差制御フィードバックをかけていてもモータ電圧とモータ電流との位相差が目標値になるように制御できなくなり、信頼性の低下やモータの回転数の不安定化を引き起こす可能性がある。
本発明は、上記の問題点に鑑み、間欠通電駆動方式と180度通電駆動方式を切換えることによって信頼性の向上及びモータの回転数の安定化を図ることができるモータ制御装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明に係るモータ制御装置は、同期モータに電力を供給する電力供給手段と、通電休止期間を設けていない180度通電駆動方式で前記同期モータが駆動するように前記電力供給手段を制御する180度通電駆動手段と、通電休止期間を設けている間欠通電駆動方式で前記同期モータが駆動するように前記電力供給手段を制御する間欠通電駆動手段と、前記180度通電駆動方式及び前記間欠通電駆動方式のいずれかを選択する選択手段と、前記同期モータの駆動状態が制御不安定であるかを監視する負荷駆動状態監視手段とを備え、前記180度通電駆動方式にて前記同期モータが駆動されているときに、前記負荷駆動状態監視手段によって前記同期モータの駆動状態が制御不安定であると判断され、前記選択手段が前記180度通電駆動方式から前記間欠通電駆動方式に駆動方式を切換えた後所定の時間が経過すると、前記選択手段が、前記間欠通電駆動方式から前記180度通電駆動方式に駆動方式を戻し、再び前記負荷駆動状態監視手段によって前記同期モータの駆動状態が制御不安定であると判断されると、前記180度通電駆動方式から前記間欠通電駆動方式に駆動方式を切換え、前記切換えが所定の回数行われれば一度前記同期モータが停止するまで前記180度通電駆動方式を選択しない構成とする。なお、前記同期モータの駆動状態が制御不安定であるとは、前記同期モータ駆動に制御フィードバック(例えば、位相差制御フィードバック、回転制御フィードバック)がかかっている場合の定常偏差が所定のレベルを越えていることをいう。例えば、前記同期モータのモータ電圧とモータ電流との位相差を検出する位相差検出手段を備え、前記負荷駆動状態監視手段が、前記位相差検出手段の検出結果を受け取り、前記同期モータのモータ電圧とモータ電流との位相差が所定期間中所定値より大きいときに、前記同期モータの駆動状態が制御不安定であると判断するようにしてもよい。
このような構成によると、前記負荷駆動状態監視手段によって前記同期モータの駆動状態が制御不安定であると判断されれば、180度通電駆動方式から間欠通電駆動方式に駆動方式が切換えられるので、センサレスの180度通電駆動において一旦制御不安定になっても、効率、トルク変動、振動、騒音などの諸要素が悪化することなくモータ駆動を維持することができ、信頼性の向上及びモータの回転数の安定化を図ることができる。
また、前記所定値より大きい基準値を少なくとも一つ設け、前記同期モータのモータ電圧とモータ電流との位相差が前記基準値より大きい期間に応じて前記所定期間を変化させるようにしてもよい。これにより、前記同期モータのモータ電圧とモータ電流との位相差が大きい場合に、前記負荷駆動状態監視手段が前記同期モータの駆動状態が制御不安定であると判断する時間を短縮することができる。
本発明によると、間欠通電駆動方式と180度通電駆動方式を切換えることによって信頼性の向上及びモータの回転数の安定化を図ることができる。
本発明の実施形態について図面を参照して以下に説明する。本発明に係るモータ制御装置の一構成例を図1に示す。図1に示す本発明に係るモータ制御装置は、コンバータ回路2と、インバータ回路3と、3相ブラシレスモータ4(以下、「モータ4」という)と、直流電流検出アンプ5と、制御回路6と、ロータ位置検出回路17及び18と、電流検出抵抗R1と、抵抗R2〜R4とによって構成されており、商用電源1から電力を受け取っている。なお、ロータ位置検出回路17及び18がデジタル方式のロータ位置検出回路である場合は、ロータ位置検出回路17及び18を制御回路6に内蔵する態様にしてもよい。
コンバータ回路2は、リアクタ2A、整流回路2B、及び平滑コンデンサ2Cから成り、商用電源1からの交流電圧を直流電圧に変換してインバータ回路3に供給する。商用電源1からの交流電圧がリアクタ2Aを介して整流回路2Bに供給される。リアクタ2Aは平滑コンデンサ2Cでの力率低下を改善するために設けられている。整流回路2Bは入力した交流電圧を直流電圧に整流して出力し、整流回路2Bから出力された直流電圧は平滑コンデンサ2Cによって平滑化される。なお、本実施形態では、整流回路2Bに4個のダイオードをブリッジ接続して成る全波整流回路を用いているが、倍電圧整流回路等の他の整流回路を用いても構わない。また、近年行われている可変電源供給方法である、いわゆるPAM (Pulse Amplitude Modulation)方式を採用してもよい。
平滑コンデンサ2Cによって平滑化された直流電圧はインバータ回路3に供給される。インバータ回路3は6個の半導体スイッチング素子である駆動素子が3相ブリッジ状に結線されている回路であり、インバータ回路3からの駆動電圧はモータ4に出力される。
コンバータ回路2とインバータ回路3は正極直流ライン及び負極直流ラインによって接続されており、前記負極直流ラインに電流検出抵抗R1が設けられている。直流電流検出アンプ5は、電流検出抵抗R1の両端に発生する電圧に基づいて、コンバータ回路2からインバータ回路3に流れる直流電流を検出し、検出した直流電流を増幅して、直流電流信号として制御回路6内のモータ電流推定部11に出力する。
ロータ位置検出回路17はモータコイル端子からの誘起電圧に基づいてロータ位置を検出し、ロータ位置検出回路18は三相のモータコイル中性点の電圧と抵抗R2〜R4の中性点の電圧とに基づいてロータ位置を検出する。
制御回路6は、モータ4を駆動制御するための回路であり、一般にマイクロコンピュータやDSP(Digital Signal Processor)が用いられる。制御回路6は、間欠通電駆動部7と、180度通電駆動部8と、駆動方式選択部9と、PWM作成部10と、モータ電流推定部11と、位相差検出部12と、負荷駆動状態監視部13と、目標位相差情報格納部14と、加算器15と、PI演算部16とを備えており、各処理をプログラムにしたがってソフト的に行う。
モータ電流推定部11は、電流変化分演算部と分配演算部とを備え、直流電流検出アンプ5の出力である直流電流信号から電流変化分演算部により直流電流の変化分を求め、直流電流の変化分を分配演算部により各相別に分配してモータ電流信号を推定演算する。ここで、電流変化分演算部及び分配演算部は、公知技術(例えば特許文献2を参照)を用いて実現することができる。
位相差検出部12は、制御回路6でPWM出力する際に使用しているモータ電圧位相情報と、モータ電流推定部11によって推定演算されたモータ電流信号とを用いて、モータ電圧とモータ電流との位相差を検出し、検出した位相差に関する情報(以下、位相差情報という)を負荷駆動状態監視部13及び加算器15に出力する。
負荷駆動状態監視部13は、位相差検出部12から出力される位相差情報を用いて負荷を安定に駆動できているかを判断する。
目標位相差情報格納部14は、目標とするモータ電圧とモータ電流との位相差に関する情報(以下、目標位相差情報という)を格納しており、目標位相差情報を加算器15に出力する。
加算器15は、目標位相差情報格納部14の出力である目標位相差情報の目標位相差の値から位相差検出部12の出力である位相差情報の位相差の値を引いて、目標位相差と検出した位相差との誤差量を求め、その誤差量をPI演算部16に出力する。
PI演算部16は、P制御により前記誤差量に対して所定の増幅を行って比例誤差量を算出し、I制御により前記誤差量を積算してその積算値を増幅して積分誤差量を算出し、前記比例誤差量と前記積分誤差量とを加算して駆動電圧(PWMデューティ)基準値を得る。
間欠通電駆動部7は、通電角180度未満とし通電休止期間を設けた間欠通電駆動方式でモータ4を駆動するために、位置検出回路17から出力されるロータ位置検出信号に基づく通電タイミングの設定、モータ4の目標回転数と実働回転数との誤差に基づく駆動電圧(PWMデューティ)基準値の設定などの制御を行う。これにより、所望の回転数でモータ4を駆動制御できる。
180度通電駆動部8は、180度通電駆動方式でモータ4を駆動するために、位置検出回路18から出力されるロータ位置検出信号に基づく通電タイミングの設定、PI演算部16から出力される駆動電圧(PWMデューティ)基準値を用いた駆動電圧(PWMデューティ)基準値の設定などの制御を行う。したがって、180度通電駆動方式でモータ4を駆動する場合、モータ電圧とモータ電流との位相差を一定に制御するための位相差制御フィードバックによって、駆動電圧の大きさ(PWMデューティのデューティ幅)が決定される。これにより、所望の位相差でモータ4を駆動制御できる。
駆動方式選択部9は、駆動方式を選択し、間欠通電駆動部7又は180度通電駆動部8を動作させる。PWM作成部10は、間欠通電駆動部7又は180度通電駆動部8の出力に基づいて、インバータ回路3の各駆動素子を駆動するためのPWM駆動信号を駆動素子毎に作成しインバータ回路3に出力する。
なお、PWM作成部10は、180度通電駆動部8の出力に基づいてPWM駆動信号を作成する場合、別途入力する回転数指令値から求まる正弦波データと180度通電駆動部8の出力に基づいてPWM駆動信号を作成する。これにより、所望の回転数でモータ4を駆動制御できる。
駆動方式選択部9は、モータ4の状態及び負荷駆動状態監視部13の出力に応じて、間欠通電駆動方式か180度通電駆動方式のいずれかを選択する。ここで、モータ4の状態とは、回転数、効率、負荷状態、外乱状態などをいう。例えば、モータ4の回転数が低いときは駆動方式選択部9によって間欠通電駆動方式が選択され、モータ4の回転数が高いときは駆動方式選択部9によって180度通電駆動方式が選択されるようにしてもよい。そして、180度通電駆動の継続が困難となるような外乱が発生したときは駆動方式選択部9によって間欠通電駆動方式が選択されるようにする。さらに、駆動方式選択部9に外部指示を与える外部スイッチを設け、駆動方式選択部9が外部指示に応じて間欠通電駆動方式か180度通電駆動方式のいずれかを選択することができるようにしてもよい。これにより、操作者が外部スイッチを操作することで駆動方式を切換えることが可能となる。例えば、夜間に運転するとき低騒音化を重視して180度通電駆動方式でモータ4を駆動させたい場合、操作者は外部スイッチ操作によって駆動方式選択部9に180度通電駆動方式を選択させることができる。
なお、トルク変動、振動、騒音の抑制や効率の向上のためには、180度通電駆動とし、尚かつ駆動波形の滑らかな変化が実現できる正弦波状通電にすることが望ましい。また、間欠通電駆動の駆動波形としては、通電角を180度未満として駆動波形中に通電休止期間を設けて、その通電休止期間に発生する誘起電圧を検出できれば、いかなる駆動波形でも構わない。例えば120度通電駆動とすれば、完全2相通電であり、矩形波通電が可能であるので、各相に供給する駆動波形を作成しやすいという利点がある。
次に、間欠通電駆動方式における駆動波形と180度通電駆動方式における駆動波形について説明する。間欠通電駆動方式の一例である矩形波120度通電駆動方式における駆動波形を図2に示し、180度通電駆動方式の一例である正弦波通電駆動方式における駆動波形を図3に示す。なお、図2及び図3は、インバータ回路3の駆動素子を駆動するPWM駆動信号(PWM作成部10の出力信号)をコイル端子ごとにアナログ値として示した波形図であり、実際の通電期間中の駆動波形は数〜数十kHzでPWMチョッピングされており、目標回転数になるようにPWM駆動信号のデューティが変更される。PWM駆動信号のデューティの変更によって、モータ4に印加される電圧または電流が変更され、回転数およびトルクの制御が行われる。
ここで、180度通電駆動中に負荷駆動状態が制御不安定になった場合のモータ4のU相電圧VU及びU相電流IUの波形を図4に示す。センサレスの180度通電駆動は、一般に制御が複雑で困難であるため、一度制御不安定になると、安定した制御には戻るのが困難になり、図4に示した不安定な状態で駆動し続ける可能性が高い。そして、図4に示した不安定な状態で駆動し続けると、効率、トルク変動、振動、騒音などの諸要素が悪化してしまう。
そこで、図1に示す本発明に係るモータ制御装置では、負荷駆動状態監視部13が設けられている。負荷駆動状態監視部13は、位相差検出部12から出力される位相差情報を用いて負荷(モータ4)を安定に駆動できているかを監視しており、異常があった場合に負荷状態が制御不安定と判断する。位相差検出部12は、図5に示すようにモータ電流1周期毎にモータ電圧とモータ電流との位相差を測定する。図5において、P1は180度通電駆動の期間を示し、P2は間欠通電駆動の期間を示し、VUはモータ4のU相電圧を示し、IUはモータ4のU相電流を示し、LV1は第1の不安定状態判定位相差レベルを示し、LV2は第2の不安定状態判定位相差レベルを示している。駆動方式選択部9は、負荷駆動状態監視部13の判断結果に基づいて180度通電駆動方式と間欠通電駆動方式とを切換える。すなわち、負荷駆動状態監視部13は、位相差検出部12によって測定された位相差に基づいて負荷駆動状態が制御不安定と判断すると、速やかに駆動方式選択部9に負荷状態が制御不安定である旨の信号を送り、この信号を受けて駆動方式選択部9は、180度通電駆動方式から間欠通電駆動方式に駆動方式を切換える。
なお、駆動方式選択部9は、負荷駆動状態監視部13から負荷状態が制御不安定である旨の信号を受け取って180度通電駆動方式から間欠通電駆動方式に駆動方式を切換えた後は、一度モータ4が停止するまで180度通電駆動方式を選択しないようにしている。かかる動作を実現するために、図1においては図示が省略されているが、駆動方式選択部9は、ロータ位置検出回路17の出力を入力して間欠通電駆動方式におけるモータ4の実働回転数を確認している。
ただし、モータ4を起動するとモータ4を停止することがほとんどない場合などは、駆動方式選択部9は、負荷駆動状態監視部13から負荷状態が制御不安定である旨の信号を受け取って180度通電駆動方式から間欠通電駆動方式に駆動方式を切換えた後所定の時間が経過したら、間欠通電駆動方式から180度通電駆動方式に戻し、再び負荷駆動状態監視部13から負荷状態が制御不安定である旨の信号を受け取ると180度通電駆動方式から間欠通電駆動方式に駆動方式を切換え、負荷状態が制御不安定であることによる180度通電駆動方式から間欠通電駆動方式への切換えが所定の回数(例えば、5回)行われれば一度モータ4が停止するまで180度通電駆動方式を選択しないようにすることが望ましい。
負荷駆動状態監視部13が行う負荷駆動状態判定の具体例を図6のフローチャートを参照して説明する。
負荷駆動状態監視部13は、位相差検出部12から出力される位相差情報を入力すると、図6に示すフローチャートの動作を開始する。位相差検出部12がモータ電流1周期毎にモータ電圧とモータ電流との位相差を測定しているので、図6に示すフローチャートの動作はモータ電流1周期毎に開始される。
ステップS10において、負荷駆動状態監視部13は、位相差検出部12から出力される位相差情報の位相差が第1の不安定状態判定位相差レベルLV1より大きいかを判定する。
位相差検出部12から出力される位相差情報の位相差が第1の不安定状態判定位相差レベルLV1より大きければ(ステップS10のYES)、ステップS30に移行する。一方、位相差検出部12から出力される位相差情報の位相差が第1の不安定状態判定位相差レベルLV1より大きくなければ(ステップS10のNO)、負荷駆動状態監視部13は、位相差検出部12から出力される位相差情報の位相差が第2の不安定状態判定位相差レベルLV2より大きいかを判定する(ステップS20)。なお、第2の不安定状態判定位相差レベルLV2は第1の不安定状態判定位相差レベルLV1より大きい値である。
位相差検出部12から出力される位相差情報の位相差が第2の不安定状態判定位相差レベルLV2より大きければ(ステップS20のYES)、ステップS40に移行する。一方、位相差検出部12から出力される位相差情報の位相差が第2の不安定状態判定位相差レベルLV2より大きくなければ(ステップS20のNO)、ステップS50に移行する。
ステップS50において、負荷駆動状態監視部13は、内蔵カウンタである不安定状態判定カウンタCNをクリアし、その後フロー動作を終了する。
ステップS30において、負荷駆動状態監視部13は、不安定状態判定カウンタCNをインクリメントし、その後ステップS60に移行する。
ステップS40において、負荷駆動状態監視部13は、不安定状態判定カウンタCNをインクリメントし、その後ステップS60に移行する。なお、ステップS40では位相差が大きいことからインクリメント値をステップS30の倍にしている。これにより、位相差が大きい場合に、負荷状態が制御不安定であると判断する時間を短縮することができる。
ステップS60において、負荷駆動状態監視部13は、不安定状態判定カウンタCNが、所定時間Tに対応するカウンタ値より大きいかを判定する。所定時間Tに対応するカウンタ値は、所定時間Tとモータ電流の周波数fとの乗算値である。図6に示すフローチャートの動作はモータ電流1周期毎に開始されるので、負荷駆動状態監視部13は、図6に示すフローチャートの開始間隔を内蔵タイマで測定することによって、モータ電流の周波数fを求めることができる。
不安定状態判定カウンタCNが、所定時間Tに対応するカウンタ値より大きくなければ(ステップS60のNO)、そのままフロー動作を終了する。一方、不安定状態判定カウンタCNが、所定時間Tに対応するカウンタ値より大きければ(ステップS60のYES)、負荷駆動状態監視部13は駆動方式選択部9に負荷状態が制御不安定である旨の信号を送り(ステップS70)、不安定状態判定カウンタCNをクリアし(ステップS80)、その後フロー動作を終了する。
このように、図1に示す本発明に係るモータ制御装置では、負荷状態が制御不安定と判断すると、180度通電駆動方式から間欠通電駆動方式に駆動方式が切換えられるので、センサレスの180度通電駆動において一旦制御不安定になっても、効率、トルク変動、振動、騒音などの諸要素が悪化することなくモータ駆動を維持することができ、信頼性の向上及びモータの回転数の安定化を図ることができる。
は、本発明に係るモータ制御装置の一構成例を示す図である。 は、矩形波120度通電駆動方式における駆動波形を示す図である。 は、正弦波通電駆動方式における駆動波形を示す図である。 は、180度通電駆動中に負荷駆動状態が制御不安定になった場合のモータ電圧波形及びモータ電流波形を示す図である。 は、モータ電圧波形、モータ電流波形、及びモータ電圧とモータ電流との位相差を示す図である。 は、負荷駆動状態判定の具体例を示すフローチャートである。
符号の説明
1 商用電源
2 コンバータ回路
3 インバータ回路
4 3相ブラシレスモータ
5 直流電流検出アンプ
6 制御回路
7 間欠通電駆動部
8 180度通電駆動部
9 駆動方式選択部
10 PWM作成部
11 モータ電流推定部
12 位相差検出部
13 負荷駆動状態監視部
14 目標位相差情報格納部
15 加算器
16 PI演算部
17、18 ロータ位置検出回路
R1 電流検出抵抗
R2〜R4 抵抗

Claims (3)

  1. 同期モータに電力を供給する電力供給手段と、
    通電休止期間を設けていない180度通電駆動方式で前記同期モータが駆動するように前記電力供給手段を制御する180度通電駆動手段と、
    通電休止期間を設けている間欠通電駆動方式で前記同期モータが駆動するように前記電力供給手段を制御する間欠通電駆動手段と、
    前記180度通電駆動方式及び前記間欠通電駆動方式のいずれかを選択する選択手段と、
    前記同期モータの駆動状態が制御不安定であるかを監視する負荷駆動状態監視手段とを備え、
    前記180度通電駆動方式にて前記同期モータが駆動されているときに、
    前記負荷駆動状態監視手段によって前記同期モータの駆動状態が制御不安定であると判断され、前記選択手段が前記180度通電駆動方式から前記間欠通電駆動方式に駆動方式を切換えた後所定の時間が経過すると、前記選択手段が、前記間欠通電駆動方式から前記180度通電駆動方式に駆動方式を戻し、再び前記負荷駆動状態監視手段によって前記同期モータの駆動状態が制御不安定であると判断されると、前記180度通電駆動方式から前記間欠通電駆動方式に駆動方式を切換え、前記切換えが所定の回数行われれば一度前記同期モータが停止するまで前記180度通電駆動方式を選択しないことを特徴とするモータ制御装置。
  2. 前記同期モータのモータ電圧とモータ電流との位相差を検出する位相差検出手段を備え、
    前記負荷駆動状態監視手段が、前記位相差検出手段の検出結果を受け取り、前記同期モータのモータ電圧とモータ電流との位相差が所定期間中所定値より大きいときに、前記同期モータの駆動状態が制御不安定であると判断する請求項1に記載のモータ制御装置。
  3. 前記所定値より大きい基準値を少なくとも一つ設け、前記同期モータのモータ電圧とモータ電流との位相差が前記基準値より大きい期間に応じて前記所定期間を変化させる請求項2に記載のモータ制御装置。
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