JPH11235078A - 直流センサレスモータの運転方法 - Google Patents

直流センサレスモータの運転方法

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JPH11235078A
JPH11235078A JP10071155A JP7115598A JPH11235078A JP H11235078 A JPH11235078 A JP H11235078A JP 10071155 A JP10071155 A JP 10071155A JP 7115598 A JP7115598 A JP 7115598A JP H11235078 A JPH11235078 A JP H11235078A
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motor
sensorless
same
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JP10071155A
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Toshikazu Sato
俊和 佐藤
Toshio Wakao
登士男 若生
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Izumi Giken KK
Original Assignee
Izumi Giken KK
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数の直流センサレスモータを、単一のイン
バータ回路で同回転数に制御することができる運転方法
を提供する。 【解決手段】 予め設定された出力モードに従って直流
電力が出力される複数の接続端子に、ほぼ同特性を有す
る複数の直流センサレスモータを並列に接続し、これら
複数の直流センサレスモータの回転子の回転で、それぞ
れの直流センサレスモータの非通電となっている固定子
巻線に生じる誘起電圧の合成電圧の変化に基づいて、出
力モードを順次切り替えて運転する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、それぞれの非通
電の固定子巻線に生じる誘起電圧の変化に基づいて、複
数の直流センサレスモータの運転を同時に制御する運転
方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】複数のモータを同時に制御する運転方法
としては、特開平4−465589号公報に記載された
ようなものがある。これは、図7に示すように構成さ
れ、空気調和機用の圧縮機及び送風機に用いる誘導電動
機101、102を単一のマイクロコンピュータ110
で制御するもので、交流電源から電源回路を介して得た
所定の直流電圧を、第1インバータ回路111及び第2
インバータ回路112の入力電圧とし、マイクロコンピ
ュータ110からの信号が第1ドライブ回路121及び
第2ドライブ回路122を介してそれぞれのインバータ
回路111、112に与えられ、第1誘導電動機101
及び第2誘導電動機102に供給する交流電力の電圧、
周波数を制御するものである。
【0003】また、単一のインバータ回路で複数のモー
タを制御する運転方法としては、特開平9−13559
4号公報に記載されたものがある。これは、図8に示す
ように構成され、インバータ回路210に複数の交流電
動機a〜fをそれぞれ電磁接触器211a〜211fを
介して接続し、モータセレクトキー212a〜212f
で選択したいずれか一つの電磁接触器211a〜211
fを閉じ、インバータ回路210で生成されたPWMに
基づく3相交流を、選択された交流電動機a〜fへ供給
して運転するものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】前者に記載された技術
は、同時に2台のモータの運転を制御するが、マイクロ
コンピュータ110は共有化されているものの、インバ
ータ回路111、112及びドライブ回路121、12
2をそれぞれのモータごとに独立して設ける必要があ
り、回路の小型化や回路デザインの簡素化が図れないも
のである。また、マイクロコンピュータ110は、実質
的にモータ2台分の制御信号を処理しなければならない
ので、十分な処理能力を備えないマイクロコンピュータ
ではアルゴリズムの設計が極めて難しいものであった。
【0005】後者に記載された技術は、複数のモータの
中から1台を選択して運転するもので、複数のモータを
同時に運転することができないものである。
【0006】なお、これらの両技術を組み合わせた場
合、単一のインバータ回路に複数の誘導電動機を接続す
るものが考えられるが、誘導電動機は、それぞれの負荷
の大きさによって異なるスリップ量で回転するので、イ
ンバータ回路から出力される交流電力の周波数ですべて
の誘導電動機の回転数を同じにすることはできない。
【0007】本願発明は、こうした課題を解決すること
を目的とするもので、直流センサレスモータを用いるこ
とにより、単一のインバータ回路で複数のモータの同時
制御を可能とする運転方法を提供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】この発明はかかる課題を
解決するため、予め設定された出力モードに従って直流
電力が出力される複数の接続端子に接続した直流センサ
レスモータの固定子巻線から生じる磁界で、永久磁石を
有する回転子の回転を維持するように構成した直流セン
サレスモータの運転方法において、上記複数の接続端子
にほぼ同特性を有する複数の直流センサレスモータを並
列に接続するとともに、これら複数の直流センサレスモ
ータの回転子の回転で、それぞれの直流センサレスモー
タの非通電となっている固定子巻線に生じる誘起電圧の
合成電圧の変化に基づいて、上記出力モードを順次切り
替えることを特徴とするものである。
【0009】請求項2記載の発明は、並列に接続する直
流センサレスモータを2台又は3台とすることにより、
回転数の変動に対する追従性を最適にすることができる
ものである。請求項3記載の発明は、直流センサレスモ
ータを設計上同一規格のものを用いることにより、特性
の違いによる異常回転を防止するものである。請求項4
記載の発明は、起動時に、直流センサレスモータの回転
数が同じになるまで固定子巻線に供給される直流電力を
制限することにより、起動時の不良を抑制するものであ
る。以下に、この発明の構成を図面を用いて詳細に説明
する。
【0010】
【発明の実施の形態】図1は、この発明の具体的な実施
の形態を示す電気回路図であり、スター状に結線された
3相の固定子巻線U、V、Wと4極に着磁された永久磁
石を有する回転子とからなる2台の直流センサレスモー
タ1a、1bの運転制御に適用したものである。なお、
回転子の極数は2の倍数で任意に選択可能であり、固定
子巻線U、V、Wを巻く歯の数も3の倍数で任意に選択
可能であり、特別な技術を要するものではない。
【0011】これら2台の直流センサレスモータ1a、
1bは、設計上同一規格であり、接続端子3u、3v、
3wに並列に接続されている。この接続端子3u、3
v、3wには、後述するように、予め組み合わせを設定
された出力モードに従って直流電力が出力されるもの
で、特性がほぼ同じモータであれば、2台に限らず3台
以上を並列に接続することが可能である。ここで、同じ
特性の範囲とは、少なくともほぼ同形状同特性の固定子
及び回転子、ほぼ同じ固定子巻線のインピーダンス特
性、ほぼ同じ出力であることが必要で、設計上同一規格
のものが好ましい。
【0012】5は、6個のパワースイッチング素子(M
OS型FET)を3相ブリッジ状に結線したインバータ
回路であり、ハイサイド側にPチャンネルのFETw
h、vh、uhを配置し、ロウサイド側にNチャンネル
のFETwl、vl、ulを配置し、それぞれのFET
には、ドレイン−ソース間にフライホイールダイオード
が設けられている。ハイサイド側FETのソースは、+
36Vの直流電力の高電位端に接続され、ロウサイド側
FETのソースは、抵抗6を介して接地電位に接続され
ている。このような構成の等価回路を持つインバータ用
半導体としては、東芝製のMP6403を用いることが
できる。なお、パワースイッチング素子はFETに限る
ものではなく、バイポーラ型のパワートランジスタを用
いることも可能で、例えば、6個のパワートランジスタ
(Pチャンネル3個、Nチャンネル3個)を3相ブリッ
ジ状に結線した等価回路を持つ、東芝製のインバータ用
半導体MP6301等を用いてもよい。
【0013】8は、図2に示したモード1からモード6
の出力モードででON/OFF信号を生成する信号生成
部で、6個のパワースイッチング素子のON/OFF状
態の組み合わせを予めモード1からモード6に設定し、
回転子が電気角60度回転するごとに、この出力モード
を順次切り替えてモード1〜6のサイクルを繰り返すも
のである。ここで、ロウサイド側FETのチョッピング
周期TのONデューティ(Ton)を変えて接続端子3
u、3v、3wから出力される直流電力を制御し、回転
子の回転数を制御することができる。
【0014】図2を参照して説明すると、モード1で
は、接続端子3uから電流が出力されて固定子巻線U、
Vを流れて接続端子3vに戻り、モード2では、接続端
子3uから固定子巻線U、Wを流れて接続端子3wに戻
り、モード3では、接続端子3vから固定子巻線V、W
を流れて接続端子3wに戻り、モード4では、接続端子
3vから固定子巻線V、Uを流れて接続端子3uに戻
り、モード5では、接続端子3wから固定子巻線W、U
を流れて接続端子3uに戻り、モード6では、接続端子
3wから固定子巻線W、Vを流れて接続端子3vに戻
る。また、図5に示す各接続端子3u、3v、3wの誘
起電圧の発生を示す説明図を参照すると、モード1で
は、永久磁石を有する回転子の回転で固定子巻線Wに生
じた誘起電圧が接続端子3wに表れ、モード2で接続端
子3v、モード3で接続端子3u、モード4で接続端子
3w、モード5で接続端子3v、モード6で接続端子3
uに誘起電圧が表れる。この誘起電圧に基づいて出力モ
ードを順次切り替える信号生成部8としては、例えばM
icro Linear社製の半導体(BLDC PW
MMotor Controller)ML4433
(又はML4425)等を用いることができる。
【0015】この信号生成部8の内部構成は、図3のブ
ロック図に示すように構成され、14〜16番ピンに与
えられる固定子巻線U、V、Wに生じる誘起電圧の変化
を検出し、その変化に対応する信号を出力する「BAC
K EMF SAMPLER」部と、この信号と5番ピ
ンに与えられるスピード(回転数)信号とに基づき、か
つPWM(パルス幅変調)でONデューティ(Ton)
を変えたチョッピング信号を出力する「PWM SPE
ED CONTROL」部と、「BACK EMF S
AMPLER」部からの信号に応じて出力モードを順次
切り替え、かつチョッピング信号でロウサイド側のON
/OFF信号を補正してインバータを構成する6個のパ
ワースイッチング素子のON/OFFを決め、その信号
を「HIGH SIDE GATE DRIVE」と
「LOW SIDE GATE DRIVE」に出力す
る「COMMUTATION & CONTROL L
OGIC」等を備え、「HIGH SIDE GATE
DRIVE」と「LOWSIDE GATE DRI
VE」から7〜9番ピン及び11〜13番ピンを介して
ON/OFF信号(HIGH/LOWの電位又はLOW
/HIGHの電位)を出力するものである。
【0016】9は、信号生成部8の1番ピンへ印加され
る電圧の検出回路で、抵抗とコンデンサで構成され、抵
抗6に生じる電圧(抵抗6に流れる電流、すなわちモー
タに流れる電流に相当する電圧)が印加される。信号生
成部8は、この電圧が設定値を超えないようにスイッチ
ング素子のONデューティ(Ton)に制限を加え、モ
ータに流れる電流の電流制御を行う。7は、信号生成部
8の19番ピンと20番ピンとの間に接続されるコンデ
ンサで、電圧検出回路9の出力電圧が比較される基準電
圧の電源投入時(モータの運転開始時)のレベル上昇を
緩慢にするもので、通称ソフトスタートと称する機能の
時間を設定する。図4は、このソフトスタート機能の等
価回路で、コンデンサ7の充電によって比較器30の+
端子に印加される電圧は、0から抵抗31、32で設定
される基準電圧までコンデンサ7の容量に応じた速度で
上昇する。したがって、比較器30の+端子に印加され
る電圧が徐々に上昇することになり、この間モータの回
転数の上昇が低く制限されて、起動時に直ちに設定回転
数に対応する直流電圧が供給されるのを防止している。
【0017】10は、信号生成部8を動作させる回路で
あり、電解コンデンサとコンデンサで構成され、+12
Vの直流電圧を安定化している。11は、17、18番
ピンに接続される回路で、電解コンデンサ、2個のコン
デンサ及び2個の抵抗で構成され、VCOの周波数と回
転数の上昇速度を設定する。12は、3、4番ピンに接
続される回路で、電解コンデンサ、2個のコンデンサ及
び抵抗で構成され、モータの停止レベルと回転方向を設
定する。13は、可変抵抗で構成した回路で5番ピンに
接続され、モータの目標回転数を設定するもので、6番
ピンには、チョッピング信号の周波数を25kHzに設
定するための抵抗が接続されている。
【0018】14は、7〜9番、11〜16番ピンに接
続される回路で、信号生成部8とのインターフェース用
の抵抗がそれぞれの端子に対応して接続されている。1
4〜16番ピンは、それぞれ抵抗を介してモータの固定
子巻線U、V、Wの各相に接続されるとともに、インバ
ータ5のU、V、W出力に接続され、固定子巻線U、
V、Wに生じる誘起電圧を検出する。11〜13番ピン
は、それぞれの抵抗を介してロウサイド側FETの各ゲ
ートに接続され、「LOW SIDE GATEDRI
VE」により11〜13番ピンから出力されるON/O
FF信号(HIGH/LOW電圧)で、ロウサイド側F
ETのON/OFFを制御する。
【0019】15、16、17は、ハイサイド側FET
のスイッチング素子であるトランジスタで、各エミッタ
がそれぞれの抵抗を介して7〜9番ピンに接続され、
「HIGHSIDE GATE DRIVE」により7
〜9番ピンから出力されるON/OFF信号(LOW/
HIGH電圧)で、トランジスタ15〜17のON/O
FFを制御する。トランジスタ15〜17の各コレクタ
は、直列に接続された抵抗18と抵抗19、抵抗20と
抵抗21、抵抗22と抵抗23を介してハイサイド側F
ETのソースと同じく+36Vの直流電力の高電位端に
接続されている。24、25、26は、抵抗19、2
1、23と並列に接続されたコンデンサで、その容量
は、5.6kΩの抵抗19、21、23に対して0.0
1μFである。トランジスタ15〜17の各ベースは、
+12Vの直流電力に接続されてその電位が常時+12
Vに保たれている。インバータ5のハイサイド側FET
の各ゲートは、各相に応じた抵抗18と抵抗19、抵抗
20と抵抗21、抵抗22と抵抗23の接続点に接続さ
れている。
【0020】この回路において、信号生成部8の9番ピ
ンがON信号(LOWレベル電圧)を出力するとトラン
ジスタ17がONとなり、インバータ5のFETuhの
ゲートに、抵抗23による分圧電圧(36−12=24
Vを抵抗22と抵抗23で分圧し、抵抗23に相当する
分の電圧)が印加され、FETuhがONとなる。9番
ピンの出力がOFF信号(HIGHレベル電圧)になる
と、トランジスタ17がOFFとなり、抵抗23による
分圧電圧が0Vになり、FETuhがOFFになる。他
のハイサイド側FETvh、FETwhも同様に、信号
生成部8の7、8番ピンの出力信号によりON/OFF
が制御される。
【0021】ハイサイド側FETuh、ロウサイド側F
ETulが共にOFFの場合の電流の流れは、まずFE
TulがFETuhに続いてOFFになると(図2のモ
ード6)、固定子巻線Uが解放状態(電圧が印加されて
いない状態)になり、回転子の回転によって生じている
誘起電圧の変化による電流のみが流れる。この誘起電圧
による電流は、主に固定子巻線UからFETuhのフラ
イホイールダイオードの順方向、+36Vの直流電力の
高電位端に流れ、一部は、FETuhのドレイン−ゲー
ト間から、逆方向に充電されて電位が低くなっているコ
ンデンサ26へ流れ、このコンデンサ26に蓄積され
る。このように、FETuhのフライホイールダイオー
ドの動作遅れの間、固定子巻線Uに生じた誘起電圧によ
る電流は、FETuhのドレイン−ゲート間を介してコ
ンデンサ26に蓄積される。なお、FETulのドレイ
ン−ソース間のOFF抵抗は大きいので、FETulの
ドレイン−ソース間には誘起電圧による電流は実質的に
流れない。
【0022】次に、このようなFETuh、FETul
がともにOFFの状態からFETuhにON信号が与え
られる場合(図2のモード1)は、まずトランジスタ1
7がONになるが、このときトランジスタ17のコレク
タの電位は、+36vの直流電力の電圧にコンデンサ2
6の電圧が加えられた電位が印加されているので、この
分トランジスタ17のスイッチング速度が速くなり、し
たがって、FETuhのON速度も加速される。トラン
ジスタ17がONした後は、コンデンサ26が+36V
の直流電圧で誘起電圧に対して逆方向に充電される。こ
のコンデンサ26の充電は、FETuhのソース−ゲー
ト間を逆バイアスするので、図5のモード3〜5の間
は、FETuhがOFF信号にもかかわらずノイズで誤
動作するのを防止している。
【0023】以上の動作は、他のハイサイド側FETv
h、FETwhにおいても同様であり、FETの代わり
にバイポーラ型パワートランジスタをインバータに用い
た場合も同様な動作が得られる。
【0024】図5は、この回路に1台のモータを接続し
た場合の誘起電圧の発生を示すタイムチャート図であ
る。モード2からモード3への切り替えを一例として動
作原理(信号生成部8の動作原理)を説明すると、モー
ド2に切り替えた時点より接続端子3vに生じる誘起電
圧の極性が変わるまでの時間T0を計時し、この誘起電
圧の極性が変化した時点からT1(k×T0(k:係
数))時間後にモード3へ切り替えるものである。係数
kを調節することにより回転子の回転位置に対する固定
子の通電の位相を調節することができ、回転子の加減速
時や定速時の効率調整が可能となるものである。また、
モード1で誘起電圧の極性が変化した時点からモード2
で誘起電圧の極性が変化した時点までの時間T3を計時
し、T0=T3/2としてモード3への切り替えを行っ
ても良い。他のモードへの切り替えも同様であり、以
後、この誘起電圧の極性が変わる時点の時間に基づいて
順次モードを切り替える。なお、モード切替方法は、こ
れらの手段に限られず、誘起電圧波形を波形整形して得
る方法など、誘起電圧の変化に基づく方法であれば良
い。
【0025】図6は、2台のモータ1a、1bを接続端
子3u、3v、3wに接続した場合の誘起電圧の状態を
示し、モード2からモード3への切り替えの説明図であ
る。ここで、モータ1aの負荷がモータ1bの負荷より
軽い、又は同負荷であっても製造上の誤差で、モータ1
bの方が重くなっているとすると、固定子巻線に同じ電
圧を印加した際にモード2を維持する時間は、モータ1
aの方がモータ1bより短くなり、回転数に差がでる
(T1=k×T0でkは同一である)。したがって、非
通電となる固定子巻線に生じる誘起電圧は、図6に示す
1a、1bように異なり、誘起電圧の極性が変わる時点
Ta、Tbに差がでる。しかし、モータ1a、1bは同
じ接続端子に接続されているので、非通電となる接続端
子も同じであり、誘起電圧が生じる接続端子も同じにな
り、モータ1a、1bの誘起電圧は合成されてこの非通
電の接続端子に表れる(図6中、破線)。
【0026】信号生成部8は、この合成された誘起電圧
に基づいて上記のように通電モードをモード2からモー
ド3へ切り替えるものであり、誘起電圧の極性が変わる
時点Tcに基づいて出力モードを切り替える。したがっ
て、モータ1aに対しては実回転よりモードの維持時間
が長くなってブレーキが作用して回転数が低下し、モー
タ1bに対しては回転子の実回転よりモードの維持時間
が短くなって加速されて回転数が上昇し、モータ1a、
1bが同回転数になるように収束する。このとき、それ
ぞれの固定子巻線へは負荷に見合う電力が分配されるこ
ととなる。何らかの負荷変動が生じていずれかのモータ
の回転数が変化した場合にも、同様に回転数が調整され
る。
【0027】なお、信号生成部8は、この収束した回転
数に対して回転数制御(ONデューティの制御)を行う
ので、最終的に2台のモータ1a、1bの回転数が同一
に制御される。
【0028】このように本願発明の運転方法は、それぞ
れのモータからの誘起電圧を合成させて用いるので、合
成波形の歪みが大きいと誤動作を招きやすいので、歪み
を抑制するために同特性のモータを用いるが、接続する
モータは2〜3台程度が歪みを小さく抑えることが容易
であり、かつ回転数の収束に要する時間も短くなるので
好ましい。なお、4台以上のモータを接続する場合に
は、設計上同一規格のモータを用い、急激な加減速を行
わなければ問題はなかった。また、起動時に、ソフトス
タートの機能が作用している間に複数のモータの回転数
が同じ低回転に収束するので、ソフトスタート終了後
に、目標回転数に相当するまで電圧を上げてもモータの
脱調やロックを抑制することができる。
【0029】
【発明の効果】以上のように、この発明の直流センサレ
スモータの運転方法を用いれば、接続端子に並列に接続
した複数のモータの回転数を、単一の制御装置で同回転
数に制御することができ、回路の小型化、回路デザイン
の簡素化を図ることができるものである。
【0030】また、接続する直流センサレスモータを2
台又は3台とすることにより、回転数の変動に対する追
従性を最適にすることができ、直流センサレスモータを
設計上同一規格のものを用いることにより、特性の違い
による異常回転を防止することができるものである。そ
して、起動時に、直流センサレスモータの回転数が同じ
になるまで固定子巻線に供給される直流電力を制限する
ことにより、起動時の不良を抑制することができるもの
である。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態の回路図。
【図2】予め設定された出力モードのタイムチャート
図。
【図3】信号生成部のブロック図。
【図4】ソフトスタート機能を示す等価回路図。
【図5】モータ1台の場合の誘起電圧の発生を示すタイ
ムチャート図。
【図6】モータ2台の場合の誘起電圧の状態を示す説明
図。
【図7】従来のモータの運転方法の回路図。
【図8】従来のモータの運転方法の回路図。
【符号の説明】
1a、1b 直流センサレスモータ U、V、W 固定子巻線

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 予め設定された出力モードに従って直流
    電力が出力される複数の接続端子に接続した直流センサ
    レスモータの固定子巻線から生じる磁界で、永久磁石を
    有する回転子の回転を維持するように構成した直流セン
    サレスモータの運転方法において、 上記複数の接続端子にほぼ同特性を有する複数の直流セ
    ンサレスモータを並列に接続するとともに、これら複数
    の直流センサレスモータの回転子の回転で、それぞれの
    直流センサレスモータの非通電となっている固定子巻線
    に生じる誘起電圧の合成電圧の変化に基づいて、上記出
    力モードを順次切り替えることを特徴とする直流センサ
    レスモータの運転方法。
  2. 【請求項2】 2台又は3台の直流センサレスモータを
    接続端子に並列に接続した請求項1記載の直流センサレ
    スモータの運転方法。
  3. 【請求項3】 直流センサレスモータは、設計上同一規
    格である請求項1又は2記載の直流センサレスモータの
    運転方法。
  4. 【請求項4】 起動時に、直流センサレスモータの回転
    数が同じになるまで固定子巻線に供給される直流電力を
    制限することを特徴とする請求項1、2又は3記載の直
    流センサレスモータの運転方法。
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