CN108023512A - 永磁同步电机的控制装置、控制方法和图像形成装置 - Google Patents

永磁同步电机的控制装置、控制方法和图像形成装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及永磁同步电机的控制装置、图像形成装置、永磁同步电机的控制方法,可以防止起因于磁极的实际位置和估计的位置的偏差造成的失步。本发明的永磁同步电机(3)的控制装置(21)包括:驱动部(26),在电枢(31)中流动电流而驱动转子;速度估计部,基于电枢(31)中流动的电流估计转子的转速;磁极位置估计部(24),基于估计出的转速即估计速度估计转子的磁极位置;控制部(23),基于从磁极位置估计部(24)输出的磁极位置的估计值即估计角度θm,控制驱动部(26),使得生成以输入的速度指令S1所示的目标速度ω*旋转的旋转磁场;失步预测部(45),基于目标速度ω*和估计速度ωm预测是否发生失步;以及校正部(46),在由失步预测部(45)预测为发生失步的情况下,校正估计角度θm。

Description

永磁同步电机的控制装置、控制方法和图像形成装置
技术领域
[0001] 本发明涉及永磁同步电机的控制装置、控制方法和图像形成装置。
背景技术
[0002] 一般地,永磁同步电机(PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor)包括具有 绕组的定子和使用了永久磁铁的转子,通过在绕组中流动交流电流而产生旋转磁场,使转 子与该旋转磁场同步地旋转。若基于将交流电流作为d — q坐标系的向量的分量进行控制的 向量控制,则可以高效平稳地旋转。
[0003] 近年来,无传感器型的永磁同步电机已广泛使用。无传感器型没有用于检测磁极 位置的磁传感器和编码器。因此,在无传感器型的永磁同步电机的向量控制中,采用基于绕 组中流动的电流或电压,通过诸如d — q轴模型的算式等规定的运算式,估计转子的转速(角 速度)和磁极位置(角度)的方法。一般地,根据基于转速的积分运算,估计磁极位置。
[0004] 转速的估计值(估计速度)用于决定绕组中流动的电流的大小的电流指令值的设 定。即,一般进行这样的设定:在估计速度小于目标速度时增加电流指令值,若估计速度大 于目标速度则减小电流指令值,使得估计速度接近目标速度。关于这样的设定,例如在专利 文献1中,记载了在将磁通方向的d轴电流设为零的驱动状态中,在估计速度脱离了规定的 限速范围时,增减产生旋转驱动的转矩的q轴电流的电流指令值。
[0005]磁极位置的估计值(估计角度),一般地被用于诸如基于设定的电流指令值生成提 供给永磁同步电机的控制信号的坐标转换运算、以及在向量控制中反馈绕组中流动的电流 的测量值的坐标转换运算等。
[0006] 作为用于提高磁极位置的估计精度的现有技术,有专利文献2中记载的技术。在专 利文献2中,记载了基于由从电机驱动的促动器输入的位置检测信号Sa计算转速的实际值, 基于该实际值和估计速度的差分来校正估计角度。
[0007] 现有技术文献
[0008] 专利文献
[0009] 专利文献1:日本特开2012—062909号公报 [0010] 专利文献2:日本特开2015 —133872号公报
发明内容
[0011]以往,在永磁同步电机的控制中有时发生失步,特别是存在在使旋转加速的启动 时容易发生失步的问题。
[0012]在旋转加速时,从估计转速至估计值被反映到驱动中为止转速增大。即,转速的估 计相对转速的变化延迟。转速的估计的延迟在基于估计速度的磁极位置的估计中被累计。 因此,在磁极位置的估计值即估计角度中容易产生较大的延迟。
[0013]在启动时,若估计角度的延迟较大,则转矩相对转子的实际的磁极位置减少。因 此,转速下降而失步发生可能性升高。
[0014] 作为补偿转矩的减少的方法,有加大绕组中流动的电流的方法。但是,在将电流的 大小设定为按驱动电路的规格决定的可设定范围的上限的情况下,无法将电流加大到该上 限以上。一般地,在启动时,由于被设定为接近可设定范围的上限,所以无法将电流加大到 该上限以上。若变更驱动电路的部件而提高可设定范围的上限,则驱动电路的制造成本上 升。
[0015] 上述专利文献2的技术是,从在永磁同步电机的外部设置的传感器获取与转子的 角度位置对应的位置检测信号Sa而校正估计角度。即,即使永磁同步电机为无传感器型,永 磁同步电机的控制装置也具有检测转子的位置的传感器,使用无传感器型的永磁同步电机 的成本削减效果被损失。
[0016] 再者,作为发生失步的其它要因,可认为是在用于估计转速和磁极位置的运算中 采用的多个参数值(电机常数)和实际的参数值的偏差。作为参数,有绕组的电阻值、绕组的 电感、以及感应电压常数等。若绕组和永久磁铁的温度因永磁同步电机的驱动或周围温度 的变化而变化,则在为了估计而预先设定的参数值和实际的参数值之间产生偏差。因此,有 时无法正确地进行磁极位置和转速的估计。
[0017] 关于参数值的偏差,有例如对每次启动测量各参数值并更新用于运算的参数值的 方法。但是,在这种情况下,各次启动需要的时间长,对启动指令的响应性下降。
[0018] 本发明鉴于上述问题而完成,目的在于提供能够防止起因于磁极的实际位置和估 计位置的偏差造成的失步的控制装置和控制方法。
[0019] 本发明的实施方式的控制装置是,通过电枢中流动的电流产生的旋转磁场,使用 了永久磁铁的转子旋转的永磁同步电机的控制装置,包括:驱动部,在所述电枢中流动电流 而驱动所述转子;速度估计部,基于所述电枢中流动的电流,估计所述转子的转速;磁极位 置估计部,基于估计出的所述转速即估计速度,估计所述转子的磁极位置;控制部,基于从 所述磁极位置估计部输出的所述磁极位置的估计值即估计角度,控制所述驱动部,以生成 按输入的速度指令表示的目标速度旋转的所述旋转磁场;失步预测部,基于所述目标速度 和所述估计速度,预测是否发生失步;以及校正部,在由所述失步预测部预测为发生失步的 情况下,校正所述估计角度,所述控制部在由所述校正部校正了所述估计角度的情况下,基 于已校正的所述估计角度即校正完成估计角度,控制所述驱动部,使得生成与所述目标速 度对应的所述旋转磁场。
[0020] 根据本发明,可以提供能够防止起因于磁极的实际位置和估计位置的偏差造成的 失步的控制装置和控制方法。
附图说明
[0021] 图1是表示包括了本发明的一实施方式的电机控制装置的图像形成装置的结构概 要的图。
[0022] 图2是示意地表示无刷电机的结构的图。
[0023]图3是表示无刷电机的d_q轴模型的图。
[0024]图4是表示电机控制装置的功能性结构的一例的图。
[0025]图5是表示电机控制装置的功能性结构的变形例的图。
[0026]图6是表示电机驱动部和电流检测部的结构的例子的图。
[0027] 图7是表示无刷电机的运转模式的例子的图。
[0028] 图8㈧〜图8 (C)是表示估计角度的偏差和驱动转矩之间的关系的图。
[0029] 图9㈧〜图9⑻是表示失步的预测中使用的阈值的设定例子的图。 [0030]图10是表示估计角度的延迟量的上限的设定例子的图。
[0031]图11是表不对应于目标速度的阈值的表的例子的图。
[0032] 图12 (A)〜图12⑻是表示估计角度的变迀的例子的图。
[0033] 图13是表示对应于速度比的校正角度的表的例子的图。
[0034] 图14是表示对应于速度比的校正速度的表的例子的图。
[0035] 图15是表示估计角度的变迁的其他例子的图。
[0036]图16是表示电机控制装置中的处理的流程的图。
[0037] 图17是表示失步预测的处理的流程的例子的图。
[0038] 图18是表示失步预测的处理的流程的例子的图。
[0039] 图19是表示角度校正的处理的流程的例子的图。
[0040] 标号说明
[0041] 1图像形成装置
[0042] 3无刷电机(永磁同步电机)
[0043] 9 纸张
[0044] 15B定位辊对(运送棍)
[0045] 20高位控制部(速度指令部)
[0046] 21电机控制装置(控制装置)
[0047] 23向量控制部(控制部)
[0048] 24,24b速度估计部
[0049] 25磁极位置估计部
[0050] 26电机驱动部(驱动部)
[0051] 31定子(电枢)
[0052] 32 转子
[0053] 45失步预测部
[0054] 46、46b角度校正部(校正部)
[0055] de校正角度
[0056] DT1输出设定值(电流设定值)
[0057] DT2负载假定值(负载)
[0058] Hco 阈值
[0059] I 电流
[0060] Iu,Iv,Iw 电流
[0061] PS磁极位置 [0062] R〇>速度比仳率)
[0063] S1速度指令 [0064] em估计角度
[0065] 0ma校正完成估计角度
[0066] « 转速
[0067] 目标速度
[0068] com估计速度
[0069] «k容许下限速度 [0070] A 〇速度偏差量
具体实施方式
[0071 ]图1中表不包括了本发明的一实施方式的电机控制装置21的图像形成装置1的结 构概要,图2中示意地表示无刷电机3的结构。
[0072]在图1中,图像形成装置1是包括了电子照相式的打印机引擎1A的彩色打印机。打 印机引擎1A具有4个影像站11、12、13、14,并行地形成黄色(¥)、品红色说)、青绿色似和黑 色(K)这4色的调色剂像。影像站11、12、13、14各自具有筒状的感光体、带电充电器 (charger)、显影器、清洁器、以及曝光用的光源等。
[0073] 4色的调色剂像被一次转印在中间转印带16上,被二次转印在从纸张盒10通过供 纸辊15A引出而经由定位辊对15B运送来的纸张9上。二次转印之后,纸张9通过定影器17的 内部向上部的排纸托盘18送出。在通过定影器I7时,调色剂像通过加热和加压定影在纸张9 上。
[0074]图像形成装置1使用包含无刷电机3的多个无刷电机作为使定影器17、中间转印带 16、供纸辊15A、定位辊15B、感光体、以及显影器的辊等旋转体旋转的驱动源。即,打印机引 擎1A使用由这些无刷电机旋转驱动的旋转体运送纸张9,在该纸张9上形成图像。
[0075]无刷电机3配置在例如影像站14的附近,旋转驱动定位辊对15B。该无刷电机3由电 机控制装置21或电机控制装置21b控制。
[0076]在图2中,无刷电机3是无传感器型的永磁同步电机(PMSM: Permanent Magnet Synchronous Motor)。无刷电机3包括产生旋转磁场的作为电枢的定子31、以及使用了永久 磁铁的转子32«^定子31具有以120度间隔配置的U相、V相、W相的磁心36、37、38、以及¥接线的 3个绕组(线圈)33、34、35。通过在绕组33〜35中流动1]相、¥相和1相的3相交流电流来对磁心 36、37、38顺序地励磁而产生旋转磁场。转子32与该旋转磁场同步地旋转。
[0077]图2所示的例子中转子32的磁极数为2。但是,转子32的磁极数不限于2,也可以是 4、6或其以上。转子32可以是外部式,也可以是内部式。此外,定子31的槽数不限于3。无论如 何,对于无刷电机3,由电机控制装置21、21b进行使用将d — q坐标系作为基本的控制模型进 行磁极位置和转速的估计的向量控制(无传感器型向量控制)。
[0078] 再者,在以下,将转子32的S极和N极之中的以黑圈所示的N极的旋转角度位置称为 转子32的“磁极位置PS”。
[0079]图3中表示无刷电机3的d — q轴模型。在无刷电机3的向量控制中,将无刷电机3的 绕组33〜35中流动的3相的交流电流,转换为在与转子32即永久磁铁同步旋转的2相的绕组 中流动的直流电流来简化控制。
[0080] 假设永久磁铁的磁通方向(N极的方向)为d轴(无效电流轴),从d轴电角超前了H/2 [rad] (90°)的方向为q轴(有效电流轴)。(1轴和q轴是模型轴。将U相的绕组33设为基准,将d 轴相对该基准的超前角定义为0。该角度0表示相对U相的绕组33的磁极的角度位置(磁极位 置PS)。(1一q坐标系位于将u相的绕组33作为基准而比该基准超前了角度9的位置。
[0081]无刷电机3没有检测转子32的角度位置(磁极位置)的位置传感器,所以在电机控 制装置21中需要估计转子32的磁极位置PS。对应于表示该估计出的磁极位置的估计角度如 而确定丫轴,将相比r轴电角超前了 V2的位置确定为S轴。y — S坐标系位于将u相的绕组 33作为基准而比该基准超前了估计角度0m的位置。将相对角度0的估计角度0m的延迟量定 义为A 0。延迟量A 0为零时,y — S坐标系与d—q坐标系一致。
[0082]图4中表示电机控制装置21的功能性结构的一例,图5中表示电机控制装置2丨的功 能性结构的变形例,图6中表示电机控制装置21、21b中的电机驱动部26和电流检测部27的 结构的例子。
[0083]如图4所示,电机控制装置21具有电机驱动部26、电流检测部27、向量控制部23、速 度估计部24、磁极位置估计部25、坐标转换部28、失步预测部45、以及角度校正部46等。这些 要素之中,失步预测部妨和角度校正部你涉及用于防止加速时的失步的处理。
[0084]电机驱动部26是用于在无刷电机3的绕组33〜35中流动电流而驱动转子32的逆变 器电路。如图6那样,电机驱动部26具有3个双元件261、262、263、以及预驱动电路265等。 [0085]各双元件261〜263是将特性一致的2个晶体管(例如,场效应晶体管:FET)串联连 接并收纳在封装(package)中的电路部件。
[0086]通过双元件261〜263,控制从直流电源线211向地线经由绕组33〜35流动的电流 I。详细来说,通过双元件261的晶体管Q1、Q2,流动在绕组33中的电流Iu被控制,通过双元件 262的晶体管Q3、Q4,流动在绕组34中的电流Iv被控制。而且,通过双元件263的晶体管Q5、 Q6,流动在绕组35中的电流Iw被控制。
[0087] 在图6中,预驱动电路265将从向量控制部23输入的控制信号U+、U—、V+、V—、W+、 W—转换为适合各晶体管Q1〜Q6的电压电平。转换后的控制信号U+、U—、¥+、¥—^+』一被 输入到晶体管Q1〜Q6的控制端子(栅极)。
[0088] 电流检测部27具有U相电流检测部271和V相电流检测部272,检测在绕组33、34中 流动的电流Iu、Iv。由于Iu+Iv+Iw = 0,所以可以从检测出的电流Iu、Iv的值通过计算来求电 流Iw。再者,也可以具有W相电流检测部。
[0089] U相电流检测部271和V相电流检测部272将插入在电流Iu、Iv的流路中的电阻值较 小的值(1/10 ^级)的分流电阻造成的电压降放大并进行A/D转换,作为电流Iu、Iv的检测值 输出。即,进行2分流方式的检测。
[0090] 再者,也可以采用将电机驱动部26和电流检测部27—体化的电路部件构成电机控 制装置21。
[0091] 返回到图4,向量控制部23根据来自高位控制部20的速度指令S1所示的目标速度 (速度指令值)《 *,控制电机驱动部26。高位控制部20是担当图像形成装置1的整体控制的 控制器,在将图像形成装置1预热时、执行打印任务时、转移到省电模式时等中发出速度指 令S1。
[0092] 在指令旋转驱动的开始的情况下,高位控制部20将包含启动指令的速度指令S1提 供给向量控制部23。之后,根据在后要描述的运转模式,使加速那样的速度指令S1所示的目 标速度Q*增大。但是,高位控制部20也可以将启动指令和最终目标速度提供给向量控制部 23,在向量控制部23中生成用于按照运转模式加速的目标速度
[0093]向量控制部23基于从磁极位置估计部25输出的磁极位置PS的估计值即估计角度0 m或校正了该角度的校正完成估计角度0ma,控制电机驱动部26,使得生成以输入的速度指 令S1所示的目标速度旋转的旋转磁场。
[0094] 向量控制部23具有速度控制部41、电流控制部42、以及电压模式生成部43。
[0095] 速度控制部41进行用于将来自高位控制部20的目标速度和来自速度估计部24 的估计速度com之差接近零的比例积分控制(PI控制)的运算,决定y — S坐标系的电流指令 值Iy*、lS*。估计速度《„!被周期地输入。速度控制部41在每次输入估计速度c〇m时,根据当 时的目标速度w*决定电流指令值I y*、IS*。
[0096]电流控制部42进行用于将电流指令值I y*、IS*和从坐标转换部28输入的估计电 流值IY、IS之差接近零的比例积分控制的运算,决定Y — S坐标系的电压指令值VY*、V細。 [0097]电压模式生成部43基于从角度校正部46输入的估计角度0m或校正完成估计角度0 ma,将电压指令值V Y *、VS*转换为U相、V相、以及W相的电压指令值Vu*、Vv*、Vw*。然后,基于 电压指令值Vu*、Vv*、Vw*,生成控制信号U+、U—、V+、V—、W+、W—的模式,向电机驱动部26输 出。
[0098] 速度估计部24具有第1运算部241和第2运算部242等,基于转子32的绕组33〜35中 流动的电流Iu、IV、IW估计转子32的转速。
[0099] 第1运算部241基于由电压模式生成部43决定的电压指令值¥的、¥#、¥**,计算 y — s坐标系的电流值I Yb、lSb。作为变形,也可以基于由电流控制部42决定的电压指令值 V y *、VS*,计算电流指令值I y b、l6b。无论如何,在电流指令值I y b、l6b的计算时,都使用 第2运算部242在上次的估计中得到的估计速度《m。
[0100] 第2运算部242基于来自坐标转换部28的估计电流值I y、IS和第1运算部241的电 流值I 丫 b、lSb之差,根据所谓的电压电流方程式求估计速度(速度估计值)《m。估计速度《 m是转子32的转速w的估计值的例子。估计速度《 m被输入到速度控制部41、磁极位置估计 部25和失步预测部45。
[0101] 磁极位置估计部25基于估计速度com估计转子32的磁极位置PS。即,通过将估计速 度《 m积分,计算估计角度0m作为磁极位置PS的估计值。
[0102] 坐标转换部28从由电流检测部27检测出的U相的电流Iu和V相的电流Iv的各值中 计算ff相的电流Iw的值。然后,基于估计角度0m或校正完成估计角度0ma和3相的电流Iu、Iv、 Iw的值,计算y — 8坐标系的估计电流值I y、IS。即,对于电流进行从3相向2相的转换。
[0103] 失步预测部45基于目标速度和估计速度w m预测是否发生失步。对于预测的方 法,在后面详述。
[0104] 角度校正部46具有校正量设定部461和加法部462,在由失步预测部45预测为发生 失步的情况下,将从磁极位置估计部25输出的估计角度0m校正为校正完成估计角度0ma。在 预测为没有发生失步的情况下,不校正估计角度9m。
[0105] 角度校正部46通过加法部462对估计角度0m加上由校正量设定部461设定的校正 角度d0而输出校正完成估计角度ema。校正角度仙的值为“0”时,加法部462将输入的估计角 度0m直接输出。
[0106] 图5所示的电机控制装置21b具有角度校正部46b和速度估计部24b,取代图4的电 机控制装置21中的角度校正部46和速度估计部24。除这点外,电机控制装置21b的结构与电 机控制装置21的结构是同样的。
[0107] 图5的角度校正部46b在失步预测部45预测为发生失步的情况下,将从速度估计部 24b对磁极位置估计部25输入的估计速度w m校正为校正完成估计速度w ma,使得从磁极位 置估计部25输出校正完成估计角度9ma作为估计角度0m。在校正速度d«的值为“0”时,加法 部462b将输入的估计速度com直接输出。
[0108] 角度校正部46b具有校正量设定部461b和加法部462b,在加法部46¾中对估计速 度《 m加上由校正量设定部461b设定的校正速度d «。由此,角度校正部4eb计算校正完成估 计角度0ma并提供给磁极位置估计部25。
[0109] 与图4的速度估计部24同样,速度估计部24b具有第1运算部241和第2运算部242 等。在速度估计部24b中,从角度校正部46b输出的估计角度0m或校正完成估计角度0ma被输 入到第1运算部241。
[0110] 那么,本实施方式的电机控制装置21、21b具有防止起因于磁极位置的实际的角度 0和估计角度0m的偏差造成的失步的功能。以下,以这种功能为中心进一步说明电机控制装 置21、21b的结构和动作。
[0111] 图7中示出无刷电机3的运转模式的例子。在时间点t0,启动指令被提供给电机控 制装置21、21b。启动指令是指令加速至最终目标速度w 1的速度指令S1。假设在时间点t0以 前无刷电机3是停止的。
[0112] 在时间点t0至时间点tl的期间进行使转速co从0增大至最终目标速度col的加速 控制。此时,由速度指令S1提供的目标速度(速度指令值)《*时时刻刻被更新,使得例如以 固定的比例增加。
[0113] 若转速为最终目标速度1,则进行将转速《保持为最终目标速度w 1的恒速控 制。此时的目标速度是最终目标速度《 1。若在时间点t2提供停止指令,则进行使转子32 停止的停止控制。例如,通过向量控制使转速《下降,在转速w下降至可进行磁极位置PS的 估计的下限速度w 3的时间点t3,切换为将磁极位置PS拉进停止位置的固定励磁,至时间点 t4停止。
[0114] 图8中表示估计角度0m的延迟量A 0和驱动转矩T1之间的关系。
[0115] 在如启动时那样使转速《较大地增大的加速控制中,如图8所示,确定由估计角度 %决定的S轴方向或与其附近方向的磁场向量85。确定磁场向量85相当于确定与磁场向量 85相同方向的电流向量95。电流向量95表示为了生成使转子32旋转的磁场而在绕组33〜35 中应流动的电流。电流向量9 5的大小与磁场向量8 5的大小成比例。图8中,为了简化图示,磁 场向量85和电流向量95被表示为相同大小的向量。
[0116] 确定电流向量95是在用于控制电机驱动部26的实际的处理之后,设定电流向量95 的方向和大小。作为电流向量95的方向,设定电角相对估计角度加超前了 V2的角度的方向 (即,S轴方向)。然后,作为电流向量95的大小,设定电流向量%的r轴分量(电流指令值I y *)和S轴分量(电流指令值IS*)。此时,为了尽量增大驱动转矩T1而缩短加速期间,设定电 流指令值IY*、IS*,使得无刷电机3中流动的电流I为按照电机驱动部26的规格决定的可设 定范围的上限或比上限稍小的值。再者,在如图8那样将电流向量95的方向设为S轴方向的 情况下,电流指令值I Y *的值是零(“〇”)。
[0117] 如图8(A)那样,在估计角度0m和对应于实际的磁极位置PS的角度0相等时,在通过 电流向量95可产生的范围内最大的驱动转矩T1作用于转子32。
[0118] 但是,如图8⑻和图8(C)那样,随着估计角度%和角度0的延迟量A 0在〇〜ji/2的 范围内变大,驱动转矩H变小。若延迟量A 0为jt/2,则驱动转矩T1为零。这种情况下几乎肯 定发生失步。
[0119] 在加速时,从估计转速《至估计速度《m反映到驱动中为止转速《增大,所以转速 w的估计相对转速w的变化延迟。转速的估计的延迟在基于估计速度wm的估计角度0m的 计算中被累计。因此,在加速时,相比恒速控制时,延迟量△ e容易增大。
[0120] 若驱动转矩n下降,则转速《下降。如上述,在向量控制中,决定电流指令值Iy*、 IS*,使得目标速度CO *和估计速度《m之差变小。但是,若转速CO大幅度地下降,则即使变更 电流指令值I y *、15*的设定,也无法抑制转速w的下降,失步发生的风险增大。
[0121] 因此,电机控制装置21、21b在基于目标速度C0 *和估计速度预测为发生失步的 情况下,校正估计角度
[0122] 图9中表示失步的预测上使用的阈值H〇>的设定的例子,图10中表示估计角度em的 延迟量A 0的上限A eZ的设定的例子,图11中表示对应目标速度w *的阈值H W的表71的例 子。
[0123] 如图9 那样,对于目标速度增大的加速时,确定假定失步速度《Z和容许下 限速度《k。
[0124] 假定失步速度是在加速时转子32上作用的旋转驱动力为零的、仅看作延迟量 A 0产生的转速〇。如图10所示,旋转驱动力为零是,驱动转矩T1的大小的绝对值与作用的 负载转矩T2的大小的绝对值相等,使得抑制旋转的情况。负载转矩T2涉及电阻负载和惯性 负载。若将驱动转矩T1的大小的绝对值(输出设定值)设为DT1,将负载转矩T2的大小的绝对 值(负载假定值)设为DT2,则DTI =DT2时的延迟量△ e即临界延迟量A 以式⑴表示。
[0125] A 0z = —arccos (DT2/DT1) [rad]…(1)
[0126] 再者,输出设定值DTI是决定在作为电枢的定子31中流动的电流的值的电流设定 值的例子。
[0127] 相对A 0为“0”的状态下36〇度(2JI [rad])为1周的情况下的转速co x的、A 0为A 0Z 时的转速WZ的比率即临界速度比Ruz以式⑵表示。
[0128] Rc〇z=c〇z/cl>x= (2n+ A 0Z) /2^-- (2)
[0129] 使用该临界速度比R c〇 z和目标速度《*,假定失步速度co Z以式⑶表示。
[0130] 〇Z= (3)
[0131] 例如,在将输出设定值DT1设为“1”,将负载假定值DT2设为“0.5”的情况下,根据式 ⑴,为
[0132] A 0z = —arccos (0.5/1)二一1.0472 [rad](约一60度)。
[0133] 根据式⑵,临界速度比R « z为
[0134] R 〇) z = (2n--1 • 0472)/2冗=0.838。
[0135] 然后,若将加速中的某个时间点的目标速度0^设为例如“5〇〇”,则根据式(3),假 定失步速度为
[0136] c〇Z = 500X0.838 二 419。
[0137] 图9 (A)所示的容许下限速度是在假定失步速度〇2中加入了余量值(余量)的 值,为了在失步发生时间点前预测为发生失步而被确定。假定失步速度《叾基于负载假定值 DT2算出,所以容许下限速度(〇 k根据无刷电机3的负载而确定。
[0138] 例如,可以将负载假定值DT2增大来确定余量值。对目标速度的每个获取的值, 可以将比假定失步速度《 Z大例如5〜15%左右的值设为容许下限速度w k。
[0139] 如图9⑻所示,将加速时的各时间点的目标速度和容许下限速度差确定 作为阈值Hco。然后,如图11所示,通过表71相关联存储目标速度和阈值Hc〇。
[0140] 图12中表示估计角度wm的变迁的例子,而图13中表示对应于速度比Rw的校正角 度仙的表72的例子,图14中表示对应于速度比R w的校正速度d «的表72b的例子。
[0141] 还参照图4、图5,若被输入最新的估计速度《 m,则失步预测部45从表71中读出对 应于那时的目标速度w *的阈值H 〇。然后,计算目标速度w *和估计速度《 m之差即速度偏 差量A w,在速度偏差量A «大于阈值11«的情况下,预测为发生失步。该预测相当于在估 计速度wm小于容许下限速度《 k的情况下预测为发生失步。细节如下。
[0142] 在图12 (A)中,从时间点t0起开始加速。从时间点t0至时间点111,估计速度w m跟 踪目标速度w *的增加。从时间点111起估计速度w m开始小于目标速度w *。
[0143] 时间点til之后的时间点tl2中,目标速度w*(tl2)和估计速度《m(tl2)中产生速 度偏差量A w (tl2)的偏差。该速度偏差量△ 〇 (tl2)小于对应于目标速度w * (tl2)的阈值 H〇> (tl2),所以失步预测部45预测为不发生失步。这种情况下,不进行角度校正部46、4油的 校正。
[0144] 在图12(B)中,在时间点tl2之后的时间点tl3中,目标速度《*(tl3)和估计速度w m(tl3)中产生速度偏差量A « (tl3)的偏差。该速度偏差量△ w (tl3)大于对应于目标速度 u* (tl3)的阈值Hco (tl3)。因此,失步预测部45预测为发生失步。
[0145] 由于被预测为发生失步,所以由角度校正部46、46b进行估计角度0m的校正。角度 校正部46、46b中,从失步预测部45输入校正指令和速度比Rw。
[0146] 速度比R (〇是估计速度com与目标速度的比率,以式⑷表不。
[0147] Rco = com/co*." (4)
[0148] 图4所示的角度校正部46的校正量设定部461将对应于输入的速度比R«的校正角 度de从图13所示的表72中读出并传送到加法部462。加法部462将估计角度%和校正角度如 之和作为校正完成估计角度0ma输出。
[0149] 表72被预先创建并由校正量设定部461的可存取的非易失存储器存储。在表72中, 对速度比Rw的获取的多个值的每一个,与校正角度d0相关联。
[0150] 校正角度d0是对应于估计角度0m的延迟△ 9的校正量,用速度比R«以式⑸表示。
[0151] d9 = 2n—(2ji • Rco) [rad].•.⑸
[0152] 例如,若目标速度《 *为“1000”时估计速度《 m为“9〇0”,则根据式(4),速度比R « 为Rg)=9〇〇/1〇〇〇 = 〇.90。根据式⑸,校正角度d0为d0 = 2n— (2n • 0_90)二0_6283[rad] N 36.0度。
[0153] 通过相加校正角度d0,估计角度%被校正为磁极的实际的角度e或接近它的值。 艮P,通过将估计角度0m校正为校正完成估计角度ema,相比校正前,电流向量%产生的驱动 转矩T1恢复到大于校正前的状态渗照图8(A))。因此,实际的转速《变大,与此相伴,如图 12(B)中点划线所示,估计速度增加。在图12(B)中,在按运转模式假定的时间点tl之后 的时间点tl4,估计速度0m为最终目标速度w 1。
[0154] 再者,在表72中没有与从失步预测部45输入的速度比R«的值一致的速度比1?«的 值的情况下,读出在表72所示的速度比1?«的值之中、与输入的速度比Rco的值最接近的值 相关联的校正角度d0即可。通过式(5)的运算、或基于接近输入的速度比R«的值的多个值 的插值运算,也可以计算校正角度d0。
[0155] 图5所示的角度校正部46b的校正量设定部461b将对应于输入的速度比R〇>的校正 速度d〇>从图14所示的表72b中读出并传送到加法部462b。加法部462b将估计速度和校 正速度d 〇之和作为校正完成估计速度《 ma输出到磁极位置估计部25。
[0156] 由此,如上述,从磁极位置估计部25输出校正完成估计角度0ma。即,角度校正部 46b进行相当将对应于估计速度0m与目标速度的比率R«的校正角度d0加到估计角度0m 中的运算的处理,作为校正估计角度0m的处理。
[0157] 表72b被预先创建并由校正量设定部461的可存取的非易失存储器存储。在表72b 中,对速度比Rw的获取的多个值的每一个,与校正速度d«相关联。校正速度dw的值以对 应于校正角度d0而确定。
[0158] 接着,参照图15说明失步预测部45的预测方法的其他例子。图15中表示估计角度0 m的变迁的其他例子。
[0159] 失步预测部45在被电机驱动部26控制以使如加速控制时那样定子31的绕组33〜 35中流动的电流I为可设定范围的上限的状态中,在估计速度如下降的情况下,预测为发生 失步。可设定范围按电机驱动部26的规格决定。
[0160] 在图15中,从时间点t21起估计速度w m开始小于目标速度w *。但是,至时间点t22 为止,估计速度w m在增力卩。在时间点t22之后的时间点t23,估计速度w m (t23)小于时间点 t22的估计速度《m(t22)。
[0161] 失步预测部45在每次输入最新的估计速度时,与以前输入的估计速度 较。在最新的估计速度com小于上次的估计速度的情况连续了规定次数以上的情况下, 或在本次的值小于以前的估计速度《 m的最大值并且它们的差为阈值以上的情况下,失步 预测部45预测为发生失步。
[0162] 在图15所示的例子中,在时间点t23中,预测为发生失步,进行角度校正部46b的估 计角度0m的校正。通过进行了估计角度%的校正,如点划线所示,估计速度《 m从减少转变 为增加,在时间点t24为最终目标速度《 1。
[0163] 图16中表示电机控制装置21、21b中的处理的流程,而图17和图I8中表示失步预测 的处理的流程的例子,图19中表示角度校正的处理的流程的例子。
[0164] 如图16所示,等待从高位控制部20提供启动指令(#101)。启动指令在转子32停止 的状态、或在停止控制中发出。
[0165] 若提供启动指令(#101中为“是”),则开始使旋转跟踪逐渐增加的目标速度w*的 加速控制(#102),在加速中执行失步预测的处理(#1〇3)。
[0166] 仅在预测为发生失步的情况下(#104中为“是”),执行角度校正的处理(#105)。在 加速未完成的期间(#106中为“否”),继续加速控制,同时执行失步预测的处理(#1〇2、# 103)。然后,在预测为发生失步的情况下,再次执行角度校正的处理(#1〇4、#1〇5)。
[0167] 若加速完成,即若估计速度达到加速时的最终目标速度wl (#106中为“是”), 则结束加速控制而进行恒速控制(#107)。
[0168] 之后,等待从高位控制部20提供停止指令(#108)。若提供停止指令(#1〇8中为 “是”),则执行停止控制(#1〇9)。
[0169] 如图17所示,作为失步预测的处理,获取最新的目标速度w *和估计速度(# 311),计算速度偏差量△ ^ (#312)。
[0170] 接着,判定速度偏差量A 是否在对应于目标速度的阈值以上(#313)。在 判定为速度偏差量△ «为阈值以上的情况下(#:313中为“是”),预测为发生失步(#314)。 艮P,存储“发生失步”作为预测的结果。在判定为速度偏差量八w未在阈值^10以上的情况下 (#313中为“否”),预测为没有发生失步(#315)。
[0171] 或者,如图18所示,作为失步预测的处理,获取最新的估计速度(#321),与以前 获取的估计速度比较(#322)。
[0172] 接着,基于比较的结果,判定估计速度com是否下降(#323)。在判定为估计速度com 下降的情况下(#323中为“是”),预测为发生失步(#324)。在判定为估计速度未下降的情 况下(#323中为“否”),预测为没有发生失步(#325)。
[0173] 如图19所示,作为角度校正的处理,计算速度比Rw (#5〇1)。根据算出的速度比R ,设定校正角度仙或校正速度d«作为校正量(#5〇2)。然后,通过对估计角度0m加上校正 角度de,或对估计角度%的估计上使用的估计速度com加上校正速度dco,校正估计角度em。
[0174] 根据以上的实施方式,能够提供可以防止起因于磁极的实际位置和估计位置的偏 差造成的失步的控制装置和控制方法。例如,可以防止从停止状态转移到恒速旋转状态的 启动时的加速阶段中的失步。
[0175] 在上述的实施方式中,将校正角度de相加在估计角度%中。但是,不限于此,也可 以将校正角度de设定作为系数,计算估计角度era和校正角度de之积作为校正完成校正角度 0ma。同样地,也可以设定校正速度d «作为系数,计算估计速度wm和校正速度d to之积作为 校正完成估计校正速度wma来校正估计角度0m。
[0176] 在上述的实施方式中,表71、72、72b的结构和数据值等是表示例子的结构和数据 值,可以设为图示以外的各种结构或数据值。
[0177] 另外,图像形成装置1和电机控制装置21各自的全体或各部的结构、处理的内容、 顺序、或定时(timing)等,可以根据本发明的宗旨而适当变更。

Claims (19)

1. 一种永磁同步电机的控制装置,其为通过电枢中流动的电流产生的旋转磁场,使用 了永久磁铁的转子旋转的永磁同步电机的控制装置,其特征在于,包括: 驱动部,在所述电枢中流动电流而驱动所述转子; 速度估计部,基于所述电枢中流动的电流,估计所述转子的转速; 磁极位置估计部,基于估计出的所述转速即估计速度,估计所述转子的磁极位置; 控制部,基于从所述磁极位置估计部输出的所述磁极位置的估计值即估计角度,控制 所述驱动部,以生成按输入的速度指令表示的目标速度旋转的所述旋转磁场; 失步预测部,基于所述目标速度和所述估计速度,预测是否发生失步;以及 校正部,在由所述失步预测部预测为发生失步的情况下,校正所述估计角度, 所述控制部在由所述校正部校正了所述估计角度的情况下,基于已校正的所述估计角 度即校正完成估计角度,控制所述驱动部,使得生成与所述目标速度对应的所述旋转磁场。
2. 如权利要求1所述的永磁同步电机的控制装置, 所述校正部将从所述磁极位置估计部输出的所述估计角度校正为所述校正完成估计 角度。
3. 如权利要求1所述的永磁同步电机的控制装置, 所述校正部校正从所述速度估计部对所述磁极位置估计部输入的所述估计速度,使得 从所述磁极位置估计部输出所述校正完成估计角度作为所述估计角度。
4. 如权利要求1至3的任意一项所述的永磁同步电机的控制装置, 所述失步预测部在所述目标速度和所述估计速度之差即速度偏差量大于所述目标速 度和预先确定的容许下限速度之差即阈值的情况下,预测为发生失步。
5. 如权利要求4所述的永磁同步电机的控制装置, 所述容许下限速度根据决定所述电枢中流动的电流的值的电流设定值和所述永磁同 步电机的负载而确定。
6. 如权利要求1至3的任意一项所述的永磁同步电机的控制装置, 所述失步预测部在所述驱动部被控制以使所述电枢中流动的电流为可设定范围的上 限的状态中所述估计速度下降的情况下,预测为发生失步。
7. 如权利要求1至6的任意一项所述的永磁同步电机的控制装置, 所述校正部进行对所述估计角度加上对应于所述估计速度与所述目标速度的比率的 校正角度的运算或与之相当的处理,作为校正所述估计角度的处理。
8. —种图像形成装置,其为在纸张上形成图像的图像形成装置,其特征在于,包括: 永磁同步电机,通过电枢中流动的电流产生的旋转磁场,使用了永久磁铁的转子旋转; 以及 运送辊,通过所述永磁同步电机旋转驱动而运送所述纸张; 控制装置,控制所述永磁同步电机;以及 速度指令部,对所述控制装置输入速度指令, 所述控制装置包括: 驱动部,在所述电枢中流动电流而驱动所述转子; 速度估计部,基于所述电枢中流动的电流,估计所述转子的转速; 磁极位置估计部,基于估计出的所述转速即估计速度,估计所述转子的磁极位置; 控制部,基于从所述磁极位置估计部输出的所述磁极位置的估计值即估计角度,控制 所述驱动部,使得生成按输入的所述速度指令表示的目标速度旋转的所述旋转磁场; 失步预测部,基于所述目标速度和所述估计速度,预测是否发生失步;以及 校正部,在由所述失步预测部预测为发生失步的情况下,校正所述估计角度, 所述控制部在由所述校正部校正了所述估计角度的情况下,基于校正后的该估计角度 即校正完成估计角度,控制所述驱动部,使得生成对应于所述目标速度的所述旋转磁场。
9. 如权利要求8所述的图像形成装置, 所述校正部将从所述磁极位置估计部输出的所述估计角度校正为所述校正完成估计 角度。
10. 如权利要求8所述的图像形成装置, 所述校正部校正从所述速度估计部对所述磁极位置估计部输入的所述估计速度,使得 从所述磁极位置估计部输出所述校正完成估计角度作为所述估计角度。
11. 如权利要求8至10的任意一项所述的图像形成装置, 所述失步预测部在所述目标速度和所述估计速度之差即速度偏差量大于所述目标速 度和预先确定的容许下限速度之差即阈值的情况下,预测为发生失步。
12. 如权利要求11所述的图像形成装置, 所述容许下限速度根据决定所述电枢中流动的电流的值的电流设定值和所述永磁同 步电机的负载而确定。
13. 如权利要求8至10的任意一项所述的图像形成装置, 所述失步预测部在所述驱动部被控制以使所述电枢中流动的电流为可设定范围的上 限的状态中所述估计速度下降的情况下,预测为发生失步。
14. 如权利要求8至13的任意一项所述的图像形成装置, 所述校正部进行对所述估计角度加上对应于所述估计速度与所述目标速度的比率的 校正角度的运算或与之相当的处理,作为校正所述估计角度的处理。
15.—种永磁同步电机的控制方法,其为通过电枢中流动的电流产生的旋转磁场,使用 了永久磁铁的转子旋转的永磁同步电机的控制方法,其特征在于,包括: 基于目标速度和所述转子的转速的估计值即估计速度,预测是否发生失步; 在预测为发生失步的情况下,校正所述转子的磁极位置的估计值即估计角度; 基于校正后的所述估计角度即校正完成估计角度,控制所述电枢中流动的电流,使得 生成按所述目标速度旋转的所述旋转磁场。
16. 如权利要求15所述的永磁同步电机的控制方法, 在预测是否发生所述失步时,在所述目标速度和所述估计速度之差即速度偏差量大于 所述目标速度和预先确定的容许下限速度之差即阈值的情况下,预测为发生失步。
17. 如权利要求16所述的永磁同步电机的控制方法, 所述容许下限速度根据决定所述电枢中流动的电流的值的电流设定值和所述永磁同 步电机的负载而确定。
18. 如权利要求15所述的永磁同步电机的控制方法, 在预测是否发生所述失步时,在被控制以使所述电枢中流动的电流为可设定范围的上 限的状态中所述估计速度下降的情况下,预测为发生失步。
19.如权利要求15至18的任意一项所述的永磁同步电机的控制方法, 作为校正所述估计角度的处理,进行对所述估计角度加上对应于所述估计速度与所述 目标速度的比率的校正角度的运算或与之相当的处理。
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