JP2016158376A - 負荷トルク推定装置、画像形成装置、負荷トルク推定方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 電動モータの負荷トルクの推定を低コストで実現する。
【解決手段】 電動モータ１４０の負荷トルクを推定する負荷トルク推定装置１００であって、駆動中の電動モータ１４０の各相に流れる電流の合成値を示す信号を平滑化することにより得られる平滑化信号を取得する取得部と、前記平滑化信号と前記負荷トルクと駆動中の電動モータ１４０の回転速度とに基づいて前記負荷トルクを推定する推定部とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は負荷トルク推定装置、画像形成装置、負荷トルク推定方法及びプログラムに関する。

従来より、駆動中の電動モータの負荷トルクをリアルタイムに推定する技術が知られている。例えば、特許文献１には、３相ブラシレスモータの通電相の位相状態と、モータの回転速度とに基づいてトルク定数をリアルタイムに変更させることで、負荷トルクを推定する技術が開示されている。

しかしながら、通電相の位相状態を検出するためには、基準位相検出パルスを取得するための構成をモータドライバに付加する必要があり、コストがかかるという問題がある。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、電動モータの負荷トルクの推定を低コストで実現することを目的とする。

本発明の実施形態に係る負荷トルク推定装置は、以下のような構成を有する。すなわち、
ブラシレスモータの負荷トルクを推定する負荷トルク推定装置であって、
駆動中の前記ブラシレスモータの各相に流れる電流の合成値を示す信号を平滑化することにより得られる平滑化信号を取得する取得部と、
前記平滑化信号と前記負荷トルクと駆動中の前記ブラシレスモータの回転速度とに基づいて前記負荷トルクを推定する推定部とを有することを特徴とする。

本発明の各実施形態によれば、電動モータの負荷トルクの推定を低コストで実現することができる。

実施形態に係る負荷トルク推定装置のハードウェア構成を示す図である。 実施形態に係る負荷トルク推定プログラムが実行されることにより実現される負荷トルク推定部の機能構成を示す図である。 電動モータを制御し、負荷トルクを推定するためのブロック線図である。 ドライバ、電動モータ及び電流検出回路の回路構成を示す図である。 電流検出回路における各信号の波形を示す図である。 電流検出回路における各信号の波形を示す図である。 各回転速度における平滑化信号と負荷トルクとの関係を示す図である。 推定部の機能を説明するための図である。 負荷トルク推定処理の流れを示すフローチャートである。 ドライバ、電動モータ及び電流検出回路の回路構成を示す図である。 電流検出回路における各信号の波形を示す図である。 平滑化信号と負荷トルクとの関係を推定する推定方法を説明するための図である。 画像形成装置の内部構成を示す図である。 画像形成装置の中間転写ユニットの駆動・搬送機構を拡大して示した図である。

以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。

［第１の実施形態］
＜負荷トルク推定装置＞
はじめに、本実施形態に係る負荷トルク推定装置のハードウェア構成について説明する。図１は、本実施形態に係る負荷トルク推定装置１００のハードウェア構成を説明するための図である。

図１に示すように、負荷トルク推定装置１００は、情報処理装置１１０と電流検出回路（ドライバ側）１６０とを有する。情報処理装置１１０は、電動モータ１４０及び位置／回転速度検出部１５０と接続されたドライバ１３０に接続されており、ドライバ１３０を介して、電動モータ１４０の回転速度または回転位置を制御する。また、情報処理装置１１０は、駆動中の電動モータ１４０の負荷トルクを推定する。電流検出回路（ドライバ側）１６０は、電動モータ１４０を駆動するドライバ１３０内に配されており、電動モータ１４０の各相に流れる駆動電流の合成値を検出する。

情報処理装置１１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１１、ＲＯＭ（Read Only Memory）１１２、ＲＡＭ（Random Access Memory）１１３、補助記憶装置１１４を備える。更に、表示部１１５、入力部１１６、インタフェース部１１７、電流検出回路（装置側）１１８を備える。なお、情報処理装置１１０の各部（ＣＰＵ１１１〜インタフェース部１１７）は、バス１１９を介して相互に接続されているものとする。

ＣＰＵ１１１は、補助記憶装置１１４に格納された各種プログラム（例えば、負荷トルク推定プログラム１２０）を実行するコンピュータである。

ＲＯＭ１１２は不揮発性メモリである。ＲＯＭ１１２は、例えば、負荷トルク推定プログラム１２０をＣＰＵ１１１が実行するために必要な各種プログラム、データ等を格納する主記憶装置として機能する。具体的には、ＢＩＯＳ（Basic Input/Output System）やＥＦＩ（Extensible Firmware Interface）等のブートプログラムなどを格納する。

ＲＡＭ１１３は、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）やＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）等の主記憶装置である。ＲＡＭ１１３は、各種プログラム（例えば、負荷トルク推定プログラム１２０）がＣＰＵ１１１によって実行される際に展開される、作業領域を提供する。

補助記憶装置１１４には、各種プログラムがインストールされている。なお、図１の例では、補助記憶装置１１４にインストールされている各種プログラムとして、負荷トルク推定プログラム１２０のみを示しているが、それ以外のプログラムがインストールされていてもよい。

表示部１１５は電動モータ１４０の制御目標値（目標回転速度や目標位置）を入力するための画面や、電動モータ１４０の回転速度の検出結果（実測値）または回転位置の検出結果（実測値）を表示するための画面を表示する。更に、推定された負荷トルク（推定トルク値）を表示するための画面を表示する。

入力部１１６は、情報処理装置１１０に対して各種入力操作（制御目標値を入力したりするための操作）を行うための操作部材であり、例えば、マウスやキーボード等が含まれる。

インタフェース部１１７は、制御対象である電動モータ１４０を制御するための制御値を、電動モータ１４０のドライバ１３０に送信する。また、位置／回転速度検出部１５０より、制御対象である電動モータ１４０の状態を示す情報（回転速度の実測値または回転位置の実測値）を受信する。更に、ドライバ１３０に配された電流検出回路（ドライバ側）１６０が、電動モータ１４０の各相に流れる駆動電流の合成値を示す信号を平滑化し、増幅することで得た平滑化信号を、電流検出回路（装置側）１１８を介して受信する。

電流検出回路（装置側）１１８は、電流検出回路（ドライバ側）１６０より送信された平滑化信号について、ノイズを除去しＡ／Ｄ（Analog/Digital）変換したうえでインタフェース部１１７に入力する。

ドライバ１３０は、インタフェース部１１７より送信された制御値に基づいて、電動モータ１４０を駆動する。電動モータ１４０は、３相のブラシレスモータ（ＤＣ（direct-current）モータ）である。

位置／回転速度検出部１５０は、電動モータ１４０に配され、検出信号（回転速度を示す信号または回転位置を示す信号）を出力する。位置／回転速度検出部１５０より出力された検出信号は、回転速度の実測値または回転位置の実測値として、ドライバ１３０を介してインタフェース部１１７に送信される。本実施形態において、位置／回転速度検出部１５０には、例えば、２相エンコーダや１相フォトディテクタが含まれる。あるいは、ＦＧ（Frequency Generator）センサ、ホール素子センサ等の磁気センサが含まれる。

電流検出回路（ドライバ側）１６０はドライバ１３０に配され、電動モータ１４０の各相に流れる駆動電流の合成値を示す信号を平滑化し、増幅することで平滑化信号を取得する。電流検出回路（ドライバ側）１６０では、取得した平滑化信号を電流検出回路（装置側）１１８に送信する。

＜負荷トルク推定プログラムの機能構成＞
次に、負荷トルク推定プログラム１２０がＣＰＵ１１１により実行されることで実現される負荷トルク推定部の機能について説明する。図２は、負荷トルク推定プログラム１２０がＣＰＵ１１１により実行されることで実現される負荷トルク推定部２００の機能構成を示す図である。

図２において、目標回転速度入力部２０２及び目標位置入力部２０３は、ユーザが、入力部１１６を用いて入力した制御目標値（目標回転速度または目標位置）を取得し、制御部２０１に入力する。

実測値入力部２０４は、インタフェース部１１７において受信した、電動モータ１４０の回転速度の実測値または回転位置の実測値を取得し、制御部２０１に入力する。

制御部２０１は、入力された制御目標値（目標回転速度または目標位置）と、入力された回転速度の実測値または回転位置の実測値とに基づいて、電動モータ１４０を制御するための制御値（電圧値）を算出する。

制御値出力部２０５は、制御部２０１において算出された制御値（電圧値）を、インタフェース部１１７を介してドライバ１３０に送信する。

平滑化信号入力部２１３は、電流検出回路（装置側）１１８よりインタフェース部１１７を介して入力された平滑化信号を取得し、推定部２１１に入力する（つまり、平滑化信号入力部２１３は、平滑化信号を取得する取得部として機能する）。

格納部２１４は、平滑化信号と負荷トルクとの関係を規定した関係情報を、電動モータ１４０の各回転速度と対応付けて格納する。なお、格納部２１４は、平滑化信号と負荷トルクとの関係を近似式として格納していてもよいし、平滑化信号と負荷トルクとの関係をテーブルとして格納していてもよい。

推定部２１１は、電動モータ１４０の負荷トルクを推定する。具体的には、目標回転速度入力部２０２において入力された目標回転速度、または実測値入力部２０４において取得された回転速度の実測値に応じた関係情報を格納部２１４より読み出す。そして、推定部２１１は、平滑化信号入力部２１３より入力された平滑化信号に応じた負荷トルクを、格納部２１４より読み出した関係情報に基づいて算出することで負荷トルクを推定する。

推定トルク値出力部２１２は、推定部２１１において推定された負荷トルクを、推定トルク値として出力する。なお、推定トルク値の出力先は、補助記憶装置１１４であってもよいし、表示部１１５であってもよい。あるいは、インタフェース部１１７を介して、外部の装置に出力されてもよい。

＜ブロック線図の説明＞
次に、電動モータ１４０の回転速度または回転位置を制御するとともに、負荷トルクを推定するためのブロック線図について説明する。図３は、電動モータ１４０の回転速度または回転位置を制御するとともに、負荷トルクを推定するためのブロック線図である。

図３に示すように、制御部２０１では、制御目標値（目標回転速度ω_ｔｇｔまたは目標位置ｘ_ｔｇｔ）と、フィードバックされた実測値（回転速度の実測値ω_ｄｅｔまたは回転位置の実測値ｘ_ｄｅｔ）とに基づいて、制御値（電圧値Ｖ_ｃｔｌ）を出力する。

制御部２０１より出力された制御値（電圧値Ｖ_ｃｔｌ）に基づいて、ドライバ１３０では電動モータ１４０の各相に駆動電流を流す。なお、電動モータ１４０の各相に流れる駆動電流の合成値は、ドライバ１３０のシャント抵抗（詳細は後述）を介して電流検出回路（ドライバ側）１６０により検出される。そして、検出された合成値は、電流検出回路（ドライバ側）１６０において平滑化され増幅されたうえで、電流検出回路（装置側）１１８を介して平滑化信号として推定部２１１に入力される。

電動モータ１４０の各相に駆動電流が流れることで、電動モータ１４０には所定の回転トルクＴが発生し、電動モータ１４０が駆動する。これに対して、電動モータ１４０には、負荷トルクτがかかるため、電動モータ１４０は、回転トルクＴと負荷トルクτとの差分値に応じた回転速度で回転する。

位置／回転速度検出部１５０では、電動モータ１４０の回転速度を検出し、回転速度の実測値ω_ｄｅｔを制御部２０１にフィードバックする。

あるいは、検出した回転速度に基づいて回転位置を算出し（あるいは直接回転位置を検出し）、回転位置の実測値ｘ_ｄｅｔとして制御部２０１にフィードバックする。

このように、回転速度の実測値ω_ｄｅｔまたは回転位置の実測値ｘ_ｄｅｔに基づくフィードバック制御を行うことで、電動モータ１４０は、目標回転速度ω_ｔｇｔまたは目標位置ｘ_ｔｇｔに制御される。

一方、推定部２１１では、電動モータ１４０の回転速度の制御または回転位置の制御と平行して、逐次、負荷トルクを推定する。具体的には、目標回転速度ω_ｔｇｔまたは回転速度の実測値ω_ｄｅｔと、電流検出回路（装置側）１１８を介して入力された平滑化信号とに基づいて負荷トルクを算出することで負荷トルクを推定する。

なお、制御目標値（目標回転速度ω_ｔｇｔまたは目標位置ｘ_ｔｇｔ）または実測値（回転速度の実測値ω_ｄｅｔまたは回転位置の実測値ｘ_ｄｅｔ）は、制御部２０１の制御周期ごとに出力される。このため、推定部２１１では、制御部２０１の制御周期ごとに、負荷トルクを推定することができる。

＜ドライバ、電動モータ及び電流検出回路の回路構成＞
次に、ドライバ１３０、電動モータ１４０及び電流検出回路（ドライバ側）１６０、電流検出回路（装置側）１１８の回路構成について説明する。図４は、ドライバ１３０、電動モータ１４０及び電流検出回路（ドライバ側）１６０、電流検出回路（装置側）１１８の回路構成を示す図である。なお、図４では、説明の簡略化のために、３相のブラシレスモータである電動モータ１４０を構成するホール素子等は省略している。

図４に示すように、ドライバ１３０はトランジスタ４０１〜４０６を有し、各トランジスタ４０１〜４０３のエミッタ端子は、それぞれトランジスタ４０４〜４０６のコレクタ端子と接続されている。トランジスタ４０１及びトランジスタ４０４の接続部は、固定子巻線４１１と接続されている。同様に、トランジスタ４０２及びトランジスタ４０５の接続部は、固定子巻線４１２と接続され、トランジスタ４０３及びトランジスタ４０６の接続部は、固定子巻線４１３と接続されている。

トランジスタ４０１〜４０６は、それぞれ出力部４００によりオン／オフが切り替えられることによって、電源４２０からの駆動電流を流すか否かが切り替えられる。これにより、トランジスタ４０１〜４０６は、駆動電流を流す電動モータ１４０の相、すなわち電動モータ１４０の励磁相（固定子巻線４１１〜４１３のうち励磁する固定子巻線）を切り替える。

シャント抵抗４３０は、トランジスタ４０４〜４０６のエミッタ端子に接続されており、電源４２０からトランジスタ４０１〜４０６の少なくともいずれかを流れる駆動電流の合成値を検出する。シャント抵抗４３０において検出された駆動電流の合成値は、シャント抵抗間電圧信号として電流検出回路（ドライバ側）１６０に入力される。

なお、シャント抵抗間電圧信号は、パルス状の波形で、負荷トルクが大きくなると振幅が大きくなり、回転速度が上がるとデューティ比が大きくなるという特性があり、数十ｍＶ程度の振幅を有する微弱な信号である。

電流検出回路（ドライバ側）１６０は、抵抗４４１とコンデンサ４４２とにより構成されるローパスフィルタ部と、抵抗４４４と抵抗４４５とにより増幅率が特定される比較器４４３を含む増幅部と、を有する。このため、電流検出回路（ドライバ側）１６０に入力されたシャント抵抗間電圧信号は、ローパスフィルタ部により平滑化され、増幅部により増幅された後に、平滑化信号として電流検出回路（装置側）１１８に入力される。

電流検出回路（装置側）１１８は、抵抗４５１とコンデンサ４５２とにより構成されるローパスフィルタ部と、Ａ／Ｄコンバータ４５３とを有する。電流検出回路（ドライバ側）１６０より出力され、電流検出回路（装置側）１１８に入力されるまでの間に平滑化信号に付加されたノイズは、ローパスフィルタ部において除去される。更に、ノイズが除去された平滑化信号は、Ａ／Ｄコンバータ４５３においてデジタル化されて、情報処理装置１１０のインタフェース部１１７に入力される。

このように、本実施形態では、負荷トルクを推定する際に用いる、電動モータ１４０の駆動電流をシャント抵抗４３０を介してシャント抵抗間電圧信号として検出し、平滑化信号として取得する。一般にシャント抵抗４３０は、電動モータ１４０のドライバ１３０に予め配されているものであり、平滑化信号を取得するための電流検出回路（ドライバ側）１６０は、抵抗とコンデンサと比較器とにより構成することができる。つまり、電動モータ１４０の駆動電流をシャント抵抗間電圧信号として検出し、平滑化信号を取得するための構成は低コストで実現することができる。この結果、従来と比較して、負荷トルクの推定を低コストで実現することができる。

＜平滑化信号の説明＞
次に、電流検出回路（ドライバ側）１６０において取得される平滑化信号について説明する。図５、図６は、平滑化信号を説明するための図である。図５（ａ−１）は、所定の負荷トルクで回転速度の実測値ω_ｄｅｔ＝５００［ｒｐｍ］の場合のシャント抵抗間電圧信号の一例を示している。図５（ａ−２）は、図５（ａ−１）に示すシャント抵抗間電圧信号をローパスフィルタ部において平滑化し、増幅部において増幅することで、電流検出回路（ドライバ側）１６０より出力される、平滑化信号の一例を示している。

一方、図５（ｂ−１）は、所定の負荷トルクで回転速度の実測値ω_ｄｅｔ＝２２５０［ｒｐｍ］の場合のシャント抵抗間電圧信号の一例を示している。図５（ｂ−２）は、図５（ｂ−１）に示すシャント抵抗間電圧信号をローパスフィルタ部において平滑化し、増幅部において増幅することで、電流検出回路（ドライバ側）１６０より出力される、平滑化信号の一例を示している。

図５に示すように、シャント抵抗間電圧信号はパルス状の波形で、回転速度が高いほどデューティ比が大きくなる。このため、ローパスフィルタ部において平滑化された後の平滑化信号は、回転速度が大きいほど大きな値となり（図５（ｂ−２））、回転速度が小さいほど小さい値となる（図５（ａ−２））。

図６（ａ−１）は、所定の回転速度で負荷トルクが大きい場合のシャント抵抗間電圧信号の一例を示している。図６（ａ−２）は、図６（ａ−１）に示すシャント抵抗間電圧信号をローパスフィルタ部において平滑化し、増幅部において増幅することで、電流検出回路（ドライバ側）１６０より出力される、平滑化信号の一例を示している。

一方、図６（ｂ−１）は、所定の回転速度で負荷トルクが小さい場合のシャント抵抗間電圧信号の一例を示している。図６（ｂ−２）は、図６（ｂ−１）に示すシャント抵抗間電圧信号をローパスフィルタ部において平滑化し、増幅部において増幅することで、電流検出回路（ドライバ側）１６０より出力される、平滑化信号の一例を示している。

図６に示すように、シャント抵抗間電圧信号は、負荷トルクが大きいほど振幅が大きくなる。このため、ローパスフィルタ部において平滑化された後の平滑化信号は、負荷トルクが大きいほど大きな値となり（図６（ａ−２））、負荷トルクが小さいほど小さい値となる（図６（ｂ−２））。

つまり、シャント抵抗間電圧信号に基づいて生成される平滑化信号は、電動モータ１４０の回転速度と負荷トルクとに応じて増減する。したがって、それぞれの回転速度において、負荷トルクを変えたときの平滑化信号を予め実験的に求めておくことで、関係情報として格納しておくことができる。そして、駆動中の電動モータ１４０の回転速度と平滑化信号とを取得した際に、当該格納しておいた関係情報を用いることで、負荷トルクをリアルタイムに推定することができる。

＜関係情報の説明＞
次に、格納部２１４に格納される関係情報について説明する。図７は、関係情報の一例を示す図である。図７において、横軸は平滑化信号の値を表しており、縦軸は負荷トルクの値を表している。

このうち、図７（ａ）は、回転速度が７５０［ｒｐｍ］の場合の平滑化信号と負荷トルクとの関係を実験的に求めたグラフである。また、図７（ｂ）は、回転速度が２２５０［ｒｐｍ］の場合の平滑化信号と負荷トルクとの関係を実験的に求めたグラフである。

負荷トルクの値をτ、平滑化信号の値をｎとして、それぞれのグラフを２次式（負荷トルク推定式）で近似すると、図７（ａ）の負荷トルク推定式は、負荷トルクτ＝−０．０７５９ｎ^２＋０．２０３１ｎ−０．００４８となる。また、図７（ｂ）の負荷トルク推定式は、負荷トルクτ＝−０．０１１４ｎ^２＋０．０８４１ｎ−０．０１１３となる。

本実施形態に係る負荷トルク推定装置１００では、このようにして算出した負荷トルク推定式を、回転速度と対応付けて格納部２１４に格納している。これにより、推定部２１１では駆動中の電動モータ１４０の回転速度と平滑化信号の値とを取得することで、負荷トルクを推定することができる。なお、格納部２１４は、負荷トルク推定式に代えてテーブルを格納していてもよい。具体的には、平滑化信号の値ｎと、平滑化信号の値ｎを負荷トルク推定式に入力することで算出される負荷トルクとが対応付けられたテーブルを格納していてもよい。

＜推定部の機能構成＞
次に、推定部２１１の機能について説明する。図８は、推定部２１１の機能を説明するための図であり、図８（ａ）は、推定部２１１の機能構成を示しており、図８（ｂ）は、回転速度が２２５０［ｒｐｍ］の場合に推定部２１１が負荷トルクを推定する場合の処理の具体例を示している。

図８（ａ）に示すように、推定部２１１は、負荷トルク推定式読み出し部８０１と推定トルク値算出部８０２とを有する。

負荷トルク推定式読み出し部８０１は、目標回転速度入力部２０２より入力された目標回転速度または実測値入力部２０４より入力された回転速度の実測値に基づいて、格納部２１４より、負荷トルク推定式を読み出す。上述したように、格納部２１４には、それぞれの負荷トルク推定式が回転速度と対応付けて格納されているため、負荷トルク推定式読み出し部８０１では、入力された回転速度に対応付けられた負荷トルク推定式を読み出す。

推定トルク値算出部８０２は、平滑化信号入力部２１３より入力された平滑化信号の値を、負荷トルク推定式読み出し部８０１が読み出した負荷トルク推定式に代入することで、負荷トルクを算出する。

図８（ｂ）は、負荷トルク推定式読み出し部８０１が、回転速度＝２２５０［ｒｐｍ］に応じた負荷トルク推定式を読み出し、推定トルク値算出部８０２が、平滑化信号の値＝１．３５を代入することで、負荷トルク＝０．０８５を算出したことを示している。

＜負荷トルク推定処理の流れ＞
次に、負荷トルク推定部２００による負荷トルク推定処理の流れについて説明する。図９は、負荷トルク推定部２００による負荷トルク推定処理の流れを示すフローチャートである。

制御部２０１による電動モータ１４０の回転速度または回転位置の制御が開始されると、図９に示す負荷トルク推定処理が開始される。ステップＳ９０１において、平滑化信号入力部２１３は、電流検出回路（装置側）１１８より平滑化信号を取得し、推定部２１１に入力する。

ステップＳ９０２において、目標回転速度入力部２０２は目標回転速度を取得し、推定部２１１に入力する（あるいは、実測値入力部２０４は、回転速度の実測値を取得し、推定部２１１に入力する）。

ステップＳ９０３において、推定部２１１の負荷トルク推定式読み出し部８０１は、入力された回転速度に応じた負荷トルク推定式を、格納部２１４より読み出す。

ステップＳ９０４において、推定部２１１の推定トルク値算出部８０２は、読み出された負荷トルク推定式に、平滑化信号の値を代入し、負荷トルクを算出する。

ステップＳ９０５において、推定トルク値出力部２１２は、算出した負荷トルクを推定トルク値として出力する。ステップＳ９０６において、推定部２１１は、制御部２０１による回転速度または回転位置の制御が終了したか否かを判定し、終了していないと判定した場合には、ステップＳ９０１に戻る。一方、終了したと判定した場合には、負荷トルク推定処理を終了する。

＜まとめ＞
以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る負荷トルク推定装置１００では、
・ドライバのシャント抵抗に、電流検出回路を接続することで、シャント抵抗間電圧信号を検出する構成とした。
・検出したシャント抵抗間電圧信号を平滑化し増幅することで、電動モータの回転速度と負荷トルクとによって変動する平滑化信号を取得する構成とした。
・それぞれの回転速度において、平滑化信号と負荷トルクとの関係を関係情報（負荷トルク推定式）として予め実験的に求めておき、格納部に格納する構成とした。
・駆動中の電動モータの回転速度に応じた負荷トルク推定式を読み出し、駆動中の電動モータの平滑化信号の値を当該負荷トルク推定式に代入することで、推定トルク値を出力する構成とした。

このように、負荷トルクの推定に用いる電動モータの駆動電流をシャント抵抗間電圧信号として検出し、平滑化信号を取得することで、低コストな構成で電動モータの駆動電流を示す信号を取得することができる。この結果、電動モータの負荷トルクの推定を低コストで実現することが可能となる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態では、負荷トルクの推定に用いる電動モータの駆動電流を、シャント抵抗間電圧信号として検出し、平滑化信号を取得するにあたり、第１の実施形態とは異なる回路構成を用いる場合について説明する。

＜ドライバ、電動モータ及び電流検出回路の回路構成＞
図１０は、第２の実施形態における、ドライバ、電動モータ及び電流検出回路の回路構成を示す図である。なお、図１０に示すドライバ１３０、電動モータ１４０、電流検出回路（装置側）１１８の回路構成は、図４に示すドライバ１３０、電動モータ１４０、電流検出回路（装置側）１１８の回路構成と同じであるため、ここでは説明を省略する。図４との相違点は、電流検出回路（ドライバ側）１０６０である。

電流検出回路（ドライバ側）１０６０は、比較器１０４１とＦＥＴトランジスタ１０４２と抵抗１０４３、１０４４とにより構成されるピーク値抽出部と、抵抗１１４５とコンデンサ１０４６とにより構成されるローパスフィルタ部とを有する。シャント抵抗間電圧信号は、ピーク値抽出部によりピーク値が抽出され増幅された後、ローパスフィルタ部によりピーク値の変化が平滑化され、平滑化信号として電流検出回路（装置側）１１８に送信される。

このように、本実施形態では、負荷トルクを推定する際に用いる、電動モータ１４０の駆動電流をシャント抵抗間電圧信号として検出し、平滑化信号を取得する際に、シャント抵抗間電圧のパルスのピーク値を抽出する。

＜平滑化信号の説明＞
次に、電流検出回路（ドライバ側）１０６０において取得される平滑化信号について説明する。図１１は、平滑化信号を説明するための図である。図１１（ａ−１）は、回転速度の実測値ω_ｄｅｔ＝５００［ｒｐｍ］の場合のシャント抵抗間電圧信号について、ピーク値抽出部においてピーク値を抽出した様子を示している。また、図１１（ａ−２）は、図１１（ａ−１）において抽出されたシャント抵抗間電圧信号の各パルスのピーク値の変化を、ローパスフィルタ部において平滑した平滑化信号の一例を示している。

一方、図１１（ｂ−１）は、回転速度の実測値ω_ｄｅｔ＝２２５０［ｒｐｍ］の場合のシャント抵抗間電圧信号について、ピーク値抽出部においてピーク値を抽出した様子を示している。また、図１１（ｂ−２）は、図１１（ｂ−１）において抽出されたシャント抵抗間電圧信号の各パルスのピーク値の変化を、ローパスフィルタ部において平滑した平滑化信号の一例を示している。

図１１に示すように、回転速度をそれぞれ一定にしても、負荷トルクが変動した場合にはシャント抵抗間電圧信号の各パルスの振幅は、時間の経過に伴って増減する。このため、ピーク値抽出部においてピーク値を抽出する構成とすることで、シャント抵抗間電圧信号をより精度よく検出することができる。

このように、シャント抵抗間電圧信号に基づいて平滑化信号を取得するにあたっては、シャント抵抗間電圧信号の各パルスのピーク値を抽出し、増幅したうえでローパスフィルタ部に入力し平滑化することで、より精度の高い平滑化信号を取得することができる。

＜まとめ＞
以上の説明から明らかなように、本実施形態では、上記第１の実施形態と同様の処理により負荷トルクを推定するにあたり、電流検出回路（ドライバ側）を、
・検出したシャント抵抗間電圧信号の各パルスのピーク値を抽出し、増幅したうえで平滑化することで、平滑化信号を取得する構成とした。

これにより、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、精度の高い負荷トルクの推定を実現することができる。

［第３の実施形態］
上記第１及び第２の実施形態では、平滑化信号と負荷トルクとの関係をそれぞれの回転速度で実験的に求めることで、それぞれの回転速度における負荷トルク推定式を算出する構成とした。しかしながら、平滑化信号と負荷トルクとの関係を規定した関係情報を、すべての回転速度に対して実験的に求めておく必要はない。

例えば、実験的に求めた平滑化信号と負荷トルクとの関係を用いて、実験的に求めていない平滑化信号と負荷トルクとの関係を推定するように構成してもよい。図１２は、平滑化信号と負荷トルクとの関係を推定する推定方法を説明するための図である。

図１２において、グラフ１２０１は、回転速度＝２２５０［ｒｐｍ］の場合の平滑化信号と負荷トルクとの関係を実験的に求めたものである。同様に、グラフ１２０２は、回転速度＝２１５０［ｒｐｍ］の場合の平滑化信号と負荷トルクとの関係を実験的に求めたものである。

ここで、回転速度＝２２００［ｒｐｍ］の場合の平滑化信号と負荷トルクとの関係は、回転速度２１５０［ｒｐｍ］と回転速度＝２２５０［ｒｐｍ］との間の中間位置にあると推定することができる。

そこで、図１２の右側に示すように、平滑化信号のそれぞれの値において、回転速度２２５０［ｒｐｍ］の負荷トルクと、回転速度２１５０の負荷トルクとの中間位置を、回転速度＝２２００［ｒｐｍ］における負荷トルクとする（グラフ１２０３参照）。

このようにして、平滑化信号のそれぞれの値について回転速度＝２２００［ｒｐｍ］における負荷トルクを求めると、回転速度＝２２００［ｒｐｍ］における負荷トルク推定式は以下のように表すことができる。
負荷トルクτ＝（α_１＋α_２）／２×ｎ^２＋（β_１＋β_２）／２×ｎ＋（γ_１＋γ_２）／２
ただし、回転速度＝２２５０［ｒｐｍ］における負荷トルク推定式が、
負荷トルクτ＝α_１×ｎ^２＋β_１×ｎ＋γ_１
であり、回転速度２１５０［ｒｐｍ］における負荷トルク推定式が、
負荷トルクτ＝α_２×ｎ^２＋β_２×ｎ＋γ_１
であるとする。

以上の説明から明らかなように、本実施形態によれば、平滑化信号と負荷トルクとの関係を全ての回転速度について実験的に求めておかなくても、負荷トルク推定式を導出することができる。

［第４の実施形態］
上記第１乃至第３の実施形態では、シャント抵抗４３０は、トランジスタ４０４〜４０６のエミッタ端子に接続されているものとして説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、シャント抵抗４３０は、トランジスタ４０１〜４０３のコレクタ端子側（電源４２０と、トランジスタ４０１〜４０３との間）に接続されていてもよい。

また、上記第１乃至第３の実施形態では、回転速度ごとに平滑化信号と負荷トルクとの関係を関係情報として予め実験的に求めておくことで、推定トルク値を出力する構成とした。しかしながら、本発明はこれに限定されず、例えば、平滑化信号ごとに回転速度と負荷トルクとの関係を関係情報として予め実験的に求めておくことで、推定トルク値を出力する構成としてもよい。つまり、駆動中の電動モータの平滑化信号の値に応じた負荷トルク推定式を読み出し、駆動中の電動モータの回転速度の値を当該負荷トルク推定式に代入することで、推定トルク値を出力する構成としてもよい。

［第５の実施形態］
上記第１乃至第４の実施形態では、回転速度の実測値をフィードバックし、電動モータ１４０が目標回転速度で回転するように、制御部２０１がフィードバック制御を行う場合について説明した。あるいは、回転位置の実測値をフィードバックし、電動モータ１４０が目標位置に回転するように、制御部２０１がフィードバック制御を行う場合について説明した。

しかしながら、本発明において、制御部２０１が行う制御は、これに限定されるものではない。例えば、目標回転速度から速度フィードフォワード制御を行うように構成してもよいし、目標位置から位置フィードフォワード制御を行うように構成してもよい。

また、上記第１乃至第４の実施形態では、推定した負荷トルクを推定トルク値として表示部１１５に表示（あるいは補助記憶装置１１４に格納）するものとして説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、推定した負荷トルクは制御部２０１による回転速度または回転位置の制御に用いるように構成してもよい。

［第６の実施形態］
上記第１乃至第５の実施形態では、負荷トルク推定装置１００の適用先について明示しなかった。しかしながら、上記第１乃至第５の実施形態で説明した負荷トルク推定装置１００は、例えば、駆動ローラを回転駆動する駆動用の電動モータが配された画像形成装置に適用することができる。あるいは、自動車やロボット、アミューズメント機器等にも適用可能である。

図１３は、負荷トルク推定装置１００の適用先の一例である画像形成装置１３００の内部構成を示す図である。図１３に示すように、画像形成装置１３００は、中間転写ユニット１３１０と、光書込ユニット１３２０と、スキャナ１３３０と、原稿自動搬送装置１３４０と、給紙装置１３５０とを有する。

また、図１４は、画像形成装置１３００の中間転写ユニット１３１０の駆動・搬送機構を拡大して示した図である。図１４に示すように、中間転写ユニット１３１０の駆動・搬送機構は、中間転写体としての中間転写ベルト１４０９、像担持体としての感光ドラム１４０１〜１４０４、一次転写部材としての１次転写ローラ１４０５〜１４０８、駆動ローラ１４１０を有する。また、中間転写ユニット１３１０の駆動・搬送機構は、二次転写対向ローラ１４１１、二次転写ローラ１４１２、テンションローラ１４１３、従動ローラ１４１４等を有する。なお、駆動ローラ１４１０は、駆動手段としての駆動用の電動モータにより回転駆動される。

画像形成装置１３００の中間転写ユニット１３１０の駆動・搬送機構に由来する異常画像として、周期的またはランダムに帯状の濃度ムラが発生するバンディング現象がある。また、バンディング現象の中でも、特に記録媒体１４１５の先端または後端の駆動・搬送機構通過時や、２種類の駆動・搬送機構の接離時などに生じるショックにより、特定のタイミングで帯状の濃度ムラが発生するショックジターという現象が知られている。

ショックジターによるバンディング現象の対策として、記録媒体１４１５の先端または後端が２次転写領域を通過する際の負荷トルクの変動に対して、駆動ローラ１４１０の回転速度変動を軽減するという方法が知られている。すなわち、負荷トルクが変動しても一定回転で駆動ローラ１４１０が回転するように制御するという方法が知られている。

駆動ローラ１４１０を回転駆動する駆動用の電動モータの制御に、上記各実施形態に係る負荷トルク推定装置１００を適用することで、負荷トルクを高い精度で推定することが可能となる。そして、推定した負荷トルクをフィードバックすることで、ショックジターによる負荷トルクの変動の影響を低減させることが可能となる。

なお、上記実施形態に挙げた構成等に、その他の要素との組み合わせなど、ここで示した構成に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。

１００ ：負荷トルク推定装置
１１０ ：情報処理装置
１１１ ：ＣＰＵ
１１２ ：ＲＯＭ
１１３ ：ＲＡＭ
１１４ ：補助記憶装置
１１５ ：表示部
１１６ ：入力部
１１７ ：インタフェース部
１１８ ：電流検出回路（装置側）
１１９ ：バス
１２０ ：負荷トルク推定プログラム
１３０ ：ドライバ
１４０ ：電動モータ
１５０ ：位置／回転速度検出部
１６０ ：電流検出回路（ドライバ側）
２００ ：負荷トルク推定部
２０１ ：制御部
２０２ ：目標回転速度入力部
２０３ ：目標位置入力部
２０４ ：実測値入力部
２０５ ：制御値出力部
２１１ ：推定部
２１２ ：推定トルク値出力部
２１３ ：平滑化信号入力部
２１４ ：格納部
１０６０ ：電流検出回路（ドライバ側）

特開平４−３５５６８８号公報

Claims (13)

1. ブラシレスモータの負荷トルクを推定する負荷トルク推定装置であって、
   駆動中の前記ブラシレスモータの各相に流れる電流の合成値を示す信号を平滑化することにより得られる平滑化信号を取得する取得部と、
   前記平滑化信号と前記負荷トルクと駆動中の前記ブラシレスモータの回転速度とに基づいて前記負荷トルクを推定する推定部と
   を有することを特徴とする負荷トルク推定装置。
2. 前記推定部は、
   前記平滑化信号と前記負荷トルクとの関係を規定した関係情報の中から、駆動中の前記ブラシレスモータの回転速度に応じた関係情報を抽出し、該抽出した関係情報を用いて前記取得部により取得された平滑化信号に応じた負荷トルクを算出することで、前記負荷トルクを推定することを特徴とする請求項１に記載の負荷トルク推定装置。
3. 駆動中の前記ブラシレスモータの各相に流れる電流の合成値を示す信号として、前記ブラシレスモータを駆動させるドライバに配されたシャント抵抗のシャント抵抗間電圧信号を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の負荷トルク推定装置。
4. 前記シャント抵抗間電圧信号を平滑化するローパスフィルタ部と、
   平滑化された前記シャント抵抗間電圧信号を増幅する増幅部と、を更に有し、
   前記取得部は、前記ローパスフィルタ部及び前記増幅部を介して、前記平滑化信号を取得することを特徴とする請求項３に記載の負荷トルク推定装置。
5. 前記ローパスフィルタ部と、前記増幅部は、前記ドライバに配されることを特徴とする請求項４に記載の負荷トルク推定装置。
6. 前記シャント抵抗間電圧信号の各パルスのピーク値を抽出し、該ピーク値を増幅するピーク値抽出部と、
   増幅された前記ピーク値を平滑化するローパスフィルタ部と、を更に有し、
   前記取得部は、前記ピーク値抽出部及び前記ローパスフィルタ部を介して、前記平滑化信号を取得することを特徴とする請求項３に記載の負荷トルク推定装置。
7. 前記ピーク値抽出部と、前記ローパスフィルタ部は、前記ドライバに配されることを特徴とする請求項６に記載の負荷トルク推定装置。
8. 前記ブラシレスモータのそれぞれの回転速度における関係情報を格納する格納部を更に有し、
   前記推定部は、
   駆動中の前記ブラシレスモータの回転速度を取得し、取得した回転速度に応じた関係情報を前記格納部より抽出することを特徴とする請求項２に記載の負荷トルク推定装置。
9. 前記格納部は、前記ブラシレスモータのそれぞれの回転速度における関係情報を、近似式またはテーブルとして、該回転速度と対応付けて格納することを特徴とする請求項８に記載の負荷トルク推定装置。
10. 前記格納部は、前記ブラシレスモータの第１の回転速度における関係情報と、第２の回転速度における関係情報と、該第１の回転速度と第２の回転速度の間の第３の回転速度における関係情報であって、該第１の回転速度における関係情報と該第２の回転速度における関係情報とに基づいて算出された第３の回転速度における関係情報を格納することを特徴とする請求項９に記載の負荷トルク推定装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の負荷トルク推定装置を備えることを特徴とする画像形成装置。
12. ブラシレスモータの負荷トルクを推定する負荷トルク推定方法であって、
    駆動中の前記ブラシレスモータの各相に流れる電流の合成値を示す信号を平滑化することにより得られる平滑化信号を取得する取得工程と、
    前記平滑化信号と前記負荷トルクと駆動中の前記ブラシレスモータの回転速度とに基づいて前記負荷トルクを推定する推定工程と
    を有することを特徴とする負荷トルク推定方法。
13. ブラシレスモータの負荷トルクを推定する負荷トルク推定装置のコンピュータに、
    駆動中の前記ブラシレスモータの各相に流れる電流の合成値を示す信号を平滑化することで得られる平滑化信号を取得する取得工程と、
    前記平滑化信号と前記負荷トルクと駆動中の前記ブラシレスモータの回転速度とに基づいて前記負荷トルクを推定する推定工程と
    を実行させるためのプログラム。

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