JP2016226217A - モータ制御装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ベクトル制御によりモータの駆動制御を行うモータ制御装置において、モータの回転速度が低い期間にオープンループ制御によりモータに供給する電流を低減するための技術を提供する。【解決手段】画像形成装置のモータ制御部は、ステッピングモータの起動時の加速シーケンスにおいて、当該モータをオープンループ制御により相対的に小さい第１の加速度（ａ１＊）で所定の回転速度ω＿ｔｈまで加速させると（Ｓ１０１〜Ｓ１０３）、ベクトル制御に切り替える（Ｓ１０４）。モータ制御部は、その後、ベクトル制御により相対的に大きい第２の加速度（ａ２＊）でステッピングモータを目標回転速度ω＿ｔａｒまで加速させる（Ｓ１０５〜Ｓ１０６）。この加速シーケンスにおいて、第１の加速度（ａ１＊）は、第２の加速度（ａ２＊）よりも小さい値に設定される。【選択図】図８

Description

本発明は、モータの駆動制御に関するものであり、特に、複写機、プリンタ等の画像形成装置において記録材の搬送制御用の駆動源として使用可能なステッピングモータ等のモータの駆動制御に関するものである。

複写機、プリンタ等の電子写真方式の画像形成装置において、画像が形成される用紙等の記録材を搬送する搬送系の駆動源として、ステッピングモータが広く用いられている。ステッピングモータは、モータの回転速度及び位置を検出する機構を備えていなくとも、モータに与えるパルス周期を制御することによって容易に速度制御を行えるとともに、モータに与えるパルス数を制御することによって容易に位置制御を行える利点を有する。（この制御方式を、一般に同期制御という。）ところが、ステッピングモータを同期制御する際、装置で必要となる負荷トルクが、出力可能なトルク範囲を超えた場合、入力パルスに同期せずに制御不能の状態である脱調状態となる。モータが脱調状態となると、紙詰まりが発生し、画像形成装置内に詰まった紙をユーザに取り除いてもらう必要が生じる。これを避けるためには、装置で必要となる負荷トルクの変化に対応可能なモータ出力トルクが必要となる。そのためには、装置で必要となる負荷トルクに対して所定のマージンを有するモータ出力トルクが得られるように、駆動電流をモータへ供給する必要がある。その結果、必要以上に電力を消費するとともに、余剰トルクに起因して装置に振動及び騒音が生じる問題があった。

このような問題に対処するための技術として、特許文献１乃至３に記載のように、ベクトル制御（またはＦＯＣ：Field Oriented Control）と称される方式が提案されている。ベクトル制御は、回転子の磁束方向をｄ軸、これに直交する方向をｑ軸と定義した回転座標系を用いて、モータに適切なトルクが発生するように駆動電流の振幅及び位相を制御する方式である。回転座標系では、駆動電流のｑ軸成分（ｑ軸電流）は、トルクを発生させるトルク電流成分であり、駆動電流のｄ軸成分（ｄ軸電流）は、回転子の磁束強度に影響する励磁電流成分である。特に、ステッピングモータのように回転子に永久磁石を用いるモータでは、ｄ軸電流を必要とせずに、ｑ軸電流のみを用いてトルク制御が可能である。その結果として、静止座標系におけるモータの駆動電流が理想的な正弦波となるため、電力効率が良い駆動制御を実現できるのみならず、上述のような余剰トルクに起因した装置の振動及び騒音を抑えられる。

上述のようなベクトル制御では、ロータの回転速度及び位置を検出する必要があり、ロータリエンコーダを用いて検出を行うのが一般的である。しかし、従来のステッピングモータ制御では不要であるロータリエンコーダを用いてベクトル制御を実現する場合、コストアップ及び配置スペースの確保が問題となる。このため、ロータリエンコーダを用いずにベクトル制御が実現できることが望ましい。特許文献３には、ロータリエンコーダを用いることなくロータの回転速度及び位置を推定する方法が提案されている。具体的には、モータの駆動電流を検出し、電圧方程式に基づいて推定されたＡ相及びＢ相における誘起電圧比の逆正接を演算することで、ロータの位置を推定している。ロータの回転速度は、ロータの位置の推定結果の時間微分によって推定される。

特許３６６１８６４号公報 特開平６−２２５５９５号公報 特許５５３７５６５号公報

特許文献３に記載のように、ロータリエンコーダを用いないセンサレスによりロータの回転位置を検出する技術では、ロータの回転速度が低い領域において回転位置の検出が難しい問題がある。これは、ロータの回転速度が低いと、ステータの相巻線に入る磁束の変化度が小さいために、ステータの相巻線の誘起電圧が低くなるためである。そのため、実際には、モータの起動から停止まで継続してセンサレスによるベクトル制御を行うことはできない。このような場合、モータの起動直後の回転速度が低い期間には、ロータの回転位置を示す情報のフィードバックを必要としないオープンループ制御により、モータの駆動制御を行う。その後、ロータの回転速度が、ロータの回転位置の推定を行うのに十分な回転速度に達すると、モータの駆動制御をオープンループ制御からベクトル制御に切り替える。また、また、モータの停止直前の、回転速度が低い期間においても同様の駆動制御を行う。

上述のオープンループ制御では、ステータの各相巻線に供給する電流を、その電流値が目標値となるように制御しながら、ＣＰＵ等のコントローラから与えられる駆動シーケンスに従って目標値を変化させることで、モータの駆動制御を行う。一般的に、オープンループ制御では、負荷に合わせて必要となるトルクに対して２倍程度のマージンを有するトルクに対応した電流値（目標値）が設定される。このような電流値の設定により、余剰の電流が必要以上に大きな力（トルク）をモータに発生させてしまう。その結果、モータ起動時に、ロータが（相巻線及び電機子により構成される）ステータに吸引される速度が速くなり、モータギヤと、当該モータギヤと噛み合う負荷側のギヤとが衝突した際に生じる衝突音が大きくなる問題がある。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものである。本発明は、ベクトル制御によりモータの駆動制御を行うモータ制御装置において、モータの回転速度が低い期間にオープンループ制御によりモータに供給する電流を低減するための技術を提供することを目的とする。

本発明は、例えば、モータ制御装置として実現できる。本発明の一態様に係るモータ制御装置は、モータの駆動制御を行うモータ制御装置であって、前記モータへ供給する駆動電流を、予め定められた電流値によって制御するオープンループ制御を行うものであり、当該駆動電流に対応する駆動電圧を出力する第１の制御手段と、前記モータへ供給する駆動電流を、前記モータの各相の巻線に流れる駆動電流の検出結果に基づく推定演算によって決定される前記モータの回転位置を基準とした回転座標系の電流値によって制御するベクトル制御を行うものであり、当該駆動電流に対応する駆動電圧を出力する第２の制御手段と、前記第１の制御手段または前記第２の制御手段によって出力された駆動電圧に応じて前記モータへ駆動電流を供給することで、前記モータを駆動する駆動手段と、を備え、前記モータが起動してから前記モータの回転速度が予め定められた閾値に達するまでの第１の期間には、前記第１の制御手段が前記オープンループ制御によって前記モータを第１の加速度で加速させ、前記回転速度が前記閾値に達してから目標回転速度に達するまでの第２の期間には、前記第２の制御手段が前記ベクトル制御によって前記モータを第２の加速度で加速させ、前記第１の加速度が前記第２の加速度よりも小さい、ことを特徴とする。

本発明によれば、ベクトル制御によりモータの駆動制御を行うモータ制御装置において、モータの回転速度が低い期間にオープンループ制御によりモータに供給する電流を低減することができる。それにより、モータを脱調させることなく、オープンループ制御によって生じるモータギヤ同士の衝突音を低減することができる。

画像形成装置の全体の構成例を示す図。 画像形成装置の制御構成例を示すブロック図。 モータ制御部の構成例を示すブロック図。 モータと回転座標系のｄｑ軸との関係を示す図。 誘起電圧とステッピングモータの電気角との関係の例を示す図。 ステッピングモータの駆動シーケンスの例（比較例）を示す図。 ステッピングモータの駆動シーケンスの例を示す図。 モータ制御部による制御フローを示すフローチャート。

以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものでなく、また実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須のものとは限らない。

＜画像形成装置＞
まず、図１を参照して、本発明の実施形態に係るモータ制御装置が実装される画像形成装置の構成例について説明する。図１に示す画像形成装置１００は、原稿自動送り装置２０１、読取装置２０２、及び画像形成装置本体３０１を備えている。

原稿自動送り装置２０１の原稿載置部２０３に置かれた原稿は、給紙ローラ２０４によって１枚ずつ給紙され、搬送ガイド２０６を経由して読取装置２０２の原稿ガラス台２１４に搬送される。更に、原稿は、搬送ベルト２０８によって一定速度で搬送された後、排紙ローラ２０５によって装置外部へ排紙される。この間、読取装置２０２の読取位置において照明系２０９によって照明された原稿画像からの反射光は、反射ミラー２１０，２１１，２１２から成る光学系によって画像読取部１０１に導かれ、画像読取部１０１によって画像信号に変換される。画像読取部１０１は、レンズ、光電変換素子であるＣＣＤ、ＣＣＤの駆動回路等で構成される。画像読取部１０１から出力された画像信号は、ＡＳＩＣ等のハードウェアデバイスで構成される画像処理部１１２によって、各種補正処理が行われた後、画像形成装置本体３０１へ出力される。

読取装置２０２における原稿の読取モードとして、流し読みモード及び固定モードがある。流し読みモードは、照明系２０９及び光学系を停止した状態で、原稿を一定速度で搬送しながら当該原稿の画像を読み取るモードである。固定モードは、読取装置２０２の原稿ガラス台２１４上に原稿を載置し、照明系２０９及び光学系を一定速度で移動させながら、原稿ガラス台２１４上に載置された原稿の画像を読み取るモードである。通常、シート状の原稿は流し読みモードにより読み取られ、綴じられた原稿は固定モードで読み取られる。

画像形成装置１００は、読取装置２０２から出力される画像信号に基づいて、画像形成装置本体３０１においてページ単位で記録紙（記録材）に画像を形成するコピー機能を有する。なお、画像形成装置１００は、ネットワークを介して外部装置から受信したデータに基づいて記録紙に画像を形成する印刷機能も有している。

読取装置２０２から出力された画像信号は、光走査装置３１１に入力される。光走査装置３１１は、半導体レーザ及びポリゴンミラーを含み、入力された画像信号で変調されたレーザ光（光信号）を、半導体レーザから出力する。半導体レーザから出力されたレーザ光が、ポリゴンミラー、及びミラー３１２，３１３を経由して感光ドラム３０９の表面に照射されることで、感光ドラム３０９が露光される。帯電器３１０によって表面が一様に帯電した感光ドラム３０９がレーザ光によって露光されることで、感光ドラム３０９上に静電潜像が形成される。感光ドラム３０９上に形成された静電潜像が、現像器３１４から供給されるトナーによって現像されることで、感光ドラム３０９上にトナー像が形成される。感光ドラム３０９上のトナー像は、感光ドラム３０９の回転に伴って転写分離器３１５と対向する位置（転写位置）まで移動すると、転写分離器３１５によって記録紙に転写される。

記録紙は、紙カセット３０２及び３０４に収納されており、それぞれ異なる種類の記録紙を収納可能である。例えば、紙カセット３０２には標準の記録紙が収納され、紙カセット３０４にはタブ紙が収納される。紙カセット３０２に収納された記録紙は、給紙ローラ３０３によって搬送路上に給紙され、搬送ローラ３０６によってレジストローラ３０８の位置まで搬送され、そこで一時的に停止する。一方、紙カセット３０４に収納された記録紙は、給紙ローラ３０５によって搬送路上に給紙され、搬送ローラ３０７，３０６によってレジストローラ３０８の位置まで搬送され、そこで一時的に停止する。

レジストローラ３０８の位置まで搬送された記録紙は、感光ドラム３０９上のトナー像が転写位置に到達するタイミングに合わせて、レジストローラ３０８によって転写位置へ搬送される。転写位置において感光ドラム３０９からトナー像が転写された記録紙は、搬送ベルト３１７によって定着器３１８へ搬送される。定着器３１８は、熱及び圧力により、記録紙上のトナー像を当該記録紙に定着させる。

片面印刷モードで画像形成が行われる場合には、定着器３１８を通過した記録紙は、排紙ローラ３１９，３２４によって装置外部へ排紙される。両面印刷モードで画像形成が行われる場合には、定着器３１８を通過後、表面（第１面）に画像が形成された記録紙は、排紙ローラ３１９、搬送ローラ３２０及び反転ローラ３２１によって、反転パス３２５へ搬送される。更に、記録紙の後端が、反転パス３２５と両面パス３２６との合流ポイントを通過した直後に、反転ローラ３２１の回転を反転させることで、記録紙が逆方向に搬送され始め、両面パス３２６へ搬送される。その後、記録紙は、搬送ローラ３２２，３２３によって両面パス３２６を搬送され、再び搬送ローラ３０６によってレジストローラ３０８の位置まで搬送され、そこで一時的に停止する。更に、記録紙の表面（第１面）への画像形成と同様に、転写位置において記録紙の裏面（第２面）へのトナー像の転写処理が行われ、更に定着器３１８によって定着処理が行われた後、記録紙は、装置外部へ排紙される。

また、表面へ画像形成された記録紙の表裏を反転させて（第１面が下向きになるように反転させて）記録紙を装置外部へ排紙する場合には、定着器３１８を通過した記録紙を、排紙ローラ３２４へ向かう方向でははく、搬送ローラ３２０へ向かう方向へ一時的に搬送する。その後、記録紙の後端が搬送ローラ３２０の位置を通過する直前に、搬送ローラ３２０の回転を反転させることで、記録紙が逆方向に搬送され始め、排紙ローラ３２４へ向かう方向へ搬送される。その結果、記録紙は、表裏が反転した状態で排紙ローラ３２４によって装置外部へ排紙される。

このように、画像形成装置本体３０１は、画像が形成される記録紙の搬送用のローラとして、搬送ローラ３０６，３０７、排紙ローラ３１９、反転ローラ３２１、搬送ローラ３２２，３２３、及び排紙ローラ３２４を備えている。更に、給紙ローラ３０３、レジストローラ３０８等のローラも、記録紙の搬送用のローラである。これらのローラを駆動するモータの駆動制御は、後述するように、システムコントローラ１５１（図２）からの指示により、モータ制御部１５７（図２）によって行われる。

（画像形成装置の制御構成）
図２は、画像形成装置１００の制御構成例を示すブロック図である。図２に示すシステムコントローラ１５１は、ＣＰＵ１５１ａ、ＲＯＭ１５１ｂ、及びＲＡＭ１５１ｃを備え、画像形成装置１００全体を制御する。システムコントローラ１５１は、画像処理部１１２、操作部１５２、アナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１５３、高圧制御部１５５、モータ制御部１５７、センサ類１５９、及びＡＣドライバ１６０と接続されている。システムコントローラ１５１は、接続された各ユニットとの間でデータの交換が可能である。

ＣＰＵ１５１ａは、ＲＯＭ１５１ｂに格納された各種プログラムを読み出して実行することによって、予め定められた画像形成シーケンスに関連する各種シーケンスを実行する。ＲＡＭ１５１ｃは、揮発性の記憶デバイスであり、ＣＰＵ１５１ａは、各種プログラムを実行するためのワークエリアとして、または各種データが一時的に格納される一時記憶領域として使用される。ＲＡＭ１５１ｃには、例えば、高圧制御部１５５に対する設定値、モータ制御部１５７に対する指令値、操作部１５２から受信される情報等のデータが格納される。

システムコントローラ１５１は、ユーザが各種の設定を行うための操作画面を、操作部１５２に設けられた表示部に表示するよう、操作部１５２を制御することで、操作部１５２を介してユーザによる設定を受け付ける。システムコントローラ１５１は、操作部１５２を介したユーザによる設定の内容（複写倍率の設定値、濃度設定値等）を示す情報を、操作部１５２から受信する。また、システムコントローラ１５１は、画像形成装置の状態をユーザに知らせるためのデータを操作部１５２に送信する。操作部１５２は、システムコントローラ１５１から受信したデータに基づいて、画像形成装置の状態を示す情報（例えば、画像形成枚数、画像形成中か否かを示す情報、ジャムの発生及び発生個所を示す情報）を表示部に表示する。

システムコントローラ１５１（ＣＰＵ１５１ａ）は、画像処理部１１２に対して、画像処理部１１２における画像処理に必要となる、画像形成装置１００内の各デバイスの設定値データを送信する。また、システムコントローラ１５１は、各デバイスからの信号（センサ類１５９からの信号）を受信して、受信した信号に基づいて高圧制御部１５５を制御する。高圧制御部１５５は、システムコントローラ１５１から出力される設定値に基づいて、高圧ユニット１５６を構成する帯電器３１０、現像器３１４、及び転写分離器３１５に対して、それぞれの動作に必要となる電圧を供給する。

Ａ／Ｄ変換器１５３は、定着ヒータ１６１の温度を検出するためのサーミスタ１５４から検出信号を受信し、当該検出信号をデジタル信号に変換してシステムコントローラ１５１に送信する。システムコントローラ１５１は、Ａ／Ｄ変換器１５３から受信したデジタル信号に基づいてＡＣドライバ１６０を制御することで、定着ヒータ１６１の温度を、定着処理のための所望の温度に制御する。なお、定着ヒータ１６１は、定着器３１８に含まれる、定着処理に用いられるヒータである。

このように、システムコントローラ１５１は、画像形成装置１００の動作シーケンスを制御する。また、システムコントローラ１５１は、モータ制御部１５７を介して、各モータの駆動シーケンスを制御する。モータ制御部１５７は、システムコントローラ１５１からの指示に従って、記録紙の搬送用のローラを駆動する駆動源に相当するモータ（図３に示すステッピングモータ５０９）を制御する。なお、画像形成装置１００は、記録紙の搬送用の各ローラに対応するモータごとに、当該モータを制御するモータ制御部１５７を備えている。本実施形態では、モータ制御部１５７は、モータの駆動制御を行うモータ制御装置の一例である。

モータ制御部１５７の外部のコントローラに相当するシステムコントローラ１５１（ＣＰＵ１５１ａ）は、制御対象のモータ（ステッピングモータ５０９）の位置（回転位置）の指令値（θ＿ｒｅｆ）を生成し、モータ制御部１５７へ出力する。例えば、位置指令値θ＿ｒｅｆは、パルス状の矩形波信号であり、１パルスがステッピングモータの回転角度の最小変化量を規定する。なお、モータの回転速度の指令値（速度指令値ω＿ｒｅｆ）は、θ＿ｒｅｆに対応する周波数として求められる。ＣＰＵ１５１ａは、モータの駆動シーケンスを開始すると、生成した位置指令値θ＿ｒｅｆを、所定の時間周期（制御周期）でモータ制御部１５７へ出力する。モータ制御部１５７は、ＣＰＵ１５１ａから与えられる位置指令値に従って、モータ（ステッピングモータ５０９）の位置制御及び速度制御を実行する。

＜モータ制御部＞
次に、図３及び図４を参照して、モータ制御部１５７によって実行される、ステッピングモータ５０９の駆動制御の概要について説明する。図３は、本実施形態に係るモータ制御部１５７の構成例を示すブロック図である。図３に示すモータ制御部１５７の基本的な構成は、ブラシレスＤＣモータ、ＡＣサーボモータ等のモータで利用されている、静止座標系から回転座標系への座標変換を用いたインバータ制御に対応した構成である。なお、ステッピングモータ５０９は、少なくとも２相から成るモータであり、本実施形態では、Ａ相及びＢ相から成る２相のモータである。

モータ制御部１５７は、ステッピングモータの駆動制御機能として、ベクトル制御機能と、オープンループ制御機能とを有している。ベクトル制御機能は、位置制御器５０１、誘起電圧演算部５１２、位置演算部５１３、速度演算部５１４、及びベクトル制御部５１５によって実現される。オープンループ制御機能は、オープンループ制御部５２０によって実現される。ベクトル制御とオープンループ制御との切り替えは、切替信号生成部５１８によって生成される切替信号に従って、制御切替部５１９によって行われる。制御切替部５１９は、ベクトル制御の実行中にはベクトル制御部５１５から出力される駆動電圧Ｖα，Ｖβを、オープンループ制御の実行中にはオープンループ制御部５２０から出力される駆動電圧Ｖα＊，Ｖβ＊を、ＰＷＭインバータ５０６へ出力（印加）する。以下では、モータ制御部１５７によって実行されるステッピングモータ５０９のベクトル制御及びオープンループ制御について、それぞれ説明する。

＜ベクトル制御＞
モータ制御部１５７では、ベクトル制御部５１５から出力される、ステッピングモータ５０９の駆動電圧Ｖα，Ｖβに応じて、ＰＷＭインバータ５０６がステッピングモータ５０９へ駆動電流を供給することによって、ステッピングモータ５０９を駆動する。なお、図３に示すように、ベクトル制御部５１５は、速度制御器５０２、電流制御器５０３，５０４、及び座標変換器５０５，５１１によって構成されている。

ここで、図４は、Ａ相及びＢ相から成る２相のモータと回転座標系のｄ軸及びｑ軸との関係を示す図である。同図では、静止座標系における、Ａ相及びＢ相の巻線に対応した軸をそれぞれα軸及びβ軸と定義している。また、静止座標系におけるα軸と、回転子（ロータ）として用いられる永久磁石の磁極によって作られる磁束の方向（ｄ軸）との成す角度をθと定義している。この場合、ステッピングモータ５０９の出力軸の位置（回転位置）は、角度θによって表される。ベクトル制御では、図４に示すように、回転子の磁束方向に沿ったｄ軸と、ｄ軸から９０度進んだ方向に沿った（ｄ軸と直交する）ｑ軸とで表される、ステッピングモータ５０９の位置θを基準とした回転座標系が用いられる。

モータ制御部１５７は、ステッピングモータ５０９の位置θの推定が可能な場合、ステッピングモータ５０９へ供給する駆動電流を、ステッピングモータ５０９の位置θを基準とした回転座標系の電流値によって制御するベクトル制御を行う。ベクトル制御では、ステッピングモータ５０９のＡ相及びＢ相の巻線に流れる駆動電流に対応する電流ベクトルが、α軸及びβ軸で表される静止座標系から、ｄ軸及びｑ軸で表される回転座標系に変換される。このような座標変換の結果、ステッピングモータ５０９に供給される駆動電流は、回転座標系において、直流のｄ軸成分（ｄ軸電流）及びｑ軸成分（ｑ軸電流）によって表される。この場合、ｑ軸電流は、ステッピングモータ５０９にトルクを発生させるトルク電流成分に相当し、ｄ軸電流は、ステッピングモータ５０９の回転子の磁束強度に影響する励磁電流成分に相当する。モータ制御部１５７は、回転座標系におけるｑ軸電流及びｄ軸電流を独立して制御することで、ステッピングモータ５０９のベクトル制御を実現する。

具体的には、モータ制御部１５７は、ステッピングモータ５０９の回転子の位置（ロータ位置）及び回転速度を推定し、その推定結果に基づいてベクトル制御を行う。モータ制御部１５７は、図３に示すように、位置制御器５０１、速度制御器５０２、及び電流制御器５０３，５０４へのそれぞれのフィードバックに基づく３つの制御ループを含み、これらの制御ループによってベクトル制御を実現する。なお、図３に示すモータ制御部１５７において、ステッピングモータ５０９の位置θの推定は、誘起電圧演算部５１２及び位置演算部５１３によって行われる。また、ステッピングモータ５０９の回転速度ωの推定は、位置θの推定値に基づいて、速度演算部５１４によって行われる。

位置制御器５０１を含む、最も外側の制御ループでは、ステッピングモータ５０９の位置θの推定値のフィードバックに基づいて、ステッピングモータ５０９の位置制御を行う。モータ制御部１５７には、システムコントローラ１５１のＣＰＵ１５１ａから、ステッピングモータ５０９の位置指令値θ＿ｒｅｆが与えられる。位置制御器５０１は、位置演算部５１３からフィードバックされる、ステッピングモータ５０９の位置θの推定値の、位置指令値θ＿ｒｅｆ（目標値）に対する偏差が０に近づくように、速度指令値ω＿ｒｅｆを生成して出力する。このようにして、位置制御器５０１によるステッピングモータ５０９の位置制御が行われる。

速度制御器５０２を含む制御ループでは、ステッピングモータ５０９の回転速度ωの推定値のフィードバックに基づいて、ステッピングモータ５０９の速度制御を行う。速度制御器５０２は、速度演算部５１４からフィードバックされる、ステッピングモータ５０９の回転速度ωの推定値の、速度指令値ω＿ｒｅｆ（目標値）に対する偏差が０に近づくように、電流指令値ｉｑ＿ｒｅｆ，ｉｄ＿ｒｅｆを生成して出力する。なお、電流指令値ｉｑ＿ｒｅｆ，ｉｄ＿ｒｅｆは、静止座標系（αβ軸）から回転座標系（ｄｑ軸）への座標変換後の、回転座標系における電流指令値である。

電流制御器５０３，５０４を含む制御ループでは、ステッピングモータ５０９の各相の巻線に流れる駆動電流の検出値のフィードバックに基づいて、ステッピングモータ５０９の各相の巻線に供給する駆動電流を制御する。ここで、ステッピングモータ５０９のＡ相及びＢ相の巻線にそれぞれ流れる電流（交流電流）の電流値ｉα，ｉβは、静止座標系において、ステッピングモータ５０９の位置θを用いて次式によって表すことができる。
ｉα＝Ｉ＊ｃｏｓθ
ｉβ＝Ｉ＊ｓｉｎθ （１）
この場合、回転座標系におけるｄ軸電流及びｑ軸電流（直流電流）の電流値ｉｄ，ｉｑは、次式に示す座標変換によって表される。
ｉｄ＝ ｃｏｓθ＊ｉα＋ｓｉｎθ＊ｉβ
ｉｑ＝−ｓｉｎθ＊ｉα＋ｃｏｓθ＊ｉβ （２）

このような座標変換によって、静止座標系における、Ａ相及びＢ相の巻線にそれぞれ流れる交流電流値ｉα，ｉβは、回転座標系における直流電流値ｉｑ，ｉｄに変換される。なお、ｑ軸電流は、ステッピングモータ５０９にトルクを発生させるトルク電流成分（第１の電流成分）である。ｄ軸電流は、ステッピングモータ５０９の回転子の磁束強度に影響する励磁電流成分（第２の電流成分）であり、ステッピングモータ５０９のトルクの発生には寄与しない。

ステッピングモータ５０９のＡ相及びＢ相の巻線に流れる駆動電流は、ＰＷＭインバータ５０６とステッピングモータ５０９との間に設けられた電流検出部５０７，５０８によってそれぞれ検出される。電流検出部５０７，５０８によって検出された駆動電流の値は、Ａ／Ｄ変換器５１０によってアナログ値からデジタル値へ変換されることで、ＣＰＵ、またはＦＰＧＡ等のプログラミングデバイスによる取り込みが可能になる。Ａ／Ｄ変換器５１０から出力される、静止座標系における電流値ｉα，ｉβは、座標変換器５１１、誘起電圧演算部５１２及び定電流制御部５１７へ入力される。

座標変換器５１１は、式（２）によって、静止座標系（αβ軸）における電流値ｉα，ｉβを回転座標系（ｄｑ軸）における電流値ｉｑ，ｉｄへ変換して出力する。電流制御器５０３，５０４には、座標変換器５１１から出力される、回転座標系における検出された電流値ｉｑ，ｉｄと、速度制御器５０２から出力される、回転座標系における電流指令値ｉｑ＿ｒｅｆ，ｉｄ＿ｒｅｆとの差分値が入力される。電流制御器５０３，５０４は、入力された差分値（即ち、検出された電流値ｉｑ，ｉｄの、目標値である電流指令値ｉｑ＿ｒｅｆ，ｉｄ＿ｒｅｆに対する偏差）が０に近づくように、回転座標系における電流値ｉｑ'，ｉｄ'を生成及び出力する。なお、位置制御器５０１、速度制御器５０２、及び電流制御器５０３，５０４はそれぞれ、例えば、比例補償器及び積分補償器で構成され、ＰＩ制御によりフィードバック制御を実現する。

座標変換器５０５は、電流制御器５０３，５０４から出力される、回転座標系における電流値ｉｑ'，ｉｄ'を、次式によって、静止座標系における電流値ｉα'，ｉβ'へ逆変換する。
ｉα'＝ｃｏｓθ＊ｉｄ'−ｓｉｎθ＊ｉｑ'
ｉβ'＝ｓｉｎθ＊ｉｄ'＋ｃｏｓθ＊ｉｑ' （３）
座標変換器５０５は、静止座標系への座標変換後の電流値ｉα'，ｉβ'に応じた駆動電圧Ｖα，Ｖβを、フルブリッジ回路で構成されたＰＷＭインバータ５０６、及び誘起電圧演算部５１２へ出力する。

このようにして、ベクトル制御部５１５は、ステッピングモータ５０９の位置θを基準とした回転座標系（ｄｑ軸）の電流値によって、ステッピングモータ５０９の各相の巻線に供給する駆動電流を制御するベクトル制御を行う。本実施形態では、ステッピングモータ５０９の位置θは、後述するように、当該モータの各相の巻線に流れる駆動電流の検出結果に基づく推定演算によって決定される。ベクトル制御部５１５は、ステッピングモータ５０９の位置θの推定値のフィードバックに基づくベクトル制御の結果として、ステッピングモータ５０９へ供給する駆動電流に対応する駆動電圧Ｖα，Ｖβを出力する。なお、ベクトル制御では、通常、ステッピングモータ５０９のトルクの発生には寄与しない電流成分であるｄ軸電流は、値が０となるように制御される。即ち、ベクトル制御部５１５では、電流指令値ｉｄ＿ｒｅｆが０に設定される。

ＰＷＭインバータ５０６では、座標変換器５０５から入力された駆動電圧Ｖα，Ｖβによってフルブリッジ回路が駆動される。その結果、ＰＷＭインバータ５０６は、駆動電圧Ｖα，Ｖβに応じてステッピングモータ５０９の各相の巻線に駆動電流を供給することによって、ステッピングモータ５０９を駆動する。

（センサレス制御）
上述のように、ベクトル制御では、モータの位置制御及び速度制御を行うために、モータの位置及び回転速度を示す情報のフィードバックが必要である。具体的には、図３に示す構成では、ステッピングモータ５０９の位置θを示す位置情報、及びステッピングモータ５０９の回転速度ωを示す速度情報を、位置制御器５０１及び速度制御器５０２にそれぞれフィードバックする必要がある。

通常、モータの位置及び回転速度を検出（推定）するためには、モータにロータリエンコーダを取り付け、エンコーダの出力パルス数に基づいて位置を検出し、エンコーダの出力パルス周期に基づいて回転速度を検出する。しかし、本来ステッピングモータの駆動に不要であるエンコーダを追加することによって、上述のように、コストアップ及び配置スペースの確保が問題となる。そこで、エンコーダ等の位置検知のためのセンサを用いることなくモータの位置及び回転速度を推定し、その推定結果に基づいてベクトル制御を行うセンサレス制御が提案されている。以下では、再び図３を参照して、ステッピングモータ５０９のセンサレス制御について説明する。

まず、誘起電圧演算部５１２は、ステッピングモータ５０９（の回転子）の回転に従って、Ａ相（第１相）及びＢ相（第２相）の巻線にそれぞれ誘起される誘起電圧（Ａ相及びＢ相の逆起電圧）を演算する。具体的には、Ａ／Ｄ変換器５１０によるデジタル値への変換後の電流値ｉα，ｉβと、ベクトル制御部５１５から出力された、ステッピングモータ５０９の駆動電圧Ｖα，Ｖβとが、誘起電圧演算部５１２に入力される。誘起電圧演算部５１２は、Ａ相及びＢ相のそれぞれについて、駆動電圧Ｖα，Ｖβと電流値ｉα，ｉβとから、以下の電圧方程式によって、ステッピングモータ５０９の誘起電圧Ｅα，Ｅβを演算する。
Ｅα＝Ｖα−Ｒ＊ｉα−Ｌ＊ｄｉα／ｄｔ
Ｅβ＝Ｖβ−Ｒ＊ｉβ−Ｌ＊ｄｉβ／ｄｔ （４）
ここで、Ｒは巻線レジスタンス、Ｌは巻線インダクタンスである。Ｒ及びＬの値は、使用されているステッピングモータ５０９に固有の値であり、ＲＯＭ１５１ｂ、またはモータ制御部１５７内に設けられた不図示のメモリに予め格納されている。

誘起電圧演算部５１２によって演算された、Ａ相及びＢ相の誘起電圧Ｅα，Ｅβは、位置演算部５１３へ入力される。位置演算部５１３は、Ａ相の誘起電圧ＥαとＢ相の誘起電圧Ｅβとの比から、次式によってステッピングモータ５０９の位置θの推定値を演算する。
θ＝ｔａｎ^-1(−Ｅβ／Ｅα) （５）
位置演算部５１３は、このような推定演算により得られた位置θの推定値を、位置制御器５０１及び速度演算部５１４に出力（フィードバック）する。なお、位置θの推定値は、位置演算部５１３から速度制御器５０２、座標変換器５０５，５１１にもフィードバックされることで、座標変換等に利用される。なお、ステッピングモータ５０９の実際の回転位置（機械角）と、推定された回転位置（電気角）とが１対１に対応しない場合には、電気角から機械角への変換を行う変換器を、位置演算部５１３と位置制御器５０１との間に設けてもよい。この場合、ステッピングモータ５０９の位置θの推定値は、このような変換器によって実際の回転位置（機械角）に変換された後に、位置制御器５０１へフィードバックされる。

速度演算部５１４は、入力された位置θから、次式によってステッピングモータ５０９の回転速度ωの推定値を演算する。
ω＝ｄθ／ｄｔ （６）
式（６）のように、回転速度ωは、位置θの推定値の時間変化に基づいて演算される。速度演算部５１４は、得られた回転速度ωを速度制御器５０２に出力（フィードバック）する。

図５は、式（４）により算出される誘起電圧Ｅα，Ｅβと、式（５）により算出されるステッピングモータ５０９の電気角（位置θ）との関係の例を示す図である。なお、図５は、巻線レジスタンスＲ＝３．４１［Ω］、巻線インダクタンスＬ＝４．３［ｍＨ］、ステッピングモータ５０９の回転速度ω＝１３．５［ｒｐｓ］とした場合の、シミュレーション結果を一例として示している。図５に示すシミュレーション結果によれば、誘起電圧Ｅα，Ｅβは、９０度の位相差を有しており、それらの振幅の比に応じた電気角が、ステッピングモータ５０９の位置θとして算出されていることが確認できる。なお、電気角は、一周ごとにリセットされている。

＜オープンループ制御＞
オープンループ制御部５２０は、目標値切替部５１６及び定電流制御部５１７を備え、定電流制御によるオープンループ制御機能を有している。目標値切替部５１６は、ＣＰＵ１５１ａから与えられる位置指令値θ＿ｒｅｆに同期して、Ａ相及びＢ相の巻線に供給する駆動電流の目標値（Ｉｒｅｆ＿α、Ｉｒｅｆ＿β）の切り替えを行い、当該目標値を定電流制御部５１７に出力する。オープンループ制御部５２０は、ステッピングモータ５０９へ供給する駆動電流を、予め定められた電流値（目標値）によって制御するオープンループ制御を行う。

オープンループ制御では、Ａ／Ｄ変換器５１０から出力される電流値ｉα，ｉβが、電流検出部５０７，５０８によって検出されたＡ相及びＢ相の駆動電流の検出値として定電流制御部５１７に入力される。定電流制御部５１７は、Ａ相及びＢ相の駆動電流の検出値ｉα，ｉβがそれぞれ目標値Ｉｒｅｆ＿α，Ｉｒｅｆ＿βに近づくように、駆動電圧Ｖα＊，Ｖβ＊を、制御切替部５１９を介してＰＷＭインバータ５０６へ出力する。なお、駆動電圧Ｖα＊，Ｖβ＊は、実際にはＰＷＭ信号として出力される。即ち、ＰＷＭ信号のデューティ比に応じて、ＰＷＭインバータ５０６のフルブリッジ回路に印加される電圧が定まる。このように、オープンループ制御部５２０は、ＣＰＵ１５１ａから与えられる位置指令値θ＿ｒｅｆによって定められる目標値（Ｉｒｅｆ＿α、Ｉｒｅｆ＿β）の駆動電流がステッピングモータ５０９へ供給されるように、駆動電圧Ｖα＊，Ｖβ＊を制御する。

モータ制御部１５７では、ＣＰＵ１５１ａから所定の制御周期で与えられる位置指令値θ＿ｒｅｆが、切替信号生成部５１８にも入力される。切替信号生成部５１８は、入力された位置指令値θ＿ｒｅｆからステッピングモータ５０９の回転速度（駆動周波数）を求め、当該回転速度に基づいて、ベクトル制御とオープンループ制御との切り替えを指示するための切替信号を生成する。切替信号生成部５１８が、生成した切替信号を制御切替部５１９へ出力することで、制御切替部５１９により、ベクトル制御とオープンループ制御との切り替えが行われる。

＜モータの駆動シーケンス＞
次に、図６及び図７を参照して、ＣＰＵ１５１ａからの指令に従ってモータ制御部１５７によって実行される、ステッピングモータ５０９の駆動シーケンスについて説明する。システムコントローラ１５１内のＲＯＭ１５１ｂには、ステッピングモータ５０９の駆動シーケンスに対応する位置指令値θ＿ｒｅｆの時系列パターンが、シーケンスパターンとして格納されている。ＣＰＵ１５１ａは、ＲＯＭ１５１ｂに格納されたシーケンスパターンを読み出して、当該シーケンスパターンに含まれる位置指令値θ＿ｒｅｆを、所定の制御周期でモータ制御部１５７へ出力することで、ステッピングモータ５０９の駆動シーケンスを制御する。ＣＰＵ１５１ａは、位置指令値θ＿ｒｅｆを時間的に変化させることで、ステッピングモータ５０９の回転速度（駆動周波数）を制御する。

ここで、画像形成装置１００において、ステッピングモータ５０９は、例えば紙搬送用のローラを駆動するモータである。図１を参照して説明したように、画像形成装置１００は、紙搬送用のローラとして、給紙ローラ３０３、搬送ローラ３０６、レジストローラ３０８等の、多数のローラを備えている。基本的には、これらのローラは、各ローラに対応するステッピングモータ５０９によって回転駆動されるように構成されている。

これらのステッピングモータ５０９のそれぞれの駆動シーケンスは、画像形成装置１００の生産性、紙サイズ、減速比等に基づいた紙搬送系の要求仕様に従って予め決定される。例えば、給紙ローラ３０３を駆動するステッピングモータ５０９の駆動シーケンスは、以下のように定められる。まず、モータ制御部１５７は、ＣＰＵ１５１ａからの指令に従って、給紙ローラ３０３がソレノイド（図示せず）等の機構により記録紙に接触した状態で、給紙ローラ３０３の回転駆動を開始するように、ステッピングモータ５０９の駆動を開始する。これにより、記録紙が紙カセット３０２から搬送路へ送り出される。その後、モータ制御部１５７は、記録紙が搬送ローラ３０６の位置に到達すると、生産性を高めるために、ステッピングモータ５０９の回転速度を増加させる加速シーケンスを実行する。更に、モータ制御部１５７は、その後、所定のタイミングで給紙ローラ３０３が記録紙から離されると、ステッピングモータ５０９の駆動を停止することで、給紙ローラ３０３の駆動を停止する。なお、このような給紙ローラ３０３の動作は、実際には、搬送路上に設けられた紙検知センサ（図示せず）を用いて制御される。

また、記録紙の搬送中には、各搬送ローラと記録紙とのスリップや、紙カセット３０２に格納されている記録紙の位置等によって、記録紙が所定のタイミングに所定の位置まで搬送されないことがある。そのため、ステッピングモータ５０９の駆動開始から、紙検知センサによって記録紙が検知されるまでに、想定以上の時間を要している場合には、ステッピングモータ５０９の回転速度の目標値を増加させる必要がある。これは、記録紙の搬送速度を増加させ、生産性を低下させることなく記録紙を給紙するためである。このような状況にも対処できるように、ステッピングモータ５０９の回転速度を増加させる際の加速度は、非常に大きな値に設定される。しかし、上述のオープンループ制御によりステッピングモータ５０９の回転速度を大きな加速度で増加させる場合、ステッピングモータ５０９の各相の巻線に供給する電流が大きくなり、その結果、モータギヤ同士の衝突音が大きくなりうる。

図６は、本実施形態に対する比較例に相当する、ステッピングモータ５０９の駆動シーケンスの例を示す図である。図６（Ａ）は、ＣＰＵ１５１ａからの位置指令値θ＿ｒｅｆに対応する回転速度（駆動周波数）の時間変化を示しており、即ち、ステッピングモータ５０９の回転速度の時間変化を示している。図６（Ａ）に示す駆動シーケンスでは、給紙ローラ３０３が記録紙に接触すると、予め決められたタイミングに、所定の回転速度ω＿ｆｉｒでステッピングモータ５０９の駆動が開始される。その後、ステッピングモータ５０９は、加速度ａ１で加速し、駆動が開始されたタイミングから時間ΔＴａｃｃで、その回転速度が目標回転速度ω＿ｔａｒに到達する。ステッピングモータ５０９は、回転速度ω＿ｔａｒで所定の時間、一定速度で駆動された後、減速度ｂ１で所定の回転速度ω＿ｆｉｒまで減速する。

図６（Ａ）に示す駆動シーケンスにおいて、モータ制御部１５７は、ステッピングモータ５０９の立ち上げ時には、オープンループ制御で駆動制御を開始する。更に、モータ制御部１５７は、ステッピングモータ５０９の回転速度が所定の閾値ω＿ｔｈに達すると、ステッピングモータ５０９の駆動制御をオープンループ制御からベクトル制御に切り替える。また、ステッピングモータ５０９の立ち下げ時には、ステッピングモータ５０９の回転速度が閾値ω＿ｔｈを下回ると、ステッピングモータ５０９の駆動制御をベクトル制御からオープンループ制御に切り替える。このように、モータ制御部１５７は、ステッピングモータ５０９が、位置θの推定を行うのに十分な回転速度で回転している期間には、ベクトル制御を実行する。一方、モータ制御部１５７は、ステッピングモータ５０９の起動直後及び停止直前の、回転速度が低い期間には、オープンループ制御を実行する。なお、図６に示す駆動シーケンスでは、説明の簡略化のため、上述のように記録紙が搬送ローラ３０６の位置に到達した際に実行される加速シーケンスについては省略している。

図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示す駆動シーケンスにおいて、ステッピングモータ５０９の各相の巻線に流れる駆動電流（相電流）の実効値の時間変化を示す図である。オープンループ制御でステッピングモータ５０９の駆動制御を行う期間（以下、「オープンループ制御期間」と称する。）の相電流値Ｉｏｐは、負荷トルクに応じて本来必要となる電流値に対して所定のマージン（Ｍ［％］）を有する値に設定されている。通常、相電流値Ｉｏｐは、本来必要となる電流値に対して２倍程度の値に設定されており、非常に大きな値に設定されている。

一方、ベクトル制御でステッピングモータ５０９の駆動制御を行う期間（以下、「ベクトル制御期間」と称する。）内の、ステッピングモータ５０９の加速を行う期間の相電流値Ｉｖａは、ベクトル制御により決定される。ベクトル制御では、オープンループ制御よりも電力効率の良い駆動制御を実現できるため、相電流値Ｉｖａは、相電流値Ｉｏｐよりも小さくなっている。更に、ベクトル制御期間内の、ステッピングモータ５０９を一定速度で駆動する期間の相電流値Ｉｖｃは、モータの加速に必要なトルク（加速トルク）を発生させる必要がなくなるため、相電流値Ｉｖａよりも小さくなっている。

ここで、画像形成装置１００内の搬送系のローラは、実際には、ステッピングモータ５０９によって直接回転駆動が行われるのではなく、ギヤ及びプーリによる減速制御が行われた状態で回転駆動が行われる。このため、このような減速制御に用いられるギヤ同士が衝突した際に衝突音が発生し、この衝突音が騒音となる問題がある。特に、ステッピングモータ５０９の起動時に、モータギヤと減速用のギヤとが最初にかみ合う際には、停止している減速ギヤにモータギヤが衝突するために突発的に大きな衝突音が発生する。

また、図６（Ｂ）に示すように、ステッピングモータ５０９の起動時に、オープンループ制御により大きな値の電流が供給されると、ステッピングモータ５０９のステータがロータを引き込む力が大きくなる。その結果、ロータが高速でステータに対して吸引され、その過程でモータギヤが減速用のギヤと衝突し、非常に大きな衝突音が発生する。したがって、このような衝突音を低減するためには、オープンループ制御においてステータがロータを引き込む力を低減する必要があり、即ち、相電流値Ｉｏｐをより小さくする必要がある。

一方、相電流値Ｉｏｐを小さくすると、ステッピングモータ５０９の加速度が小さくなる。それにより、ステッピングモータ５０９の回転速度を目標回転速度に到達させるのに要する時間（以下、「加速時間」と称する。）が長くなるため、画像形成装置１００の生産性が低下する。したがって、画像形成装置１００の生産性の低下を避けるためには、加速時間を維持しながら、相電流値Ｉｏｐを小さくすることが必要である。

そこで、本実施形態では、ステッピングモータ５０９を起動させてから目標回転速度ω＿ｔａｒまで加速させる際の加速度を、オープンループ制御時とベクトル制御時とで異なる加速度に設定する。具体的には、ステッピングモータ５０９が起動してから目標回転速度ω＿ｔａｒに達するまでの加速期間において、オープンループ制御による加速度ａ１＊を、ベクトル制御による加速度ａ２＊よりも小さくする。

このような駆動制御について、図７を参照してより具体的に説明する。図７は、本実施形態に係るステッピングモータ５０９の駆動シーケンスの例を示す図である。図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、比較例として示した図６（Ａ）及び（Ｂ）とそれぞれ関連している。図７（Ａ）に示すように、モータ制御部１５７は、ステッピングモータ５０９が起動してから目標回転速度ω＿ｔａｒに達するまでの、時間ΔＴａｃｃの加速期間において、回転速度の閾値ω＿ｔｈに応じて、オープンループ制御からベクトル制御に切り替える。この閾値ω＿ｔｈは、ステッピングモータ５０９の起動後に、誘起電圧演算部５１２及び位置演算部５１３によって実行される推定演算によってステッピングモータ５０９の位置θの推定が可能となる回転速度として定められる。ステッピングモータ５０９が起動してからその回転速度が予め定められた閾値ω＿ｔｈに達するまでの、時間ΔＴｏｐの期間には、オープンループ制御部５２０が、オープンループ制御によってステッピングモータ５０９を加速度ａ１＊で加速させる。また、ステッピングモータ５０９の回転速度が閾値ω＿ｔｈに達してから目標回転速度ω＿ｔａｒに達するまでの、時間ΔＴｖｅｃの期間には、ベクトル制御部５１５が、ベクトル制御によってステッピングモータ５０９を、加速度ａ２＊で加速させる。この駆動制御において、加速度ａ１＊は、加速度ａ２＊より小さい値に設定される。

これにより、モータ制御部１５７が、オープンループ制御時にステッピングモータ５０９の各相の巻線に供給する駆動電流が少なくなる。即ち、図７（Ｂ）に示すように、駆動電流の実効値Ｉｏｐ＊が小さくなる。その結果、上述のようにステータがロータを吸引する力が弱まり、ロータが高速でステータに衝突することを防止し、衝突音を低減することができる。

ここで、図６には、ステッピングモータ５０９が起動してから一定の加速度ａ１で加速して時間ΔＴａｃｃの加速時間で目標回転速度ω＿ｔａｒに達する場合を示している。時間ΔＴａｃｃは、画像形成装置１００の要求仕様に従った駆動シーケンスを実現するための要求時間として予め定められており、上述のように画像形成装置１００の生産性の観点から、一定に維持されることが望ましいといえる。このため、図７に示す例では、図６に示す加速度ａ１と比較して、加速度ａ１＊（第１の加速度）を加速度ａ１よりも小さい値に設定する一方で、加速度ａ２＊（第２の加速度）を加速度ａ１よりも大きい値に設定している。このような駆動制御により、画像形成装置１００の生産性の低下を防止しながら、ステッピングモータ５０９の回転速度が低い期間に実行されるオープンループ制御によってステッピングモータ５０９へ供給する駆動電流（電流値Ｉｏｐ＊）を低減できる。

また、図７に示す例では、ベクトル制御ではオープンループ制御よりも電力効率の良い駆動制御を実現できる点を考慮して、ベクトル制御期間における駆動電流の実効値Ｉｖａ＊を大きくすることによって、加速度ａ２＊を大きな値としている。更に、それに応じて、オープンループ制御期間における駆動電流の実効値Ｉｏｐ＊を小さくすることによって、オープンループ制御における加速度ａ１＊を小さい値としている。即ち、オープンループ制御によってステッピングモータ５０９へ供給される、加速度ａ１＊に対応する駆動電流は、ベクトル制御によってステッピングモータ５０９へ供給される、加速度ａ２＊に対応する駆動電流よりも少ない。このような駆動電流の制御によって、画像形成装置１００の生産性の低下を防止しながら、オープンループ制御によってステッピングモータ５０９へ供給する駆動電流（電流値Ｉｏｐ＊）を低減できる。

次に、オープンループ制御期間において、図６に示す加速度ａ１と比較して、どの程度、加速度ａ１＊を低減できるかについて説明する。図６に示す例では、加速度ａ１に対して、オープンループ制御ではＭ［％］のマージンを与えている。このため、オープンループ制御における駆動電流には、本来必要となる電流に対してＭ［％］分の余剰の電流が含まれていることになる。この余剰の電流は、ステッピングモータ５０９の各相の巻線、ＰＷＭインバータ５０６を構成するＦＥＴ等で発生する熱として消費される。一方、ステッピングモータ５０９へ供給される駆動電流の大きさは、このようにして発生する熱によってモータ制御部１５７及びステッピングモータ５０９の動作に問題が生じないように定められている。したがって、ベクトル制御では、少なくともオープンループ制御で用いられるこのような駆動電流と等しい値の駆動電流をステッピングモータ５０９へ供給することができる。それにより、ステッピングモータ５０９が発生させるトルクを、マージンＭ［％］分だけ増加させることが可能となる。

このような点を考慮した場合、ベクトル制御における、加速度ａ１から増加させた加速度α２＊を得るために必要なトルクＴｍ＊と、加速度ａ１を得るために必要なトルクＴｍとの比較に基づいて、以下の関係式を満たすように、加速度ａ２＊が定められる。
Ｔｍ＊／Ｔｍ ＝ Ｍ／１００＋１ （７）
ここで、ステッピングモータ５０９に必要なトルクは、その設計段階で測定及び検証が可能な定常負荷分のトルク成分と、負荷系のイナーシャ及び加速度から導出される加速トルク成分である。いずれのトルク成分も、ステッピングモータ５０９の設計段階で既知であるため、上記の式（７）を満たす加速度α２＊を算出することが可能となる。このようにして、加速度α２＊は、ベクトル制御によってステッピングモータ５０９へ供給可能な駆動電流の最大値に対応する加速度として定められる。

ここで、オープンループ制御時の加速度ａ１＊は、ステッピングモータ５０９が、一定の加速度ａ１で加速した場合と等しい時間ΔＴａｃｃで目標回転速度ω＿ｔａｒに達するように、次式によって定められる。
ａ１＊＝（ω＿ｔｈ−ω＿ｆｉｒ）／（ΔＴａｃｃ−ΔＴｖｅｃ） （８）
ここで、ΔＴｖｅｃは、以下の式で算出できる。
ΔＴｖｅｃ＝（ω＿ｔａｒ−ω＿ｔｈ）／ａ２＊ （９）
このように、ベクトル制御期間の長さΔＴｖｅｃは、目標回転速度ω＿ｔａｒと閾値ω＿ｔｈとの差分と、加速度ａ２＊との比として定められる。更に、加速度ａ１＊は、閾値ω＿ｔｈとステッピングモータ５０９の起動時の回転速度ω＿ｆｉｒとの差分と、時間ΔＴａｃｃの加速期間における、オープンループ制御期間の長さΔＴｏｐ（＝ΔＴａｃｃ−ΔＴｖｅｃ）との比として定められる。

このようにして定められる加速度ａ１＊を、オープンループ制御部５２０によるオープンループ制御に適用することによって、オープンループ制御時にステッピングモータ５０９へ供給される駆動電流を少なくする（電流値Ｉｏｐ＊を低減する）ことができる。その結果、ステッピングモータ５０９の起動時にオープンループ制御によって生じるギア同士の衝突音を低減することが可能である。

なお、図７に示すように、本実施形態では、モータ制御部１５７は、目標回転速度ω＿ｔａｒで回転しているステッピングモータ５０９を減速させる際にも、ベクトル制御とオープンループ制御との切り替えを行う。具体的には、ステッピングモータ５０９が目標回転速度ω＿ｔａｒから減速を開始してから閾値ω＿ｔｈに達するまでの期間には、ベクトル制御部５１５が、減速度ｂ２＊でステッピングモータ５０９を減速させる。また、ステッピングモータ５０９の回転速度が閾値ω＿ｔｈに達してから当該モータが更に減速する期間には、オープンループ制御部５２０が、オープンループ制御によってステッピングモータ５０９を、減速度ｂ２＊よりも小さい減速度ｂ１＊で減速させる。

これにより、ステッピングモータ５０９を減速させる際に、ステッピングモータ５０９の回転速度が低い期間に実行されるオープンループ制御によってステッピングモータ５０９へ供給する駆動電流を低減できる。その結果、オープンループ制御によって生じるギア同士の衝突音を低減することが可能である。

＜モータ制御部による制御フロー＞
図８は、モータ制御部１５７によって実行される制御フローを示すフローチャートである。なお、モータ制御部１５７は、ＦＰＧＡやＡＳＩＣ等のデバイスによって構成されてもよく、その場合、図９に示す制御フローは、そのような回路が有する機能に従った処理の手順を示す。図８に示す制御フローは、例えば、操作部１５２から、またはネットワーク（図示せず）を介して外部ＰＣからプリント指示をＣＰＵ１５１ａが受信した際に、ＣＰＵ１５１からの指示に従って、モータ制御部１５７によって実行される。この場合、例えば、モータ制御部１５７は、給紙ローラ３０３を駆動するステッピングモータ５０９の駆動制御を、図８に示す制御フローに従って実行する。なお、閾値ω＿ｔｈ及び目標回転速度ω＿ｔａｒは、ＣＰＵ１５１ａからモータ制御部１５７へ与えられてもよいし、切替信号生成部５１８が予め保持していてもよい。

Ｓ１０１で、モータ制御部１５７は、ＣＰＵ１５１ａからの指示に従って、オープンループ制御によるステッピングモータ５０９の駆動制御を開始して、ステッピングモータ５０９を起動させる。次に、Ｓ１０２で、モータ制御部１５７は、ＣＰＵ１５１ａからの位置指令値（θ＿ｒｅｆ）に基づいて、加速度ａ１＊で、オープンループ制御によるステッピングモータ５０９の加速シーケンスを開始する。

Ｓ１０２の加速シーケンスの開始後、Ｓ１０３で、モータ制御部１５７（切替信号生成部５１８及び制御切替部５１９）は、位置指令値（θ＿ｒｅｆ）に対応する回転速度が閾値ω＿ｔｈ以上となったか否かを判定する。回転速度が閾値ω＿ｔｈとなると、モータ制御部１５７は、次にＳ１０４で、ステッピングモータ５０９の駆動制御をオープンループ制御からベクトル制御へ切り替える。更に、Ｓ１０５で、モータ制御部１５７は、ＣＰＵ１５１ａからの位置指令値（θ＿ｒｅｆ）に基づいて、加速度ａ１＊より大きい加速度ａ２＊で、ベクトル制御によるステッピングモータ５０９の加速シーケンスを開始する。

Ｓ１０５の加速シーケンスの開始後、Ｓ１０６で、モータ制御部１５７（切替信号生成部５１８及び制御切替部５１９）は、位置指令値（θ＿ｒｅｆ）に対応する回転速度が目標回転速度ω＿ｔａｒに達したか否かを判定する。回転速度が目標回転速度ω＿ｔａｒに達すると、モータ制御部１５７は、次にＳ１０７で、所定時間、ステッピングモータ５０９が回転速度ω＿ｔａｒでの回転を継続するよう、ベクトル制御を継続する。その後、所定時間が経過すると、Ｓ１０８で、モータ制御部１５７は、ＣＰＵ１５１ａからの位置指令値（θ＿ｒｅｆ）に基づいて、減速度ｂ２＊で、ベクトル制御によるステッピングモータ５０９の減速シーケンスを開始する。

減速シーケンスの開始後、Ｓ１０９で、モータ制御部１５７（切替信号生成部５１８及び制御切替部５１９）は、位置指令値（θ＿ｒｅｆ）に対応する回転速度が閾値ω＿ｔｈを下回ったか否かを判定する。回転速度が閾値ω＿ｔｈを下回ると、モータ制御部１５７は、次にＳ１１０で、ステッピングモータ５０９の駆動制御をベクトル制御制御からオープンループ制御へ切り替える。更に、Ｓ１１１で、モータ制御部１５７は、ＣＰＵ１５１ａからの位置指令値（θ＿ｒｅｆ）に基づいて、減速度ｂ２＊より小さい減速度ｂ１＊で、オープンループ制御によるステッピングモータ５０９の減速シーケンスを開始する。

Ｓ１１１の減速シーケンスの開始後、Ｓ１１２で、モータ制御部１５７（切替信号生成部５１８及び制御切替部５１９）は、位置指令値（θ＿ｒｅｆ）に対応する回転速度が、ステッピングモータ５０９起動時の回転速度ω＿ｆｉｒに達したか否かを判定する。回転速度がω＿ｆｉｒに達すると、モータ制御部１５７は、処理を終了する。

上述のように、ベクトル制御では、ステッピングモータ５０９の各相の巻線に供給する駆動電流を、ステッピングモータ５０９にトルクを発生させるｑ軸電流と、ステッピングモータ５０９の回転子の磁束強度に影響するｄ軸電流とに分解し、それぞれ独立して制御できる。これにより、ベクトル制御では、例えば、ステッピングモータ５０９へｄ軸電流を供給せずにｑ軸電流のみを供給することができるため、オープンループ制御よりも良好な電力効率でステッピングモータ５０９の駆動制御を行うことができる。したがって、ステッピングモータ５０９の起動時にベクトル制御を導入する場合、ステッピングモータ５０９の加速度を、オープンループ制御における加速度よりも増加させることが可能である。

本実施形態では、ステッピングモータ５０９の起動時に、このようなベクトル制御の利点を利用して、オープンループ制御とベクトル制御とを併用している。具体的には、本実施形態のモータ制御部１５７は、ステッピングモータ５０９の起動時の加速シーケンスにおいて、当該モータをオープンループ制御により相対的に小さい第１の加速度（ａ１＊）で所定の回転速度まで加速させると、ベクトル制御に切り替える。モータ制御部１５７は、その後、ベクトル制御により相対的に大きい第２の加速度（ａ２＊）でステッピングモータ５０９を目標回転速度ω＿ｔａｒまで加速させる。この加速シーケンスにおいて、第１の加速度（ａ１＊）は、第２の加速度（ａ２＊）よりも小さい値に設定される。

これにより、ステッピングモータ５０９の起動時に、その回転速度が低い期間に実行するオープンループ制御によってステッピングモータ５０９へ供給する駆動電流を低減できる。その結果、ステッピングモータ５０９の起動時にオープンループ制御によって生じるモータギヤ同士の衝突音を低減することができる。

なお、上述の実施形態では、ステッピングモータがモータ制御部１５７の制御対象である例について説明している。しかし、上述の実施形態は、ステッピングモータ以外のタイプのモータ（例えば、感光ドラム３０９を駆動するブラシレスＤＣモータ）の駆動制御にベクトル制御を用いる場合にも適用可能であり、その場合、上述の効果と同様の効果を期待できる。

１００：画像形成装置、１５１ａ：ＣＰＵ、１５７：モータ制御部、５０１：位置制御器、５０６：ＰＷＭインバータ、５０７，５０８：電流検出部、５０９：ステッピングモータ、５１０：Ａ／Ｄ変換器、５１２：誘起電圧演算部、５１３：位置演算部、５１４：速度演算部、５１５：ベクトル制御部、５２０：オープンループ制御部

Claims (12)

1. モータの駆動制御を行うモータ制御装置であって、
   前記モータへ供給する駆動電流を、予め定められた電流値によって制御するオープンループ制御を行うものであり、当該駆動電流に対応する駆動電圧を出力する第１の制御手段と、
   前記モータへ供給する駆動電流を、前記モータの各相の巻線に流れる駆動電流の検出結果に基づく推定演算によって決定される前記モータの回転位置を基準とした回転座標系の電流値によって制御するベクトル制御を行うものであり、当該駆動電流に対応する駆動電圧を出力する第２の制御手段と、
   前記第１の制御手段または前記第２の制御手段によって出力された駆動電圧に応じて前記モータへ駆動電流を供給することで、前記モータを駆動する駆動手段と、を備え、
   前記モータが起動してから前記モータの回転速度が予め定められた閾値に達するまでの第１の期間には、前記第１の制御手段が前記オープンループ制御によって前記モータを第１の加速度で加速させ、
   前記回転速度が前記閾値に達してから目標回転速度に達するまでの第２の期間には、前記第２の制御手段が前記ベクトル制御によって前記モータを第２の加速度で加速させ、前記第１の加速度が前記第２の加速度よりも小さい、
   ことを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記オープンループ制御によって前記モータへ供給される、前記第１の加速度に対応する駆動電流は、前記ベクトル制御によって前記モータへ供給される、前記第２の加速度に対応する駆動電流よりも少ない、
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記第１の加速度は、前記モータが起動してから一定の加速度で加速して所定の要求時間で前記目標回転速度に達する場合の加速度である第３の加速度よりも小さく、
   前記第２の加速度は、前記第３の加速度よりも大きい、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のモータ制御装置。
4. 前記モータの各相の巻線に流れる駆動電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段によって検出された駆動電流の値に基づく前記推定演算によって、前記ベクトル制御に用いられる前記回転位置を決定する決定手段と、を更に備え、
   前記閾値は、前記回転位置の前記推定演算により前記回転位置の決定が可能となる回転速度として定められる、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
5. 前記決定手段は、
   前記モータの第１相及び第２相のそれぞれについて、前記第２の制御手段によって出力された駆動電圧と、前記電流検出手段によって検出された駆動電流の値とから、前記モータの回転に従って巻線に誘起される誘起電圧を演算する電圧演算手段と、
   前記電圧演算手段によって演算された前記第１相の誘起電圧と前記第２相の誘起電圧との比から、前記回転位置を演算する位置演算手段と、
   を備えることを特徴とする請求項４に記載のモータ制御装置。
6. 前記第２の加速度は、前記第２の制御手段による前記ベクトル制御によって前記モータへ供給可能な駆動電流の最大値に対応する加速度として定められる、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
7. 前記第２の期間の長さは、前記目標回転速度と前記閾値との差分と、前記第２の加速度との比として定められ、
   前記第１の期間の長さは、前記モータが起動してから前記目標回転速度に達するまでの所定の要求時間と、前記第２の期間の長さとの差分として定められ、
   前記第１の加速度は、前記閾値と前記モータの起動時の回転速度との差分と、前記第１の期間の長さの比として定められる、
   ことを特徴とする請求項６に記載のモータ制御装置。
8. 前記モータが前記目標回転速度から減速を開始してから前記閾値に達するまでの期間には、前記第２の制御手段が前記ベクトル制御によって前記モータを第１の減速度で減速させ、
   前記回転速度が前記閾値に達してから前記モータが更に減速する期間には、前記第１の制御手段が前記オープンループ制御によって前記モータを前記第１の減速度よりも小さい第２の減速度で減速させる、
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
9. 前記第２の制御手段は、前記推定演算によって決定される前記回転位置の、外部のコントローラから与えられる前記回転位置の指令値に対する偏差が０に近づくように、前記ベクトル制御を行う、
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
10. 前記ベクトル制御において、前記駆動電流は、前記回転位置を基準とした回転座標系において、前記モータにトルクを発生させる第１の電流成分と、前記モータの回転子の磁束強度に影響する第２の電流成分とによって表され、
    前記第２の制御手段は、電流値が０になるように前記第２の電流成分を制御しながら、前記第１の電流成分を制御することによって、前記駆動電流を制御する、
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
11. 前記第１の制御手段は、外部のコントローラから与えられる前記回転位置の指令値によって定められる目標値の駆動電流が前記モータへ供給されるように、前記駆動電圧を出力することで、前記オープンループ制御を行う、
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のモータ制御装置。
12. 記録材に画像を形成する画像形成手段と、
    前記画像形成手段によって画像が形成される記録材の搬送用のローラを駆動するモータと、
    前記モータの駆動制御を行う、請求項１から１１のいずれか１項に記載のモータ制御装置と、
    を備えることを特徴とする画像形成装置。

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