JP2019129633A - モータ制御装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ブラシレスモータのセンサレスベクトル制御を行うモータ制御装置において、モータの起動時に電源電圧の変動によりモータへの入力電力が変動することで発生する位置精度の悪化を抑制できるモータ制御装置等を提供する。【解決手段】センサレスベクトル制御によって駆動されるブラシレスモータのコイルの電流を検出する手段３７と、電流検出手段により検出された電流に基づいて磁極位置を推定する手段３５と、指令値と推定された磁極位置の差とに基づいて、ブラシレスモータの電流値を決定する手段３１と、ブラシレスモータの電源電圧を検出する電圧検出手段４１と、ブラシレスモータの起動時に、電圧検出手段により検出された電源電圧の値に応じて、決定された電流値を補正する補正手段４２を備えている。【選択図】図６

Description

この発明は、ブラシレスモータのセンサレスベクトル制御を行うモータ制御装置、及びこのモータ制御装置を備えた画像形成装置に関する。

センサレスベクトル制御は、ステッピングモータのようにモータの回転量を制御することができない。そこで、センサレスベクトル制御でモータの回転量を制御するために、速度制御ではなく、位置指令とロータの推定位置とを比較する位置制御が行われている。

しかし、例えば、画像形成装置の転写ローラへの用紙搬送タイミングを調整するためのレジストローラを駆動するレジストモータ等の制御方法としてセンサレスベクトル制御を適用した場合、リアルタイムで指令値と実力値に推定位置との大きく差があると、印刷用紙に色ずれや先端ずれが発生する。また、複数のモータを同時に起動する場合は、モータ同士にリアルタイムで位置ずれが発生すると、用紙が引っ張られたり押されたりするため負荷が余計に発生し、用紙のしわの発生や位置ずれの原因となる。そのため、位置制御に最適なフィードバックゲインを設定することが行われている。

特開２０１５−１５９７０２号公報 特開２０１６−２０８６７８号公報

しかしながら、モータの起動時に電源電圧の変動によりモータへの入力電力が変動すると、加速トルクが変化するため位置ずれ量が変動するという課題がある。

なお、特許文献１には、センサレス制御において、トルク指令値に基づいて、電流指令値を演算するとともに、電流指令値から位置推定誤差を演算し、位置推定誤差から電流指令値を補正し、補正された電流指令値及び回転子の推定位置に基づいて、モータ制御を行う技術が提案されている。

また、特許文献２には、洗濯機・乾燥機モータのセンサレスベクトル制御で、予め設定したテーブルにより、前記トルクに対応した電流成分の制限値を切り替えるとともに、直流電圧を検出する電圧検出手段を備え、あらかじめ決められた標準値と比較し、その大小関係によって電流成分の制限値を切り替える技術が提案されている。

しかし、これらの特許文献１及び２に記載された技術によっても、モータの起動時に電源電圧の変動によりモータへの入力電力が変動すると、加速トルクが変化するため位置ずれ量が変動するという課題を解決することはできなかった。

この発明は、このような技術的背景に鑑みてなされたものであって、ブラシレスモータのセンサレスベクトル制御を行うモータ制御装置において、モータの起動時に電源電圧の変動によりモータへの入力電力が変動することで発生する位置精度の悪化を抑制できるモータ制御装置、モータ制御装置を用いた画像形成装置の提供を目的とする。

上記目的は、以下の手段によって達成される。
（１）センサレスベクトル制御によって駆動されるブラシレスモータと、前記ブラシレスモータのコイルの電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段により検出された電流に基づいて磁極位置を推定する磁極位置推定手段と、指令値と前記磁極位置推定手段により推定された磁極位置の差とに基づいて、前記ブラシレスモータの電流値を決定する電流決定手段と、前記ブラシレスモータの電源電圧を検出する電圧検出手段と、前記ブラシレスモータの起動時に、前記電圧検出手段により検出された電源電圧の値に応じて、前記電流決定手段で決定された電流値を補正する補正手段と、を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
（２）前記電流値はトルクを発生するｑ軸電流の電流値であり、前記補正手段は以下の計算式により電流値を補正する前項１に記載のモータ制御装置。

Ｉｑ’＝Ｉｑ＊Ｋ＊Ｖ１／Ｖａｄ
ただしＩｑ’：補正後の電流値
Ｉｑ：補正前の電流値、
Ｖ１：基準電圧
Ｖａｄ：電源電圧検出手段により検出された電圧
Ｋ：補正係数
（３）前記補正手段は、前記ブラシレスモータの起動時の加速度に応じて前記電流値を補正する前項１または２に記載のモータ制御装置。
（４）前記補正手段は、前記ブラシレスモータの起動時の目標速度と起動開始から目標速度到達までの起動時間とに応じて前記電流値を補正する前項３に記載のモータ制御装置。
（５）前記補正手段は、前記ブラシレスモータの起動開始から目標速度到達までの起動特性に応じて前記電流値を補正する前項３または４に記載のモータ制御装置。
（６）前記補正手段は、加速トルクの有無に応じて補正値を切り替える前項１〜５の何れかに記載のモータ制御装置。
（７）前記補正手段は、加速中か定速回転中かに応じて補正値を切り替える前項６に記載のモータ制御装置。
（８）前項１〜７の何れかに記載のモータ制御装置を備え、前記ブラシレスモータは用紙搬送を行うためのモータであることを特徴とする画像形成装置。
（９）前記用紙搬送を行うための予め設定された搬送シーケンスに従って、前記電流決定手段は電流値を決定する前項８に記載の画像形成装置。

この発明に係るモータ制御装置によれば、ブラシレスモータの電源電圧を検出する電圧検出手段を備え、起動時に、電源電圧検出手段により検出された電源電圧の値に応じて電流値を補正するから、モータの起動時に電源電圧の変動によるモータへの入力電力の変動を抑制することができ、ひいては入力電力が変動することで発生する位置精度の悪化を抑制することができる。

また、この発明に係る画像形成装置によれば、モータの起動時に電源電圧の変動によりモータへの入力電力が変動することで発生する位置精度の悪化を抑制でき、精度の高い用紙搬送制御を行うことができる。

この発明の一実施形態に係るモータ制御装置が搭載された画像形成装置の用紙給紙搬送部の構成を示す図である。 センサレスベクトル制御部の構成を示すブロック図である。 （Ａ）は起動時の指令値とモータの実速度の差異を、（Ｂ）は指令値とモータの位置ズレの関係を、それぞれ示す図である。 （Ａ）（Ｂ）はそれぞれ、複数のモータを同時に起動した場合において、各モータによって駆動されるローラのうち、一方のローラに位置ズレが発生した場合の問題点を説明するための図である。 （Ａ）（Ｂ）共に、電源電圧に応じて位置ズレ幅が変化していることを説明するための図である。 電源電圧に応じて電流値を補正する場合の電源電圧と電流値の関係を示すグラフである。 モータの複数の起動特性を説明するためのグラフである。 加速度及び／又は起動特性に応じて電流値を補正する場合の、電源電圧と電流値の関係を示すグラフである。 モータの起動時の制御処理を示すフローチャートである。

以下、この発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１はこの発明の一実施形態に係るモータ制御装置が搭載された画像形成装置１０の用紙給紙搬送部の構成を示す図である。

画像形成装置１０は、下部に給紙部２００が、中央部に画像形成部２０が、上部に排紙部６００がそれぞれ配備されて構成されている。給紙部２００から排紙部６００に渡っては給紙部２００から給紙ローラ１１１（１２１）を介して繰り出されたシート（用紙）を上方へ搬送するシート搬送路２０６が形成されている。

画像形成部２０は、画像形成装置１０の上下方向の略中央に配置された駆動ローラ５１及び従動ローラ５０と、これら駆動および従動ローラ５１，５０間に水平に掛設されて走行する中間転写ベルト６０と、図示は省略したが、この走行方向に沿って配置されたイエロー（Ｙ），マゼンタ（Ｍ），シアン（Ｃ），ブラック（Ｋ）の各色の作像ユニットとを備えている。

各作像ユニットで静電複写方式により作成されたトナー画像を重ね合わせて中間転写ベルト６０に転写し、シート搬送路２０６を搬送されてくるシート（用紙）に対して転写ベルト６０の搬送端（図中右端）で２次転写を行い、シートを定着部３００に送給してトナー画像の定着を行うようになっている。

給紙部２００は、この実施形態では図１に示すように、１段目の給紙カセット１１０と２段目の給紙カセット１２０という上下２段の給紙カセットを備えている。また、各給紙カセット１１０、１２０には、それぞれ、用紙を給紙するための給紙ローラ１１１、１２１と、給紙ローラ１１１、１２１を回転駆動させるためのモータ１１２、１２２と、モータ１１２、１２２の駆動を給紙ローラ１１１、１２１に伝達するため駆動伝達手段（ギアやプーリ等）等の構成部品（図示せず）が備えられており、モータの駆動を制御するために後述するモータ制御部が備えられている。

また、シート搬送路２０６には、上流側から順に縦搬送ローラ１３１、レジストローラ１３２、転写ローラ１３３及び排紙ローラ１３４等が配置され、各ローラはそれぞれモータ（図１では、搬送ローラ及びレジストローラを駆動するモータのみが示されている）１４１、１４２によって駆動される。

この実施形態では、モータ１１２、１２２、１４１、１４２としてセンサレスベクトル制御方式の３相ブラシレスモータが用いられている。

画像形成装置１０は本体制御部１００を備えている。この本体制御部１００は、画像形成装置１０の各部を統括的に制御する役割を果たすが、特にこの実施形態では、各モータ１１２、１２２、１４１、１４２を起動・減速・停止させるためのの起動・減速・停止命令等を発する。

図２は、各モータをセンサレスベクトル制御方式により制御するモータ制御部としてのセンサレスベクトル制御部３０の構成を示すブロック図である。この例ではモータ１１２を制御する場合を代表的に例示するが、他のモータを制御する場合も同様である。

センサレスベクトル制御部３０は、位置制御部３１と、電流制御部３２と、逆座標変換部３３と、３相ＰＷＭ変換部３４と、磁極位置推定部３５と、座標変換部３６と、電流検出部３７を備えている。

位置制御部３１は、上位制御部である前述した本体制御部１００から受け取った目標速度ないし目標位置と、磁極位置推定部３５から受け取った磁極（ロータ）の推定速度ないし推定位置の差から、電流値（Id*，Iq*）即ちトルクを決定し、電流制御部３２は決定された電流値（Id*，Iq*）を電圧値（Vd*，Vq*）に変換する。逆座標変換部３は回転座標から固定座標に逆座標変換を行うと共に、逆座標変換された２相の電圧から３相入力信号（Vu*，Vv*，Vw*）を求め、３相ＰＷＭ変換部３４へ出力する。３相ＰＷＭ変換部３４は、３相入力信号（Vu*，Vv*，Vw*）を３相のパルス信号に変換すると共にデューティ比を決定し、モータ１１２の駆動回路である３相インバータ３８へ出力し、３相インバータ３８は３相ＰＷＭ変換部３４から出力されたパルス信号に基づいてモータ１１２を駆動する。なお、「*」の付された値は目標値（指令値）であることを示している。

電流検出部３７は、３相インバータ３８から３相電流（Iu，Iv，Iw）を検出し、検出された３相電流は座標変換部３６で２相の電流へ変換されると共に固定座標から回転座標へと変換され、電流値（Id，Iq）として座標変換部３６から出力される。

磁極位置推定部３５は、座標変換部から出力された電流値（Id，Iq）と電流制御部３２からの電圧値（Vd*，Vq*）を基に磁極位置を推定する。

このように、センサレスベクトル制御部３０は電流や電圧から磁極ロータの角度や速度を推定するため、ホール素子やエンコーダは備えていない。

この実施形態では、センサレスベクトル制御部３０はさらに電圧検出部４１と補正部４２を備えている。電圧検出部４１は、画像形成装置１０の電圧供給装置から供給されるモータ１１２への電源電圧を検出し、異常電圧からモータ制御部３０を保護すると共に、電圧値を電流制御部３２へフィードバックして変調率を補正する役割を果たす。

補正部４２は、モータ１１２の起動時に、電圧検出部４１により検出された電源電圧の値に応じて、トルクを発生するｑ軸電流の電流値を補正する。補正を行う理由は次の通りである。

即ち、センサレスベクトル制御を行った場合、図３（Ａ）（Ｂ）のグラフに示すように、起動中に狙いのモータ回転角度(指令値)と実際のモータ１１２の回転角度(実力値)に回転量のズレ(位置ズレ)が発生している。図３（Ａ）は直線的な起動特性（加速度特性）で起動した時の指令値とモータの実速度の差異を、図３（Ｂ）は指令値とモータの位置ズレの関係を、それぞれ示している。

位置ズレの発生要因はフィードバックによる応答遅れで、起動時は目標位置（図３では指令値）が刻々と変化するため、制御系の応答遅れが発生しやすく、モータは指令値より遅れる。このため、画像形成装置１０の例えばレジストモータ１３２で用紙を搬送する場合、リアルタイムで指令値と実力値が合っていないと、印刷する用紙に色ずれや先端ずれ等が発生するため、指令値通りにモータ１３２を回転させる必要がある。また、複数のモータを同時に起動する場合、モータ同士にリアルタイムで位置ズレが発生してしまうと、用紙が引っ張られたり押されたりするので負荷が余計に発生し、さらに位置ズレも大きくなってしまう。

具体的には、図４（Ａ）に示すように、ローラ５１が指令値通りに起動し、ローラ５２に位置ズレが大きく発生した場合、ローラ５１が用紙５３を押し、たわみやしわが発生する。また、図４（Ｂ）に示すように、ローラ５１に位置ズレが大きく発生し、ローラ５２は指令値通りに起動した場合、ローラ５２が用紙５３を引っ張り、用紙やローラ５２に負荷がかかる。

このような位置ズレを抑制するため、従来では、制御系の中でパラメータの調整等を行い、位置ズレ量を最小化していた。

しかし、評価実験の結果、誤差要因として電源電圧を変化させてみると、電圧に応じて位置ズレ幅が変化していることがわかった。具体的には図５（Ａ）に示すように、低圧電源の電圧仕様−５％で実験した場合と、図５（Ｂ）に示すように、低圧電源の電圧仕様＋１０％で実験した場合とでは、＋１０％で悪化していた。つまり、電源電圧の変動が位置ズレに大きく影響していることが判明した。

特に、目標回転速度が同じでも到達時間（起動時間）が短い場合、影響が大きくなる。これは制御応答遅れへの寄与率と、必要加速トルクの違いに起因するもので、加速トルクはモータ印加電力で決定されるため、電圧の変動による影響がでている。電圧の変動は、電源供給装置のばらつきにより出力電圧が装置毎に異なる場合や、他のモータの動作状況により出力が変動する場合や、配線抵抗による電圧ロス変動などによって発生する。

そこでこの実施形態では、起動時に、電圧検出部４１による電源電圧の検出結果に基づいて、電流制御部３２内のパラメータである電流設定値（トルクを決定する電流値）を補正する。これにより、位置ズレ検出後に補正した場合に較べて、位置ズレ量が改善される。

補正の具体的な方法は、電源電圧の基準電圧をＶ１、そのときの電流値をＩｑ、電圧検出部４１により検出された電圧をＶａｄとすると、補正後の電流値Ｉｑ’は
Ｉｑ’＝Ｉｑ＊Ｋ＊Ｖ１／Ｖａｄ・・・式（１）
で決定される。ただし、Ｋは補正係数であり、実験等によって予め求められた値である。電源電圧と電流値の関係をグラフで示すと図６の通りである。図６のグラフにおいて、横軸は電源電圧であり縦軸は電流値である。

また、電源電圧に基づく補正に加えて、電流値は起動時の加速度、換言すれば起動時の目標速度と、起動開始から目標速度到達までの起動時間に応じても補正するのが、位置ズレ量を更に抑制できる点から望ましい。さらには、起動開始から目標速度到達までの起動特性に応じても補正しても良い。

画像形成装置１０における用紙搬送では、搬送シーケンスや搬送場所によって、各ローラを駆動するモータに異なる起動条件が設定されている。例えば、給紙ローラ１１１、１２１の駆動モータ１１２、１２２は図７の直線起動Ｄ１で示されるような起動特性にて直線的に加速し、起動時間ｔ１で目標速度Ｖ０に到達するように設定されている。また、レジストローラ１３２は図７のＳ字起動Ｄ２で示されるような起動特性にてＳ字状に速度を変え、例えば起動時間ｔ２（但しｔ２＞ｔ１）で目標速度Ｖ０に到達するように設定されている。また、縦搬送ローラ１３１は図７の直線起動Ｄ３で示される起動特性にて直線的に加速し、起動時間ｔ２で目標速度Ｖ０に到達するように設定されている。最大加速トルクは大きい順に、Ｓ字起動Ｄ２、直線起動Ｄ１、直線起動Ｄ３となる。

加速度及び／又は起動特性に応じて電流値を補正する場合は、前述した式（１）における補正係数Ｋの値を変更すれば良い。加速度及び／又は起動特性に応じて電流値を補正する場合の、電源電圧と電流値の関係の一例をグラフで示すと図８の通りである。図８のグラフにおいて、横軸は電源電圧であり縦軸は電流設定値である。図８の例では、直線起動Ｄ１とＳ字起動Ｄ２とは同じ補正係数であり、直線起動Ｄ３については同じ電源電圧値であっても電流値が小さくなるような補正係数が設定されている。

なお、加速度及び／又は起動特性に応じて電流値を補正した場合、加速トルクの発生しない定速回転中は、電流値を下げるように補正して電流値（補正値）を切り替えても良い。

この実施形態では、用紙搬送は予め設定された搬送シーケンスに従って行われ、基準電圧Ｖ１のときの電流値Ｉｑ、加速度、起動特性等も搬送シーケンスに従って予め設定されており、これらの設定に従って、補正後の電流値Ｉｑ’が決定される。

図９はモータの起動時の制御処理を示すフローチャートである。この例では、レジストローラ１３２を駆動するモータ１４２についての制御処理を示している。

ステップＳ０１では、待機中の処理として、電圧検出部４１により電源電圧を監視（検出）し、検出結果に応じて電流設定値Ｉｑ’を常時更新している。

ステップＳ０２では、本体制御部１００からモータ駆動指令を受信したかどうかを判断しており、受信していなければ（ステップＳ０２でＮＯ）、受信を待つ。受信すると（ステップＳ０２でＹＥＳ）、ステップＳ０３でモータ動作情報（目標速度、起動時間、起動特性）を受信する。

次いでステップＳ０４で、プリント動作を開始したのち、ステップＳ０５でモータの起動を開始する。次にステップＳ０６で、用紙がレジスト位置に達するまで低速駆動したのち、用紙がレジスト位置に到達したかどうかを判断する。到達していなければ（ステップＳ０７でＮＯ）、到達するまで待つ。到達すると（ステップＳ０７でＹＥＳ）、モータを停止する。

以上説明したように、この実施形態では、ブラシレスモータの電源電圧を検出する電圧検出部４１を備え、起動時に、電圧検出部４１により検出された電源電圧の値に応じてトルクを決定する電流値を補正するから、モータ１１２、１２２、１４１、１４２の起動時に電源電圧の変動によるモータへの入力電力の変動を抑制することができ、ひいては入力電力が変動することで発生する位置精度の悪化を抑制することができる。

また、この実施形態に係る画像形成装置１０によれば、モータの起動時に電源電圧の変動によりモータへの入力電力が変動することで発生する位置精度の悪化を抑制でき、精度の高い用紙搬送制御を行うことができる。

１０ 画像形成装置
３０ センサレスベクトル制御部
３１ 位置制御部
３２ 電流制御部
３３ 逆座標変換部
３４ ３相ＰＷＭ変換部
３５ 磁極推定部
３６ 座標変換部
３７ 電流検出部
３８ ３相インバータ
４１ 電流検出部
４２ 補正部
１００ 本体制御部
１１２、１２２、１４１、１４２ モータ

Claims (9)

1. センサレスベクトル制御によって駆動されるブラシレスモータと、
   前記ブラシレスモータのコイルの電流を検出する電流検出手段と、
   前記電流検出手段により検出された電流に基づいて磁極位置を推定する磁極位置推定手段と、
   指令値と前記磁極位置推定手段により推定された磁極位置の差とに基づいて、前記ブラシレスモータの電流値を決定する電流決定手段と、
   前記ブラシレスモータの電源電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記ブラシレスモータの起動時に、前記電圧検出手段により検出された電源電圧の値に応じて、前記電流決定手段で決定された電流値を補正する補正手段と、
   を備えたことを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記電流値はトルクを発生するｑ軸電流の電流値であり、前記補正手段は以下の計算式により電流値を補正する請求項１に記載のモータ制御装置。
   Ｉｑ’＝Ｉｑ＊Ｋ＊Ｖ１／Ｖａｄ
   ただしＩｑ’：補正後の電流値
   Ｉｑ：補正前の電流値、
   Ｖ１：基準電圧
   Ｖａｄ：電源電圧検出手段により検出された電圧
   Ｋ：補正係数
3. 前記補正手段は、前記ブラシレスモータの起動時の加速度に応じて前記電流値を補正する請求項１または２に記載のモータ制御装置。
4. 前記補正手段は、前記ブラシレスモータの起動時の目標速度と起動開始から目標速度到達までの起動時間とに応じて前記電流値を補正する請求項３に記載のモータ制御装置。
5. 前記補正手段は、前記ブラシレスモータの起動開始から目標速度到達までの起動特性に応じて前記電流値を補正する請求項３または４に記載のモータ制御装置。
6. 前記補正手段は、加速トルクの有無に応じて補正値を切り替える請求項１〜５の何れかに記載のモータ制御装置。
7. 前記補正手段は、加速中か定速回転中かに応じて補正値を切り替える請求項６に記載のモータ制御装置。
8. 請求項１〜７の何れかに記載のモータ制御装置を備え、前記ブラシレスモータは用紙搬送を行うためのモータであることを特徴とする画像形成装置。
9. 前記用紙搬送を行うための予め設定された搬送シーケンスに従って、前記電流決定手段は電流値を決定する請求項８に記載の画像形成装置。

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