JP2019195232A - モータ制御装置、搬送装置、画像形成装置、およびモータ制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】停止中のモータの発熱を抑えかつ予想される外乱トルクによる不要の回転を防ぐ。【解決手段】捲線に流れる電流による回転磁界によって永久磁石を用いた回転子が回転するモータを制御するモータ制御装置は、モータを停止させておく休止期間Tsにおいて、回転子の回転を抑制する固定磁界が生じるよう捲線に固定励磁電流Ihを流し続けるホールド制御を行い、休止期間Tsにおいて、予め定められたタイミング信号S1の入力を契機として固定磁界を強めるホールド強化制御を行い、回転開始タイミングtaが到来したときに、回転磁界を生じさせる回転励磁制御を開始する。【選択図】図7
Description
本発明は、モータ制御装置、搬送装置、画像形成装置、およびモータ制御方法に関する。
プリンタ、複写機、複合機などの画像形成装置は、シート(記録用紙)を収納部から取り出して搬送し、搬送中のシートに所定の位置で画像を印刷する。画像形成装置の内部の搬送路には、シートの長さよりも短い間隔でローラが配置されており、画像形成装置は、搬送路上の各位置をシートが所定のタイミングで通過するようにローラの回転駆動を制御する。
近年、ローラを回転させる駆動源においては、ステッピングモータからブラシレスモータへの置き換えによる省電力化が進んでいる。この種のブラシレスモータとしては、永久磁石に回転子に用いたものが一般的である。ブラシレスモータの捲線(コイル)に流す交流電流をd−q座標系のベクトルの成分として制御するベクトル制御によると、ブラシレスモータを効率よく滑らかに回転させることができる。
駆動システムを安価に構成するためにセンサレス型のブラシレスモータを用いる場合には、センサレスベクトル制御が行われる。
センサレスベクトル制御では、交流電流を決定するために、回転子の磁極位置をその回転により発生する誘起電圧に基づいて推定する。回転がある程度以上の速度になるまでは十分なレベルの誘起電圧が発生しないので、停止状態から回転させるときには、磁極位置を推定することなく回転磁界を生じさせるいわゆる強制転流により回転速度を所定値まで上げる。そして、強制転流からセンサレスベクトル制御に切り替えて回転を制御する。
ブラシレスモータのセンサレスベクトル制御に関わる先行技術として、特許文献1、2に記載の技術がある。
特許文献1には、強制転流に先立って回転子を所定の回転開始位置に引き込むためのロック電流(固定励磁電流)を徐々に増大させ、これにより回転子を確実に回転開始位置に停止させる技術が開示されている。
特許文献2には、停止させるための減速の途中で再起動が指令された場合に、回転速度が所定値以下まで低下しているときには、いったん回転子を特定の位置に引き込み、その後に強制転流を開始する制御シーケンスが開示されている。
なお、ステッピングモータの制御に関して、特許文献3,4に記載の先行技術がある。特許文献3には、ロータを初期位置に移動させる際に、コイルに流す励磁電流を漸次に増加させ、これにより移動時の騒音を抑制することが開示されている。特許文献4には、ロータの初期位置を決めるための初期励磁であるホールド制御を二回行うこととし、かつ一回目のホールド時間を二回目のホールド時間よりも短くすることにより、ホールド時の音を小さくすることが開示されている。
停止状態のブラシレスモータを強制転流により回転させるとき、回転子の磁極位置(回転角度位置)が不明である場合は、磁極位置を検知する初期位置推定を行った後に強制転流を開始する。初期位置推定を行うことによりその所要時間だけ回転開始が遅れるので、モータを起動するごとに初期位置推定を行うと、画像形成の生産性が低下する。ユーザが印刷を指示してから1枚目のシートが出力されるまでの時間であるFPOT(First Print Output Time) にも影響する。
そこで、モータを停止させるときまたはその後の適時において回転子を任意に定めた位置に引き込み、かつ次の回転までその位置で停止するよう回転子をホールド(保持)しておくことが考えられる。
しかし、回転子をホールドするための固定励磁電流(ホールド電流)を捲線に流し続けることになるので、停止中に捲線が発熱するという問題がある。特に、停止中に大きな外乱トルクが加わる場合には、その外乱トルクに抗する強い力で回転子をホールドする必要がある。保持力を強めるために電流値を大きくすると、発熱量が増える。もしも、この発熱量が捲線の仕様における限界温度を超えてしまうと、捲線の被覆材料(樹脂など)の劣化、破損、磁気作用の消失(インダクタンスの激減)などが起こり、モータが正常に動作しなくなるおそれがある。
上に述べた特許文献1、2の技術は、ブラシレスモータに関するものであるが、回転が停止している期間中の制御に関するものではないので、上に述べた停止中の発熱の問題を解決することはできない。
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、停止中のモータの発熱を抑えかつ予想される外乱トルクによる不要の回転を防ぐことができる制御装置および制御方法を提供することを目的とする。
本発明の実施形態に係るモータ制御装置は、捲線に流れる電流による回転磁界によって永久磁石を用いた回転子が回転するモータを制御するモータ制御装置であって、前記モータを停止させておく休止期間において、前記回転子の回転を抑制する固定磁界が生じるよう前記捲線に固定励磁電流を流し続けるホールド制御を行い、前記休止期間において、予め定められたタイミング信号の入力を契機として前記固定磁界を強めるホールド強化制御を行い、回転開始タイミングが到来したときに、前記回転磁界を生じさせる回転励磁制御を開始する。
本発明の実施形態に係る制御方法は、捲線に流れる電流による回転磁界によって永久磁石を用いた回転子が回転するモータを断続的に回転させるモータ制御方法であって、前記回転子を目標速度で回転させる制御として、センサレスベクトル制御を行い、前記回転子を停止させかつ次の回転開始タイミングまでホールドする制御として、前記回転子の磁極位置を停止位置に引き込む固定磁界を生成する電流を前記捲線に流し続ける固定励磁制御を行い、前記回転開始タイミングにおいて、前記磁極位置を前記停止位置から回転させる強制転流制御を開始し、その後にセンサレスベクトル制御に移行する制御方法であり、前記固定励磁制御は、前記回転子が停止するタイミングから前記回転開始タイミングまでの期間のうち、前記回転子を回転させる外力の発生が予想されるホールド強化区間における前記電流の電流値を他の区間における電流値よりも大きくするものである。
本発明によると、停止中のモータの発熱を抑えかつ予想される外乱トルクによる不要の回転を防ぐことができる。
図1には本発明の一実施形態に係るモータ制御装置21を備えた画像形成装置1の構成の概要が示され、図2にはモータ3の構成が模式的に示されている。
図1において、画像形成装置1は、タンデム型のプリンタエンジン10を備えた電子写真方式のカラープリンタである。画像形成装置1は、ネットワークを介して外部のホスト装置から入力されるジョブに応じて、カラーまたはモノクロの画像を形成する。画像形成装置1は、その動作を制御する制御回路100を有している。制御回路100は、制御プログラムを実行するプロセッサおよびその周辺デバイス(ROM、RAMなど)を備えている。
プリンタエンジン10は、4個のイメージングユニット11y,11m,11c,11kおよび中間転写ベルト12などを有している。
イメージングユニット11y〜11kの基本的な構成は同様であり、それぞれが筒状の感光体、帯電器、現像器、クリーナ、および露光用の光源などを有している。中間転写ベルト12は、一対のローラ間に巻回されて回転する。中間転写ベルト12の内側には、イメージングユニット11y〜11kごとに一次転写ローラが配置されている。
カラー印刷モードにおいて、イメージングユニット11y〜11kは、Y(イエロー)、M(マゼンタ)、C(シアン)、およびK(ブラック)の4色のトナー像を並行して形成する。4色のトナー像は、回転中の中間転写ベルト12に順次に一次転写される。最初にYのトナー像が転写され、それに重なるようMのトナー像、Cのトナー像、およびKのトナー像が順次に転写される。
トナー像の形成と並行して、底面側のシートカセット13からシート(記録用紙)2がピックアップローラ14Aにより引き出され、給紙ローラ14Bによりレジストローラ15(タイミングローラ)へ送られる。
レジストローラ15は、シート2が到着するときには停止している。シート3がレジストローラ15に突き当たると、シート2の先端部が撓んで先端縁がローラ軸と平行になる。その後、レジストローラ15は、中間転写ベルト12に一次転写されたトナー像とシート2とを位置合わせする適切なタイミングで回転駆動されてシート2を下流の印刷位置P3へ送り出す。このとき、先端縁がローラ軸と平行な状態、つまり搬送方向M1に対するシート2の傾き(スキュー)が補正され状態で搬送される。印刷位置P3は、中間転写ベルト12が二次転写ローラ16と対向する位置である。
一次転写されたトナー像は、印刷位置P3において、レジストローラ15により搬送されてきたシート2に二次転写される。二次転写の後、シート2は、定着器17の内部を通って上部の排紙トレイ19へ送り出される。定着器17を通過するとき、加熱および加圧によってトナー像がシート2に定着する。
画像形成装置1は、感光体、現像器、および各種のローラなどの回転体を回転させる駆動源として、複数のモータを備えている。そのうちの1つであるモータ3は、レジストローラ15を回転駆動する。このモータ3は、モータ制御装置21により制御される。モータ制御装置21は、制御回路100からの指令に従ってモータ3を回転させたり停止させたりする。
シート2の搬送経路におけるレジストローラ15の上流側には、シート2がレジストローラ15に近づいたことを検知するためのシートセンサ51が配置されている。また、レジストローラ15の上流側の近傍には、シート2が撓んで適度なループ(湾曲部)が形成されたことを検知するためのループセンサ52が配置されている。
図2において、モータ3,3bは、センサレス型の永久磁石同期電動機(PMSM:Permanent Magnet Synchronous Motor)である。
図2(A)に示すモータ3は、回転磁界を発生させる電機子としての固定子31と、永久磁石を用いたインナー式の回転子32とを備えている。固定子31は、電気角120°間隔で配置されたU相、V相、W相のコア36,37,38、およびY結線された3つの捲線(コイル)33,34,35を有している。U相、V相およびW相の3相交流電流を捲線33〜35に流してコア36,37,38を順に励磁することによって回転磁界が生じる。回転子32は、この回転磁界に同期して回転する。
このようなモータ3に代えて、図2(B)に示すモータ3bを画像形成装置1に実装することができる。モータ3bは、回転磁界を発生させる固定子31bと、永久磁石を用いたアウター式の回転子32bとを備えている。固定子31bは、電気角120°間隔で配置されたU相、V相、W相のコア36b,37b,38b、およびY結線された3つの捲線33b,34b,35bを有している。モータ3bもモータ3と同様に回転磁界に同期して回転する。
図2に示す例では回転子32,32bの磁極数は2である。ただし、回転子32,32bの磁極数は2に限らず、4または6以上であってもよい。また、固定子31,31bのスロット数は3に限らない。いずれにしても、モータ3,3bに対して、d−q軸座標系を基本とした制御モデルを用いて磁極位置および回転速度の推定を行うベクトル制御(センサレスベクトル制御)が、モータ制御装置21により行われる。
なお、以下において、回転子32のS極およびN極のうちの黒丸で示すN極の回転角度位置を、回転子32の「磁極位置PS」ということがある。また、回転子32の回転中心から磁極位置PSへ向かう方向を「磁極方向」ということがある。
図3にはモータ3の駆動シーケンスの例が示されている。
上に述べたように画像形成装置1では、レジストローラ15を用いて画像とシート2との位置合わせ(レジストレーション)およびシート2のスキュー補正が行われる。このため、複数枚のシート2を使用するジョブにおいて、1枚のシート2を印刷位置P3へ送り出すごとにレジストローラ15を停止させるよう、モータ3を断続的に回転させる制御が行われる。
図3の例では、2枚のシート2を使用するジョブJ1を実行し、ジョブJ1の終了から例えば数分以上の時間が経過した後にジョブJ2が入力される場合が想定されている。ジョブJ1を開始する時点において回転子32の磁極位置PSは不明である。また、回転が停止してから次の回転までの休止期間Tsにおいて固定励磁により回転子32をホールドする「休止中ホールドモード」が設定されているものとする。
ジョブJ1においては、1枚目のシート2を印刷位置P3へ送り出すのに先立って、磁極位置PSを検知する初期位置推定を行う。初期位置推定の方法として、例えば公知のインダクティブセンシングを用いることができる。
1枚目のシート2を送り出すべき回転開始タイミングta(ta1)で強制転流を開始し、回転速度が所定値以上になったときにセンサレスベクトル制御に切り替える。シート2が印刷位置P3を通過するときには回転速度を一定に保ち、シート2がレジストローラ15から抜け出た直後に停止指令が発せられると、停止のための減速を開始する。回転速度が所定値まで低下すると、センサレスベクトル制御から固定励磁に切り替えて回転子32を所定の停止位置に引き込む。
回転子32が停止する回転停止タイミングtb(tb1)から2枚目のシート2を送り出すべき回転開始タイミングta(ta2)までのジョブ内の休止期間Tsにおいて、引込みから引き続いて固定励磁により回転子32をホールドする。回転開始タイミングta2が到来すると、1枚目と同様に、強制転流、センサレスベクトル制御、および固定励磁による引込みを順に行う。
回転子32が停止する回転停止タイミングtb2でジョブJ1における回転駆動が終了するが、その後のジョブ間の休止期間Tsにおいても、ジョブJ1における停止時の引込みから引き続いて固定励磁を行って回転子32をホールドし続ける。これにより、次のジョブJ2における初期位置推定を省略することができ、ジョブJ2のFPOTを短縮することができる。
ジョブJ2においては、初期位置推定を省略すること以外はジョブJ2と同様に、1枚のシート2を印刷位置P3へ送り出すごとに強制転流、センサレスベクトル制御、および固定励磁による引込みを順に行う。そして、回転が停止している休止期間Tsにおいて回転子32をホールドし続ける。
さて、休止中ホールドモードでは、ジョブの入力を待つ待機時においてもホールドのための固定励磁を行い続けるので、捲線33〜35が過熱状態になるおそれがある。そこで、画像形成装置1には、休止期間Tsにおけるモータ3の発熱を必要最小限に抑えかつ予想される外乱トルクによる不要の回転を防ぐモータ制御機能が実装されている。以下、このモータ制御機能を中心に画像形成装置1の構成および動作を説明する。
図4には画像形成装置1におけるモータ制御に関わる要部の構成が、図5にはモータ制御装置21の構成の概要が、それぞれ示されている。
図4において、画像形成装置1は、シート搬送装置200を有している。シート搬送装置200は、レジストローラ15、モータ3、シートセンサ51、ループセンサ52、およびモータ制御装置21などから構成される。
シートセンサ51による検出信号S51、およびループセンサ52による検出信号S52は、制御回路100に入力される。
モータ制御装置21は、後に述べるホールド電流Ihの複数の設定内容を示すホールド設定テーブルD3を記憶している。モータ制御装置21には、ホールド設定テーブルD3から読み出すべき設定内容を指定するモード通知、起動/停止指令、タイミング信号S1、および回転開始信号S2などが制御回路100から入力される。
制御回路100は、動作モード管理部101を有する。動作モード管理部101は、画像形成装置1において設定される各種の動作モードを管理する。動作モードは、ユーザまたはサービスパーソンによる指定に応じて設定され、または画像形成装置1の各部の状態に応じて自動的に設定される。動作モード管理部101は、休止中ホールドモードが設定されている場合に、その旨を示す情報をモード通知に含めることによってモータ制御装置21に与える。
図5において、モータ制御装置21は、ベクトル制御部24、モータ駆動部26、電流検出部27、およびホールド設定テーブルD3を不揮発性メモリにより記憶する記憶部28を有している。
モータ駆動回路26は、モータ3の捲線33〜35に電流を流して回転子32を駆動するための3相インバータであり、3つのデュアル素子261,262,263、およびプリドライブ回路265を有する。
各デュアル素子261〜263は、特性の揃った2つのトランジスタ(例えば、電界効果トランジスタ:FET)を直列接続してパッケージに収めた回路部品である。
デュアル素子261〜263によって、直流電源ライン211から接地ラインへ捲線33〜35を介して流れる電流Iが制御される。詳しくは、デュアル素子261のトランジスタQ1,Q2によって、捲線33を流れる電流Iuが制御され、デュアル素子262のトランジスタQ3,Q4によって、捲線34を流れる電流Ivが制御される。そして、デュアル素子263のトランジスタQ5,Q6によって、捲線35を流れる電流Iwが制御される。
プリドライブ回路265は、ベクトル制御部24から入力されるパルス幅変調された制御信号であるPWM信号U+,U−,V+,V−,W+,W−を、各トランジスタQ1〜Q6に適した電圧レベルに変換する。変換後のPWM信号U+,U−,V+,V−,W+,W−が、トランジスタQ1〜Q6の制御端子(ゲート)に入力される。
電流検出部27は、捲線33,34に流れる電流Iu,Ivを検出する。Iu+Iv+Iw=0であるので、検出した電流Iu,Ivの値から計算によって電流Iwを求めることができる。なお、W相の電流を検出してもよい。
電流検出部27は、電流Iu,Ivの流路に挿入されているシャント抵抗による電圧降下を増幅してA/D変換し、電流Iu,Ivの検出値として出力する。すなわち、2シャント方式の検出を行う。シャント抵抗の抵抗値は1/10Ωオーダーの小さい値である。電流Iu,Ivの検出値は、ベクトル制御部24において、d−q軸座標系の推定電流値の算出などに用いられる。
図6にはホールド設定テーブルD3の内容の例が、図7にはモータ3に流すホールド電流Ihの電流値Ih1,Ih2,Ih3の切替えの第1例が、図8にはモータ3に流すホールド電流Ihの電流値Ih1,Ih2の切替えの第2例が、それぞれ示されている。
なお、図7においては、制御のタイミングチャートとともに複数のタイミングのそれぞれにおけるシート2の搬送状態が模式的に描かれている。
図6の例においては、図3に示した休止期間Tsにおいてホールドのために捲線33〜35に流すホールド電流(固定励磁電流)Ihの電流値について、4つの設定(A1、A2、B1、B2)が定められている。
設定A1および設定A2は、休止期間Tsの全体にわたってホールド電流Ihを流して積極的にホールドする休止中ホールドモードにおいて適用される。設定B1および設定B2は、休止期間Tsのうちの外乱トルクが加わることが予想されるホールド強化区間Ts2にのみ積極的にホールドする「強化区間ホールドモード」において適用される。強化区間ホールドモードは、モータ3と回転駆動対象(レジストローラ)と伝達機構とを含む回転駆動系が多少の外力では回転しない特性を有する場合、または画像形成装置1を揺らす振動が発生するおそれの小さい環境で使用される場合などに選択される。
設定A1では、第1電流値Ih1を1アンペアとし、第2電流値Ih2を4アンペアとし、第3電流値Ih3を5アンペアとする。
第1電流値Ih1は、休止期間Tsのうちの外乱トルクが加わるおそれが小さい通常ホールド区間Ts1にホールド電流Ihとして直流電源ライン260からモータ3に流す電流Iの電流値である。
第2電流値Ih2および第3電流値Ih3は、外乱トルクが加わると予想されるホールド強化区間Ts2にモータ3に流す電流Iの電流値であり、第1電流値Ih1よりも大きい。第3電流値Ih3は、ホールド強化区間Ts2の中でも特に大きい外乱トルクが加わると予想されるときに流すホールド電流Ihの電流値であり、第2電流値Ih2よりも大きい。
設定A2では、第1電流値Ih1を設定A1と同じく1アンペアとする。そして、第2電流値Ih2を5アンペアとする。設定A2では、第3電流値Ih3を定めない。これは、ホールド強化区間Ts2にわたって第2電流値Ih2のホールド電流Ihを流すことを意味する。
設定B1および設定B2では、第1電流値Ih1を0アンペアとする。つまり、通常ホールド区間Ts1においてはホールド電流Ihを流さない。
ホールド強化区間Ts2の電流値については、設定B1は設定A1と同様であり、設定B2は設定A2と同様である。
図7に示す第1例は、レジストローラ15の回転駆動において設定A1を適用するものである。図7において、回転停止タイミングtbから回転開始タイミングtaまでの休止期間Tsのうち、回転停止タイミングtbからタイミングt2までが通常ホールド区間Ts1とされ、タイミングt2から回転開始タイミングtaまでがホールド強化区間Ts2とされている。
通常ホールド区間Ts1においては、回転子32の不意の回転を抑制する必要最小限の固定磁界が生じるよう第1電流値Ih1のホールド電流Ihを捲線33〜35に流すホールド制御が行われる。
通常ホールド区間Ts1中のタイミングt0において、シート2は給紙ローラ14Bにより搬送されてレジストローラ15に向けて移動している。シート2は、シートセンサ51の検出位置に到着しておらず、シートセンサ51はオフである。
タイミングt1において、シート2がシートセンサ51の検出位置に到着すると、シートセンサ51がオフからオンに切り替わり、これに同期して直ちにタイミング信号S1が制御回路100からモータ制御装置21に入力される。
モータ制御装置21は、タイミング信号S1の入力を契機として、時間T1の計時を開始する。時間T1は、タイミングt2からシート2がレジストローラ15に突き当たるタイミングt3までの移動時間Tmよりも短い時間である。移動時間Tmは、シートセンサ51とレジストローラ15との距離、および搬送速度により決まり、例えば0.1〜0.5秒程度である。移動時間Tmと時間T1との差は、ホールド電流Ihの切替え処理に必要な僅かな時間とされ、時間T1は、ほぼ移動時間Tmと等しい。休止期間Tsにおける発熱を抑える上で、時間T1をできるだけ長くするのが好ましい。
タイミングt1から時間T1が経過したタイミングt2において、モータ制御装置21は、回転子32をホールドする固定磁界を強めるホールド強化制御を行う。具体的には、ホールド電流Ihの電流値を第1電流値Ih1(1アンペア)から第2電流値Ih2(4アンペア)に増大させる。
タイミングt3において、シート2がレジストローラ15に突き当たり、その衝撃が外乱トルクとしてモータ3に伝わる。しかし、ホールド強化制御によりホールド力が強められているので、回転子32は回転しない。
シート2がレジストローラ15に突き当たった後も搬送は続けられ、シート2は、そのの先端縁がローラ軸と平行になるよう撓み出す。先端縁がローラ軸と平行になった後も暫くは搬送が続き、先端部がさらに撓んでループが大きくなる。
シート2が撓むと、平らになろうとするシート2の復元力が押圧力としてレジストローラ15に加わる。この押圧力が外乱トルクとなって回転子32を回転させるおそれがある。
そこで、モータ制御装置21は、タイミングt3の少し後のタイミングt4において、ホールド電流Ihの電流値を第2電流値Ih2から第3電流値Ih3(5アンペア)に増大させて固定磁界をさらに強める。その後、休止期間Tsの終了まで、第3電流値Ih3によるホールドが続けられる。
第3電流値Ih3によるホールドが行われているタイミングt5において、シート2の先端縁はローラ軸と平行になっており、先端部が幅方向の全長にわたって撓んでいる。
タイミングt5より後の回転開始タイミングtaにおいて、制御回路100からモータ制御装置21に回転開始信号Saが入力される。言い換えれば、回転開始信号Saが入力されるタイミングが回転開始タイミングtaである。
回転開始タイミングtaは、レジストローラ15から印刷位置P3までの搬送時間を見込んでシート2の適切な位置にトナー像が二次転写されるよう定められる。例えば、タイミングt1から所定の時間Tnが経過したタイミングを回転開始タイミングtaとすることができる。または、ループセンサ52によりシート2のループが所定の大きさになったことを検知したタイミングを回転開始タイミングtaとしてもよい。
回転開始信号Saが入力されると、モータ制御装置21は、回転子32をホールドされている位置から回転させる強制転流を開始する。すなわち、回転磁界を生じさせる回転励磁制御を開始する。図中のタイミングt6においては、モータ3が回転しており、レジストローラ15によりシート2が搬送されている。シート2の先端側の一部分がレジストローラ15から抜け出ているが、シート2はシートセンサ51を通り過ぎてはいない。
タイミングt7において、モータ制御装置21は、強制転流からセンサレスベクトル制御に切り替える。タイミングt8において、シート2がシートセンサ51を通り過ぎ、タイミング信号S1がオフになる。
なお、シートセンサ51とレジストローラ15との距離、搬送速度、および強制転流における速度変化率の設定によっては、タイミングt8がタイミングt7の前になることがあり、タイミングt6の前になることもある。
図7の第1例の変形として、タイミングt2とタイミングt4とにおいて段階的にホールド電流Ihを大きくする処理に代えて、図中に破線で示すようにホールド電流Ihを連続的に大きくする処理をホールド強化制御として行ってもよい。
例えば時定数回路を用いてホールド電流Ihを増大させると、電流値を切り替える処理を1回だけ行えばよく、段階的な切替えを行う場合と比べて制御の負担が小さくなる。図示の例では、タイミングt3で電流値が第2電流値Ih2以上となるよう、タイミングt1から時間T1bが経過したときにホールド電流Ihの増大が開始されている。時間T1bは、時間T1よりも短い。
図8に示す第2例は、レジストローラ15の回転駆動において設定A2を適用するものである。図8においては、回転停止タイミングtbから回転開始タイミングtaまでの休止期間Tsのうち、回転停止タイミングtbからタイミングt1までが通常ホールド区間Ts1とされ、タイミングt1から回転開始タイミングtaまでがホールド強化区間Ts2とされている。
通常ホールド区間Ts1においては、図7の第1例と同様に、第1電流値Ih1のホールド電流Ihを捲線33〜35に流すホールド制御が行われる。
タイミングt1において、シート2がシートセンサ51の検出位置に到着し、制御回路100からモータ制御装置21にタイミング信号S1が入力される。
モータ制御装置21は、タイミング信号S1が入力されると、回転子32をホールドする固定磁界を強めるホールド強化制御を直ちに行う。すなわち、ホールド電流Ihの電流値を第1電流値Ih1から第2電流値Ih2に増大させる。設定A2における第2電流値Ih2は5アンペアであるので、1アンペアから5アンペアへ増大させる。
その後、モータ制御装置21は、休止期間Tsの終了まで第2電流値Ih2によるホールドを続ける。
このようにホールド電流Ihの電流値を第1電流値Ih1から第2電流値Ih2に増大させるホールド強化制御は、図中に破線で示すように電流値を連続的に増大させるものでもよい。
次に、ホールド電流Ihの電流値を切り替えるための回路構成について述べる。
図9にはモータ制御装置21におけるベクトル制御部24の構成が、図10にはモータ3のd−q軸モデルが示されている。モータ3のベクトル制御では、捲線33〜35に流れる3相の交流電流を、回転子32である永久磁石と同期して回転している2相の捲線に流す直流電流に変換して制御を簡単化する。
図10のように永久磁石の磁束方向(N極の方向)をd軸とし、d軸から電気角でπ/2[rad](90°)進んだ方向をq軸とする。d軸およびq軸はモデル軸である。U相の捲線33を基準とし、これに対するd軸の進み角をθと定義する。この角度θは、U相の捲線33に対する磁極の角度位置(磁極位置PS)を示す。d−q座標系は、U相の捲線33を基準としてこれより角度θだけ進んだ位置にある。
モータ3は回転子32の角度位置を検出する位置センサを有していないので、モータ制御装置21において回転子32の磁極位置PSを推定する必要がある。その推定した磁極位置を示す推定角度θmに対応してγ軸を定め、γ軸よりも電気角でπ/2進んだ位置をδ軸に定める。γ−δ座標系は、U相の捲線33を基準としてこれより推定角度θmだけ進んだ位置にある。角度θに対する推定角度θmの遅れを、Δθと定義する。
図9において、ベクトル制御部24は、制御回路100からの指令に含まれる速度指令値ω*に応じてモータ駆動部26を制御する。停止指令が入力されると回転子32が停止するようモータ駆動部26を制御し、休止中ホールドモードの場合は次の回転開始タイミングtaまで回転子32をホールドするようモータ駆動部26を制御する。
回転子32を停止させる制御として、ベクトル制御部24は、磁極位置PSを停止位置に引き込んで停止させる固定磁界を生成する電流を、推定された磁極位置PSに基づいて決定する。そして、決定した電流が捲線33〜35に流れるようにするPWM信号U+,U−,V+,V−,W+,W−をモータ駆動部26に与える。
また、回転子32をホールドする制御として、ベクトル制御部24は、引込み時に引き続いて固定磁界を生成する第1電流値Ih1のホールド電流Ihが流れるようモータ駆動部26を制御する。そして、ホールド強化区間Ts2において、第2電流値Ih2または第3電流値Ih2のホールド電流Ihが流れるようPWM信号U+,U−,V+,V−,W+,W−を変更する。詳しくは次の通りである。
ベクトル制御部24は、速度制御部41、電流制御部42、出力座標変換部43、PWM変換部44、および入力座標変換部45を有する。制御回路100からの指令、通知、およびタイミング信号などは速度制御部41に入力される。
このベクトル制御部24に加えて、モータ制御装置21は、速度・位置推定部25、および記憶部28を有している。記憶部28には、ホールド設定テーブルD3、回転子32の引込みに関わる角度dθ、および強制転流のための制御データなどが記憶されている。
センサレスベクトル制御においては、次の処理が行われる。
速度制御部41は、制御回路100からの速度指令値ω*と速度・位置推定部25からの速度推定値ωmとに基づいて、速度推定値ωmが速度指令値ω*に近づくようにγ−δ座標系の電流指令値Iγ*,Iδ*を決定する。
電流制御部42は、電流指令値Iγ*,Iδ*に基づいて、γ−δ座標系の電圧指令値Vγ*,Vδ*を決定する。
出力座標変換部43は、速度・位置推定部25からの推定角度θmに基づいて、電圧指令値Vγ*,Vδ*をU相、V相、およびW相の電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*に変換する。
PWM変換部44は、電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*に基づいて制御信号U+,U−,V+,V−,W+,W−を生成し、モータ駆動部26へ出力する。制御信号U+,U−,V+,V−,W+,W−は、モータ3に供給する3相交流電力の周波数および振幅をパルス幅変調(PWM: Pulse Width Modulation )により制御するための信号である。
入力座標変換部45は、電流検出部27により検出されたU相の電流IuおよびV相の電流Ivの各値からW相の電流Iwの値を算出する。そして、速度・位置推定部25からの推定角度θmと3相の電流Iu,Iv,Iwの値とに基づいて、γ−δ座標系の推定電流値Iγ,Iδを算出する。つまり、電流について3相から2相への変換を行う。
速度・位置推定部25は、入力座標変換部45からの推定電流値Iγ,Iδと電流制御部42からの電圧指令値Vγ*,Vδ*とに基づいて、いわゆる電圧電流方程式に従って速度推定値ωmおよび推定角度θmを求める。
求められた速度推定値ωmは、速度制御部41に入力され、求められた推定角度θmは、速度制御部41、出力座標変換部43、および入力座標変換部45に入力される。
このようなベクトル制御部24の各部および速度・位置推定部25により、モータ駆動部26が制御されてモータ3が回転駆動される。
さて、モータ制御装置21は、停止指令が入力されると、減速制御を開始する。減速制御は、センサレスベクトル制御に限らず、いわゆる3相短絡式のショートブレーキ制御またはフリーラン制御であってもよい。
回転速度ωが磁極位置PSの推定が可能な下限値付近まで低下すると、モータ制御装置21は、減速制御に代えて、回転子32の磁極を所定の停止位置に引き込んで停止させる引込み制御を行う。引込み制御は固定磁界を生成する固定励磁制御である。
引込み制御には、速度・位置推定部25による推定角度θmを用いる。永久磁石の磁束方向を示すd軸は、推定角度θmによって決定されるγ軸とほぼ同じであるので、d軸およびq軸を、γ軸およびδ軸と等しいものとして扱う。
また、d軸およびq軸は、永久磁石の磁束方向を理想的に示す軸であるが、実際に推定角度θmを経て推定されまたは検知されるのはγ軸およびδ軸であるので、実際の制御においてはγ軸およびδ軸を用いてよい。つまり、本発明において、d−q軸に代えてγ軸−δ軸を用いることができ、また、Id、Iq、θなどについてもこれに代えてIγ、Iδ、θmを用いることができる。
引込み制御において、モータ制御装置21は、回転子32の回転中心から停止位置へ向かう磁界ベクトルを定める。磁界ベクトルは、回転子を停止位置に引き込む磁界を表わす。
磁界ベクトルの向きを定める停止位置は、磁極位置PSに対する進み方向および遅れ方向のそれぞれのずれ量が電気角で最大180度である範囲内の位置とされる。
本例において、停止位置は、そのときの磁極位置PSを基準に決定する相対的な位置であるものとする。ただし、予め定められる固定の位置(絶対的な位置)であってもよい。停止位置を相対的な位置とする際の磁極位置PSから停止位置までの角度dθが、予め定められて記憶部28により記憶されている。
磁界ベクトルを定めることは、磁界ベクトルと同じ向きの電流ベクトルを定めることに相当する。電流ベクトルは、回転子32を停止位置に引き込む磁界を生成するために捲線33〜35に流すべき電流を表わす。
電流ベクトルを定めることは、モータ駆動部26を制御するための実際の処理の上では、電流ベクトルの向きと大きさとを設定することである。電流ベクトルの向きとして、d軸の角度位置を示す角度θmを設定する。そして、電流ベクトルの大きさとして、電流ベクトルのd軸成分Idおよびq軸成分Iqを設定する。
電流ベクトルの大きさをIとすると、d軸成分Idおよびq軸成分Iqは、次の式で表わされる。
Id=I×cos(dθ)
Iq=I×sin(dθ)
ところで、速度制御部41は、減速制御から引込み制御に切り替えるときに、固定励磁を行う期間であることを示す固定励磁モード信号S2を出力する。この固定励磁モード信号S2は、強制転流を開始する回転開始タイミングtaまで、電流制御部42および出力座標変換部42に入力され続ける。
Iq=I×sin(dθ)
ところで、速度制御部41は、減速制御から引込み制御に切り替えるときに、固定励磁を行う期間であることを示す固定励磁モード信号S2を出力する。この固定励磁モード信号S2は、強制転流を開始する回転開始タイミングtaまで、電流制御部42および出力座標変換部42に入力され続ける。
引込み制御において、速度制御部41は、速度・位置推定部25から磁極位置PSを示す最新の推定角度θmを取得して出力座標変換部43に与える。出力座標変換部43は、与えられた電流指令値Id*、Iq*を新たに与えられるまで記憶する。
速度制御部41は、引込みのための電流ベクトルの大きさ(I)を決定する。本例では、第1電流値Ih1に対応した大きさに決定するものとする。また、記憶部28から角度dθを取得し、電流ベクトルのd軸成分Idおよびq軸成分Iqを算出する。そして、d軸成分Idを電流指令値Id*として、q軸成分Iqを電流指令値Iq*として、電流制御部42に与える。電流制御部42は、与えられた電流指令値Id*,Iq*を新たに与えられるまで記憶する。
電流制御部42は、速度制御部41からの固定励磁モード信号S2がオンのときは、電流指令値Iγ*,Iδ*に代えて電流指令値Id*,Iq*に基づいて電圧指令値Vγ*,Vδ*を決定する。引込み制御中に入力される電流指令値Id*,Iq*は一定のままであるので、最初に決定した電圧指令値Vγ*,Vδ*を出力し続けることになる。
出力座標変換部43は、固定励磁モード信号S2がオンのときは、速度・位置推定部25からの推定角度θmに代えて、速度制御部41からの推定角度θmに基づいて、電圧指令値Vγ*,Vδ*を電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*に変換する。引込み制御中に入力される電圧指令値Vγ*,Vδ*が一定のままであるので、最初に決定した電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*を出力し続けることになる。
ホールト強化区間Ts2におけるタイミングt2,t4(図7参照)において、速度制御部41は、記憶部28から第2電流値Ih2または第3電流値Ih3を取得する。取得した電流値に対応するよう電流ベクトルの大きさ(I)を変更し、変更後の電流ベクトルのd軸成分Idおよびq軸成分Iqを算出する。このとき、角度dθは引込み時と同じ値とする。そして、算出したd軸成分Idを電流指令値Id*として、同じくq軸成分Iqを電流指令値Iq*として、電流制御部42に与える。
これにより、電流制御部42、出力座標変換部43、およびPWM変換部44がそれぞれ変更後の電流ベクトルに対応する信号を出力することから、制御信号U+,U−,V+,V−,W+,W−が変更されてモータ3に流れるホールド電流Ihの電流値が切り替わる。
図11にはモータ制御装置21における処理の流れが示されている。
モータ制御装置21は、モータ3の回転子23が停止しているときに、タイミング信号S1が入力されるまで、ホールド制御を行う(#201、#202でNO)。ホールド制御では、第1電流値Ih1のホールド電流Ihを捲線33〜35に流す。
タイミング信号S1が入力されると(#202でYES)、それを契機とするタイミング、すなわち直ちにまたは所定時間の経過時にホールド強化制御を行う(#203)。ホールド強化制御では、第1電流値Ih1よりも大きい第2電流値Ih2のホールド電流Ihを捲線33〜35に流す。
ホールド強化制御を続けて回転開始タイミングtaの到来を待ち(#204)、回転開始タイミングtaが到来すると(#204でYES)、強制転流制御を開始する(#205)。
モータ3の回転速度が所定値以上まで増大すると(#206でYES)、強制転流制御からセンサレスベクトル制御に切り替えてモータ3を制御する(#207)。
停止指令が入力されると(#208でYES)、センサレスベクトル制御から停止制御に移行する(#209)。停止制御として、減速制御と引込み制御とを順に行う。
以上の実施形態によると、休止期間Tsを小さいホールド電流を流す通常ホールド区間Ts1と大きいホールド電流を流すホールド強化区間Ts2とに区分するので、停止中のモータ3の発熱を抑えかつ予想される外乱トルクによる不要の回転を防ぐことができる。
また、休止期間Tsに入力された印刷ジョブを実行する際に初期位置推定を省略することができ、1枚目の印刷物が出力されるまでの所要時間(FPOT)を短縮することができる。
上に述べた実施形態においては、モータ3による回転駆動の対象をレジストローラ15とし、シートセンサ51のオンをタイミング信号S1の基準としたが、回転駆動の対象およびタイミング信号S1の発生の態様はこれに限らない。回転駆動の対象は、感光体、現像ローラ、トナー補給部のスクリューその他の回転体でもよい。制御回路100が、制御用のカウンタの値が所定値になったときに、または所定の時刻にタイミング信号S1を出力してもよい。
例えば、ジョブの入力を待つ待機中にモータ3の駆動対象とは別の可動体を移動させることが決まっており、その移動にモータ3に影響する振動が伴う場合に、制御回路100は、可動体を移動させる直前にタイミング信号S1を出力する。
上に述べた実施形態においては、休止期間Tsの終盤をホールド強化区間Ts2とするものであったが、終盤以外をホールド強化区間Ts2とすることもできる。また、必要に応じて休止期間Ts中に複数のホールド強化区間Ts2を設けてもよい。ただし、休止期間Tsにおけるホールド強化区間Ts2の占める割合が小さいのが、モータ3の発熱を抑える上で好ましい。
タイミング信号S1を制御回路100からモータ制御装置21に入力する代わりに、シートセンサ51の検出信号S51そのものをタイミング信号S1としてシートセンサ51からモータ制御装置21に入力してもよい。
ホールド電流Ihの電流値の切替えは、3段以上の段階的な切替えであってもよい。また、ホールド強化制御は、直流電源ライン260の出力電圧を切り替えることによって固定磁界の強度を強める制御であってもよい。
モータ制御装置21は、制御対象のモータ3を備える任意の装置に設けることができ、画像形成装置1に組み込まれるものに限らない。
その他、画像形成装置1およびモータ制御装置21のそれぞれの全体または各部の構成、処理の内容、順序、またはタイミング、ホールド電流Ihの電流値Ih1〜Ih3、しきい値thDL、設定値thDdなどは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。
1 画像形成装置
2 シート(物体)
3 モータ(搬送モータ)
10 プリンタエンジン
15 レジストローラ(搬送部材)
21 モータ制御装置
32 回転子
33〜35 捲線
51 シートセンサ(センサ)
200 シート搬送装置(搬送装置)
I 電流
Ih ホールド電流(固定励磁電流)
Ih1 第1電流値(電流値)
Ih2 第2電流値(電流値)
Ih3 第3電流値(電流値)
M1 搬送方向(移動方向)
P3 印刷位置(下流側の位置)
S1 タイミング信号
S51 検出信号
ta 回転開始タイミング
T1 時間(設定時間)
Tm 移動時間
Ts 休止期間
ω* 速度指令値(目標速度)
2 シート(物体)
3 モータ(搬送モータ)
10 プリンタエンジン
15 レジストローラ(搬送部材)
21 モータ制御装置
32 回転子
33〜35 捲線
51 シートセンサ(センサ)
200 シート搬送装置(搬送装置)
I 電流
Ih ホールド電流(固定励磁電流)
Ih1 第1電流値(電流値)
Ih2 第2電流値(電流値)
Ih3 第3電流値(電流値)
M1 搬送方向(移動方向)
P3 印刷位置(下流側の位置)
S1 タイミング信号
S51 検出信号
ta 回転開始タイミング
T1 時間(設定時間)
Tm 移動時間
Ts 休止期間
ω* 速度指令値(目標速度)
Claims (11)
- 捲線に流れる電流による回転磁界によって永久磁石を用いた回転子が回転するモータを制御するモータ制御装置であって、
前記モータを停止させておく休止期間において、前記回転子の回転を抑制する固定磁界が生じるよう前記捲線に固定励磁電流を流し続けるホールド制御を行い、
前記休止期間において、予め定められたタイミング信号の入力を契機として前記固定磁界を強めるホールド強化制御を行い、
回転開始タイミングが到来したときに、前記回転磁界を生じさせる回転励磁制御を開始する、
ことを特徴とするモータ制御装置。 - 前記ホールド強化制御は、前記固定励磁電流の電流値を段階的または連続的に大きくする制御である、
請求項1記載のモータ制御装置。 - 前記ホールド制御および前記ホールド強化制御において、前記回転子の回転中心から磁極位置へ向かう方向をd軸とするd−q座標系を基本とした制御モデルを用いて前記固定磁界の磁束の方向および大きさを決定する、
請求項1または2記載のモータ制御装置。 - 制御対象である前記モータは、移動してきた物体と接して当該物体をさらに移動させる搬送部材を駆動する搬送モータであり、
前記タイミング信号として、前記物体の移動方向における前記搬送部材の上流側の位置に前記物体が到着したことを検出するセンサによる検出信号に同期した信号が入力される、
請求項1ないし3のいずれかに記載のモータ制御装置。 - 前記ホールド強化制御を、前記タイミング信号の入力から前記物体が前記搬送部材と接するまでの移動時間よりも短い設定時間が経過したときに行う、
請求項4記載のモータ制御装置。 - 前記搬送モータと、
前記センサと、
請求項4または5記載のモータ制御装置と、を有する、
ことを特徴とする搬送装置。 - 請求項6記載の搬送装置と、
前記移動方向における前記搬送部材の下流側の位置において前記物体に画像を印刷するプリンタエンジンと、を有する、
ことを特徴とする画像形成装置。 - 前記物体は、シートであり、
前記搬送部材は、前記シートの先端部を撓ませて前記移動方向に対する傾きを補正するためのレジストローラである、
請求項7記載の画像形成装置。 - 前記モータ制御装置は、前記ホールド強化制御として、前記タイミング信号が入力されたときに、前記固定励磁電流の電流値を第1電流値からそれよりも大きい第2電流値に切り替え、さらに前記シートが前記レジストローラに当接して撓みだすタイミングで前記第2電流値からそれよりも大きい第3電流値に切り替える、
請求項8記載の画像形成装置。 - 前記回転開始タイミングは、前記シートの傾きの補正が完了した後のタイミングである、
請求項9記載の画像形成装置。 - 捲線に流れる電流による回転磁界によって永久磁石を用いた回転子が回転するモータを断続的に回転させるモータ制御方法であって、
前記回転子を目標速度で回転させる制御として、センサレスベクトル制御を行い、
前記回転子を停止させかつ次の回転開始タイミングまでホールドする制御として、前記回転子の磁極位置を停止位置に引き込む固定磁界を生成する電流を前記捲線に流し続ける固定励磁制御を行い、
前記回転開始タイミングにおいて、前記回転子を前記停止位置にホールドされた状態から回転させる強制転流制御を開始し、その後にセンサレスベクトル制御に移行する制御方法であり、
前記固定励磁制御は、前記回転子が停止するタイミングから前記回転開始タイミングまでの期間のうち、前記回転子を回転させる外力の発生が予想されるホールド強化区間における前記電流の電流値を他の区間における電流値よりも大きくする、
ことを特徴とするモータ制御方法。
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