JP2020036515A - モータ駆動装置、モータの駆動方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】開ループ制御から閉ループ制御への制御切り替え時においてモータが脱調するのを防止することができるモータの駆動方法を提供する。【解決手段】ステッピングモータ５０９の駆動制御装置５４０は、開ループ制御と閉ループ制御を切り替え可能に構成され、ステッピングモータ５０９のロータの位相制御を行う位相制御部５０２と、ロータの位相を推定する位相演算部５１３とを有し、ロータ角度推定値θ５３０と、予め実験で測定した推定位相偏差を解消するための補正値５１７とに基づいてｑ軸電流ｉｑ‘５３５を算出し、このｑ軸電流ｉｑ‘５３５を制御切り替え時のベクトル制御の初期における電流指令値ｉｑ_ｒｅｆ５３４として用いる。【選択図】 図３

Description

本発明は、モータ駆動装置、モータの駆動方法及びプログラムに関し、特に、画像形成装置における用紙の搬送で用いられるモータの駆動方法に関する。

従来、モータを制御する方法として、モータの回転子の回転位相を基準とした回転座標系における電流値を制御することによってモータを制御するベクトル制御と称される制御方法が知られている。具体的には、回転子の指令位相と回転位相との偏差が小さくなるように回転座標系における電流値を制御する位相フィードバック制御を行うことによってモータを制御する制御方法が知られている。また、この他、回転子の指令速度と回転速度との偏差が小さくなるように回転座標系における電流値を制御する速度フィードバック制御を行うことによってモータを制御する制御方法も知られている。

ベクトル制御において、モータの巻線に流れる駆動電流は、回転子が回転するためのトルクを発生させる電流成分であるｑ軸成分（トルク電流成分）と、モータの巻線を貫く磁束の強度に影響する電流成分であるｄ軸成分（励磁電流成分）とによって表される。回転子にかかる負荷トルクの変化に応じてトルク電流成分の値が制御されることにより、回転に必要なトルクが効率的に発生され、余剰トルクの発生を抑制する。この結果、余剰トルクに起因したモータ音の増大や消費電力の増大が抑制される。また、過大なトルクの発生を抑制することにより、回転子にかかる負荷トルクがモータの巻線に供給された駆動電流に対応した出力トルクを超えることに起因して回転子が入力信号に同期しなくなり、モータが制御不能な状態（脱調状態）になってしまうことを抑制することができる。

ベクトル制御では、回転子の回転位相を決定する構成が必要となる。特許文献１には、回転子が回転することによってモータの各相の巻線に発生する誘起電圧に基づいて回転子の回転位相を決定する構成が記載されている。

但し、特許文献１の構成では、巻線に発生する誘起電圧の大きさは、回転子の回転速度が小さいほど小さくなる。巻線に発生する誘起電圧の大きさが回転子の回転位相を決定するために十分な大きさではない場合は、回転位相が精度良く決定されない可能性がある。即ち、回転子の回転速度が小さいほど、回転子の回転位相を決定する精度が悪くなってしまう可能性がある。

そこで、特許文献２に記載される、回転子の指令速度が所定の回転速度よりも小さい場合は、モータの巻線に予め決められた電流を供給することによってモータを制御する定電流制御が用いられる構成が提案されている。なお、定電流制御では、位相フィードバック制御と速度フィードバック制御とのいずれも行われない。さらに、特許文献２には、回転子の指令速度が所定の回転速度以上の場合は、ベクトル制御が用いられる構成が記載されている。

モータの制御が定電流制御からベクトル制御に切り替わる際には、瞬間的にモータの回転速度が減少する可能性がある。これは、モータの制御が切り替わる直前に供給された駆動電流によって回転子に与えられたトルクよりも、モータの制御が切り替わった直後に供給された駆動電流によって回転子に与えられたトルクの方が小さくなる可能性があるためである。即ち、モータの制御が切り替わる直前に回転子に与えられたトルクとモータの制御が切り替わった直後に回転子に与えられたトルクとに差異が生じてしまうためである。

また、特許文献３には、位置検出器から出力された信号に基づいて、マイクロステップ駆動中に回転子にかかる負荷トルクを推定（演算）し、モータの制御方法がマイクロステップ駆動制御から速度サーボ制御へと切り替わった直後に供給すべき電流を、推定された負荷トルクに基づいて決定（演算）する構成が記載されている。

特表２０１２−５０９０５６号公報 特開２００５−３９９５５号公報 特開２０１０−２８９４９号公報

ところで、特許文献３では、モータの制御方法が切り替わった直後に供給すべき電流を決定するために、負荷推定器で負荷トルクを演算する処理と、演算された負荷トルクに基づいて供給すべき電流を演算によって決定する処理とが必要となる。即ち、特許文献３の構成では、モータの制御方法がマイクロステップ駆動制御から速度サーボ制御へと切り替わった直後に供給すべき電流を決定するために、これらの演算処理を行うための時間を要する。

例えば、演算処理が行われている期間に回転子にかかる負荷トルクが変化すると、当該演算処理によって決定された、モータの巻線に供給すべき電流に対応するトルクと、モータの制御が切り替わった直後の負荷トルクとに差異が生じてしまう可能性がある。具体的には、例えば、負荷トルクがモータの制御が切り替わる直前の負荷トルクよりも大きくなると、演算処理によって決定された供給すべき電流に対応するトルクは負荷トルクよりも小さくなってしまう。この結果、モータが脱調してしまう可能性がある。また、負荷トルクがモータの制御が切り替わる直前の負荷トルクよりも小さくなると、演算処理によって決定された供給すべき電流に対応するトルクは負荷トルクよりも大きくなってしまう。この結果、トルク過多となり、モータが振動したりして、モータの制御が不安定になってしまう可能性がある。

上記課題に鑑み、本発明は、モータを制御する制御モードが第２制御モードから第１制御モードに切り替わる際に、モータの制御が不安定になることを抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のモータの駆動方法は、第１制御モードと第２制御モードを切り替え可能に構成されるモータ駆動装置であって、モータのロータの位相制御を行う位相制御手段と、前記ロータの位相を推定するロータの位相推定手段とを有するモータ駆動装置を用いるモータの駆動方法であって、前記推定された位相と、前記第２制御モードにおける前記モータの目標位相に対する前記推定された位相の偏差を解消するための補正値とに基づいて新たな電流値を算出する工程と、前記算出された新たな電流値を、前記第２制御モードから前記第１制御モードへの切り替え直後の目標電流値として用いる工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、モータを制御する制御モードが第２制御モードから第１制御モードに切り替わる際に、モータの制御が不安定になることを抑制することができる。

本発明のモータの駆動方法が適用される画像形成装置の内部構成を概略的に示す図である。 図１の画像形成装置の制御ブロックの構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係るモータの駆動方法を実行する駆動制御装置のブロック図である。 算出された誘起電圧と、これらに基づいて計算される位相との関係を示すグラフである。 開ループ制御における、電流目標値に対する推定された推定位相偏差の変化の態様を示すグラフである。 本発明及び従来技術におけるモータ起動後の開ループ制御から閉ループ制御への切り替え時の差異を説明するための図である。 本実施の形態に係るモータの駆動方法としての制御切り替え処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。しかしながら、以下の実施の形態に記載される構成はあくまで例示に過ぎず、本発明の範囲は実施の形態に記載される構成によって限定されることはない。

図１は、本発明のモータの駆動方法が適用される画像形成装置の内部構成を概略的に示す図である。

図１において、画像形成装置は、原稿台ガラス１０１を備え、複写対象である原稿１００が原稿台ガラス１０１に置かれる。原稿１００は照明１０３によって照射され、原稿１００からの反射光がミラー１０４，１０５，１０６を経て、光学系１０８によってＣＣＤ１０９に入射する。ＣＣＤ１０９は、Ｒ（レッド），Ｂ（ブルー），Ｇ（グリーン）の３ラインのＣＣＤラインセンサによって構成される。

画像形成装置では、モータ１０２が、照明１０３を含むミラーユニット１３７を速度Ｖで移動させ、さらに、ミラー１０５，１０６を含むミラーユニット１０７を速度１／２Ｖで移動させる。これにより、原稿１００の全面が走査される。

画像処理部１１０は、ＣＣＤ１０９で読み取った画像情報を電気信号として画像処理部１１１へ出力する。半導体レーザ１１２，１１３，１１４，１１５は画像処理部１１１からの出力信号に応じて駆動される。各半導体レーザ１１２，１１３，１１４，１１５から発光された各レーザ光は、各プリント色に対応するポリゴンミラー１１６，１１７，１１８，１１９によって各プリント色に対応する感光ドラム１２４，１２５，１２６，１２７上を走査する。これにより、各感光ドラム１２４，１２５，１２６，１２７上に潜像が形成される。

各感光ドラム１２４，１２５，１２６，１２７に対応して配置される現像器１２０，１２１，１２２，１２３は、ブラック（Ｂｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）のトナーによって潜像からトナー画像を現像する。各感光ドラム１２４，１２５，１２６，１２７上のトナー画像は、１次転写ローラ１５１，１５２，１５３，１５４によって中間転写ベルト１２８へ重畳して転写され、カラートナー画像となる。さらに、２次転写部１５５は、カラートナー画像を中間転写ベルト１２８から用紙に転写する。

なお、ブラック単色の画像形成時は、ブラックのトナー画像のみを転写し、その他のイエロー、マゼンタ、シアンのトナー画像の転写は必要ないため、１次転写ローラ１５１、１５２、１５３が脱離される。１次転写ローラ１５１、１５２、１５３の脱着動作はステッピングモータ１８０の駆動力によって実行される。具体的には、ステッピングモータ１８０が図示しないカムを駆動することにより、１次転写ローラ１５１、１５２、１５３の脱着動作を行う。脱着動作中の各１次転写ローラ１５１、１５２、１５３の位置は１次転写ローラＨＰセンサ（図示しない）によって検知される。

画像形成装置では、用紙カセット１３２，１３３，１３４及び手差しトレイ１３１の何れかが選択され、選択された用紙カセット又はトレイから用紙が２次転写部１５５へ向けて給紙される。例えば、用紙カセット１３２，１３３，１３４からの給紙は、プリンタ制御部１７０が、各用紙カセット１３２，１３３，１３４に対応する各搬送モータ１６５，１６６，１６７の駆動を制御することによって実行される。用紙カセット１３２，１３３，１３４から給紙された用紙は、縦パス用の搬送モータ１６３，１６４の駆動によってレジローラ１３０へ搬送される。レジローラ１３０では、搬送された用紙が突き当てられることにより、当該用紙の斜行が補正され、その後、搬送モータ１６２がレジローラ１３０を駆動することによって用紙を２次転写部１５５へ搬送する。フォトインタラプタ１２９は、中間転写ベルト１２８の内側にある基準マークを検出して中間転写ベルト１２８の基準位置を検知する。

また、画像形成装置では、上述した給紙やレーザの感光ドラムへの露光走査が、プリンタ制御部１７０が生成するページ同期信号（ＩＴＯＰ信号）に基づいて実行される。これにより、給紙のタイミングと画像形成のタイミングが同期し、カラーのトナー画像が用紙に転写される。各色のトナーが転写された用紙は定着器１３６へ搬送され、トナー画像が定着器１３６によって用紙へ定着される。定着器１３６の内部には、ハロゲンヒータ１４２が内蔵された定着ローラ１４１と、加圧ローラ１４０とが配置され、熱と圧力によってトナー画像を用紙上に定着させる。その後、定着器１３６から排紙トレイ１３５へ画像定着後の用紙が排紙される。

中間転写ベルト１２８のベルト端部にはベルトの蛇行を検知するベルト端部センサ１７１が設けられる。プリンタ制御部１７０は、ベルト端部センサ１７１によってベルト蛇行を検知し、ステアリングモータ１７２によってステアリングローラ１７６を制御して、中間転写ベルト１２８の蛇行が所定の範囲内に納まるように、中間転写ベルト１２８の進行を調整する。

図２は、図１の画像形成装置の制御ブロックの構成を示す図である。画像形成装置のプリンタ制御部１７０は、画像形成装置を統括的に制御する。プリンタ制御部１７０は、例えば、ＤＣ負荷制御部１５８の駆動、センサ類１５９からの情報収集解析や画像処理部１１１の制御に加え、操作部１８１、すなわち、ユーザインターフェースとのデータの交換も行う。

プリンタ制御部１７０には、上述した役割を担うために、ＣＰＵ１７０ａが搭載される。ＣＰＵ１７０ａは、プリンタ制御部１７０に搭載されたＲＯＭ１７０ｂに格納されたプログラムに従って予め定められた画像形成シーケンスに係わる様々な処理を実行する。また、プリンタ制御部１７０には、各処理の実行において一時的又は恒久的に保存することが必要な書き換え可能なデータを格納するために、ＲＡＭ１７０ｃも搭載される。ＲＡＭ１７０ｃには、例えば、モータ制御部１５７の設定値、高圧制御部１７４の高圧設定値、各種データや操作部１８１からの画像形成指令情報等が保存される。

また、プリンタ制御部１７０は、画像処理部１１１に対して必要な各部の仕様設定値のデータを送出する。さらに、プリンタ制御部１７０は、用紙カセット１３２，１３３，１３４からの用紙の搬送開始に応じて用紙搬送路に配置されたセンサの信号を用い、搬送モータ１６２〜１６７の動作を制御することにより、搬送中の用紙の位置を調整しながら搬送する。

プリンタ制御部１７０は、各部からの信号、例えば、原稿画像濃度信号等（センサ類１５９からの信号）を受信して、最適な画像形成を行うために高圧制御部１７４の設定値を変更する。また、プリンタ制御部１７０は、高圧ユニット１７５（例えば、現像器１２０〜１２３）の出力電圧を制御し、画像処理部１１１の設定変更を行う。さらに、プリンタ制御部１７０は、Ａ／Ｄ変換器１８２によってデジタル信号に変換されたサーミスタ１７３の検出信号を取り込み、該検出信号に基づいてＡＣドライバ１６０を制御し、定着ヒータ１６１を所望の温度に調整する。

プリンタ制御部１７０は、操作部１８１から、ユーザによって設定された複写倍率、濃度設定値等の情報を取得する。また、プリンタ制御部１７０は、操作部１８１に対して、画像形成装置の状態、例えば、画像形成枚数や画像形成中か否かの情報、紙詰まりの発生やその箇所等をユーザに示すためのデータを送出する。さらに、プリンタ制御部１７０と操作部１８１の間で、各種設定や警告表示を行うためのやり取りが行われる。

以上説明したように、画像形成装置における動作シーケンスはプリンタ制御部１７０によって実行される。また、画像形成装置において、各搬送モータ１６２〜１６７はステッピングモータ５０９を内蔵し、各ステッピングモータ５０９は、一連の動作シーケンスにおける搬送シーケンスにおいて、後述する図３の駆動制御装置５４０（モータ駆動装置）によって駆動される。

図３は、本発明の実施の形態に係るモータの駆動方法を実行する駆動制御装置５４０のブロック図である。本実施の形態では、ベクトル制御を用いるが、駆動制御装置５４０のベクトル制御は、ブラシレスＤＣモータやＡＣサーボモータ等で利用されている座標変換を用いたインバータ制御を基本とする。具体的には、ステッピングモータ５０９のＡ相、Ｂ相に流れる通常の電流ベクトルを表す静止座標系が、回転子の磁極方向をｄ軸とし、該ｄ軸から９０度ほど進角した方向をｑ軸とする回転座標系に変換される。また、ここでのインバータ制御は、大きく分けられた、後述の電流制御部５０３、５０４と、後述の位相制御部５０２（位相制御手段）とで行われる制御ループで実現される。

駆動制御装置５４０において、位相制御部５０２は、推定されたステッピングモータ５０９のロータ角度推定値θ５３０（推定位相）とモータ位相目標値θ_ｔａｒ５３２との偏差θ_ｄｉｆｆ５３３を小さくする。具体的に、位相制御部５０２は、偏差θ_ｄｉｆｆ５３３が小さくなるように、電流指令値ｉｑ_ｒｅｆ５３４を出力する。モータ位相目標値θ_ｔａｒ５３２は、プリンタ制御部１７０から出力される位相指令値θ_ｒｅｆ５３１に基づいて生成される。電流指令値ｉｑ_ｒｅｆ５３４は、αβ軸座標系（静止座標系）からｄｑ軸座標系（回転座標系）へと変換された電流指令値である。ここで、静止座標系でステッピングモータ５０９に流れる電流を下記式（１）で表す場合、
ｉα＝Ｉ＊ｃｏｓθ, ｉβ＝Ｉ＊ｓｉｎθ ・・・（１）
回転座標系における電流値は、下記式（２）で表される。なお、θは静止座標系のα軸と回転子磁束がなす角度である。
ｉｄ＝ｃｏｓθ＊ｉα＋ｓｉｎθ＊ｉβ, ｉｑ＝−ｓｉｎθ＊ｉα＋ｃｏｓθ＊ｉβ ・・・（２）
上記式（１）から上記式（２）への変換により、Ａ相、Ｂ相に流れる交流電流ｉα、ｉβは、回転座標系の直流電流ｉｑ、ｉｄとなる。ここで、ｄ軸電流ｉｄは磁束量を制御可能な成分である。一方、ｑ軸電流ｉｑはステッピングモータ５０９の発生トルクに寄与する。

ステッピングモータ５０９の各相に流れる（駆動）電流は、電流検出部５０７,５０８によって検出され、Ａ／Ｄコンバータ５１０によってＣＰＵやＦＰＧＡ等のプログラミングデバイスに取り込み可能なデジタル値（ｉα、ｉβ）に変換される。さらに、座標変換部５１１によって、上記式（２）に示すｄ−ｑ変換（座標系変換）が行われ、ｑ軸電流ｉｑとｄ軸電流ｉｄが得られる。その後、得られたｑ軸電流、ｄ軸電流と、速度制御部５２０から出力された電流指令値ｉｑ_ｒｅｆ、ｉｄ_ｒｅｆとの偏差量が電流制御部５０３,５０４に入力される。通常のステッピングモータのベクトル制御では、ｉｄ成分が０となるようにｄ軸電流が制御される。

電流制御部５０３,５０４は、速度制御部５２０と同様に、比例・積分補償器を構成し、電流偏差量を演算した後に座標変換部５０５により、回転座標系の駆動電圧Ｖｑ,Ｖｄを静止座標系の駆動電圧Ｖα ５５２、Ｖβ ５５３へと逆変換する。このときの逆変換は下記式（３）で表される。
Ｖα＝ｃｏｓθ＊Ｖｑ−ｓｉｎθ＊Ｖｄ, Ｖβ＝ｓｉｎθ＊Ｖｑ＋ｃｏｓθ＊Ｖｄ・・・（３）

変換された駆動電圧Ｖα ５５２、Ｖβ ５５３はＰＷＭインバータ５０６に入力され、各相巻線を駆動するフルブリッジ回路を駆動し、所望の電流量が巻線に流れるように制御する。ベクトル制御では位相制御を行うため、ステッピングモータ５０９のロータ位相情報を制御器にフィードバックする必要がある。本実施の形態では、エンコーダを用いずに、誘起電圧演算部５１２及び位相演算部５１３（位相推定手段）を用いて推定されたロータ角度推定値θ５３０を用いる。

次に、センサレス制御について説明する。まず、Ａ／Ｄコンバータ５１０によってデジタル値に変換された駆動電流ｉα、ｉβに、位相周期の電流成分を通し、且つ高次成分やノイズ成分を除去するための電流フィルタ５４２を通過させる。また、ステッピングモータ５０９の駆動電圧Ｖα ５５２、Ｖβ ５５３に、位相周期の電圧成分を通し、且つ高次成分やノイズ成分を除去するための電圧フィルタ５４１を通過させる。駆動電流や駆動電圧は、電流フィルタ５４２と電圧フィルタ５４１にてフィルタリングされた後、誘起電圧演算部５１２に入力される。誘起電圧演算部５１２では、入力された電流と電圧を利用して、下記式（４）に示す電圧方程式に基づいてステッピングモータ５０９の誘起電圧Ｅα、Ｅβを算出する。
Ｅα＝Ｖα−Ｒ＊ｉα−Ｌ＊ｄｉα／ｄｔ― Ｍ＊ｄｉβ／ｄｔ, Ｅβ＝Ｖβ−Ｒ＊ｉβ−Ｌ＊ｄｉβ／ｄｔ― Ｍ＊ｄｉα／ｄｔ ・・・（４）
ここで、Ｒは巻線レジスタンス、Ｌは巻線自己インダクタンス、Ｍは巻線相互インダクタンスであり、巻線相互インダクタンスＭは十分に小さいと仮定して０とする。ＲとＬの値は予めＲＯＭ１７０ｂに記憶される。算出された誘起電圧Ｅα、Ｅβは、位相演算部５１３に入力される。位相演算部５１３では、下記式（５）に基づいて、ステッピングモータ５０９のロータ角度推定値θ５３０を計算する。
θ＝ＡＴＡＮ（−Ｅβ／Ｅα） ・・・（５）

なお、誘起電圧はモータコイルにロータ磁力による磁束変化が生じないと発生しない。また、ロータの回転速度が極端に遅く、単位時間当たりのコイルに生じる磁束密度の変化が小さい場合は十分な誘起電圧が発生しない。したがって、ステッピングモータ起動時や停止時の初期は従来一般的に用いられている開ループ制御（第２制御モード）でステッピングモータ５０９を起動する必要がある。そして、開ループ制御で起動した後、十分な誘起電圧が発生する速度へロータの回転速度が到達すると、ロータ角度推定値θを用いた閉ループ制御（第１制御モード）に切り替える。

そこで、駆動制御装置５４０では、開閉ループ制御部５２１により、目標速度生成部５００から送出される目標速度信号ｖ_ｔａｒ５３６に応じてステッピングモータの開ループ制御を行うか、閉ループ制御を行うかを切り替える。具体的に、まず、目標速度生成部５００は、位相指令値θ_ｒｅｆ５３１に基づいて目標速度信号ｖ_ｔａｒ５３６を生成する。生成された信号は開閉ループ制御部５２１に入力され、目標速度信号ｖ_ｔａｒ５３６に応じて開閉ループ制御部５２１が送出する信号は、速度制御部５２０で用いられる。速度制御部５２０は、目標速度に応じて開ループ制御と閉ループ制御を切り替えるスイッチである。閉ループ制御では、目標位相生成部５１６が生成するモータ位相目標値θ_ｔａｒ５３２とロータ角度推定値θ５３０の偏差θ_ｄｉｆｆ５３３が位相制御部５０２に入力され、偏差θ_ｄｉｆｆ５３３が小さくなるようにロータが位相制御される。

ここで、開閉ループ制御部５２１から信号Ｌが出力されて速度制御部５２０へ選択信号として入力された場合、ベクトル制御（閉ループ制御）が選択される。この場合、目標ｑ軸電流Ｉｑ_ｔａｒ５３７として電流指令値ｉｑ_ｒｅｆ５３４が入力され、目標ｄ軸電流ｉｄ_ｔａｒ５３８として電流指令値０が入力される。次に、開閉ループ制御部５２１からＨが出力されて速度制御部５２０へ選択信号として入力された場合、開ループ制御が選択される。この場合、目標ｑ軸電流Ｉｑ_ｔａｒ５３７として電流指令値０が入力され、目標ｄ軸電流ｉｄ_ｔａｒ５３８に、予め定められた開ループ制御の目標電流値Ｉｄ_ｒｅｆ５３９が入力される。さらに、座標変換に用いる位相として、目標位相生成部５１６で生成されたモータ位相目標値θ_ｔａｒ５３２を入力することにより、一般的なステッピングモータの定電流による開ループ制御と同様な制御を行うことができる。

また、駆動制御装置５４０では、座標変換部５１８へ補正値５１７が加算されたロータ角度推定値θ５３０が位相情報として入力される。補正値５１７は、後述するように、開ループ制御を実行する際の設定電流に依存する値である。座標変換部５１８では、ロータ角度推定値θ５３０へ補正値５１７が加算された位相情報に基づいて、負荷トルクに相関するｑ軸電流ｉｑ‘５３５（新たな電流値）をリアルタイムに算出することができる。例えば、図３の駆動制御装置５４０の演算周期が４０ＫＨｚである場合、２５μ秒周期でｑ軸電流ｉｑ‘５３５を算出することができる。

本実施の形態では、算出されたｑ軸電流ｉｑ‘５３５が、開ループ制御からベクトル制御（閉ループ制御）に切り替わる際の閉ループ制御の初期における電流指令値ｉｑ_ｒｅｆ５３４として用いられる。すなわち、ｑ軸電流ｉｑ‘５３５に応じた値（電流指令値ｉｑ_ｒｅｆ５３４，目標ｑ軸電流Ｉｑ_ｔａｒ５３７）が電流制御部５０３の積分器へ積分初期値として入力される。なお、図７において後述するように、開ループ制御から閉ループ制御へ切り替わる条件が満たされても、切り替えＤｅｌａｙ時間（所定の時間）が経過するまでは、閉ループ制御へ切り替わらない。すなわち、切り替えＤｅｌａｙ時間に亘って、電流制御部５０３の積分器へ入力される積分値は開ループ制御における積分値がそのまま用いられる。

このように、本実施の形態では、ベクトル制御の初期において電流指令値ｉｑ_ｒｅｆ５３４を提供することにより、開ループ制御からベクトル制御への切り替えの直後であっても、適切なトルク電流からベクトル制御（閉ループ制御）が開始される。その結果、急激な電流変化による過渡的なモータの速度変動を抑制することができる。

図４は、算出された誘起電圧Ｅα、Ｅβと、これらに基づいて計算される位相との関係を示すグラフである。図４において、破線は誘起電圧Ｅα（Ａ相の誘起電圧）を示し、細破線は誘起電圧Ｅβ（Ｂ相の誘起電圧）を示し、実線は位相（ロータ角度推定値θ５３０）を示す。なお、図４は、巻線レジスタンスＲを３．４１Ωとし、巻線自己インダクタンスＬを４．３ｍＨとし、巻線相互インダクタンスＭを０とし、ステッピングモータ５０９の回転速度ωを１３．５ｒｐｓとしたときのシミュレーションの結果を示す。

図４のグラフに示すように、上述したシミュレーションにより、９０°の位相差をもつ２相の誘起電圧Ｅα、Ｅβと、各誘起電圧Ｅα、Ｅβの振幅比に応じた位相が算出されていることが分かった。

一般的に、２相ステッピングモータでは、基本ステップ角の４倍が位相となる。通常、ＨＢステッピングモータでは基本ステップ角が１．８度であるため、基本ステップ角の４倍の７．２度が位相となり、モータの１回転（３６０度）には位相が５０個含まれることになる。また、ＰＭステッピングモータでは、通常、基本ステップ角が７．５度であるため、基本ステップ角の４倍の３０度が位相となり、モータの１回転（３６０度）には位相が１２個含まれることになる。ＨＢステッピングモータとＰＭステッピングモータのモータ軸を１０ｒｐｓで回転させる場合、ＨＢステッピングモータの位相の周期は５００Ｈｚとなり、ＰＭステッピングモータの位相の周期は１２０Ｈｚとなる。モータの回転時の実電流成分には、モータ構造に応じて位相の周期の基本周波数以外にその高次成分が重畳されることが知られており、特に、ＰＭステッピングモータでは、３次や５次の高次成分が重畳される。

次に、先述した補正値５１７について詳細に説明する。図５は、開ループ制御における、電流目標値Ｉｄ_ｒｅｆに対する推定された位相の偏差（推定位相偏差）の変化の態様を示すグラフである。図５の推定された位相の偏差の変化の態様は、発明者等が実験において測定した結果である。

図５に示すように、電流目標値Ｉｄ_ｒｅｆが大きくなるほど推定位相偏差（偏差θ_ｄｉｆｆ５３３）が大きくなることが分かった。これは、誘起電圧を推定する上記式（４）において、駆動電流が大きくなるほど、無視した巻線相互インダクタンスＭの近似偏差が大きくなるためであると考えられた。したがって、上記式（４）において巻線相互インダクタンスＭも考慮することにより、偏差を抑制することができるが、一般に、巻線相互インダクタンスＭを正確に測定するのは困難である場合が多い。

これに対応して、本実施の形態では、予め実験で測定した推定位相偏差を解消するための補正値５１７が加算されたロータ角度推定値θ５３０（補正推定位相）を座標変換部５１８に入力する。推定位相偏差が解消された補正推定位相に基づいて算出されたｑ軸電流ｉｑ‘５３５は精度が高くなる。したがって、このｑ軸電流ｉｑ‘５３５を制御切り替え時のベクトル制御の初期における電流指令値ｉｑ_ｒｅｆ５３４として用いることにより、目標ｑ軸電流Ｉｑ_ｔａｒ５３７を最適化することができる。これにより、制御切り替え時のモータ速度変動を顕著に抑制することができる。

図６は、本発明及び従来技術におけるモータ起動後の開ループ制御から閉ループ制御への切り替え時の差異を説明するための図である。

図６（Ａ）において、制御切り替え信号６１２はタイミング６１０で開ループ制御を示す「Ｈ」から閉ループ制御を示す「Ｌ」へ切り替わる。また、位相指令値θ_ｒｅｆもタイミング６１０の前後で変化する。

図６（Ｂ）は、従来技術におけるモータ起動後の開ループ制御から閉ループ制御への切り替え時における駆動電流の態様を示すグラフである。図６（Ｂ）に示すように、制御切り替え信号６０４が「Ｈ」から「Ｌ」に切り替わると、モータＡ相電流６０１及びモータＢ相電流６０２は、制御切り替え直後、いずれもほぼゼロになり、その後、徐々にモータの位相制御に必要な態様を示すようになる。モータＡ相電流６０１及びモータＢ相電流６０２が制御切り替え直後にいずれもほぼゼロとなるのは、制御切り替え直後の目標ｑ軸電流Ｉｑ_ｔａｒ５３７がゼロであるためである。また、ロータの振る舞いを把握するためにモータに取り付けられたエンコーダの速度６０３も制御切り替え直後に低下している。すなわち、制御切り替えにより、ロータのアンダーシュート動作やオーバーシュート動作等の過度現象が生じて振動や音が問題となり、最悪の場合、モータが脱調する恐れがある。

図６（Ｃ）は、本発明におけるモータ起動後の開ループ制御から閉ループ制御への切り替え時における駆動電流の態様を示すグラフである。図６（Ｄ）は、本発明におけるモータ起動後の開ループ制御から閉ループ制御への切り替え時における駆動電圧の態様を示すグラフである。

まず、図６（Ｃ）に示すように、制御切り替え信号６０４が「Ｈ」から「Ｌ」に切り替わると、従来の技術と同様に、目標ｑ軸電流Ｉｑ_ｔａｒ５３７はゼロとなる。しかしながら、本発明では、推定位相偏差が解消された補正推定位相に基づいて算出されたｑ軸電流ｉｑ‘５３５を制御切り替え時の初期における電流指令値ｉｑ_ｒｅｆ５３４として用いることにより、目標ｑ軸電流Ｉｑ_ｔａｒ５３７を最適化する。その結果、モータＡ相電流６０５及びモータＢ相電流６０６は、制御切り替え直後であっても、いずれもゼロとならず、モータの位相制御に必要な態様を示す。また、ロータの振る舞いを把握するためにモータに取り付けられたエンコーダの速度６０７も制御切り替え前後において殆ど変化しない。すなわち、本発明では、制御切り替えに起因してロータのアンダーシュート動作やオーバーシュート動作等の過度現象が生じることがなく、その結果。振動や音が問題となることやモータが脱調することがない。

さらに、図６（Ｄ）に示すように、目標ｑ軸電流Ｉｑ_ｔａｒ５３７に応じて生成される目標ｑ軸電圧Ｖｑ６０８は、制御切り替え前に推定されて設定される。一方、目標ｄ軸電圧Ｖｄ６０９は、目標ｑ軸電流Ｉｑ_ｔａｒ５３７が、制御切り替え前後において、定電流目標値からゼロになることに応じて、制御切り替え後において徐々にゼロとなるように制御される。

図７は、本実施の形態に係るモータの駆動方法としての制御切り替え処理を示すフローチャートである。本処理は、ＣＰＵ１７０ａがＲＯＭ１７０ｂに格納されたプログラムに従って実行する。ここでは、モータ制御部１５７による各搬送モータ１６２〜１６７の駆動制御について説明する。

まず、各搬送モータ１６２〜１６７の起動後、各モータの誘起電圧に基づいて、ロータの回転速度がロータの位相を推定可能な所定速度へ到達したか否かが判定される（Ｓ７０１）。ロータの回転速度が所定速度へ到達した場合、座標変換部５１８が算出する軸電流ｉｑ‘５３５を制御切り替え時の初期における電流指令値として設定する（Ｓ７０２）。その後、切り替えＤｅｌａｙ時間が経過したか否かが判定される（Ｓ７０３）。切り替えＤｅｌａｙ時間が経過した場合、開ループ制御からベクトル制御（閉ループ制御）に切り替わる（Ｓ７０４）。具体的には、目標ｑ軸電流Ｉｑ_ｔａｒ５３７がゼロから電流指令値ｉｑ_ｒｅｆ５３４へ切り替えられ、目標ｄ軸電流ｉｄ_ｔａｒ５３８が目標電流値Ｉｄ_ｒｅｆ５３９からゼロに切り替えられる。さらに、座標変換部５１１と座標変換部５０５へ入力される位相が、モータ位相目標値θ_ｔａｒ５３２からロータ角度推定値θ５３０に切り替えられる。その後、本処理が終了される。

本発明によれば、推定位相偏差が解消された補正推定位相に基づいて算出されたｑ軸電流ｉｑ‘５３５を制御切り替え時の初期における電流指令値ｉｑ_ｒｅｆ５３４として用いることにより、目標ｑ軸電流Ｉｑ_ｔａｒ５３７を最適化する。これにより、モータＡ相電流６０５及びモータＢ相電流６０６は、制御切り替え直後であっても、いずれもゼロとなることがない。その結果、制御切り替えに起因してロータのアンダーシュート動作やオーバーシュート動作等の過度現象が生じることがなく、その結果、振動や音が問題となることやモータが脱調するのを防止することができる。

本発明は、上述の実施の形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワークや記憶媒体を介してシステムや装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータの１つ以上のプロセッサーがプログラムを読み出して実行する処理でも実現可能である。また、本発明は、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

１６２〜１６７ 搬送モータ
５０２ 位相制御部
５０３，５０４ 電流制御部
５０９ ステッピングモータ
５１３ 位相演算部
５１７ 補正値
５３０ ロータ角度推定値θ
５３２ モータ位相目標値θ_ｔａｒ
５３３ 偏差θ_ｄｉｆｆ
５３５ ｑ軸電流ｉｑ‘

Claims (5)

1. 第１制御モードと第２制御モードを切り替え可能に構成されるモータ駆動装置であって、モータのロータの位相制御を行う位相制御手段と、前記ロータの位相を推定するロータの位相推定手段とを有するモータ駆動装置を用いるモータの駆動方法であって、
   前記推定された位相と、前記第２制御モードにおける前記モータの目標位相に対する前記推定された位相の偏差を解消するための補正値とに基づいて新たな電流値を算出する工程と、
   前記算出された新たな電流値を、前記第２制御モードから前記第１制御モードへの切り替え直後の目標電流値として用いる工程と、を有することを特徴とするモータの駆動方法。
2. 前記第２制御モードから前記第１制御モードへ切り替える場合に、前記推定された位相と前記補正値に基づいて算出された電流値を、前記位相制御手段の積分初期値とすることを特徴とする請求項１記載のモータの駆動方法。
3. 前記第２制御モードから前記第１制御モードへ切り替える場合に、前記目標電流値へ積分される積分値は、所定の時間が経過するまで、前記第２制御モードにおける積分値がそのまま用いられることを特徴とする請求項１又は２記載のモータの駆動方法。
4. 第１制御モードと第２制御モードを切り替え可能に構成されるモータ駆動装置であって、モータのロータの位相制御を行う位相制御手段と、前記ロータの位相を推定するロータの位相推定手段とを備えるモータ駆動装置であって、
   前記推定された位相と、前記第２制御モードにおける前記モータの目標位相に対する前記推定された位相の偏差を解消するための補正値とに基づいて新たな電流値を算出する座標変換部をさらに備え、
   前記位相制御手段は、前記算出された新たな電流値を、前記第２制御モードから前記第１制御モードへの切り替え直後の目標電流値として用いることを特徴とするモータ駆動装置。
5. 第１制御モードと第２制御モードを切り替え可能に構成されるモータ駆動装置であって、モータのロータの位相制御を行う位相制御手段と、前記ロータの位相を推定するロータの位相推定手段とを有するモータ駆動装置を用いるモータの駆動方法をコンピュータに実行させるプログラムであって、
   前記推定された位相と、前記第２制御モードにおける前記モータの目標位相に対する前記推定された位相の偏差を解消するための補正値とに基づいて新たな電流値を算出する工程と、
   前記算出された新たな電流値を、前記第２制御モードから前記第１制御モードへの切り替え直後の目標電流値として用いる工程と、を有することを特徴とするプログラム。