JP3621227B2 - モータの制御方法及び駆動装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像読取装置の走行体駆動装置や画像形成装置の感光体駆動装置、あるいは工作機械や計測装置等の駆動装置に応用されるモータの制御方法に係り、特に、走行体や感光体等の被制御体をある状態から移動させて等速状態に駆動制御するモータの制御方法及びそれを用いた駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータの制御方法やその制御方法を用いた装置に関する技術としては、例えば、特開平５−２２９７５号公報記載の「モータの駆動制御方法および装置」が知られている。この従来技術は、モータの回転速度を変化させるための制御方法および装置であって、下記の式で表わされる目標速度（指令速度）Ｖを算出し、モータ速度が目標速度Ｖになるように制御するものである。
Ｖ＝√（２Ａθ）
ただし、Ａ：加速度
θ：モータの回転位置
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
モータを制御し、被制御体をある状態から移動させて等速状態に駆動制御する制御方法としては、目標速度をステップ状に変化させて速度制御を行う方法が一般的である。しかし、この方法では、立ち上がり時のステップ状の入力変化に基づく、急激な加速度変化により、いわゆる機械系の高域共振を加振し、図１４に示すような振動が生じる。
【０００４】
この振動を防ぐ方法として、特開平５−２２９７５号公報記載の「モータの駆動制御方法および装置」において、停止からのモータの回転角度をθ、減速時の加速度をＡとおいた場合、加速時の目標速度ＶをＶ＝√（２Ａθ）と表わすことにより、モータを加速制御させる場合に一定加速度での加速を可能とする方法が提案されている。この方法においては、一定の加速度で立ち上げるため、前述の目標速度をステップ入力として与える方法よりは、いわゆる機械系の高域共振を加振しない。そのため、生じる振動は少なくなる。しかし、この状態は、まだ最適な、いわゆる機械系の高域共振を加振しない制御になっていないために、振動が発生する。また、速度が目標速度に達した際には、目標加速度が０もしくは、摩擦力相当にステップ状に減少するために、図１５に示すような振動が発生してしまう。
【０００５】
これらの振動は、高速な立ち上がりの実現を妨げるばかりでなく、振動のために、装置に悪影響を与え、最悪の場合は、装置の破損につながる恐れもある。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、その目的（課題）は、モータを制御し、被制御体をある状態から移動させて等速状態に駆動制御する場合において、最適な目標値入力により、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を行なうことにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、画像読取装置の走行体を被制御体として、該被制御体を駆動するモータを制御し、被制御体をある状態から移動させて、等速状態に駆動する駆動部と、該駆動部をデジタル演算結果に基づいて制御する演算制御部とを備え、最適な目標値入力を得るための評価関数として、被制御体の加速度の二階微分値の二乗積分を選定し、この値が最小になる加速パターンをもとに、目標値を時間に関する多項式で表わし、次に該多項式を用いて各サンプリング時刻ごとの目標値を前記演算制御部において算出し、前記被制御体の前記各サンプリング周期ごとの目標値として用いた多項式に対応する値との差において前記駆動部を制御して、前記被制御体の制御を行なうモータの制御方法において、前記被制御体の加速度の二階微分値の二乗積分が最小となる加速パターンを基に得られる制御の目標値とする多項式は、目標速度もしくは目標速度の積分値あるいはフィードフォワードとしての目標加速度であり、目標速度による速度制御、あるいは目標速度の積分値による位置制御と、フィードフォワードとしての目標加速度とを併用することにより、前記被制御体の等速状態への高速な立ち上がり制御を行うことにより、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を行なうことが可能となる。
【０００８】
請求項２記載の発明では、請求項１記載のモータの制御方法において、前記制御の目標値とする多項式を目標速度とし、速度制御を行なうことにより、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を速度制御で行なうことが可能となる。
【０００９】
請求項３記載の発明では、請求項１記載のモータの制御方法において、前記制御の目標値とする多項式を目標速度の積分値とし、位置制御を行なうことにより、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を位置制御で行なうことが可能となる。
【００１０】
請求項４記載の発明では、請求項２または３記載のモータの制御方法において、前記速度制御あるいは前記位置制御と併用して、前記被制御体の加速度の二階微分値の二乗積分が最小となる加速パターンを基に得られる目標加速度の時間に関する多項式に基づき、各サンプリング時刻ごとの目標加速度を前記演算制御部において算出し、その値をフィードフォワード値として、前記駆動部に与えることにより、請求項２または３よりも、安定してループゲインを上げ、より効果的に、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を行なうことが可能となる。
【００１１】
請求項５記載の発明では、請求項２記載のモータの制御方法において、前記目標速度をＲｖとし、等速状態の０でない速度をＶ１ 、移動開始からＶ１ までの目標移動時間をＴとし、前記時間ｔに関する多項式を、下記の式（１） として、前記演算制御部において各サンプリング時刻ごとに目標速度Ｒｖを算出することにより、特に被制御体を停止状態から、等速状態に駆動する際に、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を速度制御で行なうことが可能となる。
【００１２】
【数４】
【００１３】
請求項６記載の発明では、請求項３記載のモータの制御方法において、前記目標速度の積分値をＲｐとし、等速状態の０でない速度をＶ１ 、移動開始からＶ１ までの目標移動時間をＴとし、前記時間ｔに関する多項式を、下記の式（２） として、前記演算制御部において各サンプリング時刻ごとに目標速度の積分値Ｒｐを算出することにより、特に被制御体を停止状態から、等速状態に駆動する際に、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を位置制御で行なうことが可能となる。
【００１４】
【数５】
【００１５】
一般的に被制御体の駆動部においては、摩擦力が働いており、特にその定常値は、バイアスとして制御系に働き、良好な制御特性を妨げる。
【００１６】
そこで、請求項７記載の発明では、請求項２または３または５または６記載のモータの制御方法において、定常摩擦力相当の加速度を前記演算制御部において与え、その値をフィードフォワード値として、前記駆動部に与えることにより、摩擦力による制御特性の劣化を防止し、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を行なうことが可能となる。
【００１７】
請求項８記載の発明では、請求項５または６記載のモータの制御方法において、フィードフォワードに用いる目標加速度をＲαとし、その時間ｔに関する多項式を、下記の式（３） として、前記演算制御部において各サンプリング時刻ごとに目標加速度Ｒαを算出することにより、請求項５または６よりも、安定してループゲインを上げ、より効果的に、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を行なうことが可能となる。
【００１８】
【数６】
【００１９】
請求項９記載の発明では、請求項８記載のモータの制御方法において、前記フィードフォワード演算部において前記各サンプリング時刻ごとの目標加速度に、定常摩擦力相当の値を加えることにより、摩擦力による制御特性の劣化を防止し、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を行なうことが可能となる。
【００２０】
画像読取装置の副走査走行体駆動装置は、▲１▼立ち上がり時間を含めた読み取り時間の短縮、▲２▼等速への立ち上がり直後の読み取り品質の確保、▲３▼振動による部品の破損防止、等により、高速でかつ振動の無い、等速への立ち上げが要求されている。
【００２１】
そこで請求項１０記載の発明は、画像読取装置の走行体の駆動装置であって、請求項２乃至９の何れかに記載のモータの制御方法を用い、その制御方法を走行体駆動部に適用することにより、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御が可能な画像読取装置の走行体駆動装置を構築することが可能となる。
【００２２】
画像読取装置においては、変倍率に合わせて目標の等速度が異なる。変倍率を利用者が設定したならば、直ちに目標値の時間に関する多項式に用いる係数を計算する方法で対応できるが、計算のためのアルゴリズムを入れていくメモリが必要なことや、計算時間がかかる等のデメリットがある。
【００２３】
そこで請求項１１記載の発明は、画像読取装置の走行体の駆動装置であって、請求項５乃至９の何れかに記載のモータの制御方法を用い、その制御方法を走行体駆動部に適用し、あらかじめ、少なくとも一つ以上の目標速度Ｖ１ を画像読取装置の倍率に対応させておき、前記目標速度に対する係数ａ１６，ａ１５，ａ１４を格納したテーブルを設け、該テーブルを検索して得られた値をもとに、目標速度もしくは目標速度の積分値もしくは目標加速度を求めることにより、容易に目標値の時間に関する多項式に用いる係数を得ることが可能となる。
【００２４】
画像形成装置の感光体駆動装置は、▲１▼立ち上がり時間の短縮、▲２▼等速への立ち上がり直後の書き込み品質の確保、▲３▼振動による部品の破損防止、等により、高速でかつ振動の無い、等速への立ち上げが要求されている。
【００２５】
そこで、画像形成装置の感光体の駆動装置においても、請求項２乃至９の何れかに記載のモータの制御方法を用い、その制御方法を感光体駆動部に適用することにより、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御が可能な画像形成装置の感光体駆動装置を構築することが可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のモータの制御方法及び駆動装置の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００２７】
まず、本発明の制御方法を図１により簡単に説明する。図１は本発明に係るモータ制御系の一構成例を示すブロック図であり、モータを制御して、画像読取装置の走行体や画像形成装置の感光体等の被制御体１を移動させて等速駆動を行なう駆動部２と、この駆動部２をデジタル演算により制御する演算制御部３とを備え、評価関数、すなわち、ここでは、被制御体１の加速度の二階微分値の二乗積分値が最小となる加速パターンをもとに、目標速度、目標速度の積分値、フィードフォワードとしての目標加速度を、時間に関する多項式で表わし、この多項式を用いて各サンプル時刻ごとの目標速度、目標速度の積分値、フィードフォワードとしての目標加速度を演算制御部３において算出し、被制御体１の各サンプル時刻ごとの位置、速度との差に応じて駆動部２を制御し、被制御体１の駆動を行なうものである。これにより、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を行なうことができる。
【００２８】
ここで、等速、位置、速度等の用語は、直線駆動系を対象にして記述したが、感光体駆動のように回転運動の場合には、それぞれ対応する物理量（例えば、等角速度、角度、角速度）に置き換えればよい。
【００２９】
被制御体１の加速度の二階微分値の二乗積分値が最小となる加速パターンを設定する。被制御体１の加速度の二階微分値を仮想的な入力ｕ’ として導入し、プラントの状態方程式を、下記の式（４） とする。
【００３０】
【数７】
【００３１】
ここで、ｖ，α，α’ はそれぞれ、被制御体１の速度、加速度、加速度の一階微分値である。
また、この場合の評価関数Ｊは下記の式（５） である。
【００３２】
【数８】
【００３３】
このようなＪを最小にする目標速度、フィードフォワードとしての目標加速度は、それぞれ、時間に関する５次、４次式となる。例えば、定数をＣ０〜Ｃ５とすると、目標速度Ｒｖは、
Ｒｖ＝Ｃ５・ｔ５＋Ｃ４・ｔ４＋Ｃ３・ｔ３＋Ｃ２・ｔ２＋Ｃ１・ｔ＋Ｃ０
と表わされる。また、定数をＣ１０〜Ｃ１４とすると、フィードフォワードとしての目標加速度Ｒαは、
Ｒα＝Ｃ１４・ｔ４＋Ｃ１３・ｔ３＋Ｃ１２・ｔ２＋Ｃ１１・ｔ＋Ｃ１０
と表わされる。
【００３４】
ここで、目標速度を積分して定数をＣ２０〜Ｃ２６とし、目標速度を達成する目標位置の時間に関する多項式Ｒｐを求めると、Ｒｐは時間に関する６次式となり、
と表わされる。
【００３５】
目標加速度は、フィードフォワードとして用いることにより、目標速度による速度制御や、目標速度の積分値による位置制御と併用できる。
【００３６】
次に、図２に本発明の制御方法を実現する具体例として駆動装置のモータ制御系のブロック図を示す。同図において、符号２０１はマイクロコンピュータであり、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）２０２、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）２０３、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）２０４がそれぞれバス２０５を介して接続されている。このマイクロコンピュータ２０１内において、時間の関数の多項式で表わしている制御のための目標値を計算する。２０６は被制御体であり、例えば画像読取装置の走行体や画像形成装置の感光体である。１１は被制御体２０６を駆動するためのモータであり、モータ１１には、モータ軸と同軸に、モータ可動子の回転角度を計数するためのエンコーダ１０が取り付けられている。エンコーダ１０からの出力２０９は状態検出用のインターフェイス装置２１０に接続されている。このインターフェイス装置２１０はエンコーダ１０の出力を処理して、デジタル数値に変換する状態検出用インターフェイス装置であり、出力パルスを計数するカウンタを備えている。２０７は駆動用のインターフェイス装置であり、マイクロコンピュータ２０１の演算結果（目標値と実測値の差、もしくは、それにフィードフォワード値を加えた値）のデジタル値を駆動部を構成するパワー半導体２０８（例えばトランジスタ）を動作させるパルス状信号（制御信号）に変換する。駆動部を構成するパワー半導体２０８はこのパルス状信号に基づき動作し、モータ１１に印加する電圧を制御する。この結果、モータ１１すなわち被制御体２０６は所望の速度で駆動される。この際、前述の目標値を用いているので、振動等の生じない高速な立ち上がりが可能である。モータ１１すなわち被制御体２０６の速度もしくは位置は、前述のエンコーダ１０、インターフェイス装置２１０により検出され、マイクロコンピュータ２０１に取り込まれる。ここで、２０１〜２０５が図１における演算制御部３であり、２０６，１１，１０が被制御体１、２０７，２０８が駆動部２に相当する。
【００３７】
ここで、速度を検出する方法について示す。図２のエンコーダ１０の出力を処理する、状態検出用インターフェース２１０の処理方法について述べる。状態検出用インターフェイス２１０は出力（図３のエンコーダ出力）をマイクロプロセッサ２０２の割り込みに接続してあり、また、基準クロック（図３のＣＬＫ）をカウントするタイマーを備えている。図３において、エンコーダ出力パルスのエッジ３０１が到達する直前の状態から説明する。カウンタ（例えば、１６進カウンタ）はエンコーダパルスの出力をＣＬＫ信号をもとに、与えられたカウント値（例えば０ＦＦＦＦＨ）からデクリメントカウントを実行する。エッジ３０１がマイクロプロセッサ２０２の割り込みへ到達すると、図４の割り込みルーチンが実行開始される。すると、カウンタのデクリメントカウント値は、状態検出用インターフェイス装置２１０の内蔵レジスタにラッチされる（Ｐ１）。次に、ラッチされたデクリメントカウント値を、図２のＲＡＭ２０４へ格納する（Ｐ２）。そして、Ｔｎのパルス周期をカウントするためのカウント初期値（０ＦＦＦＦＨ）を与え、再度デクリメントカウントを開始し（Ｐ３）、割り込みの処理を終了する。再度エッジ３０２が割り込みへ到達したら、前述の図４のＰ１〜Ｐ３の処理が繰り返される。
【００３８】
このとき、パルスＴｎにおける速度ｖ（ｉ） は次の式（６） のようにして求められる。
Ｖ（ｉ）＝ｋ／（Ｔｃｌｋ × Ｎｅ × ｎ） ・・・（６）
ここで、Ｔｃｌｋ：ＣＬＫ周期．
Ｎｅ：単位角度当りのエンコーダ分割数（４逓倍を使用）．
ｎ：ＣＬＫカウント数＝０ＦＦＦＦＨ−デクリメントカウント数．
ｋ：速度への単位換算定数．
また、モータ１１すなわち被制御体２０６の位置の検出は、インターフェイス装置２１０において、エンコーダパルス数を計数することで簡単に実行できる。
【００３９】
今、前述の状態方程式を用いて、制御対象の初期条件及び終端条件をそれぞれ下記のようにおく。
【００４０】
【数９】
ここで、Ｖ１：目標速度．
Ｔ：移動開始から速度Ｖ１迄の目標移動時間．
とする。
【００４１】
上記のようにおくと、目標速度Ｒｖは、
Ｒｖ＝６・ａ１６・ｔ５＋５・ａ１５・ｔ４＋４・ａ１４・ｔ３ ・・・（１）
と表わされる。また、フィードフォワードとしての目標加速度Ｒαは、
Ｒα＝３０・ａ１６・ｔ４＋２０・ａ１５・ｔ３＋１２・ａ１４・ｔ２ ・・・（３）
と表わされる。
ここで、多項式の係数ａ１６，ａ１５，ａ１４は下記の式より得られる。
【００４２】
【数１０】
【００４３】
さらに、目標速度を積分して、目標速度を達成する目標位置の時間に関する多項式Ｒｐを求めると、
Ｒｐ＝ａ１６・ｔ６＋ａ１５・ｔ５＋ａ１４・ｔ４ ・・・（２）
と表わされる。
【００４４】
以上で求めた式をもとに、マイクロコンピュータ２０１内において、サンプリング時刻ごとに、目標速度もしくは目標速度の積分値を求めて、モータ１１がそれに追従するような駆動を行なうものである。この際、求めた目標加速度Ｒαをフィードフォワード値として、目標速度による速度制御や、目標速度の積分値による位置制御と併用することにより、より効果的に、いわゆる機械系の高域共振を加振することの無い、高速な立ち上がり制御を実現できる。
【００４５】
一般的に駆動装置のモータや被制御体においては摩擦力が働いており、特にその定常値は、バイアスとして制御系に働き、良好な制御特性を妨げる。従って、この摩擦力に相当する値を前記マイクロコンピュータ２０１内に記憶させておき、その値をフィードフォワードとして用いることにより、フィードフォワードを用いない制御方法よりも良好な制御が行なえる。従って、フィードフォワード値は、目標加速度Ｒαと摩擦力に相当する値とを、サンプリング時刻毎に加えた値を用いてもよい。この場合が最も良好な制御が可能となる。
【００４６】
図５に請求項２乃至９の何れかに記載の制御方法を適用する画像読取装置の一例を示す。図５において、符号１３０１は原稿、１３０２は原稿台、１３０３は原稿照明系、１３０４は反射光の光軸、１３０５は読み取り用の光電変換素子であり例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）、１３０６は結像レンズ、１３０７は反射ミラー、１３０８はこれらＣＣＤ１３０５、レンズ１３０６、ミラー１３０７等からなる光電変換ユニットである。１３０９，１３１０は副走査駆動用のプーリ、１３１１はワイヤ、１３１２はモータで、それと同軸に速度検出用のエンコーダ１３１３が取り付けられている。１３１４は画像読取装置のハウジングである。原稿１３０１を読み取るための光電変換ユニット１３０８は、駆動用のモータ１３１２をハウジング１３１４に固定して、ワイヤ１３１１とプーリ１３０９，１３１０及び歯車やベルト等の動力伝達系１３１５などのモータ１３１２の駆動力を伝達する手段を用いて、原稿１３０１の副走査方向に駆動する。このとき、蛍光灯などの読み取り用照明系１３０３で、原稿台１３０２上の原稿１３０１を照明し、その反射光束（光軸を１３０４に示す）を複数のミラー１３０７で折り返し、結像レンズ１３０６を介して、光電変換素子であるＣＣＤ１３０５などのイメージセンサーの受光部に原稿１３０１の像を結像する。この時、モータ１３１２、速度検出用のエンコーダ１３１３等による光電変換ユニットの副走査と光電変換換素子１３０５自身の主走査とで、原稿全体が読み取られる。
【００４７】
これまで、このような画像読取装置の走行体駆動部の速度立ち上げ制御においては、従来例で示したような制御を行なっていたので、その速度プロフィールは、図１４，１５で示したものになり、立ち上がり時において振動が生じてしまっていた。
【００４８】
今、一例として、目標速度Ｖ１ を０．４３ｍ／ｓ、移動開始から速度Ｖ１ までの目標移動時間Ｔを０．０３５ｓｅｃ とした場合において、前記評価関数が最小になるような目標入力を与える目標速度、及び目標加速度、及び目標速度の積分値（目標位置）をそれぞれ図６，７，８に示す。
画像読取装置の走行体駆動部における目標値として、このような滑らかな入力を与えることで、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な走行体の速度立ち上がりが可能となる。
【００４９】
一例として、目標速度及び、計算した目標加速度に摩擦力相当の値を加えたフィードフォワード制御を行なった場合の結果を図９に示す。図９は、図１４，１５と比べて明らかに振動が少なく、本発明の有効性が確認できる。
【００５０】
ここでは、画像読取装置として、光学系が一つの可動子に取り付けられている場合を示したが、これに限るものではなく、二つの走行体を２対１の速度比で駆動するタイプでもまったく同様である。
【００５１】
ところで、画像読取装置においては、ユーザは、様々な読み取り倍率で画像を読み取る。この際に、駆動系としては、ユーザの設定した読み取り倍率に合わせた駆動速度の設定を行なっている。本発明を適用する際には、目標値の時間に関する多項式（目標速度：Ｒｖ、目標加速度：Ｒα、目標速度の積分値（目標位置）：Ｒｐ）の係数ａ１６，ａ１５，ａ１４を求める必要がある。これは、目標速度Ｖ１ と、目標速度Ｖ１ の立ち上がり時間（目標移動時間）Ｔが決まれば、一意的に計算できるが、画像読取装置としては、余計な負荷となる。
【００５２】
そこで、図１０に示すように、演算制御部３内のメモリに、読み取り倍率もしくはそれを実現する駆動速度に対応する前記係数ａ１６，ａ１５，ａ１４をデータテーブル４として記憶させておく。図１１はデータテーブルの一例を示す図である。そして、ユーザが読み取り倍率を設定したならば、ただちにそのテーブルから、目標値の時間に関する多項式の係数を決定する。これにより、ＣＰＵに余計な負荷をかけないで、容易に必要な係数が決定でき、画像読取装置の変倍読み取りに対応できる。
【００５３】
図１２に請求項２乃至９の何れかに記載の制御方法を適用する画像形成装置の一例を示す。図１２において画像形成装置は、主にレーザ書込み部１４０１、カラー現像部１４０２、感光体ドラム部１４０３、中間転写ベルト部１４０４、定着部１４０５、給紙部１４０６により構成されている。今、形成すべきデータがレーザ書込み部１４０１に送られると、半導体レーザ１４０９で発生されたレーザビームが、回転駆動されているポリゴンミラー１４１０により回転走査され、ｆθレンズやミラー等の光学系１４１１を介して感光体ドラム１４１２上に到達し潜像を形成する。該潜像はカラー現像部１４０２のトナーにより現像され可視像を形成する。感光体ドラム１４１２に形成された像は、一度転写ベルト上に中間転写された後、最終的には、給紙部１４０６から給紙された用紙に像が転写され、定着部１４０５でその像が用紙に定着され、排紙トレイに出力される。像が白黒のように単色の場合には、一回の転写ベルトへの転写の後、用紙に転写されるが、カラーの場合には、感光体ドラム上へのＲ（レッド），Ｇ（グリーン），Ｂ（ブルー）（もしくはその補色であるＣ（シアン），Ｍ（マゼンタ），Ｙ（イエロー））とブラックの各色の像形成と、転写ベルト上への四回の重ね合わせが行なわれ、その後、転写ベルト上に形成されたカラーの像が用紙に転写される。
【００５４】
図１３に感光体ドラムの駆動部の詳細を示す。図１３において、１５０１は駆動用のモータでそれと同軸には、モータ制御用のエンコーダ１５０２が取り付けられている。モータ１５０１の回転は、減速装置１５０３やタイミングベルト１５０４の伝達系を介して、感光体ドラム１５０５の取り付けられているドラム軸１５０６に伝達される。１５０７は回転の安定性を向上させるためのフライホイールである。このような構成でモータ１５０１を制御することにより、感光体ドラム１５０５は等速で駆動される
【００５５】
このような画像形成装置の感光体駆動装置には、▲１▼立ち上がり時間の短縮、▲２▼等速への立ち上がり直後の書込み品質の確保、▲３▼振動による部品の破損防止、等により、高速でかつ振動の無い、等速への立ち上げが要求されている。しかし、これまで、このような画像形成装置の速度立ち上げ制御においては、従来例で示したような制御を行なっていたので、その速度プロフィールは、図１４，１５で示したようなものになり、立上り時において、振動が生じてしまっていた。
【００５６】
そこで、画像形成装置の感光体駆動部に請求項２から９の何れかに記載のモータ制御方法を適用した感光体駆動装置とすることにより、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御が可能な画像形成装置の感光体駆動装置を構築することができる。
【００５７】
尚、ここでは、画像形成装置として、カラー現像部がドラムタイプのカラーのデジタル方式の画像形成装置を例にして示したが、本発明はこれに限ることなく、カラー現像部がドラムタイプでないものでも、また、白黒でも、アナログ方式でも、感光体駆動装置を有するものであれば、同様に適用することができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明では、画像読取装置の走行体を被制御体として、該被制御体を駆動するモータを制御し、被制御体をある状態から移動させて、等速状態に駆動する駆動部と、該駆動部をデジタル演算結果に基づいて制御する演算制御部とを備え、最適な目標値入力を得るための評価関数として、被制御体の加速度の二階微分値の二乗積分を選定し、この値が最小になる加速パターンをもとに、目標値を時間に関する多項式で表わし、次に該多項式を用いて各サンプリング時刻ごとの目標値を前記演算制御部において算出し、前記被制御体の前記各サンプリング周期ごとの目標値として用いた多項式に対応する値との差において前記駆動部を制御して、前記被制御体の制御を行なうモータの制御方法において、前記被制御体の加速度の二階微分値の二乗積分が最小となる加速パターンを基に得られる制御の目標値とする多項式は、目標速度もしくは目標速度の積分値あるいはフィードフォワードとしての目標加速度であり、目標速度による速度制御、あるいは目標速度の積分値による位置制御と、フィードフォワードとしての目標加速度とを併用することにより、前記被制御体の等速状態への高速な立ち上がり制御を行っているので、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を行なうことができる。
【００５９】
請求項２記載の発明では、請求項１記載のモータの制御方法において、前記制御の目標値とする多項式を目標速度とし、速度制御を行なっているので、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を速度制御で行なうことができる。
【００６０】
請求項３記載の発明では、請求項１記載のモータの制御方法において、前記制御の目標値とする多項式を目標速度の積分値とし、位置制御を行なっているので、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を位置制御で行なうことができる。
【００６１】
請求項４記載の発明では、請求項２または３記載のモータの制御方法において、前記速度制御あるいは前記位置制御と併用して、前記被制御体の加速度の二階微分値の二乗積分が最小となる加速パターンを基に得られる目標加速度の時間に関する多項式に基づき、各サンプリング時刻ごとの目標加速度を前記演算制御部において算出し、その値をフィードフォワード値として、前記駆動部に与えているので、請求項２または３よりも、安定してループゲインを上げ、より効果的に、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を行なうことができる。
【００６２】
請求項５記載の発明では、請求項２記載のモータの制御方法において、前記目標速度をＲｖとし、等速状態の０でない速度をＶ１ 、移動開始からＶ１ までの目標移動時間をＴとし、前記時間ｔに関する多項式を下記の式（１） として、前記演算制御部において各サンプリング時刻ごとに目標速度Ｒｖを算出しているので、特に被制御体を停止状態から、等速状態に駆動する際に、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を速度制御で行なうことができる。
【００６３】
【数１１】
【００６４】
請求項６記載の発明では、請求項３記載のモータの制御方法において、前記目標速度の積分値をＲｐとし、等速状態の０でない速度をＶ１ 、移動開始からＶ１ までの目標移動時間をＴとし、前記時間ｔに関する多項式を、下記の式（２） として、前記演算制御部において各サンプリング時刻ごとに目標速度の積分値Ｒｐを算出しているので、特に被制御体を停止状態から、等速状態に駆動する際に、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を位置制御で行なうことができる。
【００６５】
【数１２】
【００６６】
請求項７記載の発明では、請求項２または３または５または６記載のモータの制御方法において、定常摩擦力相当の加速度を前記演算制御部において与え、その値をフィードフォワード値として、前記駆動部に与えているので、摩擦力による制御特性の劣化を防止し、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を行なうことができる。
【００６７】
請求項８記載の発明では、請求項５または６記載のモータの制御方法において、フィードフォワードに用いる目標加速度をＲαとし、その時間ｔに関する多項式を、下記の式（３） として、前記演算制御部において各サンプリング時刻ごとに目標加速度Ｒαを算出しているので、請求項５または６よりも、安定してループゲインを上げ、より効果的に、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を行なうことができる。
【００６８】
【数１３】
【００６９】
請求項９記載の発明では、請求項８記載のモータの制御方法において、前記フィードフォワード演算部において前記各サンプリング時刻ごとの目標加速度に、定常摩擦力相当の値を加えているので、摩擦力による制御特性の劣化を防止し、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を行なうことができる。
【００７０】
請求項１０記載の発明は、画像読取装置の走行体の駆動装置であって、請求項２乃至９の何れかに記載のモータの制御方法を用い、その制御方法を走行体駆動部に適用することにより、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御が可能な画像読取装置の走行体駆動装置を構築することができる。
【００７１】
請求項１１記載の発明は、画像読取装置の走行体の駆動装置であって、請求項５乃至９の何れかに記載のモータの制御方法を用い、その制御方法を走行体駆動部に適用し、あらかじめ、少なくとも一つ以上の目標速度Ｖ１ を画像読取装置の倍率に対応させておき、前記目標速度に対する係数ａ１６，ａ１５，ａ１４を格納したテーブルを設け、該テーブルを検索して得られた値をもとに、目標速度もしくは目標速度の積分値もしくは目標加速度を求めているので、容易に目標値の時間に関する多項式に用いる係数を得ることができる。
【００７２】
なお、画像形成装置の感光体の駆動装置においても、請求項２乃至９の何れかに記載のモータの制御方法を用い、その制御方法を感光体駆動部に適用することにより、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御が可能な画像形成装置の感光体駆動装置を構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るモータ制御系の一構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明のモータ制御方法を実現する具体例を示す駆動装置のモータ制御系のブロック図である。
【図３】エンコーダ出力と基準クロック（ＣＬＫ）信号を示す図である。
【図４】エンコーダ出力の処理を行なう割り込みルーチンのフローチャートである。
【図５】請求項２乃至９の何れかに記載の制御方法を適用する画像読取装置の一例を示す概略構成図である。
【図６】本発明の制御方法に係る目標速度と時間の関係の一例を示すグラフである。
【図７】本発明の制御方法に係る目標加速度と時間の関係の一例を示すグラフである。
【図８】本発明の制御方法に係る目標速度の積分値（目標位置）と時間の関係の一例を示すグラフである。
【図９】本発明の制御方法を適用した場合の制御結果の一例を示す図であって、被制御体の速度と時間の関係を示すグラフである。
【図１０】本発明に係るモータ制御系の別の構成例を示すブロック図である。
【図１１】図１０に示す演算制御部内のメモリに記憶されるデータテーブルの一例を示す図である。
【図１２】請求項２乃至９の何れかに記載の制御方法を適用する画像形成装置の一例を示す概略構成図である。
【図１３】感光体ドラムの駆動部の一例を示す斜視図である。
【図１４】従来の制御方法による制御結果の一例を示す図であって、被制御体の速度と時間の関係を示すグラフである。
【図１５】従来の制御方法による制御結果の別の例を示す図であって、被制御体の速度と時間の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１：被制御体
２：駆動部
３：演算制御部
４：データテーブル
１０：エンコーダ
１１：モータ
２０１：マイクロコンピュータ
２０２：マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）
２０３：リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）
２０４：ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）
２０５：バス
２０６：被制御体
２０７：駆動用インターフェイス装置
２０８：パワー半導体
２０９：エンコーダ出力
２１０：状態検出用インターフェイス装置
１３０１：原稿
１３０２：原稿台
１３０３：原稿照明系
１３０５：光電変換素子（ＣＣＤ等）
１３０６：結像レンズ
１３０７：反射ミラー
１３０８：光電変換ユニット
１３０９，１３１０：副走査駆動用のプーリ
１３１１：ワイヤ
１３１２：モータ
１３１３：エンコーダ
１４０１：レーザ書込み部
１４０２：カラー現像部
１４０３：感光体ドラム部
１４０４：中間転写ベルト部
１４０５：定着部
１４０６：給紙部
１４１２，１５０５：感光体ドラム
１５０１：モータ
１５０２：エンコーダ
１５０３：減速装置
１５０４：タイミングベルト
１５０６：ドラム軸
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像読取装置の走行体駆動装置や画像形成装置の感光体駆動装置、あるいは工作機械や計測装置等の駆動装置に応用されるモータの制御方法に係り、特に、走行体や感光体等の被制御体をある状態から移動させて等速状態に駆動制御するモータの制御方法及びそれを用いた駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モータの制御方法やその制御方法を用いた装置に関する技術としては、例えば、特開平５−２２９７５号公報記載の「モータの駆動制御方法および装置」が知られている。この従来技術は、モータの回転速度を変化させるための制御方法および装置であって、下記の式で表わされる目標速度（指令速度）Ｖを算出し、モータ速度が目標速度Ｖになるように制御するものである。
Ｖ＝√（２Ａθ）
ただし、Ａ：加速度
θ：モータの回転位置
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
モータを制御し、被制御体をある状態から移動させて等速状態に駆動制御する制御方法としては、目標速度をステップ状に変化させて速度制御を行う方法が一般的である。しかし、この方法では、立ち上がり時のステップ状の入力変化に基づく、急激な加速度変化により、いわゆる機械系の高域共振を加振し、図１４に示すような振動が生じる。
【０００４】
この振動を防ぐ方法として、特開平５−２２９７５号公報記載の「モータの駆動制御方法および装置」において、停止からのモータの回転角度をθ、減速時の加速度をＡとおいた場合、加速時の目標速度ＶをＶ＝√（２Ａθ）と表わすことにより、モータを加速制御させる場合に一定加速度での加速を可能とする方法が提案されている。この方法においては、一定の加速度で立ち上げるため、前述の目標速度をステップ入力として与える方法よりは、いわゆる機械系の高域共振を加振しない。そのため、生じる振動は少なくなる。しかし、この状態は、まだ最適な、いわゆる機械系の高域共振を加振しない制御になっていないために、振動が発生する。また、速度が目標速度に達した際には、目標加速度が０もしくは、摩擦力相当にステップ状に減少するために、図１５に示すような振動が発生してしまう。
【０００５】
これらの振動は、高速な立ち上がりの実現を妨げるばかりでなく、振動のために、装置に悪影響を与え、最悪の場合は、装置の破損につながる恐れもある。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、その目的（課題）は、モータを制御し、被制御体をある状態から移動させて等速状態に駆動制御する場合において、最適な目標値入力により、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を行なうことにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、画像読取装置の走行体を被制御体として、該被制御体を駆動するモータを制御し、被制御体をある状態から移動させて、等速状態に駆動する駆動部と、該駆動部をデジタル演算結果に基づいて制御する演算制御部とを備え、最適な目標値入力を得るための評価関数として、被制御体の加速度の二階微分値の二乗積分を選定し、この値が最小になる加速パターンをもとに、目標値を時間に関する多項式で表わし、次に該多項式を用いて各サンプリング時刻ごとの目標値を前記演算制御部において算出し、前記被制御体の前記各サンプリング周期ごとの目標値として用いた多項式に対応する値との差において前記駆動部を制御して、前記被制御体の制御を行なうモータの制御方法において、前記被制御体の加速度の二階微分値の二乗積分が最小となる加速パターンを基に得られる制御の目標値とする多項式は、目標速度もしくは目標速度の積分値あるいはフィードフォワードとしての目標加速度であり、目標速度による速度制御、あるいは目標速度の積分値による位置制御と、フィードフォワードとしての目標加速度とを併用することにより、前記被制御体の等速状態への高速な立ち上がり制御を行うことにより、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を行なうことが可能となる。
【０００８】
請求項２記載の発明では、請求項１記載のモータの制御方法において、前記制御の目標値とする多項式を目標速度とし、速度制御を行なうことにより、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を速度制御で行なうことが可能となる。
【０００９】
請求項３記載の発明では、請求項１記載のモータの制御方法において、前記制御の目標値とする多項式を目標速度の積分値とし、位置制御を行なうことにより、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を位置制御で行なうことが可能となる。
【００１０】
請求項４記載の発明では、請求項２または３記載のモータの制御方法において、前記速度制御あるいは前記位置制御と併用して、前記被制御体の加速度の二階微分値の二乗積分が最小となる加速パターンを基に得られる目標加速度の時間に関する多項式に基づき、各サンプリング時刻ごとの目標加速度を前記演算制御部において算出し、その値をフィードフォワード値として、前記駆動部に与えることにより、請求項２または３よりも、安定してループゲインを上げ、より効果的に、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を行なうことが可能となる。
【００１１】
請求項５記載の発明では、請求項２記載のモータの制御方法において、前記目標速度をＲｖとし、等速状態の０でない速度をＶ１ 、移動開始からＶ１ までの目標移動時間をＴとし、前記時間ｔに関する多項式を、下記の式（１） として、前記演算制御部において各サンプリング時刻ごとに目標速度Ｒｖを算出することにより、特に被制御体を停止状態から、等速状態に駆動する際に、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を速度制御で行なうことが可能となる。
【００１２】
【数４】
請求項６記載の発明では、請求項３記載のモータの制御方法において、前記目標速度の積分値をＲｐとし、等速状態の０でない速度をＶ１ 、移動開始からＶ１ までの目標移動時間をＴとし、前記時間ｔに関する多項式を、下記の式（２） として、前記演算制御部において各サンプリング時刻ごとに目標速度の積分値Ｒｐを算出することにより、特に被制御体を停止状態から、等速状態に駆動する際に、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を位置制御で行なうことが可能となる。
【００１４】
【数５】
一般的に被制御体の駆動部においては、摩擦力が働いており、特にその定常値は、バイアスとして制御系に働き、良好な制御特性を妨げる。
【００１６】
そこで、請求項７記載の発明では、請求項２または３または５または６記載のモータの制御方法において、定常摩擦力相当の加速度を前記演算制御部において与え、その値をフィードフォワード値として、前記駆動部に与えることにより、摩擦力による制御特性の劣化を防止し、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を行なうことが可能となる。
【００１７】
請求項８記載の発明では、請求項５または６記載のモータの制御方法において、フィードフォワードに用いる目標加速度をＲαとし、その時間ｔに関する多項式を、下記の式（３） として、前記演算制御部において各サンプリング時刻ごとに目標加速度Ｒαを算出することにより、請求項５または６よりも、安定してループゲインを上げ、より効果的に、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を行なうことが可能となる。
【００１８】
【数６】
請求項９記載の発明では、請求項８記載のモータの制御方法において、前記フィードフォワード演算部において前記各サンプリング時刻ごとの目標加速度に、定常摩擦力相当の値を加えることにより、摩擦力による制御特性の劣化を防止し、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を行なうことが可能となる。
【００２０】
画像読取装置の副走査走行体駆動装置は、▲１▼立ち上がり時間を含めた読み取り時間の短縮、▲２▼等速への立ち上がり直後の読み取り品質の確保、▲３▼振動による部品の破損防止、等により、高速でかつ振動の無い、等速への立ち上げが要求されている。
【００２１】
そこで請求項１０記載の発明は、画像読取装置の走行体の駆動装置であって、請求項２乃至９の何れかに記載のモータの制御方法を用い、その制御方法を走行体駆動部に適用することにより、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御が可能な画像読取装置の走行体駆動装置を構築することが可能となる。
【００２２】
画像読取装置においては、変倍率に合わせて目標の等速度が異なる。変倍率を利用者が設定したならば、直ちに目標値の時間に関する多項式に用いる係数を計算する方法で対応できるが、計算のためのアルゴリズムを入れていくメモリが必要なことや、計算時間がかかる等のデメリットがある。
【００２３】
そこで請求項１１記載の発明は、画像読取装置の走行体の駆動装置であって、請求項５乃至９の何れかに記載のモータの制御方法を用い、その制御方法を走行体駆動部に適用し、あらかじめ、少なくとも一つ以上の目標速度Ｖ１ を画像読取装置の倍率に対応させておき、前記目標速度に対する係数ａ１６，ａ１５，ａ１４を格納したテーブルを設け、該テーブルを検索して得られた値をもとに、目標速度もしくは目標速度の積分値もしくは目標加速度を求めることにより、容易に目標値の時間に関する多項式に用いる係数を得ることが可能となる。
【００２４】
画像形成装置の感光体駆動装置は、▲１▼立ち上がり時間の短縮、▲２▼等速への立ち上がり直後の書き込み品質の確保、▲３▼振動による部品の破損防止、等により、高速でかつ振動の無い、等速への立ち上げが要求されている。
【００２５】
そこで、画像形成装置の感光体の駆動装置においても、請求項２乃至９の何れかに記載のモータの制御方法を用い、その制御方法を感光体駆動部に適用することにより、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御が可能な画像形成装置の感光体駆動装置を構築することが可能となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のモータの制御方法及び駆動装置の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００２７】
まず、本発明の制御方法を図１により簡単に説明する。図１は本発明に係るモータ制御系の一構成例を示すブロック図であり、モータを制御して、画像読取装置の走行体や画像形成装置の感光体等の被制御体１を移動させて等速駆動を行なう駆動部２と、この駆動部２をデジタル演算により制御する演算制御部３とを備え、評価関数、すなわち、ここでは、被制御体１の加速度の二階微分値の二乗積分値が最小となる加速パターンをもとに、目標速度、目標速度の積分値、フィードフォワードとしての目標加速度を、時間に関する多項式で表わし、この多項式を用いて各サンプル時刻ごとの目標速度、目標速度の積分値、フィードフォワードとしての目標加速度を演算制御部３において算出し、被制御体１の各サンプル時刻ごとの位置、速度との差に応じて駆動部２を制御し、被制御体１の駆動を行なうものである。これにより、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を行なうことができる。
【００２８】
ここで、等速、位置、速度等の用語は、直線駆動系を対象にして記述したが、感光体駆動のように回転運動の場合には、それぞれ対応する物理量（例えば、等角速度、角度、角速度）に置き換えればよい。
【００２９】
被制御体１の加速度の二階微分値の二乗積分値が最小となる加速パターンを設定する。被制御体１の加速度の二階微分値を仮想的な入力ｕ’ として導入し、プラントの状態方程式を、下記の式（４） とする。
【００３０】
【数７】
ここで、ｖ，α，α’ はそれぞれ、被制御体１の速度、加速度、加速度の一階微分値である。
また、この場合の評価関数Ｊは下記の式（５） である。
【００３２】
【数８】
このようなＪを最小にする目標速度、フィードフォワードとしての目標加速度は、それぞれ、時間に関する５次、４次式となる。例えば、定数をＣ０〜Ｃ５とすると、目標速度Ｒｖは、
Ｒｖ＝Ｃ５・ｔ５＋Ｃ４・ｔ４＋Ｃ３・ｔ３＋Ｃ２・ｔ２＋Ｃ１・ｔ＋Ｃ０
と表わされる。また、定数をＣ１０〜Ｃ１４とすると、フィードフォワードとしての目標加速度Ｒαは、
Ｒα＝Ｃ１４・ｔ４＋Ｃ１３・ｔ３＋Ｃ１２・ｔ２＋Ｃ１１・ｔ＋Ｃ１０
と表わされる。
【００３４】
ここで、目標速度を積分して定数をＣ２０〜Ｃ２６とし、目標速度を達成する目標位置の時間に関する多項式Ｒｐを求めると、Ｒｐは時間に関する６次式となり、
【００３５】
目標加速度は、フィードフォワードとして用いることにより、目標速度による速度制御や、目標速度の積分値による位置制御と併用できる。
【００３６】
次に、図２に本発明の制御方法を実現する具体例として駆動装置のモータ制御系のブロック図を示す。同図において、符号２０１はマイクロコンピュータであり、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）２０２、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）２０３、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）２０４がそれぞれバス２０５を介して接続されている。このマイクロコンピュータ２０１内において、時間の関数の多項式で表わしている制御のための目標値を計算する。２０６は被制御体であり、例えば画像読取装置の走行体や画像形成装置の感光体である。１１は被制御体２０６を駆動するためのモータであり、モータ１１には、モータ軸と同軸に、モータ可動子の回転角度を計数するためのエンコーダ１０が取り付けられている。エンコーダ１０からの出力２０９は状態検出用のインターフェイス装置２１０に接続されている。このインターフェイス装置２１０はエンコーダ１０の出力を処理して、デジタル数値に変換する状態検出用インターフェイス装置であり、出力パルスを計数するカウンタを備えている。２０７は駆動用のインターフェイス装置であり、マイクロコンピュータ２０１の演算結果（目標値と実測値の差、もしくは、それにフィードフォワード値を加えた値）のデジタル値を駆動部を構成するパワー半導体２０８（例えばトランジスタ）を動作させるパルス状信号（制御信号）に変換する。駆動部を構成するパワー半導体２０８はこのパルス状信号に基づき動作し、モータ１１に印加する電圧を制御する。この結果、モータ１１すなわち被制御体２０６は所望の速度で駆動される。この際、前述の目標値を用いているので、振動等の生じない高速な立ち上がりが可能である。モータ１１すなわち被制御体２０６の速度もしくは位置は、前述のエンコーダ１０、インターフェイス装置２１０により検出され、マイクロコンピュータ２０１に取り込まれる。ここで、２０１〜２０５が図１における演算制御部３であり、２０６，１１，１０が被制御体１、２０７，２０８が駆動部２に相当する。
【００３７】
ここで、速度を検出する方法について示す。図２のエンコーダ１０の出力を処理する、状態検出用インターフェース２１０の処理方法について述べる。状態検出用インターフェイス２１０は出力（図３のエンコーダ出力）をマイクロプロセッサ２０２の割り込みに接続してあり、また、基準クロック（図３のＣＬＫ）をカウントするタイマーを備えている。図３において、エンコーダ出力パルスのエッジ３０１が到達する直前の状態から説明する。カウンタ（例えば、１６進カウンタ）はエンコーダパルスの出力をＣＬＫ信号をもとに、与えられたカウント値（例えば０ＦＦＦＦＨ）からデクリメントカウントを実行する。エッジ３０１がマイクロプロセッサ２０２の割り込みへ到達すると、図４の割り込みルーチンが実行開始される。すると、カウンタのデクリメントカウント値は、状態検出用インターフェイス装置２１０の内蔵レジスタにラッチされる（Ｐ１）。次に、ラッチされたデクリメントカウント値を、図２のＲＡＭ２０４へ格納する（Ｐ２）。そして、Ｔｎのパルス周期をカウントするためのカウント初期値（０ＦＦＦＦＨ）を与え、再度デクリメントカウントを開始し（Ｐ３）、割り込みの処理を終了する。再度エッジ３０２が割り込みへ到達したら、前述の図４のＰ１〜Ｐ３の処理が繰り返される。
【００３８】
このとき、パルスＴｎにおける速度ｖ（ｉ） は次の式（６） のようにして求められる。
Ｖ（ｉ）＝ｋ／（Ｔｃｌｋ × Ｎｅ × ｎ） ・・・（６）
ここで、Ｔｃｌｋ：ＣＬＫ周期．
Ｎｅ：単位角度当りのエンコーダ分割数（４逓倍を使用）．
ｎ：ＣＬＫカウント数＝０ＦＦＦＦＨ−デクリメントカウント数．
ｋ：速度への単位換算定数．
また、モータ１１すなわち被制御体２０６の位置の検出は、インターフェイス装置２１０において、エンコーダパルス数を計数することで簡単に実行できる。
【００３９】
今、前述の状態方程式を用いて、制御対象の初期条件及び終端条件をそれぞれ下記のようにおく。
【００４０】
【数９】
Ｔ：移動開始から速度Ｖ１迄の目標移動時間．
とする。
【００４１】
上記のようにおくと、目標速度Ｒｖは、
Ｒｖ＝６・ａ１６・ｔ５＋５・ａ１５・ｔ４＋４・ａ１４・ｔ３ ・・・（１）
と表わされる。また、フィードフォワードとしての目標加速度Ｒαは、
Ｒα＝３０・ａ１６・ｔ４＋２０・ａ１５・ｔ３＋１２・ａ１４・ｔ２ ・・・（３）
と表わされる。
ここで、多項式の係数ａ１６，ａ１５，ａ１４は下記の式より得られる。
【００４２】
【数１０】
さらに、目標速度を積分して、目標速度を達成する目標位置の時間に関する多項式Ｒｐを求めると、
Ｒｐ＝ａ１６・ｔ６＋ａ１５・ｔ５＋ａ１４・ｔ４ ・・・（２）
と表わされる。
【００４４】
以上で求めた式をもとに、マイクロコンピュータ２０１内において、サンプリング時刻ごとに、目標速度もしくは目標速度の積分値を求めて、モータ１１がそれに追従するような駆動を行なうものである。この際、求めた目標加速度Ｒαをフィードフォワード値として、目標速度による速度制御や、目標速度の積分値による位置制御と併用することにより、より効果的に、いわゆる機械系の高域共振を加振することの無い、高速な立ち上がり制御を実現できる。
【００４５】
一般的に駆動装置のモータや被制御体においては摩擦力が働いており、特にその定常値は、バイアスとして制御系に働き、良好な制御特性を妨げる。従って、この摩擦力に相当する値を前記マイクロコンピュータ２０１内に記憶させておき、その値をフィードフォワードとして用いることにより、フィードフォワードを用いない制御方法よりも良好な制御が行なえる。従って、フィードフォワード値は、目標加速度Ｒαと摩擦力に相当する値とを、サンプリング時刻毎に加えた値を用いてもよい。この場合が最も良好な制御が可能となる。
【００４６】
図５に請求項２乃至９の何れかに記載の制御方法を適用する画像読取装置の一例を示す。図５において、符号１３０１は原稿、１３０２は原稿台、１３０３は原稿照明系、１３０４は反射光の光軸、１３０５は読み取り用の光電変換素子であり例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）、１３０６は結像レンズ、１３０７は反射ミラー、１３０８はこれらＣＣＤ１３０５、レンズ１３０６、ミラー１３０７等からなる光電変換ユニットである。１３０９，１３１０は副走査駆動用のプーリ、１３１１はワイヤ、１３１２はモータで、それと同軸に速度検出用のエンコーダ１３１３が取り付けられている。１３１４は画像読取装置のハウジングである。原稿１３０１を読み取るための光電変換ユニット１３０８は、駆動用のモータ１３１２をハウジング１３１４に固定して、ワイヤ１３１１とプーリ１３０９，１３１０及び歯車やベルト等の動力伝達系１３１５などのモータ１３１２の駆動力を伝達する手段を用いて、原稿１３０１の副走査方向に駆動する。このとき、蛍光灯などの読み取り用照明系１３０３で、原稿台１３０２上の原稿１３０１を照明し、その反射光束（光軸を１３０４に示す）を複数のミラー１３０７で折り返し、結像レンズ１３０６を介して、光電変換素子であるＣＣＤ１３０５などのイメージセンサーの受光部に原稿１３０１の像を結像する。この時、モータ１３１２、速度検出用のエンコーダ１３１３等による光電変換ユニットの副走査と光電変換換素子１３０５自身の主走査とで、原稿全体が読み取られる。
【００４７】
これまで、このような画像読取装置の走行体駆動部の速度立ち上げ制御においては、従来例で示したような制御を行なっていたので、その速度プロフィールは、図１４，１５で示したものになり、立ち上がり時において振動が生じてしまっていた。
【００４８】
今、一例として、目標速度Ｖ１ を０．４３ｍ／ｓ、移動開始から速度Ｖ１ までの目標移動時間Ｔを０．０３５ｓｅｃ とした場合において、前記評価関数が最小になるような目標入力を与える目標速度、及び目標加速度、及び目標速度の積分値（目標位置）をそれぞれ図６，７，８に示す。
画像読取装置の走行体駆動部における目標値として、このような滑らかな入力を与えることで、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な走行体の速度立ち上がりが可能となる。
【００４９】
一例として、目標速度及び、計算した目標加速度に摩擦力相当の値を加えたフィードフォワード制御を行なった場合の結果を図９に示す。図９は、図１４，１５と比べて明らかに振動が少なく、本発明の有効性が確認できる。
【００５０】
ここでは、画像読取装置として、光学系が一つの可動子に取り付けられている場合を示したが、これに限るものではなく、二つの走行体を２対１の速度比で駆動するタイプでもまったく同様である。
【００５１】
ところで、画像読取装置においては、ユーザは、様々な読み取り倍率で画像を読み取る。この際に、駆動系としては、ユーザの設定した読み取り倍率に合わせた駆動速度の設定を行なっている。本発明を適用する際には、目標値の時間に関する多項式（目標速度：Ｒｖ、目標加速度：Ｒα、目標速度の積分値（目標位置）：Ｒｐ）の係数ａ１６，ａ１５，ａ１４を求める必要がある。これは、目標速度Ｖ１ と、目標速度Ｖ１ の立ち上がり時間（目標移動時間）Ｔが決まれば、一意的に計算できるが、画像読取装置としては、余計な負荷となる。
【００５２】
そこで、図１０に示すように、演算制御部３内のメモリに、読み取り倍率もしくはそれを実現する駆動速度に対応する前記係数ａ１６，ａ１５，ａ１４をデータテーブル４として記憶させておく。図１１はデータテーブルの一例を示す図である。そして、ユーザが読み取り倍率を設定したならば、ただちにそのテーブルから、目標値の時間に関する多項式の係数を決定する。これにより、ＣＰＵに余計な負荷をかけないで、容易に必要な係数が決定でき、画像読取装置の変倍読み取りに対応できる。
【００５３】
図１２に請求項２乃至９の何れかに記載の制御方法を適用する画像形成装置の一例を示す。図１２において画像形成装置は、主にレーザ書込み部１４０１、カラー現像部１４０２、感光体ドラム部１４０３、中間転写ベルト部１４０４、定着部１４０５、給紙部１４０６により構成されている。今、形成すべきデータがレーザ書込み部１４０１に送られると、半導体レーザ１４０９で発生されたレーザビームが、回転駆動されているポリゴンミラー１４１０により回転走査され、ｆθレンズやミラー等の光学系１４１１を介して感光体ドラム１４１２上に到達し潜像を形成する。該潜像はカラー現像部１４０２のトナーにより現像され可視像を形成する。感光体ドラム１４１２に形成された像は、一度転写ベルト上に中間転写された後、最終的には、給紙部１４０６から給紙された用紙に像が転写され、定着部１４０５でその像が用紙に定着され、排紙トレイに出力される。像が白黒のように単色の場合には、一回の転写ベルトへの転写の後、用紙に転写されるが、カラーの場合には、感光体ドラム上へのＲ（レッド），Ｇ（グリーン），Ｂ（ブルー）（もしくはその補色であるＣ（シアン），Ｍ（マゼンタ），Ｙ（イエロー））とブラックの各色の像形成と、転写ベルト上への四回の重ね合わせが行なわれ、その後、転写ベルト上に形成されたカラーの像が用紙に転写される。
【００５４】
図１３に感光体ドラムの駆動部の詳細を示す。図１３において、１５０１は駆動用のモータでそれと同軸には、モータ制御用のエンコーダ１５０２が取り付けられている。モータ１５０１の回転は、減速装置１５０３やタイミングベルト１５０４の伝達系を介して、感光体ドラム１５０５の取り付けられているドラム軸１５０６に伝達される。１５０７は回転の安定性を向上させるためのフライホイールである。このような構成でモータ１５０１を制御することにより、感光体ドラム１５０５は等速で駆動される
【００５５】
このような画像形成装置の感光体駆動装置には、▲１▼立ち上がり時間の短縮、▲２▼等速への立ち上がり直後の書込み品質の確保、▲３▼振動による部品の破損防止、等により、高速でかつ振動の無い、等速への立ち上げが要求されている。しかし、これまで、このような画像形成装置の速度立ち上げ制御においては、従来例で示したような制御を行なっていたので、その速度プロフィールは、図１４，１５で示したようなものになり、立上り時において、振動が生じてしまっていた。
【００５６】
そこで、画像形成装置の感光体駆動部に請求項２から９の何れかに記載のモータ制御方法を適用した感光体駆動装置とすることにより、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御が可能な画像形成装置の感光体駆動装置を構築することができる。
【００５７】
尚、ここでは、画像形成装置として、カラー現像部がドラムタイプのカラーのデジタル方式の画像形成装置を例にして示したが、本発明はこれに限ることなく、カラー現像部がドラムタイプでないものでも、また、白黒でも、アナログ方式でも、感光体駆動装置を有するものであれば、同様に適用することができる。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の発明では、画像読取装置の走行体を被制御体として、該被制御体を駆動するモータを制御し、被制御体をある状態から移動させて、等速状態に駆動する駆動部と、該駆動部をデジタル演算結果に基づいて制御する演算制御部とを備え、最適な目標値入力を得るための評価関数として、被制御体の加速度の二階微分値の二乗積分を選定し、この値が最小になる加速パターンをもとに、目標値を時間に関する多項式で表わし、次に該多項式を用いて各サンプリング時刻ごとの目標値を前記演算制御部において算出し、前記被制御体の前記各サンプリング周期ごとの目標値として用いた多項式に対応する値との差において前記駆動部を制御して、前記被制御体の制御を行なうモータの制御方法において、前記被制御体の加速度の二階微分値の二乗積分が最小となる加速パターンを基に得られる制御の目標値とする多項式は、目標速度もしくは目標速度の積分値あるいはフィードフォワードとしての目標加速度であり、目標速度による速度制御、あるいは目標速度の積分値による位置制御と、フィードフォワードとしての目標加速度とを併用することにより、前記被制御体の等速状態への高速な立ち上がり制御を行っているので、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を行なうことができる。
【００５９】
請求項２記載の発明では、請求項１記載のモータの制御方法において、前記制御の目標値とする多項式を目標速度とし、速度制御を行なっているので、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を速度制御で行なうことができる。
【００６０】
請求項３記載の発明では、請求項１記載のモータの制御方法において、前記制御の目標値とする多項式を目標速度の積分値とし、位置制御を行なっているので、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を位置制御で行なうことができる。
【００６１】
請求項４記載の発明では、請求項２または３記載のモータの制御方法において、前記速度制御あるいは前記位置制御と併用して、前記被制御体の加速度の二階微分値の二乗積分が最小となる加速パターンを基に得られる目標加速度の時間に関する多項式に基づき、各サンプリング時刻ごとの目標加速度を前記演算制御部において算出し、その値をフィードフォワード値として、前記駆動部に与えているので、請求項２または３よりも、安定してループゲインを上げ、より効果的に、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を行なうことができる。
【００６２】
請求項５記載の発明では、請求項２記載のモータの制御方法において、前記目標速度をＲｖとし、等速状態の０でない速度をＶ１ 、移動開始からＶ１ までの目標移動時間をＴとし、前記時間ｔに関する多項式を下記の式（１） として、前記演算制御部において各サンプリング時刻ごとに目標速度Ｒｖを算出しているので、特に被制御体を停止状態から、等速状態に駆動する際に、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を速度制御で行なうことができる。
【００６３】
【数１１】
請求項６記載の発明では、請求項３記載のモータの制御方法において、前記目標速度の積分値をＲｐとし、等速状態の０でない速度をＶ１ 、移動開始からＶ１ までの目標移動時間をＴとし、前記時間ｔに関する多項式を、下記の式（２） として、前記演算制御部において各サンプリング時刻ごとに目標速度の積分値Ｒｐを算出しているので、特に被制御体を停止状態から、等速状態に駆動する際に、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を位置制御で行なうことができる。
【００６５】
【数１２】
請求項７記載の発明では、請求項２または３または５または６記載のモータの制御方法において、定常摩擦力相当の加速度を前記演算制御部において与え、その値をフィードフォワード値として、前記駆動部に与えているので、摩擦力による制御特性の劣化を防止し、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を行なうことができる。
【００６７】
請求項８記載の発明では、請求項５または６記載のモータの制御方法において、フィードフォワードに用いる目標加速度をＲαとし、その時間ｔに関する多項式を、下記の式（３） として、前記演算制御部において各サンプリング時刻ごとに目標加速度Ｒαを算出しているので、請求項５または６よりも、安定してループゲインを上げ、より効果的に、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を行なうことができる。
【００６８】
【数１３】
請求項９記載の発明では、請求項８記載のモータの制御方法において、前記フィードフォワード演算部において前記各サンプリング時刻ごとの目標加速度に、定常摩擦力相当の値を加えているので、摩擦力による制御特性の劣化を防止し、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御を行なうことができる。
【００７０】
請求項１０記載の発明は、画像読取装置の走行体の駆動装置であって、請求項２乃至９の何れかに記載のモータの制御方法を用い、その制御方法を走行体駆動部に適用することにより、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御が可能な画像読取装置の走行体駆動装置を構築することができる。
【００７１】
請求項１１記載の発明は、画像読取装置の走行体の駆動装置であって、請求項５乃至９の何れかに記載のモータの制御方法を用い、その制御方法を走行体駆動部に適用し、あらかじめ、少なくとも一つ以上の目標速度Ｖ１ を画像読取装置の倍率に対応させておき、前記目標速度に対する係数ａ１６，ａ１５，ａ１４を格納したテーブルを設け、該テーブルを検索して得られた値をもとに、目標速度もしくは目標速度の積分値もしくは目標加速度を求めているので、容易に目標値の時間に関する多項式に用いる係数を得ることができる。
【００７２】
なお、画像形成装置の感光体の駆動装置においても、請求項２乃至９の何れかに記載のモータの制御方法を用い、その制御方法を感光体駆動部に適用することにより、いわゆる機械系の高域共振を加振することなく、高速な立ち上がり制御が可能な画像形成装置の感光体駆動装置を構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るモータ制御系の一構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明のモータ制御方法を実現する具体例を示す駆動装置のモータ制御系のブロック図である。
【図３】エンコーダ出力と基準クロック（ＣＬＫ）信号を示す図である。
【図４】エンコーダ出力の処理を行なう割り込みルーチンのフローチャートである。
【図５】請求項２乃至９の何れかに記載の制御方法を適用する画像読取装置の一例を示す概略構成図である。
【図６】本発明の制御方法に係る目標速度と時間の関係の一例を示すグラフである。
【図７】本発明の制御方法に係る目標加速度と時間の関係の一例を示すグラフである。
【図８】本発明の制御方法に係る目標速度の積分値（目標位置）と時間の関係の一例を示すグラフである。
【図９】本発明の制御方法を適用した場合の制御結果の一例を示す図であって、被制御体の速度と時間の関係を示すグラフである。
【図１０】本発明に係るモータ制御系の別の構成例を示すブロック図である。
【図１１】図１０に示す演算制御部内のメモリに記憶されるデータテーブルの一例を示す図である。
【図１２】請求項２乃至９の何れかに記載の制御方法を適用する画像形成装置の一例を示す概略構成図である。
【図１３】感光体ドラムの駆動部の一例を示す斜視図である。
【図１４】従来の制御方法による制御結果の一例を示す図であって、被制御体の速度と時間の関係を示すグラフである。
【図１５】従来の制御方法による制御結果の別の例を示す図であって、被制御体の速度と時間の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１：被制御体
２：駆動部
３：演算制御部
４：データテーブル
１０：エンコーダ
１１：モータ
２０１：マイクロコンピュータ
２０２：マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）
２０３：リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）
２０４：ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）
２０５：バス
２０６：被制御体
２０７：駆動用インターフェイス装置
２０８：パワー半導体
２０９：エンコーダ出力
２１０：状態検出用インターフェイス装置
１３０１：原稿
１３０２：原稿台
１３０３：原稿照明系
１３０５：光電変換素子（ＣＣＤ等）
１３０６：結像レンズ
１３０７：反射ミラー
１３０８：光電変換ユニット
１３０９，１３１０：副走査駆動用のプーリ
１３１１：ワイヤ
１３１２：モータ
１３１３：エンコーダ
１４０１：レーザ書込み部
１４０２：カラー現像部
１４０３：感光体ドラム部
１４０４：中間転写ベルト部
１４０５：定着部
１４０６：給紙部
１４１２，１５０５：感光体ドラム
１５０１：モータ
１５０２：エンコーダ
１５０３：減速装置
１５０４：タイミングベルト
１５０６：ドラム軸
Claims (11)
- 画像読取装置の走行体を被制御体として、該被制御体を駆動するモータを制御し、被制御体をある状態から移動させて、等速状態に駆動する駆動部と、該駆動部をデジタル演算結果に基づいて制御する演算制御部とを備え、
前記被制御体の加速度の二階微分値の二乗積分が最小となる加速パターンを基に、目標値を時間に関する多項式で表わし、該多項式を用いて各サンプリング時刻ごとの目標値を前記演算制御部において算出し、前記被制御体の前記各サンプリング周期ごとの目標値として用いた多項式に対応する値との差において前記駆動部を制御して、前記被制御体の制御を行なうモータの制御方法において、
前記被制御体の加速度の二階微分値の二乗積分が最小となる加速パターンを基に得られる制御の目標値とする多項式は、目標速度もしくは目標速度の積分値あるいはフィードフォワードとしての目標加速度であり、目標速度による速度制御、あるいは目標速度の積分値による位置制御と、フィードフォワードとしての目標加速度とを併用することにより、前記被制御体の等速状態への高速な立ち上がり制御を行うことを特徴とするモータの制御方法。 - 請求項１記載のモータの制御方法において、前記制御の目標値とする多項式は目標速度であり、速度制御を行なうことを特徴とするモータの制御方法。
- 請求項１記載のモータの制御方法において、前記制御の目標値とする多項式は目標速度の積分値であり、位置制御を行なうことを特徴とするモータの制御方法。
- 請求項２または３記載のモータの制御方法において、前記速度制御あるいは前記位置制御と併用して、前記被制御体の加速度の二階微分値の二乗積分が最小となる加速パターンを基に得られる目標加速度の時間に関する多項式に基づき、各サンプリング時刻ごとの目標加速度を前記演算制御部において算出し、その値をフィードフォワード値として、前記駆動部に与えることを特徴とするモータの制御方法。
- 請求項２記載のモータの制御方法において、前記目標速度をＲｖとし、等速状態の０でない速度をＶ1 、移動開始からＶ1 までの目標移動時間をＴとし、前記時間ｔに関する多項式を、下記の式(1) として、前記演算制御部において各サンプリング時刻ごとに目標速度Ｒｖを算出することを特徴とするモータの制御方法。
- 請求項３記載のモータの制御方法において、前記目標速度の積分値をＲｐとし、等速状態の０でない速度をＶ1 、移動開始からＶ1 までの目標移動時間をＴとし、前記時間ｔに関する多項式を、下記の式(2) として、前記演算制御部において各サンプリング時刻ごとに目標速度の積分値Ｒｐを算出することを特徴とするモータの制御方法。
- 請求項２または３または５または６記載のモータの制御方法において、定常摩擦力相当の加速度を前記演算制御部において与え、その値をフィードフォワード値として、前記駆動部に与えることを特徴とするモータの制御方法。
- 請求項５または６記載のモータの制御方法において、フィードフォワードに用いる目標加速度をＲαとし、その時間ｔに関する多項式を、下記の式(3) として、前記演算制御部において各サンプリング時刻ごとに目標加速度Ｒαを算出することを特徴とするモータの制御方法。
- 請求項８記載のモータの制御方法において、前記フィードフォワード演算部において前記各サンプリング時刻ごとの目標加速度に、定常摩擦力相当の値を加えることを特徴とするモータの制御方法。
- 画像読取装置の走行体の駆動装置であって、請求項２乃至９の何れかに記載のモータの制御方法を用い、その制御対象が走行体駆動部であることを特徴とする駆動装置。
- 画像読取装置の走行体の駆動装置であって、請求項５乃至９の何れかに記載のモータの制御方法を用い、その制御対象が走行体駆動部であり、少なくとも一つ以上の目標速度Ｖ1 を画像読取装置の倍率に対応させておき、前記目標速度に対する係数ａ１６，ａ１５，ａ１４を格納したテーブルを設け、該テーブルを検索して得られた値をもとに、目標速度もしくは目標速度の積分値もしくは目標加速度を求めることを特徴とする駆動装置。
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