JP6790938B2 - モータ制御装置、角度推定装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ制御装置、角度推定装置及び画像形成装置に関する。

ブラシレスモータを回転制御する制御方式として、オープンループ制御とフィードバック（クローズドループ）制御との２つの方式が知られている（特許文献１等参照）。
フィードバック制御によって角度（位置）や速度を制御するためには、回転子の角度や速度を正しく認識する必要があり、回転子の角度や速度を検知するセンサが必要である。
一方、こうしたセンサの多くは高温などの環境耐性が低いという問題があるため、このような環境耐性を求められる用途には、回転子の角度や速度を検出するためのセンサを用いず、推定した回転子の角度や速度に基づいてモータを回転制御する方法が好ましい。
このように回転子の角度や速度を推定する方法では、磁気飽和等により実機とモデルデータとの間に差異が生じてしまうと、精度よく推定することが難しいという問題があった。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、モータの制御方式を切り替えたときにも、回転子の角度を精度よく推定できるモータ制御装置の提供を目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明のモータ制御装置は、モータの角度や速度を制御する制御方式を選択的に切り替える制御切替手段と、モータの実角度と角度推定値との差である角度誤差を示す推定誤差信号を算出する推定誤差算出手段と、前記制御切替手段によって選択された前記制御方式に応じて異なるアルゴリズムで算出した補正量だけ前記推定誤差信号を補正する補正手段と、前記補正手段によって補正された前記推定誤差信号に基づいて、前記モータの速度推定値及び角度推定値を計算する推定手段と、を有する。

本発明のモータ制御装置によれば、モータの制御方式を切り替えたときにも、回転子の角度を精度よく推定できる。

本発明の実施形態に係る画像形成装置の全体構成の一例を示す図である。 図１に示した搬送ローラを駆動するモータの構成例を示す図である。 本発明の実施形態に係るモータ制御装置の全体構成の一例を示す図である。 図３に示したモード制御部の状態遷移図の一例である。 図３に示した座標変換部の動作の一例を示す概念図である。 図３に示した角度推定ループ部の構成の一例を示す図である。 図６に示した推定座標変換部の構成の一例を示す図である。 図６に示した変動補正部の構成の一例を示す図である。 図６に示した推定部の構成の一例を示す図である。 従来例における補正量と角度推定値との差を表す図である。

本発明の実施形態の一例として、図１に示す電子写真方式のカラープリンタである画像形成装置１００について説明する。
なお、図１では、画像形成装置１００の鉛直上方をＺ方向、Ｚ方向に垂直な２つの方向のうち、紙面に対して垂直な方向をＹ方向、Ｚ方向とＹ方向とに垂直な方向をＸ方向とした。

画像形成装置１００は、タンデム型中間転写式のプリンタである。
画像形成装置１００は、無端ベルト状の転写体たる中間転写ベルト１０と、中間転写ベルト１０に像を形成するための画像形成部１と、画像形成装置１００の下部に配置されて記録媒体たる用紙Ｐを供給する給紙部４０と、を有している。
画像形成装置１００は、用紙Ｐに画像を形成するための４つの作像ユニット１Ｙ、１Ｃ、１Ｍ、１Ｋを有する画像形成部１と、画像形成部１の上方に位置する露光手段としての光書込みユニットたる露光装置４とを有している。
画像形成装置１００はまた、用紙Ｐを搬送し、中間転写ベルト１０に担持されているトナー像を、中間転写ベルト１０とのニップ部である２次転写位置Ｎで用紙Ｐに転写する２次転写手段である２次転写装置５を有している。

画像形成装置１００は、用紙Ｐを搬送するために画像形成装置１００内部の各所に取り付けられた搬送ローラ１２０と、かかる搬送ローラ１２０を駆動するためのモータ２１と、モータ２１を制御するためのモータ制御装置９０と、を有している。

画像形成装置１００はまた、２次転写後の残留する残留トナーを除去する、言い換えると中間転写ベルト１０を清掃するクリーニング装置１７を有している。
画像形成装置１００はまた、給紙部４０から供給された用紙Ｐを所定のタイミングで２次転写位置Ｎに送り出すレジストローラ対１４５を有している。
画像形成装置１００はまた、２次転写位置Ｎを通過してトナー像を担持し、２次転写装置５によって搬送されてきた用紙Ｐを加熱・押圧してトナー像を定着する定着装置６を有している。
画像形成装置１００はまた、定着装置６を通過してトナー像を定着された用紙Ｐを外部に排出する排紙部７を有している。
画像形成装置１００はまた、ＣＰＵ並びに不揮発性メモリおよび揮発性メモリを搭載した、上記各部の動作を制御する制御手段としての画像形成制御部９３を有している。

中間転写ベルト１０は、複数の支持ローラ１４、１５、１５’、１６に巻きかけられて図中Ａ方向に示すように、時計回りに回転可能なように支持されている。
本実施形態では、特に支持ローラ１４が中間転写ベルト１０を回転駆動する駆動ローラとしての機能を有している。

４つの作像ユニット１Ｙ、１Ｍ、１Ｃ、１Ｋは、支持ローラ１４、１５間に張り渡された中間転写ベルト１０上に、Ａ方向として示す中間転写ベルト１０の搬送方向に沿って、並んで配置され、タンデム型の画像形成部１を構成する。なお、各符号の添え字Ｙ、Ｍ、Ｃ、Ｋは、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各色をそれぞれ示し、各作像ユニット１Ｙ、１Ｍ、１Ｃ、１Ｋは、各色のトナー画像を担持する像担持体としての感光体ドラム２Ｙ、２Ｍ、２Ｃ、２Ｋを有している。
感光体ドラム２Ｙ、２Ｍ、２Ｃ、２Ｋの周囲には、露光装置４によって形成された静電潜像を各色のトナーで現像するための現像装置が設けられている。なお、これら現像装置についての詳細な説明は省略する。

感光体ドラム２Ｙ、２Ｍ、２Ｃ、２Ｋから中間転写ベルト１０にトナー画像を転写する一次転写位置には、中間転写ベルト１０を挟んで各感光体ドラム２Ｙ、２Ｍ、２Ｃ、２Ｋに対向するように一次転写ローラ６Ｙ、６Ｍ、６Ｃ、６Ｋが設けられている。
作像ユニット１Ｙ、１Ｍ、１Ｃ、１Ｋは、感光体ドラム２Ｙ、２Ｍ、２Ｃ、２Ｋをそれぞれ中間転写ベルト１０と当接あるいは離間させることで、任意の色のトナー像を中間転写ベルト１０上に形成することができる。

露光装置４は、それぞれ２つの作像ユニット１Ｙ、１Ｍと、作像ユニット１Ｃ、１Ｋと、に対応した各２系統の走査光を用いて静電潜像を作成する光走査装置である。
露光装置４は、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの各色の画像情報に応じて各感光体ドラム２Ｙ、２Ｍ、２Ｃ、２Ｋに露光を行い、静電潜像を形成する。
なお、本実施形態では、画像形成装置１００は、２系統の走査光を用いる２つの露光装置４によって、４つの感光体ドラム２Ｙ、２Ｍ、２Ｃ、２Ｋに露光を行うとしたが、かかる構成に限定されるものではない。例えば、露光装置４は、４系統の走査光を用いた光走査装置であっても良いし、１系統の走査光を用いてそれぞれの感光体ドラム２Ｙ、２Ｍ、２Ｃ、２Ｋに露光を行う４つの光走査装置としても良い。

２次転写装置５は、中間転写ベルト１０を挟んで画像形成部１と反対側に設けられている。２次転写装置５は、中間転写ベルト１０を支持する支持ローラのうちの１つである２次転写対向ローラ１６に、２次転写ローラ１６’を押し当てて転写電界を印加して、中間転写ベルト１０上の画像を記録媒体である用紙Ｐに転写する。
言い換えると、２次転写装置５は、２次転写位置Ｎにおいて、２次転写ローラ１６’との間に中間転写ベルト１０を用紙Ｐとともに挟みこみ、２次転写バイアスをかけて中間転写ベルト１０表面のトナー像を用紙Ｐに転写する。
このとき２次転写バイアスとしては、中間転写ベルト１０の表面に帯電されている静電荷とは逆の電荷を付与する。
２次転写装置５は、２次転写位置Ｎにおいて２次転写を行った後の用紙Ｐを定着装置６まで搬送する。

２次転写装置５の搬送方向の下流側には、用紙Ｐ上の転写画像を定着する定着装置６が設けられている。
定着装置６は、図２に示すように、熱源たるヒータ３４を内部に有する加熱ローラ３３と、加熱ローラ３３に巻き掛けられた回転体たる定着ベルト２６と、加熱ローラ３３とともに定着ベルト２６を巻き掛けた定着ローラ３２と、を有している。

定着装置６はまた、定着ローラ３２との間で定着ベルト２６に圧接し圧接部であるニップ部としての定着ニップＮ_２を形成する回転体たる加圧ローラ２７を有している。

定着ベルト２６は、例えば、ＰＩ(ポリイミド)樹脂からなる層厚９０μｍのベース層に、シリコーンゴム等の弾性層、離型層が順次積層された多層構造の無端ベルトである。
定着ベルト２６の弾性層は、層厚が２００μｍ〜５００μｍ程度であって、シリコーンゴム、フッ素ゴム、発泡性シリコーンゴム等の弾性材料で形成されている。
定着ベルト２６の離型層は、層厚が２０μｍ程度であって、ＰＦＡ（４フッ化エチレンバーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂)、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ＰＥＳ（ポリエーテルサルファイド)等で形成されている。

定着装置６において、定着ローラ３２と定着ベルト２６とが当接し、用紙Ｐを加熱とともに加圧することで、用紙Ｐ上のトナー像が用紙Ｐ上に画像として定着される。

排紙部７は、対向して配設された１対の排紙ローラ１７１を有している。

画像形成制御部９３は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、メインメモリ（ＭＥＭ−Ｐ）、ノースブリッジ（ＮＢ）、サウスブリッジ（ＳＢ）を有している。
画像形成制御部９３はまた、ＡＧＰ（Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｏｒｔ）バス、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ローカルメモリ（ＭＥＭ−Ｃ）を有している。
画像形成制御部９３はまた、ＨＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ）、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＰＣＩバス、ネットワークＩ／Ｆを有している。

ＣＰＵは、メインメモリに記憶されたプログラムに従って、データを加工・演算したり、上述した各部の動作を制御したりするものである。メインメモリは画像形成制御部９３の記憶領域としてはたらき、画像形成制御部９３の各機能を実現させるプログラムやデータを記憶する。あるいはこのプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、ＦＤ、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録して提供するように構成してもよい。

ローカルメモリ（ＭＥＭ−Ｃ）は、コピー用画像バッファ及び符号バッファとして用いる。ＨＤは、画像データの蓄積、印刷時に用いるフォントデータの蓄積、フォームの蓄積を行うためのストレージである。ＨＤＤは、ＣＰＵの制御にしたがってＨＤに対するデータの読み出し又は書き込みを制御する。ネットワークＩ／Ｆは、通信ネットワークを介して情報処理装置等の外部機器と情報を送受信する。

画像形成制御部９３は、通信ネットワークなどを介した上位装置（例えばパソコン）との双方向の通信を制御するための通信制御手段として動作する。
画像形成制御部９３はまた、上位装置からの画像データを露光装置４に送る画像データ処理手段としても動作する。

２次転写装置５で画像が転写された用紙Ｐは、２つのローラ２３に支持された搬送ベルト２４により定着装置６へと送り出される。もちろん、搬送ベルト２４の部分は、固定されたガイド部材でも良く、また、搬送ローラや搬送コロ等でも良い。

なお、図示例では、２次転写装置５及び定着装置６の下に、画像形成部１と平行に、両面印刷のために用紙Ｐの裏面に画像を記録すべく、用紙Ｐを反転して搬送するシート反転装置２８が備えられている。

以上のような構成の画像形成装置１００において、例えばレジストローラ対１４５やその他用紙Ｐを搬送するための搬送ローラ１２０が多数用いられている。
このような搬送ローラ１２０を回転駆動するために、駆動源たるモータが用いられている。
かかるモータを制御するために、画像形成装置１００には、モータ制御装置９０が取り付けられている。

モータ２１は、図２に示すように、９０度の位相差を持ち、互いに独立したＡ相とＢ相との２相で構成されるコイル１３と、コイル１３と対向する位置に配置され、Ｓ極、Ｎ極が交互に並んだ永久磁石である回転子１１と、を有している。
モータ２１は、コイル１３に取り付けられたコイル端子１２を有している。
モータ２１は、本実施形態ではステッピングモータであり、コイル１３へ回転子１１の角度に応じて適切に転流された電流を供給されることで回転する回転駆動体である。

回転子１１は、２×ｐａｉｒ極（極ペア数：ｐａｉｒ）の極数を備えている。
回転子１１の１回転を１周期とする角度を、機械角と呼び、回転子１１の１回転につき変化する極ペアｐａｉｒ周期を１周期とする角度を電気角とする。すなわち、電気角は、回転磁界の角度であり機械角のｐａｉｒ倍に相当する。
以降の説明においては、回転子１１の角度及び速度を電気角相当の値として示すものとする。

モータ制御装置９０は、オープンループ制御とフィードバック制御との２つの制御方式を自動で選択的に切り替えてモータ２１を回転制御する。
モータ制御装置９０は、図３に示すように、モータ２１の角度や速度を制御するための制御方式を選択的に切り替える制御切替手段たるモード制御部７０と、角度推定値θｅｓｔと速度推定値ωｍｅｓｔとを推定し出力する角度推定ループ部５０と、を有している。
モータ制御装置９０は、コイル端子１２またはコイル１３に印加する電流を制御するインバータ部８０と、インバータ部８０からの電流値を検出する検出手段である電流検出部２０と、モータ２１の目標速度を算出する速度制御部３０と、を有している。

モータ制御装置９０は、モード制御部７０が選択した制御方式に基づいて出力する信号を変化させる選択手段たる第１セレクタＤ７６と、第２セレクタＥ７７と、第１セレクタＤ７６からの出力値に基づいて電流値を制御する電流制御部３５と、を有している。
モータ制御装置９０は、外部からの指示に基づいて目標角度を生成する目標角度生成部３１と、を有している。

モード制御部７０は、モータ制御装置９０の制御方式が、オープンループ制御であるか、クローズドループ制御（フィードバック制御）であるかを判断して、モード制御信号ｍｏｄｅを生成する切替手段である。
具体的には、モード制御部７０は、モータ２１の回転速度が停止〜低速回転時には、オープンループ制御を選択しモード制御信号ｍｏｄｅ＝０を出力し、回転速度が上昇して中速以上になると、フィードバック制御を選択しモード制御信号ｍｏｄｅ＝１を出力する。

モード制御部７０の状態遷移図を図４に示す。
モード制御部７０は、状態：ＯＰＥＮ（ｍｏｄｅ＝０）と、状態：ＦＥＥＤＢＡＣＫ（ｍｏｄｅ＝１）とを有している。
モード制御部７０は、条件ＲＥＡＤＹで状態：ＯＰＥＮから状態：ＦＥＥＤＢＡＣＫへと遷移し、条件ＮＧで」ＦＥＥＤＢＡＣＫからＯＰＥＮへと遷移する。
条件ＲＥＡＤＹと条件ＮＧとのアサート条件を次に示す。
ＷＲＥＡＤＹ・・・速度指令ωｍｔ＊が所定時間連続して閾値以上である。
ＷＮＧ・・・速度推定値ωｍｓｅｔが所定時間連続して閾値以下である。
ＥＳＴＲＥＡＤＹ・・・補正推定誤差θｅｃが所定時間連続して所定範囲内である。
ＥＳＴＮＧ・・・補正推定誤差θｅｃが所定時間連続して所定範囲外である。

モータ制御装置９０は、フィードバック制御が選択されたときには、後述する推定部５５が推定した角度推定値を用いてセンサレスベクトル制御駆動を行う。かかる構成により、中高速時において高効率に回転駆動できる。

インバータ部８０は、ＰＷＭ部８１と、駆動回路部８２とを有している。
ＰＷＭ部８１は、コイル１３へ印加する電圧値を示す２相の端子電圧指令Ｖａ＊、Ｖｂ＊をパルス幅変調して、２相それぞれのゲート信号Ｓｇを生成する。
駆動回路部８２は、電源電圧Ｖｃｃ及び接地ＧＮＤに接続されたスイッチング素子とダイオードとで構成される２相のフルブリッジ回路であり、ゲート信号Ｓｇに基づいて各スイッチング素子をＯｎ／Ｏｆｆする。
インバータ部８０は、かかる駆動回路部８２のＯｎ／Ｏｆｆによってコイル１３へ電流を供給し、回転子１１を回転駆動する。

電流検出部２０は、Ａ相、Ｂ相それぞれにシャント抵抗、差動アンプ、ＡＤ変換部を備える検出手段であり、Ａ相、Ｂ相それぞれのコイル電流Ｉａ、Ｉｂを検出して検出交流データ値ｄ＿Ｉａ、ｄ＿Ｉｂとして出力する。

座標変換部４１は、電流検出部２０が検出したＡ相、Ｂ相のコイル電流値を示す検出交流データ値ｄ＿Ｉａ、ｄ＿Ｉｂを、数式１で示すように、選択角度θｓｅｌで回転する座標変換を行い、ｄ軸、ｑ軸それぞれに対応する検出直流データ値ｄ＿Ｉｄ、ｄ＿Ｉｑとして出力する。なお、フィードバック制御時においては、選択角度θｓｅｌは角度推定値θｅｓｔであり、この座標変換処理は、図５に示すαβ軸座標系からγδ軸座標系への変換に相当する。

速度制御部３０は、モータ２１の回転速度の目標値である速度指令ωｍｔ＊と、後述する速度推定値ωｍｅｓｔに基づいて、発生すべきトルク目標に比例したｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を出力する。
なお、本実施形態においては、常にｄ軸電流指令値Ｉｄ＊＝０となるｄ軸電流ゼロ制御とする。また、ここで用いた速度指令値ωｍｔ＊とωｍｅｓｔとは、何れも機械角相当である。

第１セレクタＤ７６は、モード制御信号ｍｏｄｅにしたがって、電流指令値を選択して出力する選択手段である。オープンループ制御（ｍｏｄｅ＝０）ならば、ｄ軸、ｑ軸に対応する固定電流指令値Ｉｄ０＊、Ｉｑ０＊を出力する。フィードバック制御（ｍｏｄｅ＝１）ならばｄ軸、ｑ軸に対応する電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊を出力する。
固定電流指令値Ｉｄ０＊、Ｉｑ０＊は、あらかじめ設定された定数であり、本実施例においては、オープンループ制御時のコイル電流Ｉａ、Ｉｂの所望の振幅設定値をｄ軸固定電流指令Ｉｄ０＊へ設定し、ｑ軸固定電流指令Ｉｑ０＊は常にゼロとする。

目標角度生成部３１は、外部から入力された機械角である速度指令ωｍｔ＊を積算して、モータ２１が達成すべき電気角である目標角度ｘｅｔを算出する。
具体的には、ｘｅｔ（ｎ）は、速度指令ωｍｔ＊と、極ペア数ｐａｉｒと、演算周期ｔｓと、前回の演算におけるｘｅｔ（ｎ−１）を用いて、数式２で表される。
このようにｘｅｔは、機械角である速度指令ωｍｔ＊を極ペア数ｐａｉｒ倍して積算することにより電気角を算出し、剰余演算により、電気角１周期の繰り返しカウント（２π）へ変換している。ｎは１回の処理実行ごとにインクリメントされるカウント値であり、ｘｅｔ（ｎ）が目標角度ｘｅｔとして出力される。なお、目標角度ｘｅｔはオープンループ制御時の転流角度となる。

第２セレクタＥ７７は、モード制御信号ｍｏｄｅに従って、角度情報を選択して選択角度θｓｅｌを出力する選択手段である。
ｍｏｄｅ＝０（オープンループ制御）ならば目標角度ｘｅｔを出力し、ｍｏｄｅ＝１（フィードバック制御）ならば後述のｄ軸、ｑ軸に対応する角度推定値θｅｓｔを出力する。

電流制御部３５は、第１セレクタＤ７６の出力する２軸の電流指令に対して、比例積分制御器を備えている。
電流制御部３５は、ｄ軸及びｑ軸の電流指令と、ｄ軸、ｑ軸それぞれの検出直流データ値ｄ＿Ｉｄ、ｄ＿Ｉｑと、を用いて、制御指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊をそれぞれ生成する。

座標逆変換部４６は、電流制御部３５によって生成された制御指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊を用いて、選択角度θｓｅｌで回転させる座標逆変換を行って、Ａ相とＢ相それぞれのコイル端子１２間に印加するべき電圧である端子電圧指令Ｖａ＊、Ｖｂ＊を出力する。
すなわち、座標逆変換部４６は、図５に示したγδ軸座標系からαβ軸座標系への変換に対応する。言い換えると、座標逆変換部４６は、座標変換部４１で行われた座標系変換に対応する逆変換である。
ここで、回転変換関数Ｒ（θ）を数式３に示している。

図５に示した座標系について説明する。
αβ軸座標系は、固定の直交座標系であり、モータ２１のＡ相、Ｂ相に対応する。
γδ軸座標系は、αβ軸座標系に対して角度推定値θｅｓｔで回転する回転直交座標系である。ｄｑ軸座標系は、αβ軸座標系に対して回転子角度θｒｅで回転する回転直交座標系である。

従来のモータでは、かかる回転子角度を位置センサを用いて検知することで、ｄｑ軸座標系を得ている。
しかしながら、こうしたセンサの多くは高温などの環境耐性が低いという問題があり、センサを用いずにｄｑ軸座標系への変換を行う方法が求められている。
そこで、例えば回転子の角度を推定した角度推定値θｅｓｔを求める方法が考えられているが、回転子の実角度θｒｅとは差が生じ、かかる角度推定値θｅｓｔと回転子の実角度θｒｅとの差である推定誤差θｅｒｒを精度よく推定する方法が求められている。

そこで、本実施形態では、推定誤差θｅｒｒを、角度推定ループ部５０を用いて算出し、角度推定値θｅｓｔを推定する。

角度推定ループ部５０は、図６に示すように、暫定推定電圧指令値を算出する推定座標変換部５２と、推定誤差信号たる推定誤差θｅｒｒを算出する推定誤差算出部５１と、モード制御信号ｍｏｄｅに基づいて推定誤差θｅｒｒの補正値を算出する変動補正部６０と、を有している。
角度推定ループ部５０は、モード制御信号ｍｏｄｅによって出力する値を切り替える第３セレクタＢ５８と、変動補正部６０によって補正された推定誤差θｅｒｒに基づいてモータ２１の速度推定値と角度推定値とを計算する推定部５５と、を有している。

第３セレクタＢ５８は、モード制御信号ｍｏｄｅにしたがって、推定誤差算出に用いる速度情報を選択して出力する。ｍｏｄｅ＝０（オープンループ制御）ならば機械角相当の速度指令ωｍｔ＊を推定用速度ωｍｓｅｌとして出力する。ｍｏｄｅ＝１（フィードバック制御）ならば速度推定値ωｍｅｓｔを推定用速度ωｍｓｅｌとして出力する。なお、角度推定ループが目標値へロックしやすくするため、オープンループ制御時は速度指令ωｍｔ＊を推定に用いることが望ましい。

推定座標変換部５２は、図７に示すように、回転変換部５３と、第４セレクタＡ５４と、を有している。
推定座標変換部５２は、γδ軸座標上の推定電圧指令Ｖγ、Ｖδ、推定電流Ｉγ、Ｉδを算出、または選択して出力する。
回転変換部５３は、オープンループ制御時において、目標角度ｘｅｔで回転する座標系上の値から、角度推定値θｅｓｔで回転するγδ軸上へと座標変換する。
具体的には、ｄ軸、ｑ軸の制御指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊、検出直流データ値ｄ＿Ｉｄ、ｄ＿Ｉｑを用いて、数式４、５に示す座標変換処理を行い、暫定推定電圧指令ｔ＿Ｖγ、ｔ＿Ｖδ、暫定推定電流ｔ＿Ｉγ、ｔ＿Ｉδをそれぞれ第４セレクタＡ５４へ出力する。

第４セレクタＡ５４は、モード制御信号ｍｏｄｅにしたがって、オープンループ制御（ｍｏｄｅ＝０）のときには暫定推定電圧指令ｔ＿Ｖγ、ｔ＿Ｖδ、暫定推定電流ｔ＿Ｉγ、ｔ＿ＩδをＶγ、Ｖδ、Ｉγ、Ｉδとして出力する。
また、第４セレクタＡ５４は、フィードバック制御（ｍｏｄｅ＝１）のときには、ｄ軸、ｑ軸の制御指令Ｖｄ＊、Ｖｑ＊、検出直流データ値ｄ＿Ｉｄ、ｄ＿ＩｑをＶγ、Ｖδ、Ｉγ、Ｉδとして出力する。
すなわち、第４セレクタＡ５４は、モード制御信号ｍｏｄｅによって数式３の座標変換を用いるか用いないかを決定する選択手段である。

推定誤差算出部５１は、回転子１１の実角度θｒｅと角度推定値θｅｓｔとの差である推定誤差θｅｒｒを数式６を用いて算出し、推定誤差信号として出力する推定誤差算出手段である。なお、数式６において、コイル抵抗：R、ｄ軸インダクタンス：Ld、ｑ軸インダクタンス：Lq、回転子１１の永久磁石による磁束：Ψａ、極ペア数：ｐａｉｒとしてそれぞれ表示している。

さて、従来では、数式７に示すモータモデル式が知られている。しかしながら、数式７に示したモデルでは、モータ２１内部で生じる磁気飽和などの現象が正しく反映されず、算出されるθｅｒｒの値に誤差として検出変動Δθｅｒｒが生じる原因となっていた。
本実施形態において用いた数式６は、かかる数式７に示されたモデルを、回転変換と近似により導出した式であるから、単に推定誤差算出部５１の算出した数値を用いるだけでは、かかる検出変動Δθｅｒｒが、θｅｒｒに含まれてしまう。

図１０に、従来例におけるオープンループ制御時と、推定値を利用したフィードバック制御（速度制御）時それぞれにおいて、補正量Δθｅｒｒの値（横軸）を振った場合の、角度推定値θｅｓｔの変化量（縦軸）を示す。

オープンループ制御は、速度・角度推定値を回転子の制御に使用せず、角度推定ループは独立である。一方フィードバック制御は、速度推定値ωｅｓｔを回転子の速度制御に使うため、制御ループと角度推定ループは相互に影響をもつ。
このような検出変動Δθｅｒｒについては、各種制御ループと角度推定ループとで相互に影響を与えないように、交叉周波数を離すことで実質無視できるとの考え方が一般的である。
しかしながら、図１０から明らかなように、２つの異なる制御方式では、補正量Δθｃの値に対して、角度推定値θｅｓｔの変化量に差異があることが分かる。つまり、制御方式により最適な補正量Δθｃは異なる。

そこで、本実施形態では、かかる検出変動Δθｅｒｒを補正するための補正手段として、制御方式に応じて異なるアルゴリズムで変動補正量Δθｃを算出する変動補正部６０を有している。

変動補正部６０は、図８に示すように、推定誤差θｅｒｒに変動補正量Δθｃを用いて補正する加算部６１と、第５セレクタＣ６２と、低周波信号を透過する低域通過フィルタであるＬＰＦ６３と、変動補正量Δθｃを算出する補正量算出部６４と、を有している。

補正量算出部６４は、推定電流Ｉγ、Ｉδが入力されると、第１アルゴリズムによって算出された第１算出補正量Δθｃｏｐと、第２アルゴリズムによって算出された第２算出補正量Δθｃｃｌと、をそれぞれ算出する。
本実施形態においては、第１アルゴリズムと第２アルゴリズムとは、推定電流Ｉγ、Ｉδの関数または推定電流Ｉγ、Ｉδを引数としたテーブルである。
第１アルゴリズムは、オープンループ制御（ｍｏｄｅ＝０）に対応するアルゴリズムであり、オープンループ制御時において、エンコーダを用いた回転子１１の実角度との比較実験により得られた推定誤差信号θｅｒｒと実角度θｒｅとの差による補正値を第１算出補正量Δθｃｏｐとして算出する。
第２アルゴリズムは、フィードバック制御（ｍｏｄｅ＝１）に対応するアルゴリズムであり、フィードバック制御時におけるエンコーダを用いた回転子１１の実角度との比較実験により得られた推定誤差信号θｅｒｒと実角度θｒｅとの差による補正値を第２算出補正量Δθｃｃｌとして算出する。
なお、かかるアルゴリズムは、このような方式に限定されるものではなく、実機を用いた検証実験以外にも、磁気シミュレーションを利用して実角度を仮想的に再現したものを用いたとしても良い。

ＬＰＦ６３は、所謂ローパスフィルタであり、第２算出補正量Δθｃｃｌを平滑化して出力する。
フィードバック制御時には、電流情報から補正量を算出して推定誤差を補正するから、角度推定値θｅｓｔは新たなフィードバックループを形成することとなる。
そこで、ＬＰＦ６３は、電流検出時の検出ノイズや、フィードバックループ間の相互干渉など、他のループへの影響を低減するために設けられている。
かかる構成のＬＰＦ６３によって、フィードバックループ以外への影響を低減する。

第５セレクタＣ６２は、モード制御信号ｍｏｄｅの値に従って、第１算出補正量Δθｃｏｐと、第２算出補正量Δθｃｃｌと、のどちらの算出補正量を変動補正量Δθｃとして出力するかを決定する選択手段である。

加算部６１は、推定誤差θｅｒｒから変動補正量Δθｃを減算して、補正推定誤差信号θｅｃとして出力する。
かかる構成により、モータの制御方式を切り替えたときにも、回転子の角度を精度よく推定できる。

推定部５５は、誤差収束部５６と積分部５７と、を有している。
推定部５５は、補正誤差信号θｅｃに基づいて、補正誤差信号θｅｃがゼロに収束するように、角度推定値θｅｓｔ及び速度推定値ωｍｅｓｔを生成する。
誤差収束部５６は、補正誤差信号θｅｃについて、比例ゲインＫｐを乗じた値と、積分して積分ゲインＫｉを乗じた値の話を出力するＰＩ制御器である。
誤差収束部５６は、演算結果を機械角相当の速度推定値ωｍｅｓｔとして出力する。

積分部５７は、速度推定値ωｍｅｓｔから角度推定値θｅｓｔを算出して出力する。
速度推定値ωｍｅｓｔは機械角相当であり、角度推定値θｅｓｔは電気角相当であるため、極ペア数ｐａｉｒを乗じて、積分した値を角度推定値θｅｓｔとする。

本実施形態では、かかる角度推定ループ部５０は、モータ制御装置９０の制御方式がオープンループ制御であるかフィードバック制御であるかを問わず処理を実行する。
このように動作させることで、制御モードの切り替え判定が容易となる。また、オープンループ制御中から角度推定値θｅｓｔを回転子１１の実角度θｒｅへ追従させておくことで、オープンループ制御からフィードバック制御への切替えが行われた直後の乱れが抑制される。
さらに、角度推定値θｅｓｔの乱れが少なくなるから、回転子１１の回転乱れをも防止する。

本実施形態では、制御方式の少なくとも１つは、角度推定値θｅｓｔ及び速度推定値ωｍｅｓｔをフィードバックしないオープンループ制御である。
かかる構成により、モータの制御方式を切り替えたときにも、回転子の角度を精度よく推定できる。

本実施形態では、モータ制御装置９０の制御方式がオープンループ制御であるときにも、角度推定値θｅｓｔと速度推定値ωｍｅｓｔと、を算出する。
かかる構成により、モータの制御方式を切り替えたときにも、回転子の角度を精度よく推定できる。

制御方式のうち少なくとも１つはフィードバック制御であり、少なくとも速度推定値ωｍｅｓｔをフィードバックして、モータ２１を回転制御する。
かかる構成により、モータの制御方式を切り替えたときにも、回転子の角度を精度よく推定できる。

以上本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば、上記実施形態においては、搬送ローラを駆動するモータにおける場合のみを説明したが、その他の回転部材に用いるモータであっても良い。また、ブラシレスＤＣモータを駆動制御するものであっても良い。

本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１１ 回転子
１２ コイル端子
１３ コイル
２０ 電流検出部
２１ モータ
３０ 速度制御部
３１ 目標角度生成部
３５ 電流制御部
４１ 座標変換部
４６ 座標逆変換部
５０ 角度推定装置（角度推定ループ部）
５１ 推定誤差算出手段（推定誤差算出部）
５２ 推定座標変換部
５３ 回転変換部
５５ 推定部
５６ 誤差収束部
５７ 積分部
６０ 補正手段（変動補正部）
６１ 加算部
６２ セレクタＣ
６３ ＬＰＦ
７０ 制御切替手段（モード制御部）
７６ セレクタＤ
７７ セレクタＥ
８０ インバータ部
９０ モータ制御装置
θｒｅ 実角度
θｅｓｔ 角度推定値
θｅｒｒ 推定誤差
θｅｃ 補正推定誤差
θｓｅｌ 選択角度
Δθｅｒｒ 検出変動
Δθｃ 変動補正量
ωｍｅｓｔ 速度推定値（機械角）
ωｍｔ＊ 速度指令（機械角）
ωｅｓｔ 速度推定値（電気角）
ωｒｅ 実速度（電気角）
ωｍｓｅｌ 推定用速度（機械角）
ｘｅｔ 目標角度（電気角）
ｔｓ 演算実行周期時刻
Ｖｄ＊、Ｖｑ＊ 制御指令（ｄ軸、ｑ軸）
Ｖａ＊、Ｖｂ＊ 端子間電圧指令（Ａ相、Ｂ相）
Ｖγ、Ｖδ 推定電圧指令（γ軸、δ軸）
Ｉｄ＊、Ｉｑ＊ 電流指令（ｄ軸、ｑ軸）
Ｉｄ０＊、Ｉｑ０＊ 固定電流指令（ｄ軸、ｑ軸）
Ｉａ、Ｉｂ コイル電流（Ａ相、Ｂ相）
ｄ＿Ｉａ、ｄ＿Ｉｂ 検出交流データ値（Ａ相、Ｂ相）
ｄ＿Ｉｄ、ｄ＿Ｉｑ 検出直流データ値（ｄ軸、ｑ軸）
ｔ＿Ｉγ、ｔ＿Ｉδ 暫定推定電流（γ軸、δ軸）
ｔ＿Ｖγ、ｔ＿Ｖδ 暫定推定電圧指令（γ軸、δ軸）
Ｉγ、Ｉδ 推定電流（γ軸、δ軸）
Ｒ コイル抵抗値
Ｌｄ、Ｌｑ インダクタンス（ｄ軸、ｑ軸）
Ψａ 永久磁石による鎖交磁束
Ｖｃｃ 電源電圧
ＧＮＤ 接地
ｐａｉｒ 極ペア数
１／ｓ 積分
Ｋｉ 積分ゲイン
Ｋｐ 比例ゲイン
ｍｏｄｅ モード制御信号
Ｒ（） 回転変換関数
Δθｃｏｐ 第１算出補正量（オープン）
Δθｃｃｌ 第２算出補正量（フィードバック）

特許第５１６７６３１号公報

Claims (7)

1. モータの角度や速度を制御する制御方式を選択的に切り替える制御切替手段と、
   前記モータの実角度と角度推定値との差である角度誤差を示す推定誤差信号を算出する推定誤差算出手段と、
   前記制御切替手段によって選択された前記制御方式に応じて異なるアルゴリズムで算出した補正量だけ前記推定誤差信号を補正する補正手段と、
   前記補正手段によって補正された前記推定誤差信号に基づいて、前記モータの速度推定値及び前記角度推定値を計算する推定手段と、
   を有することを特徴とするモータ制御装置。
2. 請求項１に記載のモータ制御装置であって、
   前記制御方式の少なくとも１つは、前記角度推定値及び前記速度推定値をフィードバックしないオープンループ制御であることを特徴とするモータ制御装置。
3. 請求項１または２に記載のモータ制御装置であって、
   前記制御方式がオープンループ制御であるときにも、前記角度推定値と前記速度推定値とを算出することを特徴とするモータ制御装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１つに記載のモータ制御装置であって、
   前記制御方式のうち少なくとも１つはフィードバック制御であり、少なくとも前記速度推定値をフィードバックして、前記モータを回転制御することを特徴とするモータ制御装置。
5. 請求項１乃至４の何れか１つに記載のモータ制御装置であって、
   前記補正手段は、低域通過フィルタを備えることを特徴とするモータ制御装置。
6. 請求項１乃至５の何れか１つに記載のモータ制御装置と、
   前記モータ制御装置によって制御されるモータと、を有し、
   前記モータはステッピングモータであることを特徴とする角度推定装置。
7. 請求項１乃至５の何れか１つに記載のモータ制御装置と、
   前記モータ制御装置によって制御されるモータと、を有し、
   前記モータ制御装置を用いて記録部材の搬送用ローラを駆動する画像形成装置。

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