JP6838352B2 - 永久磁石同期電動機の制御装置、制御方法、および画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石同期電動機の制御装置、制御方法、および画像形成装置に関する。

一般に、永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ：Permanent Magnet Synchronous Motor）は、捲線を有する固定子と永久磁石を用いた回転子とを有し、捲線に交流電流を流して回転磁界を発生させることにより、回転子をそれに同期して回転させる。交流電流をｄ−ｑ座標系のベクトルの成分として制御を行うベクトル制御によると、効率よく滑らかに回転させることができる。

近年、センサレス型の永久磁石同期電動機が広く用いられている。センサレス型は、磁極位置を検出するための磁気センサやエンコーダを有していない。このため、センサレス型の永久磁石同期電動機のベクトル制御には、捲線に流れる電流または電圧に基づいて、ｄ−ｑ軸モデルの式などの所定の演算式により回転子の回転速度（角速度）および磁極位置（角度）を推定する方法が用いられる。一般に、回転速度に基づく積分演算により磁極位置が推定される。

回転速度の推定値（推定速度）は、捲線に流れる電流の大きさを決める電流指令値の設定のために用いられる。すなわち、推定速度が目標速度に近づくように、推定速度が目標速度よりも小さいときには電流指令値を増やし、推定速度が目標速度よりも大きくなると電流指令値を減らすという設定が一般に行われる。このような設定に関して、例えば特許文献１には、磁束方向のｄ軸電流を零とした駆動状態において、推定速度が所定の速度制限範囲を逸脱するときに、回転駆動のトルクを発生させるｑ軸電流の電流指令値を増減することが記載されている。

磁極位置の推定値（推定角度）は、設定した電流指令値に基づいて永久磁石同期電動機に与える制御信号を生成するための座標変換演算、および捲線に流れる電流の測定値をベクトル制御にフィードバックするための座標変換演算などに一般に用いられる。

磁極位置の推定の精度を高めるための先行技術として、特許文献２に記載の技術がある。特許文献２には、モータにより駆動されるアクチュエータから入力される位置検出信号Ｓａに基づいて回転速度の実際値を算出し、この実際値と推定速度との差分に基づいて推定角度を補正することが記載されている。

特開２０１２−０６２９０９号公報 特開２０１５−１３３８７２号公報

従来、永久磁石同期電動機の制御においては脱調を起こすことがあり、特に回転を加速させる起動時において脱調を起こしやすいという問題があった。

回転が加速しているときには、回転速度を推定してから推定値が駆動に反映されるまでに回転速度が増大する。つまり、回転速度の推定が回転速度の変化に対して遅れる。回転速度の推定の遅れは、推定速度に基づく磁極位置の推定において積算される。このため、磁極位置の推定値である推定角度には大きな遅れが生じやすい。

起動時において、推定角度の遅れが大きくなると、回転子の実際の磁極位置に対してはトルクが減少する。このため、回転速度が低下して脱調が起こる可能性が高くなる。

トルクの減少を補う方法として、捲線に流す電流を大きくする方法がある。しかし、電流の大きさを駆動回路の仕様で決まる設定可能範囲の上限に設定している場合には、それ以上に電流を大きくできない。一般に起動時には、設定可能範囲の上限近くに設定されるので、それ以上に電流を大きくすることはできない。駆動回路の部品を変更して設定可能範囲の上限の高くすると、駆動回路の製造コストが上昇してしまう。

上に述べた特許文献２の技術は、永久磁石同期電動機の外部に設けたセンサから回転子の角度位置に応じた位置検出信号Ｓａを取得して推定角度を補正するものである。つまり、永久磁石同期電動機はセンサレス型であっても、永久磁石同期電動機の制御装置は、回転子の位置を検出するセンサを有することになり、センサレス型の永久磁石同期電動機を用いるコスト削減効果が損なわれる。

なお、脱調を起こす他の要因として、回転速度および磁極位置を推定するための演算に用いる複数のパラメータ値（モータ定数）と実際のパラメータ値とのずれが考えられる。パラメータとして、捲線の抵抗値、捲線のインダクタンス、および誘起電圧定数などがある。永久磁石同期電動機の駆動または周囲温度の変化により捲線や永久磁石の温度が変化すると、推定のためにあらかじめ設定しておいたパラメータ値と実際のパラメータ値とにずれが生じる。そのため、磁極位置および回転速度の推定が正しくできなくなることがある。

パラメータ値のずれに関しては、例えば起動毎に各パラメータ値を測定して演算に用いるパラメータ値を更新する方法がある。ただし、この場合には、各回の起動に要する時間が長くなり、起動指令に対する応答性が低下する。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、磁極の実際の位置と推定した位置とのずれに起因する脱調を防ぐことの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制御装置は、電機子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永久磁石同期電動機の制御装置であって、前記電機子に電流を流して前記回転子を駆動する駆動部と、前記電機子に流れる電流に基づいて前記回転子の回転速度を推定する速度推定部と、推定された前記回転速度である推定速度に基づいて前記回転子の磁極位置を推定する磁極位置推定部と、前記磁極位置推定部から出力される前記磁極位置の推定値である推定角度に基づいて、入力された速度指令の示す目標速度で回転する前記回転磁界が生成されるよう前記駆動部を制御する制御部と、前記目標速度および前記推定速度に基づいて脱調が起こるか否かを予測する脱調予測部と、前記脱調予測部により脱調が起こると予測された場合に、前記推定角度を補正する補正部と、を有し、前記制御部は、前記補正部により前記推定角度が補正された場合に、補正された前記推定角度である補正済推定角度に基づいて、前記目標速度に応じた前記回転磁界が生成されるよう前記駆動部を制御し、前記脱調予測部は、前記目標速度と前記推定速度との差である速度ずれ量が、前記目標速度とあらかじめ定められた許容下限速度との差であるしきい値よりも大きい場合に、脱調が起こると予測するものであり、前記許容下限速度は、加速時において前記回転子に作用する回転駆動力が負荷によって零になるような遅れ量が生じたとみなす回転速度である想定脱調速度に余裕値を加えた値である。

本発明によると、磁極の実際の位置と推定した位置とのずれに起因する脱調を防ぐことのできる制御装置および制御方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係るモータ制御装置を備えた画像形成装置の構成の概要を示す図である。 ブラシレスモータの構成を模式的に示す図である。 ブラシレスモータのｄ−ｑ軸モデルを示す図である。 モータ制御装置の機能的構成の一例を示す図である。 モータ制御装置の機能的構成の変形例を示す図である。 モータ駆動部および電流検出部の構成の例を示す図である。 ブラシレスモータの運転パターンの例を示す図である。 推定角度のずれと駆動トルクとの関係を示す図である。 脱調の予測に用いるしきい値の設定の例を示す図である。 推定角度の遅れ量の上限の設定の例を示す図である。 目標速度に応じたしきい値を示すテーブルの例を示す図である。 推定角度の推移の例を示す図である。 速度比に応じた補正角度を示すテーブルの例を示す図である。 速度比に応じた補正速度を示すテーブルの例を示す図である。 推定角度の推移の他の例を示す図である。 モータ制御装置における処理の流れを示す図である。 脱調予測の処理の流れの例を示す図である。 脱調予測の処理の流れの例を示す図である。 角度補正の処理の流れの例を示す図である。

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、図２にはブラシレスモータ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、電子写真式のプリンタエンジン１Ａを備えたカラープリンタである。プリンタエンジン１Ａは４個のイメージングステーション１１，１２，１３，１４を有しており、イエロー（Ｙ）、マゼンダ（Ｍ）、シアン（Ｃ）およびブラック（Ｋ）の４色のトナー像を並行して形成する。イメージングステーション１１，１２，１３，１４のそれぞれは、筒状の感光体、帯電チャージャ、現像器、クリーナ、および露光用の光源などを有している。

４色のトナー像は中間転写ベルト１６に一次転写され、用紙カセット１０から給紙ローラ１５Ａによって引き出されてレジストローラ対１５Ｂを経て搬送されてきた用紙９に二次転写される。二次転写の後、用紙９は定着器１７の内部を通って上部の排紙トレイ１８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用紙９に定着する。

画像形成装置１は、定着器１７、中間転写ベルト１６、給紙ローラ１５Ａ、レジストローラ１５Ｂ、感光体、および現像器のローラなどの回転体を回転させる駆動源として、ブラシレスモータ３を含む複数のブラシレスモータを用いる。つまり、プリンタエンジン１Ａは、これらのブラシレスモータにより回転駆動される回転体を用いて用紙９を搬送して当該用紙９に画像を形成する。

ブラシレスモータ３は、例えばイメージングステーション１４の近傍に配置されて、レジストローラ対１５Ｂを回転駆動する。このブラシレスモータ３は、モータ制御装置２１またはモータ制御装置２１ｂにより制御される。

図２において、ブラシレスモータ３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。ブラシレスモータ３は、回転磁界を発生させる電機子としての固定子３１と、永久磁石を用いた回転子３２とを備えている。固定子３１は、１２０度間隔で配置された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。

図２に示す例では回転子３２の磁極数は２である。ただし、回転子３２の磁極数は２に限らず、４、６またはそれ以上であってもよい。回転子３２は、アウター式でもよく、インナー式でもよい。また、固定子３１のスロット数は３に限らない。いずれにしても、ブラシレスモータ３に対して、ｄ−ｑ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２１，２１ｂ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。

図３にはブラシレスモータ３のｄ−ｑ軸モデルが示されている。ブラシレスモータ３のベクトル制御では、ブラシレスモータ３の捲線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。

永久磁石の磁束方向（Ｎ極の方向）をｄ軸（無効電流軸）とし、ｄ軸から電気角でπ／２［ｒａｄ］（９０°）進んだ方向をｑ軸（有効電流軸）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。

ブラシレスモータ３は回転子３２の角度位置（磁極位置）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の遅れ量を、Δθと定義する。遅れ量Δθが零のときは、γ−δ座標系はｄ−ｑ座標系と一致する。

図４にはモータ制御装置２１の機能的構成の一例が、図５にはモータ制御装置２１の機能的構成の変形例が、図６にはモータ制御装置２１，２１ｂにおけるモータ駆動部２６および電流検出部２７の構成の例が、それぞれ示されている。

図４に示すように、モータ制御装置２１は、モータ駆動部２６、電流検出部２７、ベクトル制御部２３、速度推定部２４、磁極位置推定部２５、座標変換部２８、脱調予測部４５、および角度補正部４６などを有している。これらの要素のうち、脱調予測部４５および角度補正部４６は、加速時の脱調を防ぐるための処理に関わる。

モータ駆動部２６は、ブラシレスモータ３の捲線３３〜３５に電流を流して回転子３２を駆動するためのインバータ回路である。図６のように、モータ駆動部２６は、３つのデュアル素子２６１，２６２，２６３、およびプリドライブ回路２６５などを有する。

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。

図６において、プリドライブ回路２６５は、ベクトル制御部２３から入力される制御信号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。変換後の制御信号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、Ｕ相電流検出部２７１およびＶ相電流検出部２７２を有し、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相電流検出部を有してもよい。

Ｕ相電流検出部２７１およびＶ相電流検出部２７２は、電流Ｉｕ，Ｉｖの流路に挿入されている抵抗値が小さい値（１／１０Ωオーダー）の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。

なお、モータ駆動部２６と電流検出部２７とを一体化した回路部品を用いてモータ制御装置２１を構成することができる。

図４に戻って、ベクトル制御部２３は、上位制御部２０からの速度指令Ｓ１の示す目標速度（速度指令値）ω＊に応じて、モータ駆動部２６を制御する。上位制御部２０は、画像形成装置１の全体の制御を受け持つコントローラであり、画像形成装置１をウォームアップするとき、プリントジョブを実行するとき、節電モードに移行するときなどに速度指令Ｓ１を発する。

回転駆動の開始を指令する場合に、上位制御部２０は、起動指令を含む速度指令Ｓ１をベクトル制御部２３に与える。その後、後に述べる運転パターンに従って加速するよう速度指令Ｓ１の示す目標速度ω＊を増大させる。ただし、上位制御部２０が起動指令と最終目標速度とをベクトル制御部２３に与え、ベクトル制御部２３において運転パターンに従う加速のための目標速度ω＊を生成するようにしてもよい。

ベクトル制御部２３は、磁極位置推定部２５から出力される磁極位置ＰＳの推定値である推定角度θｍまたはそれを補正した補正済推定角度θｍａに基づいて、入力された速度指令Ｓ１の示す目標速度ω＊で回転する回転磁界が生成されるようモータ駆動部２６を制御する。

ベクトル制御部２３は、速度制御部４１、電流制御部４２、および電圧パターン生成部４３を有する。

速度制御部４１は、上位制御部２０からの目標速度ω＊と速度推定部２４からの推定速度ωｍとの差を零に近づける比例積分制御（ＰＩ制御）のための演算を行い、γ−δ座標系の電流指令値Ｉγ＊，Ｉδ＊を決定する。推定速度ωｍは周期的に入力される。速度制御部４１は、推定速度ωｍが入力されるごとに、そのときの目標速度ω＊に応じて電流指令値Ｉγ＊，Ｉδ＊を決定する。

電流制御部４２は、電流指令値Ｉγ＊，Ｉδ＊と座標変換部２８から入力される推定電流値Ｉγ，Ｉδとの差を零に近づける比例積分制御のための演算を行い、γ−δ座標系の電圧指令値Ｖγ＊，Ｖδ＊を決定する。

電圧パターン生成部４３は、角度補正部４６から入力される推定角度θｍまたは補正済推定角度θｍａ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。そして、電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に基づいて制御信号Ｕ＋，Ｕ−，Ｖ＋，Ｖ−，Ｗ＋，Ｗ−のパターンを生成し、モータ駆動部２６へ出力する。

速度推定部２４は、第１演算部２４１および第２演算部２４２などを有し、回転子３２の捲線３３〜３５に流れる電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに基づいて回転子３２の回転速度を推定する。

第１演算部２４１は、電圧パターン生成部４３により決定された電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に基づいて、γ−δ座標系の電流値Ｉγｂ，Ｉδｂを算出する。変形として、電流制御部４２により決定された電圧指令値Ｖγ＊，Ｖδ＊に基づいて電流指令値Ｉγｂ，Ｉδｂを算出してもよい。いずれにしても、電流指令値Ｉγｂ，Ｉδｂの算出に際して、第２演算部２４２による前回の推定で得られた推定速度ωｍを用いる。

第２演算部２４２は、座標変換部２８からの推定電流値Ｉγ，Ｉδと第１演算部２４１による電流値Ｉγｂ，Ｉδｂとの差に基づいて、いわゆる電圧電流方程式に従って推定速度（速度推定値）ωｍを求める。推定速度ωｍは、回転子３２の回転速度ωの推定値の例である。推定速度ωｍは、速度制御部４１、磁極位置推定部２５、および脱調予測部４５に入力される。

磁極位置推定部２５は、推定速度ωｍに基づいて回転子３２の磁極位置ＰＳを推定する。すなわち、推定速度ωｍを積分することにより磁極位置ＰＳの推定値として推定角度θｍを算出する。

座標変換部２８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、推定角度θｍまたは補正済推定角度θｍａ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。

脱調予測部４５は、目標速度ω＊および推定速度ωｍに基づいて脱調が起こるか否かを予測する。予測の方法について後に詳述する。

角度補正部４６は、補正量設定部４６１と加算部４６２とを有し、脱調予測部４５により脱調が起こると予測された場合に、磁極位置推定部２５から出力された推定角度θｍを補正済推定角度θｍａに補正する。脱調が起こらないと予測された場合には、推定角度θｍを補正しない。

角度補正部４６は、補正量設定部４６１により設定した補正角度ｄθを加算部４６２により推定角度θｍに加算することによって補正済推定角度θｍａを出力する。補正角度ｄθの値が「０」のとき、加算部４６２は入力された推定角度θｍをそのまま出力する。

図５に示すモータ制御装置２１ｂは、図４のモータ制御装置２１における角度補正部４６および速度推定部２４に代わって、角度補正部４６ｂおよび速度推定部２４ｂを有している。この点を除いて、モータ制御装置２１ｂの構成は、モータ制御装置２１の構成と同様である。

図５の角度補正部４６ｂは、脱調予測部４５により脱調が起こると予測された場合に、磁極位置推定部２５から推定角度θｍとして補正済推定角度θｍａが出力されるように、速度推定部２４ｂから磁極位置推定部２５に入力される推定速度ωｍを補正済推定速度ωｍａに補正する。補正速度ｄωの値が「０」のとき、加算部４６２ｂは入力された推定速度ωｍをそのまま出力する。

角度補正部４６ｂは、補正量設定部４６１ｂと加算部４６２ｂとを有し、補正量設定部４６１ｂにより設定した補正速度ｄωを加算部４６２ｂにおいて推定速度ωｍに加算する。これにより、角度補正部４６ｂは、補正済推定角度θｍａを算出して磁極位置推定部２５に与える。

速度推定部２４ｂは、図４の速度推定部２４と同様に、第１演算部２４１および第２演算部２４２などを有する。速度推定部２４ｂにおいては、角度補正部４６ｂから出力される推定角度θｍａまたは補正済推定角度θｍａが第１演算部２４１に入力される。

さて、本実施形態のモータ制御装置２１，２１ｂは、磁極位置の実際の角度θと推定角度θｍとのずれに起因する脱調を防ぐ機能を有している。以下、この機能を中心にモータ制御装置２１，２１ｂの構成および動作をさらに説明する。

図７にはブラシレスモータ３の運転パターンの例が示されている。時点ｔ０に起動指令がモータ制御装置２１，２１ｂに与えられる。起動指令は、最終目標速度ω１までの加速を指令する速度指令Ｓ１である。時点ｔ０の以前においてブラシレスモータ３は停止しているものとする。

時点ｔ０から時点ｔ１までの期間に回転速度ωを０から最終目標速度ω１まで増大させる加速制御を行う。このとき、速度指令Ｓ１により与えられる目標速度（速度指令値）ω＊は、例えば一定の割合で増加するように刻々と更新される。

回転速度ωが最終目標速度ω１になると、回転速度ωを最終目標速度ω１に保つ定速制御を行う。このときの目標速度ω＊は、最終目標速度ω１である。時点ｔ２において停止指令が与えられると、回転子３２を停止させる停止制御を行う。例えば、ベクトル制御により回転速度ωを低下させ、磁極位置ＰＳの推定が可能な下限速度ω３まで回転速度ωが低下した時点ｔ３で、磁極位置ＰＳを停止位置に引き込む固定励磁に切り替えて、時点ｔ４までに停止させる。

図８には推定角度θｍの遅れ量Δθと駆動トルクＴ１との関係が示されている。

起動時のように回転速度ωを大きく増大させる加速制御では、図８に示すように、推定角度θｍによって決定されるδ軸方向またはそれに近い方向の磁界ベクトル８５を定める。磁界ベクトル８５を定めることは、磁界ベクトル８５と同じ向きの電流ベクトル９５を定めることに相当する。電流ベクトル９５は、回転子３２を回転させる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９５の大きさは磁界ベクトル８５の大きさと比例する。図８では、図示を簡略化するため、磁界ベクトル８５と電流ベクトル９５とが同じ大きさのベクトルとして示されている。

電流ベクトル９５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９５の向きと大きさとを設定することである。電流ベクトル９５の向きとして、推定角度θｍに対して電気角でπ／２進んだ角度の方向（つまり、δ軸方向）を設定する。そして、電流ベクトル９５の大きさとして、電流ベクトル９５のγ軸成分（電流指令値Ｉγ＊）およびδ軸成分（電流指令値Ｉδ＊）を設定する。このとき、駆動トルクＴ１をできるだけ大きくして加速期間を短くするため、ブラシレスモータ３に流す電流Ｉがモータ駆動部２６の仕様で決まる設定可能範囲の上限または上限より少し小さい値になるよう電流指令値Ｉγ＊，Ｉδ＊を設定する。なお、図８のように電流ベクトル９５の向きをδ軸方向とする場合には、電流指令値Ｉγ＊の値は零（「０」）である。

図８（Ａ）のように、推定角度θｍと実際の磁極位置ＰＳに対応する角度θとが等しいときには、電流ベクトル９５により発生可能な範囲内で最も大きい駆動トルクＴ１が回転子３２に作用する。

しかし、図８（Ｂ）および（Ｃ）のように推定角度θｍと角度θとの遅れ量Δθが０〜π／２の範囲で大きくなるにつれて、駆動トルクＴ１が小さくなってしまう。遅れ量Δθがπ／２になると駆動トルクＴ１は零になる。この場合にはほぼ確実に脱調が起こる。

加速時には、回転速度ωを推定してから推定速度ωｍが駆動に反映されるまでに回転速度ωが増大するので、回転速度ωの推定が回転速度ωの変化に対して遅れる。回転速度ωの推定の遅れは、推定速度ωｍに基づく推定角度θｍの算出において積算される。したがって、加速時においては、定速制御時と比べて、遅れ量Δθが増大しやすい。

駆動トルクＴ１が低下すると、回転速度ωが低下する。上に述べたようにベクトル制御では、目標速度ω＊と推定速度ωｍとの差が小さくなるように電流指令値Ｉγ＊，Ｉδ＊を決定する。しかし、回転速度ωが大幅に低下すると、電流指令値Ｉγ＊，Ｉδ＊の設定を変更しても、回転速度ωの低下を抑えることができなくなり、脱調の起こるおそれが大きくなる。

そこで、モータ制御装置２１，２１ｂは、目標速度ω＊および推定速度ωｍに基づいて脱調が起こると予測した場合に、推定角度θｍを補正する。

図９には脱調の予測に用いるしきい値Ｈωの設定の例が、図１０には推定角度θｍの遅れ量Δθの上限Δθｚの設定の例が、図１１には目標速度ω＊に応じたしきい値Ｈωを示すテーブル７１の例が、それぞれ示されている。

図９（Ａ）のように、目標速度ω＊が増大する加速時について、想定脱調速度ωＺおよび許容下限速度ωｋを定めておく。

想定脱調速度ωＺは、加速時において、回転子３２に作用する回転駆動力が零になるような遅れ量Δθが生じたとみなす回転速度ωである。回転駆動力が零になるとは、図１０に示すように、駆動トルクＴ１の大きさの絶対値が、回転を抑えるように作用する負荷トルクＴ２の大きさの絶対値と等しくなることである。負荷トルクＴ２には、抵抗負荷と慣性負荷とが関わる。駆動トルクＴ１の大きさの絶対値（出力設定値）をＤＴ１とし、負荷トルクＴ２の大きさの絶対値（負荷想定値）をＤＴ２とすると、ＤＴ１＝ＤＴ２となるときの遅れ量Δθである限界遅れ量Δθｚは、（１）式で表わされる。

Δθｚ＝−ａｒｃｃｏｓ（ＤＴ２／ＤＴ１） ［ｒａｄ］ …（１）
なお、出力設定値ＤＴ１は、電機子としての固定子３１に流れる電流の値を決める電流設定値の例である。

Δθが「０」の状態のまま３６０度（２π［ｒａｄ］）で１周する場合の回転速度ωｘに対する、ΔθがΔθｚであるときの回転速度ωｚの比率である限界速度比Ｒωｚは、（２）式で表わされる。

Ｒωｚ＝ωｚ／ωｘ＝（２π＋Δθｚ）／２π …（２）
想定脱調速度ωＺは、この限界速度比Ｒωｚと目標速度ω＊とを用いて、（３）式で表わされる。

ωＺ＝ω＊・Ｒωｚ …（３）
例えば、出力設定値ＤＴ１を「１」とし、負荷想定値ＤＴ２を「０．５」とした場合には、（１）式により、
Δθｚ＝−ａｒｃｃｏｓ（０．５／１）＝−１．０４７２［ｒａｄ］（約−６０度）となる。

限界速度比Ｒωｚは、（２）式により、
Ｒωｚ＝（２π−−１．０４７２）／２π＝０．８３８
となる。

そして、加速中のある時点の目標速度ω＊を例えば「５００」とすると、想定脱調速度ωＺは、（３）式により、
ωＺ＝５００×０．８３８＝４１９
となる。

図９（Ａ）に示す許容下限速度ωｋは、想定脱調速度ωＺに余裕値（マージン）を加えた値であり、脱調が起こる時点より前に脱調が起こると予測するために定められている。想定脱調速度ωＺが負荷想定値ＤＴ２に基づいて算出されるので、許容下限速度ωｋは、ブラシレスモータ３の負荷に応じて定められていることになる。

例えば、負荷想定値ＤＴ２を大きめにして余裕値を定めることができる。目標速度ω＊の取り得る値ごとに、想定脱調速度ωＺよりも例えば５〜１５％程度大きい値を許容下限速度ωｋとすることができる。

図９（Ｂ）に示すように、加速時の各時点の目標速度ω＊と許容下限速度ωｋとの差をしきい値Ｈωとして定める。そして、図１１に示すように、テーブル７１により目標速度ω＊としきい値Ｈωとを対応づけて記憶しておく。

図１２には推定角度ωｍの推移の例が、図１３には速度比Ｒωに応じた補正角度ｄθを示すテーブル７２の例が、図１４には速度比Ｒωに応じた補正速度ｄωを示すテーブル７２ｂの例が、それぞれ示されている。

図４、５をも参照して、脱調予測部４５は、最新の推定速度ωｍが入力されると、そのときの目標速度ω＊に対応するしきい値Ｈωをテーブル７１から読み出す。そして、目標速度ω＊と推定速度ωｍとの差である速度ずれ量Δωを算出し、速度ずれ量Δωがしきい値Ｈωよりも大きい場合に、脱調が起こると予測する。この予測は、推定速度ωｍが許容下限速度ωｋよりも小さい場合に脱調が起こると予測することに相当する。詳しくは、次の通りである。

図１２（Ａ）において、時点ｔ０から加速が始まる。時点ｔ０から時点ｔ１１まで、推定速度ωｍは目標速度ω＊の増加に追従している。時点ｔ１１から推定速度ωｍが目標速度ω＊よりも小さくなり始めている。

時点ｔ１１より後の時点ｔ１２において、目標速度ω＊（ｔ１２）と推定速度ωｍ（ｔ１２）とに速度ずれ量Δω（ｔ１２）のずれが生じている。この速度ずれ量Δω（ｔ１２）は目標速度ω＊（ｔ１２）に対応するしきい値Ｈω（ｔ１２）よりも小さいので、脱調予測部４５は、脱調が起こらないと予測する。この場合には、角度補正部４６，４６ｂによる補正は行われない。

図１２（Ｂ）において、時点ｔ１２より後の時点ｔ１３において、目標速度ω＊（ｔ１３）と推定速度ωｍ（ｔ１３）とに速度ずれ量Δω（ｔ１３）のずれが生じている。この速度ずれ量Δω（ｔ１３）は目標速度ω＊（ｔ１３）に対応するしきい値Ｈω（ｔ１３）よりも大きい。したがって、脱調予測部４５は、脱調が起こると予測する。

脱調が起こると予測されたので、推定角度θｍの補正が角度補正部４６，４６ｂにより行われる。角度補正部４６，４６ｂには、補正指令と共に速度比Ｒωが脱調予測部４５から入力される。

速度比Ｒωは、目標速度ω＊に対する推定速度ωｍの比率であり、（４）式で表わされる。

Ｒω＝ωｍ／ω＊ …（４）
図４に示した角度補正部４６の補正量設定部４６１は、入力された速度比Ｒωに対応する補正角度ｄθを、図１３に示すテーブル７２から読み出して加算部４６２に送る。加算部４６２は、推定角度θｍと補正角度ｄθとを和を補正済推定角度θｍａとして出力する。

テーブル７２は、あらかじめ作成されて補正量設定部４６１によるアクセスが可能な不揮発性メモリにより記憶されている。テーブル７２において、速度比Ｒωの取り得る複数の値ごとに補正角度ｄθが対応づけられている。

補正角度ｄθは、推定角度θｍの遅れΔθに対応する補正量であり、速度比Ｒωを用いて（５）式で表わされる。

ｄθ＝２π−（２π・Ｒω） ［ｒａｄ］ …（５）
例えば、目標速度ω＊が「１０００」であるときに推定速度ωｍが「９００」であったとすると、速度比Ｒωは、（４）式により、Ｒω＝９００／１０００＝０．９０である。補正角度ｄθは、（５）式により、ｄθ＝２π−( ２π・０．９０）＝０．６２８３［ｒａｄ］≒３６．０度である。

補正角度ｄθを加算することにより推定角度θｍは、磁極の実際の角度θまたはそれに近い値に補正される。つまり、推定角度θｍを補正済推定角度θｍａに補正することにより、補正前と比べて電流ベクトル９５による駆動トルクＴ１が補正前よりも大きい状態（図８（Ａ）参照）に回復する。したがって、実際の回転速度ωが大きくなり、それに伴って図１２（Ｂ）に一点鎖線で示すように、推定速度ωｍが増加する。図１２（Ｂ）では、運転パターンで想定された時点ｔ１より後の時点ｔ１４で推定速度θｍが最終目標速度ω１になっている。

なお、脱調予測部４５から入力された速度比Ｒωの値と一致する速度比Ｒωの値がテーブル７２に無い場合には、テーブル７２に示される速度比Ｒωの値のうち、入力された速度比Ｒωの値に最も近い値に対応づけられている補正角度ｄθを読み出すようにすればよい。（５）式の演算、または入力された速度比Ｒωの値に近い複数の値に基づく補間演算により補正角度ｄθを算出してもよい。

図５に示した角度補正部４６ｂの補正量設定部４６１ｂは、入力された速度比Ｒωに対応する補正速度ｄωを、図１４に示すテーブル７２ｂから読み出して加算部４６２ｂに送る。加算部４６２ｂは、推定速度ωｍと補正速度ｄωとを和を補正済推定速度ωｍａとして磁極位置推定部２５に入力する。

これにより、上に述べたように、磁極位置推定部２５から補正済推定角度θｍａが出力される。つまり、角度補正部４６ｂは、推定角度θｍを補正する処理として、目標速度ω＊に対する推定速度θｍの比率Ｒωに応じた補正角度ｄθを推定角度θｍに加算する演算に相当する処理を行う。

テーブル７２ｂは、あらかじめ作成されて補正量設定部４６１ｂによるアクセスが可能な不揮発性メモリによりが可能に記憶されている。テーブル７２ｂにおいて、速度比Ｒωの取り得る複数の値ごとに補正速度ｄωが対応づけられている。補正速度ｄωの値は、補正角度ｄθに対応するよう定められている。

次に、脱調予測部４５による予測の方法の他の例を図１５を参照して説明する。図１５には推定角度θｍの推移の他の例が示されている。

脱調予測部４５は、加速制御時のように固定子３１の捲線３３〜３５に流れる電流Ｉが設定可能範囲の上限となるようモータ駆動部２６が制御されている状態において、推定速度θｍが低下した場合に、脱調が起こると予測する。設定可能範囲は、モータ駆動部２６の仕様で決まる。

図１５において、時点ｔ２１から推定速度ωｍが目標速度ω＊よりも小さくなり始めている。しかし、時点ｔ２２まで、推定速度ωｍは増加している。時点ｔ２２より後の時点ｔ２３では、推定速度ωｍ（ｔ２３）が時点ｔ２２の推定速度ωｍ（ｔ２２）よりも小さい。

脱調予測部４５は、最新の推定速度ωｍが入力されるごとに、以前に入力された推定速度ωｍと比較する。最新の推定速度ωｍが前回の推定速度ωｍよりも小さいことが所定回数以上にわたって続いた場合に、または以前の推定速度ωｍの最大値よりも今回の値が小さくかつこれらの差がしきい値以上であった場合に、脱調予測部４５は、脱調が起こると予測する。

図１５に示す例では、時点ｔ２３において、脱調が起こると予測され、角度補正部４６ｂによる推定角度θｍの補正が行われている。推定角度θｍの補正が行われたことにより、一点鎖線で示すように推定速度ωｍが減少から増加に転じ、時点ｔ２４で最終目標速度ω１になっている。

図１６にはモータ制御装置２１，２１ｂにおける処理の流れが、図１７および図１８には脱調予測の処理の流れの例が、図１９には角度補正の処理の流れの例が、それぞれ示されている。

図１６に示すように、起動指令が上位制御部２０から与えられるのを待つ（＃１０１）。起動指令は、回転子３２が停止している状態、または停止制御中に発せられる。

起動指令が与えられると（＃１０１でＹＥＳ）、次第に増加する目標速度ω＊に回転を追従させる加速制御を開始し（＃１０２）、加速中に脱調予測の処理を実行する（＃１０３）。

脱調が起こると予測した場合にのみ（＃１０４でＹＥＳ) 、角度補正の処理を実行する（＃１０５）。加速が完了していない間は（＃１０６でＮＯ) 、加速制御を続行するとともに、脱調予測の処理を実行する（＃１０２、＃１０３）。そして、脱調が起こると予測した場合には、再び角度補正の処理を実行する（＃１０４、＃１０５）。

加速が完了すると、すなわち推定速度ωｍが加速時の最終目標速度ω１に達すると（＃１０６でＹＥＳ) 、加速制御を終了して定速制御を行う（＃１０７）。

その後は、停止指令が上位制御部２０から与えられるのを待つ（＃１０８）。停止指令が与えられると（＃１０８でＹＥＳ）、停止制御を実行する（＃１０９）。

図１７に示すように、脱調予測の処理として、最新の目標速度ω＊および推定速度ωｍを取得し（＃３１１）、速度ずれ量Δωを算出する（＃３１２）。

続いて、速度ずれ量Δωが目標速度ω＊に対応するしきい値Ｈω以上であるか否かを判定する（＃３１３）。速度ずれ量Δωがしきい値Ｈω以上であると判定した場合には（＃３１３でＹＥＳ) 、脱調が起こると予測する（＃３１４）。つまり、予測の結果として「脱調が起こる」を記憶する。速度ずれ量Δωがしきい値Ｈω以上ではないと判定した場合には（＃３１３でＮＯ) 、脱調が起こらないと予測する（＃３１５）。

または、図１８に示すように、脱調予測の処理として、最新の推定速度ωｍを取得し（＃３２１）、以前に取得した推定速度ωｍと比較する（＃３２２）。

続いて、比較の結果に基づいて、推定速度ωｍが低下したか否かを判定する（＃３２３）。推定速度ωｍが低下したと判定した場合には（＃３２３でＹＥＳ) 、脱調が起こると予測する（＃３２４）。推定速度ωｍが低下していないと判定した場合には（＃３２３でＮＯ) 、脱調が起こらないと予測する（＃３２５）。

図１９に示すように、角度補正の処理として、速度比Ｒωを算出する（＃５０１）。算出した速度比Ｒωに応じて、補正量として補正角度ｄθまたは補正速度ｄωを設定する（＃５０２）。そして、推定角度θｍに補正角度ｄθを加算することにより、または推定角度θｍの推定に用いる推定速度ωｍに補正速度ｄωを加算することにより、推定角度θｍを補正する。

以上の実施形態によると、磁極の実際の位置と推定した位置とのずれに起因する脱調を防ぐことのできる制御装置および制御方法を提供することができる。例えば、停止状態から定速回転状態に移行させる起動時の加速段階での脱調を防ぐことができる。

上に述べた実施形態においては、補正角度ｄθを推定角度θｍに加算した。しかし、これに限らず、補正角度ｄθを係数として設定し、推定角度θｍと補正角度ｄθとの積を補正済推定補正角度θｍａとして算出してもよい。同様に、補正速度ｄωを係数として設定し、推定速度ωｍと補正速度ｄωとの積を補正済推定補正速度ωｍａとして算出して推定角度θｍを補正してもよい。

上に述べた実施形態において、テーブル７１，７２，７２ｂの構成およびデータ値などは例を示すものであり、図に示した以外の種々の構成またはデータ値とすることができる。

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
３ ブラシレスモータ（永久磁石同期電動機）
９ 用紙
１５Ｂ レジストローラ対（搬送ローラ）
２０ 上位制御部（速度指令部）
２１ モータ制御装置（制御装置）
２３ ベクトル制御部（制御部）
２４，２４ｂ 速度推定部
２５ 磁極位置推定部
２６ モータ駆動部（駆動部）
３１ 固定子（電機子）
３２ 回転子
４５ 脱調予測部
４６，４６ｂ 角度補正部（補正部）
ｄθ 補正角度
ＤＴ１ 出力設定値（電流設定値）
ＤＴ２ 負荷想定値（負荷）
Ｈω しきい値
Ｉ 電流
Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ 電流
ＰＳ 磁極位置
Ｒω 速度比（比率）
Ｓ１ 速度指令
θｍ 推定角度
θｍａ 補正済推定角度
ω 回転速度
ω＊ 目標速度
ωｍ 推定速度
ωｋ 許容下限速度
Δω 速度ずれ量

Claims (10)

1. 電機子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永久磁石同期電動機の制御装置であって、
   前記電機子に電流を流して前記回転子を駆動する駆動部と、
   前記電機子に流れる電流に基づいて前記回転子の回転速度を推定する速度推定部と、
   推定された前記回転速度である推定速度に基づいて前記回転子の磁極位置を推定する磁極位置推定部と、
   前記磁極位置推定部から出力される前記磁極位置の推定値である推定角度に基づいて、入力された速度指令の示す目標速度で回転する前記回転磁界が生成されるよう前記駆動部を制御する制御部と、
   前記目標速度および前記推定速度に基づいて脱調が起こるか否かを予測する脱調予測部と、
   前記脱調予測部により脱調が起こると予測された場合に、前記推定角度を補正する補正部と、を有し、
   前記制御部は、前記補正部により前記推定角度が補正された場合に、補正された前記推定角度である補正済推定角度に基づいて、前記目標速度に応じた前記回転磁界が生成されるよう前記駆動部を制御し、
   前記脱調予測部は、前記目標速度と前記推定速度との差である速度ずれ量が、前記目標速度とあらかじめ定められた許容下限速度との差であるしきい値よりも大きい場合に、脱調が起こると予測するものであり、
   前記許容下限速度は、加速時において前記回転子に作用する回転駆動力が負荷によって零になるような遅れ量が生じたとみなす回転速度である想定脱調速度に余裕値を加えた値である、
   ことを特徴とする永久磁石同期電動機の制御装置。
2. 前記余裕値は、前記想定脱調速度の５〜１５％の範囲の値である、
   請求項１記載の永久磁石同期電動機の制御装置。
3. 前記想定脱調速度は、加速中の前記目標速度に対して次の式で示される値である、
   ωＺ＝ω＊×０．８３８
   但し、ωＺは前記想定脱調速度、ω＊は前記目標速度である、
   請求項１または２記載の永久磁石同期電動機の制御装置。
4. 前記補正部は、前記磁極位置推定部から出力された前記推定角度を前記補正済推定角度に補正する、
   請求項１ないし３のいずれかに記載の永久磁石同期電動機の制御装置。
5. 前記補正部は、前記磁極位置推定部から前記推定角度として前記補正済推定角度が出力されるように、前記速度推定部から前記磁極位置推定部に入力される前記推定速度を補正する、
   請求項１ないし３のいずれかに記載の永久磁石同期電動機の制御装置。
6. 前記補正部は、前記推定角度を補正する処理として、前記目標速度に対する前記推定速度の比率に応じた補正角度を前記推定角度に加算する演算またはそれに相当する処理を行う、
   請求項１ないし５のいずれかに記載の永久磁石同期電動機の制御装置。
7. 用紙に画像を形成する画像形成装置であって、
   電機子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永久磁
   石同期電動機と、
   前記永久磁石同期電動機により回転駆動されて前記用紙を搬送する搬送ローラと、
   前記永久磁石同期電動機を制御する制御装置と、
   前記制御装置に速度指令を入力する速度指令部と、を有しており、
   前記制御装置は、
   前記電機子に電流を流して前記回転子を駆動する駆動部と、
   前記電機子に流れる電流に基づいて前記回転子の回転速度を推定する速度推定部と、
   推定された前記回転速度である推定速度に基づいて前記回転子の磁極位置を推定する磁極位置推定部と、
   前記磁極位置推定部から出力される前記磁極位置の推定値である推定角度に基づいて、入力された前記速度指令の示す目標速度で回転する前記回転磁界が生成されるよう前記駆動部を制御する制御部と、
   前記目標速度および前記推定速度に基づいて脱調が起こるか否かを予測する脱調予測部と、
   前記脱調予測部により脱調が起こると予測された場合に、前記推定角度を補正する補正部と、を有し、
   前記制御部は、前記補正部により前記推定角度が補正された場合に、補正後の当該推定角度である補正済推定角度に基づいて、前記目標速度に応じた前記回転磁界が生成されるよう前記駆動部を制御し、
   前記脱調予測部は、前記目標速度と前記推定速度との差である速度ずれ量が、前記目標速度とあらかじめ定められた許容下限速度との差であるしきい値よりも大きい場合に、脱調が起こると予測するものであり、
   前記許容下限速度は、加速時において前記回転子に作用する回転駆動力が負荷によって零になるような遅れ量が生じたとみなす回転速度である想定脱調速度に余裕値を加えた値である、
   ことを特徴とする画像形成装置。
8. 前記余裕値は、前記想定脱調速度の５〜１５％の範囲の値である、
   請求項７記載の画像形成装置。
9. 前記想定脱調速度は、加速中の前記目標速度に対して次の式で示される値である、
   ωＺ＝ω＊×０．８３８
   但し、ωＺは前記想定脱調速度、ω＊は前記目標速度である、
   請求項７または８記載の画像形成装置。
10. 電機子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永久磁石同期電動機の制御方法であって、
    入力された速度指令の示す目標速度および前記回転子の回転速度の推定値である推定速度に基づいて脱調が起こるか否かを予測し、
    脱調が起こると予測された場合に、前記回転子の磁極位置の推定値である推定角度を補正し、
    補正後の前記推定角度である補正済推定角度に基づいて、前記目標速度で回転する前記回転磁界が生成されるよう前記電機子に電流を流して前記回転子を駆動するものであり、
    前記目標速度と前記推定速度との差である速度ずれ量が、前記目標速度とあらかじめ定められた許容下限速度との差であるしきい値よりも大きい場合に、脱調が起こると予測し、
    前記許容下限速度は、加速時において前記回転子に作用する回転駆動力が負荷によって零になるような遅れ量が生じたとみなす回転速度である想定脱調速度に余裕値を加えた値である、
    ことを特徴とする永久磁石同期電動機の制御方法。

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