JP7188169B2 - モーター制御装置、ローターの磁極の初期位置推定方法、および画像形成装置 - Google Patents
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Description
[モーター制御装置の全体構成]
図1は、モーター制御装置の全体構成を示すブロック図である。モーター制御装置は、センサレス方式の3相ブラシレスDCモーター(BLDCM:Brushless DC Motor)30を駆動制御する。図1に示すように、モーター制御装置は、駆動回路40と、センサレスベクトル制御回路50と、上位制御回路60とを含む。センサレス方式であるため、ローターの回転位置を検出するためのホール素子またはエンコーダーは備えられていない。
図2は、定常運転中のモーターを停止させてから再起動するまでのモーター回転速度を示すタイミング図である。横軸は時間を示し、縦軸はモーターの回転速度を示す。
図3は、センサレスベクトル制御における交流電流および磁極位置を表示するための座標軸について説明するための図である。角度は、駆動回路40の出力電圧および出力電流の位相である電気角で表示される。
図4は、センサレスベクトル制御回路の構成および動作を示す機能ブロック図である。図4を参照して、センサレスベクトル制御回路50は、座標変換部55と、回転速度制御部51と、電流制御部52と、座標変換部53と、PWM変換部54と、磁極位置推定部56と、初期位置推定部57と、接続切替スイッチ58,59とを含む。
次に、図4および図5を参照して、静止状態にあるローターの磁極の初期位置推定手順について詳しく説明する。
初期位置推定部57は、γ軸電圧指令値Vγ*の大きさ、ステーター巻線31に印加する各相電圧の電気角θM(通電角度θMとも称する)、および通電時間を設定する。初期位置推定部57は、δ軸電圧指令値Vδ*を0に設定する。
座標変換部53は、γ軸電圧指令値Vγ*およびδ軸電圧指令値Vδ*(=0)を座標変換することにより、U相電圧指令値Vu*、V相電圧指令値Vv*、およびW相電圧指令値Vw*を生成する。この座標変換には、たとえば、前述の式(3)によって表される逆Park変換および前述の式(4)によって表される逆Clarke変換が用いられる。
再び図5を参照して、PWM変換部54は、U相電圧指令値Vu*、V相電圧指令値Vv*、およびW相電圧指令値Vw*に基づいて、トランジスタFU+,FU-,FV+,FV-,FW+,FW-のゲートをそれぞれ駆動するためのPWM信号であるインバーター駆動信号U+,U-,V+,V-,W+,W-を生成する。
座標変換部55は、U相電流IuとV相電流IvとからW相電流Iwを計算する。そして、座標変換部55は、U相電流Iu、V相電流Iv、およびW相電流Iwを座標変換することによって、γ軸電流Iγとδ軸電流Iδとを生成する。この座標変換には、前述の式(1)のClarke変換および式(2)のPark変換が用いられる。
再び図5を参照して、初期位置推定部57は、複数の通電角度θMに対してそれぞれ得られたγ軸電流Iγのピーク値に基づいて、ローター35の磁極の位置を推定する。図4に示すように、初期位置推定部57は、ローター35の初期磁極位置の推定結果を、磁極位置推定部56に出力する。磁極位置推定部56は、この初期磁極位置の推定結果を用いて、ブラシレスDCモーター30を起動する。
前述のように、モーターが回転しないレベルに通電時間および印加電圧の大きさを制限した場合、もしくは、モーターの構造および特性によっては、γ軸電流のピーク値が最大となる通電角度が磁極の方向に一致しない場合があり得る。以下、そのような場合の具体例について説明する。
(1. 機能ブロック図)
図11は、図5の初期位置推定部57の動作を示す機能ブロック図である。図11を参照して、初期位置推定部57は、余弦演算器72と、正弦演算器73と、乗算器74,75と、積算器76,77と、初期位置演算器78とを含む。
次に、上記の手順でローターの磁極の初期位置を推定できる原理について説明する。
図13は、図10(a)の実測例において、本実施の形態による初期位置推定の結果の一例を示す図である。
図14は、図5の初期位置推定部57の動作の一例を示すフローチャートである。以下、図5および図14を主として参照して、これまでの説明を総括する。
上記のとおり実施の形態1のモーター制御装置によれば、インダクティブセンス方式でローターの磁極の初期位置を推定する際に、通電角度ごとにγ軸電流のピーク値が検出される。そして、通電角度に対するγ軸電流のピーク値の変化を、モーターの電気角の1周期と同じ周期の三角関数曲線で近似したと想定したときの、三角関数曲線の位相角が計算される。この位相角の値に基づいて、ローターの初期磁極位置が推定される。ローターの初期磁極位置は、近似曲線が最大値を有するときの電気角に相当する。
上記では、三相ブラシレスDCモーターを例に挙げて説明したが、2相以上の電圧で駆動される交流モーターであれば同様の手順でローターの磁極の初期位置を推定することができる。具体的には、通電角度ごとに複数相の電流のピーク値を変数変換することによって、通電角度と同じ電気角を有する第1の電流成分(上記のγ軸電流に相当する)と通電角度と90度だけ電気角が異なる第2の電流成分(上記のδ軸電流成分に相当する)とに分解する。得られた第1の電流成分を用いることによって、上記と同様の手順でローターの磁極の初期位置を推定することができる。
実施の形態2では、実施の形態1の初期位置推定の誤差をさらに低減するために、推定結果を補正する方法について説明する。また、以下では、三角関数による近似曲線を、A0+A1・cos(θM-φ1)とした場合について説明する。この場合、三角関数曲線は、θM=φ1のとき最大値となるので、位相角φ1をそのまま推定磁極位置とすることができる。既に説明したように、三角関数による近似曲線を他の関数形で与えた場合には、必ずしもθM=φ1のとき三角関数曲線は最大値にならない点に注意する必要がある。
図18は、磁極位置の推定結果の一例を示す図である。図18(a)は推定結果を表形式で示したものであり、図18(b)はローターの磁極位置θと推定初期位置の誤差との関係をグラフで示すものである。図18に示す表およびグラフの数値は以下の手順で取得している。
図19は、実施の形態2のモーター制御方法において、ローターの磁極の初期位置を推定する手順を示すフローチャートである。図19では、実施の形態1の図14と同一または相当するステップには、同一の参照符号を付している。
図20は、キャリブレーションデーターの作成手順を示すフローチャートである。
実施の形態2のモーター制御装置によれば、モーターごとに磁極位置の推定値の誤差(すなわち、真の磁極位置θと推定磁極位置φ1との偏差)を予め検出しておく。そして、実施の形態1に示した手順に従って新たに推定した磁極の初期位置を、予め検出した初期位置の推定値の誤差を用いて補正することにより、さらに推定精度を高めることができる。
上記では、テーブルの形でキャリブレーションデーターを作成し、キャリブレーションデーターを利用した補間によって新たに検出した推定磁極位置としての位相角φ1に対応する誤差θeを特定した。これに対して、既知の磁極位置θに対応する磁極位置の推定値φ1と誤差θeとの関係を示す多項式近似式、もしくは既知の磁極位置θに対応する磁極位置の推定値φ1とそれを補正した推定値φ1との関係を示す多項式近似式を予め導出してもよい。この場合、導出した多項式近似式を用いて、未知の磁極位置θに対して新たに検出した磁極位置の推定値φ1について、対応する誤差θeまたは補正後の推定磁極位置φ1を決定するようにしてもよい。
実施の形態3では、実施の形態1,2で説明したモーター制御装置を、画像形成装置の給紙ローラー、タイミングローラー、および搬送ローラー等を駆動するモーターの制御に用いた例について説明する。以下、図面を参照して説明する。
図21は、画像形成装置の構成の一例を示す断面図である。図21の断面図は模式的なものであって、図解を容易にするために一部を拡大して示したり、縦横比を変更したりしている点に注意されたい。
上記の構成の画像形成装置180において、各種のローラーの駆動には、従来はステッピングモーターが多く使われていたが、現在ではブラシレスDCモーターが多く使われるようになっている。ステッピングモーターはブラシレスDCモーターに比べて騒音が大きく、消費電力が大きいために効率が悪いという問題があるからである。
図22は、図21の画像形成装置において、各種ローラーの駆動制御に用いられるモーターとその制御装置の構成を示すブロック図である。
Claims (19)
- センサレス方式のモーターを制御するモーター制御装置であって、
前記モーターの複数相のステーター巻線に電圧を印加するための駆動回路と、
前記駆動回路を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、インダクティブセンス方式で前記モーターのローターの初期磁極位置を推定する際に、
(i)複数の通電角度を順次変更しながら前記通電角度ごとに、前記ローターが回転しないレベルの電圧値および通電時間で、前記ステーター巻線に前記駆動回路によって連続的または間欠的に電圧を印加させ、
(ii)前記通電角度ごとに得られた前記ステーター巻線を流れる前記複数相の電流のピーク値を、前記通電角度と同じ電気角を有する第1の電流成分と、前記第1の電流成分と90度だけ電気角が異なる第2の電流成分とに変換し、
(iii)前記複数の通電角度に対する前記第1の電流成分の変化量を三角関数曲線で近似した場合における前記三角関数曲線の位相角に基づいて、前記ローターの初期磁極位置を推定するように構成され、
前記三角関数曲線は、前記モーターの電気角の1周期に等しい周期を有する、モーター制御装置。 - 前記推定された初期磁極位置は、前記三角関数曲線が最大値を有するときの通電角度に対応する、請求項1に記載のモーター制御装置。
- 前記制御部は、前記初期磁極位置を推定する際に、
前記通電角度ごとに、前記第1の電流成分の値と前記通電角度の余弦値とを乗算し、前記複数の通電角度に対して得られた乗算結果の総和を求めることによって第1の積算値を計算し、
前記通電角度ごとに、前記第1の電流成分の値と前記通電角度の正弦値とを乗算し、前記複数の通電角度に対して得られた乗算結果の総和を求めることによって第2の積算値を計算し、
前記第1の積算値と前記第2の積算値との比に基づいて、前記位相角を計算するように構成される、請求項1に記載のモーター制御装置。 - 前記制御部は、前記第1の積算値と前記第2の積算値との比の逆正接に基づいて前記位相角を計算する、請求項3に記載のモーター制御装置。
- センサレス方式のモーターのローターの磁極の初期位置推定方法であって、
複数の通電角度を順次変更しながら前記通電角度ごとに、前記ローターが回転しないレベルの電圧値および通電時間で、複数相のステーター巻線に連続的または間欠的に電圧を印加するステップと、
前記通電角度ごとに、前記ステーター巻線を流れる前記複数相の電流のピーク値を、前記通電角度と同じ電気角を有する第1の電流成分と、前記第1の電流成分と90度だけ電気角が異なる第2の電流成分とに変換するステップと、
前記複数の通電角度に対する前記第1の電流成分の変化量を三角関数曲線で近似した場合における前記三角関数曲線の位相角に基づいて、前記ローターの磁極の初期位置を推定するステップとを備え、
前記三角関数曲線は、前記モーターの電気角の1周期に等しい周期を有する、ローターの磁極の初期位置推定方法。 - 前記推定された磁極の初期位置は、前記三角関数曲線が最大値を有するときの通電角度に対応する、請求項5に記載のローターの磁極の初期位置推定方法。
- 前記ローターの磁極の初期位置を推定するステップは、
前記通電角度ごとに、前記第1の電流成分の値と前記通電角度の余弦値とを乗算し、前記複数の通電角度に対して得られた乗算結果の総和を求めることによって第1の積算値を計算するステップと、
前記通電角度ごとに、前記第1の電流成分の値と前記通電角度の正弦値とを乗算し、前記複数の通電角度に対して得られた乗算結果の総和を求めることによって第2の積算値を計算するステップと、
前記第1の積算値と前記第2の積算値との比に基づいて、前記位相角を計算するステップとを含む、請求項5または6に記載のローターの磁極の初期位置推定方法。 - 前記位相角を計算するステップは、前記第1の積算値と前記第2の積算値との比の逆正接にを計算するステップを含む、請求項7に記載のローターの磁極の初期位置推定方法。
- 前記複数の通電角度として、前記モーターの電気角の1周期をL個の区間に等分割した場合に相当するL個の通電角度を決定するステップをさらに備え、
前記L個の通電角度を決定するステップは、
前記推定された磁極の初期位置に含まれる折り返し歪みに基づく誤差の最大許容量[度]を決定するステップと、
前記複数の通電角度に対する前記第1の電流成分の波形から求めたフーリエ級数成分のうち、第1次成分の振幅に対する第(L-1)次成分の振幅の割合[%]が、前記最大許容量の1.67倍以下となるようにLを決定するステップとを含む、請求項5~8のいずれか1項に記載のローターの磁極の初期位置推定方法。 - 前記ステーター巻線に電流を流すことにより予め設定された複数のキャリブレーション用の電気角の各々にローターを引き込んだ状態で、ローターの磁極の初期位置を推定することによって、前記複数のキャリブレーション用の電気角とそれぞれ対応するローターの磁極の複数の推定初期位置との偏差を予め求めるステップと、
前記予め求められた複数の推定初期位置とそれぞれ対応する偏差との関係に基づいて、新たに求めた前記ローターの磁極の推定初期位置を補正するステップとをさらに備える、請求項5~9のいずれか1項に記載のローターの磁極の初期位置推定方法。 - 前記推定初期位置を補正するステップは、前記予め求められた複数の推定初期位置とそれぞれ対応する偏差との関係を利用した補間処理によって、前記新たに求めた前記ローターの磁極の推定初期位置に対応する偏差を計算するステップを含む、請求項10に記載のローターの磁極の初期位置推定方法。
- 前記推定初期位置を補正するステップは、前記予め求められた複数の推定初期位置とそれぞれ対応する偏差とのとの関係に基づく多項式近似曲線を用いて、前記新たに求めた前記ローターの磁極の推定初期位置に対応する偏差を計算するステップを含む、請求項10に記載のローターの磁極の初期位置推定方法。
- 前記偏差を予め求めるステップは、前記モーターが搭載された製品の製造時、前記製品のユーザー先への設置時、および、前記製品に搭載された前記モーターが交換されたときのうち、少なくとも1つの時点において実行される、請求項10~12のいずれか1項に記載のローターの磁極の初期位置推定方法。
- 前記モーターは、複数のローラー用いて用紙を給紙カセットから取り出して搬送し、搬送された用紙に画像を形成する画像形成装置において、前記複数のローラーの各々を駆動するために用いられ、
前記複数のローラーは、
前記用紙がローラーニップに挟まれた状態で停止する第1のローラーと、
前記用紙がローラーニップの入口に突き当たれらた状態で停止する第2のローラーと、
前記用紙がローラーニップに挟まれた状態および前記用紙がローラーニップに入口に突き当てられた状態のいずれでも停止しない複数の第3のローラーとを含み、
前記推定初期位置を補正するステップは、前記第1のローラーおよび前記第2のローラーの各々を駆動するためのモーターに対して実行される、請求項10~13のいずれか1項に記載のローターの磁極の初期位置推定方法。 - 前記推定初期位置を補正するステップは、前記複数の第3のローラーの各々を駆動するためのモーターに対して実行されない、請求項14に記載のローターの磁極の初期位置推定方法。
- 前記複数の第3のローラーの各々を駆動するためのモーターに対して、前記推定初期位置を補正するステップは、各前記第3のローラーの直径、各前記第3のローラーとそれを駆動するモーターとの間の減速比、および各前記第3のローラーを駆動するモーターの極対数のうちの少なくとも1つに応じて、実行される場合と実行されない場合とがある、請求項14に記載のローターの磁極の初期位置推定方法。
- 前記推定初期位置を補正するステップは、前記減速比と前記極対数との積で前記第3のローラーの直径を除算した値が基準値以上となる場合にのみ実行される、請求項16に記載のローターの磁極の初期位置推定方法。
- 前記偏差を予め求めるステップは、前記画像形成装置の電源がオンされた後、前記用紙の搬送を行うためにモーターの起動を行うまでの間に実行される、請求項14~17のいずれか1項に記載のローターの磁極の初期位置推定方法。
- 複数のローラー用いて用紙を給紙カセットから搬送し、搬送された用紙に画像を形成する画像形成装置であって、
前記複数のローラーの少なくとも1つを駆動するモーターを制御する請求項1~4のいずれか1項に記載のモーター制御装置を備える、画像形成装置。
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