JP7204347B2 - モータ制御装置、シート搬送装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータを制御するモータ制御装置、シート搬送装置及び画像形成装置に関する。

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実際の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、回転子の指令速度と実際の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）とにより表される。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って、回転に必要なトルクが効率的に発生する。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、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。回転子の回転位相を決定する方法として、巻線に印加された高周波電圧と当該高周波電圧に起因して巻線に流れる高周波電流とに基づいて回転子の回転位相を決定する高周波重畳方式が知られている。特許文献１では、回転子の実際の回転位相と推定位相との位相差を高周波電圧及び高周波電流に基づいて算出し、当該位相差が０に収束するように推定位相を生成する構成が述べられている。

特開２００２－１７１７９８号公報

前記特許文献１では、モータの巻線の抵抗値や逆起電圧係数等のモータのパラメータに関する項が０に近似された（無視された）式に基づいて、回転子の実際の回転位相と推定位相との位相差が算出され、当該位相差が０になるように推定位相が生成される。例えば、モータのパラメータが０に近似された式に基づく位相差が０に収束しても、当該位相差に基づく推定位相と回転子の実際の回転位相との実際の位相差は、モータのパラメータが０に近似されたことに起因して０にはならない可能性がある。即ち、モータのパラメータが０に近似された式に基づく位相差が０に収束しても、前記位相差に基づく推定位相は実際の回転位相とは異なる位相である可能性がある。実際の回転位相とは異なる位相に基づいてベクトル制御が行われると、モータの回転子に与えるトルクを効率的に発生させることができない可能性がある。

上記課題に鑑み、本発明は、モータを効率的に制御することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るモータ制御装置は、
モータの回転子の回転位相を決定する位相決定手段と、
前記位相決定手段によって決定された回転位相と前記回転子の目標位相を表す指令位相との偏差を小さくするために供給すべき第１の電流と、前記第１の電流よりも周波数が高い第２の電流と、に基づいて前記モータの巻線に流れる電流を制御する制御手段と、
前記巻線に流れる電流を検出する検出手段と、
前記検出手段によって検出された電流から前記第２の電流の周波数を含む所定の周波数帯の信号を抽出する抽出手段と、
前記回転子の回転速度に対応する値と前記抽出手段によって抽出された信号に対応する値との両方に基づいて所定の位相として０°以外の位相を設定する設定手段と、
を有し、
前記位相決定手段は、前記抽出手段によって抽出された前記所定の周波数帯の信号に基づいて、前記回転子の実際の回転位相との位相差が前記所定の位相になるような回転位相を決定することを特徴とする。

本発明によれば、モータを効率的に制御することができる。

第１実施形態に係る画像形成装置を説明する断面図である。 前記画像形成装置の制御構成を示すブロック図である。 Ａ相及びＢ相から成る２相のモータと、ｄ軸及びｑ軸によって表される回転座標系及びγ軸とδ軸とによって表される回転座標系との関係を示す図である。 第１実施形態に係るモータ制御装置の構成を示すブロック図である。 第１実施形態に係るローパスフィルタの構成の例を示す図である。 第１実施形態に係る位相決定器の構成を示すブロック図である。 回転速度ω＿ｅｓｔと差分値δθ及び電流値ｉδと差分値δθとの関係を示す図である。 速度フィードバック制御を行うモータ制御装置の構成を示すブロック図である。

以下に図面を参照して、本発明の好適な実施の形態を説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の形状及びそれらの相対配置などは、この発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものであり、この発明の範囲が以下の実施の形態に限定される趣旨のものではない。なお、以下の説明においては、モータ制御装置が画像形成装置に設けられる場合について説明するが、モータ制御装置が設けられるのは画像形成装置に限定されるわけではない。例えば、記録媒体や原稿等のシートを搬送するシート搬送装置等にも用いられる。

〔第１実施形態〕
［画像形成装置］
図１は、本実施形態で用いられるシート搬送装置を有するモノクロの電子写真方式の複写機（以下、画像形成装置と称する）１００の構成を示す断面図である。なお、画像形成装置は複写機に限定されず、例えば、ファクシミリ装置、印刷機、プリンタ等であっても良い。また、記録方式は、電子写真方式に限らず、例えば、インクジェット等であっても良い。更に、画像形成装置の形式はモノクロ及びカラーのいずれの形式であっても良い。

以下に、図１を用いて、画像形成装置１００の構成および機能について説明する。図１に示すように、画像形成装置１００は、原稿給送装置２０１、読取装置２０２及び画像印刷装置３０１を有する。

原稿給送装置２０１の原稿積載部２０３に積載された原稿は、給紙ローラ２０４によって給紙され、搬送ガイド２０６に沿って読取装置２０２の原稿ガラス台２１４上に搬送される。更に、原稿は、搬送ベルト２０８によって搬送されて、排紙ローラ２０５によって不図示の排紙トレイへ排紙される。読取装置２０２の読取位置において照明２０９によって照明された原稿画像からの反射光は、反射ミラー２１０、２１１、２１２からなる光学系によって画像読取部１１１に導かれ、画像読取部１１１によって画像信号に変換される。画像読取部１１１は、レンズ、光電変換素子であるＣＣＤ、ＣＣＤの駆動回路等で構成される。画像読取部１１１から出力された画像信号は、ＡＳＩＣ等のハードウェアデバイスで構成される画像処理部１１２によって各種補正処理が行われた後、画像印刷装置３０１へ出力される。前述の如くして、原稿の読取が行われる。即ち、原稿給送装置２０１及び読取装置２０２は、原稿読取装置として機能する。

また、原稿の読取モードとして、第１読取モードと第２読取モードがある。第１読取モードは、一定速度で搬送される原稿の画像を、所定の位置に固定された照明系２０９及び光学系によって読み取るモードである。第２読取モードは、読取装置２０２の原稿ガラス２１４上に載置された原稿の画像を、一定速度で移動する照明系２０９及び光学系によって読み取るモードである。通常、シート状の原稿の画像は第１読取モードで読み取られ、本や冊子等の綴じられた原稿の画像は第２読取モードで読み取られる。

画像印刷装置３０１の内部には、シート収納トレイ３０２、３０４が設けられている。シート収納トレイ３０２、３０４には、それぞれ異なる種類の記録媒体を収納することができる。例えば、シート収納トレイ３０２にはＡ４サイズの普通紙が収納され、シート収納トレイ３０４にはＡ４サイズの厚紙が収納される。なお、記録媒体とは、画像形成装置によって画像が形成されるものであって、例えば、用紙、樹脂シート、布、ＯＨＰシート、ラベル等は記録媒体に含まれる。

シート収納トレイ３０２に収納された記録媒体は、ピックアップローラ３０３によって給送されて、搬送ローラ３０６によってレジストレーションローラ３０８へ送り出される。また、シート収納トレイ３０４に収納された記録媒体は、ピックアップローラ３０５によって給送されて、搬送ローラ３０７及び３０６によってレジストレーションローラ３０８へ送り出される。

読取装置２０２から出力された画像信号は、半導体レーザ及びポリゴンミラーを含む光走査装置３１１に入力される。また、感光ドラム３０９は、帯電器３１０によって外周面が帯電される。感光ドラム３０９の外周面が帯電された後、読取装置２０２から光走査装置３１１に入力された画像信号に応じたレーザ光が、光走査装置３１１からポリゴンミラー及びミラー３１２、３１３を経由し、感光ドラム３０９の外周面に照射される。この結果、感光ドラム３０９の外周面に静電潜像が形成される。

続いて、静電潜像が現像器３１４内のトナーによって現像され、感光ドラム３０９の外周面にトナー像が形成される。

感光ドラム３０９に形成されたトナー像は、感光ドラム３０９と対向する位置（転写位置）に設けられた転写帯電器３１５によって記録媒体に転写される。この転写タイミングに合わせて、レジストレーションローラ３０８は記録媒体を転写位置へ送り込む。

前述の如くして、トナー像が転写された記録媒体は、搬送ベルト３１７によって定着器３１８へ送り込まれ、定着器３１８によって加熱加圧されて、トナー像が記録媒体に定着される。このようにして、画像形成装置１００によって記録媒体に画像が形成される。

片面印刷モードで画像形成が行われる場合は、定着器３１８を通過した記録媒体は、排紙ローラ３１９、３２４によって、不図示の排紙トレイへ排紙される。また、両面印刷モードで画像形成が行われる場合は、定着器３１８によって記録媒体の第１面に定着処理が行われた後に、記録媒体は、排紙ローラ３１９、搬送ローラ３２０、及び反転ローラ３２１によって、反転パス３２５へと搬送される。その後、記録媒体は、搬送ローラ３２２、３２３によって再度レジストレーションローラ３０８へと搬送され、前述した方法で記録媒体の第２面に画像が形成される。その後、記録媒体は、排紙ローラ３１９、３２４によって不図示の排紙トレイへ排紙される。

また、第１面に画像形成された記録媒体がフェースダウンで画像形成装置１００の外部へ排紙される場合は、定着器３１８を通過した記録媒体は、排紙ローラ３１９を通って搬送ローラ３２０へ向かう方向へ搬送される。その後、記録媒体の後端が搬送ローラ３２０のニップ部を通過する直前に搬送ローラ３２０の回転が反転することによって、記録媒体の第１面が下向きになった状態で、記録媒体が排紙ローラ３２４を経由して、画像形成装置１００の外部へ排出される。

以上が画像形成装置１００の構成および機能についての説明である。なお、本実施形態における負荷とはモータによって駆動される対象物である。例えば、給紙ローラ２０４、ピックアップローラ３０３、３０５、レジストレーションローラ３０８及び排紙ローラ３１９等の各種ローラ（搬送ローラ）や感光ドラム３０９、搬送ベルト２０８、３１７、現像器３１４、照明系２０９及び光学系等は本実施形態における負荷に対応する。本実施形態のモータ制御装置は、これら負荷を駆動するモータに適用することができる。

図２は、画像形成装置１００の制御構成の例を示すブロック図である。システムコントローラ１５１は、図２に示すように、ＣＰＵ１５１ａ、ＲＯＭ１５１ｂ、ＲＡＭ１５１ｃを備えている。また、システムコントローラ１５１は、画像処理部１１２、操作部１５２、アナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１５３、高圧制御部１５５、モータ制御装置１５７、センサ類１５９、ＡＣドライバ１６０と接続されている。システムコントローラ１５１は、接続された各ユニットとの間でデータやコマンドの送受信をすることが可能である。

ＣＰＵ１５１ａは、ＲＯＭ１５１ｂに格納された各種プログラムを読み出して実行することによって、予め定められた画像形成シーケンスに関連する各種シーケンスを実行する。

ＲＡＭ１５１ｃは記憶デバイスである。ＲＡＭ１５１ｃには、例えば、高圧制御部１５５に対する設定値、モータ制御装置１５７に対する指令値及び操作部１５２から受信される情報等の各種データが記憶される。

システムコントローラ１５１は、画像処理部１１２における画像処理に必要となる、画像形成装置１００の内部に設けられた各種装置の設定値データを画像処理部１１２に送信する。更に、システムコントローラ１５１は、センサ類１５９からの信号を受信して、受信した信号に基づいて高圧制御部１５５の設定値を設定する。

高圧制御部１５５は、システムコントローラ１５１によって設定された設定値に応じて、高圧ユニット１５６（帯電器３１０、現像器３１４、転写帯電器３１５等）に必要な電圧を供給する。なお、センサ類１５９には、搬送ローラによって搬送される記録媒体を検知するセンサ等が含まれる。

モータ制御装置１５７は、ＣＰＵ１５１ａから出力される指令に応じて、負荷を駆動するモータ５０９を制御する。なお、図２においては、画像形成装置のモータとしてモータ５０９のみが記載されているが、実際には、画像形成装置には２個以上のモータが設けられている。また、１個のモータ制御装置が複数個のモータを制御する構成であっても良い。更に、図２においては、モータ制御装置が１個しか設けられていないが、実際には、２個以上のモータ制御装置が画像形成装置に設けられている。

Ａ／Ｄ変換器１５３は、定着ヒータ１６１の温度を検出するためのサーミスタ１５４が検出した検出信号を受信し、検出信号をアナログ信号からデジタル信号に変換してシステムコントローラ１５１に送信する。システムコントローラ１５１は、Ａ／Ｄ変換器１５３から受信したデジタル信号に基づいてＡＣドライバ１６０の制御を行う。ＡＣドライバ１６０は、定着ヒータ１６１の温度が定着処理を行うために必要な温度となるように定着ヒータ１６１を制御する。なお、定着ヒータ１６１は、定着処理に用いられるヒータであり、定着器３１８に含まれる。

システムコントローラ１５１は、使用する記録媒体の種類（以下、紙種と称する）等の設定をユーザが行うための操作画面を、操作部１５２に設けられた表示部に表示するように、操作部１５２を制御する。システムコントローラ１５１は、ユーザが設定した情報を操作部１５２から受信し、ユーザが設定した情報に基づいて画像形成装置１００の動作シーケンスを制御する。また、システムコントローラ１５１は、画像形成装置の状態を示す情報を操作部１５２に送信する。なお、画像形成装置の状態を示す情報とは、例えば、画像形成枚数、画像形成動作の進行状況、原稿読取装置２０１及び画像印刷装置３０１におけるシート材のジャムや重送等に関する情報である。操作部１５２は、システムコントローラ１５１から受信した情報を表示部に表示する。

前述の如くして、システムコントローラ１５１は画像形成装置１００の動作シーケンスを制御する。

［モータ制御装置］
次に、本実施形態におけるモータ制御装置１５７について説明する。本実施形態におけるモータ制御装置は、ベクトル制御を用いてモータを制御する。なお、以下の説明においては、電気角としての回転位相、指令位相及び電流の位相等に基づいて以下の制御が行われるが、例えば、電気角が機械角に変換され、当該機械角に基づいて以下の制御が行われてもよい。

＜ベクトル制御＞
まず、図３及び図４を用いて、本実施形態におけるモータ制御装置１５７がベクトル制御を行う方法について説明する。なお、以下の説明におけるモータには、モータの回転子の回転位相を検出するためのロータリエンコーダなどのセンサは設けられていない。

図３は、Ａ相（第１相）とＢ相（第２相）との２相から成るステッピングモータ（以下、モータと称する）５０９と、ｄ軸とｑ軸とによって表される回転座標系及びγ軸とδ軸とによって表される回転座標系との関係を示す図である。図３では、静止座標系において、Ａ相の巻線に対応した軸であるα軸と、Ｂ相の巻線に対応した軸であるβ軸とが定義されている。また、図３では、回転子４０２に用いられている永久磁石の磁極によって作られる磁束の方向に沿ってｄ軸が定義され、ｄ軸から反時計回りに９０度進んだ方向（ｄ軸に直交する方向）に沿ってｑ軸が定義されている。α軸とｄ軸との成す角度は第２の回転位相としてθｍと定義される。また、図３では、ｄ軸と位相差Δθを有する方向に沿ってγ軸が定義され、γ軸から反時計回りに９０度進んだ方向（γ軸に直交する方向）に沿ってδ軸が定義されている。α軸とｄ軸との成す角度はθと定義される。即ち、Δθ、θｍ及びθの間には以下の式（１）のような関係がある。
Δθ＝θｍ－θ （１）

ベクトル制御では、巻線に流れる駆動電流に対応する電流ベクトルの回転座標系における電流成分であって、回転子にトルクを発生させるｑ軸方向の成分（トルク電流成分）と巻線を貫く磁束の強度に影響するｄ軸方向の成分（励磁電流成分）とが用いられる。本実施形態におけるベクトル制御では、位相θを基準とする回転座標系、即ち、γ軸及びδ軸で表される回転座標系が用いられる。なお、γ軸はｄ軸（即ち、励磁電流成分を表す軸）に対応する軸であり、δ軸はｑ軸（即ち、トルク電流成分を表す軸）に対応する軸である。

ベクトル制御とは、回転子の目標位相を表す指令位相と実際の回転位相との偏差が小さくなるようにトルク電流成分の値と励磁電流成分の値と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である。また、回転子の目標速度を表す指令速度と実際の回転速度との偏差が小さくなるようにトルク電流成分の値と励磁電流成分の値と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方法もある。

図４は、モータ５０９を制御するモータ制御装置１５７の構成の例を示すブロック図である。なお、モータ制御装置１５７は、少なくとも１つのＡＳＩＣで構成されており、以下に説明する各機能を実行する。

図４に示すように、モータ制御装置１５７は、ベクトル制御を行う回路として、位相制御器５０２、電流制御器５０３、座標逆変換器５０５、座標変換器５１１、モータの巻線に駆動電流を供給するＰＷＭインバータ５０６等を有する。座標変換器５１１は、モータ５０９のＡ相及びＢ相の巻線に流れる駆動電流に対応する電流ベクトルを、静止座標系からγ軸及びδ軸で表される回転座標系に座標変換する。この結果、巻線に流れる駆動電流は、回転座標系における電流値であるトルク電流成分の電流値と励磁電流成分の電流値とによって表される。なお、トルク電流成分は、モータ５０９の回転子４０２にトルクを発生させる電流成分に相当する。また、励磁電流成分は、モータ５０９の巻線を貫く磁束の強度に影響する電流成分に相当する。モータ制御装置１５７は、トルク電流成分の電流値及び励磁電流成分の電流値をそれぞれ独立に制御することができる。この結果、モータ制御装置１５７は、回転子４０２にかかる負荷トルクに応じてトルク電流成分の値を制御することによって、回転子４０２が回転するために必要なトルクを効率的に発生させることができる。即ち、ベクトル制御においては、図３に示す電流ベクトルの大きさは、回転子４０２にかかる負荷トルクに応じて変化する。

モータ制御装置１５７は、モータ５０９の回転子４０２の回転位相を表す位相θを後述する方法により決定し、その決定結果に基づいてベクトル制御を行う。ＣＰＵ１５１ａは、モータ５０９の動作シーケンスに基づいて、指令生成器５００にモータを駆動する指令として駆動パルスを出力する。なお、モータの動作シーケンス（モータの駆動パターン）は、例えば、ＲＯＭ１５１ｂに格納されており、ＣＰＵ１５１ａは、ＲＯＭ１５１ｂに格納された動作シーケンスに基づいて、パルス列としての駆動パルスを出力する。

指令生成器５００は、ＣＰＵ１５１ａから出力される駆動パルスに基づいて、回転子４０２の目標位相を表す指令位相θ＿ｒｅｆを生成して出力する。

減算器１０１は、位相θと指令位相θ＿ｒｅｆとの偏差を演算して出力する。

位相制御器５０２は、位相θと指令位相θ＿ｒｅｆとの偏差を周期Ｔ（例えば、２００μｓ）で取得する。位相制御器５０２は、比例制御（Ｐ）、積分制御（Ｉ）、微分制御（Ｄ）に基づいて、減算器１０１から出力された偏差が小さくなるように、δ軸電流指令値（目標値）ｉδ＿ｒｅｆを生成して出力する。具体的には、位相制御器５０２は、Ｐ制御、Ｉ制御、Ｄ制御に基づいて減算器１０１から出力された偏差が０になるように、δ軸電流指令値ｉδ＿ｒｅｆを生成して出力する。なお、Ｐ制御とは、制御する対象の値を指令値と推定値との偏差に比例する値に基づいて制御する制御方法である。また、Ｉ制御とは、制御する対象の値を指令値と推定値との偏差の時間積分に比例する値に基づいて制御する制御方法である。また、Ｄ制御とは、制御する対象の値を指令値と推定値との偏差の時間変化に比例する値に基づいて制御する制御方法である。本実施形態における位相制御器５０２は、ＰＩＤ制御に基づいてδ軸電流指令値ｉδ＿ｒｅｆを生成しているが、これに限定されるものではない。例えば、位相制御器５０２は、ＰＩ制御に基づいてδ軸電流指令値ｉδ＿ｒｅｆを生成しても良い。

界磁制御器５１８は、ＣＰＵ１５１ａから出力される指令に基づいてγ軸電流指令値（目標値）ｉγ＿ｒｅｆを生成して出力する。なお、回転子４０２に永久磁石が用いられる場合、通常は巻線を貫く磁束の強度に影響するγ軸電流指令値ｉγ＿ｒｅｆは０に設定されるが、これに限定されるものではない。

高周波重畳器５１９は、界磁制御器５１８から出力されるγ軸電流指令値ｉγ＿ｒｅｆに所定の周波数を有する信号を重畳し、当該所定の周波数を有する信号が重畳されたγ軸電流指令値ｉγ＿ｒｅｆ´を出力する。このように、本実施形態では、回転子４０２のトルクへの寄与が比較的小さいγ軸電流に所定の周波数の信号（以下、高周波信号と称する）が重畳される。この結果、回転子４０２のトルクへの寄与が比較的大きいδ軸電流に高周波信号が重畳される場合に比べて、前記高周波信号に起因するトルクの変動が起こりにくくなる。その結果、δ軸電流に高周波信号が重畳される場合に比べて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。なお、高周波信号の周波数は、位相制御器５０２によって生成されるδ軸電流指令値ｉδ＿ｒｅｆに基づく電流値、即ち、モータ５０９を回転させるために用いられる電流値のうち最も高い周波数よりも高い周波数に設定される。また、高周波信号の周波数は、後述するＡ／Ｄ変換器５１０がアナログ値をデジタル値に変換する際の周波数よりも低い周波数に設定される。また、高周波信号の振幅は、例えば、位相θを精度よく決定するために必要な大きさの振幅よりも大きく、且つ、当該高周波信号に起因する異音が発生しないような大きさの振幅よりも小さい振幅に設定される。

モータ５０９のＡ相に流れる電流は、電流検出器５０７によって検出され、その後、Ａ／Ｄ変換器５１０によってアナログ値からデジタル値へと変換される。Ａ／Ｄ変換器５１０は、デジタル値である電流値ｉαを出力する。また、Ｂ相の巻線に流れる電流は、電流検出器５０８によって検出され、その後、Ａ／Ｄ変換器５１０によってアナログ値からデジタル値へと変換される。Ａ／Ｄ変換器５１０は、デジタル値である電流値ｉβを出力する。なお、Ａ／Ｄ変換器５１０が電流値をアナログ値からデジタル値に変換して出力する周期は、例えば、位相制御器５０２が位相θと指令位相θ＿ｒｅｆとの偏差を取得する周期Ｔ以下の周期（例えば、２５μｓ）である。また、電流値ｉα及びｉβには、駆動電流の電流値と当該駆動電流よりも周波数が高い高周波信号に起因する高周波電流の電流値とが含まれる。

電流値ｉα及びｉβは、座標変換器５１１に入力される。

座標変換器５１１は、静止座標系における電流値ｉα及びｉβを、次式によって、回転座標系におけるδ軸電流の電流値ｉδ及びγ軸電流の電流値ｉγに変換する。
ｉγ＝ ｃｏｓθ＊ｉα＋ｓｉｎθ＊ｉβ （２）
ｉδ＝－ｓｉｎθ＊ｉα＋ｃｏｓθ＊ｉβ （３）

電流値ｉδはローパスフィルタ５１７及び位相決定器５１４に出力される。また、電流値ｉγはローパスフィルタ５１７に出力される。

図５は、所定の周波数帯の信号を低減するローパスフィルタ５１７の構成の例を示す図である。なお、所定の周波数帯には、駆動電流の周波数は含まれず、駆動電流よりも周波数の高い高周波電流の周波数が含まれる。本実施形態におけるローパスフィルタ５１７は所定の周波数帯に対応するフィルタ次数が設定されたデジタルフィルタである。図５に示すように、ローパスフィルタ５１７は、取得した電流値を複数個記憶するメモリ５１７ａ、メモリ５１７ａに記憶されている複数個の電流値の平均値を演算する平均値演算器５１７ｂを有する。ローパスフィルタ５１７は、取得した電流値をメモリ５１７ａに記憶し、平均値演算器５１７ｂは、メモリ５１７ａに記憶されている電流値の平均値を演算する。具体的には、例えば、ローパスフィルタ５１７の次数が３０次である場合は、ローパスフィルタ５１７は、取得した電流値を３０個メモリ５１７ａに記憶し、当該３０個の電流値の平均値を演算する。なお、メモリ５１７ａは、３１個目以降の電流値を取得する際は、電流値を１個取得する毎に、記憶している電流値のうち最も古く記憶した電流値を削除して、取得した電流値を記憶する。また、平均値演算器５１７ｂは、メモリ５１７ａが電流値を記憶する度に前述した演算を行う。更に、フィルタの構成は上述したような平均値を演算する構成に限定されるものではなく、信号を低減することができるフィルタであれば良い。

ローパスフィルタ５１７は、電流値ｉα及びｉβに含まれる高周波電流を除去し、高周波電流が除去された電流値を出力する。

減算器１０２には、位相制御器５０２から出力されるδ軸電流指令値ｉδ＿ｒｅｆとローパスフィルタ５１７から出力された電流値ｉδとが入力される。減算器１０２は、δ軸電流指令値ｉδ＿ｒｅｆと電流値ｉδとの偏差を演算し、該偏差を電流制御器５０３に出力する。

また、減算器１０３には、高周波重畳器５１９から出力されるγ軸電流指令値ｉγ＿ｒｅｆ´とローパスフィルタ５１７から出力された電流値ｉγとが入力される。減算器１０３は、γ軸電流指令値ｉγ＿ｒｅｆ´と電流値ｉγとの偏差を演算し、該偏差を電流制御器５０３に出力する。

電流制御器５０３は、ＰＩＤ制御に基づいて、減算器１０２から出力される偏差が小さくなるように駆動電圧Ｖδを生成する。具体的には、電流制御器５０３は、減算器１０２から出力される偏差が０になるように駆動電圧Ｖδを生成して座標逆変換器５０５に出力する。

また、電流制御器５０３は、ＰＩＤ制御に基づいて、減算器１０３から出力される偏差が小さくなるように駆動電圧Ｖγを生成する。具体的には、電流制御器５０３は、減算器１０３から出力される偏差が０になるように駆動電圧Ｖγを生成して座標逆変換器５０５及び位相決定器５１４に出力する。

なお、本実施形態における電流制御器５０３は、ＰＩＤ制御に基づいて駆動電圧Ｖδ及びＶγを生成しているが、これに限定されるものではない。例えば、電流制御器５０３は、ＰＩ制御に基づいて駆動電圧Ｖδ及びＶγを生成しても良い。

座標逆変換器５０５は、電流制御器５０３から出力された回転座標系における駆動電圧Ｖδ及びＶγを、次式によって、静止座標系における駆動電圧Ｖα及びＶβに逆変換する。
Ｖα＝ｃｏｓθ＊Ｖγ－ｓｉｎθ＊Ｖδ （４）
Ｖβ＝ｓｉｎθ＊Ｖγ＋ｃｏｓθ＊Ｖδ （５）

座標逆変換器５０５によって逆変換された駆動電圧Ｖα及びＶβはＰＷＭインバータ５０６に出力される。

ＰＷＭインバータ５０６は、フルブリッジ回路を有する。フルブリッジ回路は電圧切替器５１６を介して入力された電圧に基づくＰＷＭ（パルス幅変調）信号によって駆動される。その結果、ＰＷＭインバータ５０６は、駆動電圧Ｖα及びＶβに応じた駆動電流ｉα及びｉβを生成し、駆動電流ｉα及びｉβをモータ５０９の各相の巻線に供給することによって、モータ５０９を駆動させる。なお、本実施形態においては、ＰＷＭインバータはフルブリッジ回路を有しているが、ＰＷＭインバータはハーフブリッジ回路等であっても良い。

｛位相θを決定する構成｝
次に、位相θを決定する構成について説明する。図６は、位相決定器５１４の構成を示すブロック図である。図６に示すように、位相決定器５１４は、高周波抽出部５１４ａ、誤差決定部５１４ｂ、目標値決定部５１４ｃ、ＰＩ制御部５１４ｄ及び位相生成部５１４ｅを有する。

高周波抽出部５１４ａには、電流制御器５０３から出力される駆動電圧Ｖγ及び座標変換器５１１から出力される電流値ｉδが入力される。高周波抽出部５１４ａは、例えば、所定の周波数帯の信号を抽出する（所定の周波数帯以外の信号を低減する）バンドパスフィルタを有する。高周波抽出部５１４ａは、高周波重畳器５１９がγ軸電流指令値ｉγ＿ｒｅｆに重畳する高周波信号の周波数を含む周波数帯の信号を抽出する。この結果、高周波抽出部５１４ａは、駆動電圧Ｖγに含まれる高周波電圧ＶγＨ及び電流値ｉδに含まれる高周波電流ｉδＨを抽出することができる。高周波抽出部５１４ａは抽出した高周波電圧ＶγＨ及び高周波電流ｉδＨを誤差決定部５１４ｂに出力する。なお、本実施形態においては、高周波抽出部５１４ａはバンドパスフィルタを有しているが、ハイパスフィルタ等のフィルタであっても良い。

誤差決定部５１４ｂは、入力された高周波電圧ＶγＨ及び高周波電流ｉδＨに基づいて、以下の式（６）を用いて位相差Δθを決定して出力する。

なお、Ｌｄ及びＬｑはそれぞれｄ軸方向に対応する巻線インダクタンス及びｑ軸方向に対応する巻線インダクタンスであり、モータに固有の値である。また、ｐは微分演算子である。

以下に、式（６）の導出方法を説明する。式（６）は、ｄ軸及びｑ軸に基づく回転座標系における電圧電流方程式（７）に基づいて導出される。

なお、Ｖｄ及びＶｑはそれぞれｄ軸における駆動電圧及びｑ軸における駆動電圧であり、Ｒは巻線の抵抗値である。また、ｉｄ及びｉｑはそれぞれｄ軸における駆動電流及びｑ軸における駆動電流であり、ωが回転子の回転速度である。更に、Ψは逆起電圧係数であり、モータに固有の値である。

ｄ軸及びｑ軸に基づく回転座標系と位相差Δθを有するγ軸及びδ軸に基づく回転座標系における電圧電流方程式（８）は式（７）に基づいて以下のようにして導出される。

ここで、本実施形態では、回転速度ω、抵抗値Ｒ、逆起電圧係数Ψ等に、以下の条件を設定する。
条件１． 本実施形態における位相θの決定方法は、回転子が停止している状態及び回転子が比較的低速で回転している状態において用いられる方法であるため、回転速度ωを０に近似する。
条件２． 本実施形態における位相θの決定方法においては、高周波信号が用いられるため、インダクタンスによる電圧降下に対して巻線の抵抗値Ｒは十分小さいので、抵抗値Ｒを０に近似する。
条件３． 巻線に発生する逆起電圧の周波数は高周波信号の周波数よりも十分小さいため、逆起電圧係数Ψを０に近似する。
条件４． 高周波信号はγ軸にのみ重畳されるため、δ軸における電圧Ｖδを０に近似する。

以上のように、回転速度ω＝０、抵抗値Ｒ＝０、逆起電圧係数Ψ＝０及び電圧Ｖδ＝０を式（８）に適用することにより、以下の式（９）が導出される。

そして、式（９）を式変換することにより、位相差Δθについての式（６）が導出される。以上のように、本実施形態においては、条件１乃至４により位相差Δθについての式の導出が簡略化され、位相差Δθを決定する際の演算負荷を軽減することができる。以上が、式（６）の導出方法の説明である。

減算器５１４ｆは、位相差決定手段としての誤差決定部５１４ｂから出力される位相差Δθと目標値決定部５１４ｃから出力される位相差Δθの目標値Δθ＿ｔｇｔとの偏差を演算して出力する。なお、目標値決定部５１４ｃについては後述する。

位相差制御部５１４ｄは、ＰＩＤ制御に基づいて、減算器５１４ｆから出力される偏差が小さくなるように回転速度ω＿ｅｓｔを生成する。具体的には、位相差制御部５１４ｄは、減算器５１４ｆから出力される偏差が０になるように回転速度ω＿ｅｓｔを生成して位相生成部５１４ｅに出力する。なお、本実施形態における位相差制御部５１４ｄは、ＰＩＤ制御に基づいて回転速度ω＿ｅｓｔを生成しているが、これに限定されるものではない。例えば、位相差制御部５１４ｄは、ＰＩ制御に基づいて回転速度ω＿ｅｓｔを生成しても良い。

位相生成部５１４ｅは、位相差制御部５１４ｄから出力される回転速度ω＿ｅｓｔに基づいて、位相θを生成する。具体的には、位相生成部５１４ｅは、位相差制御部５１４ｄから出力される回転速度ω＿ｅｓｔに対して積分演算を行うことによって位相θを生成する。

前述の如くして得られた位相θは、減算器１０１、座標逆変換器５０５及び座標変換器５１１に入力される。

モータ制御装置１５７は、ベクトル制御を行う場合は、上述の制御を繰り返し行う。

以上のように、本実施形態におけるモータ制御装置１５７は、指令位相θ＿ｒｅｆと回転位相θ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用いたベクトル制御を行う。ベクトル制御を行うことによって、モータが脱調状態となることや、余剰トルクに起因してモータ音が増大すること及び消費電力が増大することを抑制することができる。また、回転位相をフィードバックしているため、回転子の回転位相が所定の位相になるように制御することができる。したがって、画像形成装置において、記録媒体への画像形成を適切に行うために回転位相を高精度に制御する必要がある負荷（例えば、レジストレーションローラ等）を駆動するモータに位相フィードバック制御を用いたベクトル制御を適用する。この結果、記録媒体への画像形成を適切に行うことができる。

｛目標値決定部｝
次に、本実施形態における目標値決定部５１４ｃについて説明する。図６に示すように、目標値決定部５１４ｃには、電流値ｉδと回転速度ω＿ｅｓｔとが入力される。目標値決定部５１４ｃは、電流値ｉδ及び回転速度ω＿ｅｓｔが入力される度に（即ち、所定の周期毎に）、電流値ｉδと回転速度ω＿ｅｓｔとに基づいて、以下のようにして位相差Δθの目標値Δθ＿ｔｇｔを決定する。

図７（ａ）は、目標値Δθ＿ｔｇｔが０に設定され位相差Δθが０に収束した場合における回転子の実際の回転位相と位相決定器５１４によって決定された回転位相との差分値δθと回転子の回転速度ω＿ｅｓｔとの関係を示す図である。また、図７（ｂ）は、目標値Δθ＿ｔｇｔが０に設定され位相差Δθが０に収束した場合における回転子の実際の回転位相と位相決定器５１４によって決定された回転位相との差分値δθと電流値ｉδとの関係を示す図である。なお、図７に示すデータは、予め実験によって測定されたデータである。

図７（ａ）に示すように、位相差Δθが０に収束したとしても回転速度ω＿ｅｓｔが増大することに伴って差分値δθは増大する。これは、式（６）を導出する際に、条件１～４が適用されたからである。具体的には、例えば、式（６）を導出する際に無視された回転速度ω＿ｅｓｔに関わる項が、回転速度ω＿ｅｓｔが増大することに伴って無視できなくなってくるからである。特に、モータの突極比が小さいほど差分値δθは大きくなる。

また、図７（ｂ）に示すように、位相差Δθが０に収束したとしても電流値ｉδが増大することに伴って差分値δθは増大する。これは、式（６）を導出する際に、条件１～４が適用されたからである。具体的には、式（６）を導出する際に無視された項にはインダクタンスＬｄ及びＬｑが含まれており、電流値ｉδが変化することに伴うインダクタンスＬｄ及びＬｑの変化を、電流値ｉδが大きくなるにしたがって無視できなくなってくるからである。

本実施形態では、目標値決定部５１４ｃは、以下の式（１０）に基づいて目標値Δθ＿ｔｇｔを決定する。
Δθ＿ｔｇｔ＝Ａ＊ｉδ＋Ｂ＊ω＿ｅｓｔ （１０）

ここで、係数Ａ及びＢは、例えば、図７に示す結果に基づいて予め設定される。

以上のように、本実施形態では、目標値決定部５１４ｃは、回転速度ω＿ｅｓｔと電流値ｉδとに基づいて目標値Δθ＿ｔｇｔを決定する。具体的には、目標値決定部５１４ｃは、式（１０）に基づいて目標値Δθ＿ｔｇｔを決定する。より具体的には、目標値決定部５１４ｃは、回転速度ω＿ｅｓｔと電流値ｉδとに基づいて目標値Δθ＿ｔｇｔを０°以外の値に決定する。この結果、式（６）を導出する際に無視された項の影響が低減された位相θに基づいてベクトル制御が行われ、回転子に与えるトルクを効率的に発生させることができる。即ち、モータを効率的に制御することができる。

なお、本実施形態では、目標値決定部５１４ｃは、回転速度ω＿ｅｓｔと電流値ｉδとの両方に基づいて目標値Δθ＿ｔｇｔを決定したが、例えば、回転速度ω＿ｅｓｔと電流値ｉδとの少なくとも一方に基づいて目標値Δθ＿ｔｇｔを決定してもよい。

また、本実施形態では、目標値決定部５１４ｃは、式（１０）に示すように、回転速度ω＿ｅｓｔと目標値Δθ＿ｔｇｔとの関係及び電流値ｉδと目標値Δθ＿ｔｇｔとの関係が１次関数で表された式に基づいて目標値Δθ＿ｔｇｔを決定したが、この限りではない。例えば、２次関数や指数関数等に近似された式が用いられてもよい。

また、目標値決定部５１４ｃは、例えば、回転速度ω＿ｅｓｔの代わりに指令速度ω＿ｒｅｆを用いて目標値Δθ＿ｔｇｔを決定してもよいし、電流値ｉδの代わりに電流指令値ｉδ＿ｒｅｆを用いて目標値Δθ＿ｔｇｔを決定してもよい。

また、本実施形態では、γ軸電流指令値ｉγ＿ｒｅｆに高周波信号が重畳されたが、例えば、駆動電圧Ｖγに重畳される構成でもよい。

また、本実施形態においては、負荷を駆動するモータとしてステッピングモータが用いられているが、ＤＣモータ等の他のモータであっても良い。また、モータは２相モータである場合に限らず、３相モータ等の他のモータであっても本実施形態を適用することができる。

また、本実施形態は、ベクトル制御に限らず、回転子の回転位相を決定する構成を有するものに適用される。

また、本実施形態においては、回転子として永久磁石が用いられているが、これに限定されるものではない。

また、指令生成器５００、界磁制御器５１８、位相制御器５０２、高周波重畳器５１９、電流制御器５０３等は制御手段に含まれる。

また、本実施形態におけるベクトル制御では、位相フィードバック制御を行うことによってモータ５０９を制御しているが、これに限定されるものではない。例えば、回転子４０２の回転速度ωをフィードバックしてモータ５０９を制御する構成であっても良い。具体的には、図８に示すように、モータ制御装置内部に設けられた位相・速度決定器５２１から出力される回転速度ω＿ｅｓｔと指令生成器５００から出力される指令速度ω＿ｒｅｆとに基づいてモータが制御されてもよい。より具体的には、速度制御器５２０は、位相・速度決定器５２１から出力される回転速度ω＿ｅｓｔと指令生成器５００から出力される指令速度ω＿ｒｅｆとの偏差が小さくなるようにδ軸電流指令値ｉδ＿ｒｅｆを生成して出力する。このような速度フィードバック制御を行うことによって、モータ５０９を制御する構成であっても良い。このような構成においては回転速度をフィードバックしているため、回転子の回転速度が所定の速度になるように制御することができる。したがって、画像形成装置において、記録媒体への画像形成を適切に行うために回転速度を一定速度に制御する必要がある負荷（例えば、感光ドラム、搬送ベルト等）を駆動するモータに速度フィードバック制御を用いたベクトル制御を適用する。この結果、記録媒体への画像形成を適切に行うことができる。なお、位相・速度決定器５２１の構成は、位相決定器５１４の構成と同様の構成である。また指令生成器５００は、駆動パルスの周波数に基づいて指令速度ω＿ｒｅｆを生成する。

１５７ モータ制御装置
４０２ 回転子
５００ 指令生成器
５０２ 位相制御器
５０３ 電流制御器
５０７、５０８ 電流検出器
５０９ ステッピングモータ
５１４ 位相決定器
５１４ａ 高周波抽出部
５１４ｃ 目標値決定部
５１９ 高周波重畳器

Claims (9)

1. モータの回転子の回転位相を決定する位相決定手段と、
   前記位相決定手段によって決定された回転位相と前記回転子の目標位相を表す指令位相との偏差を小さくするために供給すべき第１の電流と、前記第１の電流よりも周波数が高い第２の電流と、に基づいて前記モータの巻線に流れる電流を制御する制御手段と、
   前記巻線に流れる電流を検出する検出手段と、
   前記検出手段によって検出された電流から前記第２の電流の周波数を含む所定の周波数帯の信号を抽出する抽出手段と、
   前記回転子の回転速度に対応する値と前記抽出手段によって抽出された信号に対応する値との両方に基づいて所定の位相として０°以外の位相を設定する設定手段と、
   を有し、
   前記位相決定手段は、前記抽出手段によって抽出された前記所定の周波数帯の信号に基づいて、前記回転子の実際の回転位相との位相差が前記所定の位相になるような回転位相を決定することを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記制御手段は、前記位相決定手段によって決定された回転位相と前記指令位相との偏差が小さくなるように、前記位相決定手段によって決定された回転位相を基準とする回転座標系において表される電流成分であって前記回転子にトルクを発生させる電流成分であるトルク電流成分の目標値を生成し、
   前記制御手段は、前記回転座標系において表される電流成分であって前記巻線を貫く磁束の強度に影響する電流成分である励磁電流成分の目標値を、前記第２の電流に対応する値に基づいて生成し、
   前記制御手段は、前記検出手段によって検出された電流から前記所定の周波数帯の信号を低減するローパスフィルタを有し、
   前記制御手段は、前記検出手段によって検出された電流の前記トルク電流成分の値と前記トルク電流成分の目標値との偏差が小さくなるように、且つ、前記検出手段によって検出された電流の前記励磁電流成分の値と前記励磁電流成分の目標値との偏差が小さくなるように、前記巻線に流れる電流を制御することを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記抽出手段は、前記巻線に印加すべき電圧の前記励磁電流成分の値、及び、前記検出手段によって検出される電流の前記トルク電流成分の値、から前記所定の周波数帯の信号を抽出し、
   前記位相決定手段は、前記抽出手段によって抽出された前記所定の周波数帯の信号に基づいて、前記位相差を決定する位相差決定手段と、前記位相差決定手段によって決定される前記位相差が前記所定の位相になるような前記回転子の回転速度を決定する速度決定手段と、を有し、
   前記位相決定手段は、前記速度決定手段によって決定される回転速度に基づいて前記回転子の回転位相を決定することを特徴とする請求項２に記載のモータ制御装置。
4. モータの回転子の回転速度を決定する速度決定手段と、
   前記速度決定手段によって決定された回転子の回転速度と前記回転子の目標速度を表す指令速度との偏差を小さくするために供給すべき第１の電流と、前記第１の電流よりも周波数が高い第２の電流と、に基づいて前記モータの巻線に流れる電流を制御する制御手段と、
   前記巻線に流れる電流を検出する検出手段と、
   前記検出手段によって検出された電流から前記第２の電流の周波数を含む所定の周波数帯の信号を抽出する抽出手段と、
   前記回転子の回転速度に対応する値と前記抽出手段によって抽出された信号に対応する値との両方に基づいて所定の位相として０°以外の位相を設定する設定手段と、
   を有し、
   前記速度決定手段は、前記抽出手段によって抽出された前記所定の周波数帯の信号に基づいて、前記回転子の実際の回転位相との位相差が前記所定の位相になるような回転速度を決定することを特徴とするモータ制御装置。
5. 前記モータ制御装置は、前記速度決定手段によって決定される回転速度に基づいて前記回転子の回転位相を決定する位相決定手段を有し、
   前記制御手段は、前記位相決定手段によって決定された回転位相と前記指令位相との偏差が小さくなるように、前記位相決定手段によって決定された回転位相を基準とする回転座標系において表される電流成分であって前記回転子にトルクを発生させる電流成分であるトルク電流成分の目標値を生成し、
   前記制御手段は、前記回転座標系において表される電流成分であって前記巻線を貫く磁束の強度に影響する電流成分である励磁電流成分の目標値を、前記第２の電流に対応する値に基づいて生成し、
   前記制御手段は、前記検出手段によって検出された電流から前記所定の周波数帯の信号を低減するローパスフィルタを有し、
   前記制御手段は、前記ローパスフィルタによって処理された電流の前記トルク電流成分の値と前記トルク電流成分の目標値との偏差が小さくなるように、且つ、前記ローパスフィルタによって処理された電流の前記励磁電流成分の値と前記励磁電流成分の目標値との偏差が小さくなるように、前記巻線に流れる電流を制御することを特徴とする請求項４に記載のモータ制御装置。
6. 前記抽出手段は、前記巻線に印加すべき電圧の前記励磁電流成分の値、及び、前記検出手段によって検出される電流の前記トルク電流成分の値、から前記所定の周波数帯の信号を抽出し、
   前記速度決定手段は、前記抽出手段によって抽出された前記所定の周波数帯の信号に基づいて、前記位相差を決定する位相差決定手段を有し、
   前記速度決定手段は、前記位相差決定手段によって決定される前記位相差が前記所定の位相になるような前記回転子の回転速度を決定し、
   前記位相決定手段は、前記決定手段によって決定される前記回転速度に対して積分演算を行うことによって前記回転子の回転位相を決定することを特徴とする請求項５に記載のモータ制御装置。
7. 前記回転子の回転速度に対応する値は、前記回転子の目標速度を表す指令速度であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
8. 前記抽出手段は、前記所定の周波数帯の信号以外の信号を低減するバンドパスフィルタであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
9. 記録媒体に画像を形成する画像形成装置であって、
   負荷を駆動するモータと、
   請求項１乃至８のいずれか一項に記載のモータ制御装置と、
   を有し、
   前記モータ制御装置は、前記負荷を駆動するモータの駆動を制御することを特徴とする画像形成装置。

Images