JP7346174B2 - モータ制御装置および画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、永久磁石モータを制御するモータ制御装置及びこのモータ制御装置を搭載する画像形成装置に関する。

永久磁石モータは、小型化や高効率化等の点で優れており、プリンタや複写機等の画像形成装置をはじめ、様々な装置の駆動部品に使用されている。永久磁石モータの駆動制御方法の一つにベクトル制御がある。ベクトル制御は、永久磁石モータに発生するトルクを精密に制御でき、且つ永久磁石モータの静音化、低振動化、及び高効率化を実現する。ベクトル制御では、永久磁石モータのロータの正確な位置情報（回転位置）が必要である。ロータの位置情報を正確に取得するために、一般的に、ホール素子やエンコーダ等の位置センサが用いられる。位置センサは、コストアップやサイズアップの原因となる。

そのために、位置センサを用いることなく、永久磁石モータに流れる電流からロータの回転位置を推定するセンサレス方式のベクトル制御（センサレスベクトル制御）が提案されている。センサレス方式の一つに、ロータの回転に伴う逆起電圧を推定することによってロータの回転位置を推定する逆起電圧推定方式がある。しかしながら、ロータは、停止時に逆起電圧が発生せず、低速時に逆起電圧の振幅が小さい。そのために、停止時及び低速時にはロータの回転位置を推定することが困難である。

一般的に逆起電圧推定方式を用いて永久磁石モータの動作を制御する場合、ロータの回転位置を推定できない停止時や低速時には、ベクトル制御の代わりにオープン制御が行われる。ロータの回転速度が回転位置を推定可能な速度に到達すると、オープン制御からベクトル制御に切り替えて、永久磁石モータが制御される。このように速度領域に応じてオープン制御とベクトル制御とを切り替える制御方法では、オープン制御からベクトル制御に切り替える際に大きな速度変動が発生する。特許文献１は、オープン制御からベクトル制御に制御切替の際にトルクが急変しないような適切な電流指令、電圧指令を設定する制御装置を開示する。

特開２００９－２８４６９４号公報

永久磁石モータの制御対象の負荷のトルク変化が大きい場合、オープン制御からベクトル制御への制御切替の際の回転速度の変動を抑制することが困難である。制御切替の際の回転速度の変動が大きい場合、オーバーシュートや整定時間等が悪化して制御性能が低下する。制御切替後の回転速度の減速が大きい場合、永久磁石モータの回転速度が逆起電圧推定方式でロータの位置を推定可能な速度を下回る。その結果、永久磁石モータが脱調する。

本発明は、上記の課題に鑑み、モータの巻線に流れる駆動電流を制御する制御モードを切り替える際にモータが脱調してしまうことを抑制することを目的とする。

本発明のモータ制御装置は、モータの巻線に流れる駆動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駆動電流に基づいて、前記モータの回転子の回転位置を決定する位置決定手段と、前記位置決定手段によって決定された前記回転位置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に基づいて前記巻線に流れる駆動電流を制御する第１制御モードと、予め決められた大きさの電流に基づいて前記巻線に流れる駆動電流を制御する第２制御モードと、を備える制御手段と、前記検出手段によって検出された駆動電流に基づいて、前記回転子の加速度を決定する加速度決定手段と、を有し、前記制御手段は、前記第１制御モードにおいて、前記回転子の目標位置を表す指令位置と前記位置決定手段によって決定された回転位置との偏差が小さくなるように設定された前記トルク電流成分の目標値と、前記検出手段によって検出された駆動電流の前記トルク電流成分の値と、の偏差が小さくなるように前記巻線に流れる駆動電流を制御し、前記制御手段は、前記第２制御モードの実行中に、前記回転子の回転速度に対応する値が第１所定値よりも大きいこと及び前記加速度決定手段によって決定された加速度に対応する値が第２所定値を含む所定の範囲内の値であることの両方を満たす場合は、前記巻線に流れる駆動電流を制御する制御モードを前記第２制御モードから前記第１制御モードに切り替え、前記制御手段は、前記第２制御モードの実行中に、前記回転子の回転速度に対応する値が前記第１所定値よりも大きいこと及び前記加速度決定手段によって決定された加速度に対応する値が前記第２所定値を含む前記所定の範囲内の値であることの両方を満たさない場合は、前記巻線に流れる駆動電流を制御する制御モードを切り替えないことを特徴とする。

本発明によれば、モータの巻線に流れる駆動電流を制御する制御モードを切り替える際にモータが脱調してしまうことを抑制することができる。

画像形成装置の構成説明図。 画像形成装置の制御構成の例示図。 モータ制御部の構成説明図。 ベクトル電流指令生成部の構成図。 ｄｑ軸電流指令の波形の例示図。 ベクトル制御部の構成図。 切替信号生成部の構成図。 （ａ）、（ｂ）は、モータの回転速度の時間変化の説明図。 モータの駆動制御処理を表すフローチャート。 モータ制御部の変形例の構成説明図。 切替信号生成部の構成図。

以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものでなく、また実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須のものとは限らない。

（画像形成装置）
図１は、本実施形態のモータ制御装置が実装される画像形成装置の構成説明図である。画像形成装置１００は、自動原稿搬送装置（以下、「ＡＤＦ（Auto Document Reader）」という。）２０１、読取装置（以下、「リーダ部」という。）２０２、及び画像形成装置本体（以下、「プリンタ部」という。）３０１を備えている。プリンタ部３０１の上にリーダ部２０２が設けられ、リーダ部２０２の上にＡＤＦ２０１が設けられる。

ＡＤＦ２０１は、原稿が載置される原稿載置部２０３、給紙ローラ２０４、搬送ガイド２０６、搬送ベルト２０８、及び排紙ローラ２０５を備える。原稿載置部２０３に載置された原稿は、給紙ローラ２０４によって１枚ずつ給紙され、搬送ガイド２０６を経由してリーダ部２０２による原稿の読取位置に搬送される。原稿は、読取位置を通過し、搬送ベルト２０８によって一定速度で搬送された後、排紙ローラ２０５によってＡＤＦ２０１の外部へ排出される。

リーダ部２０２は、筐体のＡＤＦ２０１側の面に原稿台ガラス２１４を備える。リーダ部２０２の筐体内には、照明系２０９、反射ミラー２１０、２１１、２１２、画像読取部１０１、及び画像処理部１１０を備える。ＡＤＦ２０１により読取位置に搬送された原稿は、照明系２０９によって光が照射される。照射された光の原稿による反射光は、反射ミラー２１０、２１１、２１２から成る光学系によって画像読取部１０１に受光される。画像読取部１０１は、受光した反射光を画像信号に変換する。画像読取部１０１は、レンズ、光電変換素子であるＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサ、及びＣＣＤセンサの駆動回路等で構成される。画像読取部１０１から出力された画像信号は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウェアデバイスで構成される画像処理部１１０によって、各種補正処理が行われる。補正後の画像信号は、プリンタ部３０１へ送信される。

リーダ部２０２は、流し読みモードと固定モードとの２つの読取モードにより原稿を読み取ることができる。流し読みモードは、照明系２０９及び光学系の移動を停止した状態で、ＡＤＦ２０１により原稿を一定速度で搬送しながら当該原稿の画像を読み取る読取モードである。固定モードは、原稿台ガラス２１４上に原稿を載置し、照明系２０９及び光学系を一定速度で移動させながら、原稿台ガラス２１４上に載置された原稿の画像を読み取る読取モードである。例えば、シート状の原稿は流し読みモードにより読み取られ、本のように綴じられた原稿は固定モードで読み取られる。

画像形成装置１００は、リーダ部２０２から出力される画像信号に基づいて、プリンタ部３０１によりページ単位で記録紙（記録材）に画像を形成するコピー機能を有する。なお、画像形成装置１００は、ネットワークを介して外部装置から受信したデータに基づいて記録紙に画像を形成する印刷機能も有している。プリンタ部３０１は、感光ドラム３０９、帯電器３１０、レーザスキャナ３１１、現像器３１４、転写部３１５、定着器３１８等を備える。プリンタ部３０１は、画像が形成される記録紙の搬送用のローラとして、搬送ローラ３０６、３０７、排紙ローラ３１９、反転ローラ３２１、搬送ローラ３２０、３２２、３２３、及び排紙ローラ３２４を備えている。

感光ドラム３０９は、表面に感光層を備えたドラム形状の感光体である。画像形成時に感光ドラム３０９は、帯電器３１０により感光層が一様に帯電される。レーザスキャナ３１１は、リーダ部２０２から出力された画像信号を取得する。レーザスキャナ３１１は、半導体レーザ及びポリゴンミラーを有し、取得した画像信号で変調したレーザ光（光信号）を、半導体レーザから出力する。半導体レーザから出力されたレーザ光は、ポリゴンミラー、及びミラー３１２、３１３を経由して感光ドラム３０９の表面を照射する。これにより感光ドラム３０９が露光される。感光ドラム３０９は、一様に帯電した表面（感光層）がレーザ光によって露光されることで、画像信号に応じた静電潜像が形成される。感光ドラム３０９上に形成された静電潜像は、現像器３１４から供給されるトナーによって現像される。これにより感光ドラム３０９上にトナー像が形成される。感光ドラム３０９上のトナー像は、感光ドラム３０９の回転に伴って転写部３１５と対向する位置（転写位置）まで移動する。転写部３１５は、感光ドラム３０９に担持されるトナー像を記録紙に転写する。

記録紙は、給紙カセット３０２、３０４に収納される。給紙カセット３０２と給紙カセット３０４とは、それぞれ異なる種類の記録紙を収納可能である。例えば、給紙カセット３０２には標準の記録紙が収納され、給紙カセット３０４にはタブ紙が収納される。給紙カセット３０２に収納された記録紙は、給紙ローラ３０３によって搬送路上に給紙され、搬送ローラ３０６によってレジストローラ３０８まで搬送されて一時的に搬送停止される。給紙カセット３０４に収納された記録紙は、給紙ローラ３０５によって搬送路上に給紙され、搬送ローラ３０７、３０６によってレジストローラ３０８まで搬送されて一時的に搬送停止される。

レジストローラ３０８まで搬送された記録紙は、感光ドラム３０９上のトナー像が転写位置に到達するタイミングに合わせて、レジストローラ３０８によって転写位置へ搬送される。転写位置において感光ドラム３０９からトナー像が転写された記録紙は、搬送ベルト３１７によって定着器３１８へ搬送される。定着器３１８は、熱及び圧力により、記録紙上のトナー像を当該記録紙に定着させる。

片面印刷モードで画像形成が行われる場合、定着器３１８を通過した記録紙は、排紙ローラ３１９、３２４によって装置外部へ排出される。両面印刷モードで画像形成が行われる場合、表面（第１面）に画像が形成された記録紙は、定着器３１８を通過後に排紙ローラ３１９、搬送ローラ３２０、及び反転ローラ３２１によって、反転パス３２５へ搬送される。記録紙の後端が反転パス３２５と両面パス３２６との合流ポイントを通過した直後に反転ローラ３２１が回転を反転させることで、記録紙は、逆方向に搬送され始めて両面パス３２６へ搬送される。その後、記録紙は、搬送ローラ３２２、３２３によって両面パス３２６を搬送され、再び搬送ローラ３０６によってレジストローラ３０８まで搬送されて一時的に搬送停止される。その後、記録紙の表面（第１面）への画像形成時と同様に、転写位置において記録紙の裏面（第２面）へのトナー像の転写処理が行われ、定着器３１８によって定着処理が行われる。このように両面への画像形成が終了すると、記録紙は、装置外部へ排出される。

記録紙を表裏面を反転させて（第１面と第２面とを反転させて）装置外部へ排出する場合、定着器３１８を通過した記録紙は、搬送ローラ３２０の方向へ一時的に搬送される。その後、記録紙の後端が搬送ローラ３２０の位置を通過する直前に搬送ローラ３２０の回転が反転することで、記録紙が逆方向に搬送され始め、排紙ローラ３２４の方向へ搬送される。その結果、記録紙は、表裏が反転した状態で排紙ローラ３２４によって装置外部へ排出される。搬送ローラ３２０は、画像形成が行われた記録紙を、表裏を反転させて排紙する際に、搬送路上で記録紙の搬送方向を反転させるための反転ローラとして機能する。

記録紙の搬送用ローラである搬送ローラ３０６、３０７、排紙ローラ３１９、反転ローラ３２１、搬送ローラ３２０、３２２、３２３、及び排紙ローラ３２４は、後述のモータ制御部により駆動制御される。モータ制御部は、後述のシステムコントローラにより動作を制御されるモータ制御装置である。

（画像形成装置の制御構成）
図２は、画像形成装置１００の制御構成の例示図である。プリンタ部３０１は、システムコントローラ１５１を備える。システムコントローラ１５１は、画像形成装置１００全体の動作を制御する。システムコントローラ１５１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１５１ａ、ＲＯＭ（Read Only Memory）１５１ｂ、及びＲＡＭ（Random Access Memory）１５１ｃを備える。システムコントローラ１５１には、リーダ部２０２の画像処理部１１０、操作部１５２、アナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１５３、高圧制御部１５５、モータ制御部１５７、センサ類１５９、及びＡＣドライバ１６０が接続される。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の送受信が可能である。

ＣＰＵ１５１ａは、ＲＯＭ１５１ｂに格納された各種プログラムを実行することで、所定の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、揮発性のメモリデバイスであり、ＣＰＵ１５１ａが各種プログラムを実行する際のワークエリアとして用いられる。また、ＲＡＭ１５１ｃは、各種データが一時的に格納される一時記憶領域として用いられる。ＲＡＭ１５１ｃには、例えば、高圧制御部１５５に対する設定値、モータ制御部１５７に対する指令値、操作部１５２から受信する情報等が格納される。

操作部１５２は、入力装置と出力装置とを組み合わせたユーザインタフェースである。入力装置には、入力キーやテンキー等のキーボタン、タッチパネル等がある。出力装置には、表示装置やスピーカ等がある。
システムコントローラ１５１は、ユーザが各種の設定を行うための操作画面を、操作部１５２の表示装置に表示する。システムコントローラ１５１は、操作画面に応じたユーザからの指示を操作部１５２の入力装置を介して受け付ける。例えばシステムコントローラ１５１は、操作部１５２を介して複写倍率の設定値、濃度設定値等の指示を示す情報を受け付ける。また、システムコントローラ１５１は、画像形成装置１００の状態をユーザに知らせるためのデータを操作部１５２に送信する。操作部１５２は、システムコントローラ１５１から受信したデータに基づいて、画像形成装置１００の状態を示す情報（例えば、画像形成枚数、画像形成中か否かを示す情報、ジャムの発生及び発生個所を示す情報）を表示装置に表示させる。

システムコントローラ１５１（ＣＰＵ１５１ａ）は、画像処理部１１０に対して、画像処理に必要な画像形成装置１００内の各デバイスの設定値を送信する。また、システムコントローラ１５１は、各デバイスからの信号（センサ類１５９の検知結果等）を受信して、受信した信号に基づいて高圧制御部１５５を制御する。高圧制御部１５５は、システムコントローラ１５１から出力される設定値に基づいて、高圧ユニット１５６を構成する帯電器３１０、現像器３１４、及び転写部３１５に対して、それぞれの動作に必要となる電圧を供給する。

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から検出信号を受信し、当該検出信号を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。定着ヒータ１６１は、定着器３１８に設けられ、定着処理の際に記録紙を加熱する熱源である。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を制御することで、定着ヒータ１６１の温度を、定着処理のための所定の温度にフィードバック制御する。

システムコントローラ１５１は、モータ制御部１５７を介して、各モータの駆動シーケンスを制御する。モータ制御部１５７は、システムコントローラ１５１からの指示に応じて、記録紙の搬送用の各ローラを駆動する駆動源となるモータを駆動制御する。なお、画像形成装置１００は、記録紙の搬送用の各ローラに対応するモータ毎にモータ制御部１５７を備えている。ここでは、記録紙搬送用のローラをモータが駆動する負荷の例として説明するが、モータが駆動する負荷は、画像形成時に動作する負荷であれば、ローラに限られない。
モータ制御部１５７の外部コントローラに相当するシステムコントローラ１５１（ＣＰＵ１５１ａ）は、モータ制御部１５７の動作の開始を指示するイネーブル信号である制御開始信号を出力する。制御開始信号が「１」のときモータ制御部１５７は動作状態となり、制御開始信号が「０」のときモータ制御部１５７は停止状態となる。

（モータ制御部）
本実施形態のモータ制御部１５７を永久磁石モータ、例えば２相のステッピングモータの駆動制御に用いる場合について説明する。ただし、モータの相数やモータの種類は、これに限定されるものではなく、例えば３相のブラシレスモータ等であってもよい。

図３は、モータ制御部１５７の構成説明図である。このモータ制御部１５７は、システムコントローラ１５１の指示によりモータ１を駆動制御する。本実施形態のモータ１は、ステップ角が１．８度のステッピングモータである。モータ制御部１５７は、目標位置生成部２、オープン電流指令生成部３、ベクトル電流指令生成部４、スイッチ５、ベクトル制御部６、ＰＷＭ信号生成部７、インバータ８、電流検出部９、位置推定部１０、切替信号生成部１１、及び切替初期値生成部１２を備える。

本実施形態のモータ制御部１５７の基本的なモータ制御方法は、逆起電圧推定方式のセンサレス技術を用いた位置制御構成のベクトル制御（以下、「センサレスベクトル制御」という。）である。センサレスベクトル制御は、モータ１が所定の回転数以下では十分な逆起電圧が発生せずに、モータ１の磁極位置を推定することが困難である。そのためにモータ制御部１５７は、モータ１の停止から所定の回転数までは、ベクトル制御ではなくモータ１の磁極位置情報を用いない開ループ定電流制御（以下、「オープン制御」という。）を行う。つまりモータ制御部１５７は、停止から所定の回転数まではオープン制御、所定の回転数以上はセンサレスベクトル制御でモータ１を制御する。なお、センサレスベクトル制御は、位置制御に限るものではなく速度制御であってもよい。

最初に、モータ制御部１５７がオープン制御とセンサレスベクトル制御とを切り替えてモータ１を制御する基本的な機能について説明する。

目標位置生成部２は、システムコントローラ１５１から入力されるイネーブル信号（制御開始信号）が「１」のときに、モータ制御の目標値となる目標位置θ＿ｔｇｔを出力する。モータ１は、オープン制御時、ベクトル制御時ともに、この目標位置θ＿ｔｇｔを目標値として制御される。
オープン電流指令生成部３は、オープン制御時のｄｑ軸電流値の指令値であるオープンｄｑ軸電流指令ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｏｐｅｎ、ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｏｐｅｎを出力する。オープンｄｑ軸電流指令ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｏｐｅｎ、ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｏｐｅｎは固定値であり、所定のメモリ（例えばＲＡＭ１５１ｃ）に格納されている。オープンｄ軸電流指令ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｏｐｅｎは必要なトルクに応じた電流値に設定され、オープンｑ軸電流指令ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｏｐｅｎは「０」に設定される。このように電流指令の値を設定することで、モータ１に一定の振幅の電流を流すことが可能となる。なお、オープンｄ軸電流指令ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｏｐｅｎが「０」に設定され、オープンｑ軸電流指令ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｏｐｅｎが必要なトルクに応じた電流値に設定されてもよい。

ベクトル電流指令生成部４は、センサレスベクトル制御時のｄｑ軸電流値の指令値であるベクトルｄｑ軸電流指令ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｖｅｃ、ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｖｅｃを出力する。図４は、ベクトル電流指令生成部４の構成図である。ベクトル電流指令生成部４は、ベクトルｄ軸電流指令生成部４１、位置偏差算出部４２、及び位置制御部４３を備える。

ベクトルｄ軸電流指令ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｖｅｃは、モータ１に流したい電流位相に応じて決定された固定値である。磁極位置が０度～３６０度の範囲でインダクタンス値の変化の小さい、いわゆる突極比の小さいモータの場合、ｄ軸電流ｉｄは「０」に設定されるのが一般的である。突極比の小さいモータは、リラクタンストルクがほとんど発生しないため、発生トルクのほとんどがマグネットトルクである。マグネットトルクが最大となる条件はｄ軸電流ｉｄが「０」である。そのために突極比の小さいモータは、ｄ軸電流ｉｄを「０」とすることで効率良く制御することができる。ｄ軸電流ｉｄは、ｄ軸電流指令最終値ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｆｉｎとして設定されている。

ベクトルｄ軸電流指令ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｖｅｃは「０」であるが、制御切替直前のオープン制御時のモータ１に実際に流れているｄ軸電流ｉｄは「０」ではない。そのため、オープン制御からセンサレスベクトル制御へ制御が切り替わると、後で説明するベクトル制御部６が両者を一致させるように電圧指令を急変させる。これによりモータ１の発生トルクが急変し、モータ１が急加速もしくは急減速して大きな速度変動が発生してしまう。そのため、制御切替直前のモータ１に流れるｄ軸電流ｉｄと制御切替直後のセンサレスベクトル制御におけるベクトルｄ軸電流指令ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｖｅｃとを同じにする初期化処理が必要になる。

初期化信号ｓｉｇ＿ｉｎｉｔは、ベクトルｄ軸電流指令生成部４１及び位置制御部４３の初期化を行うトリガ信号である。初期化信号ｓｉｇ＿ｉｎｉｔは、オープン制御からセンサレスベクトル制御への制御切替タイミングで制御周期の１ステップ分だけ「１」となることで、ベクトルｄ軸電流指令生成部４１及び位置制御部４３を初期化する。

ベクトルｄ軸電流指令生成部４１は、初期化信号ｓｉｇ＿ｉｎｉｔをトリガ信号として、ベクトルｄ軸電流指令ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｖｅｃの値を、入力信号のｄ軸電流指令初期値ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔの値に設定する。ｄ軸電流指令初期値ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔは、センサレスベクトル制御へ切り替える直前のオープン制御時のモータ１に流れるｄ軸電流ｉｄの検出値（ｄ軸検出電流）である。ｄ軸電流指令初期値ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔの値を制御切替直後のベクトルｄ軸電流指令ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｖｅｃに設定することで、モータ１に流れているｄ軸電流ｉｄとベクトルｄ軸電流指令ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｖｅｃとが同じ値になる。そのために、電圧指令の急変によるモータ１の速度変動が防止される。

ｄ軸電流指令初期値ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔと実際にセンサレスベクトル制御時に設定したいｄ軸電流指令最終値ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｆｉｎとの値には差がある。そのため、ベクトルｄ軸電流指令ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｖｅｃの値は、ｄ軸電流指令初期値ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔからｄ軸電流指令最終値ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｆｉｎまで徐々に変化させなければならない。ベクトルｄ軸電流指令ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｖｅｃの値は、ｄ軸電流指令初期値ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔから所定の傾きで変化させられて、所定時間経過後にｄ軸電流指令最終値ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｆｉｎとなるように設定される。

このようにベクトルｄ軸電流指令生成部４１は、制御切替直前のモータ１に流れるｄ軸電流ｉｄを制御切替直後に出力し、一定時間経過後に所定の値になるように変化するベクトルｄ軸電流指令ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｖｅｃを生成する。

位置偏差算出部４２及び位置制御部４３は、ベクトルｑ軸電流指令ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｖｅｃを生成する。位置偏差算出部４２は、目標位置θ＿ｔｇｔと推定位置θ＿ｅｓｔとの差分から位置偏差を算出する。位置制御部４３は、位置偏差算出部４２から入力される位置偏差にＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御の制御演算を行い、ベクトルｑ軸電流指令ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｖｅｃを生成して出力する。

センサレスベクトル制御への制御切替直後のベクトルｑ軸電流指令ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｖｅｃとモータ１に実際に流れるｑ軸電流ｉｑとは一致していない。そのため、オープン制御からセンサレスベクトル制御へ制御が切り替わると、後で説明するベクトル制御部６が両者を一致させるように電流指令を急変させる。これによりモータ１の発生トルクが急変し、モータ１が急加減速して大きな速度変動が発生してしまう。そのため、制御切替直前のモータ１に流れるｑ軸電流ｉｑと制御切替直後のベクトルｑ軸電流指令ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｖｅｃとを同じにする初期化処理が必要になる。

位置制御部４３は、初期化信号ｓｉｇ＿ｉｎｉｔをトリガ信号として、入力されるｑ軸電流初期値ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔによりベクトルｑ軸電流指令ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｖｅｃを初期化する機能を有している。ベクトルｑ軸電流指令ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｖｅｃは、具体的にはＰＩＤ制御の積分器の値の設定により初期化される。ｑ軸電流指令初期値ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔは、センサレスベクトル制御へ切り替える直前のオープン制御時のモータ１に流れるｑ軸電流ｉｑの検出値（ｑ軸検出電流）である。ｑ軸電流指令初期値ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔの値を制御切替直後のベクトルｑ軸電流指令ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｖｅｃにすることで、モータ１に流れているｑ軸電流ｉｑとベクトルｑ軸電流指令ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｖｅｃとが同じになる。そのために、電圧指令の急変によるモータ１の速度変動を防ぐことができる。

位置制御部４３は、ベクトルｑ軸電流指令ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｖｅｃとして、オープン制御からセンサレスベクトル制御への制御切替直後にｑ軸電流指令初期値ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔを出力する。その後、位置制御部４３は、位置偏差算出部４２と位置制御部４３との演算結果を出力することで、目標位置θ＿ｔｇｔに追従するように制御するために必要なベクトルｑ軸電流指令ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｖｅｃを出力する。

スイッチ５は、切替信号ｓｉｇ＿ｓｗに応じて、２つのｄｑ軸電流指令及びモータ１の位置情報を選択して出力する。出力された２つのｄｑ軸電流指令及び位置情報は、ベクトル制御部６に入力される。切替信号ｓｉｇ＿ｓｗがオープン制御を指示する「１」の場合、スイッチ５は、オープンｄｑ軸電流指令ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｏｐｅｎ、ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｏｐｅｎ及び目標位置θ＿ｔｇｔを選択して出力する。切替信号ｓｉｇ＿ｓｗがセンサレスベクトル制御を指示する「０」の場合、スイッチ５は、ベクトルｄｑ軸電流指令ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｖｅｃ、ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｖｅｃ及び推定位置θ＿ｅｓｔを選択して出力する。

スイッチ５がベクトル制御部６に必要な信号をオープン制御とセンサレスベクトル制御との２つの制御モードで選択的に出力することで、オープン制御とセンサレスベクトル制御との切り替えが実現される。図５は、スイッチ５から出力されるｄｑ軸電流指令ｉｄ＿ｒｅｆ、ｉｑ＿ｒｅｆの波形の例示図である。

オープン制御時のｄｑ軸電流指令ｉｄ＿ｒｅｆ、ｉｑ＿ｒｅｆは、オープン電流指令生成部３から出力されるオープンｄｑ軸電流指令ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｏｐｅｎ、ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｏｐｅｎとなる。オープン制御からセンサレスベクトル制御へ切り替わった直後のｄｑ軸電流指令ｉｄ＿ｒｅｆ、ｉｑ＿ｒｅｆは、ｄ軸電流指令初期値ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔ、ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔとなる。ｄ軸電流指令は、一定時間経過後にｄ軸電流指令最終値ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｆｉｎとなるように変化する。ｑ軸電流指令は、制御切替後から位置制御の出力に切り替わるために、一定値ではなくモータ１の状態に応じた変動値となる。

ベクトル制御部６は、ｄｑ軸電流指令ｉｄ＿ｒｅｆ、ｉｑ＿ｒｅｆとモータ１の位置情報とａｂ相検出電流とから、モータ１の駆動電圧の指令値であるａｂ相電圧指令ｖａ＿ｏｒｄｅｒ、ｖｂ＿ｏｒｄｅｒを生成して出力する。図６は、ベクトル制御部６の構成図である。ベクトル制御部６は、ｄｑ変換部６１、ｄ軸電流偏差計算部６２、ｑ軸電流偏差計算部６３、電流制御部６４、６５、及びｄｑ逆変換部６６を備える。

ｄｑ変換部６１は、電流検出部９から入力されるａｂ相検出電流ｉａ＿ｄｅｔ、ｉｂ＿ｄｅｔを、ｄｑ軸検出電流ｉｄ＿ｄｅｔ、ｉｑ＿ｄｅｔに変換して出力する。変換には式（１）の固定座標変換式（ｄｑ変換式）が用いられる。

ｄ軸電流偏差計算部６２は、スイッチ５から入力されるｄ軸電流指令ｉｄ＿ｒｅｆとｄ軸検出電流ｉｄ＿ｄｅｔとの差分を算出することで、ｄ軸電流偏差を生成する。ｑ軸電流偏差計算部６３は、スイッチ５から入力されるｑ軸電流指令ｉｑ＿ｒｅｆとｑ軸検出電流ｉｑ＿ｄｅｔとの差分を算出することで、ｑ軸電流偏差を生成する。

電流制御部６４は、ｄ軸電流偏差に基づいてＰＩ制御による演算を行い、ｄ軸駆動電圧指令ｖｄ＿ｏｒｄｅｒを生成して出力する。電流制御部６５は、ｑ軸電流偏差に基づいてＰＩ制御による演算を行い、ｑ軸駆動電圧指令ｖｑ＿ｏｒｄｅｒを生成して出力する。ｄｑ逆変換部６６は、スイッチ５から入力される位置情報である角度情報θ＿ｖｅｃに基づいて、ｄ軸駆動電圧指令ｖｄ＿ｏｒｄｅｒ、ｑ軸駆動電圧指令ｖｑ＿ｏｒｄｅｒをａｂ座標系のａｂ相電圧指令ｖａ＿ｏｒｄｅｒ、ｖｂ＿ｏｒｄｅｒに変換して出力する。変換には式（２）の回転座標変換式（ｄｑ逆変換式）が用いられる。

ただし、この構成では、オープン制御からセンサレスベクトル制御への制御切替の際に、ａｂ相電圧指令ｖａ＿ｏｒｄｅｒ、ｖｂ＿ｏｒｄｅｒが急変するために、モータ１に速度変動が生じる。制御が切り替わると、ｄｑ逆変換部６６で使うモータ１の位置情報（角度情報θ＿ｖｅｃ）が目標位置θ＿ｔｇｔから推定位置θ＿ｅｓｔに切り替わる。その影響により、ａｂ相電圧指令ｖａ＿ｏｒｄｅｒ、ｖｂ＿ｏｒｄｅｒが急変する。そこで、ａｂ相電圧指令ｖａ＿ｏｒｄｅｒ、ｖｂ＿ｏｒｄｅｒの急変を防ぐ初期化処理が必要となる。

電流制御部６４は、初期化信号ｓｉｇ＿ｉｎｉｔに基づいてｄ軸駆動電圧指令ｖｄ＿ｏｒｄｅｒをｄ軸電圧指令初期値ｖｄ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔに初期化する初期化機能を有している。電流制御部６５は、初期化信号ｓｉｇ＿ｉｎｉｔに基づいてｑ軸駆動電圧指令ｖｑ＿ｏｒｄｅｒをｑ軸電圧指令初期値ｖｑ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔに初期化する初期化機能を有している。ｄｑ軸駆動電圧指令ｖｄ＿ｏｒｄｅｒ、ｖｑ＿ｏｒｄｅｒは、具体的にはＰＩ制御の積分器の値が設定されて初期化される。

ｄｑ軸電圧指令初期値ｖｄ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔ、ｖｑ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔは、センサレスベクトル制御へ切り替える直前のオープン制御時のａｂ相電圧指令ｖａ＿ｏｒｄｅｒ、ｖｂ＿ｏｒｄｅｒを推定位置θ＿ｅｓｔでｄｑ変換した値である。つまり、ｄｑ軸電圧指令初期値ｖｄ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔ、ｖｑ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔを推定位置θ＿ｅｓｔでｄｑ逆変換すると、制御切替直前のオープン制御時のａｂ相電圧指令ｖａ＿ｏｒｄｅｒ、ｖｂ＿ｏｒｄｅｒと同じになる。したがって、制御が切り替わる直前と直後のベクトル制御部６が出力するａｂ相電圧指令ｖａ＿ｏｒｄｅｒ、ｖｂ＿ｏｒｄｅｒは変化しないこととなる。そのため、制御が切り替わった際の速度変動が発生しない。

以上のように、ベクトル制御部６は、ｄｑ電流指令ｉｄ＿ｒｅｆ、ｉｑ＿ｒｅｆに応じてモータ１に電流が流れるような制御を行う。またベクトル制御部６は、制御が切り替わる前後で同じ値のａｂ相電圧指令ｖａ＿ｏｒｄｅｒ、ｖｂ＿ｏｒｄｅｒを出力することができる。

ＰＷＭ信号生成部７は、ベクトル制御部６から入力されるａｂ相電圧指令ｖａ＿ｏｒｄｅｒ、ｖｂ＿ｏｒｄｅｒに応じてパルス幅変調したＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を出力する。インバータ８は、ＰＷＭ信号生成部７から入力されるＰＷＭ信号によって駆動され、ａｂ相電圧指令値ｖａ＿ｏｒｄｅｒ、ｖｂ＿ｏｒｄｅｒに対応した交流電圧（駆動電圧）をモータ１に印加する。ＰＷＭ信号生成部７及びインバータ８により、ベクトル制御部６が出力する電圧指令値（ａｂ相電圧指令ｖａ＿ｏｒｄｅｒ、ｖｂ＿ｏｒｄｅｒ）に対応した駆動電圧がモータ１に印加される。モータ１は駆動電圧の印加により駆動制御される。

電流検出部９は、電流検出抵抗９１及び電流演算部９２を備え、モータ１に流されるａｂ相の電流の電流値を検出する。電流検出抵抗９１は、例えば５０［ｍΩ］等のモータ１の抵抗値に比べて非常に小さい抵抗値の抵抗である。図示を省略しているが、電流検出抵抗９１は、モータ１とインバータ８との間のａｂ相の２本のケーブルに対して、それぞれ直列に接続されている。電流演算部９２は、電流検出抵抗９１の両端電圧をＡＤコンバータ等で測定し、測定した電圧値と電流検出抵抗８１の抵抗値（例えば５０［ｍΩ］）とから、モータ１に流れる電流の電流値を算出する。電流検出部９で算出されたａｂ相の電流値（ａｂ相検出電流ｉａ＿ｄｅｔ、ｉｂ＿ｄｅｔ）は、センサレスベクトル制御及び位置推定に用いられる。

位置推定部１０は、ａｂ相電圧指令ｖａ＿ｏｒｄｅｒ、ｖｂ＿ｏｒｄｅｒとａｂ相検出電流ｉａ＿ｄｅｔ、ｉｂ＿ｄｅｔとにより、センサレスベクトル制御に必要なモータ１のロータの磁極位置を推定した推定位置θ＿ｅｓｔを出力する。位置推定部１０は、ａｂ相電圧指令ｖａ＿ｏｒｄｅｒ、ｖｂ＿ｏｒｄｅｒとａｂ相検出電流ｉａ＿ｄｅｔ、ｉｂ＿ｄｅｔとからモータ１に発生する逆起電圧を推定する。位置推定部１０は、推定した逆起電圧からロータの磁極位置を推定する逆起電圧推定方式を行う。逆起電圧は式（３）から推定される。

式（３）において、Ｅａはａ相の逆起電圧、Ｅｂはｂ相の逆起電圧、Ｒはモータの抵抗、Ｌはモータの平均インダクタンス、ｐは微分演算子である。

位置推定部１０は、推定したａｂ相逆起電圧Ｅａ、Ｅｂから式（４）によりモータ１のロータの磁極位置を推定する。ａｂ相逆起電圧Ｅａ、Ｅｂは、モータ１の磁極位置に対して正弦、余弦の関係となる。そのために位置推定部１０は、式（４）を用いることでモータ１の磁極位置を推定した推定位置θ＿ｅｓｔを算出することができる。
θ＿ｅｓｔ＝ａｒｃｔａｎ（－Ｅａ／Ｅｂ） …（４）

位置推定部１０は、このようにモータ１のロータの磁極位置を推定する。そのためにモータ制御部１５７は、エンコーダ等の位置検出器を用いることなく、センサレスベクトル制御を行うことができる。

モータ制御部１５７の基本機能の説明の最後に、オープン制御からセンサレスベクトル制御への制御切替の際の電圧指令、電流指令の初期値を生成する切替初期値生成部１２について説明する。
切替初期値生成部１２は、初期化信号ｓｉｇ＿ｉｎｉｔが「１」となるタイミングで、ｄｑ軸電圧指令切替初期値ｖｄ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔ、ｖｑ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔを出力する。ｄｑ軸電圧指令切替初期値ｖｄ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔ、ｖｑ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔは、ａｂ相電圧指令ｖａ＿ｏｒｄｅｒ、ｖｂ＿ｏｒｄｅｒと推定位置θ＿ｅｓｔとから生成される。切替初期値生成部１２は、初期化信号ｓｉｇ＿ｉｎｉｔが「１」となるタイミングで、式（５）の演算結果をｄｑ軸電圧指令切替初期値ｖｄ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔ、ｖｑ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔとして出力する。

式（５）に示すように、ｄｑ軸電圧指令初期値ｖｄ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔ、ｖｑ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔは、センサレスベクトル制御への切替直前のオープン制御時のａｂ相電圧指令ｖａ＿ｏｒｄｅｒ、ｖｂ＿ｏｒｄｅｒを推定位置θ＿ｅｓｔでｄｑ変換した値である。

また、切替初期値生成部１２は、初期化信号ｓｉｇ＿ｉｎｉｔに基づいて、ｄｑ軸電流指令切替初期値ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔ、ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔを出力する。ｄｑ軸電流指令切替初期値ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔ、ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔは、ａｂ相検出電流ｉａ＿ｄｅｔ、ｉｂ＿ｄｅｔと推定位置θ＿ｅｓｔとから生成される。切替初期値生成部１２は、初期化信号ｓｉｇ＿ｉｎｉｔが「１」となるタイミングで、式（６）の演算結果をｄｑ軸電流切替初期値ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔ、ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔとして出力する。

式（６）に示すように、ｄｑ軸電流指令初期値ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔ、ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔは、センサレスベクトル制御への切替直前のオープン制御時のモータ１に流れるｄｑ軸検出電流である。

続いて、オープン制御からセンサレスベクトル制御への制御切替条件に基づいて切替信号ｓｉｇ＿ｓｗを生成する方法について説明する。切替信号ｓｉｇ＿ｓｗは、切替信号生成部１１によって生成される。図７は、切替信号生成部１１の構成図である。切替信号生成部１１は、オープン制御とセンサレスベクトル制御とのどちらでモータ１を制御するかを指示する切替信号ｓｉｇ＿ｓｗを生成する。また、切替信号生成部１１は、オープン制御からセンサレスベクトル制御に切り替わる際のａｂ相電圧指令の急変による速度変動を抑制するために、ｄｑ軸電圧指令、ｄｑ軸電流指令を初期化する上述の初期化信号ｓｉｇ＿ｉｎｉｔを生成する。そのために切替信号生成部１１は、速度演算部１１１、加速度演算部１１３、比較器１１２、１１４、１１５、論理積演算器１１６、１１７、第１エッジ検出部１１８、及び立ち下がりエッジ検出部１１９を備える。

速度演算部１１１は、入力される目標位置θ＿ｔｇｔを微分することで、モータ１の目標速度ｖｅｌ＿ｔｇｔを出力する。なお、速度演算部１１１は、目標位置θ＿ｔｇｔに代えて推定位置θ＿ｅｓｔから目標速度ｖｅｌ＿ｔｇｔを算出してもよい。比較器１１２は、目標速度ｖｅｌ＿ｔｇｔと事前に設定された速度閾値ｖｅｌ＿ｔｈｒｅｓとを比較する。比較器１１２は、比較結果として、目標速度ｖｅｌ＿ｔｇｔが速度閾値ｖｅｌ＿ｔｈｒｅｓより大きい場合に「１」を出力し、目標速度ｖｅｌ＿ｔｇｔが速度閾値ｖｅｌ＿ｔｈｒｅｓより小さい場合に「０」を出力する。速度閾値ｖｅｌ＿ｔｈｒｅｓは、センサレスベクトル制御が可能な最小回転速度である。比較器１１２による比較結果が「１」となることは、オープン制御からセンサレスベクトル制御への切替タイミングの２つの条件のうちの１つである目標速度＞速度閾値が満たされたことを示す。

加速度演算部１１３は、入力される推定位置θ＿ｅｓｔを二階微分した値の絶対値を、モータ１の推定加速度α＿ｅｓｔとして出力する。比較器１１４は、推定加速度α＿ｅｓｔと事前に設定された加速度閾値α＿ｔｈｒｅｓ１とを比較する。比較器１１４は、比較結果として、推定加速度α＿ｅｓｔが加速度閾値α＿ｔｈｒｅｓ１より大きい場合に「１」を出力し、推定加速度α＿ｅｓｔが加速度閾値より小さい場合に「０」を出力する。加速度閾値α＿ｔｈｒｅｓ１は、目標位置を二回微分した目標加速度に基づいて設定される。例えば、加速度閾値α＿ｔｈｒｅｓ１は、目標加速度の０．９５倍に設定される。

比較器１１５は、推定加速度α＿ｅｓｔと事前に設定された加速度閾値α＿ｔｈｒｅｓ２とを比較する。比較器１１５は、比較結果として、推定加速度α＿ｅｓｔが加速度閾値α＿ｔｈｒｅｓ２より小さい場合に「１」を出力し、推定加速度α＿ｅｓｔが加速度閾値より大きい場合に「０」を出力する。加速度閾値α＿ｔｈｒｅｓ２は、目標位置を二回微分した目標加速度に基づいて設定される。例えば、加速度閾値α＿ｔｈｒｅｓ２は、目標加速度の１．０５倍に設定される。

論理積演算器１１６は、比較器１１４と比較器１１５とのそれぞれの比較結果である比較信号の論理積を出力する。論理積演算器１１６は、比較信号がいずれも「１」の場合に「１」を出力し、それ以外は「０」を出力する。論理積演算器１１６の出力が「１」となることは、オープン制御からセンサレスベクトル制御への切替タイミングの２つの条件のうちの１つである推定加速度が、加速度閾値α＿ｔｈｒｅｓ１と加速度閾値α＿ｔｈｒｅｓ２との範囲内であることを満たしたことを示す。加速度閾値α＿ｔｈｒｅｓ１を目標加速度の０．９５倍、加速度閾値α＿ｔｈｒｅｓ２を目標加速度の１．０５倍とすると、推定加速度α＿ｅｓｔが目標加速度の±５％の範囲内で制御が切り替えられることになる。

論理積演算器１１７は、比較器１１２の比較結果（比較信号）と論理積演算器１１６の演算結果との論理積を出力する。論理積演算器１１７は、比較信号及び演算結果がともに「１」の場合に「１」を出力し、それ以外は「０」を出力する。論理積演算器１１７の出力が「１」となることは、オープン制御からセンサレスベクトル制御への切替タイミングの２つの条件がともに満たされていることを示す。そのため、論理積演算器１１７の出力が「１」となるタイミングは、制御切替が可能なタイミングとなる。

第１エッジ検出部１１８は、初期値が「１」の切替信号ｓｉｇ＿ｓｗを出力する。第１エッジ検出部１１８は、論理積演算器１１７の演算結果（出力信号）の最初の立ち上がりエッジ（０→１）を検出すると切替信号ｓｅｌ＿ｓｉｇを「０」に切り替える。第１エッジ検出部１１８は、比較器１１２の比較結果（比較信号）が「０」となると、切替信号ｓｅｌ＿ｓｉｇを「１」に初期化する。

このように切替信号ｓｉｇ＿ｓｗは、目標速度が速度閾値以下の場合に「１」となり、目標速度が速度閾値以上となった後に、推定加速度が所定の範囲内になったタイミング以降は「０」となる。切替信号ｓｉｇ＿ｓｗは、再び目標速度が速度閾値以下になると「１」となる。切替信号ｓｉｇ＿ｓｗが「１」の場合はオープン制御が行われ、切替信号ｓｉｇ＿ｓｗが「０」の場合はセンサレスベクトル制御が行われる。

立ち下がりエッジ検出部１１９は、切替信号ｓｉｇ＿ｓｗの立ち下がりエッジ（１→０）を検出すると、制御周期の１ステップ分だけ「１」となる初期化信号ｓｉｇ＿ｉｎｉｔを出力する。つまり立ち下がりエッジ検出部１１９は、オープン制御からセンサレスベクトル制御への制御切替が指示されたときに、「１」となる初期化信号ｓｉｇ＿ｉｎｉｔを出力する。初期化信号ｓｉｇ＿ｉｎｉｔは、上述したようにオープン制御からセンサレスベクトル制御に切り替える際の電流指令及び電圧指令の初期化のトリガ信号に用いられる。

図８は、モータ１の回転速度の時間変化の説明図である。図８では、切替信号生成部１１が生成する切替信号ｓｉｇ＿ｓｗによる効果が説明される。図８（ａ）は、本実施形態とは異なり、オープン制御からセンサレスベクトル制御への切替条件を目標速度＞速度閾値のみとしてモータ１を停止状態から目標速度まで立ち上げたときのモータ１の回転速度の時間変化を表す。図８（ｂ）は、本実施形態のモータ制御部１５７を用いてモータ１を停止状態から目標速度まで立ち上げたときのモータ１の回転速度の時間変化を表す。

図８（ａ）では、切替信号ｓｉｇ＿ｓｗが「１」から「０」に変化して、オープン制御からセンサレスベクトル制御に制御が切り替わった後に、モータ１の回転速度が大きく低下しており、大きな回転むらが発生しているのが分かる。その影響により、回転速度にオーバーシュートが発生し、整定時間が悪化している。図８（ｂ）では、オープン制御からセンサレスベクトル制御に制御が切り替わった後の速度変動が抑制され、回転速度のオーバーシュートの低減、整定時間の短縮がなされている。

図８（ａ）では、オープン制御からセンサレスベクトル制御への制御切替のタイミングでモータ１の加速度がマイナスになっているために、回転速度にオーバーシュートが発生し、整定時間が悪化している。モータ１の加速度がマイナスであるということは、モータ１の発生トルクがモータ１を加速するために必要なトルクより小さい状態であるということである。この状態で上述した制御切替前後のａｂ相電圧指令ｖａ＿ｏｒｄｅｒ、ｖｂ＿ｏｒｄｅｒを同じにする引継処理を行うと、制御切替直後にモータ１の発生トルクが足りずに、モータ１の回転速度が大きく低下して大きな回転むらが発生してしまう。この回転むらの発生を防止する方法として、オープン制御からセンサレスベクトル制御への制御切替タイミングをモータ１の加速度が「０」に近いタイミングとなるように速度閾値を変更する方法がある。しかし、この方法ではモータ軸にかかる負荷トルクが変化すると、モータ１の回転速度のプロファイルが変化するため、加速度が「０」のタイミングでの制御切替を保証することができない。

本実施形態のモータ制御部１５７を用いた場合（図８（ｂ）参照）、制御切替タイミングの決定に加速度情報が用いられる。モータ１の加速度が所定範囲内になったタイミングでオープン制御からセンサレスベクトル制御への制御切替が行われる。図８（ｂ）の場合、制御切替条件のモータ１の加速度の範囲を加速度閾値α＿ｔｈｒｅｓ１以上且つ加速度閾値α＿ｔｈｒｅｓ２以下としている。上述したように、加速度閾値α＿ｔｈｒｅｓ１及び加速度閾値α＿ｔｈｒｅｓ２は、目標加速度の０．９５倍と目標加速度の１．０５倍である。つまり、加速度が目標加速度に近いタイミングでオープン制御からセンサレスベクトル制御への制御切替が行われる。

加速度が目標加速度に近いタイミングで制御切替を行う理由について説明する。モータ１の加速中に必要なトルクは、モータ軸にかかる負荷トルクと加速トルクとの和である。オープン制御時のモータ１の加速度が目標加速度に近い状態とは、モータ１の発生トルクがモータ１を目標位置通りに加速するために必要なトルクと等しい状態である。この状態で、上述した制御切替前後のａｂ相電圧指令ｖａ＿ｏｒｄｅｒ、ｖｂ＿ｏｒｄｅｒを同じにする引継処理を行って制御切替を行うと、制御切替直後のベクトル制御の発生トルクがモータ１を目標位置通りに加速するために必要なトルクと等しくなる。よって、モータ１の回転速度が低下することなく回転むらの発生を抑制することができる。仮にモータ軸にかかる負荷が変化し、モータ１の回転速度のプロファイルが変化したとしても、算出した加速度情報に基づいて制御切替タイミングが加速度０となるように自動で調整される。

なお、切替信号生成部１１の加速度演算部１１３、比較器１１４、１１５、及び論理積演算器１１６による加速度に基づいた制御切替タイミングの判定は、上述した構成に限るものではない。制御切替後に回転速度が低下して脱調するという課題を解決するためであれば、推定加速度に関する条件を所定値以上とするという条件でも構わない。所定値を目標加速度以上とすれば、モータ１の発生トルクは加速に必要な値より大きくなっているため、制御切替直後に回転速度が低下することなく必ず増速する。よって、回転速度の低下により脱調するという課題を防ぐことができる。

以上のような構成のモータ制御部１５７によるモータ１の駆動制御処理を説明する。図９は、モータ１の駆動制御処理を表すフローチャートである。モータ制御部１５７は、システムコントローラ１５１の制御に基づいて、モータ１の駆動制御処理を行う。

モータ制御部１５７は、システムコントローラ１５１から取得する制御開始信号が「１」になると（Ｓ１０１：Y）、動作を開始する（Ｓ１０２）。動作を開始すると、モータ制御部１５７の目標位置生成部２は、目標位置θ＿ｔｇｔを出力する。これによりモータ１は回転を開始する。

モータ制御部１５７は、切替信号生成部１１が出力する切替信号ｓｉｇ＿ｓｗに基づいて、オープン制御とセンサレスベクトル制御とのどちらでモータ１の制御を行うか選択する（Ｓ１０３）。切替信号ｓｉｇ＿ｓｗが「１」の場合（Ｓ１０３：Y）、モータ制御部１５７は、オープン制御でモータ１を制御する（Ｓ１０４）。

切替信号ｓｉｇ＿ｓｗが「０」の場合（Ｓ１０３：N）、モータ制御部１５７は、初期化信号ｓｉｇ＿ｉｎｉｔが「１」であるか否かを判定する（Ｓ１０５）。初期化信号ｓｉｇ＿ｉｎｉｔが「１」の場合（Ｓ１０５：Y）、モータ制御部１５７は、指令値初期化処理を行う（Ｓ１０６）。指令値初期化処理により、ｄｑ軸電流指令はｄｑ軸電流指令初期値ｉｄ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔ、ｉｑ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔに初期化され、ｄｑ軸電圧指令はｄｑ軸電圧指令初期値ｖｄ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔ、ｖｑ＿ｒｅｆ＿ｉｎｉｔに初期化される。指令値初期化処理後、モータ制御部１５７は、センサレスベクトル制御でモータ１を制御する（Ｓ１０７）。なお、初期化信号ｓｉｇ＿ｉｎｉｔが「０」の場合（Ｓ１０５：N）、モータ制御部１５７は、指令値初期化処理を行うことなく、センサレスベクトル制御でモータ１を制御する（Ｓ１０７）。

モータ１をオープン制御あるいはセンサレスベクトル制御により駆動制御すると、モータ制御部１５７は、システムコントローラ１５１から取得する制御開始信号が「０」になるか否かを判定する（Ｓ１０１：Y）。制御開始信号が「０」ではない場合（Ｓ１０８：N）、モータ制御部１５７は、Ｓ１０３以降の処理を繰り返し行う。これによりモータ１の駆動制御が継続して行われる。制御開始信号が「０」である場合（Ｓ１０８：Y）、モータ制御部１５７は、動作を停止する（Ｓ１０９）。これによりモータ１の駆動制御が停止する。

以上のように本実施形態のモータ制御部１５７は、オープン制御からセンサレスベクトル制御への制御切替タイミングを決定するために、モータ１の回転速度情報とモータ１の加速度情報とを用いる。これにより制御切替時のモータ１の速度変動を抑制することができる。その結果、制御切替後のモータ１の脱調防止、回転速度のオーバーシュートの低減、整定時間の短縮が実現される。

（変形例）
モータ制御部１５７の変形例について説明する。変形例においてもモータ制御部は、モータ１として、ステップ角が１．８度のステッピングモータを駆動制御する例について説明する。図１０は、モータ制御部の変形例の構成説明図である。図３のモータ制御部１５７と比較して、図１０のモータ制御部１５７１は、切替信号生成部２１の構成が異なり、他の部分は同じである。ここでは、切替信号生成部２１の説明を行い、他の部分の説明は省略する。

切替信号生成部２１は、目標位置θ＿ｔｇｔとシステムコントローラ１５１から入力されるトルク情報ｔｏｒｑ＿ｉｎｆｏとに基づいて、切替信号ｓｉｇ＿ｓｗ及び初期化信号ｓｉｇ＿ｉｎｉｔを出力する。図１１は、切替信号生成部２１の構成図である。図７の切替信号生成部１１と同じ構成要素については同じ符号を付してある。切替信号生成部２１は、速度演算部１１１、立ち下がりエッジ検出部１１９、速度閾値決定部１２０、及び比較器１２１を備える。

速度閾値決定部１２０は、トルク情報ｔｏｒｑ＿ｉｎｆｏに応じて事前に設定された速度閾値を出力する。速度閾値決定部１２０は、例えばトルク情報ｔｏｒｑ＿ｉｎｆｏと速度閾値との関係が示されるテーブルを有する。速度閾値決定部１２０は、このテーブルを参照して速度閾値を出力する。

比較器１２１は、速度演算部１１１から出力される目標速度と、速度閾値決定部１２０から出力される速度閾値とを比較する。比較器１２１は、目標速度が速度閾値未満の場合に「１」を出力し、目標速度が速度閾値以上の場合に「０」を出力する。この出力信号が切替信号ｓｉｇ＿ｓｗとなる。

モータ軸にかかる負荷が変化すると、モータ１の回転速度のプロファイルが変化するため、加速度が「０」となるタイミングが変化する。モータ軸にかかる負荷トルク情報に応じて加速度が「０」となるタイミングの目標速度を事前に測定し、その測定結果から速度閾値決定部１２０のテーブルを作成することで、加速度０における制御切替が実現される。その結果、オープン制御からベクトル制御への制御切替直後のモータ１の発生トルクが、モータ軸にかかる負荷トルクと等しくなるため、速度変動が抑制される。

なお、切替信号ｓｉｇ＿ｓｗの生成に用いる信号は負荷情報に限らず、例えば紙種情報等でもよい。紙搬送用のモータに本実施形態のモータ制御部１５７１を適用した場合、紙種に応じてモータ軸にかかる負荷トルクの値が変わる。そのため、紙種情報から速度閾値を決定することも可能である。

以上のように、変形例のモータ制御部１５７１では、オープン制御からベクトル制御への制御切替タイミングを決定するために、モータ１の回転速度情報と負荷情報とを用いることで、制御切替時の速度変動を抑制することができる。その結果、制御切替後のモータ１の脱調防止、回転速度のオーバーシュートの低減、整定時間の短縮を実現がされる。

Claims (6)

1. モータの巻線に流れる駆動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駆動電流に基づいて、前記モータの回転子の回転位置を決定する位置決定手段と、
   前記位置決定手段によって決定された前記回転位置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に基づいて前記巻線に流れる駆動電流を制御する第１制御モードと、予め決められた大きさの電流に基づいて前記巻線に流れる駆動電流を制御する第２制御モードと、を備える制御手段と、
   前記検出手段によって検出された駆動電流に基づいて、前記回転子の加速度を決定する加速度決定手段と、を有し、
   前記制御手段は、前記第１制御モードにおいて、前記回転子の目標位置を表す指令位置と前記位置決定手段によって決定された回転位置との偏差が小さくなるように設定された前記トルク電流成分の目標値と、前記検出手段によって検出された駆動電流の前記トルク電流成分の値と、の偏差が小さくなるように前記巻線に流れる駆動電流を制御し、
   前記制御手段は、前記第２制御モードの実行中に、前記回転子の回転速度に対応する値が第１所定値よりも大きいこと及び前記加速度決定手段によって決定された加速度に対応する値が第２所定値を含む所定の範囲内の値であることの両方を満たす場合は、前記巻線に流れる駆動電流を制御する制御モードを前記第２制御モードから前記第１制御モードに切り替え、
   前記制御手段は、前記第２制御モードの実行中に、前記回転子の回転速度に対応する値が前記第１所定値よりも大きいこと及び前記加速度決定手段によって決定された加速度に対応する値が前記第２所定値を含む前記所定の範囲内の値であることの両方を満たさない場合は、前記巻線に流れる駆動電流を制御する制御モードを切り替えないことを特徴とする、
   モータ制御装置。
2. 前記第２所定値は、前記回転子の目標位置に基づいて算出された値であ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に対応することを特徴とする、
   請求項１又は２に記載のモータ制御装置。
4. 前記モータ制御装置は、前記検出手段によって検出された駆動電流に基づいて前記回転子の回転速度を決定する速度決定手段を有し、
   前記加速度決定手段は、前記速度決定手段によって決定された回転速度に基づいて前記加速度を決定することを特徴とする、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
5. 前記位置決定手段は、前記検出手段によって検出された駆動電流に基づいて、前記巻線に誘起される誘起電圧の大きさを決定する電圧決定手段を備え、
   前記位置決定手段は、前記電圧決定手段によって決定された前記誘起電圧に基づいて前記回転位置を決定することを特徴とする、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載のモータ制御装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項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、
   前記モータによって駆動される負荷と、
   前記負荷の駆動により記録媒体に画像を形成する画像形成部と、を有することを特徴とする、
   画像形成装置。

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