JPWO2018056306A1 - モータ制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】A/D変換器を複数のモータにおいて共有する場合であっても相互のADコンバート精度の劣化を抑制することができるモータ制御装置を提供する。【解決手段】画像形成装置301が有するモータ制御装置は、2つ以上の相巻線401a〜dを有する複数のモータ167a〜e、各モータの駆動を制御するPWM機能部506a〜e、モータ駆動制御部157a〜c、モータの相巻線のうち、少なくとも2相の巻線に流れる電流をそれぞれ検出し、当該モータの複数の相の電流検出を時分割で行う共有のA/D変換器153a、bを有する。また、モータそれぞれの各巻線に所望の駆動電圧を印可するための、PWM信号171a〜175bそれぞれを発生する遷移タイミングと、電流検出の検出タイミングを調整するCPU151aを有する。【選択図】図2

Description

本発明は、複数のモータのPWM信号を生成するともに、複数のモータの駆動電流をデジタル値に変換するモータ制御装置に関する。
複写機・プリンタ等の電子写真方式の画像形成装置では、複写画像を記録するための記録材(例えば、用紙)を搬送する駆動源としてステッピングモータが用いられている。
ステッピングモータは、速度や位置を検出する手段がなくてもモータに与えるパルス周期を制御することで容易に速度制御が可能である。ステッピングモータは、また、パルス数を制御することで容易に位置制御も行える、などの利点がある。
ステッピングモータは一方、モータが出力可能なトルク範囲をオーバーした場合、入力パルスと同期せずに制御不能の脱調状態に陥ることがある。そのため、取扱いには十分に注意を払う必要がある。
例えば、脱調を回避するためには、装置で必要となる負荷トルクに対して、各種バラツキによる負荷側のトルク変化に対応可能なモータ出力トルクが採れるように、所定マージンを設けることが必要になる。その結果、必要以上に電力を消費してしまい、加えて余剰トルク分が振動・騒音を引き起こしてしまう、という問題がある。
この問題を解決するひとつの方法として、ベクトル制御(あるいはFOC:Field Oriented Control)と呼ばれる方法が提案されている(例えば、特許文献1、2)。
特開2003−284389号公報 特開平6−225595号公報
上述したベクトル制御は、回転子の磁束方向成分をd軸、これに直交する方向をq軸と定義した回転座標系において、最大のトルクを発生するように電流の位相と振幅を制御する方法である。なお、回転座標系においては、トルクを生成する電流成分がq軸電流、磁束を生成する電流成分がd軸電流となる。
また、ステッピングモータのように回転子に永久磁石を用いるものは、界磁が永久磁石で作られるためd軸電流は必要なくなり、q軸電流の制御のみでモータのトルク制御が可能となる。結果として、静止座標系におけるモータの駆動電流は、理想的な正弦波電流波形となり、最も電力効率の良い制御が可能となるだけでなく、トルク余りによる振動・騒音が抑制される。
また、ベクトル制御で必要となる、ロータの回転速度及び位置を検出する方法としては、ロータリーエンコーダを用いた方法が一般的である。ところが、従来のステッピングモータ制御では不要であるロータリーエンコーダを新たに追加することで、コストアップ、配置スペースの拡大が必要になる。
これらの問題の解決には、例えばモータの駆動電流を検出し、電圧方程式に基づいて推定されたA相とB相における誘起電圧比の逆正接をとることでロータ位置を推定する方法がある。なお、ロータ回転速度は、推定した位置結果を時間微分することにより求めることができる。
ここで、ステッピングモータの駆動ドライバにFET(Field Effect Transistor)のフルブリッジ回路を用いて、当該FETをPWM(Pulse Width Modulation)信号により励磁制御することによりモータに駆動電流を流すものとする。このような場合、駆動電流を検出する方法としては、ブリッジ回路のグラウンド側にシャント抵抗を配置し、抵抗に掛かる電圧をオペアンプで増幅してA/D変換器を用いて検出する構成が一般的である。
しかしながら従来の方式では、A/D変換器は電流電圧の1[%]以上の高分解能な高精度のアナログ回路を2つ実装することが必要になる。これらは、24[V]電源電力のFETの構成を、PWM駆動するフルブリッジのモータドライバとのアナログ分離をする構成にする必要がある。
例えば、隣接する2つのモータの駆動状態とDC電源リップルや電磁波などの周期的なインパルスノイズによって、相互のAD変換精度(ADコンバート精度)を劣化させる場合がある。また、A/D変換器はモータ数とその2相の全てに必要になるため、A/D変換器の追加は、装置全体では大きなコストアップになる、という課題が残る。
本発明は、A/D変換器を複数のモータにおいて共有する場合であっても相互のADコンバート精度の劣化を抑制することができるようにすることを目的とする。
本発明のモータ制御装置は、複数のモータを制御するモータ制御装置であって、前記複数のモータに対応させて複数のPWM信号を生成する生成手段と、前記生成された複数のPWM信号に基づき、前記複数のモータに対応する複数の駆動電流を出力するモータ駆動制御部と、前記複数の駆動電流をデジタル値に変換するA/D変換手段と、前記複数のPWM信号の複数のPWM周期は同一であり、前記複数のPWM信号は、前記PWM周期毎にPWM信号のハイ領域の幅と該PWM信号のロー領域の幅とにおける短い方の幅が、該PWM周期における所定位相範囲に存在し、前記A/D変換器は、前記PWM周期における前記所定位相範囲外において、前記複数のモータに対応する複数の駆動電流を異なるタイミングでデジタル値に変換することを特徴とする。
本発明によれば、A/D変換器を複数のモータにおいて共有する場合であっても相互のADコンバート精度の劣化を抑制することができる。
本実施形態に係る画像形成システムの構成の一例を示す図。 画像形成装置が有するシステムコントローラの機能構成の一例を説明するためのブロック図。 システムコントローラが有する割込コントローラIRQCの機能構成を説明するための図。 ステッピングモータの構成の一例を示す模式図。 モータの位置指令パルスとタイマの割込タイミングの一例を説明するための図。 ステッピングモータの回転速度制御の一例を説明するための図。 ステッピングモータのA相のPWM信号の出力の一例を示すタイミングチャート。 各タイマの割込によるA/D変換器の検知タイミングの一例を示すタイミングチャート。 割込コントローラIRQCのタイマ割込制御の一例を示すフローチャート。 図8中に示すステップS830の処理手順の一例を示すフローチャート。 図9に示すステップS560(ベクトル演算モード)におけるPWMデータ演算処理の一例を示すフローチャート。 図9に示すステップS570(オープン演算モード)におけるPWMデータ演算処理の一例を示すフローチャート。 PWM機能部のフルブリッジ回路の一例を説明するための図。 PWM機能部のフルブリッジ回路の一例を説明するための図。 PWM機能部のフルブリッジ回路の一例を説明するための図。 位相に基づく4回のPWM信号と3回のADコンバートについて、PWM幅を段階的に並列記載した場合のPWM発生区間、ADコンバートタイミングの関係例を示すグラフ。 従来例の2つのモータに対するPWM信号のPWM幅を並列記載した場合の、PWM発生区間、ADコンバートタイミングの関係例を示すグラフ。 システムコントローラによるタイミング制御により5つのモータ制御した場合のPWM発生区間、ADコンバートタイミングの関係例を示すグラフ。
以下、本発明を適用したモータ制御装置を有する画像形成装置を例に挙げて説明する。
[実施形態例]
図1は、本実施形態に係る画像形成システムの構成の一例を示す図である。
図1に示す画像形成システム10は、原稿自動送り装置(ADF:Auto Document Feeder)201、読取装置202、画像形成装置301を含んで構成される。
原稿自動送り装置201の原稿載置部203に置かれた原稿は、給紙ローラ204によって1枚ずつ給紙され、搬送ガイド206を経由して読取装置202の原稿ガラス台214に搬送される。更に、原稿は、搬送ベルト208によって一定速度で搬送され、排紙ローラ205によって機外に排紙される。
この間、読取装置202の読取位置で、照明系209で照明された原稿画像の反射光は、反射ミラー210、211、212からなる光学系によって画像読取部101で画像信号に変換される。画像読取部101は、レンズ、光電変換素子であるCCD(Charge Coupled Device)、CCDの駆動回路等からなる。
画像形成装置301は、原稿の読み取りモードとして、例えば流し読みモードと固定モードを有する。流し読みモードでは、照明系209及び光学系を停止した状態で原稿を一定速度で搬送しつつ原稿画像を読み取る。
また、固定モードでは、読取装置202の原稿ガラス台214上に原稿を載置して照明系209及び光学系を一定速度で移動させながら、原稿ガラス台214上に載置された原稿を読み取る。なお、通常はシート状の原稿は流し読みモードで読み取りを行い、綴じられた原稿は固定モードで読み取りを行う。
画像読取部101で変換された画像信号(読取データ)は、ページ単位で画像形成装置301により記録材(例えば、用紙)上に形成される。
画像信号は、半導体レーザー(図示せず)等によってレーザ光の信号に変調される。変調されたレーザ光の信号は、ポリゴンミラーによる光走査装置311、ミラー312,313を経由して、帯電器310によって表面を一様に帯電された感光ドラム309上に露光され、静電潜像を形成する。
静電潜像は、現像器314のトナーによって現像され、転写分離器315によってトナー像が記録材に転写される。
記録材は、紙カセット302及び304に収納されている。本実施形態においては、紙カセット302には標準の記録材が、紙カセット304にはタブ紙が収納されている。
紙カセット302の記録材は、給紙ローラ303、搬送ローラ306によって搬送され、レジストローラ308によって形成画像との時刻を調整して、感光ドラム309の転写位置に搬送される。
一方、紙カセット304の記録材は、給紙ローラ305、搬送ローラ306、307によって搬送され、レジストローラ308によって形成画像との時刻を調整して、感光ドラム309の転写位置に搬送される。トナー像が転写された記録材は、搬送ベルト317で定着器318に搬送され、記録材上のトナーが定着される。
例えば、画像形成装置301のモードが片面印刷モードである場合、定着器318からの記録材は、定着排紙ローラ319及び排紙ローラ324によって機外に排紙される。また、両面印刷モードである場合、記録材は、定着排紙ローラ319から搬送ローラ320を経由して反転ローラ321によって反転パス325へ搬送される。
更に、記録材の後端が両面パス326との合流ポイントを通過した直後に反転ローラ321の回転を反転することで、記録材は反転し両面パス326へと搬送される。
両面パスに搬送された記録材は、搬送ローラ322、323によって搬送され、再び搬送ローラ306を経由してレジストローラ308で裏面画像との時刻調整された後、転写、定着され機外に排紙される。
また、定着器318からの記録材を表裏反転して機外に排紙する場合には、記録材をいったん搬送ローラ320へ搬送し、記録材の後端が搬送ローラ320を通過する直前に搬送ローラ320の回転を反転して、排紙ローラ324によって機外に排紙される。
画像形成装置301内に設けられた搬送ローラ306、307、定着排紙ローラ319、反転ローラ321、搬送ローラ322、323、排紙ローラ324などは、後述する図2に示すシステムコントローラ151により駆動制御される。
図2は、画像形成装置301が有するシステムコントローラ151の機能構成の一例を説明するためのブロック図である。
また、図3は、システムコントローラ151が有する割込コントローラIRQC180の機能構成を説明するための図である。なお、割込コントローラIRQC180は、タイマ181〜185(図中に示すtimer181〜185)、タイマ196(図中に示すtimergcnt196)、タイマ197(図中に示すtimer scnt197)を含んで構成される。
また、図4は、ステッピングモータ167aの構成の一例を示す模式図である。例えば、ステッピングモータ167aは、図4に示すように、A相(巻線401a、401c)、B相(巻線401b、401d)の2つの相巻線を有する2相ステッピングモータである。
図2に示すシステムコントローラ151は、CPU(Central Processing Unit)151a、ROM(Read Only Memory)151b、RAM(Random Access Memory)151c、操作部152、A/D変換器153a、bを有する。A/D変換器153a、bは、アナログデジタル変換式の電流検出器の一例である。
システムコントローラ151は、また、DC負荷制御部158a、ACドライバ160、GPIO(General Purpose Input Output)170、割込コントローラIRQC180、PWM(Pulse Width Modulation)機能部(図中PWM506a〜506e)を有する。
なお、システムコントローラ151は、画像形成装置301が有する各機能部と情報の授受が可能に構成される。例えば、システムコントローラ151は、バス151dを介して画像処理部102と接続される。
システムコントローラ151は、DC負荷制御部158aを介して、画像形成装置301が有する各負荷の駆動を制御する。システムコントローラ151は、また、センサ類159aからの出力を受け付け、受け付けた情報を解析する。また、システムコントローラ151は操作部152を介して、ユーザインターフェースとのデータの交換などを制御する。このように、システムコントローラ151は、画像形成装置301の各種動作を統括的に制御する。
CPU151aは、ROM151bに格納されたプログラムを読み出して実行することにより、予め決められた画像形成シーケンスに係わる様々なシーケンスを実行する。CPU151aは、バス151dを介して、システムコントローラ151内の各モジュールと通信可能に構成される。
RAM151cは、各種データを一次的又は恒久的に格納する。RAM151cには、例えば高圧制御部155に対する高圧設定値、各種データ、操作部152を介して受け付けた画像形成指令情報などが格納される。
システムコントローラ151は、また、画像処理部102に対して画像処理に必要な各種データを送信する。さらに、システムコントローラ151は、GPIO170を介して、例えば原稿画像の濃度信号(センサ類159aからの信号)を受信する。
システムコントローラ151は、受信した信号に基づいて、最適な画像形成を行うために高圧制御部155の設定値を変更したり、高圧ユニット156(帯電器310、現像器314、転写分離器315を制御するユニット)の出力電圧を制御したりする。
システムコントローラ151は、画像処理部102の設定変更を行う。また、A/D変換器153bによってデジタル信号に変換されたサーミスタ154の検出信号をシステムコントローラ151に取り込み、この信号に基づいてACドライバ160を制御する。
このようにしてシステムコントローラ151は、定着ヒータ161が所望の温度となるように制御する。
システムコントローラ151は、操作部152を介して、ユーザにより設定された複写倍率、濃度設定値などの画像形成に係る各種情報を取得する。
また、システムコントローラ151は、操作部152を介して、画像形成装置301の状態、例えば画像形成枚数や画像形成中か否かに係る情報、ジャミングの発生やその発生箇所などの各種情報をユーザに提供する。
また、システムコントローラ151と操作部152の間では、タブ紙に対する各種設定、タブ紙に対する警告表示を行うための各種情報の授受が行われる。
このように画像形成装置301における動作シーケンスは、システムコントローラ151のCPU151aにより実行される。また、画像形成の際には、記録媒体を搬送するための各搬送ローラなどを駆動するための駆動源(例えば、ステッピングモータ167a〜167e)の動作も制御する。
例えば、システムコントローラ151は、ステッピングモータ167a〜167eに対応する各モータ駆動制御部157a〜157cに対して、PWM信号171a〜175bを所定の時間周期で出力する。これにより、各駆動源における回転位置、回転速度などの制御を行う。
なお、図2ではステッピングモータ167aに対応したモータ駆動制御部157a、ステッピングモータ167b、cに対応したモータ駆動制御部157b、ステッピングモータ167d、eに対応したモータ駆動制御部157cを一例として示している。
このように、システムコントローラ151、モータ駆動制御部157a〜157c、ステッピングモータ167a〜167eは、画像形成装置301におけるモータ制御装置として機能する。
A/D変換器153a、153bは、それぞれ8チャンネルのアナログセレクタと1つのA/D変換器を内蔵する8chA/D変換モジュールであり、0番から7番の端子を時分割で順にADコンバートして巡回するように機能する。
なお、A/D変換器153a、153bの2モジュールを合わせると16chになるが、A/Dコンバート機能のための専用付属回路は2ch分のみが内蔵される。そのため、1chのADコンバート機能を16ch並列した場合と比較して、8分の1程度の回路規模で済んでいる。
モータ相電流検知信号168aは、ステッピングモータ167a〜167eのA相の電流検知信号であり、A/D変換器153aの0番〜4番の端子に接続される。
モータ相電流検知信号168bは、ステッピングモータ167a〜167eのB相の電流検知信号であり、A/D変換器153bの0番〜4番の端子に接続される。
なお、モータ相電流検知信号168aと168bは、バスのように略記しているが5モータ2相ずつの10本の個別の信号である。
A/D変換器153aの6番は、装置内の温度を測定するサーミスタ154の検知信号が接続される端子である。
A/D変換器153bの5番と6番は、高圧制御部155の電流検知信号が接続される端子である。このように、A/D変換器153aの6番端子、A/D変換器153bの5番と6番端子は、モータ制御とは直接関連しない用途で用いられる。
A/D変換器153aおよび153bの各7番は、利用されないため入力が接地処理されている。
システムコントローラ151(CPU151a)は、図3に示す割込コントローラIRQC180が有する複数のカウンタータイマ機能、各タイマ割込指示180aの組み合わせにより5つのモータの駆動制御を行う。
[位置指令パルス]
割込コントローラIRQC180が有するタイマ181〜185は、5つの各モータの加速、減速、及び、回転の停止を制御するための位置指令パルス(θ_ref)発生用のタイマである。
以下、タイマ181の割込タイミングについて図5A及び図5Bを用いて説明する。
図5Aは、モータの位置指令パルス(θ_ref)とタイマ181の割込タイミング、図5Bは、ステッピングモータ167aの回転速度制御(b)の一例を説明するための図である。図5Aのタイミングチャートは、縦軸を位置指令パルスとし、横軸を時間としている。また、図5Bのグラフは、縦軸を位置指令パルス周波数値とし、横軸を時間としている。
図5Aに示すように、第1ステッピングモータ(例えば、ステッピングモータ167a)用のタイマ181は、ステップパルスの8倍高速な位置指令パルスθ_refを周期的に発生する。8倍とは、2相ステッピングモータの8マイクロステップ制御における8パルスに相当する。なお、位置指令パルス情報θ_refは、以降の割込制御におけるタイミング差を表す情報に相当する。
図5Bに示すグラフは、ステッピングモータ167aの駆動開始から駆動停止までにおける位置指令パルス周波数値を示している。なお、ステッピングモータ167aが駆動停止中にはタイマ181は停止している。
ステッピングモータ167aの駆動開始時では、自起動パルス幅での周期発生を開始し、タイマ181の周期を段階的に短くしてモータを加速し、所望の目標一定速度V1になると、この間タイマ181の周期は一定となる。ステッピングモータ167aを止めるステップでは、一定速度V1から、タイマ181の周期を段階的に長くして減速し、タイマ181を停止する。
[PWMパルス]
図6は、ステッピングモータ167aのA相のPWM信号171aの出力値の一例を示すタイミングチャートである。図6のタイミングチャートは、縦軸を電圧とし、横軸を時間としている。
タイマ196は、図6に示すように、複数のステッピングモータに対する同一かつ共通のPWM周期タイミング(タイミングS520)を発生する。また、タイマ196は、PWM周期タイミング(タイミングS520)を256[μsec]周期で発生する。
このようにタイマ196は、A相とB相共通の励磁PWM調整用の共通PWM周期gcnt発生用として用いられる。
システムコントローラ151が有するPWM機能部は、クロックカウンタロジックで各モータの励磁PWM調整用のPWMパルス幅発生用の機能部である。
例えば、ステッピングモータ167aの駆動制御のためのA相PWM信号171a、B相PWM信号171bを生成する。同様にして、他のステッピングモータに対しても、それぞれに対応するPWM機能部によりモータのA相、B相に対するPWM信号がPWM信号172a〜175aと172b〜175bとして生成される。
例えば、PWM信号171aは、図6に示すように、共通タイミング(S520)より4分の3周期(3/4周期)192[μsec]後を中心とした前後の時間(va/2)内にPWMエッジ(信号幅の外端)が発生するように生成される。
なお、PWM信号のHi幅は256[μsec]以下であり、電気角と電流検知結果、及び、駆動アルゴリズムの計算結果に基づいて変調される。
[ADコンバート周期]
図7は、タイマ196(gcnt196)とタイマ197(scnt197)の割込によるA/D変換器153a、153bの検知タイミングの一例を示すタイミングチャートである。なお、図中タイマ196(gcnt196)における数値は、直前にA/D変換器153a、153bの2データを読み取る入力端子番号に対応している。
図6に示すように、PWM信号171は、共通タイミング(S520)より4分の3周期192[μsec]後を中心に前後の時間(va/2)にPWMエッジ(信号幅の外端)が発生するように生成される。つまり、共通タイミング(S520)から2分の1周期までの間は、PWMのエッジが発生しない。そこで、共通タイミング(S520)から2分の1周期までの間に、A/D変換器153aおよびbの8入力のそれぞれについてAD変換できるように、タイマ196(gcnt196)を用いてAD変換タイミングを設定する。
つまりA/D変換器は、PWM周期における所定位相範囲外において、複数のモータに対応する複数の駆動電流を異なるタイミングでデジタル値に変換することができる。
図8は、割込コントローラIRQC180のタイマ割込制御の一例を示すフローチャートである。
図8は、割込コントローラIRQC180におけるタイマ196およびタイマ197の割込タスク内の処理手順例であり、割込コントローラIRQC180内の各タイマの制御は、CPU151aの指示に基づいて行われる。
なお、制御対象のモータをステッピングモータ167aとする場合を例に挙げて説明する。
タイマ196の割込タスクが開始されると、CPU151aは、タイマ196を動かし始める(S810)。このタイマ196を動かし始めるタイミングが図6のPWM周期タイミングS520に対応する。さらに、CPU151aは、タイマ197を動かし始める(S820)。本実施形態では、CPU151aは、タイマ196の1動作の間に、タイマ197を8回連続して動作させる(図7に示す0〜7に対応する)。
次に、CPU151aは、AD変換の繰り返し回数に対応するモータに対応する電流値のAD変換を行わせ、ADコンバート値を取得する。さらに、タイマの繰り返し回数に対応するモータのPWMデータを演算する(S830)。
CPU151aは、タイマ197の開始(S820)およびPWMデータの演算(S830)を連続して8回繰り返す(S840)。
CPU151aは、タイマ196が所定値までカウントすると、再度、図8に示すタイマ196の割込タスクの処理を開始する。つまり、図6および図7に示すように、タイミングS520を起点にした処理が繰り返される。
本実施形態では、タイマ196は256[μsec]周期でPWM周期タイミングを発生し、タイマ197は16[μsec]周期でADコンバートタイミング(図7:タイミングS523〜S527)を発生させる。
そして、PWM機能部は、図6に示すように、PWM周期タイミングS520に同期して、PWM周期(256[μsec])のPWM信号を生成する。
このように、CPU151aは、割込コントローラIRQC180内の7つのカウンタータイマ機能、及び、各タイマ割込指示180aの組み合わせにより、システムコントローラ151が有するPWM機能部を介してA/D変換器を共用可能に制御する。
このようにしてCPU151aは、A相とB相の2つのPWMによるステッピングモータ167aを含む5つのモータの駆動制御を行う。
以下、ADコンバート値に基づいてPWM信号のパルス幅を決定する逐次演算について説明する。
図9は、図8中に示すステップS830の処理、つまりADコンバート値の取得およびPWMデータの演算処理の一例を示すフローチャートである。なお、制御対象のモータをステッピングモータ167aとする場合を例に挙げて説明する。また、図7に示す各処理は、CPU151aにより制御される。
CPU151aは、AD変換の繰り返し回数に対応するモータに対応する電流値のAD変換を行わせ、ADコンバート値を取得する(S510)。なお、取得したADコンバート値は、例えばRAM151cに格納される。
CPU151aは、位置指令パルス(θ_ref)から現在の電流検知割込までの時間値である位置指令パルス(θ_ref)カウント値を取得する(S553)。なお、取得した位置指令パルス(θ_ref)カウント値は、例えばRAM151cに格納される。
CPU151aは、取得した位置指令パルス(θ_ref)カウント値と、前回割込時の位置指令パルス(θ_ref)カウント値との差分(電気角θの時間変化)に基づいて、現在の位置指令パルスの周期情報である指令速度値ωを導出する(S514)。
CPU151aは、導出した指令速度ωが閾値速度ωthよりも大きいか否かを判別する(S515)。このように、ステップS515の処理において安定速度を超過しているか否かが判別される。
CPU151aは、指令速度ωが一定速度値(ωth)よりも大きい場合(S515:Yes)、ベクトル演算モードに移行する(S560)。また、そうでない場合(S515:No)、オープン演算モードに移行する(S570)。
このようにして、安定速度を超過しているか否かに応じて、ステッピングモータ167aを制御するためのモータ制御方式が特定される。
[ベクトルモード演算]
ここで、ベクトルモード演算について説明する。本方式は、基本的な構成はブラシレスDCモータ、ACサーボモータ等で利用されている座標変換を用いたインバータ制御である。
具体的には、ステッピングモータ167aのA相、B相に流れる通常の電流ベクトルを表す静止座標系が、図4に示すような、回転子の磁極方向をd軸、さらに90度進んだ方向をq軸と定義される回転座標系に変換される。なお、このインバータ制御は大きく分けて、位置PID制御と電流PID制御の二つの制御演算ループとして構成される。
比例、積分補償ステップから構成される位置PID制御では、検出したステッピングモータ167aの出力軸の電気角θと、位置指令パルス(θ_ref)カウント値とに基づいて、これらの偏差が小さくなるように電流指令値iq_ref、id_refを導出する。
なお、ベクトル制御では、位置PID制御を行うためにステッピングモータ167aの位置情報を位置制御にフィードバックする必要がある。
通常、これらの情報を検出するために、ステッピングモータにロータリーエンコーダを取り付けて、ロータリーエンコーの出力パルス数に基づいて位置情報を取得する。そして、取得した位置情報における出力パルス周期に基づいて速度情報を取得する。
ところが、本来ステッピングモータの駆動に不要であるロータリーエンコーダを付加することにより、機器製造コストの上昇、配置スペースが必要になるなど問題が生じる。そこで、エンコーダを用いずにステッピングモータ167aの位置、及び速度情報を推定するセンサレス制御が提案されている。
ただし、上記説明したセンサレス制御の誘起電圧成分検知によるベクトル制御では、一定速度(ωth)以上の回転が必要とされる。
そのため、ステッピングモータの起動や停止時の速度が極めて遅い限られた制御状態においては、前述したオープン演算モード(オープン制御:各相の電流検知にもとづいて、各相の励磁PWM周期を決定する)に切り替えるように構成する。このようにして、ステッピングモータを駆動制御するように構成しても良い。
図10は、図9に示すステップS560(ベクトル演算モード)におけるPWMデータ演算処理の一例を示すフローチャートである。
CPU151aは、誘起電圧演算を行う(S512a)。
具体的には、CPU151aは、交流電流iα、iβ、及び、ステッピングモータ167aの駆動電圧vα、vβを導出する。交流電流iαはA/D変換器153aから取得したADコンバート値に対応し、交流電流iβはA/D変換器153bから取得したADコンバート値に対応する。
そして、CPU151aは、入力された電流値と出力する電圧値に基づいて、モータ等価回路における以下の電圧方程式に基づいてステッピングモータ167aの誘起電圧Eα、Eβを推定する。なお、誘起電圧Eα、Eβは、下記式(1)、(2)を用いて導出することができる。
Eα=Vα−R*iα−L*diα/dt・・・(1)
Eβ=Vβ−R*iβ−L*diβ/dt・・・(2)
なお、R:巻線レジスタンス、L:巻線リアクタンスであり、RとLの値は予めROM151bに記憶されているものとする。
CPU151aは、位置演算を行いステッピングモータ167aの電気角θを導出する(S513)。なお、電気角θは、下記式(3)を用いて導出することができる。
θ=ATAN(−Eβ/Eα)・・・(3)
なお、導出した電気角θは上述した位置PID制御(S502)にフィードバックされる。また、導出した電気角θは、座標変換処理(S505)においても使用されることになる。
[電流制御]
モータの各相に流れる電流値は、電流検知信号168a、168bとしてA/D変換器153a、153bにより検知され、電流検知の処理(図9:ステップS510)においてCPU516aが取得した状態になる。
CPU151aは、位置PID制御を行う(S502)。具体的には、CPU151aは、位置指令パルス(θ_ref)に基づいて電流指令値iq_ref、id_refを導出する。電流指令値iq_ref、id_refは、αβ軸からdq軸へと変換演算された後の電流指令値である。
CPU151aは、座標変換処理を行う(S503)。具体的には、CPU151aは、静止座標系でステッピングモータ167aに流れる電流をiα=I*cosθ、iβ=I*sinθとし、θを静止座標系のα軸と回転子磁束のなす相対角(電気角)とする。この場合、回転座標系における電流値は、id=cosθ*iα+sinθ*iβ、iq=−sinθ*iα+cosθ*iβと表わすことができる。
この変換によって、A相B相に流れる交流電流iα、iβや電流指令値iq_ref、id_refは、直流電流で表現することができる。ここで、d軸電流は磁束量を制御可能な成分であり、トルクには寄与しない。他方、q軸電流はステッピングモータ167aの発生トルクを支配する成分である。
このように座標変換処理(S503)によりd−q変換が行われ、q軸電流iq、及びd軸電流idが得られる。得られたq軸電流・d軸電流と、上述した位置PID制御(S502)から出力された電流指令値iq_ref、id_refとの偏差が電流PID制御(S504)に用いられる。通常のベクトル制御では、トルクに寄与しないid成分が0となるようにd軸電流は制御される。
CPU151aは、電流PID制御を行う(S504)。具体的には、CPU151aは、位置PID制御(S502)と同様に比例、積分補償器を介して電流偏差量を増幅した後に座標変換処理を行う。このようにして、CPU151aは、電流値iq、idを静止座標系の電流量iα、iβへと逆変換する。また、逆変換は下記式(3)、(4)を用いて行うことができる。
iα=cosθ*iq−sinθ*id・・・(3)
iβ=sinθ*iq+cosθ*id・・・(4)
CPU151aは、変換後の電流値iα、iβに基づいて駆動電圧vα、vβを導出する(S505)。
CPU151aは、PWM信号の反転タイミングの予約設定を行う(S506)。具体的には、CPU151aは、駆動電圧vα、vβに基づいて、PWM信号171a、171bが機能するようにレジスタに予約設定する。このようにして、1モータ当りのタイマ197による割込タスクを終了する。なお、PWM信号の発生パターンは、図6に示すタイミングチャートのようになる。
このようなフィードバック系を構築することで、ベクトル制御では、負荷に応じた必要最低限の駆動電流を常時モータに印加することになり、省電力かつ低騒音のモータ駆動を実現することができる。
図11は、図9に示すステップS570(オープン演算モード)におけるPWMデータ演算処理の一例を示すフローチャートである。
CPU151aは、誘起電圧演算を行う(S512b)。具体的には、CPU151aは、A/D変換器153a、153bによってデジタル値に変換された交流電流iα、iβ、及び、ステッピングモータ167aの駆動電圧vα、vβを導出する。
そして、CPU151aは、入力された電流値と出力する電圧値に基づいて、モータ等価回路における以下の電圧方程式に基づいてステッピングモータ167aの誘起電圧Eα、Eβを推定する。
CPU151aは、目標電流(ia_ref、ib_ref)を設定する(S517)。
CPU151aは、電流PID制御を行う(S518)。具体的には、CPU151aは、位置PID制御(図8に示すステップS502の処理)と同様に比例、積分補償器を介して電流偏差量を増幅した後に座標変換処理を行う。
CPU151aは、PWM信号の反転タイミングの予約設定を行う(S519)。
図12A、図12B、及び図12Cは、PWM機能部のフルブリッジ回路の一例を説明するための図である。
また、図12Aに示すように、システムコントローラ151が有するPWM機能部(例えば、PWM506a)は、FETを用いたフルブリッジ回路で構成され、2相ステッピングモータの場合ではA相PWMとB相PWMの2つのフルブリッジ回路を有する。
また、図12BはPWM信号がHiのときのモータ巻線に流れる駆動電流の向きを表し、図12CはPWM信号がLowのときのモータ巻線に流れる駆動電流の向きを表している。
フルブリッジ回路は、電源電圧に近いハイサイド(ハイ領域)側の左右FETとローサイド側の左右FETの4つのFETを有する。ハイサイド左側とローサイド(ロー領域)右側FETのゲート信号に駆動電圧を示すPWM信号を接続し、それ以外のハイサイド右側とローサイド左側にPWM信号の反転信号を接続する。これにより、PWM制御周期におけるPWM信号のHi幅の比率(以下、PWM信号正デューティ)を調整して、所望の駆動電圧をモータ巻線両端に与えモータ巻線に駆動電流を流すことができる。
モータの各相に流れる駆動電流はフルブリッジ回路グラウンド側に配置する電流検出抵抗507、508に印可される電圧を図示しないオペアンプで増幅し、A/D変換器によりデジタル信号に変換しCPU151aが取得する。
このとき、PWM信号はFETのスイッチ(スイッチング素子)をON/OFFしてモータ巻線に所望の駆動電圧を印可するのでHi/Lowを繰り返すことになる。Hi/Low切り替わり時にはFETのスイッチングノイズが発生するので電流検出時刻(所定時刻)はPWM信号のHi幅、Low幅それぞれの中央部分が望ましい。
このように、三角波をキャリアとしてモータ駆動電圧を変調波とする三角波比較方式のデジタル演算を行う場合において、変調波の変化時刻を三角波の山と谷のどちらかの時刻に同期させることになる。
また、駆動電流を検出する方法としては、ブリッジ回路のグラウンド側にシャント抵抗を配置し、抵抗に掛かる電圧をオペアンプで増幅してA/D変換器を用いて検出する構成としたとする。この場合、図12B、図12Cに示すように、モータに流れる駆動電流の向きは一定であっても、シャント抵抗に流れる検出電流の向きはPWM信号がHiの時と、Lowの時で異なる現象が発生する。
そこで検出電流の向きをそろえるために、CPU151aは、PWM信号がHiかLowのどちらの時刻で検出するかに応じて検出電流値の符号を反転する。なお、駆動電圧データの正負に応じてPWM信号のHi幅とLow幅のどちらが相対的に長いかが決まる。
[タイミング制御]
このように、システムコントローラ151(CPU151a)は、電流検出を行う位相をPWM周期タイミング(図6:タイミングS520)より、4分の3(3/4)周期遅れた位相192[μsec]のタイミングを中心にした極性制御を行う。
図13は、位相に基づく4回のPWM信号171aと3回のADコンバートについて、PWM幅を段階的(各%)に並列記載した場合のPWM発生区間(PWM信号区間)、ADコンバートタイミング(図中矢印のタイミング)の関係例を示すグラフである。なお、図13のグラフは、縦軸をPWM信号171aのPWM幅を表し、横軸を時間としている。
同様にして、他のステッピングモータに対しても、それぞれに対応するPWM機能部によりモータのA相、B相に対するPWM信号がPWM信号172a〜175aと172b〜175bとして生成される。
図13に示すように、CPU151aは、PWM周期毎(PWM出力周期毎)にPWM信号のHi幅とLow幅とにおいて、幅が短い方の中心位置(短い方の幅の中心値)が4分の3(3/4)周期遅れた位相になるようにPMW信号を制御する。幅が短い方の中心位置がPWM周期における所定位相範囲内に存在することになる。この極性制御によりPWM信号のエッジは、タイミングS520のPWM周期の後半の半位相にしか現れないことになる。
例えば、図6に示すPWM周期タイミングS520aでは、Hi幅の中心が4分の3周期遅れた位相S521aを中心に、Hi、Lowの順序で遷移する。また、PWM周期タイミングS520bでは、Low幅の中心が4分の3周期遅れた位相S521bを中心に、Low、Hiの順序で遷移する。
また、図14は、従来例の2つのモータ1、2に対するPWM信号のPWM幅を並列記載した場合の、PWM発生区間(PWM信号区間)、ADコンバートタイミング(図中矢印のタイミング)の関係例を示すグラフである。
図14のグラフは、縦軸をモータ1、2とし、横軸を時間としている。従来は、共通のPWM周期タイミング(タイミングS520)がないので、各モータのPWM周期の位相がずれる。
図14では各モータにおけるADコンバートタイミングにおいて、相互のPWMエッジが干渉する場合が混在していることが見て取れる。
図14に示すような従来の方式では、このときFETのスイッチングノイズは、24[V]電源リップルや電磁波の影響が大きいため、複数の相でA/D変換器を共用する構成において相互に他の相のADコンバート精度へも悪影響を及ぼす場合がある。
このため、ノイズフィルタ部品の追加や、シールド線を配置したり、A/D変換器の共用を断念してアナログ分離をするなどのコストアップが生じてしまうことになる。
しかしながら、本実施例のモータ制御装置の制御では、電流検知兼励磁PWMタイミング制御を共通のタイマ197で行って位相調整する。
これにより、図6に示すタイミングS520における前半128[μsec]の間に、共通のA/D変換器153a、153bにおいて全てのADコンバートタイミング(図7:タイミングS521〜S528)を集中させることができる。
さらに、CPU151aにおいて全てのモータの2相の逐次ベクトル演算が行われ、後半128[μsec]の間に全てのPWM遷移を集中させることができる。このように、遷移タイミングが特定位相範囲内に収まるように調整される。また、電流検出タイミングは、遷移タイミングの範囲外のタイミングになる。
図15は、システムコントローラ151(CPU151a)によるタイミング制御により5つのモータ制御した場合のPWM発生区間(PWM信号区間)、ADコンバートタイミング(図中矢印のタイミング)の関係例を示すグラフである。
図15に示すように、システムコントローラ151(CPU151a)によるタイミング制御により、各モータ相互にADコンバート精度が劣化することが少ないように調整されることが見て取れる。
このように、本実施形態に係る画像形成装置301では、A/D変換器を複数のモータにおいて共有する場合であっても、モータ励磁PWMエッジによるFETスイッチングノイズによって相互にADコンバート精度の劣化を防ぐように制御することができる。
このとき、複数のモータは、A/D変換器を共用していてもPWMの位相を揃えているのみであるから、起動や停止や回転速度は個別に自由に構成可能であり駆動に対する制約は無い。また、装置内の各所の複数のモータ配置から、各々のアナログ電流検知信号を共通のA/D変換器まで束線で伝送される場合であっても、過度なシールド線や束線分離を行うことなくAD変換精度に悪影響しない、ローコストな回路実装が可能になる。
また、検出時刻の切り替わりがなく常に一定検出間隔にできるので、より低速の電流検出器を用いた電流検知回路の共用が可能になる。これにより、ローコストな低速A/D変換器の選定が可能になり、より少ないA/D変換器数でより多くのモータをベクトル制御で駆動することができる。
また、常に一定検出間隔にできるので、より低速の推定電気角の算出演算回路部分も共用が可能となり、ローコストな低速CPUなどの低速演算回路の選定が可能になり、少ない演算回路規模でより多くのモータをベクトル制御で駆動することができる。
また、1つのA/D変換器を共用する構成も可能であるが、2つのA/D変換器で2相ステッピングモータの電流検知を構成する場合には、電流検出時刻を複数のモータの複数相間で常に同時刻で順序良く揃えることができる。そのため、時間的にずれのない正確な電流検知が可能となり、モータ駆動回転むらや振動が発生しない安定したモータ駆動をすることができるためコストパフォーマンスの向上を図ることができる。
本実施形態に係る画像形成装置301では、また、時分割でA/D変換器の共用する場合の、複数モータの複数の電流検知タイミングの位相関係を固定できるようにするため、PWMの周期を共通化と位相関係を調整することができる。
また、出力する駆動電圧に基づいて、PWM信号の生成方法を変更し、Hi幅とLow幅の割合(デューティー比)は変えずに、常にPWM信号のパルス遷移時刻が一定位相に現れるように複数のモータのPWM信号を生成することが可能になる。
なお、共通のPWM周期タイマ196及びADコンバート間隔タイマ197により位相調整するように構成することもできる。この場合、ADコンバートタイミングを所定の位相に集中させて共用しつつ、所定の非検知時間を設けたり、あるいはモータ毎の配置や特性に合わせて検知順を変えることも可能である。
例えば、モータやモータドライバの配置や応答遅延特性が入力PWM波形に対して、出力値が50[μsec]遅れるような場合があるとする。この場合、それに合わせて共通のPWM周期タイマ196およびADコンバート間隔タイマ197で、50[μsec]遅らせるように調整する。これにより、よりノイズの少ない所定の位相へ調整して高精度にすることも可能である。
上記説明した実施形態は、本発明をより具体的に説明するためのものであり、本発明の範囲が、これらの例に限定されるものではない。

Claims (11)

  1. 複数のモータを制御するモータ制御装置であって、
    前記複数のモータに対応させて複数のPWM信号を生成する生成手段と、
    前記生成された複数のPWM信号に基づき、前記複数のモータに対応する複数の駆動電流を出力するモータ駆動制御部と、
    前記複数の駆動電流をデジタル値に変換するA/D変換手段と、
    前記複数のPWM信号の複数のPWM周期は同一であり、
    前記複数のPWM信号は、前記PWM周期毎にPWM信号のハイ領域の幅と該PWM信号のロー領域の幅とにおける短い方の幅が、該PWM周期における所定位相範囲内に存在し、
    前記A/D変換器は、前記PWM周期における前記所定位相範囲外において、前記複数のモータに対応する複数の駆動電流を異なるタイミングでデジタル値に変換することを特徴とする。
    モータ制御装置。
  2. 前記A/D変換手段は、第1A/D変換器と第2A/D変換器を有し、
    前記第1A/D変換器は前記複数のモータの第1相の駆動電流をデジタル値に変換し、
    前記第2A/D変換器は前記複数のモータの第2相の駆動電流をデジタル値に変換することを特徴とする、
    請求項1記載のモータ制御装置。
  3. 前記生成手段は、前記デジタル値に基づき前記PWM信号を生成することを特徴とする、
    請求項2記載のモータ制御装置。
  4. さらに、第1タイマおよび第2タイマを有し、
    前記第1タイマの出力値に基づき前記PWM周期を制御し、
    前記第2タイマを用いて、前記A/D変換器が前記複数の駆動電流を前記デジタル値に変換する前記タイミングを制御し、
    前記第2タイマは前記第1タイマの出力値に同期してカウントを開始する
    ことを特徴とする、
    請求項1記載のモータ制御装置。
  5. 前記PWM周期毎にPWM信号のハイ領域の幅と該PWM信号のロー領域の幅とにおける短い方の幅の中心値が、前記PWM周期の開始から3/4周期の位置であることを特徴とする、
    請求項1記載のモータ制御装置。
  6. 2つ以上の相巻線を有する複数のモータと、
    前記複数のモータそれぞれの駆動を制御する複数の駆動制御手段と、
    前記モータの相巻線のうち、少なくとも2相の巻線に流れる電流をそれぞれ検出し、当該モータの複数の相の電流検出を時分割で行う共有の電流検出手段と、
    前記駆動制御手段が前記複数のモータそれぞれの各巻線に所望の駆動電圧を印可するための、三角波をキャリアとしてモータ駆動電圧を変調波とする三角波比較方式による2つ以上の相のPWM信号それぞれを発生する遷移タイミングと、前記電流検出手段の検出タイミングとを調整するタイミング制御手段と、を有することを特徴とする、
    モータ制御装置。
  7. 前記複数の駆動制御手段それぞれは、前記モータを駆動するフルブリッジ回路として構成されることを特徴とする、
    請求項6に記載のモータ制御装置。
  8. 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、
    請求項6に記載のモータ制御装置。
  9. 前記電流検出手段は、前記モータの複数の相の電流検出を時分割で行う共有のアナログデジタル変換式の電流検出器であることを特徴とする、
    請求項6に記載のモータ制御装置。
  10. 前記タイミング制御手段は、前記複数のモータにおけるPWM信号は同一かつ共通の周期であり、これらのPWM信号のデューティー比に応じて信号幅の外端が特定位相範囲に収まるように調整し、前記電流検出のタイミングは、前記遷移タイミングの範囲外となるように調整することを特徴とする、
    請求項6に記載のモータ制御装置。
  11. 前記タイミング制御手段は、前記電流検出手段が検出した電流値に基づいて、前記モータの相巻線に発生する誘起電圧をそれぞれ推定し、
    前記推定した相巻線の誘起電圧に基づいて前記モータのロータと前記相巻線とのなす相対角である電気角を導出し、
    前記導出した電気角の時間変化に基づいて前記モータの回転速度を導出し、
    前記電流値と、前記電気角又は前記回転速度とに基づくベクトル制御を時分割で行うことを特徴とする、
    請求項6に記載のモータ制御装置。
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