JP2018102022A - 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

Abstract

【課題】永久磁石同期電動機の回転子を所望の位置に停止させる。
【解決手段】電機子３１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３２が回転する永久磁石同期電動機の制御装置は、停止が指令されたときに回転子３２の回転速度を低下させる減速制御を開始し、回転速度が設定速度まで低下したときに、回転子３２を目標位置ＰＳ２に停止させる磁界ベクトル８５を生成する電流を減速制御の開始からの回転子の回転量Θａに応じて設定し、設定した電流を前記電機子３１に流す、固定励磁制御を行う。
【選択図】図９

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、回転子の回転速度および磁極位置を捲線の電流または電圧に基づいて推定する方法が用いられる。ただし、回転の開始時および停止時のように回転速度が小さい場合には、回転速度および磁極位置を所定の精度で推定することができないことから、その場合には回転速度および磁極位置を推定することなく所定の磁界を発生させる制御が行われる。

回転子を停止させる制御として、電流の供給を停止して永久磁石同期電動機からエネルギーを取り出すように駆動回路の電流路を短絡させるショートブレーキ制御、および電流の供給を停止するだけのフリーラン制御などがある。また、回転速度の推定ができなくなる速度までベクトル制御により減速し、その後にショートブレーキ制御またはフリーラン制御を行うことができる。

しかし、これらの制御よって回転子を停止させる場合には、負荷または慣性力のばらつきなどの影響により、回転子の停止する位置が一定にならない。このため、停止時に負荷を所定の停止位置に位置決めする必要のある用途にセンサレス型の永久磁石同期電動機を用いることができない。

センサレス型の永久磁石同期電動機の回転子を所望の位置に停止させるための先行技術として、リニア同期電動機の制御に関する特許文献１に記載の技術がある。特許文献１には、上位制御装置から連続的に与えられる位置指令に対応した連続的に変化するｄ軸の電気角を生成し、ｄ軸電機子に電流が流れかつｑ軸電機子に電流が流れないように、電機子に流す電流を制御することが開示されている。

特許第５４８７１０５号公報

上に述べた特許文献１の技術は、直進する可動子とその移動範囲の全長にわたる固定子とから構成されるリニア同期電動機を駆動するためのものであり、移動中の可動子の位置を刻々と指定する位置指令が与えられることを前提としている。

したがってこの場合には、可動子の位置を指定する位置指令を連続的に発生させる必要があり、そのための制御が複雑となる。

永久磁石同期電動機の回転子を停止させる場合に、その停止位置は、小刻みに細かく設定可能であることが好ましい。つまり、停止位置の設定における選択肢が、例えば機械角で６０度刻みの６個の大まかな位置であるよりも、１度刻みの３６０個の細かい位置である方がよい。無段階であればさらによい。

また、特に、停止時に負荷を位置決めする場合などでは、磁極が所望の位置に到着する前に停止することのないよう、かつ所望の位置を通り過ぎて停止することのないようにする高い精度で位置決めすることが求められる。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、永久磁石同期電動機の回転子を所望の位置に停止させる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磁界が生成されるよう前記駆動部を制御するとともに、停止指令が入力されたときには、前記駆動部に対する制御として、前記回転速度を切替え速度まで低下させる減速制御を行い、その後に前記回転子を目標位置に停止させる磁界ベクトルを生じさせる固定励磁制御を行う制御部と、前記減速制御が開始されたときからの前記回転子の回転量である停止前回転量を算出する回転量算出部と、前記磁界ベクトルを生成するために前記電機子に流す電流を前記停止前回転量に応じて設定する固定励磁設定部と、を有する。

本発明の実施形態に係る制御方法は、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方法であって、停止が指令されたときに前記回転子の回転速度を低下させる減速制御を開始し、前記回転速度が設定速度まで低下したときに、前記回転子を目標位置に停止させる磁界ベクトルを生成する電流を前記減速制御の開始からの前記回転子の回転量に応じて設定し、設定した前記電流を前記電機子に流す、固定励磁制御を行う。

本発明によると、永久磁石同期電動機の回転子を所望の位置に停止させることができる。

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。 停止時の駆動シーケンスの例を示す図である。 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。 モータ駆動部および電流検出部の構成の例を示す図である。 回転子を停止させるための磁界ベクトルおよび電流ベクトルの例を示す図である。 負荷の位置決めの例を示す図である。 進角量の設定の概要を示す図である。 回転速度の推移に応じた進角量の設定の第１例を示す図である。 回転速度の推移に応じた進角量の設定の第２例を示す図である。 回転速度の推移に応じた進角量の設定の第３例を示す図である。 回転速度の推移に応じた進角量の設定の第４例を示す図である。 モータ制御装置における処理の流れの第１例を示す図である。 モータ制御装置における処理の流れの第１例を示す図である。 固定励磁制御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の構成の概要が示され、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を搬送したり当該用紙９に画像を形成したりする。

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により制御される。

モータ制御装置２１には、上位制御部２０から回転の開始（起動）または停止などの指令が与えられる。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指令を発する。

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回転速度および磁極位置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には停止時の駆動シーケンスの例が示されている。

モータ制御装置２１は、時点ｔ１において上位制御部２０から停止指令Ｓ１ｅが入力されると、回転速度ωをその時点の速度ω２から一定の加速度（減速度）で低下させる減速制御を行う。回転速度ωが切替え速度ω１まで低下した時点ｔ２において、減速制御を固定励磁制御に切り替えて、時点ｔ３に回転子３２を所望の目標位置に停止させる。

減速制御は、回転速度ωを目標速度（速度指令値）ω＊に近づけるベクトル制御である。減速制御では、目標速度ω＊は、刻々と減少する。例えば、上位制御部２０が運転パターンとして決められている割合で減少するよう目標速度を刻々と更新してモータ制御装置２１に与える。ただし、モータ制御装置２１において運転パターンに従う減速のための目標速度ω＊を生成するようにしてもよい。

減速制御における最終の目標速度ω＊となる切替え速度ω１は、磁極位置ＰＳの推定が可能な下限の速度またはそれよりも若干大きい速度に選定される。

固定励磁制御は、回転子３２を目標位置に引き込む磁界ベクトルを生じさせる電流を電機子の捲線３３〜３５に流す制御である。電流の位相および大きさは、減速制御を終了する時点ｔ２の磁極位置ＰＳの推定値に応じて設定される。設定された電流を流し続けることにより、回転しない磁界（固定の磁界）を回転子３２に作用させる。この固定励磁制御について、後に詳述する。

図４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５にはモータ制御装置２１の機能的構成の一例が、図６にはモータ制御装置２１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５に示すように、モータ制御装置２１は、ベクトル制御部２３、速度推定部２４、磁極位置推定部２５、モータ駆動部２６、電流検出部２７、座標変換部２８、および固定励磁設定部２９などを有している。

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。シャント抵抗の抵抗値は１／１０Ωオーダーの小さい値である。

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５に戻って、ベクトル制御部２３には、上位制御部２０から目標速度（速度指令値）ω＊を示す速度指令Ｓ１が入力される。速度指令Ｓ１のうち、停止を命じる情報を含むものが停止指令Ｓ１ｅとなる。

ベクトル制御部２３は、速度推定部２４から入力される推定速度ωｍおよび磁極位置推定部２５から入力される推定角度θｍに基づいて、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。推定角度θｍは、回転子３２の回転速度ωの推定値の例であり、推定角度θｍは、磁極位置ＰＳの推定値の例である。

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。これらの要素のうち、特に速度制御部４１は、磁極位置推定部２５および固定励磁設定部２９と共に、固定励磁制御に大きく関わる。

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、磁極位置推定部２５から入力される推定角度θｍ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、速度制御部４１、磁極位置推定部２５、および固定励磁設定部２９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推定角度θｍを算出する。

また、この磁極位置推定部２５は、停止指令Ｓ１ｅの入力を契機として減速制御が開始されたときからの回転子３２の回転量である停止前回転量Θを算出する。すなわち、減速制御が開始された以後において、磁極位置推定部２５は、回転量算出部としての処理を推定角度θｍを出力する処理と並行して行う。磁極位置推定部２５には、減速制御が開始されたときに、停止前回転量Θの算出の開始を命じる算出指令Ｓ５が例えば固定励磁設定部２９から入力される。

回転量算出部としての磁極位置推定部２５は、停止前回転量Θを算出する処理として、推定角度θｍを積算する。そして、逐次に最新の停止前回転量Θを固定励磁制御部２９に通知する。最新の停止前回転量Θは、実質的に最新のものであればよい。

さらに、固定出力指令Ｓ６が入力されると、磁極位置推定部２５は、そのときの推定角度θｍを記憶し、記憶した当該推定角度θｍを以後の固定励磁制御が行われる期間にわたって座標変換部２８および電圧パターン生成部４３に出力する。つまり、推定角度θｍの出力値を固定とする。

固定励磁設定部２９は、固定励磁制御において電機子に流す電流を磁極位置推定部２５からの停止前回転量Θに応じて設定する。詳しくは、次の通りである。

固定励磁設定部２９は、上位制御部２０から停止指令Ｓ１ｅが入力されると、算出指令Ｓ５を磁極位置推定部２５に与えて停止前回転量Θの算出を開始させる。その後、減速制御から固定励磁制御に切り替わるときに、磁極位置推定部２５から通知された最新の停止前回転量Θに応じて、速度制御部４１に対して電流の位相を指定する制御値である進角量ｄθを設定する。

固定励磁設定部２９は、目標回転量Θｓおよび基準進角量ｄθｓなどを含む制御情報Ｄ２９を記憶している。目標回転量Θｓは、回転子３２を停止させたい目標位置に対応する回転量であり、基準進角量ｄθｓは、目標回転量Θｓと停止前回転量Θとのずれがない場合における進角量ｄθの設定値である。

進角量ｄθの設定に際して、固定励磁設定部２９は、停止前回転量Θと目標回転量Θｓとの差を求める。そして、求めた差が基準進角量ｄθｓよりも多い場合には、進角量ｄθを基準進角量ｄθｓよりも小さくし、基準進角量ｄθｓよりも少ない場合には、進角量ｄθを基準進角量ｄθｓよりも大きくする。

以下、固定励磁制御に関わる機能を中心にモータ制御装置２１の動作をさらに詳しく説明する。

なお、固定励磁制御においては、推定角度θｍによって決定される軸（いわゆるγ軸）を便宜的にｄ軸として扱い、同じくδ軸をｑ軸として扱うものとする。

図７には回転子３２を停止させるための磁界ベクトル８５および電流ベクトル９５の例が、図８には負荷の位置決めの例が、それぞれ示されている。図７（Ａ）では、回転子３２を停止させたい位置（狙いの位置）である目標位置ＰＳ２を二重丸で、減速制御から固定励磁制御に切り替わるときの磁極位置ＰＳである引込み開始位置ＰＳ１を白抜きの丸で示している。

図３も参照して、時点ｔ１から時点ｔ２までの減速制御において、回転子３２は、減速制御の期間の長さと減速度とに依存する回転量だけ回転する。図７（Ａ）において、引込み開始位置ＰＳ１は、時点ｔ２における磁極位置ＰＳであり、推定角度θｍにより特定される。

目標位置ＰＳ２は、引込み開始位置ＰＳ１から進角量ｄθだけ回転した位置である。言い換えれば、回転子３２を進角量ｄθだけ回転させて目標位置ＰＳ２に停止させる制御が固定励磁示制御である。

目標位置ＰＳ２は、例えば図８に示すように用紙９を位置Ｐ３に位置決めするための回転角度位置である。

図８において、レジストローラ対１５Ｂが用紙９の搬送速度に応じた一定の速度で回転している状態で、レジストローラ対１５Ｂに向けて用紙９が搬送されてくる。レジストローラ対１５Ｂの例えば上流側の位置Ｐ１に用紙９の先端が到着すると、それを検知した上位制御部２０からモータ制御装置２１に停止指令Ｓ１ｅが与えられ、直ちにブラシレスモータ３の減速制御が開始される。ここで、減速制御における加速度（減速度）は一定であるものとする。

用紙９の先端が位置Ｐ１よりも下流の位置Ｐ２に到着した時点で、減速制御から固定励磁制御に切り替わる。固定励磁制御により、用紙９の先端は、位置Ｐ２よりも下流の位置Ｐ３に到着して停止する。

位置Ｐ１から位置Ｐ２までの距離Ｄ１（例えば５０ｍｍ）は、減速制御の開始時点の回転子３２の回転速度ω、レジストローラ対１５Ｂに回転駆動力を伝えるギヤの減速比、減速制御における減速度、および切替え速度ω１により決まる。つまり、位置Ｐ２は、駆動シーケンス（運転パターン）における減速制御の条件に応じて決まる。また、位置Ｐ２から位置Ｐ３までの距離Ｄ２（例えば１０ｍｍ）は、進角量ｄθに比例する。

したがって、用紙９の先端を位置Ｐ３に位置決めするには、停止指令Ｓ１ｅの発令から回転子３２が停止するまでの回転量が位置Ｐ１から位置Ｐ３までの距離（Ｄ１＋Ｄ２）に対応するよう目標位置ＰＳ２を定めればよい。目標位置ＰＳ２は、停止指令Ｓ１ｅが発令されたときに、そのときの磁極位置ＰＳによって決まる。

図７に戻って、固定励磁示制御では、回転子３２の回転中心から目標位置ＰＳ２へ向かう磁界ベクトル８５を定める。磁界ベクトル８５は、回転子３２を目標位置ＰＳ２に引き込む磁界である。

磁界ベクトル８５を定めることは、図８（Ｂ）に示すように、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を目標位置ＰＳ２に引き込む磁界を生成するために捲線３３〜３５に流すべき電流の位相および大きさを表わす。

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、ｄ軸に対する角度である進角量ｄθを設定する。そして、電流ベクトル９５の大きさとして、例えばブラシレスモータ３に流し得る電流の最大値を設定する。これにより、電流ベクトル９５のｄ軸成分Ｉｄおよびｑ軸成分Ｉｑが決まる。電流ベクトル９５の大きさをＩとすると、ｄ軸成分Ｉｄおよびｑ軸成分Ｉｑは、次の式で表わされる。

Ｉｄ＝Ｉ×ｃｏｓ（ｄθ）
Ｉｑ＝Ｉ×ｓｉｎ（ｄθ）
ｄ軸成分Ｉｄおよびｑ軸成分Ｉｑが決まると、ｄ軸の角度位置を示す推定角度θｍを用いることにより、ベクトル制御部２３による制御信号Ｕ＋，Ｕ−，Ｖ＋，Ｖ−，Ｗ＋，Ｗ−のパターンが決まる。そして、モータ駆動部２６を介して流れる電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのそれぞれの大きさおよび向きが決まる。

図９には進角量ｄθの設定の概要が、図１０、図１１、図１２、および図１３には回転速度ωの推移に応じた進角量ｄθの設定の第１例、第２例、第３例、および第４例が、それぞれ示されている。

減速制御において回転速度ωが目標速度ω＊の変化にずれることなく追従して低下した場合には、図９（Ａ）に示すように、引込み開始位置ＰＳ１が適正な位置となる。適正な位置とは、引込み開始位置ＰＳ１に対応する停止前回転量Θａと目標回転量Θｓとの差が基準進角量ｄθｓと等しい位置である。この場合に、固定励磁設定部２９は、進角量ｄθとして基準進角量ｄθｓを設定する。

さて、図１０〜図１３のように、図中に鎖線で示す目標速度ω＊の変化に対して、太い実線で示す回転速度ωの変化がずれることがある。例えば、その原因として負荷のばらつきが挙げられる。すなわち、減速時には定速時と比べて加速度（減速率）が大きいので、次の式で表わされるモータトルクＴａは、負荷イナーシャの変動の影響を大きく受けて許容値を超えやすい。

Ｔａ＝ＪＬ（ωｊ−ωｉ）／Δｔ＋ＴＬ
ただし、ＪＬ：負荷イナーシャ、（ωｊ−ωｉ）／Δｔ：加速度、ＴＬ：摺動抵抗
図１０（Ａ）では、時点ｔ２における回転速度ωは切替え速度ω１に低下しており、目標速度ω＊との差はない。しかし、減速制御の途中段階において、回転速度ωは、目標速度ω＊よりも大きい。

このため、図１０（Ｂ）のように、切替え速度ω１になった時点（ｔ２）の停止前回転量Θａが適正量よりも多い。すなわち、図９（Ｂ）のように、引込み開始位置ＰＳ１が適正な位置よりも目標位置ＰＳ２に近い位置となる。

もしも、この場合に進角量ｄθを基準進角量ｄθｓに設定したとすると、回転子３２が停止するまでの停止前回転量Θである実回転量Θ１が、目標回転量Θｓよりも多くなってしまう。つまり、回転子３２は、目標位置ＰＳ２を通り過ぎて止まることになる。

そこで、固定励磁設定部２９は、図９（Ｂ）および図１０（Ｃ）の通り、実回転量Θ１ａが目標回転量Θと等しくなるよう進角量ｄθを基準進角量ｄθｓよりも小さい進角量ｄθ１に設定する。例えば、図８に示した位置決めにおいて用紙９が位置Ｐ３から５ｍｍ進み過ぎる場合には、搬送距離が５ｍｍ少なくなるよう進角量ｄθ１を設定する。

図１１（Ａ）では、回転速度ωは、時点ｔ２の以前の時点ｔ１１で切替え速度ω１に低下している。また、時点ｔ１から時点ｔ１１までの期間にわたって、回転速度ωは、目標速度ω＊よりも小さい。

このため、図１１（Ｂ）のように、切替え速度ω１になった時点（ｔ１１）の停止前回転量Θａが適正量よりも少ない。すなわち、図９（Ｃ）のように、引込み開始位置ＰＳ１が適正な位置よりも目標位置ＰＳ２から遠い位置となる。

もしも、この場合に進角量ｄθを基準進角量ｄθｓに設定したとすると、実回転量Θ２が、目標回転量Θｓよりも少なくなってしまう。つまり、回転子３２は、目標位置ＰＳ２の手前で止まってしまう。

そこで、固定励磁設定部２９は、図９（Ｃ）および図１１（Ｃ）の通り、実回転量Θ２ａが目標回転量Θｓと等しくなるよう進角量ｄθを基準進角量ｄθｓよりも大きい進角量ｄθ２に設定する。

このように進角量ｄθの設定値を回転速度ωが切替え速度ω１になったときの停止前回転量Θａに応じて調整することにより、減速制御において回転速度ωと目標速度ω＊とに差が生じた場合にも、回転子３２を目標位置ＰＳ２に停止させることができる。

しかし、進角量ｄθの調整だけでは目標位置ＰＳ２に停止させることができない場合があり得る。停止前回転量Θａと目標位置ＰＳ２と差が過大であると、進角量ｄθを可変範囲の限界まで多くまたは少なくしても、目標位置ＰＳ２に停止させることができない。電流ベクトル９５を大きくすることで進角量ｄθを可変範囲は拡がるが、ブラシレスモータ３の許容を超える大きな電流を流すことはできないので、可変範囲の拡大には限度がある。図１２または図１３の例によると、進角量ｄθの調整の限界を超えるような回転量のずれが生じた場合にも、回転子３２を目標位置ＰＳ２に停止させることができる。

図１２（Ａ）において、減速制御における回転速度ωと目標速度ω＊とのずれは、図１０（Ａ）の場合よりも大きい。そして、回転速度ωが切替え速度ω１まで低下する時点ｔ２１は、適正な時点ｔ２よりも後の時点になっている。

このため、図１２（Ｂ）のように、もしも進角量ｄθをその可変範囲の下限の進角量ｄθｘに設定したとしても、実回転量Θ３ａは、目標回転量Θｓよりも多くなってしまう。

そこで、固定励磁設定部２９は、図１２（Ｃ）のように切替え速度ω１よりも大きい早期切替え速度ω１２まで回転速度ω（推定速度ωｍ）が低下したときに、そのときの停止前回転量Θである途中回転量Θ３１と目標回転量Θｓとの差ΔΘ３を求める。求めた差ΔΘ３がしきい値Θｔｈ１以下である場合には、減速制御から固定励磁制御へ制御を切り替える。例えば速度制御部４１に対して進角量ｄθを指定することにより、制御が切り替わる。

求めた差ΔΘ３がしきい値Θｔｈ１を超える場合には、引き続き回転速度ωが切替え速度ω１に低下するまで、停止前回転量Θの監視を行う。

早期切替え速度ω１２およびしきい値Θｔｈ１は、進角量ｄθを可変範囲内で設定することにより目標位置ＰＳ２に回転子３２を停止させることができるよう、例えば回転速度ωのずれのバラツキを測定する実験の結果に基づいて選定すればよい。図１２（Ｃ）の例において、しきい値Θｔｈ１は、基準進角量ｄθｓとされている。

図１３（Ａ）において、減速制御における回転速度ωと目標速度ω＊とのずれは、図１１（Ａ）の場合よりも大きい。

このため、図１３（Ｂ）のように、もしも進角量ｄθを上限の進角量ｄθｙに設定したとしても、実回転量Θ４ａは、目標回転量Θｓより少なくなってしまう。

そこで、固定励磁設定部２９は、図１３（Ｃ）のように回転速度ω（推定速度ωｍ）が切替え速度ω１まで低下したときの停止前回転量Θａが目標回転量Θｓよりも少ない場合には、停止前回転量Θａと目標回転量Θｓとの差ΔΘ４を求める。そして、求めた差ΔΘ４がしきい値Θｔｈ２以上である場合に、その旨を速度制御部４１に通知する。

この通知を受けると、速度制御部４１は、回転速度ωを時点ｔ１３から所定の時間Ｔｗにわたって一定に保つ定速制御を減速制御に続けて行う。

固定励磁設定部２９は、通知をした後にまたは通知と並行して、実回転量Θ４ｂが目標回転量Θｓと等しくなるよう進角量ｄθを設定し、時間Ｔｗが経過し終えるタイミングで速度制御部４１に対して進角量ｄθを指定する。これにより、定速制御から固定励磁制御へ制御が切り替わる。

なお、求めた差ΔΘ４がしきい値Θｔｈ２未満である場合には、図１１の例と同様に、定速制御を行うことなく減速制御に続いて固定励磁制御が行われる。

図１４にはモータ制御装置における処理の流れの第１例が、図１５には第２例が、それぞれ示されている。

図１４に示すように、停止指令Ｓ１ｅが上位制御部２０から与えられるのを待つ（＃１１）。停止指令Ｓ１ｅが与えられると（＃１１でＹＥＳ）、切換え速度ω１を制御用のレジスタにセットし（＃１２）、減速制御を開始する（＃１３）。

回転速度ωとして取得する推定速度ωｍが切替え速度ω１まで低下すると（＃１４でＹＥＳ）、減速制御から固定励磁制御への制御の切替えを行い（＃１５）、固定励磁制御を行ってブラシレスモータ３の回転を停止させる（＃１６）。

または、図１５に示す処理を行う。すなわち、停止指令Ｓ１ｅが与えられると（＃２１でＹＥＳ）、減速制御を開始する（＃２２）。停止前回転量Θに基づいて、固定励磁制御を開始するべきタイミングであるか否かを判定し（＃２３）、そのタイミングではないと判定した場合には（＃２４でＮＯ) 、減速制御を続ける。そのタイミングであると判定した場合には（＃２４でＹＥＳ) 、減速制御から固定励磁制御へ制御を切替え（＃２５）、固定励磁制御を行ってブラシレスモータ３の回転を停止させる（＃２６）。

図１６には固定励磁制御の処理の流れの例が示されている。固定励磁制御においては、そのときの停止前回転量Θａと目標回転量Θｓとのずれ量を進角量ｄθとして設定する（＃１０１）。進角量ｄθに基づいて電流ベクトル９５のｄ軸成分Ｉｄおよびｑ軸成分Ｉｑを求めて電流指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊を決定する（＃１０２）。

そして、電流指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊および推定角度θｍを用いて制御信号Ｕ＋，Ｕ−，Ｖ＋，Ｖ−，Ｗ＋，Ｗ−を生成してモータ駆動部２６に与える（＃１０３）。つまり、磁界ベクトル８５に対応する電流をブラシレスモータ３に供給するようモータ駆動部２６を制御する。

以上の実施形態によると、ブラシレスモータ３の回転子３２を所望の目標位置ＰＳ２に停止させることができる。減速制御において回転速度ωと目標速度ω＊とに差が生じた場合にも、回転子３２を目標位置ＰＳ２に停止させることができる。

上に述べた実施形態によると、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相の各電流の値をアナログ的に設定して回転子３２を停止させるための磁界を生じさせることができる。したがって、各相の電流のオン、オフ、および向きの組合わせで決まる６パターンの磁界のいずれかを生じさせる場合とは違って、目標位置ＰＳ２を無段階に設定することができる。

上に述べた実施形態において、進角量ｄθに応じて電流ベクトル９５の大きさを増減することにより、停止間際の振動の少ない穏やかな停止を実現することができる。振動を抑えることにより、振動の収束を待つ時間が短かくなって停止が早まる。

また、固定励磁制御における電流は、回転子３２の停止までの予想時間に余裕時間を加えた時間が経過するまで流せばよい。次に起動指令が入力されるまでそのまま流し続けてもよい。この場合には、回転子３２の位置がその状態で固定されることにより磁極位置ＰＳが分かるので、次の起動時に磁極位置ＰＳを推定する処理を省略することができる。

上に述べた実施形態においては、固定励磁制御に際して推定角度θｍを磁界ベクトル８５の向きを指定する制御値として座標変換部２８および電圧パターン生成部４３に入力するものとしたが、設定した進角量ｄθを推定角度θｍに加算した角度を入力してもよい。この場合には、電流指令値Ｉｄ＊は、電流ベクトル９５の大きさを示す値とすればよく、電流指令値Ｉｑ＊は、零とすればよい。

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、ブラシレスモータ３の構造などは、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（ローラ）
２０ 上位制御部（停止指令部）
２１ モータ制御装置（制御装置）
２３ ベクトル制御部（制御部）
２４ 速度推定部
２５ 磁極位置推定部（回転量算出部）
２６ モータ駆動部（駆動部）
２９ 固定励磁設定部
３１ 固定子（電機子）
３２ 回転子
８５ 磁界ベクトル
９５ 電流ベクトル（電流）
ｄθ 進角量
ｄθｓ 基準進角量
Ｉγ，Ｉδ 電流
ＰＳ２ 目標位置
Ｓ１ｅ 停止指令
Ｔｗ 所定時間
Θ３１ 途中回転量（停止前回転量）
Θｓ 目標回転量
Θｔｈ１，Θｔｈ２ しきい値
ΔΘ３ 差
ω 回転速度
ω１ 切替え速度
ω２ 早期切替え速度

Claims (7)

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磁界が生成されるよう前記駆動部を制御するとともに、停止指令が入力されたときには、前記駆動部に対する制御として、前記回転速度を切替え速度まで低下させる減速制御を行い、その後に前記回転子を目標位置に停止させる磁界ベクトルを生じさせる固定励磁制御を行う制御部と、
   前記減速制御が開始されたときからの前記回転子の回転量である停止前回転量を算出する回転量算出部と、
   前記磁界ベクトルを生成するために前記電機子に流す電流を前記停止前回転量に応じて設定する固定励磁設定部と、を有する、
   ことを特徴とする永久磁石同期電動機の制御装置。
2. 前記固定励磁設定部は、前記停止前回転量が前記目標位置に対応する目標回転量よりも多くなる場合には、前記電流の位相を指定する制御値である進角量を前記目標回転量に対応する基準進角量よりも小さくし、前記停止前回転量が前記目標回転量よりも少なくなる場合には、前記進角量を前記基準進角量よりも大きくする、
   請求項１記載の永久磁石同期電動機の制御装置。
3. 前記制御部は、前記推定速度が前記切替え速度よりも大きい早期切替え速度まで低下したときの前記停止前回転量と前記目標回転量との差がしきい値以下である場合には、前記減速制御から前記固定励磁制御へ制御を切り替える、
   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. 前記制御部は、前記推定速度が前記切替え速度まで低下したときに前記停止前回転量が前記目標回転量よりも少なくかつ当該目標回転量との差がしきい値以上である場合に、前記回転速度を所定時間にわたって一定に保つ定速制御を前記減速制御に続けて行い、その後に当該定速制御から前記固定励磁制御へ制御を切り替える、
   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. 前記所定時間は、前記停止前回転量が前記目標回転量になるまでの時間である、
   請求項４記載の永久磁石同期電動機の制御装置。
6. 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、
   前記制御装置に停止指令を入力する停止指令部と、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に基づいて前記回転磁界が生成されるよう前記駆動部を制御するとともに、停止指令が入力されたときには、前記駆動部に対する制御として、前記回転速度を切替え速度まで低下させる減速制御を行い、その後に前記回転子を目標位置に停止させる磁界ベクトルを生じさせる固定励磁制御を行う制御部と、
   前記減速制御が開始されたときからの前記回転子の回転量である停止前回転量を算出する回転量算出部と、
   前記磁界ベクトルを生成するために前記電機子に流す電流を前記停止前回転量に応じて設定する固定励磁設定部と、を有する、
   ことを特徴とする画像形成装置。
7. 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、
   停止が指令されたときに前記回転子の回転速度を低下させる減速制御を開始し、前記回転速度が設定速度まで低下したときに、前記回転子を目標位置に停止させる磁界ベクトルを生成する電流を前記減速制御の開始からの前記回転子の回転量に応じて設定し、設定した前記電流を前記電機子に流す、固定励磁制御を行う、
   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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