JP7188052B2 - モーター制御装置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70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70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。
図4は、モーターの運転中におけるセンサレスベクトル制御回路の動作を示す機能ブロック図である。以下、図4を参照して、モーター運転中におけるセンサレスベクトル制御回路50の動作について簡単に説明する。
図5は、静止状態にあるローターの磁極の初期位置を推定する方法を示す機能ブロック図である。
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。上記のように残留電流が0に戻るまで待ってから次の通電角度で通電する場合、理想的には、γ軸電流Iγのピーク値の最大値が得られたときの通電角度θMが、ローター35の磁極の位置θにほぼ一致する。
以下、γ軸電流Iγの符号について補足する。次図9を参照して、γ軸電流Iγは、通電角度θMに応じて正の値だけでなく負の値にもなり得ることを説明する。
図7の例では、ステーター巻線31に通電角度θM=0°での電圧印加が完了した時刻t2の後、次の通電角度θM=30°でステーター巻線31に電圧が印加される時刻t3までの間に、γ軸電流Iγは完全に0に戻っていた。以下では、次の通電角度θMでの電圧印加の開始時に残留電流が存在している(すなわち、0に戻っていない)場合について説明する。
図11は、残留電流を考慮した場合のローターの磁極の初期位置推定の手順を示すフローチャートである。以下、図5および図11を主として参照して、これまでの説明を総括する。
ΔIγ[i]=Iγp-Iγ0 …(6)
によって計算される。
実施の形態1のモーター制御装置70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が推定される。具体的に、センサレスベクトル制御回路50の初期位置推定部57の制御に基づいて、駆動回路40は、複数の通電角度のうちの任意の第1の通電角度の次に第2の通電角度で電圧を印加する場合に、第1の通電角度で交流電圧をステーター巻線31に印加した後、ステーター巻線31の残留電流が0に戻る前に第2の通電角度で交流電圧をステーター巻線31に印加する。この際、初期位置推定部57は、通電角度ごとに、ステーター巻線31に電圧を印加する直前または印加開始時の残留電流を基準にして、一定の通電時間の交流電圧の印加によって生じるステーター巻線31を流れる電流の変化量ΔIγを、γ軸ピーク電流Iγpの補正値として検出する。初期位置推定部57は、補正後のγ軸ピーク電流Iγpのピーク値に基づいてローターの磁極の初期位置を推定する。これによって、精度良く短時間でローターの初期位置を推定することが可能になる。
実施の形態1では、γ軸ピーク電流Iγpとγ軸残留電流Iγ0との差分であるγ軸電流変化量ΔIγを計算すれば、得られたγ軸電流変化量ΔIγは、γ軸残留電流Iγ0が0の場合のγ軸ピーク電流Iγpに等しくなるはずであるという前提にたっていた。しかしながら、本願発明者はさらに詳細な検討を行った結果、γ軸残留電流Iγ0の大きさに依存してγ軸電流変化量ΔIγが変化することを見出した。
図13は、γ軸残留電流の値とγ軸電流のピーク値との関係の一例を示す模式的なタイミング図である。図13(a)は、γ軸電圧の指令値Vγ*の時間変化を示し、図13(b)は、図13(a)に対応するγ軸電流Iγの時間変化を示す。ローターの永久磁石の影響はないものとする。
しかしながら、より正確には、一次遅れ特性を考慮することにより、
ΔIb<ΔIa<ΔIc …(7)
の関係が成り立つ。したがって、γ軸残留電流の値に応じて、γ軸電流のピーク値の補正量を変更しなければならない。
Iγp_c=Iγp-Ca …(8)
のように表すものとする。この場合、補正量Caは、γ軸残留電流と同符号の値であり、γ軸残留電流が0の場合は0である。すなわち、γ軸残留電流が0の場合のγ軸電流のピー値Iγpを真値としている。また、γ軸残留電流が負の場合は、補正量Caは負の値になる。この場合、補正後のγ軸電流のピーク値Iγp_cは、補正前のγ軸電流のピーク値Iγpに補正量Caの絶対値を加算した値になる。
Iγp_c=Iγp-Ca=Iγp-K1・Iγ0・|Iγp| …(9)
で表される。上式の比例定数K1は、モーターごとに異なり、実験によって求めることができる。
上記の図14では、補正式(9)を用いて、通電角度ごとに、検出されたγ軸電流のピーク値Iγpを補正したが、同様のことを、補正テーブルを用いて行うこともできる。補正テーブルは実験に基づいて作成し、予めメモリに格納される。
実施の形態2のモーター制御装置70によれば、検出されたγ軸電流のピーク値Iγpがγ軸残留電流Iγ0に応じて補正される。この補正には、前述の補正式(9)または図15の補正テーブルが使用される。初期位置推定部57は、通電角度ごとに得られた補正後のγ軸電流のピーク値Iγp_cに基づいて、ローターの磁極の初期位置を推定する。これによって、さらに精度の良くローターの磁極の初期位置を検出することができる。
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70を、画像形成装置の給紙用ローラー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。給紙ローラーの駆動用モーターは短時間で起動、回転、および停止を繰り返すため、起動前に行うローラーの磁極位置推定に要する時間をできるだけ短縮できたほうが望ましい。以下、図面を参照して説明する。
図16は、画像形成装置の構成の一例を示す断面図である。図16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18は、画像形成装置の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。以下、図18を参照してこれまでの説明を総括する。
Claims (11)
- センサレス方式のブラシレスDCモーターを制御するモーター制御装置であって、
前記ブラシレスDCモーターのステーター巻線の各相に電圧を印加するための駆動回路と、
前記ステーター巻線に流れる電流を検出する電流検出回路と、
前記駆動回路を制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、前記ブラシレスDCモーターのローターの磁極の初期位置を推定するための初期位置推定部を含み、
前記駆動回路は、前記初期位置を推定する際に、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一定の通電時間の間、前記ステーター巻線に連続的または間欠的に定電圧を印加し、
前記駆動回路は、前記複数の通電角度のうちの任意の第1の通電角度の次に第2の通電角度で電圧を印加する場合に、前記第1の通電角度での電圧印加を終了した後、前記ステーター巻線に流れる残留電流が0に戻る前に、前記第2の通電角度で電圧印加を開始し、
前記電流検出回路は、前記通電角度ごとに、電圧印加を開始する直前または電圧印加開始時における残留電流の値と、前記一定の通電時間の間での前記ステーター巻線に流れる電流のピーク値とを検出し、
前記初期位置推定部は、検出された前記残留電流の値によって前記電流のピーク値を補正し、前記複数の通電角度の各々に対して得られた補正後の前記電流のピーク値に基づいて前記ローターの磁極の初期位置を推定する、モーター制御装置。 - 前記制御回路は、座標変換部をさらに含み、
前記座標変換部は、前記通電角度ごとに、電圧印加を開始する直前または電圧印加開始時における前記ステーター巻線の各相の残留電流からγ軸残留電流を計算し、
前記座標変換部は、前記通電角度ごとに、前記一定の通電時間の間での前記ステーター巻線の各相の電流ピーク値からγ軸電流のピーク値を計算し、
前記初期位置推定部は、前記通電角度ごとに、前記γ軸残留電流の値を用いて前記γ軸電流のピーク値を補正し、前記複数の通電角度の各々に対して得られた補正後の前記γ軸電流のピーク値に基づいて前記ローターの磁極の初期位置を推定する、請求項1に記載のモーター制御装置。 - 前記初期位置推定部は、前記通電角度ごとに、前記γ軸残留電流と同符号の補正量を前記γ軸電流のピーク値から減算することによって、前記γ軸電流のピーク値を補正する、請求項2に記載のモーター制御装置。
- 前記補正量の絶対値は、前記γ軸残留電流の絶対値よりも小さい、請求項3に記載のモーター制御装置。
- 前記補正量の絶対値は、前記γ軸残留電流の絶対値が大きくなるほど大きくなる、請求項4に記載のモーター制御装置。
- 前記補正量は、前記γ軸残留電流の値と前記γ軸電流のピーク値の絶対値と正の比例定数との積に等しい、請求項3~5のいずれか1項に記載のモーター制御装置。
- 前記補正量は前記γ軸電流に等しい、請求項3に記載のモーター制御装置。
- 前記初期位置推定部は、前記γ軸残留電流の値と補正係数との対応関係を表す補正テーブルに基づいて、検出した前記γ軸電流のピーク値に、検出した前記γ軸残留電流に対応した前記補正係数を乗算することによって前記γ軸電流のピーク値を補正する、請求項2に記載のモーター制御装置。
- 前記ブラシレスDCモーターは、インナーローター型のブラシレスDCモーターである、請求項1~8のいずれか1項に記載のモーター制御装置。
- 記録媒体を1枚ずつ給送する給送ローラーと、
給送した前記記録媒体に画像を形成する画像形成部と、
前記給送ローラーを駆動するためのブラシレスDCモーターを制御する、請求項1~9のいずれか1項に記載のモーター制御装置とを備える、画像形成装置。 - 前記記録媒体を搬送する搬送ローラーと、
前記搬送ローラーを駆動するためのセンサレス方式の第2のブラシレスDCモーターを制御する第2のモーター制御装置とをさらに備え、
前記第2のブラシレスDCモーターは、第2のローターと第2のステーター巻線とを含み、
前記第2のモーター制御装置は、
前記第2のステーター巻線の各相に電圧を印加するための第2の駆動回路と、
前記第2のステーター巻線に流れる電流を検出する第2の電流検出回路と、
前記第2の駆動回路を制御する第2の制御回路とを備え、
前記第2の制御回路は、前記第2のローターの磁極の初期位置を推定するための第2の初期位置推定部を含み、
前記第2の駆動回路は、前記第2のローターの磁極の初期位置を推定する際に、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一定の通電時間の間、前記第2のステーター巻線に連続的または間欠的に一定の電圧を印加し、
前記第2の駆動回路は、前記複数の通電角度のうちの任意の第1の通電角度の次に第2の通電角度で電圧を印加する場合に、前記第1の通電角度での電圧印加を終了した後、前記第2のステーター巻線に流れる残留電流が零になる時間が経過してから、前記第2の通電角度での電圧印加を開始し、
前記第2の電流検出回路は、前記通電角度ごとに、前記一定の通電時間の間での前記第2のステーター巻線に流れる電流のピーク値を検出し、
前記第2の初期位置推定部は、前記複数の通電角度の各々に対して検出された前記電流のピーク値に基づいて前記第2のローターの磁極の初期位置を推定する、請求項10に記載の画像形成装置。
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