JP2017229165A - 永久磁石同期電動機の制御装置、画像形成装置、および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷を回転駆動する永久磁石同期電動機を従来よりも確実に起動する。【解決手段】制御部２３は、回転子が停止した状態において、回転子が回転しない検出用電流Ｉａを駆動部２６により捲線３３〜３５に流してそのときの磁極位置情報に基づいて回転子の磁極位置を推定する位置推定処理と、推定した磁極位置に応じた角度位置から回転を始める補正用回転磁界が生じるように、回転子がそれに負荷が加わった状態では回転しない補正用電流Ｉｂ１，Ｉｂ２を捲線３３〜３５に流すバックラッシ補正処理と、バックラッシ補正処理２３３を終えた後の磁極位置である補正磁極位置を特定する位置特定処理と、特定した補正磁極位置に応じた角度位置から回転を始める磁界を回転磁界として前記駆動部により生じさせて回転子を回転させる回転制御処理と、を行う。【選択図】図４

Description

本発明は、永久磁石同期電動機の制御装置、画像形成装置、および制御方法に関する。

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。

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駆動には、例えば回転中に固定子の捲線に発生する誘起電圧に基づいて回転子の磁極位置および回転速度を推定する方法が用いられる。

また、センサレス型の永久磁石同期電動機が停止しているときに回転子の磁極位置を推定する手法として、インダクティブセンシングと呼ばれる方法がある。この方法は、捲線の相間に電圧を印加し、そのときに流れる電流のピーク振幅値を比較することにより磁極位置を推定するものである。この方法によると、停止している永久磁石同期電動機に回転を開始させる起動に際して、回転子の磁極位置に応じて適切に固定子を励磁することができる。

永久磁石同期電動機を安定に回転させるための先行技術として、特許文献１に記載の技術がある。特許文献１には、磁極位置を検出するセンサの出力に基づいて正弦波駆動信号を生成する駆動装置において、起動時の矩形波駆動から正弦波駆動への切替えを、起動信号の入力から目標回転数に到達する時間よりも長い一定時間が経過したときに行うことが開示されている。

また、ＤＣモータによって負荷を回転駆動するための先行技術として、特許文献２に記載の技術がある。特許文献２には、ＤＣモータの制御において、回転子に結合された歯車とそれに噛み合う他の歯車とのバックラッシに因る異音を低減するために、他の歯車の駆動に必要な閾値電流未満の直流電流を、起動の際に所定時間だけ供給することが開示されている。

特開２００９−１２４８６４号公報 特開２００１−２２４１９３号公報

センサレス型の永久磁石同期電動機を停止している状態から回転している状態へ移行させる起動に際して、永久磁石同期電動機の回転駆動力を負荷に伝達するギヤ間のバックラッシの影響により、脱調が生じて起動に失敗することがある、という問題があった。すなわち、停止状態において駆動ギヤの歯面と従動ギヤの歯面とが比較的に大きく離れている場合に、永久磁石同期電動機の回転子が回転磁界に追従するように回転し始めて歯面どうしが当接したときに、負荷トルクが急激に増大する。このため、回転子の回転が乱れて脱調が起こり、回転が止まってしまうことがあった。

上に述べた特許文献１の技術は、センサの出力に基づいて推定する磁極位置と実際の磁極位置とがバックラッシュに因る速度変化の影響によりずれるのを防ぐものである。また、特許文献２の技術は、同期電動機ではないＤＣモータを制御するためのものである。したがって、特許文献１、２の技術によっても、センサレス型の永久磁石同期電動機における上に述べた問題を解決することができなかった。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、負荷を回転駆動する永久磁石同期電動機を従来よりも確実に起動することを目的としている。

本発明の実施形態に係る永久磁石同期電動機の制御装置は、捲線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、前記捲線に電流を流して前記回転子を駆動するための駆動部と、前記捲線に流れる電流または前記捲線に生じる電圧を磁極位置情報として検出する検出部と、検出された前記磁極位置情報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制御部と、を有する。前記制御部は、前記回転子が停止した状態において、前記回転子が回転しない検出用電流を前記駆動部により前記捲線に流してそのときの前記磁極位置情報に基づいて前記回転子の磁極位置を推定する位置推定処理と、推定した前記磁極位置に応じた角度位置から回転を始める補正用回転磁界が生じるように、前記回転子がそれに負荷が加わった状態では回転しない補正用電流を前記駆動部により前記捲線に流すバックラッシ補正処理と、前記バックラッシ補正処理を終えた後の前記回転子の磁極位置である補正磁極位置を特定する位置特定処理と、特定した前記補正磁極位置に応じた角度位置から回転を始める磁界を前記回転磁界として前記駆動部により生じさせて前記回転子を回転させる回転制御処理と、を行う。

本発明によると、負荷を回転駆動する永久磁石同期電動機を従来よりも確実に起動することができる。

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。 ブラシレスモータと負荷との連結の例を示す図である。 ブラシレスモータの構成を模式的に示す図である。 モータ制御装置の機能的構成の一例を示す図である。 モータ制御装置におけるモータ駆動部および電流検出部の構成を示す図であ る。 起動時における負荷トルクの推移の例を示す図である。 起動時の駆動シーケンスの例を示す図である。 位置推定処理に用いる励磁パターンの例および検出用電流の推移を示す図である。 バックラッシ補正処理に用いる励磁パターンおよびコアの励磁の例を示す図である。 設定テーブルの例を示す図である。 磁極位置ＰＳの変化の例を示す図である。 起動時の駆動シーケンスの他の例を示す図である。 設定テーブルの他の例を示す図である。 バックラッシ補正処理を行うタイミング（時期）の例を示す図である。 起動時にバックラッシ補正処理を行う場合のモータ制御装置における処理の流れを示す図である。 バックラッシ補正処理の流れの一例を示す図である。 位置特定処理の流れを示す図である。 停止中にバックラッシ補正処理を行う場合のモータ制御装置における処理の流れを示す図である。 停止時にバックラッシ補正処理を行う場合のモータ制御装置における処理の流れを示す図である。 センサによるバックラッシ量の検出の例を示す図である。 バックラッシ補正処理の流れの他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、図２にはブラシレスモータ３と回転体１９との連結の例が、それぞれ示されている。また、図３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１５によって引き出され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１５、感光体、および現像器を回転駆動する駆動源として、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。

図２に示すように、ブラシレスモータ３の回転軸３２０には、ギヤ３２１，３２５，３２６などを介して、負荷である回転体１９が連結されている。回転体１９は、例えば用紙９を搬送するためのローラである。ただし、これに限らず、定着ローラ、感光体ドラム、現像ローラ、またはベルトを巻回したプーリなどであってもよい。いずれにしても、プリンタエンジン１Ａは、ブラシレスモータ３により負荷として回転駆動される回転体１９を用いて用紙９を搬送しながら用紙９に画像を形成する。なお、ブラシレスモータ３の回転数に対する回転体１９の回転数の比（減速比）は、例えば１０：１程度とされている。

図３（Ａ）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°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、この回転磁界によって同期して回転する。

図３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またはそれ以上の多極であってもよい。回転子３２は、アウター式でもよく、インナー式でもよい。

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極の回転位置を、回転子３２の磁極位置ＰＳということがある。また、図３（Ｂ）に示すように、Ｕ相のコア３６の角度位置を位置Ｐ１といい、位置Ｐ１から右回転方向に６０°ずつずれた各角度位置を位置Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６ということがある。

図４にはモータ制御装置２１の機能的構成の一例が、図５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の構成が、それぞれ示されている。

図４のように、モータ制御装置２１は、モータ駆動部２６、検出部２７、回転速度制御部２２、および駆動制御部２３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５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などから構成される。各デュアル素子２６１，２６２，２６３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５において、プリドライブ回路２６５は、駆動制御部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。

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を磁極位置情報として検出する。Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０であるので、検出した電流Ｉｕ，Ｉｖから計算によって電流Ｉｗを求めることができる。なお、捲線３３〜３５のそれぞれに生じる電圧を磁極位置情報として検出する構成を採用してもよい。

図４に戻って、回転速度制御部２２は、本体制御部２０からの通知に応じて、駆動制御部２３に対して起動指令Ｓ１および停止指令Ｓ２を与える。例えば、画像形成装置１に対してプリントジョブの入力されたことが通知されたときには起動指令Ｓ１を与え、プリントジョブの完了が通知されたときには停止指令Ｓ２を与える。また、必要に応じて位置補正指令Ｓ３を与える。この他にも、回転速度Ｖに応じたパルス幅変調（ＰＷＭ）のためのデューティ比信号、回転方向を指定する信号、減速指令（ブレーキ）などを駆動制御部２３に与える。

駆動制御部２３は、回転速度制御部２２から入力される指令および信号に基づいて、モータ駆動部２６を制御する。例えば、起動指令Ｓ１または停止指令Ｓ２に基づいてモータ駆動部２６の起動および停止を制御する。パルス幅変調の指令に従ってモータ駆動部２６のトランジスタＱ１〜Ｑ６を制御し、ブラシレスモータ３に回転磁界を生成する。これによってブラシレスモータ３の回転を制御する。

駆動制御部２３は、回転速度推定部２３１、磁極位置推定部２３２、バックラッシ補正部２３３、磁極位置特定部２３４、および回転制御部２３５を有している。

回転速度推定部２３１は、ブラシレスモータ３が所定速度以上で回転している状態において、検出された電流Ｉｕ，Ｉｖに基づいて、ベクトル演算などによって磁極位置ＰＳおよび回転速度を推定する。この回転速度推定部２３１による推定結果に基づいて、ブラシレスモータ３のセンサレス制御が行われる。

磁極位置推定部２３２は、回転子３２が停止した状態において、位置推定処理を行う。位置推定処理は、回転子３２が回転しない程度の検出用電流Ｉａをモータ駆動部２６により捲線３３〜３５に流してそのときの磁極位置情報として検出された電流Ｉｕ，Ｉｖに基づいて回転子３２の磁極位置ＰＳを推定する処理である。

バックラッシ補正部２３３は、回転速度制御部２２から起動指令Ｓ１、停止指令Ｓ２、または位置補正指令Ｓ３が与えられたときに、バックラッシ補正処理を行う。バックラッシ補正処理は、磁極位置推定部２３２により推定された磁極位置ＰＳに応じた角度位置から回転を始める補正用回転磁界が生じるように、回転子３２がそれに負荷が加わった状態では回転しない程度の補正用電流Ｉｂ１（またはＩｂ２）をモータ駆動部２６により捲線３３〜３５に流す処理である。

磁極位置特定部２３４は、位置特定処理を行う。位置特定処理は、バックラッシ補正処理を終えた後の回転子３２の磁極位置ＰＳである補正磁極位置ＰＳ２を特定する処理である。磁極位置特定部２３４は、位置特定処理として、位置推定処理と同じ処理を行い、それによって推定した磁極位置ＰＳを補正磁極位置ＰＳ２として特定する。または、磁極位置推定部２３２により推定された磁極位置ＰＳとあらかじめ定められたバックラッシ補正量とに基づく演算により補正磁極位置ＰＳ２を特定する。

回転制御部２３５は、回転速度制御部２２から起動指令Ｓ１が与えられたときに、回転制御処理を行う。回転制御処理は、磁極位置特定部２３４により特定された補正磁極位置ＰＳ２に応じた角度位置から回転を始める磁界を回転磁界としてモータ駆動部２６により生じさせて回転子３２を回転させる処理である。

なお、モータ制御装置２１のハードウェア構成は任意である。例えば、回転速度制御部２２の機能を本体制御部２０の機能とともに１つのＣＰＵ（Central Processing Unit ）に設け、駆動制御部２３をＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit)やＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array ）などの集積回路により実現することができる。回転速度制御部２２と駆動制御部２３とを１つの集積回路により実現してもよい。

図６には起動時における負荷トルクの推移の例が示されている。図６において、実線の曲線Ｌ１は、バックラッシ補正処理を行った場合の推移を示し、一点鎖線の曲線Ｌ２は、バックラッシ補正処理を行わない場合の推移を示している。

駆動制御部２３は、起動指令Ｓ１に従ってブラシレスモータ３を起動する。「起動」とは、回転子３２が停止しているまたは停止状態にあるモータＯＦＦ状態から回転子３２が回転するモータＯＮ状態へ移行させることである。

起動に際して、まず、位置推定処理を行って磁極位置ＰＳを推定する。すなわち、センサレス方式におけるいわゆる初期位置推定を行う。次に、所定の励磁パターンによる初期励磁（直流励磁ともいう）を行って磁極位置ＰＳを位置決めする。そして、回転磁界を生じさせて回転子３２を回転させる。

ところで、初期励磁により位置決めした後、いきなり強い回転磁界を生じさせて回転子３２を回転させると、図６において曲線Ｌ２で示すように、負荷トルクが最大許容トルクを超えてしまい、そのために脱調が生じることがある。脱調が生じると、回転が停止するのを待って位置推定処理からやり直さねければならず、画像の形成が遅れてしまう。

負荷トルクには、ブラシレスモータ３の回転駆動力を負荷に伝達するギヤ間のバックラッシ（遊び）が関係する。ギヤを円滑に回転させるためにバックラッシが設けられることから、モータＯＦＦ状態において駆動側のギヤ３２５の歯面と従動側のギヤ３２６の歯面との間に隙間９０（図２０参照）が生じることがある。この隙間９０は、最大でバックラッシと同じ大きさとなる。この隙間９０が大きいほど、ブラシレスモータ３の回転に伴って歯面どうしが衝突したときの衝撃が大きく、負荷トルクが急激に増大する。

そこで、駆動制御部２３は、上に述べたバックラッシ補正処理を行う。これにより、ギヤ間の隙間９０が無くなりまたは減少するので、歯面どうしの衝突による負荷トルクの増大が低減される。つまり、曲線Ｌ１で示すように、負荷トルクが最大許容トルク以下の範囲内で推移するようになり、脱調を生じさせることなくブラシレスモータ３を起動することができる。

以下、バックラッシ補正処理を中心にモータ制御装置２１の動作をさらに説明する。

図７には起動時の駆動シーケンスの例が、図８には位置推定処理に用いる励磁パターンの例および検出用電流Ｉａの推移が、図９にはバックラッシ補正処理に用いる励磁パターンおよびコア３６〜３８の励磁の例が、図１０には設定テーブル９１の例が、図１１には磁極位置ＰＳの変化の例が、それぞれ示されている。

図７に示すように、（ａ）〜（ｉ）の各処理を順に行う。

すなわち、（ａ）の位置推定処理では、図８（Ａ）に示す６通りの励磁パターン[ １] 〜[ ６] の励磁を例えば３３００μｓずつ順に行う。位置推定処理の所要時間Ｔ１は、およそ２０ｍｓ程度である。各励磁パターン[ １] 〜[ ６] においては、制御信号Ｕ＋，Ｖ＋，Ｗ＋としてパルス幅が例えば３３μｓのパルス信号とし、制御信号Ｕ−，Ｖ−，Ｗ−のいずれかを選択的にＯＮレベルとする。

位置推定処理において捲線３３〜３５に流す検出用電流Ｉａは、図１１に示すようにしきい値電流Ｉｔｈ１よりも小さい電流に設定される。しきい値電流Ｉｔｈ１は、無負荷状態の回転子３２を回転させることが可能な最小の電流である。つまり、位置推定処理において回転子３２が回転子３２が回転しないように検出用電流Ｉａが設定される。

回転子３２である永久磁石の停止位置によって捲線３３〜３５のインダクタンスが変化するので、検出用電流Ｉａを流したときに検出される電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの立ち上がりに差異が生じる。そこで、６通りの励磁のそれぞれにおける例えば制御信号Ｕ＋，Ｖ＋，Ｗ＋のパスルの立下りのタイミングｔｓの電流値を比較することにより、磁極位置ＰＳを推定する。図１１（Ａ）に示す例において、推定した磁極位置ＰＳは、位置Ｐ６である。

図７における（ｂ）の初期励磁および（ｃ）の振動収束待ちは、後に行う制御に適するように磁極位置ＰＳを位置決めするための処理である。推定された磁極位置ＰＳに応じて、図９（Ａ）に示す６通りの励磁パターン[ １１] 〜[ １６] のうちの１つを選択し、選択した励磁パターンの励磁を行って磁極位置ＰＳを所定の位置に引き込む。この励磁を数ｍｓ〜数十ｍｓ程度の時間にわたって続けて回転子３２を安定させる。この初期励磁により位置決めする位置が、推定した磁極位置ＰＳに応じた角度位置の例である。

初期励磁の励磁パターン[ １１] 〜[ １６] のうち、例えば励磁パターン[ １１] では、制御信号Ｕ＋，Ｖ−をＯＮレベルとし、その他の制御信号Ｖ＋，Ｗ＋，Ｕ−，Ｗ−をＯＦＦレベルとする。これにより、図９（Ｂ）の上段左部に示すように、固定子３１のＵ相のコア３６がＳ極に、Ｖ相のコア３７がＮ極に励磁される。したがって、例えば図１１（Ａ）のように磁極位置ＰＳが位置Ｐ６であるとき、コア３６，３７との磁気吸引によって、図１１（Ｂ）に示すように、磁極位置ＰＳは位置Ｐ６と位置Ｐ１との中間の位置に引き込まれる。

図７における（ｄ）のバックラッシ補正処理では、初期励磁により位置決めした位置から回転を始める補正用回転磁界が生じるように、固定子３１を励磁する。詳しくは、初期励磁と同じく図９に示した励磁パターン[ １１] 〜[ １６] を用い、初期励磁に用いた励磁パターンから順に励磁パターンを切り替えていく。例えば、初期励磁において励磁パターン[ １１] を用いた場合には、右回転ならば、[ １１] 、[ １２] 、[ １３] …の順に、左回転ならば、[ １１] 、[ １６] 、[ １５] …の順に励磁パターンを切り替える。

バックラッシ補正処理を行うにあたって、図１０に示す設定テーブル９１を参照して、補正用電流Ｉｂ１および処理時間Ｔｄを設定する。設定テーブル９１は、あらかじめ駆動制御部２３による参照が可能に記憶されている。

設定テーブル９１は、画像形成装置１が有する複数のブラシレスモータのそれぞれについて、負荷との間のバックラッシ、最大補正量、補正用電流Ｉｂ１、および処理時間Ｔｄを示す。

最大補正量は、上に述べた隙間９０がバックラッシと同じ大きさであった場合の回転子３２の回転させるべき角度である。

補正用電流Ｉｂ１は、図７に示すようにしきい値電流Ｉｔｈ１よりも大きくかつしきい値電流Ｉｔｈ２よりも小さい電流である。しきい値電流Ｉｔｈ２は、負荷を回転させることができない範囲内の最大の電流である。つまり、補正用電流Ｉｂ１は、回転子３２を回転させるが、負荷を回転させない電流である。

処理時間Ｔｄは、補正用電流Ｉｂ１による励磁を行ったときに回転子３２が最大補正量だけ回転するのに要する時間である。つまり、隙間９０の大きさにかかわらず、少なくとも隙間９０が無くなるまで回転子３２を回転させることができる時間が、処理時間Ｔｄとして定められている。

したがって、バックラッシ補正処理は、回転子３２と負荷との間におけるバックラッシ量ｄ９０（隙間９０の大きさ）の最大値に対応する回転量だけ回転子３２が回転するのに要する時間以上にわたって補正用電流Ｉｂ１を流す処理であるといえる。

図７における（ｅ）の位置特定処理として、（ａ）の位置推定処理と同じ処理を行う。すなわち、図８（Ａ）に示す６通りの励磁パターン[ １] 〜[ ６] の励磁を順に行って磁極位置ＰＳを推定し、推定した磁極位置ＰＳを補正磁極位置ＰＳ２として特定する。図１１（Ｃ）に示す例においては、バックラッシ補正処理により磁極位置ＰＳが位置Ｐ３から少し位置Ｐ４へ近づいた位置に移動しており、この磁極位置ＰＳが補正磁極位置ＰＳ２として特定される。

図７における（ｆ）の初期励磁および（ｇ）の振動収束待ちは、次の（ｈ）の強制転流に適するように磁極位置ＰＳを位置決めするために行う。処理の内容は、基本的には（ｂ）の初期励磁および（ｃ）の振動収束待ちと同様である。すなわち、特定された補正磁極位置ＰＳ２に応じて、図９（Ａ）に示す６通りの励磁パターン[ １１] 〜[ １６] のうちの１つを選択し、選択した励磁パターンの励磁を行って補正磁極位置ＰＳ２を所定の位置に引き込む。ただし、この段階では、バックラッシ補正処理により隙間９０が無くなっているので、補正磁極位置ＰＳ２を引き込むには、負荷をも回転させる必要がある。したがって、励磁のために流す電流は、図７に示すように、しきい値電流Ｉｔｈ２よりも大きい電流Ｉｃとする。図１１（Ｃ）に示す例においては、図９に示す励磁パターン[ １４] の励磁を行って補正磁極位置ＰＳ２を位置Ｐ３と位置Ｐ４との中間の位置に引き込む。

図７における（ｈ）の強制転流および（ｉ）のセンサレス制御は、特定した補正磁極位置ＰＳ２に応じた角度位置から回転を始める回転磁界を生じさせて回転子３２を回転させる回転制御処理である。（ｆ）の初期励磁により引き込まれた後の補正磁極位置ＰＳ２は、特定した補正磁極位置ＰＳ２に応じた角度位置の例である。回転磁界を生じさせるために、しきい値電流Ｉｔｈ２以上の大きさの電流Ｉｃを捲線３３〜３５に流す。

詳しくは、強制転流において、（ｆ）の初期励磁と同じく図９に示した励磁パターン[ １１] 〜[ １６] を用い、（ｆ）の初期励磁に用いた励磁パターン（例えば励磁パターン[ １４] ）から順に励磁パターンを切り替えていく。これにより生じる回転磁界に同期して回転子３２が回転する。励磁パターンの切替えのタイミングを徐々に早めて回転速度を増大させる。

切替えのタイミングから推定される回転速度Ｖがしきい値速度Ｖｔｈに達すると、上に述べたように電流Ｉｕ，Ｉｖの検出結果に基づいてベクトル演算などによって磁極位置ＰＳおよび回転速度を推定して回転を制御するセンサレス制御に移行する。

しきい値速度Ｖｔｈは、目標とする回転速度の例えば２０〜３０％程度の速度とすることができる。

図１２には起動時の駆動シーケンスの他の例が、図１３には設定テーブル９２の他の例が、それぞれ示されている。

図１２に示す駆動シーケンスは、回転子３２が停止したときにバックラッシにより生じるギヤ間の隙間９０の大きさが、ある程度の範囲内にほぼ限られるという場合に好適である。その大きさのほぼ限られる隙間９０の分だけバックラッシ補正を行えば、実際の隙間９０に多少の変動があったとしても、負荷トルクが最大許容トルクを超えないように隙間９０を小さすることができる。

図１２の駆動シーケンスは、図７の例と同様に( ａ）〜（ｃ）の処理を行い、（ｄ２）および( ｅ２）の処理を行った後に、図７の例と同様に( ｈ）および（ｉ）の処理を行うものである。

（ｄ２）のバックラッシ補正処理では、( ａ）の初期励磁により位置決めした位置から回転を始める補正用回転磁界が生じるように、固定子３１を励磁する。このバックラッシ補正処理を行うにあたって、図１３に示す設定テーブル９２に基づいて、補正用電流Ｉｂ２および処理時間Ｔｄ２を設定する。設定テーブル９２は、あらかじめ駆動制御部２３による参照が可能に記憶されている。

設定テーブル９２は、画像形成装置１が有する複数のブラシレスモータのそれぞれについて、最頻バックラッシ量ｄ９２、補正量ｄθ、補正用電流Ｉｂ２、および処理時間Ｔｄ２を示す。

最頻バックラッシ量ｄ９２は、ブラシレスモータ３の回転と停止とを多数回繰り返して停止ごとにバックラッシ量ｄ９０を測定したときの、最頻の測定値である。

補正量ｄθは、最頻バックラッシ量ｄ９２に対応する角度、詳しくはバックラッシ量ｄ９０が最頻バックラッシ量ｄ９２である場合における回転子３２の回転させるべき角度である。

補正用電流Ｉｂ２は、図７に示すようにしきい値電流Ｉｔｈ１よりも大きくかつしきい値電流Ｉｔｈ２よりも小さい電流であって、緩やかにかつより短時間で補正量ｄθだけ回転子３２が回転するように選定された電流である。

処理時間Ｔｄ２は、補正用電流Ｉｂ２による励磁を行ったときに回転子３２が少なくとも補正量ｄθだけ回転するのに要する時間である。

したがって、（ｄ２）のバックラッシ補正処理は、回転子３２と負荷との間におけるバックラッシ量の最頻値に対応して設定された設定時間である処理時間Ｔｄ２にわたって補正用電流Ｉｂ２を流す処理であるといえる。

図１４にはバックラッシ補正処理を行うタイミング（時期）Ｔａの例が示されている。

図１４（Ａ）のように、起動指令Ｓ１が与えられたとき、すなわちモータＯＦＦ状態からモータＯＮ状態に切り替わる起動時に、バックラッシ補正処理を行う。これによれば、起動指令Ｓ１が与えられる以前に何らかの理由でバックラッシ量ｄ９０が変化することがあっても、起動時のバックラッシ量ｄ９０に応じたバックラッシ補正を行うことができ、より確実にブラシレスモータ３を起動することができる。

図１４（Ｂ）および（Ｃ）のように、起動指令Ｓ１が与えられる以前のモータＯＦＦ状態である停止中に、その後の起動の準備としてバックラッシ補正処理を行う。これによれば、起動時にバックラッシ補正処理を行う場合と比べて、バックラッシ補正処理を省略する分だけ起動の所要時間を短縮することができる。

例えば、図１４（Ｂ）のように、モータＯＦＦ状態になった時点から所定の時間Ｔｘが経過したときに、または位置補正指令Ｓ３が与えられたときに、バックラッシ補正処理を行う。位置補正指令Ｓ３が与えられる場合としては、ジャムの対処としてユーザにより用紙９が引き抜かれた場合のように、ブラシレスモータ３が外力により回転した可能性のあることが検知された場合などがある。

また、図１４（Ｃ）のように、停止中にバックラッシ補正処理を複数回行うことができる。例えば、時間Ｔｘが経過してバックラッシ補正処理を行ったあと、さらに時間Ｔｙが経過するごとにバックラッシ補正処理を行う。時間Ｔｙは、時間Ｔｘと同じ長さであってもよいし、異なる長さであってもよい。バックラッシ補正処理を複数回行うことにより、モータＯＦＦ状態が長く続いた場合にも、その後の起動時における状態をバックラッシ補正された状態とすることができる。

なお、時間Ｔｘが経過する以前に起動指令Ｓ１が与えられるというように、起動の直前のモータＯＦＦ状態においてバックラッシ補正処理を行わなかった場合には、起動時にバックラッシ補正処理を行えばよい。

図１４（Ｄ）のように、停止指令Ｓ２が与えられたとき、すなわちモータＯＮ状態からモータＯＦＦ状態に切り替わる停止時に、その後の起動の準備としてバックラッシ補正処理を行う。これによれば、特に比較的に短いモータＯＦＦ期間を設けるように断続的にＯＮ／ＯＦＦを繰り返す場合に、各回の起動の所要時間を短縮することができる。

次に、フローチャートを参照してモータ制御装置２１における処理の流れを説明する。

図１５には起動時にバックラッシ補正処理を行う場合のモータ制御装置２１における処理の流れが、図１６にはバックラッシ補正処理の流れの一例が、図１７には位置特定処理の流れが、それぞれ示されている。

図１５において、起動指令Ｓ１が与えられると（＃３０１でＹＥＳ) 、位置推定処理を行う（＃３０２）。すなわち、停止している回転子３２の磁極位置ＰＳ（初期位置）を、図８の励磁パターン[ １] 〜[ ６] を用いてコア３６〜３８を励磁したときに検出された電流Ｉｕ，Ｉｖに基づいて推定する。

次に、図９の励磁パターン[ １１] 〜[ １６] を選択的に用いて磁極位置ＰＳを位置決めする初期励磁を行い（＃３０３）、その後にバックラッシ補正処理を行う（＃３０４）。

バックラッシ補正処理では、図１６に示すように、設定テーブル９１または設定テーブル９２におけるブラシレスモータ３に関する内容を参照して、補正用電流Ｉｂ１，Ｉｂ２および処理時間Ｔｄ，Ｔｄ２などの処理条件を設定する（＃６０１）。そして、設定した処理条件に従ってコア３６〜３８の励磁を制御して隙間９０が小さくなるように回転子３２を回転させる（＃６０２）。

バックラッシ補正処理を行った後に、補正磁極位置ＰＳ２を特定する位置特定処理を行う（＃３０５）。

位置特定処理として、例えば図１７（Ａ）に示すように位置推定処理を行う（＃７０１）。すなわち、図８の励磁パターン[ １] 〜[ ６] による励磁を行って磁極位置ＰＳを推定し、推定した磁極位置ＰＳを補正磁極位置ＰＳ２として特定する。ステップ＃３０４のバックラッシ補正処理において設定テーブル９１に基づいて処置条件を設定した場合には、この位置推定処理を行う。

または、位置特定処理として、図１７（Ｂ）に示すように演算によって補正磁極位置ＰＳ２を特定する（＃７１１）。詳しくは、位置推定処理により推定した磁極位置ＰＳに基づいて初期励磁により位置決めした磁極位置ＰＳ６と、バックラッシ補正処理により回転させた角度である補正量とに基づいて補正磁極位置ＰＳ２を求める。すなわち、位置決めした磁極位置ＰＳ６から補正量だけ回転した位置を補正磁極位置ＰＳ２として特定する。ステップ＃３０４のバックラッシ補正処理において設定テーブル９２に基づいて処置条件を設定した場合には、この位置推定処理を行う。その場合には、補正量として、バックラッシ量ｄ９０の最頻値に対応する補正量ｄθを演算に用いる。

図１５に戻って、位置推定処理を終えると、強制転流を行う（＃３０６）。すなわち、特定した補正磁極位置ＰＳ２またはそれを初期励磁により引き込んだ位置から回転を始める回転磁界を生じさせる。そして、回転磁界の回転を速めていく。

回転速度Ｖが所定のしきい値速度Ｖｔｈに達すると（＃３０７でＹＥＳ）、センサレス制御に移行する（＃３０８）。停止指令Ｓ２が与えられるまでセンサレス制御を続け、停止指令Ｓ２が与えられると（＃３０９でＹＥＳ）、ブラシレスモータ３の駆動を停止する（＃３１０）。これによりブラシレスモータ３はモータＯＦＦ状態になる。

図１８には停止中にバックラッシ補正処理を行う場合のモータ制御装置２１における処理の流れが示されている。

バックラッシ補正を行うかどうかを判断する（＃４０１）。すなわち、図１４に示した所定の時間Ｔｘ，Ｔｙが経過し、または位置補正指令Ｓ３が与えられたかどうかを判断する。

バックラッシ補正を行うと判断すると（＃４０１でＹＥＳ）、位置推定処理（＃４０２）、初期励磁（＃４０３）、バックラッシ補正処理（＃４０４）、および位置特定処理（＃４０５）を順に行う。バックラッシ補正処理として例えば図１６の処理を行い、位置特定処理として図１７の処理を行う。

起動指令Ｓ１が与えられると（＃４０６でＹＥＳ）、強制転流を行う（＃４０７）。回転速度Ｖが所定のしきい値速度Ｖｔｈに達すると（＃４０８でＹＥＳ）、センサレス制御に移行する（＃４０９）。そして、停止指令Ｓ２が与えられると（＃４１０でＹＥＳ）、ブラシレスモータ３の駆動を停止する（＃４１１）。

図１９には停止時にバックラッシ補正処理を行う場合のモータ制御装置２１における処理の流れが示されている。

停止指令Ｓ２が与えられると（＃５０１でＹＥＳ）、ブラシレスモータ３の駆動を停止する（＃５０２）。続いて、位置推定処理（＃５０３）、初期励磁（＃５０４）、バックラッシ補正処理（＃５０５）、および位置特定処理（＃５０６）を順に行う。バックラッシ補正処理として例えば図１６の処理を行い、位置特定処理として図１７の処理を行う。

起動指令Ｓ１が与えられると（＃５０７でＹＥＳ）、強制転流を行う（＃５０８）。回転速度Ｖが所定のしきい値速度Ｖｔｈに達すると（＃５０９でＹＥＳ）、センサレス制御に移行する（＃５１０）。その後、停止指令Ｓ２が与えられるまでセンサレス制御を続ける。

図２０にはセンサ５００によるバックラッシ量ｄ９０の検出の例が、図２１にはバックラッシ補正処理の流れの他の例が、それぞれ示されている。

図２０に示すように、センサ５００として例えばエリアセンサを用いてギヤ３２５とギヤ３２６との噛み合う部分を撮像することにより、歯面どうしの隙間９０の大きさ（距離）をバックラッシ量ｄ９０として測定することができる。すなわち、撮影像に基づいて画像認識技術により隙間９０を特定し、バックラッシ量ｄ９０を定量化する。

このようにバックラッシ量ｄ９０を実測する場合には、実測したバックラッシ量ｄ９０に応じてバックラッシ補正処理における補正量ｄθを調整することができる。図２１はバックラッシ量ｄ９０を実測する場合のバックラッシ補正処理の流れを示している。

図２１において、センサ５００の出力を取り込み（＃６１１）、バックラッシ量ｄ９０を算出する（＃６１２）。算出したバックラッシ量ｄ９０を変数とし、各ギヤの径および回転の減速比などを定数とする所定の演算式に基づいて、補正量ｄθを算出する（＃６１３）。そして、算出した補正量ｄθの回転が生じるように補正用電流Ｉｂ１および処理時間Ｔｄを設定してコア３６〜３８の励磁を制御する（＃６１４）。

つまり、図２１のバックラッシ補正処理は、検出されたバックラッシ量ｄ９０に対応する回転量である補正量ｄθ３だけ回転子３２が回転するのに要する処理時間Ｔｄ以上わたって補正用電流Ｉｂを流す処理である。

以上の実施形態によると、バックラッシ補正によりバックラッシ量ｄ９０を低減した状態で起動を行うことができるので、バックラッシに起因する負荷トルクの増大による脱調を防ぐことができ、ブラシレスモータ３を従来よりも確実に起動することができる。

バックラッシ補正処理によって変化した磁極位置ＰＳを初期励磁により修正し、直ちに強制転流を行うので、素早く確実な起動を実現することができる。これにより、回転制御の安定度の向上、画像形成装置１の起動時間（ＦＰＯＴ(First Print Output Time) の短縮を図ることができる。また、起動時の負荷トルクが安定するので、許容トルクのマージンを設けず一回り小さいブラシレスモータ３を採用して画像形成装置１の省電力化およびコストダウンを図ることができる。

上に述べた実施形態において、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、励磁パターン、補正用電流Ｉｂ１，Ｉｂ２の設定値、処理の内容、順序、またはタイミングなどは、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
１Ａ プリンタエンジン（プリンタ部）
３ ブラシレスモータ（永久磁石同期電動機）
９ 用紙
１９ 回転体（負荷）
２１ モータ制御装置（永久磁石同期電動機の制御装置）
２３ 駆動制御部（制御部）
２６ モータ駆動部（駆動部）
２７ 検出部
３２ 回転子
３３，３４，３５ 捲線
２３２ 磁極位置推定部（位置推定処理）
２３３ バックラッシ補正部（バックラッシ補正処理）
２３４ 磁極位置特定部（位置特定処理）
５００ センサ
ｄ９０ バックラッシ量
ｄθ 補正量（バックラッシ補正量）
Ｉａ 検出用電流
Ｉｂ１，Ｉｂ２ 補正用電流
Ｉｕ，Ｉｖ 電流（磁極位置情報）
Ｔｄ１，Ｔｄ２ 処理時間（時間、設定時間）

Claims (8)

1. 捲線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、
   前記捲線に電流を流して前記回転子を駆動するための駆動部と、
   前記捲線に流れる電流または前記捲線に生じる電圧を磁極位置情報として検出する検出部と、
   検出された前記磁極位置情報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制御部と、を有し、
   前記制御部は、
   前記回転子が停止した状態において、前記回転子が回転しない検出用電流を前記駆動部により前記捲線に流してそのときの前記磁極位置情報に基づいて前記回転子の磁極位置を推定する位置推定処理と、
   推定した前記磁極位置に応じた角度位置から回転を始める補正用回転磁界が生じるように、前記回転子がそれに負荷が加わった状態では回転しない補正用電流を前記駆動部により前記捲線に流すバックラッシ補正処理と、
   前記バックラッシ補正処理を終えた後の前記回転子の磁極位置である補正磁極位置を特定する位置特定処理と、
   特定した前記補正磁極位置に応じた角度位置から回転を始める磁界を前記回転磁界として前記駆動部により生じさせて前記回転子を回転させる回転制御処理と、を行う、
   ことを特徴とする永久磁石同期電動機の制御装置。
2. 前記バックラッシ補正処理は、前記回転子と前記負荷との間におけるバックラッシ量の最大値に対応する回転量だけ前記回転子が回転するのに要する時間以上にわたって前記補正用電流を流す処理である、
   請求項１記載の永久磁石同期電動機の制御装置。
3. 前記回転子と前記負荷との間におけるバックラッシ量を検出するセンサをさらに有し、
   前記バックラッシ補正処理は、検出された前記バックラッシ量に対応する回転量だけ前記回転子が回転するのに要する時間以上わたって前記補正用電流を流す処理である、
   請求項１記載の永久磁石同期電動機の制御装置。
4. 前記位置特定処理は、前記位置推定処理と同じ処理を行い、それによって推定した磁極位置を前記補正磁極位置として特定する処理である、
   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. 前記バックラッシ補正処理は、前記回転子と前記負荷との間におけるバックラッシ量の最頻値に対応して設定された設定時間にわたって前記補正用電流を流す処理である、
   請求項１記載の永久磁石同期電動機の制御装置。
6. 前記位置特定処理は、前記位置推定処理により推定した前記磁極位置とあらかじめ定められたバックラッシ補正量とに基づく演算により前記補正磁極位置を特定する処理である、
   請求項５記載の永久磁石同期電動機の制御装置。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の永久磁石同期電動機の制御装置と、
   前記負荷として前記永久磁石同期電動機により回転駆動される回転体を用いて用紙を搬送しながら当該用紙に画像を形成するプリンタ部と、を有する、
   ことを特徴とする画像形成装置。
8. 捲線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、
   前記回転子が停止した状態において、前記回転子が回転しない検出用電流を前記捲線に流してそのときの前記前記捲線に流れる電流または前記捲線に生じる電圧に基づいて前記回転子の磁極位置を推定し、
   推定した前記磁極位置に応じた角度位置から回転を始める補正用回転磁界が生じるように、前記回転子がそれに負荷が加わった状態では回転しない補正用電流を前記捲線に流すバックラッシ補正を行い、
   前記バックラッシ補正処理を終えた後の前記回転子の磁極位置である補正磁極位置に応じた角度位置から回転を始める磁界を前記回転磁界として生じさせて前記回転子を回転させる、
   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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