JP2018046593A - 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】位置指令が与えられない場合であっても、回転子を所望の位置に停止させる。【解決手段】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は、捲線に電流を流して回転子３２を駆動する駆動部と、捲線に流れる電流に基づいて回転子３２の磁極位置ＰＳを推定する推定部と、を有し、回転子３２を停止させる制御として、回転子３２の磁極位置ＰＳを停止位置Ｐｘに引き込んで停止させる磁界ベクトル８５を生成する電流を推定された最新の磁極位置ＰＳに基づいて決定し、決定した電流を捲線に流し続けるよう駆動部を制御する。【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、回転子の磁極位置および回転速度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、磁極位置および回転速度を所定の精度で推定することができないことから、その場合には磁極位置および回転速度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。

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、停止させた後に回転を再開する際に、停止状態の磁極位置を何らかの方法で推定しなければならず、推定に要する時間だけ回転の開始が遅れる。また、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。細かくまたは無段階に設定可能であれば、回転子を所望の位置に必要最小限の時間で停止させることができる。また、停止時に負荷を位置決めする場合において、所望の位置に高い精度で位置決めすることが可能となる。

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、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駆動部と、前記捲線に流れる電流に基づいて前記回転子の磁極位置を推定する推定部と、推定された前記磁極位置に基づいた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ると前記回転子が停止す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、前記回転子を停止させる制御として、前記回転子の磁極位置を停止位置に引き込んで停止させる磁界ベクトルを生成する電流を推定された最新の磁極位置に基づいて決定し、決定した電流を前記捲線に流し続けるよう前記駆動部を制御する。

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のできる制御装置および制御方法を提供することができる。

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。 ブラシレスモータの構成を模式的に示す図である。 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。 停止時の駆動シーケンス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の設定の例を示す図である。 磁界ベクトルに対応する電流ベクトルの例を示す図である。 固定励磁制御により停止するまでの過程における回転子および磁界ベクトルの状態の例を示す図である。 モータ制御装置における速度制御部、記憶部、電流制御部、および出力座標変換部の構成の例を示す図である。 停止時の駆動シーケンスの他の例を示す図である。 モータ制御装置における回転を停止させるための処理の流れを示す図である。 モータ制御装置における回転を停止させるための処理の流れの他の例を示す図である。 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、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を搬送しながら用紙９に画像を形成する。

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。

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。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磁極位置および回転速度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軸とし、ｄ軸から電気角でπ／２［ｒａｄ］（９０°）進んだ方向をｑ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の遅れを、Δθと定義する。

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の構成の例が、それぞれ示されている。

図４に示すように、モータ制御装置２１は、モータ駆動部２６、電流検出部２７、ベクトル制御部２４、速度・位置推定部２５、および記憶部２８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、ベクトル制御部２４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。

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抵抗値が小さい値（１／１０Ωオーダー）の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。

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４に戻って、ベクトル制御部２４は、上位制御部２０からの速度指令Ｓ１の示す速度指令値ω＊に応じて、モータ駆動部２６を制御する。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速度指令Ｓ１を発する。回転駆動の停止を指令する場合に、上位制御部２０は、速度指令値ω＊を「０」とした速度指令Ｓ１をベクトル制御部２４に与える。つまり、この場合の速度指令Ｓ１は、停止指令Ｓ１ｓとなる。

ベクトル制御部２４は、推定された磁極位置に基づいた回転磁界が生成されるようモータ駆動部２６を制御するとともに、停止指令Ｓ１ｓが入力されると回転子３２が停止するようモータ駆動部２６を制御する。

回転子を停止させる制御として、ベクトル制御部２４は、回転子３２の磁極位置ＰＳを停止位置に引き込んで停止させる磁界ベクトルを生成する電流を、推定された最新の磁極位置ＰＳに基づいて決定し、決定した電流を捲線３３〜３５に流し続けるよう、モータ駆動部２６を制御する。詳しくは次の通りである。

ベクトル制御部２４は、速度制御部４１、電流制御部４２、出力座標変換部４３、ＰＷＭ変換部４４、および入力座標変換部４５を有する。これらの各部は、上位制御部２０からの速度指令Ｓ１が停止指令Ｓ１ｓではない場合において、すなわち、速度推定値ωｍが「０」ではない場合において、次の処理を行う。

速度制御部４１は、上位制御部２０からの速度指令値ω＊と速度・位置推定部２５からの速度推定値ωｍとに基づいて、速度推定値ωｍが速度指令値ω＊に近づくようにγ−δ座標系の電流指令値Ｉγ＊，Ｉδ＊を決定する。

電流制御部４２は、電流指令値Ｉγ＊，Ｉδ＊に基づいて、γ−δ座標系の電圧指令値Ｖγ＊，Ｖδ＊を決定する。

出力座標変換部４３は、速度・位置推定部２５からの推定角度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。

ＰＷＭ変換部４４は、電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に基づいて制御信号Ｕ＋，Ｕ−，Ｖ＋，Ｖ−，Ｗ＋，Ｗ−を生成し、モータ駆動部２６へ出力する。制御信号Ｕ＋，Ｕ−，Ｖ＋，Ｖ−，Ｗ＋，Ｗ−は、ブラシレスモータ３に供給する３相交流電力の周波数および振幅をパルス幅変調（PWM: Pulse Width Modulation ）により制御するための信号である。

入力座標変換部４５は、電流検出部２７により検出されたＵ相の電流ＩｕおよびＶ相の電流Ｉｖの各値からＷ相の電流Ｉｗの値を算出する。そして、速度・位置推定部２５からの推定角度θｍと３相の電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの値とに基づいて、γ−δ座標系の推定電流値Ｉγ，Ｉδを算出する。つまり、電流について３相から２相への変換を行う。

速度・位置推定部２５は、入力座標変換部４５からの推定電流値Ｉγ，Ｉδと電流制御部４２からの電圧指令値Ｖγ＊，Ｖδ＊とに基づいて、いわゆる電圧電流方程式に従って速度推定値ωｍおよび推定角度θｍを求める。速度推定値ωｍは、回転子３２の回転速度の推定値の例であり、推定角度θｍは、回転子３２の磁極位置ＰＳの推定値の例である。また、推定電流値Ｉγ，Ｉδは、電流検出部２７により検出された電流Ｉｕ，Ｉｖの値の例である。

求められた速度推定値ωｍは、速度制御部４１に入力され、求められた推定角度θｍは、速度制御部４１、出力座標変換部４３、および入力座標変換部４５に入力される。

このようなベクトル制御部２４の各部および速度・位置推定部２５により、モータ駆動部２６が制御されてブラシレスモータ３が回転駆動される。

さて、本実施形態のモータ制御装置２１は、ブラシレスモータ３の回転子３２を所望の停止位置に停止させる機能を有している。以下、この機能を中心にモータ制御装置２１の構成および動作をさらに説明する。

図６には停止時の駆動シーケンスの例が、図７には回転子３２を停止させるための磁界ベクトル８５の設定の例が、図８には磁界ベクトル８５に対応する電流ベクトル９５の例が、それぞれ示されている。また図９には固定励磁制御により停止するまでの過程における回転子３２および磁界ベクトル８５の状態の例が示されている。

図６において、時刻ｔ１に上位制御部２０からモータ制御装置２１に停止指令Ｓ１ｓが入力される。時刻ｔ１以前では、ベクトル制御が行われて回転速度ωが一定に保たれているものとする。ただし、加速しまたは減速していてもよい。

モータ制御装置２１は、停止指令Ｓ１ｓが入力されると、減速制御を開始する。減速制御として、例えば回転速度ωが次第に低減するよう回転磁界の回転（周波数）を制御する。ただし、これに限らず、いわゆる３相短絡式のショートブレーキ制御またはフリーラン制御を行ってもよい。ショートブレーキ制御を行う場合には、モータ駆動部２６のトランジスタＱ１，Ｑ３，Ｑ５をすべてオフ状態としかつトランジスタＱ２，Ｑ４，Ｑ６をすべてオン状態とする。フリーラン制御を行う場合には、トランジスタＱ１〜Ｑ６をすべてオフ状態とする。

減速制御は、回転速度ωが下限速度ω１以上のあらかじめ設定された制御切替速度ω２に低下するまで続けられる。下限速度ω１とは、電流Ｉｕ，Ｉｖに基づく速度・位置推定部２５による磁極位置ＰＳの推定が可能な最低の回転速度ωである。

回転速度ωが制御切替速度ω２に低下すると（時点ｔ２）、モータ制御装置２１は、実行する制御を減速制御から固定励磁制御へ切り替える。

固定励磁制御は、回転子３２を停止させるために、回転子３２の磁極を所定の停止位置に引き込む磁界が生じるよう捲線３３〜３５に電流を流し続ける制御である。図６では時刻ｔ３で回転子３２が停止する。

固定励磁制御には、速度・位置推定部２５による推定角度θｍを用いる。このため、上に述べた制御切替速度ω２は、減速制御から固定励磁制御への切替えのタイミングが速度・位置推定部２５による推定が可能である期間内となるよう定められている。

以下、固定励磁制御について詳述する。

図７〜図９では、回転子３２を停止させたい位置（狙いの位置）である停止位置Ｐｘを二重丸で示している。

なお、図７および図９において、永久磁石の磁束方向を示すｄ軸は、推定角度θｍによって決定されるγ軸とほぼ同じであるので、ｄ軸およびｑ軸を、γ軸およびδ軸と等しいものとして扱う。また、ｄ軸およびｑ軸は、永久磁石の磁束方向を理想的に示す軸であるが、実際に推定角度θｍを経て推定されまたは検知されるのはγ軸およびδ軸であるので、実際の制御においてはγ軸およびδ軸を用いてよい。つまり、本発明において、ｄ−ｑ軸に代えてγ軸−δ軸を用いることができ、また、Ｉｄ、Ｉｑ、θなどについてもこれに代えてＩγ、Ｉδ、θｍを用いることができる。

さて、固定励磁制御に切り替わると、モータ制御装置２１は、図７（Ａ）に示すように、回転子３２の回転中心から停止位置Ｐｘ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を停止位置Ｐｘに引き込む磁界を表わす。

磁界ベクトル８５の向きを定める停止位置Ｐｘは、磁極位置ＰＳに対する進み方向および遅れ方向のそれぞれのずれ量が電気角で最大１８０度である範囲Λ１，Λ２内の位置である。すなわち、磁極位置ＰＳに対して、電気角で０〜＋１８０度ずれる進み方向の範囲Λ１内の任意の位置、または電気角で０〜−１８０度ずれる遅れ方向の範囲Λ２内の任意の位置が停止位置Ｐｘとされる。

なお、ここに示したブラシレスモータ３の極数は２であって電気角と機械角とが等しいので、磁極位置ＰＳに対して機械角で０〜±１８０度ずれる範囲、つまり全周（３６０度の範囲）の任意の位置が停止位置Ｐｘになり得る。

停止位置Ｐｘは、そのときの磁極位置ＰＳを基準に決定する相対的な位置であってよいし、あらかじめ定められる固定の位置（絶対的な位置）であってもよい。

停止位置Ｐｘを相対的な位置とする場合には、図７（Ｂ）に示す磁極位置ＰＳから停止位置Ｐｘまでの角度ｄθが、あらかじめ定められる。この角度ｄθは、上に述べた通り、電気角で−１８０度〜＋１８０度の範囲内の角度である。停止位置Ｐｘは、例えばＵ相のコア３６の角度位置から停止位置Ｐｘまでの角度θｘで特定される。角度θｘは、推定角度θｍと角度ｄθとの和に相当する角度となる。

停止位置Ｐｘを固定の位置とする場合には、図７（Ｃ）に示すように停止位置Ｐｘを特定する角度θｘが、あらかじめ定められる。この場合には、磁極位置ＰＳから停止位置Ｐｘまでの角度ｄθは、磁極位置ＰＳに応じて変わる。

ところで、磁界ベクトル８５を定めることは、図８（Ａ）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を停止位置Ｐｘ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軸の角度位置を示す角度θｍを設定する。そして、電流ベクトル９５の大きさとして、電流ベクトル９５のｄ軸成分Ｉｄおよびｑ軸成分Ｉｑを設定する。

図８（Ｂ）に示すように、電流ベクトル９５の大きさは、磁極位置ＰＳから停止位置Ｐｘまでの角度ｄθに応じて、角度ｄθが大きいほど大きくなるようにする。つまり、磁極位置ＰＳが停止位置Ｐｘに到着しなかったり停止位置Ｐｘを通り過ぎて回転を続けたりすることなく、磁極位置ＰＳが停止位置Ｐｘに引き込まれて停止するようにする。

例えば、図７（Ａ）に示した範囲Λ１および範囲Λ２をそれぞれ複数の角度範囲に区分し、各角度範囲ごとに電流ベクトル９５の大きさの値をあらかじめ実験または理論計算の結果に基づいて決めておくことができる。範囲Λ１についての値（それまでの回転と同じ方向に回転子３２を回転させて停止位置Ｐｘへ引き込む場合の値）と、範囲Λ２についての値（それまでの回転と反対の方向に回転させて引き込む場合の値）とを、個別に決めておいてよい。決めた値をテーブルにまとめて制御用データとして記憶しておく。

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）
以上のように電流ベクトル９５を定めてモータ駆動部２６を制御することにより、図９（Ａ）に示す状態が（Ｂ）に示す状態を経て（Ｃ）に示す状態になる。すなわち、磁極位置ＰＳが停止位置Ｐｘに近づく方向に回転子３２が回転し、磁極位置ＰＳが停止位置Ｐｘとなる状態で停止する。回転子３２は回転するが、磁界ベクトル８５の向きも大きさも変わらない。つまり、捲線３３〜３５に流す電流は一定であり、固定されている。

なお、電流ベクトル９５を定めた後においては、推定角度θｍを推定しないので、ｄ−ｑ軸モデルを用いるベクトル制御は行わない。しかしながら、ここで、回転子３２の回転に同期して回転するｄ−ｑ座標系を仮想し、捲線３３〜３５に流す電流をｄ軸電流とｑ軸電流との合成電流であると仮定する。この仮定において、「ｄ軸電流は、磁極位置ＰＳが停止位置Ｐｘに近づくにつれて初期値（設定したｄ軸成分Ｉｄの値）から増大して最終的にＩとなる」と考えられる。「ｑ軸電流は、磁極位置ＰＳが停止位置Ｐｘに近づくにつれて初期値（設定したｑ軸成分Ｉｑの値）から減少して最終的に０となる」と言うことができる。

図１０にはモータ制御装置２１における速度制御部４１、記憶部２８、電流制御部４２、および出力座標変換部４３の構成の例が示されている。

図１０において、速度制御部４１は、回転指令部４１０、制御切換部４１２、停止指令部４１４、および不揮発性メモリ４１６を有する。これらの要素のうち、制御切換部４１２、停止指令部４１４、および不揮発性メモリ４１６が、ブラシレスモータ３を停止させるための処理に関わる。

回転指令部４１０は、速度指令値ω＊と速度推定値ωｍとに基づいて電流指令値Ｉγ＊，Ｉδ＊を決定する。すなわち、回転指令部４１０は、ブラシレスモータ３を回転駆動するための処理に関わる。

制御切換部４１２は、上位制御部２０から停止指令Ｓ１ｓが入力された後の所定の時点で、モータ制御装置２４による制御を減速制御から固定励磁制御へ切り替える。切替える時点は、固定励磁制御により所望の停止位置Ｐｘに回転子３２を停止させることができる期間内の時点であればよい。一例として、ブラシレスモータ３の回転速度ωとして入力される速度推定値ωｍが上に述べた所定の制御切替速度ω２に低下した時点がある。他の例として、停止指令Ｓ１ｓが入力されてから所定の時間が経過した時点、および後に述べるように磁極位置ＰＳを推定することができなくなった時点などがある。

制御切換部４１２は、制御を切り替えると、固定励磁制御を行うモードであることを示す固定励磁モード信号Ｓ２を出力する。固定励磁モード信号Ｓ２は、固定励磁制御が行われる間、停止指令部４１４、電流制御部４２、および出力座標変換部４２に入力され続ける。

停止指令部４１４は、固定励磁モード信号Ｓ２が入力されると、不揮発性メモリ４１６からそれに記憶されている角度ｄθまたは角度θｘを取得するとともに、速度・位置推定部２５（図４参照）から磁極位置ＰＳを示す最新の推定角度θｍを取得する。

停止位置ＰＳを相対的な位置とする場合においては、停止指令部４１４は、取得した角度ｄθに応じて電流ベクトル９５の大きさ（Ｉ）を決定し、ｄ軸成分Ｉｄおよびｑ軸成分電流ベクトル９５のｄ軸成分Ｉｄおよびｑ軸成分Ｉｑを算出する。そして、ｄ軸成分Ｉｄを電流指令値Ｉｄ＊として、ｑ軸成分Ｉｑを電流指令値Ｉｑ＊として、記憶部２８における指令記憶部２８２に記憶させる。また、取得した推定角度θｍを、磁極位置ＰＳを示す情報として記憶部２８における位置記憶部２８１に記憶させる。

停止位置ＰＳを固定の位置とする場合においては、停止指令部４１４は、取得した角度θｘと推定角度θｍとに基づいて角度ｄθを算出する。算出した角度ｄθに応じて電流ベクトル９５の大きさ（Ｉ）を決定し、電流ベクトル９５のｄ軸成分Ｉｄおよびｑ軸成分Ｉｑを算出し、電流指令値Ｉｄ＊、Ｉｑ＊として指令記憶部２８２に記憶させる。また、取得した推定角度θｍを位置記憶部２８１に記憶させる。

記憶部２８は、新たな記憶の要求があるまで、推定角度θｍ、電流指令値Ｉｄ＊、および電流指令値Ｉｑ＊を記憶する。指令記憶部２８２により記憶されている電流指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊は、電流制御部４２に入力され、位置記憶部２８１により記憶されている推定角度θｍは、出力座標変換部４３に入力される。

電流制御部４２は、入力切替部４２１と変換処理部４２０とを有する。

入力切替部４２１は、固定励磁モード信号Ｓ２が入力されていないときには、速度制御部４１からの電流指令値Ｉγ＊，Ｉδ＊を電流・電圧変換部４２０に入力する。これに対して、固定励磁モード信号Ｓ２が入力されているときには、指令記憶部２８２からの電流指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊を変換処理部４２０に入力する。

変換処理部４２０は、入力切替部４２１から入力される電流指令値Ｉγ＊，Ｉδ＊または電流指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊に基づいて、電圧指令値Ｖγ＊，Ｖδ＊を決定する。固定励磁制御では入力される電流指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊が一定のままであるので、最初に決定した電圧指令値Ｖγ＊，Ｖδ＊を出力し続けることになる。

出力座標変換部４３は、入力切替部４３１と２相３相変換部４３０とを有する。

入力切替部４３１は、固定励磁モード信号Ｓ２が入力されていないときには、速度・位置推定部２５（図４参照）からの推定角度θｍを２相３相変換部４３０に入力する。これに対して、固定励磁モード信号Ｓ２が入力されているときには、位置記憶部２８１からの推定角度θｍを２相３相変換部４３０に入力する。

２相３相変換部４３０は、入力切替部４２１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。固定励磁制御では入力される電圧指令値Ｖγ＊，Ｖδ＊が一定のままであるので、最初に決定した電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を出力し続けることになる。

以上の構成によると、固定励磁モード信号Ｓ２が出力されている間において、電流指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊と推定角度θｍとに基づいて生成された３相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊がＰＷＭ変換部４４に与えられる。電流指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊および推定角度θｍの値は一定に保たれるので、モータ駆動部２６を介して一定の値の電流がブラシレスモータ３の捲線３３〜３５に供給される。これにより、図９に示すように、磁極位置ＰＳを停止位置Ｐｘに引き込んで回転子３２を停止させることができる。

図１１には停止時の駆動シーケンスの他の例が示されている。

図６に示した駆動シーケンスは、回転速度ωが制御切替速度ω２まで低下したときに減速制御から固定励磁制御へ切り替えるものであった。図１１に示す駆動シーケンスでは、磁極位置ＰＳおよび回転速度ωを推定することができなくなったときに減速制御から固定励磁制御へ切り替える。詳しくは、次の通りである。

停止指令Ｓ１ｓが入力された時刻ｔ１から減速制御を開始し、減速制御中に電流検出部２７、入力座標変換部４５、および速度・位置推定部２５により周期的に推定角度θｍを取得する。減速制御としてフリーラン制御を行う場合には、断続的にショートブレーキ制御を行って電流Ｉｕ，Ｉｖを検出して推定角度θｍを取得する。

推定角度θｍを取得することができた場合には減速制御を続ける。推定角度θｍを取得することができなかったとき、すなわち磁極位置ＰＳを推定することができなくなった時点ｔ２１で、ブラシレスモータ３の制御を減速制御から固定励磁制御へ切り替える。

固定励磁制御では、固定励磁制御に切り替える以前の最後に取得した推定角度θｍを用いて電流指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊を得る。その他の処理は図６の駆動シーケンスを行う場合と同様である。固定励磁制御により、図１１では時刻ｔ３１で回転子３２が停止する。

図１２にはモータ制御装置２４における回転を停止させるための処理の流れが、図１３にはモータ制御装置２４における回転を停止させるための処理の流れの他の例が、図１４には固定励磁制御の処理の流れの例が、それぞれ示されている。

図１２に示すように、停止指令Ｓ１ｓが上位制御部２０から与えられるのを待つ（＃１０１）。停止指令Ｓ１ｓが与えられると（＃１０１でＹＥＳ）、制御切替速度ω２を制御用のレジスタにセットし（＃１０２）、減速制御を開始する（＃１０３）。

速度推定値ωｍとして取得する回転速度ωが制御切替速度ω２まで低下すると（＃１０４でＹＥＳ）、減速制御から固定励磁制御への制御の切替を行い（＃１０５）、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（＃１０６）。

または、図１３に示す処理を行う。すなわち、停止指令Ｓ１ｓが与えられると（＃２０１でＹＥＳ）、減速制御を開始する（＃２０２）。その後、磁極位置ＰＳの推定を周期的に行う（＃２０３、＃２０４）。磁極位置ＰＳの推定ができなくなると（＃２０４でＮＯ）、減速制御から固定励磁制御へ制御を切替えて（＃２０５）、固定励磁制御を行う（＃２０６）。

図１４に示すように、固定励磁制御においては、停止位置Ｐｘを特定する角度θｘを決定する（＃５０１）。磁極位置ＰＳと停止位置Ｐｘとのずれの角度ｄθに応じて、励磁の電流量に相当する電流ベクトル９５の大きさ（Ｉ）を決定し（＃５０２）、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（＃５０３）。

そして、電流指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊および最新の磁極位置ＰＳに対応する推定角度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（＃５０４）。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、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、停止位置Ｐｘを無段階に設定することができる。すなわち、磁界の印加により停止するまでの回転角度量を無段階に設定することができる。このことから、実際に停止する位置が狙った通りの位置となる安定した停止、および停止間際の振動の少ない穏やかな停止の実現が容易となる。また、負荷を位置決めする場合には、停止位置をきめ細かに決めることのできる自由度の大きい位置決めが可能になる。

上に述べた実施形態によると、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のできる制御装置および制御方法を提供することができる。例えば、上位制御部２０から刻々と回転角度位置を指定する位置指令が与えられない場合であっても、回転子を所望の位置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、３相の交流電流を２相の捲線に直流を流すと見做すｄ−ｑ座標系を基本とした制御モデルによる制御方法を利用して固定励磁制御を行うので、３相の各電流の値を他の方法により計算する場合よりも、処理が簡単になる。回転駆動のためのベクトル制御に用いる構成要素の大部分を固定励磁制御に流用することができるので、流用しない場合と比べてモータ制御装置２１の構成を簡素化することができる。

上に述べた実施形態においては、電流指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊および推定角度θｍを記憶して固定の励磁を行うようにしたが、これに限らない。電流指令値Ｉｄ＊，Ｉｑ＊および推定角度θｍに基づいて決定または生成した指令値または制御信号の値を記憶するようにしてもよい。すなわち、２相の電圧指令値Ｖγ＊，Ｖδ＊、３相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊、または捲線の電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを記憶すれば、捲線３３〜３５に一定の電流を流し続けるようにモータ駆動部２６を制御して回転子３２を停止させることができる。

上に述べた実施形態において、ブラシレスモータ３の機械角が電気角よりも小さい場合（磁極数が２より大きい場合）であっても、あらかじめ決められた固定の停止位置Ｐｘ（絶対的な位置）に磁極を引き込んで停止させることができる。決められた停止位置Ｐｘが磁極位置ＰＳに対して電気角で±１８０度の範囲内であるという条件を満たすときに、固定励磁制御に切り替えればよい。つまり、条件を満たさないときには、条件を満たす位置まで磁極位置ＰＳが回転移動するのを待って固定励磁制御に切り替えればよい。条件を満たすまでに磁極位置ＰＳの推定ができない速度にならないように、減速制御の開始からの時間で決めるなどの適切なタイミングで、条件を満たすか否かの判断を行えばよい。

検出した電流Ｉｕ，Ｉｖの値に基づいて磁極位置ＰＳを推定したが、電流Ｉｕ，Ｉｖの周波数、電流Ｉｕ，Ｉｖに対応する電圧の値または周波数に基づいて磁極位置ＰＳを推定してもよい。

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（プリント部）
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（回転体）
２１ モータ制御装置（制御装置）
２４ ベクトル制御部（制御部）
２５ 速度・位置推定部（推定部）
２６ モータ駆動部（駆動部）
３２ 回転子
３３，３４，３５ 捲線
８５ 磁界ベクトル
９５ 電流ベクトル
２８１ 位置記憶部（磁極位置記憶部）
２８２ 指令記憶部（ｄｑ軸成分記憶部）
ｄθ ずれ
Ｉ 電流ベクトルの大きさ
Ｉｄ ｄ軸成分
Ｉｑ ｑ軸成分
Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ 電流
Ｓ１ｓ 停止指令
ＰＳ 磁極位置
Ｐｘ 停止位置
Λ１，Λ２ 範囲
θｍ 推定角度（推定された磁極位置）
ω 回転速度
ωｍ 速度推定値（推定された回転速度）
ω２ 制御切替速度（設定された値）

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駆動部と、
   前記捲線に流れる電流に基づいて前記回転子の磁極位置を推定する推定部と、
   推定された前記磁極位置に基づいた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ると前記回転子が停止す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、前記回転子を停止させる制御として、前記回転子の磁極位置を停止位置に引き込んで停止させる磁界ベクトルを生成する電流を、推定された最新の磁極位置に基づいて決定し、決定した電流を前記捲線に流し続けるよう前記駆動部を制御する、
   ことを特徴とする永久磁石同期電動機の制御装置。
2. 前記停止位置は、前記最新の磁極位置に対して電気角で１８０度遅れた位置から１８０度進んだ位置までの範囲内の位置である、
   請求項１記載の永久磁石同期電動機の制御装置。
3. 前記制御部は、前記停止位置の前記磁界ベクトルに対応するｄ−ｑ座標系における電流ベクトルのｄ軸成分およびｑ軸成分を用いて前記電流を決定する、
   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、
   前記最新の磁極位置を記憶する磁極位置記憶部と、
   前記停止位置の前記磁界ベクトルに対応するｄ−ｑ座標系における電流ベクトルのｄ軸成分およびｑ軸成分を記憶するｄｑ軸成分記憶部と、を有し、
   記憶した前記磁極位置、前記ｄ軸成分、および前記ｑ軸成分を用いて、前記捲線に電流を流し続けるよう前記駆動部を制御する、
   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。
5. 前記制御部は、前記最新の磁極位置と前記停止位置とのずれの大きさに応じて、当該ずれが大きいほど前記電流ベクトルが大きくなるようにする、
   請求項３または４記載の永久磁石同期電動機の制御装置。
6. 前記推定部は、前記磁極位置を推定するとともに、前記捲線に流れる電流に基づいて前記回転子の回転速度を推定し、
   前記制御部は、前記停止指令が入力されると、前記駆動部に対して前記回転速度を低下させるための減速制御を開始し、推定された回転速度があらかじめ設定された値まで低下したときに、前記減速制御から前記回転子を停止させる前記制御に切り替えて前記駆動部を制御する、
   請求項１ないし５のいずれかに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、
   前記回転子を停止させる制御として、前記回転子の磁極位置を停止位置に引き込んで停止させる磁界ベクトルを生成する電流をそのときの前記磁極位置に基づいて決定し、決定した電流を前記捲線に流し続ける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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