CN1319945A - 开关磁阻电机的位置检测 - Google Patents

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Abstract

一种多相开关磁阻电机由一个使用无传感器位置检测的控制系统控制。控制器耐用可靠并运行在电机的全部电流斩波范围内。具有预定磁链的判断脉冲被注入一个相绕组,不管此相绕组中是否有剩余电流。

Description

开关磁阻电机的位置检测
本发明涉及开关磁阻电机尤其是那些没有检测转子位置的传感器运行的电机的控制。
概括地说,磁阻电机是一种借助它的转动部分转动到磁路的磁阻最小即励磁绕组的电感最大位置的趋向而产生转矩的电机。典型地,它备有检测转子位置角度位置与随转子位置而变化供给各相绕组电流的电路。这类磁阻电机通常称为开关磁阻电机,可作为电动机或发电机运行。这类开关磁阻电机的特征为大家所熟知并介绍于例如Stephenson与Blake的论文“The Characteristics,Design andApplication of Switched Reluctance Motors and Drives”(开关磁阻电动机与驱动装置的特征、设计及应用),此文刊登于PCIM’93,Nürberg,21-24 June 1993,其内容以引用方式结合在本申请中。此文介绍一起产生特有的周期性变化相绕组电感的开关磁阻电机的一些详细特性。
图1表示一个典型的开关磁阻驱动系统的主要部件。输入直流电源11可以是蓄电池组或经整流与滤波的交流电源,其幅值可以是固定的或是可调的。在一些已知的驱动装置中,电源11包括一个谐振电路,它产生一个在零与某一预定值之间快速变化的直流电压使零电压能开关功率开关。功率转换器13在电子控制装置14的控制下开关跨接在电动机12的相绕组16两端的由直流电源11提供的直流电压。为使驱动装置正确运行开关动作必须与转子的旋转角度正确同步。传统方法使用一个转子位置检测器15以供给指示转子角度位置的信号。转子位置检测器15的输出还可用于产生一个转速反馈信号。
转子位置检测器15可采用许多形式,例如它可采用硬件形式,如图1中示意表示。在某些系统中,转子位置检测器15可包括一个转子位置传感器,它在每次转子转到要求功率转换器13中的装置作不同的开关配置的位置时提供改变状态的输出信号。在其它系统中,位置检测器可以是一个算法软件,它根据驱动系统的其它监测参数计算或估计转子位置。这些系统常称为“无传感器位置检测系统”,因为它们不使用与转子相关联的实际传感器。如同本领域内众所周知,为探索可靠的无传感器系统,采用了许多不同的方法。下面讨论这些方法中的一部分。
开关磁阻电机中各相绕组的通电依赖于转子角位置的检测。这可通过参看图2与图3来解释,这两个图图示说明一台作为电动机运行的磁阻电机的开关机理。图2概括地表示一个转子极20按箭头22方向趋近一个定子极21。如图2中所示,完全的相绕组16的一部分23围绕在定子极21的周围。当相绕组16的围绕定子极21的一部分23通电时,将对转子施加一个力,趋向于将转子极20拉到与定子极21对齐。图3概括地表示功率转换器13中控制相绕组16通电的典型开关电路,包括围绕定子极21的部分23。当开关31与32闭合时,相绕组与直流电源连接而通电。本领域内已知许多其它的分层几何形状绕组布局与开关电路的配置,其中有些在上面提到的Stephenson与Blake的论文中讨论。当一台开关磁阻电机的相绕组以上面描述的方式通电时,由磁路中磁通建立的磁场产生圆周力,这些力如上所述起到把转子极拉到与定子极对齐的作用。
通常,相绕组通电以引起如下转子旋转。在转子的第一角度位置(称为“接通角”,ON),控制器14提供开关信号以接通开关装置31与32。当开关装置31与32接通时,相绕组与直流母线连接,引起电机中建立一个增加的磁通。此磁通在气隙中产生一个作用在转子极上以产生转矩的磁场。电机中的磁通由从直流电源流过开关31与32及相绕组23的电流提供的磁动势(mmf)支持。通常使用电流反馈并通过快速接通或关断开关31与/或32的一个或两个以斩波电流从而控制相电流的幅值。图4(a)表示一个典型的斩波式运行的电流波形,其中电流斩波在两个固定值之间。在电动运行时,常选择接通角ON为转子极间空间的中心线与定子极的中心线对齐的转子位置,但也可以是一些其它角度。
在许多系统中,相绕组保持与直流母线连接(或断续连接,如果使用斩波的话)直至转子转到称为“自由旋转角”FW。当转子达到对应于自由旋转角的角度位置(例如图2中所示的位置)时,开关之一例如31关断。从而,流过相绕组的电流将继续流动,但现在只流过开关之一(在此例中为32)并只流过二极管33/34之一(在此例中为34)。在自由旋转期间,相绕组两端的电压降很小,而磁通保持基本恒定。电路保持在此自由旋转状态直至转子达到一个称为“关断角”OFF(例如当转子极的中心线与定子极的中心线对齐时)的角度位置。当转子达到关断角时,开关31与32都关断而相绕组23中的电流开始流过二极管33与34。这时直流母线以相反方式对二极管33与34施加直流电压,引起电机中磁通(并从而使相电流)减小。已知本领域内还使用其它的开关角度与其它的电流控制方式。
当电机转速升高时,电流升到斩波值的时间较短,驱动装置正常运行于“单脉冲”运行方式。在此方式时,作为例如转速与负载转矩的函数选择接通角、自由旋转角与关断角。有些系统不使用自由旋转角周期,即开关31与32同时接通或关断。图4(b)表示一个典型的自由旋转角为零的这种单脉冲电流波形。大家知道接通角、自由旋转角与关断角的值可预先确定并以某合适的格式贮存以便当需要时由控制系统检索,或可在实时内计算或导出。
应认识到如果要获得开关磁阻电机的全部能力,无传感器系统必须在斩波与单脉冲两种运行方式时都能提供转子位置信号。虽然已开发了许多无传感器系统,但大多数限于或只有一种运行方式,或对系统运行强加苛刻的限制。一个建议是使用在当时未用于产生转矩与其中没有电流流过的相绕组(即“空载”相绕组)中注入判断脉冲。此方法典型可用于斩波方式,其中电流上升与下降的时间与全部励磁周期相比较短。这种方法的一个实施例描述在Mvungi等的论文“A NewSensorless Position Detector for SR Drives”(一种新的用于SR驱动装置的无传感器位置检测器)中,此文刊登于Proc PEVD Conf, IEE Pub′nNo324,London,17-19 July 1990,PP 249-252,以引用方式结合在本申请中。此文承认对于高转速(即单脉冲)运行需要一种不同的方法。这种方法的一个例子是EP-A-0573198(Ray),它公开一种使能预计转子位置的磁通与电流测量方法。Ray等的论文“Sensorless Methods forDetermining the Rotor Position of Switched Reluctance Motors”(确定开关磁阻电动机转子位置的无传感器方法)中对许多其它的无传感器位置检测系统作了评论与分类,此文刊登于Proc EPE′93 Conference,Brighton,UK,13-16 Sept 93,Vol 6,PP 7-13,它断定这些方法中没有一个能完全令人满意地用于在全部运行范围内运行。
Mvungi提出的方法可用于在空载周期较长与电流下降时间短因而给出足够时间以注入若干判断脉冲的很低转速下工作。然而,此方法依赖于磁通与电流在注入判断脉冲之前衰减至零(Mvungi,Page 252,Col 2)。随着速度升高此要求变得更加难以满足,因为主励磁的尾部电流占用较长的衰减时间而判断脉冲的空间变得越来越小。Mvungi介绍他的使用一台4相电机的系统,但问题比3相系统(由于其它理由它经常被优选使用)更为严重。图5(a)表示Mvungi介绍的带有注入的磁链脉冲的相电流波形。这些脉冲只在主励磁的尾部电流衰减至零之后注入。逐步增大的电流脉冲是随着转子转动相电感减小的一个指示。(应当注意为清楚起见图中放大了脉冲的尺寸。)图5(a)是从很低转速的运行点得出的,其中尾部电流迅速衰减至零,留下一个适当长的用于判断转子位置的区域。然而,随着转速上升,尾部电流占用越来越长的时间衰减,侵入判别区域从而推迟注入判别脉冲的时机。这种情况表示在图5(b)中。随着转速上升,留给判断的剩余时间变为不足以注入充分的用于可靠估算位置的脉冲,同时由于有时候当没有相处于判断用的状态和控制系统与转子位置失去同步时系统变为不稳定。
因此,在低转速下可使用Mvungi的方法而在高转速下可使用Ray的方法。然而,有一个在它们之间的区域需要一种能使驱动装置可靠运行的转子位置检测技术。
以前认为,由于钢叠片的B-H曲线是非线性的,导致磁阻电机的性能为非线性电流,因而电流的叠加将不给出精确的结果。因此总是认为只能在没有电流流入相绕组时注入用于转子位置检测的判断脉冲,否则结果将是错误的。这个论点是由例如Ehsami,M,Rajarathnam,AV,Suresh,G,与Fahimi在“Sensorless control of switched reluctancemotors-a technology ready for application”(开关磁阻电动机的无传感器控制-一种随时可以应用的技术)中提及的,此文刊登于BICEM′98,International Conference on electrical Machines,Sept 2-4,1998,Istanbul,Turkey,Vol 2,pp673-684。通常这个论点是正确的,但本发明的发明者已认识到在电机的一部分电感周期内,这个概括的说法是不正确的。
本发明的一个目的是提供一种可靠与经济的用于开关磁阻电机的无传感器位置检测方法,它能在全部转速(包括零转速)与全部负载(包括瞬态负载扰动)情况下,尤其是在斩波方式与单脉冲方式之间的过渡点附近的转速范围内运行。本发明可普遍地用于作为电动机或发电机运行的开关磁阻电机。
本发明的又一个目的是提供适用于从静止状态起动电机与在全部斩波范围内运行的位置检测。
根据本发明提供一种确定一台包括一个转子、一个定子与至少一个相绕组的开关磁阻电机内转子位置的方法,此方法包括:测量不通电与处于待用期间的相绕组内的主电流或磁链;将一个具有预定的电流或磁链值的判断脉冲注入此待用的相绕组;在脉冲结束时测量此相内的总电流或总磁链;根据总电流与主电流之间或总磁链与主磁链之间的差别得到一个由于注入判断脉冲而引起的电流或磁链值;根据此电流或磁链值同某一其它电流与磁链值的转子角度的相互关系读出转子位置。
最好,判断脉冲具有预定的磁链。最好,当电流衰减至电感与电流成线性关系的范围内时注入此脉冲。
在同一相周期内可重复注入脉冲。每次做一个可同根据电机转速计算出的预计值相比较的检测。如果测定值与预计值的差别过大,或在许多周期范围内过大,可改变电机控制,例如停止工作。
本发明还扩展至一种用于包括一台有一个转子、一个定子、至少一个相绕组与可开动给相绕组通电的开关装置的电机的开关磁阻驱动装置的检测器,此转子检测器包括:用于测量相绕组内主电流或主磁链的测量装置;用于使测量装置测定不通电与处于待用期间的相绕组内的主电流或主磁链的装置;用于将一个具有预定的电流或磁链值的判断脉冲注入待用的相内的注入装置;用于使测量装置测量在脉冲结束时此相内的电流或磁链的装置;用于根据总电流与主电流之间或总磁链与主磁链之间的差别得到一个由于注入一个判断脉冲而得到一个电流或磁链值的装置;与用于根据此电流或磁链值同某一其它电流与磁链值的转子角度的相互关系读出转子位置的装置。
本发明还扩展至一种包括使计算机执行根据本发明的方法的计算机程序码装置的计算机程序部件。
本发明可通过许多途径实施,现在将通过举例方式参考附图介绍其中一些实施例,在这些附图中:
图1表示一个开关磁阻驱动系统的主要部件;
图2表示一个转子极趋近于一个定子极的示意图;
图3表示在一个控制图1电机相绕组通电的功率转换器内的典型开关电路;
图4(a)与4(b)图示说明分别运行于斩波方式与单脉冲方式的开关磁阻驱动装置的典型电流波形;
图5(a)与5(b)表示开关磁阻驱动装置的励磁引起的相电流波形;
图6表示一台以低转速方式运行的电机的理想的电感分布、励磁区域与判断区域;
图7是一个包括本发明的开关磁阻驱动装置的原理框图;
图8表示一台开关磁阻电机的相电流/电感特性曲线;
图9是一个由本发明引起的相电流波形;
图10表示一台开关磁阻电机的转子角度/电流特性曲线;与
图11是本发明的一个实施例的流程图。
图7表示一个引入本发明的系统的原理图。虽然各部件表示为分立的方框,各种功能可同样好地通过一个为作为一台开关磁阻电机的全面控制部分的任务而编程的单处理器或ASIC在软件中执行。
配置一个电流传感器100以提供指示电动机102每相的相电流信号(为清楚起见只显示一相的一个传感器)。如同图1,表示3相。相数可多于或少于此数。信号供给一个以微处理器为基础的控制器104。其布置仍然与图1相同。电流传感器100可以是任何合适的类型,例如一个隔离系统,如一个霍尔效应装置、一个Rogowski线圈等。或者可使用一个不隔离系统,例如常用于低成本驱动系统中的热稳定电阻。
控制器表示为具有一个接至积分器106的输出,尽管这是可同样地在软件中执行的功能之一。还配置了一个待控制器104访问的检查表108。此检查表贮存相电流与转子角度的对照值,由此检索或内推转子位置信息。
通过闭合功率转换器13中的一个开关或多个开关使在绕组两端加上电压从而将在一相中注入判断脉冲的技术引入本发明。这引起一个磁链的增长。当磁链达到一个预定值时,开关重新打开。技术人员应知道磁链是绕组两端电压对时间的积分。
本发明采用的周期的相关部分落在最小电感区域的周围。这表示在图8中,其中一台典型的开关磁阻电机在不对齐位置(即给定相的转子极相对于邻近的定子极的位置为具有最小电感的位置)时的相绕组电感点绘为电流的函数。可看到曲线中有一个明显的平坦部分(在本例中为从0至约200A),指示在此范围内电感与电流无关,即在此范围内增量电感等于此电感。
根据本发明,判断脉冲注入一个待用但当时其中仍可能有电流的相绕组中。这些脉冲是固定的磁链,但有固定的或可调的频率,取决于使用方法的不同。通过在导通角结束后在θoff处开动该相的功率电子开关将脉冲注入待用的相。当脉冲的磁链按积分器106的输出确定达到预定值时,记录待用的相内的电流并关断开关。从该固定磁链的电流检查表108可读出转子位置。当与判断脉冲有联系的电流衰减至零而只留下主电流时,可开动后继的脉冲从而在相同的判断周期内重复此过程。脉冲的重复速率是由系统设计者选择的事:可在固定频率下注入脉冲,也可在测量到前一脉冲结束且电路已准备开始新的测量时立即开动一个新脉冲。
对于电动运行,脉冲定位在电感下降区域内。对于发电运行,脉冲定位在电感上升的区域内。假定电机的电感分布是对称的,由于围最大或最小的电感角简单反映将给出任一方式的正确位置,因此检查表中只需贮存一组转子位置对照于电流的数据。
图6中图示判断脉冲的注入,其中Induc A、Induc B与Induc C表示三相电机理想的电感分布,Exc A、Exc B与Exc C表示电动运行的励磁角,而区域D表示转子角度范围,在此范围内各相待用而通常可用于判断转子位置。由于总有一相不通电,因而总有一个区域可用,根据本发明可将判断脉冲定位在此区域内。注意还可利用一个固定电流顶点的脉冲并读出与它关联的磁链以便从位置νs与磁链的对照表中读出位置。然而,这不是一个优选的实施例,因为电流达到要求值所占用的时间长度将显著地改变发生判断的角度区域。这导致不规则的空间分布。此外,如果两相一起判断,脉冲会在不同时间达到它们的峰值。然而在固定磁链脉冲的情况下,不存在这些问题。
本发明的意义在于,当导通角结束时不管相内是否流动电流,可使用此相来判断,因为电感是线性的因而适用叠加原理。因此,使用合适的测量电流与电感或磁链的方法,可在此区域内可靠地注入判断脉冲。图9表示应用此原理的电流波形,其中在关断角θoff之后与下一个接通角θon之前注入判断脉冲P。应当注意的是在关断点电流为高值。当角度到达图8中的线性区域时电流开始迅速下降,在电流到达此值之后允许注入判断脉冲。
图10表示一台典型电机的恒定磁链的电流与转子角度的对照曲线。知道此曲线使当已知对应于恒定磁链的电流时能确定转子位置。然而应认识到,简单地读取比如说图9中关断之后的第一个判断脉冲的电流然后从图10中读取转子位置将给出一个不正确的结果,例如位置Y,因为由于脉冲引起的电流叠加在主尾部电流上。本发明考虑到叠加原理适用于电感为线性的这些电流值。通过减去主电流(在没有由于判断脉冲引起的电流时存在的电流)以给出单独由于脉冲引起的增量电流,可从图10中读出正确的位置,例如位置X。
无传感器位置检测系统通常不得不在接近功率开关装置的电噪声环境中运行,而这常导致磁链与电流测量的恶化,从而导致计算出虚假的数据。为了改进系统的可靠性,可增加一个合适的检查计算的位置数据有效性的方法。例如,每次计算一个新的位置,可将位置、时间与转速值贮存起来。利用最后n个贮存值,可内推一个预计的位置用来同新计算的位置比较。如果新计算值与预计值在一个预定量值内不相符,说明误差值增长因而使用预计值以代替计算值;如果它们相符,说明任何存在的误差值减小因而使用计算值。从而,通过连续的测量周期,积累关于位置信息可靠性的数据。如果误差值超过一定值表现为比如说5次连续计算不相符,可确定此控制系统已失去与转子的真实位置的同步性,应在发生更严重的事件之前停止电机的励磁。可使用任何方便的装置进行测量值的贮存与推断,但典型使用存贮单元内的数字贮存。已获知使用n=8给出一个系统稳定性与贮存空间之间的良好折衷方案。
检测转子位置信息的方法可以任何方便的途径完成但典型在一个计算机装置例如一个微处理器或一个数字信号处理器的软件中完成。图11表示一个说明合适码的程序框图。当给出本发明与图11程序框图描述的好处时,提出适合于特定处理装置的码是本领域内技术人员的例行职责。此码贮存在计算机程序部件之一的存贮器中。现在将叙述此程序框图的步骤。
在框120中测量并记录关断角θoff之后的相电流。此测量可使用任何方便的方法,典型使用为相绕组的全部电流控制而提供的电流传感器100。测量值贮存在控制器104的处理器中的一个寄存器内。在框122中,如果电流在电感为线性的区域内,则进行转子位置检测处理。如果电流不在该区域内,框123在重新开动处理之前执行一个延时。
在框124中电压积分器106由控制器复位至零并释放使运行以积分待注入判断脉冲的待用的相绕组两端的电压。积分可通过模拟硬件或数字软件技术。
在框126中,对应于待判断的待用的相的功率转换器13的功率开关闭合,使对该相加上直流耦合电压,因而加上一个正电压以增加该相的磁链。
在框128中,处理器等待直至积分器输出达到一个对应于判断脉冲预定磁链的预定值,对此参看贮存在检查表108内的图10曲线。
在达到要求的磁链值时,如框130中指示,控制器从电流传感器100读取并记录电流值。在框132中,从第二电流值中减去在脉冲开始时测量的第一电流值(贮存在框110中)。从总电流中减去主电流得到单独由于脉冲引起的增量电流。
应认识到此技术依赖于在判断脉冲期间主电流为恒定或接近于恒定。在实践中,由于脉冲很小因而电流改变是如此之小,使引入计算的误差小到足以可容许。在任何情况下,在首先几个脉冲关断之后误差大大减小。如果由于任何理由判断脉冲必须较大,因而占用较长时间以达到要求的磁链,这时可引入一个较正,通过计算在脉冲峰值时的主电流值并使用此值计算由于脉冲引起的增量电流。此计算可根据例如对于开始注入脉冲紧前的电流斜率的知识。
在框134中,利用增量电流从图10中表示的电流/角度检查表读出转子位置。此曲线的数据可以任何方便的形式例如按在电流固定增量点的转子角度值贮存。可使用内推法(例如线性内推、二次式内推、多项式内推)以得到居于那些贮存点之间的点的结果。
在框136中,将读出的转子位置同从可由控制器104得到的关于以前的转子位置与转速信息中取得的预计值进行比较。在框138中,如果比较要求次数超出给定范围,则停止电机工作。然后可使用同样一个待用的相或下一个待用的相重复此程序以测定下一个转子位置。以此方法测定的每个转子位置读数然后可用于以常规方法控制用作电动机或发电机的开关磁阻电机。
本发明可用于取代前面讨论的判断脉冲技术。本发明利用以下认识:有一个非零的电流范围,在此范围内电感基本上与电流无关。由于在判断周期内存在一个尾部电流因而如同所述要求减去初始测量的尾部电流。当没有电流时,根据本发明的程序将从判断周期结束时的电流读数中简单地减去零。
应认识到,尽管上面描述的例子相对于三相电机,本发明可应用于有任何极数与任何相数的任何开关磁阻电机。同样,本发明可用于运动部分(通常称为“转子”)直线运动的直线电机。因此,本领域的技术人员应懂得不背离本发明可变更已公开的配置。相应地,上面描述的几个实施例是通过例子方式而不是为了限制目的而提出的。本发明是只受下列权利要求的限制。

Claims (16)

1.一种确定包括一个转子、一个定子与至少一个相绕组的开关磁阻电机中转子位置的方法,此方法包括:
在相绕组不通电的待用期间测量此相绕组内的主电流或主磁通;
将一个具有预定的最大电流值或最大磁链值的判断脉冲注入此待用的相绕组;
在脉冲结束时测量相绕组内的总电流或总磁链;
根据总电流与主电流之间或总磁链与主磁链之间的差别得到一个由于注入判断脉冲而引起的电流或磁链值;与
根据此电流或磁链值同对于其它电流与磁链值的转子角度的相互关系获得转子位置。
2.根据权利要求1的方法,其中当相电流降至低于一个预定值到达一个电感基本上与电流无关的范围内时注入判断脉冲。
3.根据权利要求1或2的方法,其中脉冲具有预定的磁链并通过积分相绕组两端的电压加以测量。
4.根据权利要求1、2或3的方法,其中判断脉冲通过切换相绕组两端的电源电压而注入。
5.根据权利要求1至4中任一的方法,包括:
将获得的转子位置同转子位置的预计值作比较;与
在获得值与预计值之间选择一个作为确定的转子位置。
6.根据权利要求5的方法,包括如果获得的转子位置与预计的转子位置相差一个预定值时选择转子位置的预计值。
7.根据权利要求5的方法,包括如果对于多次连续的转子位置测定的转子位置与预计的转子位置之间的误差相差一个第二预定值时改变电机的控制。
8.根据权利要求1至7中任一的方法,包括将测量的主电流值同对应于线性电感区域的预定值作比较,如果主电流低于预定值,继续进行本方法。
9.一种用于包括一台电机的开关磁阻驱动装置的转子位置检测器,该电机带有一个转子、一个定子、至少一个相绕组与可开动给各相绕组通电的开关装置,此转子位置检测器包括:
用于测量相绕组中的主电流或主磁链的测量装置;
用于使测量装置在相绕组内不通电的待用期间测量此相绕组内的主电流或主磁链的装置;
用于将一个具有预定的电流值或磁链值的判断脉冲注入待用的相的注入装置;
用于使测量装置在脉冲结束时测量此相内的电流或磁链的装置;
用于根据总电流与主电流之间或总磁链与主磁链之间的差别获得由于注入判断脉冲而引起的电流或磁链值的装置;与
用于根据此电流或磁链值同对于其它的电流、磁链值的转子角度的相互关系得出转子位置的装置。
10.根据权利要求9的检测器,包括用于监测相电流与用于使注入装置在相电流降至低于一个预定值到达一个电感基本上与电流无关的范围内时注入判断脉冲的装置。
11.根据权利要求9或10的检测器,其中脉冲具有预定的磁链,此检测器包括一个积分相绕组两端电压以测量磁链的积分器。
12.根据权利要求9、10或11的检测器,其中注入装置包括开关磁阻驱动装置的开关装置。
13.根据权利要求9至12中任一的检测器,其中用于比较获得的转子位置与预计的转子位置的比较装置与用于在获得值与预计值之间进行选择的装置。
14.根据权利要求13的检测器,其中用于选择的装置当获得值与预计值相差一个预定值时可在读出值与预计值之间进行选择。
15.根据权利要求13的检测器,其中用于选择的装置可用于如果对于多次连续的转子位置测定得到的获得值与预计值相差一个预定值时在读出值与预计值之间进行选择。
16.一个计算机程序部件,包括使计算机执行根据权利要求1至8中任一的方法的计算机程序码装置。
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