JP4715715B2 - Control device for three-phase rotating machine - Google Patents
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Description
本発明は、インバータのスイッチング素子を操作することで3相電動機の出力を制御する3相回転機の制御装置に関する。 The present invention relates to a control device for a three-phase rotating machine that controls the output of a three-phase motor by operating a switching element of an inverter.
3相電動機の3相のそれぞれと電源電圧の正極側及び負極側とのいずれかとを導通させるスイッチング素子(IGBT)及びこれと逆並列に接続されるフライホイールダイオード(FWD)を備えるインバータについて、IGBTを操作することで、同電動機の出力トルクを制御する制御装置が周知である。また、この際には、3相電動機の各相に印加される実際の電圧を周期性を有する指令電圧とすべく、指令電圧に応じたデューティ(Duty)制御に基づき、インバータを操作するものが周知である。ただし、こうした制御装置にあっては、上記指令電圧の周波数が低いときには、高周波時においてIGBTに最大電流が流れるときの実効値よりも特定のアームの一方のIGBTの平均電流が大きくなる。これにより、そのIGBTによる電力損失が増大するおそれがある。そして電力損失の増大は発熱量の増大を招き、ひいてはIGBTを大型の素子とするなどの要求が生じることとなる。 About an inverter provided with a switching element (IGBT) that conducts each of the three phases of a three-phase motor and either the positive electrode side or the negative electrode side of the power supply voltage and a flywheel diode (FWD) connected in reverse parallel thereto A control device for controlling the output torque of the electric motor by operating is well known. Also, at this time, there are those that operate the inverter based on duty control according to the command voltage so that the actual voltage applied to each phase of the three-phase motor becomes the command voltage having periodicity. It is well known. However, in such a control device, when the frequency of the command voltage is low, the average current of one IGBT of a specific arm is larger than the effective value when the maximum current flows through the IGBT at a high frequency. This may increase power loss due to the IGBT. An increase in power loss leads to an increase in the amount of heat generated, and as a result, a demand for a large-sized device such as an IGBT is generated.
そこで従来は、例えば特許文献1に見られるように、指令電圧の周波数が低いとき、3つの相の指令電圧を所定のオフセット電圧によって補正することも提案されている。これにより、電力損失が最大となるIGBTによる電力損失を低減することができる。
ところで、上記オフセット電圧による指令電圧の補正によってIGBTの電力損失を低減する場合、IGBTと逆並列に接続される上記FWDの電力損失が増大する。更には、オフセット電圧による指令電圧の補正により、インバータにおけるトータルの電力損失が増大するおそれもある。 By the way, when reducing the power loss of the IGBT by correcting the command voltage by the offset voltage, the power loss of the FWD connected in antiparallel with the IGBT increases. Furthermore, the total power loss in the inverter may increase due to the correction of the command voltage by the offset voltage.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、3相回転機の回転速度が低い状況下、より適切にインバータを操作することのできる3相回転機を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a three-phase rotating machine capable of operating an inverter more appropriately under a situation where the rotational speed of the three-phase rotating machine is low. There is.
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。 Hereinafter, means for solving the above-described problems and the operation and effects thereof will be described.
請求項1記載の発明は、前記デューティ制御により3相の各スイッチング素子を操作する3相変調処理手段と、前記各相に対する指令電圧のうち絶対値が最大となるものが正の場合には、該指令電圧を前記インバータの正極入力端子の電圧とするうえで必要な量だけ各相の指令電圧を補正し、前記絶対値が最大となるものが負の場合には、該指令電圧を前記インバータの負極入力端子の電圧とするうえで必要な量だけ各相の指令電圧を補正する2相変調処理手段と、前記3相回転機の回転速度が所定速度以下であるとき、前記スイッチング素子の操作に際して、前記3相変調処理手段による処理と前記2相変調処理手段による処理との切り替えを行なうことでこれら2つの処理を併用する切替手段とを備え、前記切替手段による切り替えによって前記3相変調処理手段による処理がなされるとき、前記指令電圧を前記2相変調処理手段によるものとは逆符号のオフセット電圧にて補正することを特徴とする。
In the invention according to
上記2相変調処理は、通常、3相変調処理と比較してインバータのトータルの電力損失が小さい。ただし、2相変調処理によれば、オン状態に固定されたスイッチング素子の電力損失が、3相変調処理と比較して大きくなりやすい。この点、上記構成では、3相回転機の回転速度が所定速度以下のときにこれら2つの処理を併用することで、インバータの操作をより適切に行なうことができる。すなわち、例えば、3相変調処理のみの場合と比較して、インバータのトータルの電力損失を低減することができる。また、例えば、上記スイッチング素子が入力端子及び出力端子間の電流の流通方向を一方向に規制する素子であり、スイッチング素子と逆並列に整流手段が接続されている場合、2相変調処理のみによるよりも整流手段の電力損失を低減することができる。 The two-phase modulation process usually has a smaller total power loss of the inverter than the three-phase modulation process. However, according to the two-phase modulation process, the power loss of the switching element fixed in the ON state tends to be larger than that in the three-phase modulation process. In this regard, in the above configuration, the inverter can be operated more appropriately by using these two processes in combination when the rotation speed of the three-phase rotating machine is equal to or lower than a predetermined speed. That is, for example, the total power loss of the inverter can be reduced as compared with the case of only the three-phase modulation processing. In addition, for example, when the switching element is an element that restricts the flow direction of current between the input terminal and the output terminal in one direction, and the rectifier is connected in reverse parallel to the switching element, only by the two-phase modulation processing As a result, the power loss of the rectifying means can be reduced.
請求項3記載の発明は、請求項1又は2記載の発明において、前記スイッチング素子は、入力端子及び出力端子間の電流の流通方向を一方向に規制する素子であり、前記インバータは、前記スイッチング素子と逆並列に接続された整流手段を更に備えることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the invention, the switching element is an element that regulates a current flow direction between the input terminal and the output terminal in one direction, and the inverter is the switching element. further characterized in that to obtain Bei rectifying means connected to the elements and reverse parallel.
上記構成において、オフセット電圧による指令電圧の補正をしない場合と比較して補正を行なう場合には、上記絶対値が最大となる相であって且つ上記電力損失が最大となるスイッチング素子と異なる素子に逆並列に接続された整流手段の電力損失が増大する。この点、上記構成では、2相変調処理を併用することで、特定のスイッチング素子の電力損失を低減することができるとともに、上記整流手段の電力損失の増大を抑制することもできる。 In the above configuration, when the correction is performed as compared with the case where the command voltage is not corrected by the offset voltage, the phase is the phase where the absolute value is maximized and the element is different from the switching element where the power loss is maximized. The power loss of the rectifying means connected in antiparallel increases. In this regard, in the above configuration, by using the two-phase modulation process in combination, it is possible to reduce the power loss of the specific switching element and to suppress an increase in the power loss of the rectifying means.
なお、「電力損失が最大となるスイッチング素子」とは、補正前の指令電圧によって定まる電力損失が最大となるスイッチング素子とする。 The “switching element that maximizes the power loss” is a switching element that maximizes the power loss determined by the command voltage before correction.
請求項4記載の発明は、請求項1〜3のいずれか1項に記載の発明において、前記切替手段は、前記インバータの素子温度、前記デューティ、前記指令電圧、前記3相回転機の回転角度、前記3相回転機を流れる実電流、前記オフセット電圧の少なくとも1つに応じて、前記3相変調処理手段による処理と前記2相変調処理手段による処理との各処理時間を可変設定することを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to third aspects, the switching means includes an element temperature of the inverter, the duty, the command voltage, and a rotation angle of the three-phase rotating machine. The processing time of the processing by the three-phase modulation processing means and the processing by the two-phase modulation processing means is variably set according to at least one of the actual current flowing through the three-phase rotating machine and the offset voltage. Features.
オフセット処理や2相変調処理による各スイッチング素子や整流手段の電力損失は、インバータの素子温度、デューティ、指令電圧、回転角度、オフセット電圧に応じて変化する。更に、上記電力損失によって発熱が生じるため、電力損失は素子温度と相関を有するこの点、上記構成では、これらオフセット処理による電力損失を定めるパラメータに基づき各処理時間を可変設定することで、インバータをより適切に操作することが可能となる。 The power loss of each switching element and the rectifying means due to the offset process and the two-phase modulation process varies depending on the element temperature, duty, command voltage, rotation angle, and offset voltage of the inverter. Further, since heat is generated due to the power loss, the power loss has a correlation with the element temperature. In the above configuration, the inverter is configured by variably setting each processing time based on the parameters for determining the power loss by the offset processing. It becomes possible to operate more appropriately.
(第1の実施形態)
以下、本発明にかかる3相回転機の制御装置をハイブリッド車に搭載される3相電動機の制御装置に適用した第1の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment in which a control device for a three-phase rotating machine according to the present invention is applied to a control device for a three-phase motor mounted on a hybrid vehicle will be described with reference to the drawings.
図1に、上記ハイブリッド車の動力伝達システムの全体構成を示す。 FIG. 1 shows the overall configuration of the hybrid vehicle power transmission system.
図示されるように、内燃機関1の動力は、動力分割機構3を介して第1のモータジェネレータ(発電機4)と、第2のモータジェネレータ(電動機5)とに分配される。詳しくは、動力分割機構3は、遊星歯車機構を備えて構成されており、そのプラネタリギア3pが内燃機関1の出力軸と、サンギア3sが発電機4の回転軸と、リングギア3rが電動機5の回転軸とそれぞれ接続されている。なお、上記発電機4及び電動機5は、いずれもDCブラシレスモータにて構成されている。
As shown in the figure, the power of the
発電機4の負荷トルクや電動機5の出力トルクは、パワーコントロールユニット6によって制御される。パワーコントロールユニット6には、バッテリ7が接続されている。そして、発電機4の発電エネルギがパワーコントロールユニット6を介してバッテリ7に充電され、また、バッテリ7の電力により、電動機5が稼動する。そして、電動機5の出力トルクは、車両の駆動輪8に伝えられる。
The load torque of the generator 4 and the output torque of the
図2に、パワーコントロールユニット6のうち、特に電動機5の制御に関する部分を示す。
FIG. 2 shows a part related to the control of the
図示されるように、電動機5の3つの相(U相、V相、W相)には、インバータ10が接続されている。このインバータ10は、3相インバータであり、3つの相のそれぞれとバッテリ7の正極側又は負極側とを導通させるべく、スイッチング素子12,14(U相アーム)とスイッチング素子16,18(V相アーム)とスイッチング素子20,22(W相アーム)との並列接続体を備えて構成されている。更に、インバータ10は、各スイッチング素子12〜22に逆並列に接続されたフライホイールダイオード24〜34を備えている。そして、スイッチング素子12及びスイッチング素子14を直列接続する接続点が電動機5のU相と接続されている。また、スイッチング素子16及びスイッチング素子18を直列接続する接続点が電動機5のV相と接続されている。更に、スイッチング素子20及びスイッチング素子22を直列接続する接続点が電動機5のW相と接続されている。ちなみに、これらスイッチング素子12〜22は、本実施形態では、入力端子及び出力端子間の電流の流通方向を一方向に規制する素子を用いている。具体的には、スイッチング素子12〜22は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)によって構成されている。
As illustrated, an
インバータ10の各1組のスイッチング素子12,14とスイッチング素子16,18とスイッチング素子20,22との両端には、平滑コンデンサ40が接続されている。
A
一方、コントローラ50は、電動機5の出力軸の回転角度を検出する位置センサ52や、U相及びV相に流れる電流を検出する電流センサ54,56、バッテリ7の電圧を検出する電圧センサ58の検出結果を取り込む。そして、コントローラ50は、W相に流れる電流を、キルヒホッフの法則に基づき、U相を流れる電流とV相を流れる電流とから算出する。そして、コントローラ50は、上記電動機5の出力軸の回転角度や3つの相を流れるそれぞれの電流等に基づき、ゲート駆動回路60〜70を介してスイッチング素子12〜22を操作する。
On the other hand, the
図3に、コントローラ50の行なう処理についてのブロック線図を示す。本実施形態では、PWM制御によって、電動機5の出力トルクを要求トルクに制御する。以下では、まず、図3に示す処理のうち、通常時のPWM制御に関する処理について説明する。
FIG. 3 shows a block diagram of processing performed by the
2相変換部80は、上記電流センサ54,56によって検出されるU相を流れる実電流iu及びV相を流れる実電流ivと、これらに基づき算出されるW相を流れる実電流iwとを、dq軸に座標変換して実電流id及び実電流iqを生成する部分である。ちなみに、この座標変換に際しては、電動機5の回転角度θ(より正確には、θは電気角)が用いられるために、2相変換部80には、位置センサ52によって検出される回転角度θが入力される。一方、指令電流設定部82は、要求トルク等に応じて指令電流iqc,idcを生成する部分である。この指令電流iqc,idcは、dq軸上での電流の指令値となっている。
The two-
指令電圧設定部84では、指令電流idcと実電流idとに基づき指令電圧vdcを算出するとともに、指令電流iqcと実電流iqとに基づき指令電圧vqcを算出する。詳しくは、例えば、指令電流idcと実電流idとの差に基づく比例項及び積分項の和を指令電圧vdcとし、指令電流iqcと実電流iqとの差に基づく比例項及び積分項の和に基づき指令電圧vqcを算出すればよい。
The command
3相変換部86では、d軸の指令電圧vdcとq軸の指令電圧vqcとを、U相の指令電圧vuc1と、V相の指令電圧vvc1と、W相の指令電圧vwc1とに変換する。これら指令電圧vuc1,vvc1,vwc1は、電動機5の各相に、指令電流idc,iqcに応じた3相の指令電流を流すときに各相に印加すべき電圧となっている。これら指令電圧vuc1,vvc1,vwc1は、正弦波となって且つその電圧の中心がゼロとなっている。なお、電動機5の各相の上記指令電流とは、上記指令電流idc,iqcによって定まる3相のそれぞれにおける指令電流を意味する。
The three-
これら指令電圧vuc1,vvc1,vwc1は、切替部88を介して、各々比較器90,92,94の非反転入力端子に印加される。比較器90,92,94では、指令電圧vuc,vvc,vwcと、キャリア生成部96によって生成される三角形状のキャリアとの大小が比較される。そして、これら各比較器90、92、94の出力信号gu、gv、gwは、パルス幅変調(PWM)信号となっている。
These command voltages vuc1, vvc1, and vwc1 are applied to the non-inverting input terminals of the
出力信号gu,gv,gw及びインバータ96,98,100によるそれらの反転信号が、Deadtime生成部102に取り込まれる。Deadtime生成部102では、上記出力される各信号とこれに対応する上記反転信号とを、これらのエッジ部分同士のタイミングの重なりを避けるように波形整形する。そして、波形整形された信号は、U相のスイッチング素子12を操作する操作信号gup、U相のスイッチング素子14を操作する操作信号gun、V相のスイッチング素子16を操作する操作信号gvp、V相のスイッチング素子18を操作する操作信号gvn、W相のスイッチング素子20を操作する操作信号gwp、W相のスイッチング素子22を操作する操作信号gwnとなる。
The output signals gu, gv, gw and their inverted signals by the
図4に、上記PWM制御による各スイッチング素子12〜22のオン・オフ周期に対するオン時間の比であるデューティ(Duty)の推移を示す。詳しくは、図4(a)は、各指令電圧vuc1,vvc1,vwc1とキャリアcsとの関係を示し、図4(b)は、出力信号guの推移を示し、図4(c)は、出力信号gvの推移を示し、図4(d)は、出力信号gwの推移を示す。図示されるように、各指令電圧vuc1,vvc1,vwc1の周期的な変化に伴い、指令電圧vuc1,vvc1,vwc1をインバータ10を介して電動機5に印加すべく、出力信号gu,gv,gwが算出される。そしてこれにより、各指令電圧vuc1,vvc1,vwc1に応じた電圧が、インバータ10を介して電動機5に印加される。
FIG. 4 shows the transition of the duty, which is the ratio of the on time to the on / off period of each of the switching
ところで、上記電動機5の回転速度が低下するときには、キャリアcsの周期に対して電動機5の回転角度θの周期が極めて長くなったり、あるいは回転角度θの時間微分値(回転速度ω)がゼロとなったりする。この場合には、図5に示されるように、各指令電圧vuc1,vvc1,vwc1が略一定(又は固定)となるために、出力信号gu、gv、gwのDutyが固定され、ひいては各スイッチング素子12〜22のスイッチングのDutyが固定されるおそれがある。そして、このときには、特定のスイッチング素子を流れる平均電流値が過度に大きくなり、ひいてはこのスイッチング素子の電力損失が過度に大きくなるおそれがある。特に電動機5は、駆動輪8に連結されているため、例えば急勾配の登坂車線の走行時や、駆動輪8が路面の突起に乗り上げる際には、駆動輪8の回転速度が略ゼロとなって且つ、そのときの電動機5の出力トルクが最大の出力トルクとなるおそれがある。そしてこの際には、電動機5の特定の相に最大電流が流れる時間が増大するために、特定のスイッチング素子の電力損失の増大が特に顕著となる。
By the way, when the rotational speed of the
そこで本実施形態では、先の図2に示すように、オフセット処理部110及び2相変調部112を備え、電動機5の回転速度が所定速度以下のとき、インバータ10の操作に際してこれらによる処理を採用する。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, the offset
図6に、オフセット処理部110の処理を示す。この処理は、例えば所定周期で繰り返し実行される。
FIG. 6 shows the processing of the offset
この一連の処理では、まずステップS10において、指令電圧vuc1,vvc1,vwc1の絶対値が最大となるものについて、その符号が正であるか否かを判断する。この処理は、インバータ10の正極電位側及び電動機5を導通させるスイッチング素子(スイッチング素子12,16,20)と負極電位側及び電動機5を導通させるスイッチング素子(スイッチング素子14,18,22)とのうち、電力損失が最大となるものがある方を特定するためのものである。そして、ステップS10において上記符号が正であると判断されるときには、ステップS12に移行する。ここでは、電力損失が最大となるものは、インバータ10の正極電位側と電動機5とを導通させるスイッチング素子であるとして、指令電圧vuc1,vvc1,vwc1を減少補正する。これに対し、上記符号が負であると判断されるときには、ステップS14に移行する。ここでは、電力損失が最大となるものは、インバータ10の負極電位側と電動機5とを導通させるスイッチング素子であるとして、指令電圧vuc1,vvc1,vwc1を増加補正する。なお、ステップS12,S14の処理が完了するときには、この一連の処理を一旦終了する。
In this series of processing, first, in step S10, it is determined whether or not the sign of the command voltage vuc1, vvc1, vwc1 having the maximum absolute value is positive. This processing is performed between the switching element (switching
図7に、2相変調部112の処理を示す。この処理は、例えば所定周期で繰り返し実行される。
FIG. 7 shows processing of the two-
この一連の処理では、まずステップS20において、指令電圧vuc1,vvc1,vwc1の絶対値が最大となるものについて、それがU相の指令電圧vuc1であるか否かを判断する。この処理は、電力損失が最大となるスイッチング素子を有する相がU相であるか否かを判断するためのものである。そして、ステップS20において、指令電圧vuc1であると判断されるときには、2相変調処理において、U相アームのスイッチング操作を固定すべく、ステップS22に移行する。ステップS22においては、指令電圧vuc1が正であるか否かを判断する。この処理は、U相アームのスイッチング素子12,14のうち、オン状態に固定するもの及びオフ状態に固定するものをそれぞれ特定するためのものである。
In this series of processes, first, in step S20, it is determined whether or not the command voltage vuc1, vvc1, or vwc1 has the maximum absolute value is the U-phase command voltage vuc1. This process is for determining whether or not the phase having the switching element that maximizes the power loss is the U phase. When it is determined in step S20 that the command voltage is vuc1, the process proceeds to step S22 in order to fix the switching operation of the U-phase arm in the two-phase modulation process. In step S22, it is determined whether or not command voltage vuc1 is positive. This process is for identifying the switching
そして、ステップS22において指令電圧vuc1が正であると判断されるときには、ステップS24に移行する。ここでは、インバータ10の正極側のスイッチング素子12をオン状態に固定し、負極側のスイッチング素子14をオフ状態に固定すべく、指令電圧vuc1を、インバータ10の入力電圧であるバッテリ7の電圧VBの「1/2」とする。また、これと同時に、指令電圧vvc、vwcを、指令電圧vuc1,vvc1,vwc1によって定まる相間電圧を維持するように補正する。詳しくは、指令電圧vvc、vwcを、指令電圧vvc1,vwc1に、指令電圧vuc1に対する指令電圧vucの差分を加えた値に補正する。一方、ステップS22において指令電圧vuc1が負であると判断されるときには、ステップS26に移行する。ここでは、インバータ10の正極側のスイッチング素子12をオフ状態に固定し、負極側のスイッチング素子14をオン状態に固定すべく、指令電圧vuc1を、インバータ10の入力電圧であるバッテリ7の電圧VBの「−1/2」とする。また、これと同時に、指令電圧vvc、vwcを、指令電圧vuc1,vvc1,vwc1によって定まる相間電圧を維持するように補正する。
When it is determined in step S22 that the command voltage vuc1 is positive, the process proceeds to step S24. Here, in order to fix the switching
上記ステップS20において否定判断されるときには、ステップS28において、指令電圧vuc1,vvc1,vwc1の絶対値が最大となるものについて、それがV相の指令電圧vvc1であるか否かを判断する。この処理は、電力損失が最大となるスイッチング素子を有する相がV相であるか否かを判断するものである。そして、ステップS28において、指令電圧vvc1であると判断されるときには、ステップS30〜S34の処理を行なう。ステップS30〜S32の処理は、上記ステップS22〜S26において、U相とV相とを入れ替えた処理である。 When a negative determination is made in step S20, it is determined in step S28 whether or not the command voltage vuc1, vvc1, or vwc1 has the maximum absolute value is the V-phase command voltage vvc1. This process determines whether or not the phase having the switching element that maximizes the power loss is the V phase. When it is determined in step S28 that the command voltage is vvc1, the processes in steps S30 to S34 are performed. The processes in steps S30 to S32 are processes in which the U phase and the V phase are switched in steps S22 to S26.
上記ステップS28において否定判断されるときには、2相変調処理において、スイッチング操作を固定する相がW相アームであると考えられる。このため、ステップS36〜S40を行なう。これらステップS36〜S40の処理は、ステップS22〜S26の処理において、U相とW相とを入れ替えた処理である。 When a negative determination is made in step S28, it is considered that the phase that fixes the switching operation is the W-phase arm in the two-phase modulation process. Therefore, steps S36 to S40 are performed. The processes in steps S36 to S40 are processes in which the U phase and the W phase are interchanged in the processes in steps S22 to S26.
なお、上記ステップS24,S26,S32,S34,S38,S40の処理が完了するときには、この一連の処理を一旦終了する。 In addition, when the process of said step S24, S26, S32, S34, S38, S40 is completed, this series of processes will be once complete | finished.
図8(a)に、上記オフセット処理及び2相変調処理によるスイッチング素子12〜22及びフライホイールダイオード24〜34の電力損失を示す。図8は、スイッチング周波数を例えば「1.25kHz」としたときにおいて、スイッチング素子12〜22のうち電力損失が最大となるものについてのオン状態における電力損失(オン損失)及びオン・オフの切り替えにかかる電力損失(スイッチング損失)、並びにフライホイールダイオード24〜34の電力損失を示す。
FIG. 8A shows power loss of the switching
図示されるように、2相変調をするときには、指令電圧vuc1,vvc1,vwc1のうち絶対値が最大となる相においてオン状態となるスイッチング素子の電力損失は、「900W」であるが、この場合にはこの相のフライホイールダイオードの電力損失はゼロである。これは、以下の理由による。 As shown in the figure, when performing two-phase modulation, the power loss of the switching element that is turned on in the phase having the maximum absolute value among the command voltages vuc1, vvc1, and vwc1 is “900 W”. The power loss of this phase flywheel diode is zero. This is due to the following reason.
図9(a)及び図9(b)は、ともにU相の正極側のスイッチング素子12の電力損失が最大となる際、U相の指令電圧vucをバッテリBの正極電位側に固定した場合を例示している。図示されるように、U相アームの正極側のスイッチング素子12がオン状態であるときには、V相及びW相のスイッチング素子16〜22の操作態様にかかわらず、U相においては、スイッチング素子12を介して電流が流れ、他の素子には電流が流れない。このため、U相アームのフライホイールダイオード24,26の電力損失もゼロとなる。なお、図では、V相アームとW相アームの正極側のスイッチング素子16,20がオン状態のときと、負極側のスイッチング素子18,22がオン状態のときとを例示しているが、実際には、V相アーム及びW相アームのいずれか一方の正極側のスイッチング素子と他方の負極側のスイッチング素子とがオン状態となるケースも存在する。また、U相のスイッチング素子14の電力損失が最大となる場合や、V相、W相において電力損失が最大となる場合であっても、基本的に同様に考えることができるため、ここではその説明を割愛する。
9A and 9B show the case where the U-phase command voltage vuc is fixed to the positive potential side of the battery B when the power loss of the switching
一方、先の図8(a)に示されるように、電力損失が最大となる相のDutyが52%であるときには、最も大きな電流が流れるスイッチング素子において、オン損失とスイッチング損失との和である電力損失は、「770W」となっている。これに対し、Dutyを「30%」とするときには、同スイッチング素子の電力損失は、「580W」まで減少する。しかし、この場合、フライホイールダイオードの電力損失が「460W」から「670W」へと増大する。これは以下の理由による。 On the other hand, as shown in FIG. 8A, when the duty of the phase where the power loss is maximum is 52%, the switching element in which the largest current flows is the sum of the on loss and the switching loss. The power loss is “770 W”. On the other hand, when the duty is set to “30%”, the power loss of the switching element is reduced to “580 W”. However, in this case, the power loss of the flywheel diode increases from “460 W” to “670 W”. This is due to the following reason.
図9(c)及び図9(d)は、ともにU相の正極側のスイッチング素子12の電力損失が最大となる際、スイッチング素子12の電力損失を低減すべく、オフセット電圧ΔにてDutyを減少補正した場合を示している。この場合、オフセットによってU相アームの正極側のスイッチング素子12のオン時間が減少し、これがオフ状態であるときには、U相アームの負極側のフライホイールダイオード26を介して電流が流れる。このため、スイッチング素子12の電力損失は低減できるものの、フライホイールダイオード26の電力損失が増大する。
9 (c) and 9 (d) both show that when the power loss of the switching
ここで、本実施形態では、回転速度ωが所定速度以下であるとき、先の図3に示した切替部88を介して2相変調処理とオフセット処理とを切り替えつつこれら2つの処理を交互に行なう。詳しくは、これら2つの処理を周期的に切り替える処理を行なう。これにより、スイッチング素子12〜22のうち特定のものの電力損失の過度の増大を抑制しつつも、より適切な処理を行なうことが可能となる。例えば図8(b)に例示するように、2相変調処理時間とオフセット処理時間とを同一の時間とすることで、電力損失が最大となるスイッチング素子の損失を「740W」まで低減し且つ、その相のフライホイールダイオードの損失を「335W」まで低減することができる。
In this embodiment, when the rotational speed ω is equal to or lower than the predetermined speed, the two processes are alternately performed while switching between the two-phase modulation process and the offset process via the
これら2相変調処理及びオフセット処理の時間配分(割合)は、インバータ10等の設計時の要求に応じて適宜定めることができる。例えば、極低速時の電力損失に耐え得る既存のインバータ10において、スイッチング素子の小型化を優先した設計とする場合、フライホイールダイオードの電力損失については、従来どおりでよい。したがって、極低速時におけるフライホイールダイオードの電力損失の最大値を従来のフライホイールダイオードの電力損失の許容最大値以下とする条件下、スイッチング素子の電力損失を極力低減する設定とすればよい。
The time distribution (ratio) of these two-phase modulation processing and offset processing can be appropriately determined according to the requirements at the time of designing the
このため、図8(c)に示されるように時間配分を定めればよい。すなわち、例えば極低速時の通常のDuty制御によるフライホイールダイオードの電力損失がDuty「52%」において最大「460W」となるとすると、2相変調処理及びオフセット処理の併用によって生じるフライホイールダイオードの損失を、損失「460W」以下としつつ、スイッチング素子の電力損失を極力低減すればよい。ここで、Dutyが低下するほどフライホイールダイオードの損失は増大すること及び、Dutyが低下するほどスイッチング素子の電力損失は減少することから、フライホイールダイオードの損失を「460W」とすることができるように時間配分を設定するときに、スイッチング素子の損失を最も低減することができると考えられる。そこで、図8(c)では、オフセット処理時間の割合αを、フライホイールダイオードの損失が通常のDuty制御の最大値となるように設定する。これにより、スイッチング素子の損失を、「679W」まで低減させることができる。 For this reason, the time distribution may be determined as shown in FIG. That is, for example, if the power loss of the flywheel diode due to normal duty control at extremely low speeds is maximum “460 W” at the duty “52%”, the loss of the flywheel diode caused by the combined use of the two-phase modulation processing and offset processing is The power loss of the switching element may be reduced as much as possible while setting the loss to “460 W” or less. Here, the loss of the flywheel diode increases as the duty decreases, and the power loss of the switching element decreases as the duty decreases. Therefore, the loss of the flywheel diode can be set to “460 W”. It is considered that the loss of the switching element can be reduced most when the time distribution is set to. Therefore, in FIG. 8C, the offset processing time ratio α is set so that the loss of the flywheel diode becomes the maximum value of normal duty control. Thereby, the loss of the switching element can be reduced to “679 W”.
なお、実際には、時間配分のみならず、1周期の時間をも適宜設定する。ここでは、例えば2相変調処理時間が過度に長いと、スイッチング素子12〜22の温度上昇が顕著となることや、オフセット処理時間が過度に長いと、フライホイールダイオード24〜34の温度上昇が顕著になること等に鑑み、これらの事態を回避する設定とする。
In practice, not only time distribution but also one period of time is set as appropriate. Here, for example, when the two-phase modulation processing time is excessively long, the temperature rise of the switching
図10に、本実施形態にかかる極低速時の処理の手順を示す。この処理は、コントローラ50において、例えば所定周期で繰り返し実行される。
FIG. 10 shows a procedure of processing at an extremely low speed according to the present embodiment. This process is repeatedly executed in the
この一連の処理では、まずステップS50において、回転速度ωが所定速度N以下であるか否かを判断する。ここで、所定速度Nは、Dutyが固定されることで特定のスイッチング素子の電力損失が過大となると想定される速度に応じて設定されている。そして、所定速度N以下であると判断されると、ステップS52に移行する。ステップS52においては、2相変調処理の開始時からの時間を計時するカウンタIをインクリメントする。続くステップS54においては、カウンタIが、2相変調処理時間T2Pより大きいか否かを判断する。そして、2相変調処理時間T2P以下であると判断されるときには、ステップS56に移行する。ステップS56においては、先の図7に示した2相変調処理を行なう。 In this series of processes, first, in step S50, it is determined whether or not the rotational speed ω is equal to or lower than a predetermined speed N. Here, the predetermined speed N is set according to a speed at which the power loss of a specific switching element is assumed to be excessive by fixing the duty. And if it is judged that it is below the predetermined speed N, it will transfer to step S52. In step S52, the counter I that counts the time from the start of the two-phase modulation process is incremented. In a succeeding step S54, it is determined whether or not the counter I is larger than the two-phase modulation processing time T2P. When it is determined that the time is equal to or shorter than the two-phase modulation processing time T2P, the process proceeds to step S56. In step S56, the two-phase modulation process shown in FIG. 7 is performed.
一方、上記ステップS54においてカウンタIが2相変調処理時間T2Pより大きいと判断されるときには、ステップS58に移行する。ステップS58においては、カウンタIがオフセット処理時間Tcyよりも長いか否かを判断する。オフセット処理時間Tcyは、実際には、2相変調処理時間T2Pとオフセット処理のための時間との和である。そして、オフセット処理時間Tcy以下であると判断されるときには、ステップS60に移行する。ステップS60では、先の図6に示したオフセット処理を行なう。 On the other hand, when it is determined in step S54 that the counter I is greater than the two-phase modulation processing time T2P, the process proceeds to step S58. In step S58, it is determined whether counter I is longer than offset processing time Tcy. The offset processing time Tcy is actually the sum of the two-phase modulation processing time T2P and the time for offset processing. And when it is judged that it is below offset processing time Tcy, it shifts to Step S60. In step S60, the offset process shown in FIG. 6 is performed.
これに対し、上記ステップS50において回転速度ωが所定速度Nよりも大きいと判断されるときや、ステップS58においてオフセット処理時間Tcyよりも長いと判断されるときには、ステップS62に移行する。ステップS62においては、カウンタIをゼロにする。 On the other hand, when it is determined in step S50 that the rotational speed ω is greater than the predetermined speed N, or when it is determined in step S58 that it is longer than the offset processing time Tcy, the process proceeds to step S62. In step S62, the counter I is set to zero.
なお、ステップS56,S60,S62の処理が完了するときには、この一連の処理を一旦終了する。 When the processes in steps S56, S60, and S62 are completed, this series of processes is temporarily terminated.
図11に、上記処理の態様を例示する。詳しくは、図11(a)に、回転角度θの推移を示し、図11(b)に、オフセット電圧の推移を示し、図11(c)に、指令電圧の推移を示し、図11(d)に、スイッチング素子12〜22の操作態様の推移を示す。ここでは、U相アームの正極側のスイッチング素子12の電力損失が最大となる場合を例示している。
FIG. 11 illustrates an example of the above processing. Specifically, FIG. 11A shows the transition of the rotation angle θ, FIG. 11B shows the transition of the offset voltage, FIG. 11C shows the transition of the command voltage, and FIG. ) Shows the transition of the operation mode of the switching elements 12-22. Here, the case where the power loss of the switching
この場合、2相変調処理においては、U相アームの指令電圧vucを正極側に固定し、また、オフセット処理においては、Dutyが低減される。これにより、2相変調処理及びオフセット処理において、指令電圧vuc1,vvc1,vwc1を補正するオフセット電圧が、互いに逆符号を有するものとなる。 In this case, in the two-phase modulation process, the command voltage vuc of the U-phase arm is fixed to the positive electrode side, and in the offset process, the duty is reduced. Thereby, in the two-phase modulation process and the offset process, the offset voltages for correcting the command voltages vuc1, vvc1, and vwc1 have opposite signs.
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。 According to the embodiment described in detail above, the following effects can be obtained.
(1)回転速度ωが所定速度N以下のとき、スイッチング素子12〜22のうち指令電圧vuc1,vvc1,vwc1によって定まる電力損失が最大となるものの実際の電力損失を低減すべく、3相の各指令電圧vuc1,vvc1,vwc1に所定のオフセット電圧Δを加算するオフセット処理を行なった。これにより、上記特定のスイッチング素子のオン時間を低減することができる。更に、各指令電圧vuc1,vvc1,vwc1に共通のオフセット電圧Δを加算することで、オフセット電圧Δの加算前の指令電圧vuc1,vvc1,vwc1によって定まる相間電圧を維持することもできる。
(1) When the rotational speed ω is equal to or lower than the predetermined speed N, the power loss determined by the command voltages vuc1, vvc1, and vwc1 among the switching
(2)回転速度ωが所定速度N以下のとき、3相の指令電圧vuc1,vvc1,vwc1によって定まる相間電圧を維持しつつ各指令電圧vuc1,vvc1,vwc1を補正することで、電力損失が最大となるスイッチング素子を有する相のスイッチング素子のオン・オフ状態を固定した。これにより、電力損失が最大となるスイッチング素子を有する相のフライホイールダイオードの電力損失を低減することができる。しかも、この2相変調処理は、先の図8に示したように、通常の処理やオフセット処理と比較してインバータ10のトータルの電力損失が小さくなる傾向にあるため、この処理を用いることで、インバータ10の電力損失を低減することもできる。
(2) When the rotational speed ω is equal to or lower than the predetermined speed N, the power loss is maximized by correcting the command voltages vuc1, vvc1, and vwc1 while maintaining the interphase voltages determined by the three-phase command voltages vuc1, vvc1, and vwc1. The on / off state of the phase switching element having the switching element is fixed. As a result, the power loss of the phase flywheel diode having the switching element that maximizes the power loss can be reduced. In addition, as shown in FIG. 8, the two-phase modulation processing tends to reduce the total power loss of the
(3)回転速度ωが所定速度N以下のとき、2相変調処理とオフセット処理との2つの処理を周期的に切り替えた。これにより、電力損失が最大となるスイッチング素子を有する相のフライホイールダイオードの電力損失の増大を抑制しつつも、スイッチング素子の電力損失を低減することができる。 (3) When the rotational speed ω is equal to or lower than the predetermined speed N, the two processes of the two-phase modulation process and the offset process are periodically switched. Accordingly, it is possible to reduce the power loss of the switching element while suppressing an increase in the power loss of the phase flywheel diode having the switching element that maximizes the power loss.
(第2の実施形態)
以下、第2の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, the second embodiment will be described with reference to the drawings with a focus on differences from the first embodiment.
図12に、本実施形態にかかるコントローラ50の行なう処理についてのブロック線図を示す。なお、図12において、先の図3に示した部材と対応する部材については、便宜上同一の符号を付している。
FIG. 12 is a block diagram showing processing performed by the
本実施形態では、2相変調処理及びオフセット処理の時間配分を以下の少なくとも1つのパラメータに応じて可変設定する。 In this embodiment, the time distribution of the two-phase modulation process and the offset process is variably set according to at least one of the following parameters.
素子温度…スイッチング素子12〜22やフライホイールダイオード24〜34の温度に応じて最適な時間配分が変化するとの観点から、時間配分を定める際に用いるパラメータである。ここでは例えば、フライホイールダイオード24〜34の温度が高いほど、好ましくはフライホイールダイオード24〜34の温度の最高値が高いほど2相変調処理時間の配分を大きくすればよい。また例えば、スイッチング素子12〜22の温度が高いほど、好ましくはスイッチング素子12〜22の温度の最高値が高いほど、オフセット処理時間の配分を大きくすればよい。
Element temperature: This is a parameter used when determining the time distribution from the viewpoint that the optimal time distribution changes according to the temperature of the switching
Duty…指令電圧vuc1,vvc1,vwc1によって定まるDutyが「50%」から大きく離間するほど、オフセット電圧Δによっても未だ電力損失の最大値が大きい傾向にある。このため、例えば、Dutyが大きいほどオフセット処理時間の配分を増大させればよい。また、オフセット電圧による補正後の指令電圧vuc,vvc,vwcについても、その絶対値によって、オフセット処理時の電力損失の大きさが異なり得る。このため、オフセット電圧による補正後の指令電圧vuc,vvc,vwcによって定まるDutyに応じて、配分を可変設定してもよい。 Duty: As the duty determined by the command voltages vuc1, vvc1, and vwc1 is farther from “50%”, the maximum value of the power loss still tends to be larger even by the offset voltage Δ. For this reason, for example, the distribution of the offset processing time may be increased as the duty is larger. Also, the magnitudes of power loss during the offset process may differ depending on the absolute values of the command voltages vuc, vvc, and vwc after correction using the offset voltage. For this reason, the distribution may be variably set according to the duty determined by the command voltages vuc, vvc, vwc after correction by the offset voltage.
指令電圧…指令電圧vuc1,vvc1,vwc1の絶対値が最大となるものの値が大きいほど、これをオフセット電圧Δによって補正した後における電力損失の最大値が大きい傾向にある。このため、例えば、上記絶対値の最大値が大きいほどオフセット処理時間の配分を増大させればよい。また、オフセット電圧による補正後の指令電圧vuc,vvc,vwcについても、その絶対値によって、オフセット処理時の電力損失の大きさが異なり得る。このため、オフセット電圧による補正後の指令電圧vuc,vvc,vwcの絶対値に応じて、配分を可変設定してもよい。 Command voltage: The maximum value of the power loss after the correction of the command voltage vuc1, vvc1, vwc1 by the offset voltage Δ tends to increase as the absolute value of the command voltage vuc1, vvc1, vwc1 becomes maximum. For this reason, for example, the distribution of the offset processing time may be increased as the maximum absolute value increases. Also, the magnitudes of power loss during the offset process may differ depending on the absolute values of the command voltages vuc, vvc, and vwc after correction using the offset voltage. For this reason, the distribution may be variably set according to the absolute values of the command voltages vuc, vvc, vwc after correction by the offset voltage.
オフセット電圧Δ…オフセット処理時の電力損失の低減度合いは、オフセット電圧Δに依存する。このため、オフセット電圧Δに応じて配分を可変設定してもよい。 Offset voltage Δ... The degree of reduction in power loss during offset processing depends on the offset voltage Δ. For this reason, the distribution may be variably set according to the offset voltage Δ.
実電流iu,iv,iw…電力損失は実電流iu,iv,iwの大小に依存する。このため、これらに応じて配分を可変設定してもよい。 Real currents iu, iv, iw... Power loss depends on the magnitudes of real currents iu, iv, iw. Therefore, the distribution may be variably set according to these.
回転角度θ…各相のvuc1,vvc1,vwc1や実電流iu,iv,iwは、回転角度θに依存する。このため、回転角度に応じて配分を可変設定してもよい。 Rotation angle θ... Vuc1, vvc1, vwc1 and actual currents iu, iv, iw of each phase depend on the rotation angle θ. For this reason, the distribution may be variably set according to the rotation angle.
なお、これらいくつかのパラメータを併せ用いることで、より適切に配分を設定することができる。例えば上記特許文献1のように回転角度θ等に応じてオフセット電圧Δを可変設定する場合、指令電圧vuc1,vvc1,vwc1の絶対値の最大値に応じて電力損失が異なり得ることが考慮されていない。このため、これらを考慮すべく、オフセット電圧Δ及び指令電圧vuc1,vvc1,vwc1の絶対値の最大値に応じて、配分を可変設定することで、電力損失の低減に関してより適切な処理を行なうことができる。
By using these several parameters together, it is possible to set the distribution more appropriately. For example, when the offset voltage Δ is variably set according to the rotation angle θ or the like as in
以上説明した本実施形態によれば、先の第1の実施形態における上記(1)〜(3)の効果に加えて、更に以下の効果が得られるようになる。 According to this embodiment described above, in addition to the effects (1) to (3) in the first embodiment, the following effects can be obtained.
(4)インバータ10の素子温度、Duty、指令電圧、電動機5の回転角度θ、電動機5を流れる実電流iu,iv,iw、オフセット電圧Δの少なくとも1つに応じて、2相変調処理とオフセット処理との時間配分を可変設定した。これにより、インバータ10をより適切に操作することができる。
(4) Two-phase modulation processing and offset according to at least one of the element temperature of the
(その他の実施形態)
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
(Other embodiments)
Each of the above embodiments may be modified as follows.
・先の第2の実施形態において、インバータ10の素子温度、Duty、指令電圧、電動機5の回転角度θ、電動機5を流れる実電流iu,iv,iw、オフセット電圧Δの少なくとも1つに応じて、オフセット処理と2相変調処理との時間配分を可変設定したが、これに限らない。例えばこれらのパラメータに基づき、オフセット処理と2相変調処理とからなる1回の処理時間(1周期)を可変設定してもよい。
In the second embodiment, according to at least one of the element temperature of the
・2相変調処理とオフセット処理との処理時間の設定としては、上記各実施形態で例示したものに限らない。例えばスイッチング素子12〜22を極力小型化したい場合には、フライホイールダイオード24〜34を大型化し、このときの許容最大電力損失に基づき、スイッチング素子12〜22の最大の電力損失を極力低減する設定とすればよい。更に例えば、上記2相変調処理とオフセット処理とを行なう極低速時以外におけるフライホイールダイオード24〜34の最大の電力損失以下に同フライホイールダイオード24〜34の最大の電力損失を制限するとの制約の下、スイッチング素子12〜22の最大の電力損失を極力低減する設定としてもよい。
The processing time settings for the two-phase modulation process and the offset process are not limited to those exemplified in the above embodiments. For example, when it is desired to make the
・上記各実施形態では、2相変調処理とオフセット処理とを併用したがこれに限らない。ここで2相変調処理によれば、インバータ10の電力損失を低減することができることやフライホイールダイオード24〜34の電力損失を低減することができるという利点がある反面、スイッチング素子12〜22の電力損失が増大するという欠点があることを考慮することが望ましい。例えば2相変調処理と通常の処理とを組み合わせることによっても、スイッチング素子12〜22の電力損失の増大を抑制しつつも、フライホイールダイオード24〜34の電力損失を低減することや、インバータ10の電力損失を低減することができる。
In each of the above embodiments, the two-phase modulation process and the offset process are used together, but this is not a limitation. Here, according to the two-phase modulation process, there is an advantage that the power loss of the
・オフセット電圧Δによって補正を行なうオフセット処理と、同補正を行なわない処理とを併用することによっても、オフセット処理のみによる場合と比較して、処理の自由度を高めることができる。例えば先の図8(a)に示した特性に鑑みれば、上記処理の併用により、フライホイールダイオード24〜34の電力損失の増大を極力抑制しつつスイッチング素子12〜22の電力損失を低減する処理等ができる。
By combining the offset process that performs correction using the offset voltage Δ and the process that does not perform the correction, the degree of freedom of the process can be increased as compared with the case of using only the offset process. For example, in view of the characteristics shown in FIG. 8A, the process of reducing the power loss of the switching
・スイッチング素子としては、IGBTに限らず、例えばMOSトランジスタ等であってもよい。また、IGBTと逆並列に接続される整流手段としては、ダイオードに限らず、例えばサイリスタ等であってもよい。 The switching element is not limited to the IGBT but may be a MOS transistor, for example. The rectifying means connected in antiparallel with the IGBT is not limited to a diode, and may be a thyristor, for example.
・3相回転機としては、3相電動機に限らず、3相発電機であってもよい。 The three-phase rotating machine is not limited to a three-phase motor, and may be a three-phase generator.
・上記各実施形態では、車載ハイブリッドシステムに本発明にかかる制御装置を搭載したが、これに限らず、例えば電気自動車に搭載してもよい。 In each of the above embodiments, the control device according to the present invention is mounted on the in-vehicle hybrid system. However, the present invention is not limited thereto, and may be mounted on, for example, an electric vehicle.
5…電動機、12〜22…スイッチング素子、24〜34…フライホイールダイオード(整流手段の一実施形態)、50…コントローラ(3相回転機の制御装置)。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記デューティ制御により3相の各スイッチング素子を操作する3相変調処理手段と、
前記各相に対する指令電圧のうち絶対値が最大となるものが正の場合には、該指令電圧を前記インバータの正極入力端子の電圧とするうえで必要な量だけ各相の指令電圧を補正し、前記絶対値が最大となるものが負の場合には、該指令電圧を前記インバータの負極入力端子の電圧とするうえで必要な量だけ各相の指令電圧を補正する2相変調処理手段と、
前記3相回転機の回転速度が所定速度以下であるとき、前記スイッチング素子の操作に際して、前記3相変調処理手段による処理と前記2相変調処理手段による処理との切り替えを行なうことでこれら2つの処理を併用する切替手段とを備え、
前記切替手段による切り替えによって前記3相変調処理手段による処理がなされるとき、前記指令電圧を前記2相変調処理手段によるものとは逆符号のオフセット電圧にて補正することを特徴とする3相回転機の制御装置。 In a control device for a three-phase rotating machine that operates each switching element of the inverter by duty control according to a command voltage for each phase of the three-phase rotating machine,
Three-phase modulation processing means for operating each of the three-phase switching elements by the duty control;
When the command voltage with the maximum absolute value is positive among the command voltages for each phase, the command voltage for each phase is corrected by an amount necessary to use the command voltage as the voltage of the positive input terminal of the inverter. Two-phase modulation processing means for correcting the command voltage of each phase by an amount necessary for setting the command voltage to the voltage of the negative input terminal of the inverter when the absolute value is the maximum. ,
When the rotational speed of the three-phase rotating machine is equal to or lower than a predetermined speed, when the switching element is operated, switching between the processing by the three-phase modulation processing means and the processing by the two-phase modulation processing means is performed. Switching means that uses processing together,
When the processing by the three-phase modulation processing means is performed by switching by the switching means, the command voltage is corrected with an offset voltage having a reverse sign to that by the two-phase modulation processing means. Machine control device.
前記インバータは、前記スイッチング素子と逆並列に接続された整流手段を更に備えることを特徴とする請求項1又は2記載の3相回転機の制御装置。 The switching element is an element that regulates the flow direction of current between the input terminal and the output terminal in one direction,
The inverter control device of the three-phase rotary machine according to claim 1 or 2, wherein the obtaining further Bei the connected rectifying means in antiparallel with the switching element.
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