WO2011013583A1 - モータ駆動装置及びこれを備えた電動アシスト車 - Google Patents

Abstract

【課題】モータによる発電電圧が電池電圧よりも高い電圧になったときにも電池への充電動作が可能なモータ駆動装置およびこれを用いた電動アシスト車を提供する。 【解決手段】二次電池101とモータ105を駆動する三相ブリッジインバータ回路500との間に電圧変換回路400を介在して設け、電圧変換回路400は、主制御回路300の指示に基づいて、二次電池101の出力電圧を昇圧してこの出力電圧よりも高い電圧の電力を三相ブリッジインバータ回路500に供給するとともに、モータ105が発電動作しているときであって且つモータ105の出力電圧が二次電池101の供給電圧よりも高いときにモータ105の出力電圧を降圧してモータ105の出力電圧よりも低い電圧を二次電池101に供給して二次電池101を充電する。さらには、電圧変換回路400の入出力端間に接続されたバイパス回路にオン・オフ制御を加えることにより、状況に応じたアシスト動作又は回生動作を可能にする。

Description

モータ駆動装置及びこれを備えた電動アシスト車

　本発明は、モータ駆動装置に関し、特に人力によって移動する車輪を備えた移動体に装備して移動のために要する人力を低減できるモータ駆動装置、およびこれを備えた電動アシスト車に関するものである。

　電動アシスト自転車等の電動補助力を活用した電動アシスト車は、人力を検出するセンサ、例えば踏力（トルク）センサ等を用い、その検出信号に応じて電動補助力を調整、すなわちアシスト制御するような仕組みになっている（特許文献１、２を参照）。

　また、搭載する電池のエネルギーで、できる限り長距離走行できるようにするために、ブレーキをかけて減速する際に、モータを発電機として動作させ、エネルギー回収、すなわち回生を行って、モータにより発電された電力により電池を充電するようにしている（特許文献３を参照）。

　例えば、従来一般的に電動アシスト自転車に用いられているモータ駆動装置は、図２６に示すように、二次電池５１、コンデンサ５２、制御回路５３、人力センサ５４、ブレーキセンサ５５、モータ５６、三相ブリッジインバータ回路５７から構成されている。

　日本などでは時速２４ｋｍの走行速度までがアシスト対象として認められている。このため、例えば二次電池５１の標準電圧が２４Ｖの場合、図２７に示すように２４Ｖの電圧印可時に時速２４ｋｍに対応した補助駆動ができる三相直流ブラシレスモータ５６を用いている。

　モータ５６はホール素子等を備えて回転情報、すなわち電動アシスト自転車のスピード信号を出力するものであり、この回転情報はＣＰＵを主体として構成される制御回路５３に供給される。

　制御回路５３は、上記回転情報を入力するとともに、ペダルにかかる人力によるトルクを検出する人力センサ５４の検出値と、ブレーキを作動させたか否かを検出するブレーキセンサ５５の検出値を入力し、これらの情報に基づいて三相ブリッジインバータ回路５７を動作させてモータ５６の回転数を制御する。

　三相ブリッジインバータ回路５７は駆動回路６１と６個の電界効果トランジスタＱ１～Ｑ６によって構成される周知の回路であり、相毎に２個の電界効果トランジスタＱ１１～Ｑ１２、Ｑ２１～Ｑ２２、Ｑ３１～Ｑ３２がそれぞれ直列接続され、駆動回路６１によって各電界効果トランジスタＱ１１～Ｑ３２がスイッチング動作し、二次電池５１から印可される電池電圧のモータ５６への印可時間と非印可時間の比率を調整することによってモータ５６への供給電力を変化させることによりモータ出力（回転数、トルク）を制御している。

　また、モータ５６の駆動が停止された状態で自転車が走行すると、モータ５６が発電機となり、発電電力により二次電池５１は充電される。さらに、下り坂などにおいて自転車の走行速度が時速２４ｋｍよりも速くなった場合にはモータ５６の発電電力が三相ブリッジインバータ回路５７の各電界効果トランジスタＱ１１～Ｑ３２の寄生ダイオードを介して逆流し二次電池５１が破壊されるリスクが発生するため、何らかの対策が必要である。

　例えば、電池５１とインバータ回路５７の間にＦＥＴ等によるスイッチ素子を介在させ、通常時はスイッチをオンにしておき、モータ５６の電圧が二次電池５１の電圧より大きくなったときはスイッチ素子をオープンにし、電池を保護する等の対策が必要である。

　このようなモータ駆動装置を備えた電動アシスト自転車による走行では、図２８に示すように、走行開始時において搭乗者がペダルをこぎ始めると人力センサ５４の検出値が増大する。そして、自転車の走行速度が徐々に高まるとともにモータ駆動回路によるモータ５６への印可電圧も徐々に高まり電動アシストが行われる。走行速度が電動アシスト対象となる最大速度の時速２４ｋｍまで、或いは、モータ５６への供給電力が二次電池５１によって供給可能な最大電力になるまで電動アシストが行われる。この電動アシストによって、搭乗者による人力の供給は軽減される。また、ブレーキを作動させ、ブレーキセンサ５５がオンになったとき、電動アシスト動作は停止される。同時に、モータ５６への電力供給が停止される。このとき、モータ５６が発電機となり、発電された電力によって二次電池５１が充電されるとともに、走行に対する負荷となってブレーキ力が増大され、走行速度が低下する。

特許第２６２３４１９号公報 特開２００３－２７６６７２号公報 特許第３３１７０９６号公報

　前述した電動アシスト車におけるモータ駆動装置の走行距離増大のためには、消費電力削減、すなわちモータ駆動効率改善と、エネルギー回収率の向上である位置エネルギーおよび運動エネルギーの回収が重要である。

　駆動時、回生時の効率悪化は、モータ及び駆動回路の抵抗と電流による損失（銅損）であり、銅損を減らすことが効率改善につながる。モータの抵抗値削減や、駆動回路に使われているスイッチングデバイスの抵抗値削減は、モータメーカーやデバイスメーカーの努力で改善が進んでいるが、電動アシスト車の更なる性能改善を実現するためにはまだまだ不十分であり、別の効率改善が求められている。

　現状で入手可能なモータで銅損を削減するためには、ギヤー比変更や磁気回路変更等の手段によりモータの逆起電力を大きくすることが有効である。すなわち、同じ電力を投入してモータを駆動し、エネルギーを回収する際に電圧を大きくすることで電流を減らすことができるからである。しかしながら、モータ電圧はモータ回転速度、すなわち電動アシスト自転車は走行速度と相関があるため、電動アシスト自転車の走行速度が速くなりモータ電圧が電池電圧よりも高い電圧になると、従来のモータ駆動回路では三相ブリッジインバータ回路のハイサイド側の電界効果トランジスタの寄生ダイオードを介し、モータ電圧とバッテリ電圧が短絡されることになり、駆動動作が不可能になる。また、回生動作もコントロールが利かない為、実質的に不可能になるという課題があった。

　上記課題を解決するために、本発明では、モータが発電動作しているときのモータの出力電圧を電池電圧以下に降圧する電圧変換回路を備えることにより、高速域における回生を可能にした。

　さらに、本発明は、上記電圧変換回路を、電池電圧を昇圧する回路として動作可能にすることにより、モータへの印可電圧を電池電圧よりも高くすることを可能とし、モータ電圧が電池電圧以上になる高速域でも電動補助駆動を可能とした。

　上記電圧変換回路はインダクタや電界効果トランジスタ等によるスイッチング損失と導通損失を生じるため、昇圧動作を行わないときには電圧変換回路を停止させてスイッチング損失を削減することである。これに加え、電圧変換回路のデバイスをバイパスする回路を設けることで導通損失も削減することが可能になる。

　上記電圧変換回路を、高速駆動時には動作させず、モータによるアシストを無くして消費電力を節約する。そして、高速から減速する際の回生動作時に、上記電圧変換回路、すなわちモータから見ると降圧回路を動作させて貴重なエネルギーを余すこと無く回収することで、電池からの持ち出しを削減し、回収電力の収支バランスを改善することができる。

　さらに、本発明は、電池残量に応じて上記動作を行うことで、アシスト感の重視や、省エネ重視の動作を行い、電池切れを抑制しつつ、アシスト感も確保することができるようにした。すなわち、電池残量情報と人力センサ情報を考慮して、上記動作を調整することにより、電池切れ防止とアシスト必要時のアシスト感との確保を両立することができるようにした。

　本発明により、高速時にモータ電圧が電池電圧を上回る際も回生および駆動が可能となり、高効率な駆動および回生が可能となる。

　また、本発明により、アシスト感を維持しつつ省エネ制御を実現できる。

　さらに、無充電化、例えば充電器不要、電池小型化、軽量化などを実現するにはエネルギー収支バランスを合わせることが課題であるが、本発明により、電池電圧に応じてアシスト重視か省エネ重視を選択的に制御することにより、電池切れを抑制する制御が可能となる。

本発明の一実施形態における電動アシスト自転車を示す外観図 本発明の第１実施形態における電動自転車の人力センサ部分の一部断面の概略説明図 図２に示す人力センサ部分におけるスプロケットと駆動ホイールとの接続部分の踏力が加えられない状態の部分拡大断面図 図２に示す人力センサ部分におけるスプロケットと駆動ホイールとの接続部分の踏力が加えられた状態の部分拡大断面図 図２に示す人力センサ部分のみのＸ－Ｘ線側から見た側面図 図２に示す人力センサ部分のみのＸ－Ｘ線側から見た側面図 図２の人力センサ部分において、検出結果の矩形波パルス信号を示すタイミングチャート図 本発明の第１実施形態におけるモータの電気特性を示す図 本発明の第１実施形態におけるモータ駆動装置の電気系回路を示すブロック図 本発明の第１実施形態におけるモータ駆動装置の動作を説明するタイミングチャート図 本発明の第１実施形態における電圧変換回路の動作を説明するタイミングチャート図 本発明の第１実施形態における電圧変換回路の動作を説明するタイミングチャート図 本発明の第１実施形態における三相ブリッジ回路の動作を説明するタイミングチャート図 本発明の第１実施形態における電圧変換回路の動作を説明するタイミングチャート図 本発明の第２実施形態におけるモータ駆動装置の電気系回路を示すブロック図 本発明の第２実施形態におけるモータ駆動装置の動作を説明するタイミングチャート図 図１５の主制御回路300の判断過程と制御結果の様子を示すフローチャート図 図１５の主制御回路300の判断過程と制御結果の様子を、図１７における例を少し変形した例を示すフローチャート図 本発明の第３実施形態におけるモータ駆動装置の動作を説明するタイミングチャート図 図１５の主制御回路300の判断過程と制御結果の様子を、図18に対応して示したフローチャート図 本発明の第４実施形態におけるモータ駆動装置の電気系回路を示すブロック図 本発明の第４実施形態におけるモータ駆動装置の動作を説明するタイミングチャート図 本発明の第４実施形態におけるモータ駆動装置の動作を説明するタイミングチャート図 本発明の第５実施形態におけるモータ駆動装置の電気系回路を示すブロック図 図２４の主制御回路300の判断過程と制御結果の様子を示したフローチャート図 従来例のモータ駆動装置の電気系回路を示すブロック図 従来例のモータ駆動装置に用いられているモータの電気特性を示す図 従来例のモータ駆動装置の動作を説明するタイミングチャート図

　以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。

　図１は本発明の第１実施形態における電動アシスト自転車を示す外観図である。この電動アシスト自転車１はクランク軸と後輪がチェーンを介して連結されている一般的な後輪駆動型のものであり、モータ駆動装置を構成する二次電池101と、モータ駆動部102、人力センサ103、ブレーキセンサ104、モータ105を備えている。

　二次電池101としては供給電圧（満充電時の電圧）が２４Ｖのリチウムイオン二次電池を用いているが、他種の二次電池を用いても良い。

　モータ駆動部102はサドルの後ろ側に固定された筐体内に収容されている。モータ駆動部102の詳細な説明については後述する。

　人力センサ103は後述するように、クランク軸と関連した部材に設けられており、搭乗者によるペダルの踏力が検出され、この検出結果がモータ駆動部102に送られる。

　ブレーキセンサ104は、磁石と周知のリードスイッチとから構成されている。磁石は、ブレーキレバーを固定するとともにブレーキワイヤーが送通される筐体内において、ブレーキレバーに連結されたブレーキワイヤーに固定され、ブレーキレバーが握られたときにリードスイッチをオン状態にするようになっている。また、リードスイッチは前記筐体内に固定されている。リードスイッチの導通信号はモータ駆動部102に送られる。

　モータ105は、周知の三相直流ブラシレスモータからなり、電動アシスト自転車１の前輪の回転軸に装着され、前輪を回転させるとともに前輪の回転に応じてローターが回転するようにローターが前輪に連結されている。さらに、モータ105はホール素子等を備えてローターの回転情報をモータ駆動部102に出力する。

　また、本実施形態においては、図８の特性Ｍ２で示すように４８Ｖの電圧を印可したときに時速２４ｋｍの走行速度が得られるモータ105を用いている。従来例で使用されているモータは特性Ｍ１で示すように２４Ｖの電圧を印可したときに時速２４ｋｍの走行速度が得られるものである。

　本実施形態のように二次電池101の供給電圧よりも大きな電圧によってアシスト対象となる最大速度が得られるモータ105を使用することによりモータ105における銅損を従来例の１／４にすることができる。

　すなわち、モータ出力はモータ電圧×モータ電流であり、モータ損失（銅損）はモータ抵抗×（モータ電流）²である。故に、同じ出力で駆動および回生動作を行う場合、モータ電圧の高い方が、効率が良くなる。

　例えば　モータ特性Ｍ１の従来例のモータによって時速１２ｋｍで走行しているときに１０Ａの電流をモータに流して駆動した場合、モータ抵抗を１００ｍΩとすると、モータ損失（銅損）は１００ｍΩ×（１０Ａ）²＝１０Ｗになる。

　これに対して、モータ特性Ｍ２の本実施形態のモータ105によって時速１２ｋｍで走行
するときに必要な電流は５Ａであるため、モータ抵抗を１００ｍΩとすると、モータ損失（銅損）は１００ｍΩ×（５Ａ）²＝２．５Ｗになる。

　したがって、モータ特性Ｍ２の場合は、モータ電圧が倍になる為、モータ電流は半分で済み、モータ損失（銅損）を１／４に軽減することができる。但し、従来例では電池電圧（２４Ｖ）で駆動できる速度範囲が２４ｋｍ／ｈであったのに対して、本実施形態におけるモータ105を用いたとき、従来例と同じモータ駆動装置を用いたのでは電池電圧（２４Ｖ）で駆動できる速度範囲は１２ｋｍ／ｈに減少してしまう。この課題は本実施形態におけるモータ駆動部102の構成によって解消される。

　ここで、人力センサ103を図２～図７を参照して、要部のみ説明する。図２に示すように、クランク軸１２には、板状のフロントスプロケット１５がベアリングを介して取り付けられている。このスプロケット１５の外周部分に形成されているギヤー部１５ｂにはチェーン１７が懸架されている。スプロケット１５は、ペダル１６を踏み込み、後述する駆動ホイール２２を介して時計方向に回転させたときのみ、チェーンが回転するようになっている。

　スプロケット１５のホイール部１５ａにおいて、ギヤー部１５ｂの形成されている径より小径の円周上には、突起部１５ｃが形成されている。この突起部１５ｃの一つに対向する位置に、図示していない固定板に取り付けられたセンサ１９が設けられ、突起部１５ｃと対向したときに検知してパルスが発生するようになっている。

　これら突起部１５ｃが形成された径より小径の直径を有する板状の駆動ホイール２２がスプロケット１５に対向して、クランク軸１２と一体的に回転するように固定されている。この駆動ホイール２２の外周側には突起部２２ｃが突起部１５ｃと同ピッチで同様に形成されている。この突起部１５ｃの一つに対向する位置に、図示していない固定板に取り付けられたセンサ２４が設けられ、突起部２２ｃと対向したときに検知してパルスが発生するようになっている。スプロケット１５と駆動ホイール２２とは、図３乃至図６で示すように弾性体２６を介し、弾性体２６を使用し螺子２７，２８で螺子止めされて連結されている。ペダル１６を踏み込んだときには、ペダルクランク１３を介してクランク軸１２が回転し、駆動ホイール２２も一体的に回転する。しかしながら、フロントスプロケット１５は、後輪の負荷を背負ってチェーン１７で後輪側方向Ｄに引っ張られているために、遅延して回転する。そのためにセンサ２４から発せられる突起部２２ｃの検出信号パルスとセンサ１９から発せられる突起部１５ｃの検出信号パルスとはタイミングが一致したパルスとならずタイミングがずれたパルスとなって現れる。

　この状態を、図７のタイミングチャートを参照して説明する。図において、（Ｃ）及び（Ｄ）は踏力が加えられない状態の信号を示す図、（Ｃ１）及び（Ｄ１）は踏力が加えられた状態の信号を示す図、（Ｅ）は（Ｃ１）及び（Ｄ１）の信号の位相差から生成される信号を示す図である。また、（Ｃ）は駆動ホイール２２の突起部２２ｃを検出したセンサ２４から発せられる検出信号パルスである。（Ｄ）はスプロケット１５の突起部１５ｃを検出したセンサ１９から発せられる検出信号パルスである。この（Ｃ）と（Ｄ）とは、ペダルに踏力が加えられないとき、突起部２２ｃと突起部１５ｃが位相差のない回転をしているときの検出信号である。次に、ペダル１６を踏み込んだときの信号状態の（Ｃ）は、（Ｃ１）で表してあるが、変化しない信号である。しかし、信号状態の（Ｄ）は、（Ｄ１）のように変化する。すなわち、（Ｄ１）は、時計に例えた位置で０時より例えば５°の遅延がでる。理由は上述したとおりであるが、このように遅延した時間Ｔの分だけ新たな信号（Ｅ）を発生するパルス発生回路が設けられている。この遅延時間（位相差）パルスをもって、モータ駆動部102でモータ105の駆動を制御する。結果的に、搭乗者がペダル１６を踏み込みペダルクランク１３を回転して、クランク軸１２を回転する間は、モータ105を駆動することができるので、踏力に応じたモータ105の補助駆動が可能となる。

　次に、本実施形態におけるモータ駆動装置の詳細を説明する。

　図９は本発明の第１実施形態におけるモータ駆動装置の電気系回路を示すブロック図である。図において、101は二次電池、102はモータ駆動部、103は人力センサ、104はブレーキセンサ、105はモータである。

　モータ駆動部102は、電圧変換動作制御回路200と、主制御回路300、電圧変換回路400、三相ブリッジインバータ回路500によって構成されている。なお、本発明における駆動制御回路は電圧変換動作制御回路200と主制御回路300によって構成されており、モータドライブ回路は三相ブリッジインバータ回路500によって構成されている。

　電圧変換動作制御回路200は、主制御回路300から入力する制御信号に基づいて、電圧変換回路400の駆動を制御する。

　主制御回路300は、ＣＰＵを主体として構成され、ＣＰＵを動作させるために予め設定されているプログラムに基づいて動作する。さらに、主制御回路300は不揮発性メモリを有し、このメモリ内には上記プログラムとモータ駆動に必要な情報が記憶されている。モータ駆動に必要な情報としては、前輪の直径又は半径などの走行速度の算出に必要な値と走行速度を求めるための計算式、人力センサ103からの入力信号に基づいて踏力を算出するために必要な計算式、モータ105が発電機として動作した際にモータ105の回転数からモータ105の出力電圧を算出するために必要な計算式などが記憶されている。

　また、主制御回路300は、人力センサ103からの入力信号が発生した場合、人力センサ103からの入力信号に基づいて、モータ105の駆動力を発生させるために三相ブリッジインバータ回路500の駆動回路501に制御信号を出力し、モータ105を駆動する。

　一方、ブレーキ操作が行われ、ブレーキセンサ104からブレーキ信号が主制御回路300に入力された場合、主制御回路300はブレーキセンサ104からの入力信号に基づいて、三相ブリッジインバータ回路500によるデューティ信号のパルス幅を小さくするような制御信号を出力する。さらに、主制御回路300は、三相ブリッジインバータ回路500の出力電圧をモータ起電力以下に制御してモータ105からの電力を回生することによりブレーキ制御力を得ることができるようにする。このとき、主制御回路300は、モータ起電力の電圧を監視し、モータ起電力の電圧が一定値、すなわち二次電池101の電池電圧をしきい値とする以下の場合、電界効果トランジスタＱ１をオフとし、電界効果トランジスタＱ２をオンとする動作をするように電圧変換動作制御回路200に信号を出力する。

　また、主制御回路300は、モータ起電力の電圧が前記一定値、例えば電池電圧をしきい値とするより大きくなった場合は、電圧変換回路400が動作するように電圧変換動作制御回路200に信号を出力する。

　主制御回路300は、人力センサ103とブレーキセンサ104からの入力に基づき、アシスト駆動が必要と判断した場合、電圧変換動作制御回路200に電圧変換回路400が電池電圧を昇圧させる動作をするように制御信号を出力する。この昇圧した電力によってモータ105は駆動する。

　さらに、主制御回路300は、人力センサ103とブレーキセンサ104からの入力に基づき、回生が必要と判断した場合は、電圧変換動作制御回路200に電圧変換回路400がモータ起電力を降圧した電圧に基づく電流が二次電池101に流れて充電するように制御信号を出力する。

　電圧変換回路400は、駆動回路401と、チョークコイルL1、コンデンサC1、電界効果トランジスタQ1,Q2から構成されている。チョークコイルL1の一端は二次電池101の正極に接続され、他端は電界効果トランジスタQ1のドレイン・ソースを介して二次電池101の負極に接続される。とともに、前記他端は電界効果トランジスタQ2のドレイン・ソースを介して三相ブリッジインバータ回路500の入力端にも接続されている。また、三相ブリッジインバータ回路500の入力端は、コンデンサC1を介して二次電池101の負極に接続されている。そして、駆動回路401は、電圧変換動作制御回路200からの制御信号に基づいて、電界効果トランジスタQ1,Q2のゲート電圧を制御する。すなわち、電界効果トランジスタQ1,Q2は、図１０に示すようにQ1がオンの場合、Q2はオフ、Q1がオフの場合にはQ2はオンという反転動作を行う同期整流方式の昇圧電源動作をし、回路素子が理想的な場合、Q1の１周期に対するオン比率をＤとすると三相ブリッジインバータ回路500に対して Ｖdrv＝Ｖbat／（１－Ｄ）の昇圧された電圧を供給する。ここで、Ｖdrvは三相ブリッジインバータ回路500の入力端に印可される電圧、Ｖbatは二次電池101の出力電圧である。図１０のQ1とQ2のスイッチングが行われた際のQ1の端子電圧が二次電池の電圧Ｖbatより高くなっている状態を、VDSとして示した。さらに、インダクタL1に流れる電流のIL1状態も示した。また、このときのコンデンサC1の端子電圧Ｖdrv、すなわち三相ブリッジインバータ回路500の入力端に印可される電圧も示した。

　また、三相ブリッジインバータ回路500が回生動作をした場合にも、同等の式が成り立ち、図１１の様にチョークコイルL1に流れる電流IL1の向きは逆になるが、同等のコンデンサC1の端子電圧Ｖdrvが維持される。

　三相ブリッジインバータ回路500は、駆動回路501と、電界効果トランジスタQ11～Q32とから構成されている周知のインバータ回路である。三相Ａ，Ｂ，Ｃの相毎に２個の電界効果トランジスタQ11～Q12,Q21～Q22,Q31～Q32のそれぞれが直列接続され、駆動回路501によって各電界効果トランジスタQ11～Q32がスイッチング動作する。このとき、二次電池101から電圧変換回路400を介して印可される電圧のモータ105への印可時間と非印可時間の比率を調整することによってモータ105への供給電力を変えることにより回転数を制御する。

　三相ブリッジインバータ回路500によるモータ駆動は、図１２，１３に示すように、１周期を３６０°期間とした場合、１２０°の期間はハイサイド側の電界効果トランジスタQ11,Q21,Q31とローサイド側の電界効果トランジスタQ12,Q22,Q32の反転ＰＷＭ（パルス変調）動作し、次の６０°の期間をハイサイド側とローサイド側を共にオフし、その次の１２０°の期間をローサイド側の電界効果トランジスタQ12,Q22,Q32がフルにオン動作し、次の６０°の期間をハイサイド側とローサイド側を共にオフという動作を繰り返す。そして、Ａ、Ｂ、Ｃの三相は、それぞれ１２０°ごとに位相をずらして上記の動作をする。

　また、回転速度に比例するモータ逆起電圧と駆動デューティ、すなわちハイサイド側の電界効果トランジスタのＰＷＭのデューティ比で決められる三相ブリッジインバータ回路500の出力電圧、すなわちＶdrv×駆動デューティ比の関係で、図１２に示すようにモータ逆起電圧に対し三相ブリッジインバータ回路500の出力電圧が高ければモータ駆動方向に電流が流れてモータを加速する。もしくは回転を維持する方向に力が働き、図１３に示すようにモータ逆起電圧に比べて三相ブリッジインバータ回路500の出力電圧が低ければ、モータ回生方向に電流が流れてモータ105の回転を減速する方向に力が働く。

　なお、図１２及び図１３において、ImotorＡ，Ｂ，Ｃはモータ１０５のそれぞれの電機子へ流れる電流を示し、Idrvは三相ブリッジインバータ回路500へ流れる電流である。

　したがって、上記第１実施形態におけるモータ駆動装置を備えた電動アシスト自転車１による走行では、図１４に示すように、走行開始時において搭乗者がペダルをこぎ始めると、人力センサ103の検出値が瞬時に増大し、走行速度が徐々に高まるとともにモータ駆動部102にモータ105への印可電圧も徐々に高まり電動アシストが行われる。走行速度が電動アシスト対象となる最大速度の時速２４ｋｍまで、或いは、モータへの供給電力が電圧変換回路400によって供給可能な最大電力になるまで電動アシストが行われ、搭乗者による人力の供給が低減しても、十分な速度を保つことができるようになる。また、緩い勾配の坂道になるようなときに、ブレーキを作動して、ブレーキセンサ104がオンになったとき、電動アシスト動作は停止され、モータ105への電圧印可が停止される。このとき、モータ105は発電機となり、モータ105からの出力電圧が二次電池101の供給電圧より高いときは電圧変換回路400によって降圧された電圧が二次電池101に印可される。その結果、二次電池５１は充電され、それとともに、走行に対する負荷となってブレーキ力が増大され、走行速度が低下して行く。このような降圧動作を含むサイクルがつづくことにより、二次電池の一度の充電で、長い距離を走行することが可能になるのである。

　前述したように本実施形態によれば、モータ電圧が電池電圧を上回っている場合でも、ブレーキの操作があれば、電圧変換回路の降圧回路を動作させて充電ができることから、高効率な回生が可能となる。

　次に、本発明の第２実施形態を説明する。

　図１５は本発明の第２実施形態におけるモータ駆動装置の電気系回路を示すブロック図である。第２実施形態において、前述した第１実施形態と同一構成部分は同一符号をもって表す。また、第２実施形態と第１実施形態との相違点は、バイパス回路700とバイパス制御回路600を追加するとともに、主制御回路300によってバイパス制御回路600への制御命令を行うようにしたことである。

　バイパス回路700は、電界効果トランジスタQ41と駆動回路701とから構成されている。電界効果トランジスタQ41のドレイン・ソースは電圧変換回路400の入出力端、すなわち二次電池101の正極と三相ブリッジインバータ回路500の入力端に接続されている。これにより電界効果トランジスタQ41がオンになると二次電池101の正極と三相ブリッジインバータ回路500の入力端の間が短絡される。電界効果トランジスタQ41のゲート電圧は駆動回路401によって制御され、駆動回路401への制御信号は、主制御回路300の制御命令に基づいてバイパス制御回路600から制御信号が出力される。

　上記構成において、主制御回路300は、モータ起電力の電圧を監視し、モータ起電力の電圧が一定値、例えば電池電圧をしきい値として、その値以下の場合、電界効果トランジスタQ41をオンするようにバイパス制御回路600に制御命令を出力する。

　主制御回路300は、モータ起電力の電圧を監視し、モータ起電力の電圧が一定値、例えば電池電圧をしきい値以上の場合、電界効果トランジスタQ41をオフするようにバイパス制御回路600に制御命令を出力する。

　したがって、図１６に示すように、電圧変換回路400を必要としないときは、バイパス回路700の電界効果トランジスタQ41がオンされて電圧変換回路400の入出力端が短絡されるので、チョークコイルL1のインダクタや電界効果トランジスタQ2等による損失を削減することが可能になる。

　次に、図１５に示される本発明の第２実施形態におけるモータ駆動装置の主制御回路300の動作を図１７のフローチャートで説明する。まず、二次電池101の電圧が印加されている状態をスタートステップSSとする。その状態において、ブレーキセンサ104のスイッチの有無を判断するステップS1の判定がOFFになっている場合、次のステップS2は、人力センサ103の信号を受けて判断するステップとなる。このステップS2の判定がNOであれば、このステップでは、スタート時点に戻ることになる。判定がYESであれば次のステップS3に信号が送られる。このステップS3は、モータ105に取付けられているホール素子を主体とする速度センサの信号を受けて判断するステップである。ステップS3における判定が、例えば２４ｋｍ／ｈ以上の場合、主制御回路300は、バイパス制御回路600へバイパス回路700がスイッチOFFするように駆動回路701を通じて指令する。そして、電圧変換動作回路200からの制御信号によって、電圧変換回路400が昇圧動作するように駆動回路401を通じて指令する。次のステップS9では、インバータ回路を動作させてモータを小電流で駆動して、人力をアシストすることになる。このステップ９が終了するとスタート時点に戻ることになる。

　次に、ステップＳ３での判定が、例えば２４ｋｍ／ｈ未満の場合、ステップS11において主制御回路300は、バイパス制御回路600へバイパス回路700がスイッチONするように駆動回路701を通じて指令する。そして、ステップS12において電圧変換動作回路200へ電圧変換回路400の動作を止めるように駆動回路401を通じて指令する。この次のステップS13は、ステップS9と同様な動作なので、共通の表示をした。すなわち、インバータ回路500を動作させてモータを電池電源のままで駆動して、人力をアシストすることになる。このステップS13では、電圧変換回路400への電流が流れないため、電圧変換回路400の損失を免れることが可能になる。すべてのステップが終了した時点でスタート時点に戻ることになる。

　ステップ1に戻り次の説明をする。ステップS1において、ブレーキセンサ104の信号による判定がYESになった場合、すなわちブレーキが掛けられたとき、次のステップＳ１５において判断をする。ステップS15では、モータ内に取付けられた速度センサの信号から主制御回路300において速度計算される。計算結果が例えば２４ｋｍ／ｈ以上の場合、ステップS16における主制御回路300は、バイパス制御回路600へバイパス回路700がスイッチOFFするように駆動回路701を通じて指令する。そして、ステップS17において電圧変換動作回路200を制御して電圧変換回路400が降圧動作をする信号を、駆動回路401を通じて指令する。この次のステップS18では、インバータ回路500を動作させてモータ105を発電機として利用し、回生動作をすることになる。このステップS18では、電圧変換回路400の降圧動作により、今まで熱として捨てていたエネルギーを、本発明では短時間であるが二次電池101の充電にあてることを可能にしたのである。この短時間充電が電動アシスト自転車を走行する間、繰り返されることにより、一度の電池充電により長距離走行が可能になるのである。走行の地形によって、無充電走行が可能になるのである。この分岐のステップがすべて終了した時点で、スタートに戻る。

ステップS15に戻り、速度センサからの信号が例えば２４ｋｍ／ｈ未満の場合、ステップS20において主制御回路300は、バイパス制御回路600へバイパス回路700がスイッチONするように駆動回路701を通じて指令する。そして、ステップS21において電圧変換動作回路200の制御信号によって電圧変換回路400が動作を止めるように駆動回路401を通じて指令する。この結果、ステップS18と同様に、ステップS22ではインバータ回路を動作させてモータ105を発電機として利用し、回生動作をすることになる。また、このステップS22は、電圧変換回路400への電流が流れないため、電圧変換回路400の大きな損失を免れる。同時に、モータ105が発電機として電圧を発生し、二次電池101を充電することになる。そして、この分岐のステップがすべて終了した時点で、スタートに戻る。

　この第２の実施形態において、ブレーキ動作時の電動アシスト自転車のスピ－ドの如何に係らず、すなわち発電電圧が高いときも低いときも、ともに二次電池101を充電することが可能になり、電動アシスト自転車の走行距離を伸ばす作用をすることが可能になる。

　上述したきめ細かな制御が可能にできるのは、電圧変換回路400とバイパス回路700とを組み合わせて設けることにより、長距離走行が可能な電動アシスト自転車とすることが可能にできるのであり、無充電型電動アシスト自転車の提供の実現の一歩となる。

　本発明の第２の実施形態のような回路設計において、回路を構成する電子部品の選択は、電動アシスト自転車のような場合、デザイン性を損なう結果なら無いようにしなければならない。すなわち、一般の自転車にはない部品が多く装備されることから、見栄えの悪い電動アシスト自転車は、走行距離を云々しても販売に結びつかないことがある。特に、本発明のモータ駆動装置のコントローラにおいて、電圧変換回路400の設計に注目すべきことがある。

　電圧変換回路400を構成する部品において、形状を大きく左右する比較的大きな部品は、チョークコイルである。この部品の選択は、難しい選択を迫られるのである。一般的には、
効率がよく流れる電流の損失を考えると、形状が大きく太い巻線のコイルが選択されるのである。そうすると、結果的に見栄えの悪く、デザイン性を損なうことになってしまうからである。ところが、この実施形態のようにバイパス回路を700が存在することにより、
電圧変換回路の動作が不要な場合、電流をバイパスさせることができるため、電圧変換回路のコイルの抵抗分による損失を回避することが出来る。従って小型化を重視したコイルの使用が可能になる。例えば縦×横が２０ｍｍ角のコイルを約２／３～１／２までのコイルの小型化、例えば１３ｍｍ角程度にすることが可能となる。そして、モータ電圧が電池電圧よりも高い動作（高速動作）の際、電圧変換回路がなければ回生動作は不可能であり、減速の際、運動エネルギーを従来ブレーキで熱として消費するしかなかったので、電圧変換回路の追加により運動エネルギーを回収できるようになる効果は大きい。一方、上記高速動作時にアシストが必要になった際に、前記電圧変換回路を活用してアシストも可能である。

　上記のような小型化ができれば、自転車のデザインを損なうことなくコントローラを配置可能になり、例えば電動アシスト自転車の前輪のフレーム幅内に収納させることが可能になる。なお、これ以降の実施形態であれば、同様の効果を期待できるので、説明を省くものとする。

　上述した図１７のフローチャートより更に省エネ化する第２の実施形態の変形例を図１８にて異なる部分のみ説明する。それは、図１７のフローチャートのステップS3の判断がＹＥＳの場合、この変形例では、スタートに戻ることになるのである。この考え方は、スッテプ３において、一定速度のスピードがでているのであれば、電動モータによるアシストは省略して二次電池の消耗をさせないようにするというものである。ステップS3の判断がＮＯの場合、図１７のフローチャートの場合と同様なので説明を省略する。

　上記第２の実施形態の変形例のようにすることにより、電動アシストをする範囲を搭乗者がペダルを踏み込んでいても一定スピード以下に限定することで、二次電池101の消耗をできる限り少なくすることである。また一方で、ブレーキが掛かったら回生動作をすることにより、無充電の電動アシスト自転車とすることがより現実的になる。このような制御は、本発明の電圧変換回路400とバイパス回路700とを組み合わせた制御をすることにより実現が可能になるのである。

　次に、本発明の第３実施形態を説明する。

　第３実施形態におけるモータ駆動装置の構成は前述した第２実施形態とほぼ同様であり、第３実施形態と第２実施形態との相違点は、第３実施形態では、図１９に示すように、第２実施形態において実施していた電圧変換回路400の昇圧動作を行わないようにしたことである。

　これにより、第３実施形態では、昇圧動作を行わないときに電圧変換回路を停止させてスイッチング損失を削減することに加え、電圧変換回路のデバイスをバイパスする回路を設けることで、電圧変換回路の導通損失も削減することが可能になる。また、高速駆動時には電圧変換回路400を動作させず、モータ105によるアシストを無くして消費電力を節約し、高速から減速する際の回生動作時には電圧変換回路400を降圧回路として動作させて貴重なエネルギーを余すこと無く回収することで、二次電池101からの持ち出し、回収電力の収支バランスを改善することができる。

　図１９に示される本発明の第３実施形態におけるモータ駆動装置の主制御回路300の動作を図２０のフローチャートで前述した図１７のフローチャートと異なるところのみを説明する。まず、二次電池101の電圧が印加されている状態をスタートステップSSとしてからステップS3の所定速度以上の判断後のバイパス回路700がスイッチOFFするように駆動回路701を通じて指令するところまで同様である。しかし、電圧変換動作回路200からの制御信号を電圧変換回路400が昇圧動作するように駆動回路401を通じて指令していたが、この実施例では、電圧変換回路400をOFFする指令を出すところが異なる。この指令によって、次のステップS10では、インバータ回路500を動作させず、モータ105の駆動をしない状態のままにする。これらのステップS6～S10では、電動アシスト自転車のスピードが、例えば２４ｋｍ／ｈ以上の場合、スイッチング損失となる部分はすべて使用しない状態とし、電力消費の削減を徹底することになる。その他のステップにおいては上述の実施例と同様であり、説明を省略する。この分岐のステップがすべて終了したところで、スタート時点に戻ることになる。

　この第３の実施形態においても、第２の実施形態と全く同様であり、ブレーキ動作時の電動アシスト自転車のスピ－ドの如何に係らず、すなわち発電電圧が高いときも低いときも、ともに二次電池101を充電することが可能となり、走行距離を伸ばす作用をすることが可能になる。

　次に、本発明の第４実施形態を説明する。

　図２１は本発明の第４実施形態におけるモータ駆動装置の電気系回路を示すブロック図である。図において、前述した第２実施形態と同一構成部分は同一符号をもって表す。また、第４実施形態と第２実施形態との相違点は、二次電池101の出力電圧を検出する電圧検出回路800を設けるとともに、主制御回路300は二次電池101の出力電圧に応じてアシスト動作を変えるようにしたことである。

　すなわち、二次電池101の充電量が最大充電量の１／２以下のとき、図２２に示すように、加速時のアシスト駆動はｖ１の速度までとする。つまり電圧変換回路400による昇圧動作を行うことなく、二次電池101の出力電圧でアシスト可能な速度までとする。そして、電力消費を抑え、ブレーキが駆動されたときの回生時は、電圧変換回路400を降圧回路として動作させ、高速時から運動エネルギーを余さず回収することでエネルギー収支バランスを改善し、電池残量の低下抑制と電池残量の増加を図る。

　また、二次電池101の充電量が最大充電量の１／２よりも高いとき、図２３に示すように、走行時のアシストはアシスト対象の最大走行速度ｖ２、例えば２４ｋｍ／ｈまでとし、電圧変換回路400による昇圧動作を行い、高速でのアシスト感を確保する。

　なお、本実施形態では二次電池101の充電量が最大充電量の１／２の電圧をしきい値としたが、これに限定されることはない。必要に応じて、しきい値電圧を変更することはいうまでもない。

次に、本発明の第５実施形態を説明する。

　図２４は本発明の第５実施形態におけるモータ駆動装置の電気系回路を示すブロック図である。図において、前述した第４実施形態と同一構成部分は同一符号をもって表す。また、第５実施形態と第４実施形態との相違点は、二次電池101の残量が低くても、人力センサ103の検出値に基づいたアシスト要求値、すなわちトルク量大のときには、アシスト動作を実施するため電圧変換回路400による電池電圧の昇圧動作を行うようにしたことである。

　主制御回路300は、加速時のアシスト駆動はｖ１の速度、つまり電圧変換回路400による昇圧動作を行うことなく二次電池101の出力電圧でアシスト可能な速度までとし、電力消費を抑え、ブレーキが駆動されたときの回生時は電圧変換回路400を降圧回路として動作させて高速時から運動エネルギーを余さず回収することでエネルギー収支バランスを改善し、電池残量の低下を抑制し、電池残量の増加を図ることである。

　　図２４に示される本発明の第５実施形態におけるモータ駆動装置の主制御回路300の動作を図２５のフローチャートで前述した図１７のフローチャートと異なるところのみを説明する。まず、二次電池101の電圧が印加されている状態をスタートステップSSとしてからステップS3の所定速度以上の判断後のバイパス回路700がスイッチOFFするように駆動回路701を通じて指令するところまで同様である。この実施形態では、さらに人力センサの踏力すなわちトルク量を判断に導入し、ステップS4の判断が所定踏力値以下であれば、人力センサのオン・オフの判断状態のステップS2に戻る。ステップS4の判断が所定踏力値、例えば３０ｋｇｍ以上のとき、次の電池電圧センサの判断ステップS5に進むことになる。この段階の判断が、所定電圧値、例えば３０ｋｇｍ未満以下、すなわち最大充電量の１／２以下であれば、人力センサのオン・オフの判断状態のステップS2に戻る。電池電圧件検出回路800すなわち電池電圧センサS5の判断が所定電圧値以上、すなわち最大充電量の１／２以上のとき初めて、ステップS6のバイパス回路700のスイッチはオフ状態にし、ステップS7の電圧変換回路400は、昇圧動作とした上で、ステップS9は、インバータ回路500はモータ駆動とし、電動アシスト自転車１のアシストを開始することになる。ステップS5以降の動作は、図１７のステップS6以降と全く同様である。

　図２４の実施形態における人力センサ103の信号による踏力（トルク）値および電池電圧センサである電池電圧検出回路などのセンサ郡と電圧変換回路400及びバイパス回路700との組み合わせにより、きめ細かなムダ排除の実現が可能となり、捨てるエネルギーの回収をきめ細かに実施し、一度の電池充電により、長い距離の走行を可能とするものである。

　このように、本実施形態では、電池残量情報と人力センサ情報を考慮してアシスト動作を調整することにより、電池切れ防止とアシスト必要時のアシスト感の確保を両立することができる。

　なお、上記の各実施形態では、電動アシスト車として電動アシスト自転車を一例として説明したが、車いすや手押し車などの車輪を有し、人力によって移動する移動体に対して本発明を適用することにより、上記と同様の効果を得ることができることは言うまでもない。

　１…電動アシスト自転車、１２…クランク軸、１３…ペダルクランク、１５…スプロケット、１５ａ…ホイール部、１５ｂ…ギヤー部、１５ｃ…突起部、１６…ペダル、１７…チェーン、１９…センサ、２２…駆動ホイール、２２ｃ…突起部、２４…センサ、２６…弾性体、２７，２８…螺子、101…二次電池、102…モータ駆動部、103…人力センサ、104…ブレーキセンサ、105…モータ、200…電圧変換動作制御回路、300…主制御回路、400…電圧変換回路、401…駆動回路、L1…チョークコイル、C1…コンデンサ、Q1,Q2…電界効果トランジスタ、500…三相ブリッジインバータ回路、501…駆動回路、Q11～Q32…電界効果トランジスタ、600…バイパス制御回路、700…バイパス回路、701…駆動回路、Q41…電界効果トランジスタ、800…電池電圧検出回路。

Claims (13)

1. 　動力源又は発電源となる直流モータと、
   　前記直流モータの電力源となる二次電池と、
   　前記二次電池から前記直流モータに電力を供給して前記直流モータを駆動するモータドライブ回路と、
   　前記モータドライブ回路による前記直流モータの駆動と駆動停止を制御する主制御回路と、
   　前記二次電池と前記モータドライブ回路との間に挿入されて前記二次電池の出力電圧を変換して前記モータドライブ回路に供給することができる電圧変換回路と、
   　前記主制御回路の指令に基づいて、前記電圧変換回路を昇圧動作、降圧動作又は停止の制御をする電圧変換動作制御回路と、
   を備え
   　前記電圧変換動作制御回路は、前記直流モータが発電源として動作しているときであって、前記直流モータの出力電圧が前記二次電池の供給電圧よりも高いときに、前記直流モータの出力電圧を降圧して前記直流モータの出力電圧よりも低くした電圧を前記二次電池に供給して前記二次電池を充電するように前記電圧変換回路に制御信号を発信する
   ことを特徴とするモータ駆動装置。
2. 　前記電圧変換回路は、前記主制御回路の指令に基づいて、前記電圧変換動作制御回路が発生する制御信号に従い前記二次電池の出力電圧を昇圧して該出力電圧よりも高い電圧の電力を前記モータドライブ回路に供給する手段を具備する
   　ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 　前記直流モータが回転に関する信号を出力可能な三相直流モータであり、
   　前記モータドライブ回路が複数の電界効果トランジスタをスイッチング素子として用いたインバータ回路を具備し、
   　前記主制御回路は、前記三相直流モータから出力される前記信号に基づいて前記モータドライブ回路を動作させるとともに、前記三相直流モータに電圧を印可するときの印可時間と非印可時間の比率を調整する手段を具備する
   　ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
4. 　前記電圧変換回路の入出力端間に接続されたバイパス回路と、
   　前記直流モータが発電源として動作しているときであって、前記直流モータ起電力の電圧が前記二次電池の出力電圧以下のとき、前記主制御回路の指令に基づいて、前記バイパス回路をオン状態にして前記電圧変換回路の入出力端間を短絡するように制御するバイパス制御回路と、
   を具備した
   　ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
5. 　前記電圧変換回路は、前記直流モータの前記信号による速度が所定速度より低速のとき、前記主制御回路の指令に基づいて、前記電圧変換動作制御回路が発する制御信号に従い前記バイパス回路をオン状態にして前記電圧変換回路の入出力端間を短絡するように制御するバイパス制御回路を具備する
   　ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
6. 　前記電圧変換回路は、前記直流モータの前記信号による速度が所定速度以上のとき、前記主制御回路の指令に基づいて、ブレーキセンサにおける判断を前提に、前記バイパス回路をオフ状態にして前記電圧変換回路を動作状態にするように制御するバイパス制御回路を具備する
   　ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
7. 　前記電圧変換回路は、スイッチング素子として電界効果トランジスタを用いた回路を具備する
   　ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
8. 　前記二次電池の出力電圧の値を検出し、該検出した値の情報を前記主制御回路に供給する電圧値検出回路を備えるとともに、
   　前記主制御回路は、前記電圧変換動作制御回路を経由して発生する制御信号により、前記二次電池の出力電圧が前記所定電圧以上のときアシストのための前記昇圧動作を選択指令する手段を具備する
   　ことを特徴とする請求項６に記載のモータ駆動装置。
9. 　前記主制御回路は、前記電圧変換動作制御回路を経由して発生する制御信号により、前記ブレーキセンサにおける判断がオン状態であることを前提として、回生のための前記降圧動作のみの選択が行えるように前記電圧変換回路に指令する手段を具備する
   　ことを特徴とする請求項６に記載のモータ駆動装置。
10. 　動力源又は発電源となる直流モータと、
    　前記直流モータの電力源となる二次電池と、
    　前記二次電池から前記直流モータに電力を供給して前記直流モータを駆動するモータドライブ回路と、
    　前記モータドライブ回路による前記直流モータの駆動と駆動停止を制御する主制御回路と、
    　前記二次電池と前記モータドライブ回路との間に挿入されて前記二次電池の出力電圧を変換して前記モータドライブ回路に供給することができる電圧変換回路と、
    　前記主制御回路の指令に基づいて、前記電圧変換回路を降圧動作又は停止の制御をする電圧変換動作制御回路と、
    　前記電圧変換回路の入出力端間に接続されたバイパス回路と、
    を備え
    　前記電圧変換動作制御回路は、ブレーキセンサにおける判断がオフ状態で、且つ人力センサにおける判断がオン状態であって、前記直流モータの信号による速度が所定速度より低速のとき、前記バイパス回路をオン状態とし、前記モータドライブ回路の動作によりモータ駆動をさせ、前記直流モータの信号による速度が所定速度以上のとき、スタート時点に戻すように前記電圧変換回路に制御信号を発信する
    ことを特徴とするモータ駆動装置。
11. 　車輪を備え、人力を加えることにより前記車輪を回転させて移動する移動体に、前記請求項１又は１０に記載のモータ駆動装置を備えてなることを特徴とする電動アシスト車。
12. 　前記電動アシスト車が後輪駆動の車であり、前記直流モータが前輪に装着されていることを特徴とする請求項１１に記載の電動アシスト車。
13. 　前記モータ駆動装置は、加えられた人力の量を検出して該人力量の情報を前記主制御回路に供給する人力センサを備え、
    　前記電圧変換回路は、前記主制御回路の指示に基づいて、前記二次電池の出力電圧を昇圧して該出力電圧よりも高い電圧の電力を前記モータドライブ回路に供給する手段を具備し、
    　前記駆動制御回路は、前記人力センサから前記情報を入力し、前記人力センサによって検出された人力量が所定のしきい値以上のときに、前記電圧変換回路を昇圧動作させて前記二次電池の出力電圧よりも高い電圧を前記モータドライブ回路に供給する手段を備えている
    　ことを特徴とする請求項１１に記載の電動アシスト車。

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