(57)【要約】【課題】本発明はパワーピストンを有する自由ピストンスターリングエンジン用制御システムを提供する。【解決手段】上記システムは、a）上記パワーピストンと機械的に連結する電磁気トランスデューサ；及び、b）上記電磁気トランスデューサと電気的に連結する制御可能な発振電力システムを含み：上記システムは上記電磁気トランスデューサのターミナルで所定の電圧振幅及び所定の周波数を強制しつつ上記電磁気トランスデューサに電力を伝達したり、この電磁気トランスデューサから電力を受容することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パワーピストンを有する自由ピストンスターリングエンジン用制御システムにおいて:
a）上記パワーピストンと機械的に連結する電磁気トランスデューサ;及び
b）上記電磁気トランスデューサと電気的に連結する制御可能な発振電力システムを含み:
上記システムは上記電磁気トランスデューサのターミナルから所定の電圧振幅及び所定の周波数を強制しつつ上記電磁気トランスデューサに電力を伝達したり、この電磁気トランスデューサから電力を受容できることを特徴とする自由ピストンスターリングエンジン用制御システム。
【請求項２】
上記制御システムは、上記パワーピストンの走行範囲を制御するよう動作できることを特徴とする請求項１に記載の自由ピストンスターリングエンジン用制御システム。
【請求項３】
上記自由ピストンスターリングエンジンは、ディスプレーサを更に含み、上記制御システムは、上記ディスプレーサの走行範囲を制御するように動作できることを特徴とする請求項１に記載の自由ピストンスターリングエンジン用制御システム。
【請求項４】
上記電磁気トランスデューサから受容されたエネルギーを保存することができる保存装置を更に含むことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の自由ピストンスターリングエンジン用制御システム。
【請求項５】
周波数及び振幅双方に対して選択的に制御される電圧を発生させる電源を更に含むことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の自由ピストンスターリングエンジン用制御システム。
【請求項６】
上記パワーピストンの工程範囲は、上記電磁気トランスデューサのターミナルを横切って上記電圧振幅を変化させることによって制御されることを特徴とする請求項１に記載の自由ピストンスターリングエンジン用制御システム。
【請求項７】
上記パワーピストンの工程範囲は、上記電磁気トランスデューサのターミナルを横切って電圧波形を変化させることによって制御されることを特徴とする請求項１に記載の自由ピストンスターリングエンジン用制御システム。
【請求項８】
上記電磁気トランスデューサのターミナルは、H-ブリッジスイッチセットと電気接続されることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれかに記載の自由ピストンスターリングエンジン用制御システム。
【請求項９】
上記H-ブリッジスイッチセットを制御して上記電磁気トランスデューサのターミナルを横切って電圧振幅及び電圧周波数を選択的に制御するデジタル信号プロセッサを更に含むことを特徴とする請求項８に記載の自由ピストンスターリングエンジン用制御システム。
【請求項１０】
a）パワーピストン;
b）上記パワーピストンと機械的に連結する電磁気トランスデューサ;及び
c）上記電磁気トランスデューサと電気的に連結する制御可能な発振電力システムを含み:
上記システムは、上記電磁気トランスデューサのターミナルから所定の電圧振幅及び所定の周波数を強制しつつ上記電磁気トランスデューサに電力を伝達したり、この電磁気トランスデューサから電力を受容できることを特徴とする自由ピストンスターリングエンジンの駆動電力プラント。
【請求項１１】
上記制御可能な発振電力システムは、周波数及び振幅双方に対して選択的に制御される電圧を発生させる電源を更に含むことを特徴とする請求項10に記載の自由ピストンスターリングエンジンの駆動電力プラント。
【請求項１２】
上記パワーピストンの工程範囲は、上記電磁気トランスデューサのターミナルを横切って上記電圧振幅を変化させることによって制御されることを特徴とする請求項10に記載の自由ピストンスターリングエンジンの駆動電力プラント。
【請求項１３】
上記パワーピストンの工程範囲は、上記電磁気トランスデューサのターミナルを横切って電圧波形を変化させることによって制御されることを特徴とする請求項10に記載の自由ピストンスターリングエンジンの駆動電力プラント。
【請求項１４】
上記電磁気トランスデューサのターミナルは、H-ブリッジスイッチセットと電気接続されることを特徴とする請求項10に記載の自由ピストンスターリングエンジンの駆動電力プラント。
【請求項１５】
上記H-ブリッジスイッチセットを制御して上記電磁気トランスデューサのターミナルを横切って電圧振幅及び電圧周波数を選択的に制御するデジタル信号プロセッサを更に含むことを特徴とする請求項14に記載の自由ピストンスターリングエンジンの駆動電力プラント。
【請求項１６】
電磁気トランスデューサを駆動させるパワーピストンを有する自由ピストンスターリングエンジンを制御する方法において:
a）最適なエンジン発振周波数及びピストン変位を選択する段階;及び
b）上記電磁気トランスデューサのターミナル電圧の振幅及び周波数を強制することによって、上記選択された周波数及び変位で動作するように上記パワーピストンを拘束する発振電力システムを使用する段階を含むことを特徴とする自由ピストンスターリングエンジンを制御する方法。
【請求項１７】
上記電磁気トランスデューサのターミナルは、H-ブリッジスイッチセットと電気接続されることを特徴とする請求項16に記載の自由ピストンスターリングエンジンを制御する方法。
【請求項１８】
上記H-ブリッジスイッチセットを制御して上記電磁気トランスデューサのターミナルを横切って電圧振幅及び電圧周波数を選択的に制御するデジタル信号プロセッサを更に含むことを特徴とする請求項17に記載の自由ピストンスターリングエンジンを制御する方法。
【請求項１９】
電磁気トランスデューサを駆動させるパワーピストンを有する制御された自由ピストンスターリングエンジンを制御する方法において:
a）上記電磁気トランスデューサの出力ターミナルで電圧周波数を強制するように発振電力システムを使用することによって、パワーピストン発振周波数を強制する段階;
b）パワーピストン変位を測定する段階;及び
c）所望のパワーピストン変位を確立するよう発振電力システムにより強制された電磁気トランスデューサのターミナル電圧の振幅を調整する段階を含むことを特徴とする制御された自由ピストンスターリングエンジンを制御する方法。
【請求項２０】
上記電磁気トランスデューサのターミナルは、H-ブリッジスイッチセットと電気接続されることを特徴とする請求項19に記載の制御された自由ピストンスターリングエンジンを制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、線形交流発電機を駆動する自由ピストンスターリングエンジンの電機制御分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
スターリングエンジンは、内燃機関とは対照的に外部熱源を有することを特徴とする。外部熱源は化石燃料の燃焼、集中した太陽エネルギー、放射性同位元素の崩壊熱、ディーゼルエンジンの高温排気ガス、または他の熱源から供給できる。初期のスターリングエンジンは作動流体として空気を利用してきたが、今日では30気圧程度の圧力でヘリウム等のガスを利用する。
【０００３】
発電機等の負荷上に有用な機械的動作を行うために、スターリングパワー ピストンから力を伝達する二つの主な方法がある。いわゆる「運動学」設計では、従来の自動車内燃機関でのようにパワーピストンがクランクシャフトに連結され、ロータリー発電機などの負荷をターンさせる。上記の場合に、パワーピストン工程は、ピストンのクランクシャフトへの固定した機械的連結により成立した限界により規制される。第２の構成は、いわゆる「自由ピストン」スターリングエンジン（「FPSE」）であり、ここで機械的非強制ピストンは、空気力学的、機械的または他の手段により提供される多様な回復弾性率、及びピストンの質量により決定される普通の状態と表面上同等な周波数で、簡単な調和運動に移動する。一般的に、FPSEピストンの移動は、シリンダー端部との所望しない衝撃を引起す設計限界を越える工程を回避するよう、機械的負荷及び入力熱流束の適合した動的均衡により制御される。一つの典型的なFPSE適用では、パワー ピストンは、線形電機交流発電機の固定ステータ部と協力するシリンダー型磁性体構造（しばしば「ムーバー(mover)」と称する)に剛性ロッドで連結される。ムーバー/パワーピストンの前後移動は、交流発電機の出力でAC電圧を発生させる。適用によっては、FPSE構成はその運動学的な代案に好ましく、一つの明確な利点は、FPSEが実質的にピストン-シリンダーの内壁垂直力を除去して、これら表面の潤滑を必要としないで潤滑-非耐性エンジン部品を隔離させる手段を提供するというものである。
【０００４】
一般的なFPSE/線形交流発電機（FPSE/LA）の組合わせ（10）の横断面図が、図面の左側にFPSE部（50）を、図面の右側に交流発電機部（60）を有するように図１に図示されている。気密ケース（12）は、固定ディスプレーサロッド（16）によりガイドされる自由移動ディスプレーサ（14）を含む。移動可能なパワーピストン（18）は、永久磁石構造（20）に連結される。多様なリングシール（未図示）は、ディスプレーサ（14）とパワーピストン（18）との間の気密シール及びケース（12）の内部部品の形成に利用される。また、気密ラジアル隙間はピストンとディスプレーサ部品との周囲に漏れ流れを制限するのに利用され得る。
【０００５】
ムーバーは、電機子コイル（22）の回転により連結する固定コア（24)で界磁束（field flux）を発生させる一つ以上の永久磁石要素を用いる。ムーバーの作動は、時間-変化コイルの磁束結合、及び所謂「内部電圧」の必然的誘導を発生させる。内部電圧は、ムーバーの周波数で、及びコイルの磁束結合の変化の時間率に比例する振幅により発振する。外部負荷が電機子コイルに接続される時、デベロップされた内部電圧は、外部負荷インピーダンスを通して電流を駆動することで、消費負荷の要素に有用な電力を伝達できる。外部負荷を流れる電機子電流は、パワーピストンの作用力により克服しなければならないモータの反作用を順に引起す。上記方式によって、パワーピストンによりムーバーに伝達された機械電力は、電機電力に変換される。
【０００６】
通常、ケース内部の４つの中央空間は、下記のように命名される。ディスプレーサ（14）とケース（12）との間の空間は、膨脹空間（32）であり;ディスプレーサ（14）内部の空間は、ガススプリング（34）としての役割をすることができ、ディスプレーサとパワーピストン（18）との間の空間は、圧縮空間（36）であり;パワーピストン（18）とケース（12）との間の空間は、バウンス(bounce)空間（38）である。ケース（12）は機械スプリング（未図示）に設置され得る。
【０００７】
スターリングエンジンを作動させるための熱エネルギーは、ディスプレーサ（14）と対向するケース（12）の外側上のヒーター（40）により供給される。膨脹空間（32）でガスを加熱できるどんな供給源も利用可能である。再生器（42）はケース（12）内部でディスプレーサ（14）を取り囲んでいる。作動サイクルの一端部では、膨脹空間（32）からのガスが膨脹空間（32）から入口空間（44）を通じて、そして再生機（42）を通じた出口空間を通じて圧縮空間（36）に押し出される。サイクルの第２部分では、圧縮空間からのガスが出口空間（46)、再生器（42）及び入口空間（44）を通って膨脹空間にリターンされる。冷却器（48）は、出口空間（46）付近でケース(12)を取り囲む。公知されているように、最大の熱力学効率をなすために、冷却器は可能な限り多くの出口空間（46）でガスを冷却しなければならない。
【０００８】
スターリングエンジンの作動原理は、スチームまたは内燃機関のものより直観的に明らかではない。米国特許第6,062,023号(2000年5月16日イシューされ、出願人がKerwin等であり、発明の名称が“Cantilevered Crankshaft Stirling Cycle Machine”である）には、参照文献として、本願に統合され、汎用スターリングエンジンの4段階の熱力学サイクルが記載されている。スターリングエンジンは、1816年にRobert Stirlingにより発明され、基本原理が広く公知されている。おおまかな歴史的概説は、米国特許第5,146,750号（1992年9月15日にイシューされ、出願人がMoscrip等であり、発明の名称が“Magnetoelectric Resonance Engine”である）に含まれ、参照文献として本願に統合されている。
【０００９】
運動学的スターリングエンジンと異なり、図１に例示されたFPSE/LAコンビネーション（10）では、ディスプレーサ（14）またはピストン（18）がケース（12）の部品に衝撃を与えるのを防止することはない。設計者は、多様な作動状態の下で安定した方式で作動するエンジンを維持するために、ピストン及びディスプレーサ工程を制限し、これにより衝撃を防止する設計を永らく探していた。FPSEの場合では、熱流速入力及び機械ピストンパワーの抽出（例えば、ピストン駆動の線形交流発電機及び電気負荷を通じて）は、ピストン及びディスプレーサ工程に影響を与えるのに使用できる２つの制御可能な要素である。不幸にも、熱流速制御はこれら機械の多くの適用で、交流発電機の電気負荷が非常に迅速に変化するため、この制御が制限区域外のピストンまたはディスプレーサ工程の制限を取るのに十分迅速に達成することができないので、これら工程の制御に一般的に有用でない。
【００１０】
変化するピストン負荷の状態下で、ピストン及びディスプレーサ工程の制御の多様な解決策が利用されてきた。解決策の一種としては、ポーティング(porting)配列等の自己-制御メカニズムを通じて、ピストン及びディスプレーサ工程の制御維持を含み、ここで、例えばこれら工程は、外部の負荷制御を要求することなく維持される。多様な問題及び短所としては、例えば時間が過ぎるに伴って、外部部品表面のチェイフィング(chafing)により、正常なエンジン作動で生じる材料にポートが詰まり得るという事実を含むこの形態の解決策と関連している。また、これら先行技術の解決策は、効率に否定的な影響を与える損失を発生させる傾向もある。
【００１１】
先行技術の解決策の他の種類として、ピストンにより駆動する交流発電機に位置した電気負荷の制御の達成を示した。上記の場合に、安定器または補助負荷は、外部負荷の電力需要の変化にもかかわらず、交流発電機で一定の負荷を維持するのに利用されてきた。従って、これらの解決策はFPSEに入力された所定の熱の流れのために、交流発電機の負荷が一定して残っている限り、ピストン工程が一定範囲に抑制できるという事実を利用する。しかし、これら解決策は、負荷の変化から発生する可能性のある工程及びピストン振幅を制御する非効率的な技術を示す。
【００１２】
一定の交流発電機の負荷制御を利用する解決策の一例として、米国特許第4,873,826号（1989年10月17日イシューされ、出願人Dhar. Dhar）であり、交流発電機の出力と多用途グリッドとの間の連結を通して、エンジン作動の制御を開示している。上記解決策が、一定のエンジン負荷を維持する能力等の多くの利点を有するとしても、結果として生じる作動特性は、エンジン作動が電力グリッドの動作周波数をマッチングしなければならないという事実により、一般的に抑制される。上記抑制は、50または60Hzのパワーグリッドのものよりも高い周波数での作動によりなされ得る、より高いFPSE/LAパワー密度の達成を抑制する。また、時間を経過した周波数変化は、例えば低い空気力学の弾性率が公称率値よりも低い周波数での作動に有利な時にエンジンを予熱したり、または強制的な動作周波数の早い減少が、ほとんど一瞬の間にピストン及びディスプレーサ工程を低下させることができるという範囲の状態外の突発状況の中で、等のある特定の情況では有益であっても成し遂げられない。結局、移動可能な適用の場合は、Dharの定めるところにより、電力グリッドへの接続はあまり実現可能でない。
【００１３】
各種従来技術の例は、代案として多用途グリッドと接続のない制御を提供する。上記制御システムの一例は、米国特許第4,642,547号（1987年2月10日にイシューされ、出願人は、使用者の負荷が変化するにつれて一定のエンジン負荷を維持するための交流発電機の電機子タブ接続だけでなく、調節可能な安定器の負荷を提供する制御システムを教えるRedlichである）に記載されている。米国特許第6,050,092号（2000年4月18日イシューされ、出願人はGentsler等）では、作動中に負荷を動的に調節するために変化可能な負荷部材を利用した 作動もまた制御することによって、ピストン工程を制御する。上記解決策により実施された通り、一定のエンジン負荷を維持するための交流発電機の安定器ローディング（loading）の利用は非効率的である。その上、上記方法及び記載された実施例は、上述した通り、いくつもの理由から望ましいエンジン周波数の変化を強制するための手段を提供しない。
【００１４】
交流発電機の出力での電機負荷の制御によるピストン工程制御の代案として、米国特許第5,385,021号（1995年1月31日にイシューされ、出願人はBealeである）及び米国特許第5,502,968号（1996年4月2日イシューされ、また 出願はBealeである）に記載されたような制御可能なバルブ、スプリング及びリンク装置を利用する多様な機械的方法が提案されてきた。これらの解決策が、ピストン工程制御の達成を要求しても、それらは動作周波数の制御を遂行しない。その上、説明された制御可能な比率の電磁気弾性要素は、巻線抵抗、履歴現象、及び渦電流損を必ず招き、これら全ては電力プラントの全体効率を落とす。
【特許文献１】米国特許第６，０６２，０２３号明細書
【特許文献２】米国特許第５，１４６，７５０号明細書
【特許文献３】米国特許第４，８７３，８２６号明細書
【特許文献４】米国特許第４，６４２，５４７号明細書
【特許文献５】米国特許第６，０５０，０９２号明細書
【特許文献６】米国特許第５，３８５，０２１号明細書
【特許文献７】米国特許第５，５０２，９６８号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
一つの態様は、許容可能な範囲内でFPSEエンジンの作動特性を維持する制御システムを提供するものである。
別の態様は、許容可能な範囲内でピストン工程を維持する制御システムを提供するものである。
更に別の態様は、許容可能な範囲内でディスプレーサ工程を維持する制御システムを提供するものである。
【００１６】
別の態様は、固定パワーグリッドに接続を必要としない制御システムを提供するものである。
更に別の態様は、FPSEの携帯性を可能にする制御システムを提供するものである。
更に別の態様は、FPSE内でピストン及び/またはディスプレーサ工程を制御するため、交流発電機ターミナルで両電圧の振幅及び電圧の波形周波数のリアルタイム調節を可能にする制御システムを提供するものである。
【００１７】
更に別の態様は、FPSEでピストン及び/またはディスプレーサ工程を制御するための方法を提供するものである。
更に別の態様は、FPSE内でピストン及び/またはディスプレーサ工程を制御するため、交流発電機ターミナルで両電圧の振幅及び電圧の波形周波数の調節を用いる制御方法を提供するものである。
【００１８】
更に別の態様は、非常に大きく、重くて高価な部品及び構成要素を必要とすることなく、FPSE内でピストン及び/またはディスプレーサ制御のための方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の制御システムの望ましい形態は、多様な実施例を含む。その一実施例は、線形交流発電機/FPSE電力プラントでの交流発電機のターミナルと使用者の電気負荷の間に接続される制御可能な電力電気装置の利用を含む。上記装置は、同期電力コンバーター(「SPC」)機能をし、交流発電機ターミナルの電圧の振幅及び周波数を強制する間、交流発電機の電力を電気負荷に転送することで、交流発電機の電力を吸収できる。
【００２０】
本発明の教示によると、システム制御は通常デジタル信号プロセッサー（DSP）により成し遂げられ、電力装置は電圧振幅及び周波数のほとんど一瞬の制御可能性の付加利益で、大きい電力グリッドへの接続により得られる便利な交流発電機及びエンジン作動状態を同様に可能にする。また、本発明によるFPSE/LAシステムは、電力グリッドへの接続を要求しない独立電力プラントとして作動できる。
【００２１】
本発明のSPCは、過渡負荷の変化を受け入れるために、充電可能なバッテリー等のエネルギー保存素子を含む。その上、SPCが双方向性であるので、保存素子は交流発電機に電力を簡単に伝達するのに利用でき、FPSEの開始作動で補助するためにモータとして作動することができる。
本発明の教示によると、SPCは設計限界内にピストン及びディスプレーサ工程がシステム内で留まることを確実にするFPSE/LAの移動可能な、または固定電力プラントに挿入される制御可能な電力電気ユニットである。これは一般的に線形交流発電機ターミナルでの両電圧振幅及び波形周波数を調節できるシステム、及び方法を通して成就される。上記作動上の態様を制御することで、FPSEでのピストン及びディスプレーサと関連する走行の速度及び範囲共に制御できる。
【００２２】
一実施例では、本発明のシステムは線形交流発電機のターミナルに付着するSPCに関して、電気エネルギーの供給と減少両方とも可能にする。ある作動上の特徴下で、SPCはそれが開始モータとしてそれを作動させるバッテリーまたは他のエネルギー保存所から交流発電機に電力を供給するモータ駆動の容量で作用し、また別の作動上の特徴下では、SPCは電力を吸収してそれを使用者負荷に伝達したり、それをバッテリー等の保存素子に保存する。
【００２３】
本発明は、FPSE/LAシステムの作動を制御する方法、及び、特に作動中のピストンとディスプレーサとの工程を制御する方法を更に含む。上記方法は、交流発電機のターミナルと電気負荷のそれらとの間で、上述したSPCの付着、及び電圧振幅及び周波数双方に関するターミナルでの電圧波形制御を必要とする。これら制御を交流発電機上でアサートすることで、エンジン作動が制御され、ピストンとディスプレーサ工程とは、システム設計により決定された限界内で維持できる。
【００２４】
本発明によると、パワーピストンを有する自由ピストンのスターリングエンジン用制御システムが提供され、上記システムは:
a）上記パワーピストンと機械的に連結する電磁気トランスデューサ;及び
b）上記電磁気トランスデューサと電気的に連結する制御可能な発振電力システムを含み:
上記システムは、上記電磁気トランスデューサのターミナルで所定の電圧振幅及び所定の周波数を強制しつつ、上記電磁気トランスデューサに電力を伝達したり、この電磁気トランスデューサから電力を受容できる。
【００２５】
また、自由ピストンスターリングエンジンの駆動電力プラントが提供され、上記電力プラントは:
a）パワーピストン;
b）上記パワーピストンと機械的に連結する電磁気トランスデューサ;及び
c）上記電磁気トランスデューサと電気的に連結する制御可能な発振電力システムを含み:
上記システムは、上記電磁気トランスデューサのターミナルで所定の電圧振幅及び所定の周波数を強制しつつ、上記電磁気トランスデューサに電力を伝達したり、この電磁気トランスデューサから電力を受容できる。
【００２６】
また、電磁気トランスデューサを駆動させるパワーピストンを有する自由ピストンスターリングエンジンを制御する方法が提供され、上記方法は:
a）最適なエンジン発振周波数及びピストン変位を選択する段階;及び
b）上記電磁気トランスデューサのターミナル電圧の振幅及び周波数を強制することで、上記選択された周波数及び変位で動作するように上記パワーピストンを拘束する発振電力システムを用いる段階を含む。
【００２７】
また、電磁気トランスデューサを駆動させるパワーピストンを有する制御された自由ピストンのスターリングエンジンを制御する方法が提供され、上記方法は:
a）上記電磁気トランスデューサの出力ターミナルで電圧周波数を強制するように発振電力システムを用いることで、パワーピストンの発振周波数を強制する段階;
b）パワーピストン変位を測定する段階;及び
c）所望のパワーピストン変位を確立するように発振電力システムにより強制された電磁気トランスデューサのターミナル電圧の振幅を調整する段階を含む。
【００２８】
また、本発明の別の実施例は、以下で更に詳細に説明されるように可能であり、当業者が容易に実施できるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明は、今や実施例によってのみ提供された本発明の望ましい形態を参照にして、また、添付図面を参照にして更に詳細に説明されるであろう。
実施例において、図1〜7で使用された等しい図面符号を各部分を説明するのに参照することにする。
本発明の教示によると、「SPC」はFPSE/LA電力システムの交流発電機のターミナルと電気負荷との間に接続される。本発明の説明が適用できるFPSE/LA電力システムの交流発電機は、どんな線形交流発電機も含むことができ、例として線形交流発電機が図1に図示されている。線形交流発電機の別の構成及びタイプもまた利用できる。交流発電機ターミナルで電圧振幅及び波形周波数を制御するSPCを利用することで、FPSEピストンの配置は所望の作動範囲内で制御できる。上記明細書の目的のために、また当業者により容易に理解される通り、ピストン工程のみが論議される。FPSEという状況において、ピストン工程の制御により、ディスプレーサ工程が上記FPSEの構成要素等の交差結合作動特性の結果のように同様に制御される。言及したように、論議がピストン制御に限定されても、本発明の教示が、限定された範囲内でディスプレーサ工程の直接的な制御に容易に適用できるということは、当業者により容易に理解される。
【００３０】
本発明のシステム及び方法を説明する前に、交流発電機のターミナル電圧の振幅及び周波数の強制を通して、ピストン制御の特性の簡単な論議が図2に関して提供される。当業者により周知の通り、図2でのグラフは、ピストン配置Xpが交流発電機のターミナル電圧の振幅（Va）の強制により制御され得るということを説明する。その上、図2は標準化された電圧振幅（Va）がユニット当たり(pu)1.0に近づくにつれて、ピストン配置(Xp)が電圧周波数の制御に確実に応答することを更に例示する。
【００３１】
図2のグラフの最上部は、多数の標準化された電圧周波数での交流発電機のターミナル電圧とピストン配置との間の関係を説明する多様な曲線を例示する反面、図2のグラフ最下部は、多数の標準化された電圧振幅での交流発電機のターミナル電圧周波数とピストン配置との間の関係を説明する多様な曲線を例示する。上記曲線は、MathCAD及びMicroCAP SPICE等のツールを通じて数値分析技術を利用したFPSE/LA作用の設計により発生する。上記ツールは具体的な作動状態下でFPSE/LAシステムの動的性能を予測するのに利用でき、また、利用されてきた。特に、図2に図示された適用可能な式の解決策と結果は、MathSoftから利用できるMathCAD 2001iの汎用な計算ツールを利用して得られた。
【００３２】
分析に固有の「等温モデル」は、多様なエンジン体積が一定の温度で作動するという単純化した仮定に基づくということに注目すべきである。モデルにより提供されるピストン配置及び交流発電機の出力電力等の適切なパラメータの推定値は一般的に模範結果と一致し、そのようなものとして本発明のシステム及び方法に関連する特性を説明する目的で十分に正確なモデルとして観測される。
【００３３】
図2の上段のグラフをまず参照すると、全てテストされた電圧周波数（0.95、0.98、1.00及び1.03の標準化された周波数）では、標準化されたピストン振幅と標準化された適用交流発電機ターミナルの電圧振幅間に線形関係がほとんどあるということを見ることができる。上記関係の結果として、またここに論議された制御技術を利用して、ピストン配置は特別な作動環境により要求される通りSPCを利用した交流発電機ターミナルでの電圧振幅を命令することで制御できる。
【００３４】
同様に、図2の下段のグラフは、測定された電圧振幅（0.6、0.8、及び約0.9の標準化された周波数）では、標準化された電圧振幅が1.0になるにつれて、標準化されたピストン配置が周波数変化に制御可能に反応することを証明する。上記関係から考えて、上記電圧振幅を適用することによって、交流発電機ターミナルの電圧周波数の強制は、ピストン配置を安定させたり制御するのにまた効果的であると見ることができる。
【００３５】
また図3を参照すると、本発明の説明によるPSE/LAシステムの線形交流発電機（60）に接続されることによるSPC部品（100）のブロック図が図示されている。図３に図示され、これに関して説明された実施例は、製品配置に特に適合したものではなく、むしろ目的をテストするための研究室の環境で主に利用される典型的な実施例を示す。これは主に本発明の上記実施例にどんな保存素子も存在せず、グリッド電力化の研究装置がSPCの作動をシミュレートするのに利用されるためである。
【００３６】
当業者に明らかなように、SPC（100）の回路及び部品は、ボックスまたは他のエンクロージャ内に含まれ得る。望ましくは、外部ターミナル接続はエンクロージャで、SPC（100）に出入りする交流発電機（60）のターミナルの容易な接続及び非接続を可能にする。
上述した通り、また下記に更に詳細に論議される通り、SPC（100）は両モータ（電力源）モード及び発生器（電力吸収器）モードで機能するよう設計される。その上、SPC（100）は両電力源、及び特にピスト工程の制限に関して安定したエンジン作動を総体的に維持する役割をする制御機能を提供する。
【００３７】
モータモードの間、SPC（100）はFPSE/LAシステムに電力を供給する。上記実施例ではどんな保存素子も存在しないので、モータモード電力は可変周波数/振幅電源（110）により供給される。上記モードは一般的にFPSEの開始に利用され、また一時的負荷の突発事故時にエンジンの安定化を増進できる。本実施例が保存素子を含まない限り、たとえ電気エネルギーの保存ができる他の部品が用いられても、活用可能なシステムではSPC（100）内での保存素子がバッテリーであることが望ましい。例を含むがこれに限定されず、フライホイール(flywheel) 素子、ウルトラ-コンデンサ、または必要に応じて電気エネルギーを吸収し、任意で供給できる他の素子を含む。
【００３８】
もう一つの方法として、SPC（100）の典型的な作動状態である発生器モードで、交流発電機（60）は、接続された使用者負荷にエネルギーを伝達及び/または上述した保存素子でエネルギーを保存するSPC（100）に電気エネルギーを供給する。モータモードから発生器モードへの転換は、例えば始動時に、エンジンを駆動するピストンに対立するように、エンジンがピストン駆動を始める時点で発生する。上記時点で、SPC（100）外及び交流発電機（60）内への電流の流れとは対照的に、交流発電機（60）により電力伝達に対応するターミナル電圧との位相関係で、電流はSPC（100）内に流れ始める。電流の流れ方向での変化は、モード変化の時点で、エンジン作動の結果として交流発電機（60）によりデベロップされた内部電圧が、交流発電機の内部インピーダンスドロップ及びSPC（100）により維持されるターミナル電圧の合計を越えるという事実に起因する。
【００３９】
当業者には明らかなように、電流がSPC（100）に流れる地点に対する内部 交流発電機の電圧を得るために、ピストン（18）及び結合した交流発電機ムーバーは、両交流発電機の電気子コイル（22）の内部インピーダンス及び交流発電機の電気子コイルターミナルでの電位を克服するのに充分な内部電圧を誘導するラジアン周波数及びピーク変位の積と等しいピーク線形速度を得なければならない。ピストン（18）の速度及び交流発電機（60）のデベロップされた内部電圧が名目上比例するので、特定周波数での交流発電機（60）のターミナルで電圧を制御することによって、速度及び工程の両観点からのピストン（18）の移動は、本願に示した教示によって制御できる。
【００４０】
例えば、所定の安定作動時点から、交流発電機ターミナルの電圧振幅が強制されるSPCがより一層増加すれば、上記電圧と内部電圧の振幅間の差は、瞬間的に減少するであろう。従って、交流発電機の電流及び上記電流に起因したムーバーの反作用力も減少するであろう。パワーピストン上に加えられた更に小さなムーバーの反作用力により、発振エンジンの圧力波は、更に小さな抵抗に出会い、ピストンとムーバーの配置を増加させる傾向があり、その結果、発電した内部電圧を増加させるであろう。従って、交流発電機の電圧の強制された増加が、ピストン工程の減少に帰着するであろうということが分かるようになるであろう。類似した推論として、交流発電機ターミナルの電圧振幅の増分上の減少がピストン工程の減少に帰着するであろうということが分かるようになるであろう。
【００４１】
SPCによる交流発電機ターミナルの電圧周波数及び振幅の強制が国家的な電力グリッド等の更に大きい電力システムと同期化する通常のエンジン-駆動動機発生器とほぼ同じ方式でSPCによりFPSE/LAシステムを同期化することを引き起こすということに注目するのは重要である。FPSE/LAの同期化は、FPSEの駆動モータとして交流発電機を初期に作動させることによって、直ぐになされる。エンジン温度が内部システムの損失を克服するための充分な振幅のピストン駆動発振の圧力波を生成するのに充分な時、交流発電機のモータモード電流はゼロに減り、その後、SPCによる同期損失なしに交流発電機方向に強制された電圧を形成する。SPCが交流発電機ターミナルに接続された時、FPSE作動流体（ガス）が既に作動温度にあれば、単に短い転換モータモード電流が流れ、エンジン発振を開始して、発生器モードの作動はその後すぐに発生する。
【００４２】
図3に例示された具体的な実施例を再び参照すると、SPC（100）は多数の構成上の部品を含む。電源（110）は制御可能な周波数及び振幅の単一位相のAC電力を供給する。上記実施例では、電源（110）はFPSE/LAにより発生した電力を吸収できない。研究室のテスト目的で上記可能性をシミュレートするために、安定器負荷（140）は電源（110）の出力部と並列に接続される。電源（110）は安定器負荷（140）を経る一定電圧を維持し、従って上記負荷に伝達された電力は、例えば102kg-m/sec（1,000W）の値に固定される。図3で見ることができるように、可変比率の単巻変圧器（120）の入力もまた電源（110）の出力を経てまた接続され、上記変圧器の出力タブでの調節可能な電圧が、交流発電機（60）のターミナル及び直列接続された電力要素の修正コンデンサ（130）で電圧を強制する。交流発電機が電力を受け入れた時（例えば、エンジン始動の目的)[例えば、10.2kg-m/sec（100W）]、電源（110）により供給される全体電力は、安定器負荷（140）に供給される電力の合計であり、モータへの役割を行う交流発電機に供給される電力の合計であり、従って102.0から112.22kg-m/sec（1,000で1,100W）まで増加する。FPSEにより駆動する交流発電機が電力を生産する時、例えば、51kg-m/sec（500W)、それは安定器負荷（140）に流れ、その結果、電源（110）上の負荷が上記102から51kg-m/sec（1,000で500W）への量に減少する。
【００４３】
上記方法で、安定器（140）に供給される電力は、交流発電機（60）が電力源なのか、電力需要なのかに関係なく、一定して残る。上記に基づいて、安定器（140）がエンジンの最大電力出力よりも僅かに高い電力最大値を処理するよう設計されるのが望ましい。従って、電源と安定器負荷の結合が、SPCの活用可能な実施例の電力供給/減少の機能性をシミュレートする役割をする。
【００４４】
本発明の教示によると、電源（110）は安定器負荷（140）に一定の電力レベルを維持するために作動する。これは、安定器負荷（140）のターミナルで一定の電圧振幅を維持することにより行なわれる。上記実施例での安定器負荷（140）は、例えば周知であり、特定の時間でエネルギー吸収の要求により抵抗の異なるレベルに調節可能な大きな抵抗ネットワークであり得る。
【００４５】
ここで再び図3を参照すると、SPC（100）の部品及び本発明の望ましい一実施例での互いのそれらの関係が論議される。上記論議されたように、SPC（100）の機能は、エンジンの作動状態にともなう交流発電機（60）での規定されたターミナル電圧及び周波数を同時に強制する間要求される交流発電機から、または交流発電機に電力を吸収したり供給することができるシステムを提供することである。 電源（110）は、安定器負荷（140）を経る一定電圧（Vs）を供給するために提供される。これは、PLのように安定器負荷（140）に供給される平均供給パワー（Ps）を発生させる。電源（110）はここで再び論議されるように、調節可能な周波数で調節可能な電圧振幅を供給するように更に選択される。電源（110）は一方向のみに作動するよう構成され、安定器（140)または交流発電機（60）のうちの一つに電力を供給できるが、電源（110）は電力を減少させることができない。
【００４６】
可変比率の単巻変圧器（120）は、安定器負荷（140）及び電源（110）の両方ともに並列に位置する。可変比率の単巻変圧器（120）は、安定器（140）を経て一定の電圧振幅を維持する間、交流発電機ターミナルの電圧振幅の調節を許容する。可変比率の単巻変圧器（120）は、安定器負荷の電圧が一定に残る間、交流発電機（60）のターミナルで電圧振幅を制御するための作動の間、手動または自動で調節できる。交流発電機の入力/出力電力（PA）は、標準作動時の単巻変圧器（120）内に、及び開始時等の具体的な時間で単巻変圧器（120）外に流れる電力により、可変比率の単巻変圧器（120）により受容されたり伝達される。
【００４７】
交流発電機の入力/出力電力（PA）は、交流発電機（60）内または外に流れる電流（IA）及び交流発電機（60）のターミナルを経る電圧（VA）に帰結する。望ましい一実施例では、200乃至500μFの状態での例示値を有する電力要素コンデンサ（130）が、交流発電機（60）の内部誘導リアクタンスを補償するための可変比率の単巻変圧器（120）と交流発電機（60）間に 配置され得る。
【００４８】
上述したように、SPCシステムモデルを利用して、ピストンストロークは交流発電機（60）のターミナルに現れるいずれか一方または両方の電圧振幅または電圧波形の周波数を変化させることによって制御できる。固定された値で強制された周波数により、電圧振幅制御が一般的にピストンストロークを制御するための最も効果的な手段である反面、標準ピストン工程の限界が乱れていたり、他の非定型状態が存在するとき、制御に基づいた周波数は利用もでき、エンジン作動特性の範囲内の保存に特別な利点を有する。例えば、開始時にガス温度及び結果として生じるガス圧力は相対的に低い。その結果、ピストン上に空気力学上の効果により達成される弾性比率も低い。本発明は、開始及びエンジンが予熱するのに伴って周波数の作動を徐々に増加する際に、上記低い周波数でエンジンが作動するようにするの利用され得る。
【００４９】
システムの一般的な概要及び本発明の方法が、本発明の一般的な研究室の実施例に関して提供されているので、更に容易に活用可能な実施例に関連する下記の論議が本発明の説明に基づいて提供される。
図4を再び参照すると、その望ましい実施例による本発明のシステムの主要構成要素のブロック図がある。図面左側から始めて、交流発電機（260）が交流発電機ターミナルを通じて両方向のAC/DC電力コンバーター（210）に電気接続される。上述した通り、AC/DC電力コンバーター（210）により制御されることによって、電流が交流発電機（260）内または交流発電機（260）外へのいずれかに流れ得る。下記に更に詳細に記載されるように、AC/DC電力コンバーター（210）は、多数の部品で構成される。例えば、望ましい実施例でのAC/DC電力コンバーター（210）は、周波数及び振幅で制御可能な交流発電機ターミナルで効果的な正弦波電圧を生産する等のパルス幅変調方式で交流発電機（60）のターミナルをDCリンク（202）に選択的に接続するための「H-ブリッジ」位相で提供された4つのスイッチのセットを含む。その上、AC/DC電力変換器（210）は、DCリンク（202）のターミナル間に接続されたDCリンクコンデンサを含む。
【００５０】
AC/DC電力変換器（210）は、DCリンク（202）のターミナルを経て電圧を感知するための電圧センサ、交流発電機（260）の中または外へ流れる電流を感知するための電流センサ及び交流発電機（260）のターミナルを経て電圧を感知するための電圧センサ等の電流及び電圧を感知するための多数のセンサを更に含む。AC/DC電力コンバーター（210）は、望ましくはAC/DC電力コンバーター（210）の全体的な作動を制御するためのデジタル信号プロセッサ(DSP)の一体化した回路として提供される制御プロセッサを更に含む。AC/DC電力コンバーター（210）の部品と作動とのより詳細な関係が、図5に関連して下記に提供される。
【００５１】
望ましい実施例による本発明のシステムでは、各々バッテリーパック（215）の充電及び放電に利用されるバック(buck)コンバーター（220）及びブースト(boost)コンバーター（230）もまた含まれる。バックコンバーター（220）は、一組のMOSFET[両コンバーター（220及び230）により共有される]だけでなく、バック/ブーストインダクター部品[両コンバーター（220及び230）により共有される]を含む。バッテリーパック（215）が充電される時、MOSFETのうちの一つがパルス幅変調方式でスイッチングされ、他はそうではない。非スイッチングされたMOSFETは、固有のダイオード機能を提供する。バッテリーパック（215）の放電時には、ブーストコンバーター（230）により制御されるようにその逆の例は一定である。上記の場合に、スイッチング及び非スイッチングされたMOSFETは、固有のダイオード機能を提供するMOSFETでの逆である。バックコンバーター（220）及び ブーストコンバーター（230）を通じた充電及び放電機能上の更に詳細な説明は、下記に記述される。
【００５２】
図4のブロック図により例示されたような本発明のシステムのもう一つの可能な様相は、DC/ACインバータ（270）がDCリンク（202）から誘導されたDC電力を固定の周波数（例えば50、60または400Hz）のAC電力に変換し、上記DC電力は、標準電圧（例えば120Vrms、60Hz）で作動するAC負荷（290）により利用される。AC電力インバータ（270）は、充電レベルの充分なバッテリー状態に基づいて選択的に作動するように制御できる。上記方式で、バッテリーパック（215）または他の保存素子が所定の臨界値に合う充電レベルを有するまで、AC負荷に接続された使用者への接続は選択的に延期できる。同様に、自動車の12VDC適用でのようなDC負荷に電力を供給する際、DC/DCバックコンバーター（280）は電圧を下げ、要求される出力DC電圧を制限するのに利用できる。例えば、DCリンク（202）上の電圧は、約100VDCまたは200VDCの等級またはそれ以上であり得、DC/DCバックコンバーター（280）を通じて要求される12VDCで電圧が下げられ得る。
【００５３】
望ましい実施例による本発明の構成要素の一般的概要が提供されているため、特定回路及び関連した機能性のより詳細な説明は下記に記載される。図4に関して一般的に、また図5に関してこれまで以上に詳細に論議された実施例により、図3に関して論議された回路の必須的な特色が利用されるが、追加の構成要素が電力電子技術機能の自動制御及び保存構成要素を含んで追加される。上記実施例に関して、交流発電機ターミナル（306）は制御可能な接続衝撃係数により、システム周波数(fs)でまずDCリンク陽ターミナル（302）に、またその後DCリンク陰ターミナル（304）に、スイッチング素子（335、345、355、365）により構成されたスイッチングブリッジにより、交互に接続される。同時にまた、交流発電機ターミナル（306）のスイッチングにより同期に、交流発電機ターミナル（308）は、まずDCリンク陰ターミナル（304）に、またその後DCリンク陽ターミナル（302）に交互に接続される。DCリンクターミナル（302及び304）は、DCリンク（202）により供給されるDC電力が標準、固定された負荷動作周波数、例えば50、60または400Hz及び標準電圧、例えば120VrmsであるAC電力に、またはインバータまたはDC/DCコンバーター（322）を通して下げられたDC電圧に変換されるインバータにDC入力を形成する。インバータ及び/またはDC/DCコンバーター（322）は、要求されるとおりDSP（400）(下記に論議される)により制御できる。インバータ及び/またはDC/DCコンバーター（322）は、一つ以上の使用者AC及び/またはDC負荷（324）に直接接続される。
【００５４】
図5は、本発明のSPCに接続される時の単一交流発電機の図面である。図示されてはいないが、システムは一つ以上の交流発電機が、図5に例示された通り単一SPCにより制御され得るよう代案として構成され得る。上記の場合に、各上記交流発電機は、図5に一つの交流発電機として例示されたような同一方式でDCリンクのターミナル（302及び304）と並列に接続されるであろう。更にもう一つの代案は、下記に叙述されたブリッジ等の単一スイッチングブリッジと直列に配線された多重交流発電機に対するものである。また、単一スイッチングブリッジは各交流発電機と結合でき、全てのブリッジは共通のDCリンクに接続されるであろう。
【００５５】
図5を再び参照すると、その図面で左側から右側へ動く時、交流発電機がパワー及び制御システムに接続されて交流発電機のターミナル（A及びB）が直列-接続電力要素修正コンデンサ(Cpfc)(330)及び電流センサ（312）を通してHブリッジノード（C及びD）に結合されるのを見ることができる。図面に図示、及び上記論議されたように、交流発電機はそれに関して内部電圧(Vint)(390)、内部インダクタンス(La)及び内部抵抗(Ra)を有する。電圧センサ（314）は、交流発電機ターミナル（A及びB）で交流発電機ターミナル電圧(Va)をモニタリングするよう提供される。電流センサ（312）は、交流発電機内または外に流れる電流(Ialt)をモニタリングするよう提供される。
【００５６】
Hブリッジは、望ましくは図5に図示されたように、単向性スイッチ[S1(335)、S2(355)、S3(345)及びS4]を利用して実施される。各単向性スイッチは、単一MOSFETで構成される。MOSFETの詳細な観点が図6に提供される。本発明の望ましい実施例によると、MOSFETは費用効果の優れた実施及びDCリンクに接続された他のパワー変換回路の効率的な作動に有利な交流発電機の定格電力及びDCリンク電圧を図るのに適合した電圧及び電流比率を有する国際的な整流器IRFP260N素子または類似のMOSFETを含む。これらの考慮は、当技術分野で公示されている。
【００５７】
絶縁ゲートバイポーラ・トランジスタ（IGBTs）は、代案としてHブリッジスイッチを提供するのに利用でき、適切な電圧、電流及び電力比率のMOSFETより低い導電損失を提供することによって、高電力応用[例えば、2,549kg-m/sec(25Kw)]が望ましい場合もある。その上、非常に高い電力レベル[例えば、10,197kg-m/sec(100Kw)]で、適切な電圧、電流及び電力比率のMOSFETは有用でない場合もある。しかし、IGBT素子が、MOSFETの固有の逆方向ダイオード機能を提供しないことにより、外部のダイオード素子は、IGBTコレクタターミナルに接続されたダイオードカソード及びIGBエミッタターミナルに接続されたダイオードアノードを有する各IBGT素子を経て、分岐回路に設置されなければならない。
【００５８】
同様に、MOSFETまたはIGBTスイッチ及び約5kHz以上またはそれ以上のキャリア周波数での支持パルス幅変調作動だけでなく固有または分離逆方向ダイオードの機能性等を提供できるその他のスイッチング素子が使用され得る。両方向性伝導及び遮断を固有に提供できる素子を含む。例えば、代替実施例では、Hブリッジスイッチは双方向性であり、供給ターミナルに連続して接続された二つのMOSFETで構成され得る。残りの論議のために、図6に図示されたような単一の、単向性MOSFET素子の利用が推定され得る。
【００５９】
単向性スイッチにより形成されたH-ブリッジは、特別なスイッチ連結構成及び交流発電機内部及びターミナルの電圧振幅にともなう交流発電機内または外へのいずれか一つに電流が流れるよう選択的に許容する。FPSE/LAシステムのオシレーションはSPCと自動的に同期化するので、交流発電機の内部電圧の周波数及びそのターミナルでの周波数は常に等しい。
【００６０】
図5に図示された通り、スイッチS1（335）とS4（365）は、全て「オン」または「オフ」になるように対をなす。一組のスイッチS2（355）とS3（345）でも同様である。一組のスイッチ（S1-S4とS2-S3）の導電デューティサイクル(conduction duty cycle)は、当技術分野に公知されたパルス幅変調（PWM）方法により制御され、交流発電機端子で発展した有効電圧波形が制御可能な周波数及び振幅の正弦曲線となる。条件に合う忠実度の有効正弦波電圧を達成するために、PWMスイッチングまたはキャリア周波数は交流発電機端子の電圧の最高基本周波数の30倍程度の最小値を有する。このような点で、MOSFETのスイッチング損失が最小化になるように適切な電圧波形の忠実度を提供する最低PWMキャリア周波数を使用するのが望ましい。交流発電機のインダクタンスは、PWMにより合成された非典型正弦波電圧の高調波素子により異なって構成され得る電流素子の流れを抑制するということに注目しなければならない。端子の電圧ひずみよりは交流発電機電流が、FPSE/LA性能に更に大きい衝撃、特に振動及び損失を与えることにより、適宜な交流発電機端子の電圧ひずみはローキャリア周波数と結果MOSFETのスイッチング損失に対する許容の利得として受入れられ得る。
【００６１】
当業界で周知のように、合成された交流発電機端子電圧の有効振幅は、PWMデューティサイクルにより瞬間的に制御される。微々たる正弦波形を達成するために、デューティサイクルは望ましい端子電圧周波数で正弦波変調のコマンドテンプレートによって変化する。また、合成された有効交流発電機電圧の正弦波振幅を制御するために、正弦波のコマンドテンプレートは必要に応じてスケーリングアップまたはスケーリングダウンできる。望ましい有効正弦波の交流発電機端子電圧を生成する方式で、Hブリッジスイッチを制御するのに必要なPWM信号は、当業界に公知された数種類の方法により生成され得る。
【００６２】
このような方法は、望ましい交流発電機端子の電圧振幅を生成するために適切にスケーリングされた交流発電機端子電圧の望ましい周波数での正弦波テンプレート信号が、PWMキャリア周波数で三角波形と比較される「正弦-三角」法である。三角搬送波（triangular carrier wave）の振幅が、テンプレートの振幅を越える場合、２進PWM信号の状態はスイッチングされる（例えば、ゲートドライブオンからゲートドライブオフにスイッチングされる)。三角搬送波の振幅がテンプレートの振幅下へリターンされる場合、PWM信号の状態は以前の状態にスイッチングされる（例えば、ゲートドライブオフからゲートドライブオンにスイッチングされる)。
【００６３】
選択的に、必要なPWM信号の状態は、デジタル信号処理器(DSP)装置（400）の全体部分として形成される目的に合うよう設計されたカウンタ-比較器のデジタル回路により決定できる。カウンタ-比較器は有効なDSP周辺装置であり、その動作パラメータは、制御レジスターのビット状態により構成され得る。制御レジスター構成は、初期化サブルーチンにより確立され、初期化サブルーチンは非揮発性のプログラムメモリ内に常駐するDSPファームウエアの一部であり、非揮発性のプログラムメモリは、DSPチップ（400）の全体部分でもある。TI TMS320LF2406A DSPまたは性能の類似したDSP装置を使用した望ましい実施例において、初期化サブルーチンは、望ましいキャリア周波数（例えば、2.5kHz）を有するHブリッジスイッチのPWM制御信号生成のためのカウンタタイマー制御レジスターを構成する。特に望ましくは、カウンタ-比較器がPWMキャリア周波数と同じ期間を有するアップ/ダウンカウンターとして動作するよう構成される。初期化構成の他の形態は、各PWMキャリアサイクルの最後で生成されるインタラプトを含むことができる。従って、各PWMキャリアサイクルの最後に活性されるインタラプトサービスルーチン(ISR）は、次のPWM期間に必要なデューティサイクルを計算する。
【００６４】
ISR部分は、エンジン制御システム（ECS）から受信された周波数の設定ポイント命令（410）により決定された周波数の正弦波テンプレートを生成する。周波数の設定ポイント命令が、アナログ模様のSPC DSPと通信し、混合した（アナログとデジタル）回路により提供される16個のアナログ-デジタル変換器（ADC）のチャンネルのうちの一つにより読み取られ、上記混合回路もDSPチップ（400）内に統合される場合に、SPCから分離したDSPまたはマイクロコンピューターユニットによりECS機能が行われ得る。また、分離して行われるECSは、周波数の設定ポイント命令を直列または並列デジタルリンクを通してSPC DSPに通信できる。ECS機能がSPCを制御する等しいDSPにより行われる場合、周波数の設定ポイント命令はDSPプログラム内のデジタル手段を通して通信される。
【００６５】
テンプレートの振幅は、ECSにより命令されたピストン変位を達成するのに要求される交流発電機端子の電圧により決定される。周波数の設定ポイント命令の場合において、ピストン変位の設定ポイント命令は分離したECS DSPまたはマイクロコンピューターにより生成され、アナログまたはデジタル手段を通してSPC DSPに通信できる。ECSとSPとのC機能が共通DSPにより行われる所でのピストン変位の設定ポイントは、DSPプログラム内のデジタル手段により通信される。望ましい実施例において、要求される電圧振幅は命令されたピストン変位（420）を有するピストン位置感知器（信号 445）により表示されることによって、電流のピストン位置を比較することで決定される。ピストン位置感知器信号（445）は、第３のADCチャンネルにより読み取られる。
【００６６】
次のPWMデューティサイクルを計算しなければならないISR部分は、次の段階を実行することによって動作できる：
1．交流発電機の電圧周波数命令の電流値を読み取る段階；
2．周波数命令を使用して期間の最後に０にリセットする単調に増加した値を生成するアップカウンタの期間をアップデートする段階；
3．正弦波の−180〜180度を示す−１〜１の範囲内の正規化した角を示す電流カウンタ値を取り、この角の近似多項式を計算する段階；
4．電流のECSピストン変位命令を読み取る段階；
5．ピストン位置感知器による電流のピストン位置表示を使用して最近のピークピストン変位の電流測定をアップデートする段階；
6．命令されたピストン変位とピークピストン変位との最近の測定を比較して、結果的なエラー信号を制御システムの計算に適用して、エラーの最小化に要求される交流発電機端子電圧の測定された振幅をアップデートするために、制御システム計算は比例-積分（PI）または比例-積分-微分（PID）の制御手順を行う段階；
7．計算された端子電圧振幅の正規化された値を使用して段階3で計算された正弦値をスケーリングする段階；及び
8．このスケーリングされた正弦テンプレート値を使用して次のPWM期間のデューティサイクルを確立する段階。
【００６７】
前述したアップ/ダウンカウンターの電流値と電流スケーリングされた正弦テンプレートとは、デジタル比較器により比較される。カウンタ値がテンプレート値を超える場合、関連のPWM出力信号の状態が変化する（例えば、ゲートドライブオンからオフに変化)。カウンタ値がテンプレート値下に落ちる場合、PWM出力信号の状態が以前の状態（例えば、ゲート駆動オフからオンへ変化）に復帰する。Yアップ/ダウンカウンターの使用は、合成された有効正弦波の交流発電機の端子電圧の高調波コンテントを減少するために公知の所謂対称PWM波を提供する。同一のDSPカウンタ-比較器周辺装置で遂行できる代替手順は、アップカウンタを採択してあまり望ましくない非対称PWM波を得る。
【００６８】
望ましくは、DSPカウンタ-比較器周辺装置回路はS1とS2、またはS3とS4とが同時にオン(ON）とならないS1とS4とのオン(ON)からS2とS3とのオン(ON)に変化するようにする手段も含む。これは全てのスイッチがオフ状態である間、ゲート制御信号内に短い（例えば、2マイクロセカンド)「デッド(dead)」または「ブランキング(blanking)」の時間間隔を挿入することによって達成でき、これは当業界に実際に公知されたものである。
【００６９】
このようなプロテクションの不足で、S1、S2、S3またはS4の同時的な伝導は「シュート・スルー(shoot through)」状態を引き起こし、たとえこれらがスイッチングされてほぼ確実にそれらを失敗させても、DCリンク電圧で相対的に制限された電流を駆動できる。下記に説明されたゲートドライバ回路に注目すると、デッドまたはブランキングの時間間隔を提供できる。DSP（400)、ゲートドライバまたはその全てをシュート・スルーの危険を防ぐために使用できる。
【００７０】
図7（a）及び図7（b）は、適用されたPWMウェーブフォームと結果的な内部交流発電機の末端電圧に対して、SPICEシミュレーションソフトウェアを使用して生成されたグラフィックである。図7（a）は高710と低720とのサイドのPWMウェーブフォームを例示する。Hブリッジスイッチを制御することを適用した場合、効率的な交流発電機の末端電圧を発生するであろう。ウェーブフォーム（730）は、デューティサイクルを制御する生成された正弦波のテンプレートを示す。図7（b）は結果的な内部交流発電機の末端電圧のウェーブフォーム（740）を例示する。適用された正弦波のテンプレートのウェーブフォーム（730）と比較されるウェーブフォーム（750）により示したように、低域通過フィルタリングが効果的な正弦値を見せてくれる。PWM電圧のウェーブフォーム（740）上の小さな正弦リップル(ripple)は、DCリンク（302）上の電圧変動によるためのものである。このリップルは、DCリンクコンデンサ（398）のサイズを増加させたり、バック/ブーストコンバーター（316）とDCリンク（302）間の連通を通して、バッテリー（315）により提供された電圧規制により抑制できる。リップル振幅の適度な量（例えば、5〜10％のピーク-ピーク）が好ましい。
【００７１】
上記の通り、上記SPCは交流発電機末端の電圧振幅の調節により、セットポイント値を命令したECSによって最大ピストン変位を制御するであろう。しかし、上記DSPファームウエアは、瞬間ピストン位置附近と（例えば、ピストン位置センサ出力の最も最近の4DCサンプルの移動平均から誘導された）安定した作動ピストン変位の臨界値もまた比較する。明白または回復不能な誤作動が原因で生じるこの臨界値の検出された違反は、エンジン内燃システムのコーディネートされた（coordinated)）ターンダウンだけでなく、交流発電機末端の電圧振幅の即刻的な減少及び/または電圧周波数の同時的な減少を開始する。DSPファームウエア特性は、FPSE/LAの作動を中断させたりリピートピストンの循環違反がFPSE/LAシステムを中断させる場合の明白な誤作動の条件から作動回復を試みることを提供できる。
【００７２】
このように、電力と制御システム（300）の望ましい実施例は、Texas Instruments Incorporatedから製造され入手可能なTMS320LF2406Aであるデジタル信号プロセッサ（DSP）装置または他の類似した容量のDSP装置を含む。一般的に、DSPは要求される機能性の大部分や補助集積回路を提供する反面、その他の電子部品はフィルター、バッファ、あるいは最終的にDSP入出力ポートとインターフェースされる条件信号に含まれ得る。
【００７３】
DSPコントローラ（400）は、多様なアナログとDSP（400)、交流発電機電流及び電圧センサ（312、314）のそれぞれの間にインターフェースを供給するのに使われる２進入出力を含み、エンジン制御システム（図示せず）と多様なその他部品が電力及び制御システム（300）内に含まれる。DSP（400）への入力（410、420）は動作周波数であり、ピストン変位のセットポイントがエンジン制御システム（ECS）により生成された入力を命令する。ESC機能は分割DSP、「一般的な目的」のマイクロコンピューターまたはSPCを制御する同一のDSPにより遂行できる。ECSからのDSPへの命令入力値は、これらを除いたアナログ信号が、一連または平行したデジタルフォーマットであり得るように図5に図示される。ECS及びSPCの制御機能が共通DSPと共に行われる場合、これら命令はECS及びSPC処理の過程により記録及び読み取られたファームウエア変数であり得る。
【００７４】
当業界に周知の通り、ECSは所望のヒーターヘッド温度を維持するために、燃料及び燃焼空気の流速の制御を含む、全体的にFPSE作動を制御する機能を行う。上記ECSは、上記言及された動作周波数に対するセットポイント命令をSPCに伝達するように構成され、ECSの予測するピストン変位が、例えば最も早いウォームアップ（warm up）または最適な燃料効率を含む所望の性能特性を提供するであろう。これらセットポイント命令は、上記SPCにより観察され、周波数の命令セットポイントが交流発電機末端の電圧の周波数を調節するために、直接適用される。また、上記SPCは、瞬間ピストン変位と（適切なピストン位置センサで直ぐに観察されたり、交流発電機内部の電圧振幅から推測される）上記ECSにより提供されたピストン変位のセットポイントを比較し、上記命令された値を得るための上記比較から得られた変位「エラー」によって、交流発電機末端の電圧の振幅を制御する。「比例的」エラーと選択的なその積分及び微分を最小化させるために調節された交流発電機末端の電圧の振幅で、フィードバック制御ループがこのような目的のために使用できる。「デッドビート(deadbeat)」 制御、フィードフォワード制御及びファジー論理技術のような代替方法が、このような目的のために採択され得る。
【００７５】
これまで、上記SPCの周波数応答及びピストン変位のセットポイント命令が説明された。また、上記SPCは、電流交流発電機の電力出力（465）とバッテリー（455）との充電状態（SOC）またはECSの同等なエネルギー保存ユニットを記録している。ヒーターヘッド温度の更に効率的な制御を提供するために、上記ESCは燃焼システムへのフィードフォワード入力としての交流発電機の電力指示が使用できる。このような新しい負荷条件によってヒーターヘッド温度での未決定変化を予想する交流発電機の負荷条件での変化を満たすために、上記電力フィードフォワード信号（465）は要求の「進行通知」を追加的または減少したヒート入力に提供する。
【００７６】
また、上記SPCは、上記ECSにより使用できるバッテリーの充電状態の表示によりECSを提供し、充分な保存エネルギーを維持するための最適なFPSE/LA電力レベルを決定して、不時の需要減少を緩和させるために適切な「保存ヘッドルーム」となるようにすると同時に、不時の電力需要の増加を満たす。DSP出力（465及び455）は、上記ECSに上記表示を提供する。上記出力がアナログ信号として図5に示した場合、これらは直列または並列デジタル形態のうち、いずれかでもよい。ECS及びSPC制御の機能性が、通常のDSPにより満たされる場合、これら交流発電機電力及びバッテリーSOC表示は、それぞれのSPC及びECSにより、読み書きが可変的なファームウエアであり得る。
【００７７】
バッテリー（315）の充電状態は、当技術分野で周知の通り、各種方法に従ってDSP（400）により決定できる。望ましい実施例において、例えば、バッテリー（315）としてVRLA（valve regulated lead acid、バルブ制御鉛酸）の使用を含むことは、充電の状態が後述するような「クーロンカウンティング」で決定できる。最初の電力上昇時に、充電の状態はセル当たりのボルトに標準化された無負荷電圧を観察することによって決定できる。上記システムが稼動し、最初の充電状態からの変動であるその上に負荷が加えられた後、上記未負荷のバッテリー電圧の観察により、第１決定がバッテリーの電流流れの入出力を統合して、上記バッテリー（315）の定格アンペア時の容量により積分値を規定することによって、算出できる。
【００７８】
DSP（400）への追加入力は、交流発電機ターミナル電圧（Va）を示す出力（430）及び入力（440）を通して、DSP（400）に提供される交流発電機の内部または外部を流れる電流を含む。望ましい他の実施例は、上記のような装置が使われて、ピストン変位をモニターする一つ以上のピストン位置センサ用入力（445）が含まれる。複数のピストンFPSEによってでも優秀に設計されて製造されたユニットで、ピストン変位は名目上等しいと期待させることができるので、一つのピストン変位センサは充分である。また、適切な計算を行うことによって、交流発電機ターミナル電圧（314）からピストン位置を推測することができ、内部抵抗とインダクタンス素子を横切る電圧降下を加えることによって、内部電圧が誘導される。また、時間と温度とにより変化し得るムーバーの磁場強度において、調整が要求され、不確実さに対して補正されもする。
【００７９】
二つのパルス幅変調（PWM）出力（450及び460）のセットは、DSP（400）により利用される。これら信号が使用され、それぞれの一対の制御スイッチS1/S3及びS2/S4が制御される。
図５に図示されていないが、「ハイサイド」及び「ローサイド」ゲートドライバ回路実行させるバッファリング回路は、DSP（400）のPWM出力（450及び460）とMOSFETゲートコネクションとの間に挟まれるのが望ましい。これらバッファ素子は、例えばInternational Rectifier, Inc.により 市販されるIR2100等の高電圧の特定用途向け集積回路（ASIC）でも良い。このように、DSP（400）からの3.3Vの出力信号は、H-ブリッジMOSFETスイッチを調節するのに適切な15Vのゲート駆動信号に転換できる。特に、ハイサイドスイッチS1（335）及びS3（345）を操作するために使われるハイサイド駆動器は、上記ゲートの高同相モード（high common mode）からDSPのPWM命令出力を分離するために設計されなければならない。この特性は、例証のIR2110ゲート駆動装置により実行される。
【００８０】
図５の右側へ稼動を続けると、電気エネルギーを保存して提供するためのバッテリー（315）を含んだ各種その他の構成要素が含まれる。ハイサイドMOSFET（本来のダイオードを有する）スイッチ（375）及びローサイドMOSFET（本来のダイオードを有する）スイッチ（385)(例えば、全てのスイッチに関し上述したようなInternational Rectifier IRFP 260Nでも良い）は、後述する通り、バッテリーの充電及びバッテリーの放電機能を制御するのに使われる。上述のH-ブリッジの場合だと、上記MOSFET及びその固有の逆方向ダイオードの機能性を提供し、５kHz以上のオーダーに対する搬送周波数時にパルス幅変調操作を支持することができる任意のスイッチング装置がそれぞれのハイ及びローサイドスイッチ（375及び385）を履行するのに使用できる。上記スイッチは、一方向性伝導及びブロッキング制御のみを提供することが要求される。しかし、逆方向ダイオードは各々に対して提供されなければならない。上記MOSFET装置の固有の逆方向ダイオードは、これら機能を提供するが、IGBTである場合、分離された逆方向ダイオードがIGBTエミッタに連結されたダイオード陽極及びIGBTコレクタに連結されたダイオード陰極を有していなければならない。DSP（400）にアナログ入力（470）はDCリンク陽極の端子（302）とDCリンク陰極の端子（304）とを横切る電圧を示す。DSP（400）にアナログ入力（480）は電流センサにより感知されたバッテリー（315）の内部または外部を流れる電流（Ibat)を示す。DSP400にアナログ入力（415）はバッテリー（315）の端子を横切る電圧（Vbat）を示す。
【００８１】
DSP（400）からPWM出力（490）はバッテリー充電及び放電操作に関したMOSFET Q5の制御を提供する。同様に、DSP（400）からPWM出力（425）はバッテリー充電及び放電操作時に、MOSFET Q6の制御を提供する。PWM出力信号（490及び425）は、DSP（400）の他の出力に関して上述したハイサイド及びローサイドゲート駆動機機能を通してバッファリングされる。最終的に、上述した通り、DSP（400）は上記エンジン制御システムに供給される二つのアナログ出力（455及び465）を含むことが望ましい。望ましい実施例において、予想される未来のエンジン熱電力要件を説明するために、出力信号（455）は上記エンジン制御システムに交流発電機電力のフィードフォワードデータを提供する。また、出力信号（465）は上記エンジン制御システムにバッテリーの充電状態データを提供して電流バッテリー保存レベルに関するデータを使用したエンジン操作を最大限活用するために、エンジン制御システムを許容する。上述した通り、上記ECSに対する報告であるDSP、SPC出力は直列や並列形式であるデジタル信号の形態であり得る。ECS及びSPC制御の機能性が通常のDSPにより実行されると、これらパラメータはECS及びSPCファームウエアの手順により、各々判読及び記録されるプログラム変化であり得る。
【００８２】
一つの実施例に伴う本発明の関連部品及び回路の概要を表すと、以下の説明は、電力内のバッテリー（315）を充電及び放電するための工程、及び制御システム（300）を含む。例えば、未来のエンジン電力の要件のための準備において、その保存レベルが低くなると、バッテリー（315）を充電したりまたは外部負荷の不時の中断後に、直ちに交流発電機ロードが過度に維持されることが望ましい。また、バッテリー（315）を放電させて使用できるFPSE電力が不時に増大する、例えば、ロード増加がFPSE/LA発電装置に不時に連結する場合が望ましい。バッテリー（315）からの電力の追加は、上記増加されたロードをアドレスに制限時間提供したり、または上記追加ロードを支持するためのエンジンに追加負荷を供給できる時まで提供されても良い。
【００８３】
バッテリー（315）を充電するために、下記手順が提案される。通常は、MOSFETスイッチQ5（375）及びQ6（385）は、OFF/非伝導状態である。また、基本操作状態において、DCリンク陽極レール（302）からDCリンク陰極レール（304）まで電流が流れることができないようにダイオード（D5及びD6）は対立する。充電操作を開始させるために、DSP（400）はトランジスタ（Q5）に出力（490）によりMOSFETスイッチ（Q5）を通して電流が陽極DCリンクレール（302）から流れる間の相応する時間に引起こった瞬間のMOSFETゲート駆動パルスを有する信号であるPWM信号を提供する。上記作用は、インダクタL昇圧/強圧（316）がレール（302）での電圧までノード（E）が達するように引き寄せ、その結果、上記誘導源及びバッテリー（315）の中の電流はランプアップ(ramp up)し始める。ランピングはVが上記誘導子を横切る電圧で、Lは上記誘電子のインダクタンスであるV/Lのランプレートで発生する。従って、ランプレートは時間に対して一定である。出力（490）から陽極パルスが終わる地点で、電流が連続して流れて、MOSFET本来のダイオードD6（385）を通じて自在に動くが、Q5（375）は非導電となる。
【００８４】
結果的に、電流ループが一時的に形成される。このループはインダクタを通してIbat電流センサ（318）を通してバッテリーターミナル（315）に流れ、ダイオードを通しダイオード（D6）のアノードアノード上方に流れ、ダイオード（D6）のカソードに出て来て、インダクタ（316）の右側ターミナルへの流れを含む。流動電流の減衰が現れた後、新しいパルスが追加バッテリーを充電させるために供給される。パルスは固定されたPWMキャリア周波数率（例えば5kHz）に設定して、パルスの衝撃係数によってバッテリー（315）を所望の水準に充電できる。望ましい実施例によって、Q5（375）に印加されたパルスの衝撃係数は外部及び内部電圧を備えたDSPと電流比例積分（PI）制御機により制御される。外部ループ（PI）制御機は、センサ（326）を通ってDCリンク電圧を観察した後、この値と固定された設定値を比較して、内部電流ループPI制御機の設定値となる電圧制御機出力を形成するように組合わせる比例積分項を計算する。内部電流ループPI制御機は、電流センサ（318）により観察されたバッテリー電流を外部ループ電圧制御機により命令された電流を比較して、バックスイッチ Q5（375）に対するPWM衝撃係数を決定する制御出力を形成するように組合わせる比例積分項を計算する。このような内包型外部電圧及び内部電流のループ構成は、有利な動的制御特性、例えば同時にバッテリー電流を安全値に限定する手段を供給すると共に、早い応答及び最小のオーバーシュートを有する安定した操作性を提供するため採用される。
【００８５】
充電モードは、外部負荷の突然のインタラプションによるDCリンク電圧の上昇が抑制される時に終了する。外部負荷の突然の減少後の交流発電機負荷を一時的に維持するよう開始されたバッテリー充電の期間は、交流発電機のパワーフィードフォワード指示の突然の中断により開始されたECSによるエンジン熱流量出力の同時減少により限定される。
また、他の充電方式が採用されても良い（例えば、バッテリー電流が上位の充電状態条件を示す臨界値を下回るよう、一定のバッテリーターミナル電圧を充電する方式)。この場合、充電制御機を備えたDSPが、バッテリー電流センサ（318）により観察されたバッテリー電流をモニターしつつ、センサ（320）により記録されたバッテリーターミナル電圧を調整することができる。MOSFETスイッチQ5（375）を制御するPWM信号の発生に対するDSPファームウエア方法論は、Hブリッジスイッチについて上述したものと等しい。
【００８６】
バッテリー充電は、下記プロセスを通して達成される。パルス列がMOSFET Q6（385）のゲートに向かってDSP（400）の出力（425）に供給される。このパルスによりQ6（385）のゲートがONになると、これが伝導されて、バッテリー（315）がインダクタ（316）により短絡される。この場合、回線は時計方向のループに流れ、以前と同じようにV/Lのランプ速度でランプアップする。しかし、この場合、Vは原則的にバッテリー（315）のターミナルを横断する電圧である。ランプアップが達成された後、DSP（400）の出力（425）から出てくるゲートターンオンパルスの決定時、Q6（385）が開放される。この時、インダクタ外の電流はMOSFET固有のダイオード（D5）を通って上方向にフリーホイールして、DCリンクコンデンサ（398）を充電する。
【００８７】
DCリンクコンデンサの漸進的な放電の後に、新しいゲートターンオンパルスがMOSFET Q6（385）に印加されてバッテリー（315）の放電を続け、所定範囲内のDCリンク電圧を支援する。望ましい実施例によると、Q6（385）に印加されたパルスの衝撃係数は外部及び内部電圧を備えたDSP及び電流比例積分（PI）制御機により制御される。外部のループPI制御機がセンサ（326）を通じてDCリンク電圧を観察し、その値と固定された設定値を比較して、内部電流のループPI制御機の設定値となる電圧制御機出力を形成するように組合わせる比例積分項を計算する。内部電流のループPI制御機は、電流センサ（318）により観察されたバッテリー電流を外部のループ電圧制御機により命令された電流を比較して、ブーストスイッチ Q6（385）に対するPWM衝撃係数を決定する制御出力を形成するように組合わせる比例積分項を計算する。このネスト(nested)外部電圧及び内部電流のループ構成は、有利な動的制御特性、例えば同時にバッテリー電流を安全値に限定する手段を供給すると共に、早い応答及び最小のオーバーシュートを有する安定した操作性を提供するために採用される。
【００８８】
上記で更に詳細に論議されたように、本発明の望ましい実施例では多様なSPC制御信号が、DSP（400）により受信発生する。これら信号の特性は、先立って十分に論議された。以下、DSP（400）のプログラミングのみならず、本発明のSPCの全体制御と関係のあるその他の形態について望ましい実施例を通して説明する。
例えば、バッテリー電流（480)、DCリンク電圧（470）及びピストン位置（445）等のDSP（400）に提供される入力信号において、DSPのADCチャンネルは通常、単極信号のみを受諾するので、その結果、多極型入力はバイアスと共に提供されなければならない。これは、任意の当業界に公知されている各種方法を通して行なわれても良い。
【００８９】
本発明のSPCにおいて、PWMは交流発電機及び力率補正コンデンサのターミナルに印加されるグリッド電圧（制御された周波数及び振幅）を総合することは必須である。これは、同様にDSP（400）により発生される正弦波基準信号の使用が要求される。このため、当業界に公知されている任意の各種の方法、例えば表引き法または実時間計算法が使用できる。望ましい実施例において、グリッド電圧の振幅は、DSPエンジン制御ルーチン（PIDまたはPI制御機出力）により通過されたピストンストロークの命令によって制御され、所望のピストンストロークを達成する。
【００９０】
帯域制御の観点での許容可能な動的性能または同様に許容可能なステップの変更応答時間及びオーバーシュートで安定して操作させるために、PI制御器を通って積分フィードバックを使用したピストン変位の制御方法が本発明の望ましい実施例に採用される。許容可能な動的性能を達成するためには、比例積分項を使用するのが望ましいが、微分項を使用しても良く、そうでなくても良い。いずれにせよ、即ちPIまたはPID制御機の場合、瞬時ピストン位置が観察され、それらの値から変位メトリックがDSPにより計算される。変位メトリックはピーク値変位、RMS変位、または整流位置の正弦波の平均でも良い。本発明によると、当業者により明白なように、本発明がその望ましい実施例に限定されるのではないが、望ましい実施例を最終選択する。RMSまたは整流位置の正弦波の計算平均のうち一つには、最小ラグに最大電流を推定するよう、一つのサイクルにわたって計算された コヒーレントな平均値を用いることを好んで採用する。コヒーレントな平均を出すことは、DSP制御下で総合される発振機ターミナル電圧の周波数により決定されるため、エンジン-交流発電機の発振期間は公知されているという事実により容易になる。
【００９１】
上記メトリックのうち、いずれか一つにより特徴となる変位はECSにより供給された電位設定命令と比較され続け、その差（エラー）が適用されて単一制御出力として総合される比例、積分及び必要に応じて微分項を計算する。この制御出力は、サイン曲線のテンプレートの増幅を調節して命令されたピストン変位を達成するのに要求される交流発電機ターミナルの電圧振幅の増加または減少させるのに使われる。
【００９２】
また、DSP（400）はDCリンクに適宜な電圧を維持させることを担当する。望ましい実施例によると、電圧があまりにも高いと、リンクがバック変換器を経てバッテリー（315）に負荷される。電圧があまりにも低いと、リンクがブーストコンバーターを経てバッテリー（315）に支援される。バッテリーの充電状態が使用不可の電位実行を行うよう境界外になるよう決定すると、シャットダウンが始まる場合がある。
【００９３】
バッテリー（315）の充電状態は、望ましくはDSP（400）制御アルゴリズムにより維持される。望ましい実施例において、充電状態があまりにも高いが所定の境界限界内であれば、エンジン制御機に対する充電状態のフィードフォワードの利得が減少する。あるいは、充電状態があまりにも低いが警戒内であれば、エンジンコントローラーへのフィードフォワードの利得が減少する。
【００９４】
また、DSP（400）は電圧条件全般または電流条件にわたる等の故障条件をモニターすることを含む故障監視等の別の機能を担当する。また、DSP（400）は、望ましくは診断LEDまたは他の故障表示器が事件の故障条件を示すようにプログラムする。
スターリングエンジンを制御する制御システム及び信号プロセス方法は開示されている。上述したようなティーチングは、特に往復部内の制御に関するもの等に対して多様な用途を有するということが分かる。本発明は、FPSE駆動線形交流発電機と関連して開示したが、本発明はこれに限定されるのではない。例えば、ここのティーチングは、FPSE駆動の他の装置、例えば交流発電機及びその他の装置に限定されない多様な電子変換器を含む変換器に適用できる。
【００９５】
上記主題の発明について、図面及び上記説明に詳細に説明するが、開示された実施例は説明の助けになる実例であって、これに限定されるものではない。本発明は、その内容が保護される範囲で各種変形が加えられ得る。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】当技術分野で周知の通り、FPSE/LAシステムの基本構成を例示する。
【図２】本発明の説明による交流発電機のターミナル電圧の振幅、及び周波数上の強制を介したピストン移動の制御を説明するグラフセットである。
【図３】一実施例による本発明の制御及び電力システムを例示するブロック図である。
【図４】別の実施例による本発明の制御及び電力システムを例示するブロック図である。
【図５】特に本発明の図4の実施例による制御及び電力システム回路を更に例示する回路図である。
【図６】図5の回路図でのスイッチを形成するMOSFET素子の例示図である。
【図７】(a)及び(b)は本発明の一実施例によるPWMタイミングを例示する波形のセットを含むグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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