(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-04-25
(45)【発行日】2024-05-08
(54)【発明の名称】ピストンレスエンジンを制御するための方法およびシステム
(51)【国際特許分類】
H02P 25/032 20160101AFI20240426BHJP
【ＦＩ】
H02P25/032
【請求項の数】
32
(21)【出願番号】P 2021535708
(86)(22)【出願日】2019-12-20
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-02-10
(86)【国際出願番号】 GB2019053667
(87)【国際公開番号】W WO2020128515
(87)【国際公開日】2020-06-25
【審査請求日】2022-12-14
(31)【優先権主張番号】1821016.1
(32)【優先日】2018-12-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(73)【特許権者】
【識別番号】514035084
【氏名又は名称】リバティーン エフピーイー リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110002860
【氏名又は名称】弁理士法人秀和特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】コッカリル，サミュエル エドワード
(72)【発明者】
【氏名】ヴィール，マシュー
【審査官】池田 貴俊
(56)【参考文献】
【文献】独国特許出願公開第１０２００８０３０６３３（ＤＥ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２００８／０１２２４０８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／００５１６９０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３５０３３９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１６－１０９１２３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｐ ２５／０３２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
リニアパワーシステムの往復動作要素であるフリーピストンムーバを制御する方法であって、前記フリーピストンムーバに係る目標制御変数の閉ループ制御のための制御パラメータセットを生成するステップであって、このセットは、前記フリーピストンムーバのストロークに関するストローク閾値を決定するストローク閾値関数と、前記フリーピストンムーバの電流需要に関するフィードフォワード電流を決定するフィードフォワード電流関数と、前記フリーピストンムーバの測定値に基づいて決定されるフィードバック項を決定するフィードバック項関数と、前記フリーピストンムーバの制御に用いられる制御パラメータのセットの使用期間を決定する制御パラメータセット遷移条件のうちの１つまたは複数と、前記目標制御変数を決定する目標制御変数関数とを有する、ステップと、
前記制御パラメータセットを、前記制御パラメータセットによって制御されるストロークの開始前に、前記ストロークにおける前記フリーピストンムーバを制御するインストロークコントローラに送信するステップと、
フューチャストロークコントローラを使用して、前記フリーピストンムーバの前記ストロークの後続の任意のフューチャストロークに対する前記制御パラメータセットの１つまたは複数の構成要素を修正するステップと、
修正された前記制御パラメータセットを、前記任意のフューチャストロークの制御のために前記インストロークコントローラに送信するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項2】
前記制御パラメータセットの生成後のストローク中のフリーピストンムーバのパフォーマンスを示すベース変数をサンプリングするステップと、前記目標制御変数関数を参照して、測定されたベース変数を使用して、少なくとも１つの目標制御変数を生成するステップと、
前記測定された制御変数および前記目標制御変数を使用して、少なくとも１つの制御変数誤差を決定するステップと
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記制御変数誤差を使用して、電流コントローラに入力される電流需要の出力を生成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項4】
第２のフリーピストンムーバのパフォーマンスを示す第２のベース変数をサンプリングするステップと、第２の目標制御変数関数を参照して、前記測定された第２のベース変数を使用して、少なくとも１つの第２の目標制御変数を生成するステップと、
前記測定された第２の制御変数および前記第２の目標制御変数を使用して、少なくとも１つの第２の制御変数誤差を決定するステップと、
前記第２の制御変数誤差を使用して、第２の電流コントローラに入力される電流需要の出力を生成するステップと、
次のストロークまたは任意のフューチャストロークに影響を及ぼし得るフューチャストロークコントローラを使用して、前記フリーピストンムーバのフューチャストロークのために前記第２の目標制御変数関数を修正するステップと
をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項5】
第１のムーバと前記第２のムーバの一方または両方のムーバの測定された変数が所定のストローク遷移閾値に等しくなったときに、前記第２のムーバの測定された制御変数または測定されたベース変数と前記第１のムーバの対応する測定された制御変数または測定されたベース変数との間の差を反映するＦＰＭ同期誤差を測定するステップと、需要入力を提供するステップと、
をさらに含み、
フューチャストロークコントローラは、前記測定された電流と前記電流需要と前記ＦＰＭ同期誤差と前記需要入力の少なくとも１つに基づいて、少なくとも１つのフリーピストンムーバに対する後続のストロークのために前記制御パラメータセットを修正する
ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項6】
前記目標制御変数関数は、測定されたベース変数に対応する配列要素を参照することによって目標制御変数を決定可能なベース変数の値および目標制御変数の値の配列であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項7】
現在のストロークおよび少なくとも１つの後続のストロークに対する目標制御変数関数の値は、共通の配列に格納されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項8】
前記目標制御変数関数は、前記測定されたベース変数を適用することによって前記目標制御変数を算出可能な数式であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項9】
前記目標制御変数関数は、前記測定されたベース変数を入力することによって前記目標制御変数を決定可能なシミュレーションモデルであることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項10】
前記第２の目標制御変数関数は、測定された第２のベース変数に対応する前記配列要素を参照することによって第２の目標制御変数を決定可能なベース変数の値および目標制御変数の値の配列であることを特徴とする請求項４を引用する請求項５から７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項11】
前記第２の目標制御変数関数は、前記測定された第２のベース変数を適用することによって前記第２の目標制御変数を算出可能な数式であることを特徴とする請求項４を引用する請求項５から７および１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項12】
前記第２の目標制御変数関数は、前記測定された第２のベース変数を入力することによって前記第２の目標制御変数を決定可能なシミュレーションモデルであることを特徴とする請求項４を引用する請求項５から７、１０および１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項13】
前記フューチャストロークコントローラは、前記２つのフリーピストンムーバのための同期コントローラから入力を受信することを特徴とする請求項３を引用する請求項４または６または７に記載の方法。
【請求項14】
前記第１のＦＰＭおよび前記第２のＦＰＭの前記制御パラメータセットに対する同期変更は、互いに方向が反対であることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
前記第１のＦＰＭおよび前記第２のＦＰＭの前記制御パラメータセットに対する同期変更は、互いに大きさが同じであることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項16】
フリーピストンムーバとインストロークコントローラとフューチャストロークコントローラのうちの１つまたは複数の測定可能な出力を記録するステップをさらに含む請求項１から１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項17】
診断コントローラを使用して履歴のストローク傾向を監視するステップをさらに含む請求項１から１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項18】
任意のコントローラに関連する動作ライセンスの有効性をチェックし、前記ライセンスが無効である場合、動作を制限することまたは警告を発生することを含むアクションを行うステップをさらに含む請求項１から１７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項19】
サービスに対する請求を行うか、またはライセンスされた使用義務に準拠することを保証する課金方法に対する使用メトリックを示すデータの通信を行うステップをさらに含む請求項１６から１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項20】
前記制御パラメータセットは前記フィードフォワード電流関数を含み、前記フィードフォワード電流関数は、ベース変数の値の範囲または制御変数の値の範囲に対するフィードフォワード電流の値を含むことを特徴とする請求項１から１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項21】
前記電流需要は、少なくとも１つのフィードバック電流需要の値と１つのフィードフォワード電流需要の値とを加算することによって、前記測定されたベース変数に対して算出されることを特徴とする請求項３、または請求項３を引用する請求項４または６または７、または請求項１３から１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項22】
前記フューチャストロークコントローラは、１つまたは複数の測定されたベース変数の値に対応するフィードバック電流需要の値の所定割合の値を、フィードフォワード電流関数によって測定されたベース変数の各値に関連付けられたフィードフォワード電流需要の値に加えることによって、フューチャストロークのためのフィードフォワード電流関数を調整することを特徴とする請求項１９または２０に記載の方法。
【請求項23】
前記インストロークコントローラは、前記フューチャストロークコントローラの計算ループレートの少なくとも２倍の計算ループレートで動作していることを特徴とする請求項１から２２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項24】
請求項１から２３のいずれか１項に記載の方法を実行するためのフリーピストンムーバを制御するシステムまたは装置であって、電流コントローラとインストロークコントローラとフューチャストロークコントローラとを有し、
前記電流コントローラは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、トライアック（ＴＲＩＡＣ）、ソリッドステートリレー（ＳＳＲ）、または他のタイプの電力リレーの少なくとも１つの回路スイッチング素子を制御するための少なくとも１つのゲートコントローラを含む
ことを特徴とするシステムまたは装置。
【請求項25】
前記インストロークコントローラの計算ループレートは、前記フューチャストロークコントローラの計算ループレートの少なくとも２倍であることを特徴とする請求項２４に記載のシステムまたは装置。
【請求項26】
前記ゲートコントローラおよび前記電流フィードバックコントローラは、同じ場所に配置されることを特徴とする請求項２４または２５に記載のシステムまたは装置。
【請求項27】
前記ゲートコントローラおよび前記電流フィードバックコントローラは、シングルエンドスイッチの一方向または双方向電気回路と差動スイッチの一方向または双方向電気回路と１つまたは複数の光ファイバおよび関連するトランシーバとのうちの１つまたは複数を有するシリアル通信手段によって物理的に分離およびリンクされていることを特徴とする請求項２４または２５に記載のシステムまたは装置。
【請求項28】
前記ゲートコントローラは、少なくともデシリアライザおよびゲートスイッチング回路をさらに有することを特徴とする請求項２７に記載のシステムまたは装置。
【請求項29】
前記ゲートコントローラは、１つまたは複数のセンサコントローラまたはセンサをさらに有することを特徴とする請求項２７または２８に記載のシステムまたは装置。
【請求項30】
プログラマブルマイクロコンピュータ上で実行されると、請求項１から２４のいずれか１項に記載の方法を実行するように適合されたコンピュータプログラムコード手段を有するコンピュータプログラム。
【請求項31】
インターネットに接続されたコンピュータ上で実行されると、請求項２４から２９のいずれか１項に記載のシステムにダウンロードされるように適合された請求項３０に記載のコンピュータプログラム。
【請求項32】
請求項３０に記載のコンピュータプログラムを有するコンピュータ可読媒体に記憶されたコンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【0001】
フリーピストンムーバを制御する方法およびシステム
本発明は、ＦＰＬＧ（Free Piston Linear Generator）、ＬＭＲＣ（Linear Motor Reciprocating Commpor）、ＦＰＧＡＥ（Free Piston Gas Expander）、ＬＭＲＰ（Linear Motor Reciprocating Pump）、ＬＭＲＡ（Linear Motor Reciprocating Actuator）、または他の種類のリニアパワーシステム（Linear Power System）製品に組み込まれるフリー
ピストンムーバ（ＦＰＭ；Free Piston Mover）の制御方法および制御システムに関する
。
本発明は、ＦＰＬＧ（Free Piston Linear Generator）、ＬＭＲＣ（Linear Motor Reciprocating Commpor）、ＦＰＧＡＥ（Free Piston Gas Expander）、ＬＭＲＰ（Linear Motor Reciprocating Pump）、ＬＭＲＡ（Linear Motor Reciprocating Actuator）、または他の種類のリニアパワーシステム（Linear Power System）製品に組み込まれるフリー
ピストンムーバ（ＦＰＭ；Free Piston Mover）の制御方法および制御システムに関する
。
【0002】
これらの種々のリニアパワーシステム（ＬＰＳ）製品には、１つまたは複数のＦＰＭが組み込まれていることが知られている。それぞれの場合において、フリーピストンムーバの直線動作によって連結されるリニア電気機械システムおよびリニア熱流体システムがある。
【0003】
このような製品の最適なシステム性能には、典型的には、効率、再現性、精度、信頼性、および同期（２つ以上のＦＰＭが組み込まれたリニアパワーシステム製品の場合）の組み合わせが求められる。最適なシステム性能は、ＦＰＭ動作の正確な制御に大きく左右される。
【0004】
ＦＰＭが組み込まれた製品を利用可能な市場全体では、年間１０００億ドルおよび年間２億ユニットを超える。この市場において最も採用されている用途はＦＰＬＧ製品であり、従来の内燃機関を車両および分散発電に置換する可能性を有する。
【0005】
今日まで、ＦＰＭが組み込まれた製品の商業的利用は、ピストンの動作を制御して最適なシステム性能を達成する既存の制御方法や制御システムの性能不足の足かせを受け続けている。専門家は、ＦＰＭが組み込まれた製品のピストン動作の制御は、ＦＰＭが組み込まれた製品の汎用性における最も手付かずの課題であると指摘している。
【0006】
本発明の分野および本発明の背景を説明する目的で、以下の専門用語の定義を用いる。
【0007】
リニア電気機械（Linear Electrical Machine。「ＬＥＭ」と称する)：モータまたは発電機として機能する電気機械であり、使用時にＬＥＭ内の可動部分またはアセンブリに作用するリニア電磁力を発生させる電気機械。この力は、ＬＥＭ内に配置された１つ以上の導電性コイルを流れる電流の変調によって変化する。モータまたは発電機として動作するとき、ＬＥＭ内の固定部分や固定アセンブリとＬＥＭ内の可動部分または可動アセンブリとの間の相対動作も存在する。
【0008】
ステータ（Stator）：ＬＥＭ内の部品またはアセンブリは、通常、ＬＥＭが動作するシステムに対して固定されている。
【0009】
トランスレータ（Translator）：ＬＥＭ内の部品またはアセンブリは、通常、ステージに対して移動する。
【0010】
リニア電気機械システム（Linear Electro-Mechanical System；「ＬＥＭＳ」と称する）：ＬＥＭとリニア軸受およびリニアシールなどの他の機械的要素とを備える物理的システムであり、トランスレータに作用する力には、他の機械的要素に関連する摩擦力とともにＬＥＭによって印加されるリニア電磁力や、外部システムから機械的に結合される他の
力が含まれる。
力が含まれる。
【0011】
リニア熱流体システム（Linear Thermo-Fluidic System；「ＬＴＦＳ」と称する）：作業チャンバ（working chamber）と、ピストンの線形動作によって作業チャンバの容積が
変化する可動ピストンとを備える物理システム。作業チャンバは、ピストンの線形動作を通じて、作業チャンバ内で膨張または圧縮されるか、または作業チャンバ内に入れられるか、または作業チャンバの外部に配置される、作業流体を含む。ＬＴＦＳはまた、作業チャンバからの作業流体の導入および排出のためのバルブを有してもよい。作業チャンバ内の作業流体の圧力は、ピストンに作用する力を生み、この力は、例えば、（ｉ）作業流体の圧縮率、（ｉｉ）ピストンの動き、（ｉｉｉ）ＬＴＦＳ内のバルブを介して、または化学反応（例えば燃焼）の結果として、または流体注入（例えば水もしくは燃料噴射器によるもの）によって生じる、作業チャンバ内の流体のモルの上昇または減少、（ｉｖ）作業チャンバの壁への／壁からの熱伝達の結果として、および／または作業チャンバ内の化学反応（例えば、燃料と酸化剤との間の燃焼）の結果としての作業チャンバへの／チャンバからの熱の付加または除去、（ｖ）作業流体内の相変化、を含む複数の要因に依存する。
変化する可動ピストンとを備える物理システム。作業チャンバは、ピストンの線形動作を通じて、作業チャンバ内で膨張または圧縮されるか、または作業チャンバ内に入れられるか、または作業チャンバの外部に配置される、作業流体を含む。ＬＴＦＳはまた、作業チャンバからの作業流体の導入および排出のためのバルブを有してもよい。作業チャンバ内の作業流体の圧力は、ピストンに作用する力を生み、この力は、例えば、（ｉ）作業流体の圧縮率、（ｉｉ）ピストンの動き、（ｉｉｉ）ＬＴＦＳ内のバルブを介して、または化学反応（例えば燃焼）の結果として、または流体注入（例えば水もしくは燃料噴射器によるもの）によって生じる、作業チャンバ内の流体のモルの上昇または減少、（ｉｖ）作業チャンバの壁への／壁からの熱伝達の結果として、および／または作業チャンバ内の化学反応（例えば、燃料と酸化剤との間の燃焼）の結果としての作業チャンバへの／チャンバからの熱の付加または除去、（ｖ）作業流体内の相変化、を含む複数の要因に依存する。
【0012】
ピストン（Piston）：ＬＴＦＳ内の移動要素によって、ＬＴＦＳ内の作業チャンバの容積が変化する。
【0013】
リニアパワーシステム（Linear Power System；「ＬＰＳ」と称する）：少なくとも１
つのＬＥＭＳおよび１つのＬＴＦＳを備える製品またはシステムであって、ＬＥＭＳ内のＬＥＭのトランスレータが、固定リンケージまたは構成要素を介してＬＴＦＳのピストンに組み込まれるか、あるいは機械的に結合される、製品またはシステム。このようなシステムでは、ＬＰＳの性能は、ＬＥＭＳサブシステムおよびＬＴＦＳサブシステムの性能によって決まり、これらのサブシステムの効率、再現性、精度、信頼性および耐久性に関連して決まる。ＬＴＦＳの作業チャンバが燃料エネルギーをピストンに作用する機械仕事に変換する燃焼チャンバである場合、ＬＰＳの性能は、燃焼反応のタイミング、速度、および完全性、ならびにこの反応の後に生じる作業チャンバのガス内で結果として生じる排出に依存する。これらの特性によるＬＰＳのシステム性能は、ＬＥＭＳ内のトランスレータの動きおよびＬＦＴＳ内のピストンに大きく依存し、これらは共に結合され、時間と共に変化する直線動作の共通のプロファイルで移動する。
つのＬＥＭＳおよび１つのＬＴＦＳを備える製品またはシステムであって、ＬＥＭＳ内のＬＥＭのトランスレータが、固定リンケージまたは構成要素を介してＬＴＦＳのピストンに組み込まれるか、あるいは機械的に結合される、製品またはシステム。このようなシステムでは、ＬＰＳの性能は、ＬＥＭＳサブシステムおよびＬＴＦＳサブシステムの性能によって決まり、これらのサブシステムの効率、再現性、精度、信頼性および耐久性に関連して決まる。ＬＴＦＳの作業チャンバが燃料エネルギーをピストンに作用する機械仕事に変換する燃焼チャンバである場合、ＬＰＳの性能は、燃焼反応のタイミング、速度、および完全性、ならびにこの反応の後に生じる作業チャンバのガス内で結果として生じる排出に依存する。これらの特性によるＬＰＳのシステム性能は、ＬＥＭＳ内のトランスレータの動きおよびＬＦＴＳ内のピストンに大きく依存し、これらは共に結合され、時間と共に変化する直線動作の共通のプロファイルで移動する。
【0014】
フリーピストンムーバ（Free Piston Mover；「ＦＭＳ」と称する):ＬＰＳ内の共通の
可動部分または可動アセンブリは、ＬＥＭＳ内のトランスレータとして、またＬＴＦＳ内のピストンとして機能する。
可動部分または可動アセンブリは、ＬＥＭＳ内のトランスレータとして、またＬＴＦＳ内のピストンとして機能する。
【0015】
フリーピストンリニアジェネレータ（Free Piston Linear Generator；「ＦＰＬＧ」と称する）：ＬＴＦＳの作業チャンバが燃焼チャンバであり、ＬＥＭＳの出力が電力である、ＬＰＳが組み込まれた内燃機関発電システム。ＦＰＬＧはまた、典型的には、燃料供給、点火、チャージ空気圧縮、冷却、エンジン管理システム、排気後処理システム、ならびに機械的取り付け要素および密封要素を含む内燃エンジンジェネレータに必要な補助システムを含む。このタイプのシステムは、フリーピストンエンジン（Free Piston Engine；「ＦＰＥ」と称する）とも呼ばれる。
【0016】
リニアモータ往復圧縮器（Linear Motor Reciprocating Compressor；「ＬＭＲＣ」と
称する）：ＬＴＦＳの作業チャンバがガスコンプレッサ作業チャンバであるＬＰＳが組み込まれたシステムであり、ＬＴＦＳは、入口圧力で気相の作業流体を受け入れ、専用に設計および構成されたバルブの配置によって高圧の気体の作業流体を排出する。このシステムでは、ＬＰＳ内のＬＥＭＳは、電力を使用して、気相の作業流体を圧縮するために機械的仕事を印加するリニアモータとして働く。
称する）：ＬＴＦＳの作業チャンバがガスコンプレッサ作業チャンバであるＬＰＳが組み込まれたシステムであり、ＬＴＦＳは、入口圧力で気相の作業流体を受け入れ、専用に設計および構成されたバルブの配置によって高圧の気体の作業流体を排出する。このシステムでは、ＬＰＳ内のＬＥＭＳは、電力を使用して、気相の作業流体を圧縮するために機械的仕事を印加するリニアモータとして働く。
【0017】
フリーピストンガスエキスパンダ（Free Piston Gas Expander；「ＦＰＧＥ」と称する）：ＬＴＦＳの作業チャンバがガスエキスパンダの作業チャンバである、ＬＰＳが組み込まれたシステムであり、例えば有機ランキンサイクル（Organic Rankine Cycle）発電機
。このシステムでは、ＬＴＦＳは、典型的には、入口圧力で気相作業流体を受け入れ、専用に設計および構成されたバルブの配置によって低圧の気体の作業流体を排出する。作業流体は、液相または二相混合物（例えば、液相および気相の混合物）として許容または排出されてもよいが、気相膨張プロセスは、典型的には、作業チャンバ容積の膨張時に発生する。このシステムでは、ＬＰＳ内のＬＥＭＳはリニアジェネレータとして機能し、作業流体の膨張時にピストンに加えられた機械的仕事の結果として電力を生成する。
。このシステムでは、ＬＴＦＳは、典型的には、入口圧力で気相作業流体を受け入れ、専用に設計および構成されたバルブの配置によって低圧の気体の作業流体を排出する。作業流体は、液相または二相混合物（例えば、液相および気相の混合物）として許容または排出されてもよいが、気相膨張プロセスは、典型的には、作業チャンバ容積の膨張時に発生する。このシステムでは、ＬＰＳ内のＬＥＭＳはリニアジェネレータとして機能し、作業流体の膨張時にピストンに加えられた機械的仕事の結果として電力を生成する。
【0018】
リニアモータ往復ポンプ（Linear Motor Reciprocating Pump；「ＬＭＲＰ」と称する
）：ＬＴＦＳの作業チャンバが往復ポンプ作業チャンバである、ＬＰＳが組み込まれたシステムであり、ＬＴＦＳは、入口圧力で液相の作業流体を受け入れ、専用に設計および構成されたバルブの配置によって高圧の液体を排出する。このシステムでは、ＬＰＳ内のＬＥＭＳは、電力を使用して、液相の作業流体の圧力を増大させ、ポンピング流量および摩擦損失を克服するために機械的仕事を印加するリニアモータとして機能する。
）：ＬＴＦＳの作業チャンバが往復ポンプ作業チャンバである、ＬＰＳが組み込まれたシステムであり、ＬＴＦＳは、入口圧力で液相の作業流体を受け入れ、専用に設計および構成されたバルブの配置によって高圧の液体を排出する。このシステムでは、ＬＰＳ内のＬＥＭＳは、電力を使用して、液相の作業流体の圧力を増大させ、ポンピング流量および摩擦損失を克服するために機械的仕事を印加するリニアモータとして機能する。
【0019】
リニアモータ往復アクチュエータ（Linear Motor Reciprocating Actuator；「ＬＭＲ
Ａ」と称する）：ＬＴＦＳの作業チャンバがＦＰＭに力を加えるバウンスチャンバ（bounce chamber）またはプリロードチャンバ（preload chamber）である、ＬＰＳが組み込ま
れたシステム。このシステムでは、ＬＰＳ内のＬＥＭＳは、ＦＰＭと外部システムとの間の機械的リンク機構または結合によって外部システムに作用する所望の力または機械的動作を発生させるために電力を使用して、リニアモータとして機能する。
Ａ」と称する）：ＬＴＦＳの作業チャンバがＦＰＭに力を加えるバウンスチャンバ（bounce chamber）またはプリロードチャンバ（preload chamber）である、ＬＰＳが組み込ま
れたシステム。このシステムでは、ＬＰＳ内のＬＥＭＳは、ＦＰＭと外部システムとの間の機械的リンク機構または結合によって外部システムに作用する所望の力または機械的動作を発生させるために電力を使用して、リニアモータとして機能する。
【0020】
ストローク（Stroke）：本明細書で説明する事象の定義に従って、ストローク開始イベントとストローク終了イベントとの間のベース変数（例えば、時間または位置）に関して測定されるＦＰＭの動作周期または動作期間。ＦＰＭが組み込まれたＬＰＳは、典型的には、複数の連続的なストロークを通して機能を実現し、ＬＰＳのシステム性能は、複数の連続的なストロークにわたる集約されたシステム性能の結果である。
【0021】
本発明が適用可能な一例では、ＦＰＭが「２ストローク」燃焼サイクルを作動させるＦＰＬＧの一部を形成する場合、連続ストロークは、燃焼サイクルの動力／排気ストロークおよび導入／圧縮ストロークに対応し得る。この例では、２つの連続するストロークが完全なサイクルを形成し、ＦＰＬＧのパフォーマンスは、複数の連続するサイクルの集約されたパフォーマンスの結果となる。
【0022】
現在のストローク：ＦＰＭの動作がインストロークコントローラ（In-Stroke Controller）の動作によって有効である現在発生しているストローク。
【0023】
次のストローク：現在のストロークの直後のストローク。
【0024】
未来のストローク：次のストロークを含む現在のストロークに続く任意のストローク。
【0025】
電流：説明を明確にするため、電流（current）という用語は、電流の流れを指すため
に排他的に使用され、時間的な意味では用いない。また、現在（present）という用語は
、対応する将来または過去のイベント、アクション、ステータスまたは記述に関して、本発明の態様のイベント、アクション、ステータスまたは環境の説明（例えば、「現在」のストロークや変数の「現在」の値)の相対的時間を示すために使用される。
に排他的に使用され、時間的な意味では用いない。また、現在（present）という用語は
、対応する将来または過去のイベント、アクション、ステータスまたは記述に関して、本発明の態様のイベント、アクション、ステータスまたは環境の説明（例えば、「現在」のストロークや変数の「現在」の値)の相対的時間を示すために使用される。
【0026】
フリーピストンムーバ（ＦＰＭ）は、リニア熱流体システム（ＬＴＦＳ）内のピストンおよびリニア電気機械システム（ＬＥＭＳ）内のトランスレータの両方として機能する往復動作要素であり、これらのシステムは、例えば、多数のタイプのリニア電力システム（ＬＰＳ）のうちの１つ、例えば、ＦＰＬＧ、ＬＭＲＣ、ＦＰＧＡＥ、ＬＭＲＰ、ＬＭＲＡを形成する。
【0027】
ＬＰＳの重要な特徴は、各ストロークが第１の点から第２の点までのピストンの動きによって典型的に説明されるマルチストローク装置とみなせることである。例えば、単一の作業チャンバを含む単一のピストンＦＰＬＧにおいて、ストロークは、典型的には、ＦＰＭの速度がゼロに近く、最小および最大の作業チャンバ容積（「上死点（Top Dead Centre）」および「下死点（Bottom Dead Centre）」と呼ばれる）に対応する２点間の点とし
て説明される。ＦＰＭが「２ストローク」燃焼サイクルを作動させるＦＰＬＧの一部を形成する本発明の１つの実施形態では、連続ストロークは、燃焼サイクルの動力／排気ストロークおよび導入／圧縮ストロークに対応する。この例では、２つの連続するストロークが完全な燃焼サイクルを形成し、ＦＰＬＧの性能は、複数の連続する燃焼サイクルの集約された性能となる。
て説明される。ＦＰＭが「２ストローク」燃焼サイクルを作動させるＦＰＬＧの一部を形成する本発明の１つの実施形態では、連続ストロークは、燃焼サイクルの動力／排気ストロークおよび導入／圧縮ストロークに対応する。この例では、２つの連続するストロークが完全な燃焼サイクルを形成し、ＦＰＬＧの性能は、複数の連続する燃焼サイクルの集約された性能となる。
【0028】
ＬＰＳの一部を形成するＦＰＭのいくつかの利点は、ＬＰＳ内のリニア熱流体システム（ＬＴＦＳ）の向上した性能を基に、ＬＰＳ内のリニア電気機械システムによって適用される向上した動作制御の結果として実現される。例えば、フリーピストンリニアジェネレータ（ＦＰＬＧ）の場合、以下の利点が挙げられる。
・高効率、低排出燃焼。燃焼開発者に周知の先進的なクラスの燃焼方法として、低温燃焼（Low Temperature Combustion；ＬＴＣ）が知られており、その一例が、ホモジニアス電荷圧縮（Homogeneous Charge Compression Ignition；ＨＣＣＩ）およびスパークアシス
ト圧縮（Spark Assisted Compression Ignition；ＳＡＣＩ）である。このクラスの燃焼
方法は、燃焼速度、高い圧縮比、および低いピーク温度を基にした効率的で低排出燃焼の可能性を提供する。いずれの場合においても、燃焼プロセスは、燃焼室内で高い圧縮比で圧縮された希薄混合気燃焼によって実質的にあるいは完全に実現される。
・高効率、低排出燃焼。燃焼開発者に周知の先進的なクラスの燃焼方法として、低温燃焼（Low Temperature Combustion；ＬＴＣ）が知られており、その一例が、ホモジニアス電荷圧縮（Homogeneous Charge Compression Ignition；ＨＣＣＩ）およびスパークアシス
ト圧縮（Spark Assisted Compression Ignition；ＳＡＣＩ）である。このクラスの燃焼
方法は、燃焼速度、高い圧縮比、および低いピーク温度を基にした効率的で低排出燃焼の可能性を提供する。いずれの場合においても、燃焼プロセスは、燃焼室内で高い圧縮比で圧縮された希薄混合気燃焼によって実質的にあるいは完全に実現される。
【0029】
圧縮比はデトネーションを達成するのに十分であるが過度な比率とならないようにし、さもなければガス圧縮によるピークチャンバ温度が上昇して、上昇した温度と圧力での給気において窒素と酸素の望ましくない反応が原因で、有害な排気ガスが放出される可能性がある。デトネーションをうまく達成するために必要な圧縮比は、壁温度、充填空気温度、筒内充填動作、燃料／空気当量比、燃料／空気混合、および以前のサイクルからチャンバ内に残留する燃焼残留排気ガスおよび未燃残残留排気ガスの割合を含む、燃焼室内の条件に依存する。これらの条件は、サイクルごとに異なる。各燃焼事象の結果は、例えば、燃焼室内の圧力上昇のタイミングおよび大きさならびに排気中の条件によって測定され、圧縮比、より広範には、その燃焼サイクルの圧縮および膨張ストローク中のピストン動作プロファイルが最適であったかどうかの指標を提供する。
【0030】
したがって、効率的で低排出ＬＴＣのためのピストン動作プロファイルは、好ましくは、本サイクルの直前の燃焼イベントの測定結果または分析的な推論結果に応じてストロークごとに適合されるべきである。
【0031】
ＦＰＬＧでは、ＦＰＭの動きをストロークごとに制御することができ、圧縮比ならびに圧縮および膨張プロファイルのリアルタイム制御および調整の可能性を提供する。このようにして、ＦＰＬＧは、前のサイクル内の対応する燃焼ストロークの燃焼結果に応じて各サイクルにおけるＦＰＭ動作を適応させることによってＬＴＣを達成する手段を提供する。ＦＰＭの動作制御は、数秒、数分、数時間、またはより長い期間にわたって性能に影響を及ぼす変動を補償するために、圧縮比ならびに圧縮および膨張プロファイルの適応を可
能にする。これらは、過渡プロセス、ならびに暖機、経時的な摩耗、および燃料品質の変動などの現象から生じ得る。
能にする。これらは、過渡プロセス、ならびに暖機、経時的な摩耗、および燃料品質の変動などの現象から生じ得る。
【0032】
・燃料の柔軟性。従来のディーゼル燃料および石油燃料に加えて、環境的または経済的な利点から、広範囲の代替内燃機関燃料が普及している。これらは、圧縮天然ガス（Compressed Natural Gas；ＣＮＧ）、液体天然ガス（Liquid Natural Gas；ＬＮＧ）、液体石油ガス（Liquid Petroleum Gas；ＬＰＧ）、ロウウェルヘッドガス（Raw Well-Head Gas
）、バイオエタノール、バイオディーゼル、メタノール、バイオガス、シンガスおよび水素を含む。これら種々の新しい燃料は、各燃料が最適な燃焼のために異なる圧縮比を必要とすることがあるので、エンジン開発者にとっての課題となる。加えて、これらのいくつかの燃料は、製造方法（例えば、バイオガス、シンガス、ＲＷＧ）や、または異なる燃料ブレンドが組み合わされるときに内燃機関を供給する燃料タンク内で生じる混合（例えば、バイオエタノール）が原因で、本質的に変質しやすい。
）、バイオエタノール、バイオディーゼル、メタノール、バイオガス、シンガスおよび水素を含む。これら種々の新しい燃料は、各燃料が最適な燃焼のために異なる圧縮比を必要とすることがあるので、エンジン開発者にとっての課題となる。加えて、これらのいくつかの燃料は、製造方法（例えば、バイオガス、シンガス、ＲＷＧ）や、または異なる燃料ブレンドが組み合わされるときに内燃機関を供給する燃料タンク内で生じる混合（例えば、バイオエタノール）が原因で、本質的に変質しやすい。
【0033】
ＦＰＬＧにおいて、圧縮比ならびに圧縮および膨張プロファイルのリアルタイム制御および調整の可能性は、ＦＰＬＧが最適燃焼のための圧縮比を達成することを可能にし、燃料組成の変動を補償する。さらに、ＦＰＬＧに対する初期または既定の較正圧縮比（calibration compression ratio）の目標は、制御ソフトウェアによって構成され得る。共通
のＦＰＬＧ設計は、最小の物理的変化を伴う種々の燃料タイプのために構成され得るので、このソフトウェア構成の可能性は、ＦＰＬＧ生産者に大きな経済的利点をもたらす。
のＦＰＬＧ設計は、最小の物理的変化を伴う種々の燃料タイプのために構成され得るので、このソフトウェア構成の可能性は、ＦＰＬＧ生産者に大きな経済的利点をもたらす。
【0034】
・低振動。対向するピストンＦＰＬＧにおいて、周期的な燃焼負荷によって生成されるねじり振動励起の除去は、ＦＰＬＧマウントを介して周囲構造または環境内に伝達される非常に低い振動励起負荷をもたらし得る。
【0035】
・高速の需要応答。電力は、始動モータを使用する複数のサイクルの間、エンジンをクランクする必要なく、動作の最初の２または３ストローク以内にＦＰＬＧから生成することができる。これらの初期ストロークの間に低い壁温度による燃焼室ガスに対する冷却効果は、従来の内燃機関内で失火または不完全燃焼となる可能性があるが、最初の数サイクルまたはストロークの間、より高い圧縮比を使用することによって、ＦＰＬＧ用に補償することができる。
【0036】
同様の利点は、ＬＰＳ内のリニア熱流体システム（ＬＴＦＳ）の強化された性能に基づいて他のタイプのＬＰＳにおいても得られ、ＬＰＳ内のリニア電気機械システムに適用可能な強化された動作制御の結果として可能になる。例えば、リニアモータ往復圧縮器（ＬＭＲＣ）の場合、ガスコンプレッサの全体的な効率は、入口ポートおよび出口ポートにおける流れ損失に対するガス流速の影響によるＦＰＭの動作に依存する。流れ損失を最小にするにはＦＰＭを正確に制御することが望ましく、理想的なＦＰＭ動作プロファイルを変化される熱過渡および他の動作変数や環境変数の可能性を低減または制限するためにはこの制御が望ましい。
【0037】
上記の利点は、主に、各ストローク内のＦＰＭ動作プロファイルの正確かつリアルタイムの制御に一般に必要とされる一連のステップが複雑であるため、既知の制御方法では完全に実現することはできない。これらのストローク内制御ステップは、典型的には以下を含む。
１．実際のＦＰＭ動作を示す動的変数の測定
２．測定変数のデジタル値への変換
３．デジタル値のダイナミックコントローラへの送信
４．測定されたＦＰＭの位置または時間に基づく目標制御変数の算出
５．目標制御変数の誤差項の算出
６．目標の応答（例えば、ＬＥＭＳによってＦＰＭに加えられる目標電磁力）の算出
７．ＬＥＭＳによってＦＰＭに加えられる目標電磁力を達成するための、ＬＥＭＳ内のコイル当たりの目標電流の算出
８．ＬＥＭＳ内のコイル当たりの実際の電流の測定
９．ＬＥＭＳのコイル当たりの電流誤差項の算出
１０．各コイルゲートドライバで実行されるスイッチング応答の算出
１１．ＬＥＭＳおよびパワーエレクトロニクスの電流制限を観察し、各コイルゲートドライバでのスイッチング応答の実行
１．実際のＦＰＭ動作を示す動的変数の測定
２．測定変数のデジタル値への変換
３．デジタル値のダイナミックコントローラへの送信
４．測定されたＦＰＭの位置または時間に基づく目標制御変数の算出
５．目標制御変数の誤差項の算出
６．目標の応答（例えば、ＬＥＭＳによってＦＰＭに加えられる目標電磁力）の算出
７．ＬＥＭＳによってＦＰＭに加えられる目標電磁力を達成するための、ＬＥＭＳ内のコイル当たりの目標電流の算出
８．ＬＥＭＳ内のコイル当たりの実際の電流の測定
９．ＬＥＭＳのコイル当たりの電流誤差項の算出
１０．各コイルゲートドライバで実行されるスイッチング応答の算出
１１．ＬＥＭＳおよびパワーエレクトロニクスの電流制限を観察し、各コイルゲートドライバでのスイッチング応答の実行
【0038】
これらのステップは、典型的には、ＬＴＦＳおよび／または完全なＬＰＳの最適な動作のために目標制御変数の誤差項を十分に低減するために、各ストロークの過程で順次または独立して複数回繰り返すことができる。
【0039】
多くの従来技術のシステムおよび方法では、ＦＰＭのストローク内制御を実行するために存在する。例えば、欧州特許公報ＥＰ１７４０８０４には、以下のステップを含むＦＰＭのストローク内制御のための制御方法が開示されている。
１）ストローク中にＦＰＭに作用する力を予測すること。
２）ＦＰＭがストロークに沿ったある位置で所望の状態に到達するのに必要な電磁力を推定すること。
１）ストローク中にＦＰＭに作用する力を予測すること。
２）ＦＰＭがストロークに沿ったある位置で所望の状態に到達するのに必要な電磁力を推定すること。
【0040】
このような従来技術のシステムには、以下の２つの欠点がある。
【0041】
第１に、それらは、電流需要制御マージン（Current Demand Control Margin）を含む
過去のシステム性能を考慮して、有効な制御に必要な電流需要制御マージンを維持するために、フューチャ（将来の）ストロークの制御を適切に調整することができない。結果として、このような制御システムは、飽和する傾向がある、すなわち、要求された電流が、電流を供給するＬＥＭＳおよび／またはパワーエレクトロニクス回路および装置の容量を超え、結果として、ストローク内コントローラによって生成される電流需要がさらに変化しても、ＬＥＭＳ内のコイルに流れる電流を適応的に変化させることができない。
過去のシステム性能を考慮して、有効な制御に必要な電流需要制御マージンを維持するために、フューチャ（将来の）ストロークの制御を適切に調整することができない。結果として、このような制御システムは、飽和する傾向がある、すなわち、要求された電流が、電流を供給するＬＥＭＳおよび／またはパワーエレクトロニクス回路および装置の容量を超え、結果として、ストローク内コントローラによって生成される電流需要がさらに変化しても、ＬＥＭＳ内のコイルに流れる電流を適応的に変化させることができない。
【0042】
第２に、それらは、複数の連続ストロークにわたるシステム変化および傾向を適切に予測および補償することができず、複数のストロークにわたる最適なシステム性能を達成または維持することができない。
【0043】
欧州特許公報ＥＰ１７４０８０４のような多くの従来技術では、所定のストロークの間にＦＰＭの性能に関する測定を実行するかまたはデータを取得し、測定が実行される同じストローク内でＦＰＭの動作を調整することで、ＦＰＭのストローク内制御に焦点を当てた制御システムが提案されている。したがって、欧州特許公報ＥＰ１７４０８０４に開示されるような方法は、現在のストロークの後にシステムの動作および性能最適化に関係する、すなわち、現在のストロークに沿った特定の位置で所望の基準条件または状態に到達するために、効果が限定的な電磁力を印加することでＦＰＭの移動質量の軌道を変化させることを目的としており、完全なストロークコントローラとしては動作しない。
【0044】
したがって、フリーピストンムーバのフューチャ（将来の）ストロークに対する制御パラメータの適切なセットを決定することにより、電流需要制御マージンを維持し、経時的にシステム変化を補償する、上記の２つの欠点を克服する改善された方法が求められている。
【0045】
本発明の説明のために、以下の追加の専門用語定義を用いる。
【0046】
フリーピストンムーバ制御システム（Free Piston Mover Control System）：１つまたは複数のフリーピストンムーバが組み込まれたＬＰＳのための制御システム。フリーピストンムーバ制御システムは、１つまたは複数のフューチャストロークコントローラ（Future Stroke Controller）および１つまたは複数のインストロークコントローラ（In-Stroke Controller）を含み、以下も組み込むことができる。
同期コントローラ
ロギング、分析および診断コントローラ
各ＦＰＭ用の電流コントローラ
同期コントローラ
ロギング、分析および診断コントローラ
各ＦＰＭ用の電流コントローラ
【0047】
フューチャストロークコントローラ（Future-Stroke Controller）：その目的は、外部の需要入力（例えば、ハイブリッド車両のパワートレイン制御ユニットなどの自動化されたコントローラによって、またはＬＰＳのユーザによって生成される電力出力に対する需要）を満たし、次の制御パラメータセット（Control Parameter Set；ＣＯＰＳ’）を生
成し、これをインストロークコントローラに発行することによって、ＬＰＳの最適なシステム性能に寄与することである。２つ以上のＦＰＭが組み込まれたＬＰＳの場合、最適なシステム性能には、同期誤差の最小化が必要となる場合がある。最適なシステム性能はまた、予想される将来の需要入力（例えば、ＬＥＭＳおよび／またはＬＴＦＳ内の表面および材料の温度、ならびに燃料供給、充填空気および軸受サブシステムの動作に使用されるガスリザーバの圧力）の準備時にシステム状態の維持が必要となる場合がある。
成し、これをインストロークコントローラに発行することによって、ＬＰＳの最適なシステム性能に寄与することである。２つ以上のＦＰＭが組み込まれたＬＰＳの場合、最適なシステム性能には、同期誤差の最小化が必要となる場合がある。最適なシステム性能はまた、予想される将来の需要入力（例えば、ＬＥＭＳおよび／またはＬＴＦＳ内の表面および材料の温度、ならびに燃料供給、充填空気および軸受サブシステムの動作に使用されるガスリザーバの圧力）の準備時にシステム状態の維持が必要となる場合がある。
【0048】
フューチャストロークコントローラは、次の制御変数目標関数ＣＶｔ（ＢＶ）’、次のストローク閾値関数ＳＴ（ＢＶ，ＣＶ）’のうちの１つ以上を生成するために、遅延入力、同期コントローラ、およびロギング、分析および診断コントローラのうちの１つ以上から入力を取得する制御目標関数ジェネレータ（Control Target Function Generator）を
含む。そして、遷移条件（Transition Condition；ＣＴＣ’）のセットが、インストロークコントローラによる次の制御パラメータセットの使用期間を決定する。制御目標関数ジェネレータはまた、フィードフォワード電流関数ジェネレータによって適用される前に、次の制御変数目標関数ＣＶｔ（ＢＶ）’によって説明される動的動作プロファイルを達成するために必要とされる予想電流値に対応する「ベースライン」の次のフィードフォワード電流関数（「ＱＦＦ０（ＢＶ，ＣＶ）’」と称する）を生成してもよい。
含む。そして、遷移条件（Transition Condition；ＣＴＣ’）のセットが、インストロークコントローラによる次の制御パラメータセットの使用期間を決定する。制御目標関数ジェネレータはまた、フィードフォワード電流関数ジェネレータによって適用される前に、次の制御変数目標関数ＣＶｔ（ＢＶ）’によって説明される動的動作プロファイルを達成するために必要とされる予想電流値に対応する「ベースライン」の次のフィードフォワード電流関数（「ＱＦＦ０（ＢＶ，ＣＶ）’」と称する）を生成してもよい。
【0049】
また、フューチャストロークコントローラは、複数のストロークの過程にわたるインストロークコントローラの動作に応答して修正された、次のフィードフォワード電流関数ＱＦＦ（ＢＶ，ＣＶ）’を生成するためにインストロークコントローラ内のＣＶフィードバックコントローラからの入力を取り得る、フィードフォワード電流関数ジェネレータを有してもよい。
【0050】
また、フューチャストロークコントローラは、適応された次のフィードバック項関数ＦＢＴ（ＢＶ，ＣＶ）’を生成するフューチャストロークコントローラ内のフィードフォワード電流関数ジェネレータからの入力を取り得るフィードバック項関数ジェネレータを有してもよく、これにより、複数のストロークの過程にわたる次のフィードフォワード電流関数ＱＦＦ（ＢＶ，ＣＶ）’の変化を考慮することができる。
【0051】
フューチャストロークコントローラは、平均値モデル（Mean Value Model）ベースの手法によって制御パラメータセットの１つまたは複数の構成要素を生成することができる。ＭＶＭベースのアプローチは、典型的には、各離散ストローク内の変動を無視し、１つまたは複数のストロークにわたる平均値に基づいてすべてのプロセスおよび効果を取り扱う。
【0052】
フューチャストロークコントローラは、ロギング、分析および診断コントローラによっ
て提供されるマルチストロークの履歴および傾向分析データを参照して、次の制御パラメータセットの１つまたは複数の構成要素を生成することもできる。
て提供されるマルチストロークの履歴および傾向分析データを参照して、次の制御パラメータセットの１つまたは複数の構成要素を生成することもできる。
【0053】
フューチャストロークコントローラのインストロークコントローラとの重要な相違点は、フューチャストロークコントローラの次の制御パラメータセット（ＣＯＰＳ’）出力は、ストロークごとに生成してストロークコントローラに送信する必要がない一方で、インストロークコントローラの電流需要出力は典型的にはストロークごとに数回更新されることである。したがって、フューチャストロークコントローラは、インストロークコントローラと比較してより低い計算ループレートで動作するマルチレートコントローラとして機能し得る。したがって、インストロークコントローラとフューチャストロークコントローラの機能を分割することにより、これらのコントローラごとに別個の、区別された、専門的な方法およびプロセッサアーキテクチャを適用することができ、これにより、フューチャストロークコントローラの機能がインストロークコントローラの機能を実行するように設計されたプロセッサアーキテクチャによって実行された場合に可能になるよりも、より最適化された次の制御パラメータセットを提供できる。例えば、次の制御パラメータセットの生成および調整に対する平均値モデルベースのアプローチが複雑になると、これをインストロークコントローラに適用できなくなるため、フューチャストロークコントローラなどのより高度な制御および監視システムに好適である。
【0054】
また、インストロークコントローラでは、機能が１つまたは複数の単純な計算ステップおよびフィードバック制御ループの迅速な繰り返しに対する制限を課すことがあり、通常、ストロークあたり２回以上の動作中断が発生しないが、この機能分離により、インストロークコントローラの性能を強化できる。
【0055】
需要入力：例えば、電力出力、動作周波数、動作ストローク長、圧縮比、圧縮率、作業流体流量、またはそれらの組み合わせなど、ＬＰＳからの必要な出力を指定するＦＰＭコントローラへの高度なまたは監視の入力は、１つまたは複数のＦＰＭの動作の制御を介して達成される。
【0056】
需要入力は、ＬＰＳのエンドユーザによって、または例えばエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）もしくはハイブリッド車両のパワートレイン制御ユニット（ＰＣＵ）などの別の自動化されたコントローラによって生成され得る。
【0057】
需要入力は、ＬＰＳの１つまたは複数の所定の動作点に対応する出力を生成するために、追加のストロークコントローラに対する要件を示す１つまたは複数の信号を含む。さらに、需要入力は、予想される将来の需要入力の準備ができている状態でシステム状態を維持するために、追加のストロークコントローラがＬＥＭＳを操作することを可能にする１つまたは複数の信号を含む。
【0058】
共通の需要入力信号は、各々が共通のリニア電力システム内のフリーピストンムーバを制御する複数のリニア電力コントローラに提供されてもよく、その結果、これらの連続電力コントローラは、共にリニア電力システムの「分配制御ユニット」として機能する。
【0059】
インストロークコントローラ（「プレゼントストロークコントローラ（Present Stroke
Controller）」とも称する）：その目的は、電流コントローラに入力される電流需要出
力を生成することによって、現在のストローク内の１つまたは複数の制御変数誤差を最小化することである。電流需要出力は、コイル内の電流を変調するために使用され得る任意の信号、すなわち、電圧信号、電流信号、または当業者に公知の任意の他の適切な電気信号を意味する。
Controller）」とも称する）：その目的は、電流コントローラに入力される電流需要出
力を生成することによって、現在のストローク内の１つまたは複数の制御変数誤差を最小化することである。電流需要出力は、コイル内の電流を変調するために使用され得る任意の信号、すなわち、電圧信号、電流信号、または当業者に公知の任意の他の適切な電気信号を意味する。
【0060】
ストロークイベントの終了後に、インストロークコントローラは、現在使用されている制御パラメータセットの構成要素を次の制御パラメータセットの対応する構成要素に置き換えることができる。この置換は、各ストローク終了イベント後のストロークの間に行われてもよい。あるいは、この置換は、制御パラメータ遷移条件（Control Parameter Transition Condition）のセットにおいて指定された基準を満たした後に、２つ以上のストロークの後に実行されてもよい。
【0061】
インストロークコントローラは、権限縮小コントローラ（Reduced Authority Controller）または低権限コントローラ（Low Authority Controller：ＬＡＣ）として動作してもよい。
【0062】
ＣＶフィードバックコントローラ（CV Feedback Controller）：制御変数エラーに基づいて電流遅延Ｑｔの成分を算出するインストロークコントローラ内の閉ループフィードバックコントローラ。フィードバックコントローラは、「比例－積分－微分（「ＰＩＤ」コントローラとも称する）、または状態空間モデルベースのコントローラなどのいくつかのタイプの多入力多出力（ＭＩＭＯ）コントローラのうちの１つである。
【0063】
電流コントローラ（Current Controller）：その目的は、ＬＰＳ内のＬＥＭの１つまたは複数の電気コイルを流れる測定電流値（「Ｑｍ」と称する）と、電流コントローラ内の電流フィードバックコントローラによってインストロークコントローラから入力される電流受領Ｑｔとの差を最小化することである。
【0064】
電流フィードバックコントローラは、ゲートスイッチングコマンド信号をゲートコントローラに送信し、次にゲートコントローラは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor；ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、トラ
イアック（Triode for Alternating Current；ＴＲＩＡＣ）、ソリッドステートリレー（Solid State Relay；ＳＳＲ）、または他のタイプの電力リレーなどの少なくとも１つの
回路スイッチング素子を含む電流スイッチング装置に電圧を印加する。電流スイッチング装置の動作は、ＬＰＳ内のＬＥＭの少なくとも１つの電気コイル内で電流を流すかまたは変化させる。
イアック（Triode for Alternating Current；ＴＲＩＡＣ）、ソリッドステートリレー（Solid State Relay；ＳＳＲ）、または他のタイプの電力リレーなどの少なくとも１つの
回路スイッチング素子を含む電流スイッチング装置に電圧を印加する。電流スイッチング装置の動作は、ＬＰＳ内のＬＥＭの少なくとも１つの電気コイル内で電流を流すかまたは変化させる。
【0065】
電流コントローラは、個々のコイル内に流れる電流が他のコイルから独立するように個々のコイル内に流れる電流を制御してもよい。この場合、電流需要Ｑｔ入力（すなわち、インストロークコントローラからの出力）は、独立した電流需要値のセット、すなわち、電流値のセット、電圧値のセット、または任意の他の適切な値のセットに対応し、それぞれが個々のコイルにおける必要な電流に対応する。
【0066】
電流コントローラは、直列に接続されたコイルの各グループ（各グループが「相」）内の電流が他のものから独立しており、ＬＥＭが「Ｎ相」（Ｎは整数）機械として動作し、コイルのグループ内を流れる電流を制御することができる。Ｎが１、２、３および６であるＮ相機械は、この分野の当業者に周知である。この場合、電流需要Ｑｔ入力（すなわち、インストロークコントローラからの出力）は、独立した電流需要値のセット、すなわち、直列に接続されたコイルの各グループにおける必要な電流に対応する、目標電流を算出することができる値または値のセットに対応する。
【0067】
代わりに、相ごとの電流需要は、ステージ内のトランスレータの測定された位置を参照することによって、総需要電流Ｑｔまたは「Ｑ電流需要」から決定されてもよい。このように多相電気機械における相電流需要への「Ｑ電流需要」のマッピングは、転流として知られており、この分野の当業者に周知である。
【0068】
電流需要は、コイルまたはコイルのセットにおける目標電流を計算することができる値または値のセットとすることができる。例えば、Ｎ相機械の場合、電流需要はＱ電流需要に対応し、固定子に対する並進器位置を参照することによって、相当たりの個々の電流需要を計算することができる。したがって、独立して制御されたコイルを有する機械の場合、（たとえば、必要な力出力に関連する）総電流需要を生成することができ、固定子に対する並進器位置を参照して、コイル当たりの個々の電流需要を算出することができる。
【0069】
同期コントローラ（Synchronisation Controller）：その目的は、ＦＰＭの同期誤差を最小化することである。これは、例えば、いくつかの理由で望ましい場合がある。
・ＬＰＳを経由して周囲構造に伝えられる正味の周期的な力を低減し、それによってＬＰＳのノイズおよび振動を低減し、ＬＰＳの信頼性および動作寿命を向上させる。
・２つのＦＰＭが共通のＬＴＦＳ（例えば、対向するピストンＦＰＬＧ）を共有して、２つのＦＰＭの同期動作の結果として共通のＬＴＦＳ内の作業チャンバの同時かつ追加の容積変化を達成し、それによって制御された一貫した圧縮または膨張プロセスを達成する。
・ＬＰＳを経由して周囲構造に伝えられる正味の周期的な力を低減し、それによってＬＰＳのノイズおよび振動を低減し、ＬＰＳの信頼性および動作寿命を向上させる。
・２つのＦＰＭが共通のＬＴＦＳ（例えば、対向するピストンＦＰＬＧ）を共有して、２つのＦＰＭの同期動作の結果として共通のＬＴＦＳ内の作業チャンバの同時かつ追加の容積変化を達成し、それによって制御された一貫した圧縮または膨張プロセスを達成する。
【0070】
同期コントローラの機能は、フューチャストロークコントローラ内で、またはＦＰＭコントローラの一部を形成する別個のコントローラとして実行されてもよい。
【0071】
ロギング、分析および診断コントローラ（Logging, Analytics and Diagnostic Controller；「ＬＡＤコントローラ」とも称する)：その目的は、（ｉ）生データ、ならびにＬ
ＰＳまたは構成要素の最近の性能、現在の状態、および予想される残り動作寿命が推定され得る後処理データおよび分析を提供すること、ならびに（ｉｉ）警告および故障状況を識別し、制御目標関数ジェネレータの入力、ＣＯＰＳ繊維条件のトリガ、ストローク終了イベントのトリガ、システムシャッドダウンコマンドなどの制御出力を生成することによって、損害およびシステム障害のリスクを低減することを含むコントローラ。
ＰＳまたは構成要素の最近の性能、現在の状態、および予想される残り動作寿命が推定され得る後処理データおよび分析を提供すること、ならびに（ｉｉ）警告および故障状況を識別し、制御目標関数ジェネレータの入力、ＣＯＰＳ繊維条件のトリガ、ストローク終了イベントのトリガ、システムシャッドダウンコマンドなどの制御出力を生成することによって、損害およびシステム障害のリスクを低減することを含むコントローラ。
【0072】
ＬＡＤコントローラは、フューチャストロークコントローラからのＣＯＰＳデータ、測定された制御変数、測定されたベース変数、および他のセンサ出力を含む生データの複数のチャネルを記録することができる。ＬＡＤコントローラは、外部ソース、例えば、環境データ、ローカルデータ、および車両間データからのデータを記録および処理することができる。
【0073】
後処理および分析方法は、履歴データの傾向分析、閾値分析、ヒストグラム分析、統計プロセス制御、ならびに人工知能の新分野において一般に適用される高度なパターン識別および認識分析技術を含む。そのような傾向およびパターン分析は、熱過渡現象、摩耗、腐食、堆積、疲労、材料脆化、燃料変動、およびシステムの外部の動的環境要因などの要因による、複数のストロークにわたる性能の変化を示す。
【0074】
ＬＡＤコントローラは、生データ、後処理済みデータ、および／または分析結果（「ＬＡＤ」とも称する）をフューチャストロークコントローラおよび／またはインストロークコントローラに、ローカルもしくはリモートの記憶もしくは決定機能に提供し、これらの機能に基づいて、システム障害警告、システムステータス警告、または他のシステム更新を記録または送信することもできる。
【0075】
制御パラメータセット（Control Parameter Set；「ＣＯＰＳ」とも称する）：ＣＶｔ
（ＢＶ）と、ＳＴ（ＢＶ，ＣＶ）、ＱＦＦ（ＢＶ，ＣＶ）、ＦＢＴ（ＢＶ，ＣＶ）およびＣＴＣのうちの１つまたは複数とを含む、インストロークコントローラによって使用される制御関数および／または制御パラメータのセット。
（ＢＶ）と、ＳＴ（ＢＶ，ＣＶ）、ＱＦＦ（ＢＶ，ＣＶ）、ＦＢＴ（ＢＶ，ＣＶ）およびＣＴＣのうちの１つまたは複数とを含む、インストロークコントローラによって使用される制御関数および／または制御パラメータのセット。
【0076】
次の制御パラメータセット（「ＣＯＰＳ’」とも称する）：ＣＯＰＳ遷移条件が満たされた場合に、インストロークコントローラによって使用される関数のセット。ＣＶｔ（ＢＶ）’と、ＳＴ（ＢＶ，ＣＶ）’、ＱＦＦ（ＢＶ，ＣＶ）’、ＦＢＴ（ＢＶ，ＣＶ）’およびＣＴＣ’のうちの１つまたは複数とを含む。
【0077】
ＣＯＰＳ遷移条件（COPS Transition Condition；「ＣＴＣ」とも称する）：ＣＯＰＳ
をＣＯＰＳ’にいつ置換するかを決定するためのインストロークコントローラによって適用される論理条件のセット。これらは、例えば、（ｉ）ＣＯＰＳが使用されたストロークの累積数、（ｉｉ）ベース変数の定義された制限値、（ｉｉｉ）制御変数または制御変数誤差の定義された制限値、（ｉｖ）定義された最大累積持続時間、（ｖ）システム温度、同期誤差、またはＬＡＤコントローラ、同期コントローラからの他の入力を含むシステム性能の他の尺度を含む。フューチャストロークコントローラ、インストロークコントローラ、電流コントローラ、またはセンサ。
をＣＯＰＳ’にいつ置換するかを決定するためのインストロークコントローラによって適用される論理条件のセット。これらは、例えば、（ｉ）ＣＯＰＳが使用されたストロークの累積数、（ｉｉ）ベース変数の定義された制限値、（ｉｉｉ）制御変数または制御変数誤差の定義された制限値、（ｉｖ）定義された最大累積持続時間、（ｖ）システム温度、同期誤差、またはＬＡＤコントローラ、同期コントローラからの他の入力を含むシステム性能の他の尺度を含む。フューチャストロークコントローラ、インストロークコントローラ、電流コントローラ、またはセンサ。
【0078】
ベース変数（Base Variable；「ＢＶ」とも称する）：変数、典型的にはＦＰＭの位置
または経過時間は、典型的には、本ストローク内の任意の時点に測定可能または算出可能である。
または経過時間は、典型的には、本ストローク内の任意の時点に測定可能または算出可能である。
【0079】
測定ベース変数（Measured Base Variable；「ＢＶｍ」とも称する）：１つ以上のセンサから導出されるベース変数の測定値。
【0080】
制御変数（Control Variable；「ＣＶ」とも称する）：ＦＰＭ動作、ＬＰＳ性能（例えば、ＦＰＭ位置、ＦＰＭ速度、ＦＰＭ加速、作業チャンバ圧力、作業チャンバ入口／排出流量、または作業流体温度）またはＬＰＳ状態（例えば、ＦＰＭ動作エネルギーと、所与の時点におけるＬＥＭＳおよびＬＴＦＳに蓄積される他の形態のエネルギーとを含む総システムエネルギー）を示す測定可能または算出可能な変数は、ＬＥＭに印加される電流によって影響を受ける可能性があり、典型的には、現在のストローク内の任意の時点に測定可能である。
【0081】
目標制御変数（Target Control Variable；「ＣＶｔ」とも称する）：その値がその時
点におけるベース変数の関数であるストローク内の任意の時点における制御変数の目標値。目標制御変数は、典型的には、インストロークコントローラの設定値または需要入力である。
点におけるベース変数の関数であるストローク内の任意の時点における制御変数の目標値。目標制御変数は、典型的には、インストロークコントローラの設定値または需要入力である。
【0082】
測定制御変数（Measured Control Variable；「ＣＶｍ」とも称する）：１つ以上のセ
ンサから導出される制御変数の測定値。
ンサから導出される制御変数の測定値。
【0083】
目標制御変数関数（Target Control Variable Function；「ＣＶｔ（ＢＶ）」とも称する）：少なくとも１つの目標制御変数が、少なくとも１つの測定ベース変数を参照して任意の時点に決定されることを可能にする決定論的関数。ＣＶｔ（ＢＶ）関数は、いくつかの形態で、例えば、（ｉ）測定ベース変数を参照して目標制御変数を決定するための、ＢＶ値および対応するＣＶ値の表セット、（ｉｉ）数式またはアルゴリズム、（ｉｉｉ）ＬＰＳのシミュレーションモデル、を参照して検索される。各場合において、関数は、少なくとも１つの測定ベース変数の少なくとも１つの目標制御変数の論理的かつ決定論的なマッピングを、現在のストロークの間に提供する。
【0084】
制御変数誤差（Control Variable Error；「ＣＶｅ」とも称する）：本発明のストローク内の任意の時点における制御変数（すなわち、［ＣＶｍ－ＣＶｔ］または［ＣＶｔ－ＣＶｍ］）の目標値と測定値との差。
【0085】
ストローク開始（Start of Stroke；「ＳＯＳ」とも称する）：前のストロークのスト
ローク終了イベントに対応するイベント。
ローク終了イベントに対応するイベント。
【0086】
ストローク終了（End of Stroke；「ＥＯＳ」とも称する）：ストローク遷移閾値条件
またはストローク遷移トリガ条件のいずれかが満たされるときに満たされるイベント。
またはストローク遷移トリガ条件のいずれかが満たされるときに満たされるイベント。
【0087】
ストローク遷移閾値条件（Stroke Transition Threshold Condition）：測定されたベ
ース変数がストローク遷移閾値に等しいとき、または測定された制御変数がストローク遷移閾値に等しいときの条件。
ース変数がストローク遷移閾値に等しいとき、または測定された制御変数がストローク遷移閾値に等しいときの条件。
【0088】
ストローク遷移処理条件（Stroke Transition Trigger Condition）：例えば、同期コ
ントローラからの同期トリガ（「ＳＴＲ」とも称する）またはＬＡＤコントローラからの診断トリガ（「ＤＴＲ」とも称する）のような、インストロークコントローラの外部のトリガ信号またはイベントによってストローク遷移が引き起こされる代替ストローク遷移条件。
ントローラからの同期トリガ（「ＳＴＲ」とも称する）またはＬＡＤコントローラからの診断トリガ（「ＤＴＲ」とも称する）のような、インストロークコントローラの外部のトリガ信号またはイベントによってストローク遷移が引き起こされる代替ストローク遷移条件。
【0089】
ストローク遷移閾値（Stroke Transition Threshold Value；「ＳＴ」とも称する）：
ベース変数または制御変数の閾値は、ストロークイベントの終了を決定するために、ストロークコントローラ内のストローク遷移制御ステップによって使用される。
ベース変数または制御変数の閾値は、ストロークイベントの終了を決定するために、ストロークコントローラ内のストローク遷移制御ステップによって使用される。
【0090】
ストローク閾値関数（Stroke Threshold Function；「ＳＴ（ＢＶ，ＣＶ）」とも称す
る）：少なくとも１つの測定ベース変数および／または測定制御変数を参照して、任意の時点に少なくとも１つのストローク変換閾値を決定することを可能にする決定関数。ＳＴ（ＢＶ，ＣＶ）関数は、多数の形式、例えば、（ｉ）ＳＴ値および対応するＣＶ値および／またはＢＶ値の表セットとして表現され、ＳＴは、測定ベース変数および／または測定制御変数値、（ｉｉ）数式またはアルゴリズム、（ｉｉｉ）ＬＰＳのシミュレーションモデル、を参照して検索される。各場合において、関数は、現在のストロークの間に、少なくとも１つの測定ベース変数または測定制御変数の少なくとも１つのストローク変換閾値への論理的かつ確定的なマッピングを提供する。
る）：少なくとも１つの測定ベース変数および／または測定制御変数を参照して、任意の時点に少なくとも１つのストローク変換閾値を決定することを可能にする決定関数。ＳＴ（ＢＶ，ＣＶ）関数は、多数の形式、例えば、（ｉ）ＳＴ値および対応するＣＶ値および／またはＢＶ値の表セットとして表現され、ＳＴは、測定ベース変数および／または測定制御変数値、（ｉｉ）数式またはアルゴリズム、（ｉｉｉ）ＬＰＳのシミュレーションモデル、を参照して検索される。各場合において、関数は、現在のストロークの間に、少なくとも１つの測定ベース変数または測定制御変数の少なくとも１つのストローク変換閾値への論理的かつ確定的なマッピングを提供する。
【0091】
次の目標制御変数関数（Next Target Control Variable Function；「ＣＶｔ（ＢＶ）
’」とも称する）：フューチャストローク中にインストロークコントローラによって使用されると、フューチャストロークコントローラによって決定される目標制御変数関数。
’」とも称する）：フューチャストローク中にインストロークコントローラによって使用されると、フューチャストロークコントローラによって決定される目標制御変数関数。
【0092】
次のストローク閾値関数（Next Stroke Threshold Function；「ＳＴ（ＢＶ，ＣＶ）’」とも称する）：将来のストローク中にインストロークコントローラによって使用され、フューチャストロークコントローラによって決定される、ストローク閾値関数。
【0093】
フィードフォワード電流関数（Feed Forward Current Function；「ＱＦＦ（ＣＶ，Ｂ
Ｖ）’」とも称する）：少なくとも１つのフィードフォワード電流値が、少なくとも１つの測定ベース変数および／または測定制御変数を参照して任意の時点に決定されることを可能にする決定関数。ＱＦＦ（ＢＶ，ＣＶ）関数は、いくつかの形態では、例えば、（ｉ）ＱＦＦ値の表セットであり、測定基本変数および／または測定制御変数値を参照してＱＦＦ値を決定可能な対応するＣＶ値および／またはＢＶ値、（ｉｉ）数式またはアルゴリズム、（ｉｉｉ）ＬＰＳのシミュレーションモデル、として表現される。各場合において、関数は、現在のストローク中の少なくとも１つのフィードフォワード電流値への少なくとも１つの測定ベース変数または測定制御変数の論理的かつ決定論的なマッピングを提供する。
Ｖ）’」とも称する）：少なくとも１つのフィードフォワード電流値が、少なくとも１つの測定ベース変数および／または測定制御変数を参照して任意の時点に決定されることを可能にする決定関数。ＱＦＦ（ＢＶ，ＣＶ）関数は、いくつかの形態では、例えば、（ｉ）ＱＦＦ値の表セットであり、測定基本変数および／または測定制御変数値を参照してＱＦＦ値を決定可能な対応するＣＶ値および／またはＢＶ値、（ｉｉ）数式またはアルゴリズム、（ｉｉｉ）ＬＰＳのシミュレーションモデル、として表現される。各場合において、関数は、現在のストローク中の少なくとも１つのフィードフォワード電流値への少なくとも１つの測定ベース変数または測定制御変数の論理的かつ決定論的なマッピングを提供する。
【0094】
次のフィードフォワード電流関数（Next Feed Forward Current Function；「ＡＦＦ（
ＣＶ，ＢＶ）’」とも称する）：フューチャストロークコントローラによって決定され、フューチャストローク中にインストロークコントローラによって使用されるフィードフォワード項関数。
ＣＶ，ＢＶ）’」とも称する）：フューチャストロークコントローラによって決定され、フューチャストローク中にインストロークコントローラによって使用されるフィードフォワード項関数。
【0095】
フィードバック項関数（Feedback Terms Function；「ＦＢＴ（ＢＶ，ＣＶ）」とも称
する）：少なくとも１つのフィードバック項（例えば、ＰＩＤコントローラにおける比例ゲイン項、積分ゲイン項、または微分ゲイン項）が、少なくとも１つの測定ベース変数および／または測定制御変数を参照して任意の時点に決定されることを可能にする決定関数。ＦＢＴ（ＢＶ，ＣＶ）関数は、いくつかの形態で、例えば、（ｉ）フィードバック項値の表セットであり、測定ベース変数および／または測定制御変数値を参照してフィードバック項を決定可能な対応するＣＶ値および／またはＢＶ値、（ｉｉ）数式またはアルゴリズム、（ｉｉｉ）ＬＰＳのシミュレーションモデル、として表現される。各場合において、関数は、現在のストローク中の少なくとも１つのフィードバック項値への少なくとも１つの測定ベース変数または測定制御変数の論理的かつ決定的なマッピングを提供する。
する）：少なくとも１つのフィードバック項（例えば、ＰＩＤコントローラにおける比例ゲイン項、積分ゲイン項、または微分ゲイン項）が、少なくとも１つの測定ベース変数および／または測定制御変数を参照して任意の時点に決定されることを可能にする決定関数。ＦＢＴ（ＢＶ，ＣＶ）関数は、いくつかの形態で、例えば、（ｉ）フィードバック項値の表セットであり、測定ベース変数および／または測定制御変数値を参照してフィードバック項を決定可能な対応するＣＶ値および／またはＢＶ値、（ｉｉ）数式またはアルゴリズム、（ｉｉｉ）ＬＰＳのシミュレーションモデル、として表現される。各場合において、関数は、現在のストローク中の少なくとも１つのフィードバック項値への少なくとも１つの測定ベース変数または測定制御変数の論理的かつ決定的なマッピングを提供する。
【0096】
次のフィードバック項関数（Next Feedback Terms Function；「ＦＢＴ（ＢＶ，ＣＶ）’」と称する）：フューチャストローク中にインストロークコントローラによって使用され、フューチャストロークコントローラによって決定されるフィードバック項関数。
【0097】
電流需要（Current Demand；「Ｑｔ」とも称する）：電流コントローラに発行される目標電流需要出力は、典型的には、フィードバック電流需要ＱＦＢとフィードフォワード電流需要ＱＦＦの和または他の数学的組み合わせから構成される。目標電流需要出力とは、コイル内の電流を変調するために使用される任意の信号、すなわち、電圧信号、電流信号、または当業者に周知の任意の他の適切な電気信号を意味する。
【0098】
フィードバック電流需要（Feedback Current Demand；「ＱＦＢ」とも称する）：電流
需要Ｑｔの成分は、少なくとも１つのＣＶフィードバックコントローラの出力の総和または他の数学的組み合わせによって、インストロークコントローラ内で算出される。
需要Ｑｔの成分は、少なくとも１つのＣＶフィードバックコントローラの出力の総和または他の数学的組み合わせによって、インストロークコントローラ内で算出される。
【0099】
フィードフォワード電流需要（Feed Forward Current Demand；「ＱＦＦ」とも称する
）：Ｑｔの成分は、測定されたベース変数および／または測定された制御変数を参照して、フィードフォワード電流関数ＱＦＦ（ＢＶ，ＣＶ）を使用してインストロークコントローラ内で算出されるが、典型的には、制御変数誤差項を参照しない。
）：Ｑｔの成分は、測定されたベース変数および／または測定された制御変数を参照して、フィードフォワード電流関数ＱＦＦ（ＢＶ，ＣＶ）を使用してインストロークコントローラ内で算出されるが、典型的には、制御変数誤差項を参照しない。
【0100】
電流制限（Current Limit；「ＱＣＬ」とも称する）：瞬時ピークまたは平均ピークの
電流容量制限は、電流コントローラまたは電流スイッチング装置などの構成要素、またはＬＥＭ内のコイルに固有のものである。電流が正の方向に流れ、正の値で測定されるとき、対応する電流制限も正の値を有し、ポジティブ電流制限（Positive Current Limit；「ＱＣＬ＋」とも称する）と呼ばれる。電流が負方向に流れ、負の値で測定されるとき、対応する電流制限も負の値を有し、ネガティブ電流制限（Negative Current Limit；「ＱＣＬ－」とも称する）と呼ばれる。
電流容量制限は、電流コントローラまたは電流スイッチング装置などの構成要素、またはＬＥＭ内のコイルに固有のものである。電流が正の方向に流れ、正の値で測定されるとき、対応する電流制限も正の値を有し、ポジティブ電流制限（Positive Current Limit；「ＱＣＬ＋」とも称する）と呼ばれる。電流が負方向に流れ、負の値で測定されるとき、対応する電流制限も負の値を有し、ネガティブ電流制限（Negative Current Limit；「ＱＣＬ－」とも称する）と呼ばれる。
【0101】
電流需要制御マージン（Current Demand Control Margin；「ＱＣＭ」）電流制限と電
流制限との間の最小絶対差、すなわち、より小さな［ＱＶＬ＋－Ｑｔ］および［Ｑｔ－ＱＣＬ－］。電流需要制御波形がゼロ以下であるとき、電流コントローラは飽和していると呼ばれる。この条件において、電流スイッチング装置の回路保護機能は、ＬＥＭコイル電流をＱＣＬ＋またはＱＣＬ－に制限することができ、Ｑｔの小さな変化は、１つまたは複数のＬＥＭコイルに流れる電流にほとんどあるいは全く影響を及ぼさない。結果として、インストロークコントローラは、ＱＣＭがゼロを超えて上昇するまでＦＰＭに作用する力を変調することができない。したがって、正の電流需要制御波形を維持することは、ＦＰ
Ｍの各ストロークにわたって連続的にピストン動作の制御をインストロークコントローラが発揮できるように、フューチャストロークコントローラにとって重要な機能である。
流制限との間の最小絶対差、すなわち、より小さな［ＱＶＬ＋－Ｑｔ］および［Ｑｔ－ＱＣＬ－］。電流需要制御波形がゼロ以下であるとき、電流コントローラは飽和していると呼ばれる。この条件において、電流スイッチング装置の回路保護機能は、ＬＥＭコイル電流をＱＣＬ＋またはＱＣＬ－に制限することができ、Ｑｔの小さな変化は、１つまたは複数のＬＥＭコイルに流れる電流にほとんどあるいは全く影響を及ぼさない。結果として、インストロークコントローラは、ＱＣＭがゼロを超えて上昇するまでＦＰＭに作用する力を変調することができない。したがって、正の電流需要制御波形を維持することは、ＦＰ
Ｍの各ストロークにわたって連続的にピストン動作の制御をインストロークコントローラが発揮できるように、フューチャストロークコントローラにとって重要な機能である。
【0102】
リードＦＰＭ（Lead FPM）：バランスのとれたＦＰＭの組が組み込まれたＬＰＳでは、先頭のＦＰＭは、最初にそのストローク伝達閾値条件に達するＦＰＭである。理想的な完全平衡システムでは、ＬＰＳ内の各ＬＥＭＳおよび各ＬＴＦＳは、物理的に同一であり、各ＦＰＭは、同一のＣＯＰＳの適用を通じて同等のＦＰＭコントローラによって制御され、各ＦＰＭは、各ストローク遷移閾値条件を同時に到達する。理想的ではないシステムでは、ＬＥＭＳシステムおよびＬＴＦＳシステムの各対の間の小さな物理的差は、結果として、一方のＦＰＭが他方のＦＰＭよりも先にそのストローク伝達閾値条件に到達する結果として、各ＦＰＭに作用する異なる力をもたらす。例えば、２つの別個のＦＰＭに作用する２つの別個の燃焼室を有するＦＰＬＧシステムでは、各燃焼室における燃焼プロセスのタイミングおよび完全性の差異は、各ＦＰＭに作用する力が異なる可能性がある。
【0103】
ラギングＦＰＭ（Lagging FPM）：バランスのとれたＦＰＭの組が組み込まれたＬＰＳ
では、リードＦＰＭがそのストローク伝達閾値条件に達しても、ラギングＦＰＭはストローク伝達閾値条件に達しない。
では、リードＦＰＭがそのストローク伝達閾値条件に達しても、ラギングＦＰＭはストローク伝達閾値条件に達しない。
【0104】
ＦＰＭ同期誤差（FPM Synchronisation Error；「ＳＥ」、「ＳＥＣＶ」、「ＳＥＢＶ
」とも称する）（ｉ）リードＦＰＭの測定された制御変数と、バランスのとれたＦＰＭの組が組み込まれたＬＰＳにおけるラギングＦＰＭの対応する測定された制御変数との間の差であり、それぞれ、リードＦＰＭがＳＥＣＶと呼ばれるストローク終了イベントに到達した時点に測定される。または、（ｉｉ）リードＦＰＭの測定されたベース変数と、バランスのとれたＦＰＭの組が組み込まれたＬＰＳにおけるラギングＦＰＭの対応する測定されたベース変数との差であり、リードＦＰＭがＳＥＢＶと呼ばれるストローク終了に達する時点に測定される。
」とも称する）（ｉ）リードＦＰＭの測定された制御変数と、バランスのとれたＦＰＭの組が組み込まれたＬＰＳにおけるラギングＦＰＭの対応する測定された制御変数との間の差であり、それぞれ、リードＦＰＭがＳＥＣＶと呼ばれるストローク終了イベントに到達した時点に測定される。または、（ｉｉ）リードＦＰＭの測定されたベース変数と、バランスのとれたＦＰＭの組が組み込まれたＬＰＳにおけるラギングＦＰＭの対応する測定されたベース変数との差であり、リードＦＰＭがＳＥＢＶと呼ばれるストローク終了に達する時点に測定される。
【0105】
センサ：ベース変数（例えば、位置または時間）、制御変数例えば、位置、速度、加速度、または圧力）、またはシステム性能を示すか、またはシステム性能に影響を及ぼす別の変数（例えば、温度）を測定し、電気信号を発生する装置。センサ装置の例として、リニアエンコーダ（光学的、磁気的、およびホール効果型を含む）、ロータリーエンコーダ（光学的、磁気的、およびホール効果型を含む）、加速度計、圧力センサ、および近接装置（容量性、誘導性、または光学的型を含む）が挙げられる。この定義において、インストロークコントローラに対して経過時間または絶対時間信号を測定またはレポートするシステムクロックも、センサとみなされる。
【0106】
センサコントローラ：センサからの電気信号を受信、処理、変換、または送信する装置。
【0107】
ゲートコントローラ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、トライアック（ＴＲＩＡＣ）、ソリッドステートリレー（ＳＳＲ）、または他のタイプの電力リレーなどの電力スイッチング装置に電圧を印加する装置。
【0108】
統合ゲート（Integrated Gate）およびセンサコントローラ：ゲートコントローラおよ
びセンサコントローラの機能が組み合わされた装置。本発明では、フリーピストンムーバを制御する方法が提供され、この方法は、以下のステップを含む。目標制御変数の閉ループ制御のための制御パラメータセットを生成するステップであり、このセットは目標制御変数関数と以下の１つまたは複数を含み、
ストローク閾値関数
フィードフォワード電流関数
フィードバック項関数
制御パラメータセット遷移条件
制御パラメータセットを、制御されるストロークの開始前にインストロークコントローラに送信するステップと、フューチャストロークコントローラを使用してフリーピストンムーバの後続のストロークのために制御パラメータセットの構成要素のうちの１つまたは複数を修正するステップと、修正された制御パラメータセットを、任意のフューチャストロークの制御のためにインストロークコントローラに送信するステップ。
びセンサコントローラの機能が組み合わされた装置。本発明では、フリーピストンムーバを制御する方法が提供され、この方法は、以下のステップを含む。目標制御変数の閉ループ制御のための制御パラメータセットを生成するステップであり、このセットは目標制御変数関数と以下の１つまたは複数を含み、
ストローク閾値関数
フィードフォワード電流関数
フィードバック項関数
制御パラメータセット遷移条件
制御パラメータセットを、制御されるストロークの開始前にインストロークコントローラに送信するステップと、フューチャストロークコントローラを使用してフリーピストンムーバの後続のストロークのために制御パラメータセットの構成要素のうちの１つまたは複数を修正するステップと、修正された制御パラメータセットを、任意のフューチャストロークの制御のためにインストロークコントローラに送信するステップ。
【0109】
本発明は、欧州特許公報ＥＰ１７４０８０４とは対照的に、ＦＰＭのフューチャストロークのために制御パラメータセットを適応させて入力需要信号に応答させ、十分な電流制御振幅が維持されるようにし、経時的なシステム変化を補償するフリーピストンムーバのためのフューチャストロークコントローラである。
【0110】
本発明が複数のリニア電力システム用途において提供する重要な利点は、以下を含む。・効率の向上
・振動の低減
・起動時間が短縮
・動作寿命の長期化
・メンテナンスコストの低減
・ＦＰＬＧ用途における排気の低減
・ＦＰＬＧ用途における燃料の柔軟性
これらは、インストロークコントローラによって使用される制御パラメータセットに適用される継続的な適応によって実現される。これらの適応は、以下のように、ＬＰＳシステムの特性および入力に対する経時的な変化を補償するために、フューチャストロークコントローラによって計算および生成される。
・入力需要信号の変動
・熱過渡現象
・腐食、脆化、表面堆積および他の形態の材料または表面劣化
・外部加速度（external acceleration）および振動負荷ならびにセンサおよび制御シス
テムの性能に影響を及ぼす電磁ノイズなどの環境要因
・ＦＰＬＧにおける燃料組成の変動
・ＦＰＬＧにおける、壁温度、充填空気温度、筒内充填動作、燃料／空気当量比、燃料／空気混合、および以前のサイクルからチャンバ内に存在する燃焼および未燃残留排気ガスの割合など、燃焼室内の条件の変動
・振動の低減
・起動時間が短縮
・動作寿命の長期化
・メンテナンスコストの低減
・ＦＰＬＧ用途における排気の低減
・ＦＰＬＧ用途における燃料の柔軟性
これらは、インストロークコントローラによって使用される制御パラメータセットに適用される継続的な適応によって実現される。これらの適応は、以下のように、ＬＰＳシステムの特性および入力に対する経時的な変化を補償するために、フューチャストロークコントローラによって計算および生成される。
・入力需要信号の変動
・熱過渡現象
・腐食、脆化、表面堆積および他の形態の材料または表面劣化
・外部加速度（external acceleration）および振動負荷ならびにセンサおよび制御シス
テムの性能に影響を及ぼす電磁ノイズなどの環境要因
・ＦＰＬＧにおける燃料組成の変動
・ＦＰＬＧにおける、壁温度、充填空気温度、筒内充填動作、燃料／空気当量比、燃料／空気混合、および以前のサイクルからチャンバ内に存在する燃焼および未燃残留排気ガスの割合など、燃焼室内の条件の変動
【0111】
マルチＦＰＭシステムでは、バランスのとれたＦＰＭ動作の同期を改善することによって、振動の低減が達成される。この結果は、同期誤差を補正するための各ＦＰＭコントローラの次の目標制御変数関数に対して行われる調整を含む、次の制御パラメータセットに対するフューチャストロークコントローラによって行われる適応調整を通じて達成される。
【0112】
１つまたは複数のＦＰＭが組み込まれた種々のＬＰＳ製品において、ストローク中のＦＰＭ動作は、非線形変化を示す力によって作用される、すなわち、力は、ＦＰＭ位置とともにまたは時間とともに線形的に変化しない。非線形変化を示す力の例は、以下を含む。・ＬＰＳ内でＬＥＭＳによって生成される電磁コギング力
・ＬＥＭＳ内のリニアベアリングおよびリニアシールに関連付けられる摩擦力
・バルブ開閉イベントの結果としてのＬＰＳ内のＬＴＦＳ内のガス力
・ＦＰＬＧにおける、燃焼反応によって生じるガス力
・ＬＥＭＳ内のリニアベアリングおよびリニアシールに関連付けられる摩擦力
・バルブ開閉イベントの結果としてのＬＰＳ内のＬＴＦＳ内のガス力
・ＦＰＬＧにおける、燃焼反応によって生じるガス力
【0113】
上記の場合、これらの非線形力は、以下により構成される。
・１サイクルから次のサイクルまで実質的に同じであり、１つまたは複数の以前のストロークにおける変数の測定に基づいて、および／またはＬＰＳ内のプロセスのシミュレーションによって予測可能な、有意な割合。
・実質的に予測不能であり、典型的にはＬＴＦＳ（例えば、ＦＰＬＧ内のサイクル間燃焼変動）内の複雑なおよび／または無秩序なプロセスの結果として変化するより小さい割合。
・１サイクルから次のサイクルまで実質的に同じであり、１つまたは複数の以前のストロークにおける変数の測定に基づいて、および／またはＬＰＳ内のプロセスのシミュレーションによって予測可能な、有意な割合。
・実質的に予測不能であり、典型的にはＬＴＦＳ（例えば、ＦＰＬＧ内のサイクル間燃焼変動）内の複雑なおよび／または無秩序なプロセスの結果として変化するより小さい割合。
【0114】
非線形挙動を示すシステムの制御は、多くの種類のコントローラにとって困難であることは当業者に周知なところである。例えば、ＰＩＤコントローラは、制御変数の非線形変化に起因して生じる大きな誤差項に起因してアンダーシュートまたはオーバーシュート制御応答を生じる傾向がある。
【0115】
フューチャストロークコントローラによって適用される適応制御方法は、ＦＰＭ動作制御精度を改善し、インストロークコントローラがアンダーシュートまたはオーバーシュート制御応答を生じる傾向を低減する。これは、好ましくは、インストロークコントローラによるフィードフォワード電流需要項の使用を通じて達成され、所望の動作プロファイルに必要とされる総電流需要の近似を表し、より小さい割合の電流需要がインストロークコントローラ内のＣＶフィードバックコントローラによって満たされる。フィードフォワード電流需要は、測定されたベース変数および／または測定された制御変数ならびにフィードフォワード電流関数を参照して、インストロークコントローラ内のフィードフォワード電流計算ステップによって決定される。フィードフォワード電流関数は、今度は、インストロークコントローラによって以前のストロークで生成されたフィードバック電流需要に基づいて、フューチャストロークコントローラ内のフィードフォワード電流関数ステップによって生成される。この適応により、フィードフォワード電流関数は、所与のＦＰＭ動作プロファイルを達成するのに必要な電流需要の決定的かつ予測可能な割合を厳密に反映するように、複数のストロークの過程で調整される。必要な電流需要の残りの予測不能な割合は、典型的には、本質的により小さく、より線形であり、したがって、インストロークコントローラ内のＣＶフィードバックコントローラによってより正確に生成することができる。
【0116】
本発明の制御方法および装置は、ＦＰＭに加えられる電磁力を変調することによって、ＬＰＳの最適なシステム性能を達成するために一連のストローク（例えば、１ストロークにおける所与の時間または位置における速度軌道によって定義される）の間、ＦＰＭムーバの動きを正確に制御するためのＦＰＭムーバの制御へのアプローチを定義する。これは、ＬＴＦＳ内に周期的な燃焼イベントが存在するか否かに関わらず、広範囲のＬＰＳ用途に適用可能である。
【0117】
したがって、ＬＴＣに対する制御課題の非線形性質に起因して、上述の利点のいくつかがＦＰＬＧ用途に特有のものであるが、本発明は、本明細書で示す例を含む広範囲のＬＰＳ用途に適用可能であり、かつ有用であることが証明される。
【0118】
本発明の方法は、以下のステップをさらに含む。
制御パラメータセットの生成後のストローク中のフリーピストンムーバのパフォーマンスを示すベース変数をサンプリングするステップ。
目標制御変数関数を参照して測定されたベース変数を使用して少なくとも１つの目標制御変数を生成するステップ。
測定された制御変数および目標制御変数を使用して少なくとも１つの制御変数誤差を決定する。
制御パラメータセットの生成後のストローク中のフリーピストンムーバのパフォーマンスを示すベース変数をサンプリングするステップ。
目標制御変数関数を参照して測定されたベース変数を使用して少なくとも１つの目標制御変数を生成するステップ。
測定された制御変数および目標制御変数を使用して少なくとも１つの制御変数誤差を決定する。
【0119】
本方法は、制御変数誤差を使用して電流コントローラに入力される電流需要出力を生成
するステップをさらに含んでもよい。
するステップをさらに含んでもよい。
【0120】
本方法は、以下のステップをさらに含む。
第２のフリーピストンムーバのパフォーマンスを示す第２のベース変数をサンプリングするステップ。
第２の目標制御変数関数を参照して、測定された第２のベース変数を使用して少なくとも１つの第２の目標制御変数を生成するステップ。
測定された第２の制御変数および第２の目標制御変数を使用して少なくとも１つの第２の制御変数誤差を決定するステップ。
第２の制御変数誤差を使用して第２の電流コントローラに入力される電流需要出力を生成するステップ。
次のストロークまたは任意のフューチャストロークに影響を及ぼし得るフューチャストロークコントローラを使用してフリーピストンムーバのフューチャストロークのために第２の目標制御変数関数を修正するステップ。
第２のフリーピストンムーバのパフォーマンスを示す第２のベース変数をサンプリングするステップ。
第２の目標制御変数関数を参照して、測定された第２のベース変数を使用して少なくとも１つの第２の目標制御変数を生成するステップ。
測定された第２の制御変数および第２の目標制御変数を使用して少なくとも１つの第２の制御変数誤差を決定するステップ。
第２の制御変数誤差を使用して第２の電流コントローラに入力される電流需要出力を生成するステップ。
次のストロークまたは任意のフューチャストロークに影響を及ぼし得るフューチャストロークコントローラを使用してフリーピストンムーバのフューチャストロークのために第２の目標制御変数関数を修正するステップ。
【0121】
さらなるステップとして、以下が含まれる。
ＦＰＭ同期誤差の測定は、第２のムーバの測定された制御変数または測定されたベース変数と第１のムーバの同等の測定された制御変数または測定されたベース変数との間の差を反映し、一方または両方のムーバの測定された変数が所定のストローク遷移閾値に等しくなったときに、測定するステップ。
需要入力を提供するステップ。
ここで、フューチャストロークコントローラは、測定された電流、電流遅延、ＦＰＭ同期誤差、需要入力のうちの少なくとも１つに基づいて、少なくとも１つのフリーピストンムーバに対する後続のストロークのための制御パラメータセットを修正する。
ＦＰＭ同期誤差の測定は、第２のムーバの測定された制御変数または測定されたベース変数と第１のムーバの同等の測定された制御変数または測定されたベース変数との間の差を反映し、一方または両方のムーバの測定された変数が所定のストローク遷移閾値に等しくなったときに、測定するステップ。
需要入力を提供するステップ。
ここで、フューチャストロークコントローラは、測定された電流、電流遅延、ＦＰＭ同期誤差、需要入力のうちの少なくとも１つに基づいて、少なくとも１つのフリーピストンムーバに対する後続のストロークのための制御パラメータセットを修正する。
【0122】
目標制御変数関数は、測定されたベース変数に対応する配列要素を参照することによって目標制御変数を決定可能なベース変数および目標制御変数値の配列とすることができる。
【0123】
現在のストロークおよび少なくとも１つの後続のストロークに対する目標制御変数関数値は、共通の配列に格納することができる。
【0124】
目標制御変数関数は、測定されたベース変数を適用することによって目標制御変数を算出することができる数式とすることができる。
【0125】
目標制御変数関数は、測定されたベース変数を入力することによって目標制御変数を決定することができるシミュレーションモデルとすることができる。
【0126】
第２の目標制御変数関数は、測定された第２のベース変数に対応する配列要素を参照することによって第２の目標制御変数を決定可能なベース変数および目標制御変数値の配列とすることができる。
【0127】
第２の目標制御変数関数は、測定された第２のベース変数を適用することによって第２の目標制御変数を算出することができる数式とすることができる。
【0128】
第２の目標制御変数関数は、測定された第２のベース変数を入力することによって第２の目標制御変数を決定することができるシミュレーションモデルとすることができる。
【0129】
フューチャストロークコントローラは、２つのフリーピストンムーバのための同期コントローラから入力を受信することができる。第１および第２の目標制御変数値への同期変
更は、互いに反対の方向であってもよい。第１および第２の目標制御変数への同期修正は、同じ大きさであってもよい。
更は、互いに反対の方向であってもよい。第１および第２の目標制御変数への同期修正は、同じ大きさであってもよい。
【0130】
本発明の方法は、フリーピストンムーバ、インストロークコントローラ、およびフューチャストロークコントローラのうちの１つまたは複数の測定可能な出力を記録するステップをさらに含むことができる。
【0131】
本発明の方法は、診断コントローラを使用して履歴のストローク傾向を監視するステップをさらに含んでもよい。
【0132】
本発明の方法は、任意のコントローラに関連する操作ライセンスの有効性をチェックし、ライセンスが無効である場合、これに限られないが、動作を制限することまたは警告することを含むアクションを行うステップをさらに含んでもよい。
【0133】
本発明の方法は、計算方法で使用する計量を示すデータを通信するステップをさらに含み得る。
【0134】
フィードフォワード電流関数は、ベース変数値の範囲または制御変数値の範囲のフィードフォワード電流需要値を含むこともできる。
【0135】
電流需要は、少なくとも１つのフィードバック電流需要値と１つのフィードフォワード電流需要値とを加算することによって、測定されたベース変数について算出することもできる。
【0136】
フューチャストロークコントローラは、１つまたは複数の測定されたベース変数値に対応するフィードバック電流値の割合を、フィードフォワード電流関数によって測定された各ベース変数値に関連付けられたフィードフォワード電流値に加えることによって、フューチャストロークのためのフィードフォワード電流関数を調節することができる。
【0137】
インストロークコントローラは、フューチャストロークコントローラの計算ループレートの少なくとも２倍の計算ループレートで動作することができる。
【0138】
本発明はまた、上記説明のいずれかによる方法を実施するためのフリーピストンムーバを制御するためのシステムまたは装置を提供し、システムまたは装置は、以下を含む。
電流コントローラ、インストロークコントローラ、およびフューチャストロークコントローラ
電流コントローラは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、トライアック（ＴＲＩＡＣ）、ソリッドステートリレー（ＳＳＲ）、または他のタイプの電力リレーなどの少なくとも１つの回路スイッチング素子を制御するための少なくとも１つのゲートコントローラを含む。
電流コントローラ、インストロークコントローラ、およびフューチャストロークコントローラ
電流コントローラは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、トライアック（ＴＲＩＡＣ）、ソリッドステートリレー（ＳＳＲ）、または他のタイプの電力リレーなどの少なくとも１つの回路スイッチング素子を制御するための少なくとも１つのゲートコントローラを含む。
【0139】
インストロークコントローラ内の計算ループレートは、フューチャストロークコントローラ内の計算ループレートの少なくとも２倍とすることができる。
【0140】
ゲートコントローラおよび電流フィードバックコントローラは、同一場所に配置されてもよく、または以下のうちの１つ以上を含むがこれらに限定されないシリアル通信手段によって物理的に分離および接続されてもよい。
シングルエンドスイッチングの一方向または双方向電気回路。
差動スイッチの一方向または双方向電気回路。
１つ以上の光ファイバおよび関連トランシーバ。
シングルエンドスイッチングの一方向または双方向電気回路。
差動スイッチの一方向または双方向電気回路。
１つ以上の光ファイバおよび関連トランシーバ。
【0141】
ゲートコントローラは、少なくとも非直列化回路およびゲートスイッチング回路をさらに含むことができる。
【0142】
ゲートコントローラは、１つまたは複数のセンサコントローラまたはセンサをさらに含むことができる。
【0143】
本発明は、プログラマブルマイクロコンピュータ上で実行されると上述の方法を実行するように適合されたコンピュータプログラムコード手段を備えるコンピュータプログラムを提供することができる。
【0144】
また、プログラマブルマイクロコンピュータ上で実行されると上述の方法を実行するように適合され、インターネットに接続されたコンピュータ上で実行されると上述の装置のシステムまたはその構成要素の１つに従ってシステムにダウンロードされるように適合されたコンピュータプログラムコード手段を備えるコンピュータプログラムを提供することができる。
【0145】
また、上記のコンピュータプログラムを含む、コンピュータ可読媒体に記憶されたコンピュータプログラム製品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0146】
以下の詳細な説明に記載されている実施形態の様々な特徴は、添付の図を参照して検討すると、より完全に理解することができ、同じ番号は同じ要素を指す。
【0147】
【図1】断面ＡＡ腺を示すＬＰＳの一例の外観図である。
【図2】ＦＰＭおよびＬＥＭＳとＬＴＦＳの主要要素を示すＡＡ腺による断面である。
【図3】ＢＶが経過時間でありＣＶが位置であるＦＰＭストロークを示す図である。
【図4】ＢＶが位置でありＣＶが速度であるＦＰＭストロークを示す図である。
【図5】ＢＶが位置でありＣＶが速度であるＦＰＭ２ストロークサイクルを示す図である。
【図6】ＬＰＳ内のフリーピストンムーバ用のコントロールシステムの概略図である。
【図7】ＬＰＳ内のフリーピストンムーバ用のコントロールシステム内の構成要素であるコントローラの詳細を示す概略図である。
【図8】統合ゲートおよびセンサコントローラを有する電流コントローラの詳細を示す概略図である。
【図9】電流需要、電流限界、電流需要制御マージンを示す図である。
【図10】複数のストロークにわたってＱＦＢを減少させるＱＦＦの適用例を示す図である。
【図11】目標制御変数関数ＣＶｔ（ＢＶ）のテーブルフォームを示す図である。
【図12】ストローク閾値関数ＳＴ（ＢＶ，ＣＶ）のテーブルフォームを示す図である。
【図13】フィードフォワード電流関数ＱＦＦ（ＢＶ，ＣＶ）のテーブルフォームを示す図である。
【図14】ＣＶｔ（ＢＶ）、ＳＴ（ＢＶ，ＣＶ）、ＱＦＦ（ＢＶ，ＣＶ）のテーブルフォームを示す図である。
【図15】平衡のＦＰＭの組を有するＬＰＳ用のコントローラの概略図である。
【図16】リモート接続を共有する複数のLADコントローラの概略図である。
【詳細な説明】
【0148】
図１は、リニア電力システム１の一例の機械的アセンブリの簡略化した外観図であり、フリーピストンムーバの動作軸２および断面ＡＡを示している。
【0149】
図２は、ＬＴＦＳの作業チャンバ４を含む、図１に示されるＬＰＳの例におけるフリーピストンムーバ３ならびにＬＥＭＳおよびＬＴＦＳの主要な特徴を示す、平面ＡＡを通る断面図である。各々が少なくとも１つのＬＥＭＳおよび１つのＬＴＦＳを備える多くの代替のＬＰＳ実装が可能である。ＬＥＭＳは、ステージ５と、作業シリンダ８を画定するＬＰＳハウジング６とを含む。この例におけるＬＰＳハウジングの端部は、ハウジング端部構成要素６ａ、６ｂによって閉じられる。
【0150】
ＦＰＭ３は、ＬＥＭＳのトランスレータとして機能する。図示の例では、ＦＰＭ３は、ＬＰＳハウジング６の周囲のシリンダ８内を移動しながら、固定された中央コア７を通過することができるように端部３ａが開放されている。この例では、ＦＰＭ３は端部３ｂで閉じられ、作業チャンバ４がシリンダ８内に、ＬＰＳハウジング端部６ａのシリンダ端壁８ａとＦＰＭ３の閉じられた端部３ｂとの間に形成される。
【0151】
フリーピストンリニアジェネレータ（フリーピストンエンジンとも呼ばれる）またはFree Piston Gas ExpanderなどのLPS用途では、作業チャンバ４は、燃焼によって、高圧ガ
スの導入によって、または相変化によって、FPM３の閉鎖端３bに力を印加するために使用され得る。これらのタイプのLPS(例えば、燃料および空気の供給、バルブおよび点火機構)内に含まれ得る関連する特徴は、明確にするために示されていない。
スの導入によって、または相変化によって、FPM３の閉鎖端３bに力を印加するために使用され得る。これらのタイプのLPS(例えば、燃料および空気の供給、バルブおよび点火機構)内に含まれ得る関連する特徴は、明確にするために示されていない。
【0152】
図１および図２に示される例示的な実施形態では、２つのさらなる容積４ａ、４ｂが、中央コア７とＦＰＭ３との間に、ＦＰＭ３ａの開口端の端部に画定される。それぞれはバウンスチャンバ（bounce chamber）として機能し、ＦＰＭ３の移動によって引き起こされるこれらのチャンバ４ａ、４ｂ内の圧力の変化は、ＦＰＭ３の動作エネルギーとバウンスチャンバ４ａ、４ｂ内の圧縮ガスに蓄えられたエネルギーとの間でエネルギーの交換をもたらす。ＦＰＭ３は、ステージ５と相互作用してステージ５内を流れる電流に影響を及ぼし、ＦＰＭ３に作用するリニア電磁力を生成または変化させる１つ以上の磁気透過性または磁化要素（図示せず）を含むように形成される。
【0153】
ＬＰＳ１が１種類のリニアモータまたはアクチュエータとして機能する場合、ステージ５に入力される電力により、ＦＰＭ３の動作を引き起こされる。ＬＰＳ１が１種類のリニアジェネレータとして機能する場合、ステージ－（５－）から出力される電力は、ＦＰＭ３の動作きによって引き起こされる。
【0154】
作業チャンバ４が燃料エネルギーをＦＰＭ３に作用する機械的仕事に変換する燃焼室として作用する場合、ＬＰＳの性能は、燃焼反応のタイミング、速度、および完全性、ならびに反応後の作業流体内に残る排気に依存する。これらの特性によるＬＰＳのシステム性能は、時間に伴うＦＰＭ３のリニア動作のプロファイルに大きく依存する。
【0155】
このため、ＦＰＭ３のリニア動作を経時的に制御するためには、モーションコントローラが必要となる。
【0156】
図３および図４は、ベース変数に関連するベース変数（時間または位置など）および制御変数（位置または速度など）がＦＰＭ動作と共にどのように変化するかを示し、目標制御変数関数ＣＶｔ（ＢＶ）として説明される関連プロファイルを有する。図３において、ベース変数は時間であり、制御変数は位置である。図４において、ベース変数ＢＶは位置であり、制御変数ＣＶは速度である。
【0157】
目標制御変数関数ＣＶｔ（ＢＶ）を使用して、ベース変数の測定値ＢＶｍから目標制御変数ＣＶｔを生成することができる。測定値ＢＶｍを参照して目標制御変数関数ＣＶｔ（ＢＶ）から決定されたＣＶｔの値の軌跡を、実線９として図３および図４に示す。
【0158】
図３および図４において、破線１０は、測定値ＢＶｍを参照して、ストローク閾値関数ＳＴ（ＢＶ，ＣＶ）１０から各例において決定されたストローク変換閾値の軌跡を示す。図３および図４に示す例では、ストローク変換閾値は、測定された制御変数値と同じ単位であり、ストローク変換閾値条件１１は、測定された制御変数ＣＶｍがストローク変換閾値ＳＴに等しい場合に発生する。
【0159】
ストローク閾値関数ＳＴ（ＢＶ，ＣＶ）の代替の実施形態では、ストローク変換閾値は、ベース変数値と同じ単位である。ストローク変換閾値ＳＴは、測定された制御変数値ＣＶｍに対するストローク閾値関数ＳＴ（ＢＶ，ＣＶ）(１０)から決定され、ストローク変換閾値条件１１は、測定されたベース変数ＢＶｍがストローク変換閾値ＳＴに等しいときに発生する。
【0160】
図５は、この例では完全なサイクルを形成する第１の目標制御変数関数ＣＶｔ（ＢＶ）９および次の目標制御変数関数ＣＶｔ（ＢＶ）’９ａを示す。ストローク開始イベント１２およびストローク終了イベント１３におけるＢＶの値は、この例では、ストローク閾値関数１０、１０ａに関連して決定される連続的なストローク遷移閾値条件イベント１１、１１aに対応するように示されている。
【0161】
また、図５は、測定された制御変数値および測定されたベース変数値に関して、点線１４によってＦＰＭ動作の測定された経路も示されており、制御変数目標関数ＣＶｔ（ＢＶ）９の軌跡からのＦＰＭ動作の測定された経路１４の発散（divergence）も示されている。この発散は、ストローク１７内の測定されたベース変数ＢＶｍ１１６について示される制御変数誤差ＣＶｅ１５をもたらす。
【0162】
説明を明確にするため、図示の円に沿って時間の経過に伴うＦＰＭ動作を示す時計回りの方向を、矢印１８で示す。
【0163】
図６は、本発明によるフリーピストンムーバ１９のための制御システムの概略図であり、システムにはフューチャストロークコントローラ２０が組み込まれている。この例示的な実施形態では、フューチャストロークコントローラ２０は、需要入力ソース２１、ロギング、分析および診断コントローラ２２、および同期コントローラ２７、のそれぞれから信号を受信する。さらに、フューチャストロークコントローラは、インストロークコントローラ２３からフィードバック電流ＱＦＢ信号を受信する。
【0164】
需要入力は、ＬＰＳのエンドユーザによって、または例えばエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）もしくはハイブリッド車両のパワートレイン制御ユニット（ＰＣＵ）などの別の自動化されたコントローラによって生成される。この場合、フューチャストロークコントローラ２０は、動作準備完了または需要入力コントローラによって要求または利用される他の入力を示すステータス信号を需要入力コントローラに周期的に発行してもよい。
【0165】
また、図６は、任意のシステムパラメータを監視、ロギング、集約、および通信または報告するためのロギング、分析および診断コントローラ２２を示し、このシステムパラメータには、これに限られないが、制御に使用されるか否かに関係なくベース変数、（目標および／または測定された）制御変数ならびに傾向、環境センサ入力、およびストローク数および／または操作時間、コールドスタート数、エラーまたは障害、およびサービスに
対する請求に必要となり得るメトリック、またはライセンスされた使用義務とのコンプライアンスを確保するメトリックなどの実行時メトリック（run-time metrics）が含まれる。
対する請求に必要となり得るメトリック、またはライセンスされた使用義務とのコンプライアンスを確保するメトリックなどの実行時メトリック（run-time metrics）が含まれる。
【0166】
フューチャストロークコントローラ２０は、次の制御パラメータセット（ＣＯＰＳ’）と称する出力のセットをインストロークコントローラ２３に定期的に発行し、次の制御パラメータセット（ＣＯＰＳ’）は、次の目標制御変数関数ＣＶｔ（ＢＶ）’と以下の１つまたは複数を含む。
次のＣＯＰＳ遷移条件ＣＴＣ’のセット
次のストローク閾値関数ＳＴ（ＢＶ，ＣＶ）’
次のフィードフォワード電流関数ＱＦＦ（ＢＶ，ＣＶ）’
次のフィードバック項関数ＱＦＢ（ＢＶ，ＣＶ）’
次のＣＯＰＳ遷移条件ＣＴＣ’のセット
次のストローク閾値関数ＳＴ（ＢＶ，ＣＶ）’
次のフィードフォワード電流関数ＱＦＦ（ＢＶ，ＣＶ）’
次のフィードバック項関数ＱＦＢ（ＢＶ，ＣＶ）’
【0167】
これらの各出力は、フューチャストロークコントローラへの入力を使用して独立して生成してもよいし、以前のバージョンの出力を基に生成してもよいし、フューチャストロークコントローラへの入力を使用して修正されてもよい。
【0168】
フューチャストロークコントローラは、ロギング、分析および診断コントローラ２２によって提供されるマルチストローク履歴および傾向分析データを参照して、および／または同期コントローラ２７によって提供される同期誤差ＳＥを参照して、次の制御パラメータセットの１つまたは複数の構成要素を生成することができる。
【0169】
インストロークコントローラ２３は、次の制御パラメータセットを、測定されたベース変数の値ＢＶｍおよび測定された制御変数の値ＣＶｍと共に使用して、電流コントローラ２５への入力として発行される電流需要出力Ｑｔを決定する。インストロークコントローラ２３は、権限縮小コントローラまたは低権限コントローラ（ＬＡＣ）として動作してもよい。
【0170】
電流コントローラ２５は、電流需要出力Ｑｔを測定されたベース変数の値Ｂｖｍおよび測定された電流値Ｑｍと共に使用して、ＬＰＳ１内の１つまたは複数のリニア電気機械ステータの各コイルまたは相に流れる電流値Ｑのセットを制御し、この電流値Ｑには、ＬＰＳ１内に存在するコイルおよび相の数に従って、別個の独立した電流値が含まれてよい。
【0171】
電流Ｑのセットは、外部の需要入力２１を満たし、ＬＰＳ１の最適なシステム性能に寄与することを目的として、ＦＰＭの動作およびＬＰＳ１からの出力をもたらす。
【0172】
図７は、フリーピストンムーバの制御システム内の構成要素である以下を含むコントローラの詳細を示す図である。
フューチャストロークコントローラ２０
ロギング、分析および診断コントローラ２２
同期コントローラ２７
インストロークコントローラ２３
電流コントローラ２５
フューチャストロークコントローラ２０
ロギング、分析および診断コントローラ２２
同期コントローラ２７
インストロークコントローラ２３
電流コントローラ２５
【0173】
フューチャストロークコントローラ２０内において、制御目標関数ジェネレータ２６は、次の目標制御変数関数ＣＶｔ（ＢＶ）’と、次のストローク閾値関数ＳＴ（ＢＶ，ＣＶ）’と、遷移条件（ＣＴＣ’）のセットとを生成し、これらによって次の制御パラメータセットがインストロークコントローラによっていつ使用されるかが決まる。制御ターゲット関数ジェネレータは、遅延入力２１、同期コントローラ２７、およびロギング、分析および診断コントローラ２２から入力を取り込む。
【0174】
また、フューチャストロークコントローラ２０内の制御目標関数ジェネレータ２６は、現在のストロークの電流制限制御マージンＱＣＭの値をインストロークコントローラ２３から受信してもよいし、これらの値をインストロークコントローラ２３によって提供されるＱＦＢ値から算出してもよいし、これらの値をＬＰＳから測定されたＱｍ値に基づいて算出してもよい。次のストロークコントローラ２０は、次の制御パラメータセットの次の目標制御変数関数および他の構成要素を調整して、十分な電流制限制御マージンＱＣＭが将来のストロークにおいて維持されることを保証することができる。
【0175】
また、制御目標関数ジェネレータ２６は、フィードフォワード電流関数ジェネレータ２８によって適用される前に、次の制御変数目標関数ＣＶｔ（ＢＶ）’によって説明される動的プロファイルを達成するために必要な予想電流値に対応する「ベースライン」となる次のフィードフォワード電流関数（「ＱＦＦ０（ＢＶ，ＣＶ）’」とも称する）を生成してもよい。
【0176】
また、フューチャストロークコントローラ２０は、インストロークコントローラ２３内の制御変数フィードバックコントローラ３３からの入力を取得して適合された次のフォワード電流関数ＱＦＦ（ＢＶ，ＣＶ）’を生成することで、複数のストロークの過程でインストロークコントローラ２３の動作に応答して修正される、フィードフォワード電流関数ジェネレータ２８を有してもよい。この修正は、制御変数フィードバックコントローラ３３によってフィードフォワード電流関数ジェネレータ２８に通信される、ＱＦＢ、ＢＶｍ、および／またはＣＶｍの値の各セットに対して、フィードフォワード電流関数ＱＦＦ（ＢＶ，ＣＶ）内の対応するＱＦＦ項に対するＱＦＢ値の割合の加算という形態を取ってもよい。
【0177】
フューチャストロークコントローラ２０は、ストロークコントローラ２０内のフィードフォワード電流関数ジェネレータ２８からの入力を取得して適合された次のフィードバック項関数ＦＢＴ（ＢＶ，ＣＶ）’を生成することで、複数のストロークにわたる次のフィードフォワード電流関数ＱＦＦ（ＢＶ，ＣＶ）’の変化を考慮するよう修正される、フィードバック項関数ジェネレータ２９を有してもよい。
【0178】
フューチャストロークコントローラ２０は、平均値モデル（ＭＶＭ）ベースの手法を利用する１つまたは複数の制御方法またはプロセスにより、次の制御パラメータセットの１つまたは複数の構成要素を生成することができ、このＭＶＭベースの手法は、この分野の当業者に周知であり、典型的には、個別のストローク内の変動を無視し、１つまたは複数のストロークにわたる平均値に基づいて全体のプロセスおよび効果を扱う。
【0179】
インストロークコントローラ２３は、制御パラメータセットセレクタ（Control Parameter Set Selector）（３０）を有してもよい。ストローク終了イベント後に、制御パラメータセットセレクタ３０は、インストロークコントローラ２３によって使用されている制御パラメータセットの構成要素を、フューチャストロークコントローラ２０によって提供される次の制御パラメータセット内の対応する構成要素に置き換えることができる。この置換は、各ストローク終了イベント後のストローク時に行われてもよい。あるいは、この置換は、２つ以上のストロークの後に行われてもよく、このストロークは、インストロークコントローラ２３によって現在使用されているＣＯＰＳ遷移条件において設定されている基準を満たした後に行われる。
【0180】
ストローク遷移コントローラ２７は、測定されたベース変数ＢＶｍおよび／または測定された制御変数ＣＶｍを参照してストローク閾値関数ＳＴ（ＢＶ，ＣＶ）を使用して、ストローク終了イベントのタイミングを決定する。ストロークス遷移コントローラ２７は、
例えば、同期コントローラからの同期トリガＳＴＲまたはＬＡＤコントローラからの診断トリガＤＴＲなどの、インストロークスコントローラの外部のトリガイベントに基づいて、ストローク終了イベントのタイミングを決定してもよい。
例えば、同期コントローラからの同期トリガＳＴＲまたはＬＡＤコントローラからの診断トリガＤＴＲなどの、インストロークスコントローラの外部のトリガイベントに基づいて、ストローク終了イベントのタイミングを決定してもよい。
【0181】
ストローク遷移コントローラが、ストローク遷移トリガ条件またはストローク遷移閾値条件に基づいてストローク終了イベントを決定すると、ストローク終了信号ＥＯＳが制御パラメータセットセレクタ３０および同期コントローラ２７に送信される。
【0182】
目標制御変数算出ステップ３２は、目標制御変数関数ＣＶｔ（ＢＶ）に基づいて、測定されたベース変数ＢＶｍを参照して、目標制御変数ＣＶｔを決定し、１つまたは複数の目標制御変数ＣＶｔを閉ループの制御変数フィードバックコントローラ３３に送信する。
【0183】
ＣＶフィードバックコントローラ３３は、制御誤差ＣＶｅ、典型的には、ターゲット制御誤差ＣＶｔと測定制御誤差ＣＶｍとの差に基づいて、電流遅延ＱｔのＱＦＢ成分を算出する。ＣＶフィードバックコントローラ３３は、フィードバック項関数ＦＢＴ（ＢＶ，ＣＶ）から生成されるフィードバック制御パラメータを利用する「比例積分微分（Proportional-Integral-Derivative）」（「ＰＩＤコントローラ」とも称する）とすることができる。あるいは、ＣＶフィードバックコントローラは、状態空間モデルベースのコントローラなどのいくつかの種類の多入力多出力（ＭＩＭＯ）コントローラの１つとして動作してもよい。このようにして、２つ以上の目標制御変数関数を並列に使用して、異なる測定された制御変数および／または測定されたベース変数に基づいて電流遅延Ｑｔの複数のＱＦＢ成分を生成することができる。
【0184】
フィードフォワード電流算出ステップ３４は、フィードフォワード電流関数ＱＦＦ（ＢＶ，ＣＶ）に基づいて、測定されたベース変数ＢＶｍおよび／または測定された制御変数ＣＶｍを参照して、電流需要Ｑｔのフィードフォワード電流成分ＱＦＦを決定する。次いで、電流需要加算ステップ３５は、ＣＶフィードバックコントローラ３３からの１つまたは複数のＱＦＢ値にＱＦＦを加算し、インストロークコントローラから電流コントローラ２５に出力される総電流需要Ｑｔを生成する。
【0185】
電流コントローラ２５内の電流フィードバックコントローラ３６は、電流需要Ｑｔをインストロークコントローラから受信する。電流フィードバックコントローラ３６は、ＬＰＳ１内の各コイルおよび／または相について測定された電流値Ｑｍを受信し、ゲートコントローラ３７に出力されるゲートスイッチングコマンド（図７に「１０１０」として示す）を決定する。
【0186】
電流フィードバックコントローラ３６は、総電流需要値Ｑｔから切換式の個別コイル（commutated individual coil）または相電流ターゲットを算出するために、測定されたベース変数ＢＶｍ（例えば、ＦＰＭの）を利用することができる。さらに、電流フィードバックコントローラ３６は、測定されたベース変数ＢＶｍ（例えば、ＦＰＭの位置）を利用して、ＢＶｍに依存し得るコイル間相互インダクタンスなどのＬＥＭ特性を考慮して、ゲートスイッチングコマンドの最適なシーケンスを決定することができる。
【0187】
電流コントローラは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、トライアック（ＴＲＩＡＣ）、ソリッドステートリレー（ＳＳＲ）、または他のタイプの電力リレーなどの１つまたは複数の電流スイッチング装置３８に電圧を印加するゲートコントローラ３７を含む。
【0188】
フューチャストロークコントローラ２０、同期コントローラ２７、およびＬＡＤコントローラ２２、インストロークコントローラ２３、および電流フィードバックコントローラ
３６は、典型的には、埋込み制御システムを備える埋込みファームウェアを有する低電圧デジタル電子機器である。対照的に、ゲートコントローラ３７は、１つまたは複数の電流スイッチング装置３８内のトライアック（ＴＲＩＡＣ）などの高電圧スイッチである高電圧回路に接続され、電流コントローラによって電流が例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）によって変調されるステータコイルの近くに配置されることが好ましい。したがって、ゲートコントローラ３７および電流スイッチング装置３８は、他のより感度の高いデジタル埋込み制御システム要素２０、２２、２３、２７、３６から物理的に離され、ステータ近傍の電気的にノイズのある環境からそれらを保護することが好ましい。好ましい実施形態では、電流フィードバックコントローラ３６およびゲートコントローラ３７は、ノイズ耐性を改善するために差動信号回路スイッチングまたは光ファイバリンクを用いた双方向シリアル通信リンクによって分離および接続される。
３６は、典型的には、埋込み制御システムを備える埋込みファームウェアを有する低電圧デジタル電子機器である。対照的に、ゲートコントローラ３７は、１つまたは複数の電流スイッチング装置３８内のトライアック（ＴＲＩＡＣ）などの高電圧スイッチである高電圧回路に接続され、電流コントローラによって電流が例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）によって変調されるステータコイルの近くに配置されることが好ましい。したがって、ゲートコントローラ３７および電流スイッチング装置３８は、他のより感度の高いデジタル埋込み制御システム要素２０、２２、２３、２７、３６から物理的に離され、ステータ近傍の電気的にノイズのある環境からそれらを保護することが好ましい。好ましい実施形態では、電流フィードバックコントローラ３６およびゲートコントローラ３７は、ノイズ耐性を改善するために差動信号回路スイッチングまたは光ファイバリンクを用いた双方向シリアル通信リンクによって分離および接続される。
【0189】
図８は、センサコントローラ３６を示し、センサコントローラ３６は、ＬＰＳ１内のセンサおよびゲートコントローラ３７の近くに物理的に配置されることが好ましい。ＢＶｍ、ＣＶｍ、およびＱｍを含む測定のためのＬＰＳセンサ信号は、好ましくは、センサコントローラ３６によってデジタル通信され、好ましくは、例えば、それぞれＲＳ－４２２およびＲＳ－４８５として一般に知られているＡＮＳＩ ＴＩＡ／ＥＩＡ－４２２規格またはＴＩＡ／ＥＩＡ－４８５規格などのロバストな差動スイッチング回路を介して、または光ファイバを介して通信される。アナログセンサから生じる測定値の場合、センサコントローラ３６はアナログからデジタルへの変換を実行することができる。
【0190】
図８では、センサコントローラ、ゲートコントローラ、および電流スイッチング装置は、統合されたゲートおよびセンサコントローラ３９内で組み合わされ、ＬＰＳ内のコイルの近くに物理的に配置され、電流フィードバックコントローラ３６、インストロークコントローラ２３、およびフューチャストロークコントローラ２０から離れて配置される。ゲートコントローラ３７およびセンサコントローラ３６のための通信リンクは、独立していてもよく、通常、各端にシリアライザ／デシリアライザ４０を有し、確認応答、エラーチェックおよび訂正を可能にする単一の双方向直列リンクに組み合わされてもよい。
【0191】
図９は、ＦＰＭの３つの連続ストローク中の瞬時値ＱｔとＱＣＬまたはＱＣＬ－との間の最小差に対応する、総電流需要Ｑｔ、電流制限ＱＣＬ＋およびＱＣＬ－、ならびに電流需要制御マージンＱＣＭを示す。
【0192】
図１０は、本発明のＦＰＭコントローラ方法の動作を示す。図１０は、ＬＰＳ内のＦＰＭが所定の固定された目標制御変数関数に従うように本発明による方法を使用して制御されている間に、より長期間の試験における最初の５０ストロークの間にＬＰＳから得られた実験試験データを示す。この試験データにおいて、電流需要Ｑｔは、フィードバック電流需要ＱＦＢおよびフィードフォワード電流需要ＱＦＦの和から構成される。
【0193】
最初の１０ストロークの間、ＱＦＢは電流需要Ｑｔの大部分を表す。５０ストロークの間、フューチャストロークコントローラは、ストローク内の各位置で記録されたＱＦＢの割合を次のフィードフォワード電流関数ＱＦＦ（ＢＶ，ＣＶ）’に加算する。この適応の効果は、Ｑｔの９０％にわたってストローク４０からストローク５０までＱｔがＱＦＦによって提供されるように、ＱＴへのＱＦＦの寄与を徐々に増大させることである。
【0194】
ＱＦＢが例えばＰＩＤまたはＰＩコントローラによって提供される本発明の実施形態では、結果はＱＦＢの制御範囲の減少であり、制御変数誤差ＣＶｅの減少、アンダーシュートまたはオーバーシュートの減少した傾向、および電流需要制御マージンＱＣＭの増加を伴う制御精度の改善をもたらす。
【0195】
図１１は、目標制御変数関数ＣＶｔ（ＢＶ）が、表形式のＣＶおよびＢＶの値の配列を用いて実装される例を示す。この例では、ベース変数ＢＶは、ミリメートル単位の位置であり、制御変数ＣＶは、メートル／秒単位の速度である。
【0196】
図１２は、表形式のＳＴおよびＢＶの値の配列を用いて、ストローク閾値関数ＳＴｔ（ＢＶ，ＣＶ）がどのように実装されるかを示す。この例では、ストローク閾値ＳＴは、ベース変数ＢＶの位置（ミリメートル単位）に関して定義され、ストローク閾値は、図１１に示される制御変数値と同じ単位で表される。
【0197】
図１３は、フィードフォワード電流関数ＱＦＦ（ＢＶ，ＣＶ）が、表形式のＱＦＦおよびＢＶの値の配列を用いて実装される例を示す。この例では、フィードフォワード電流需要値ＱＦＦは、ベース変数ＢＶの位置（ミリメートル単位）に関して定義される。
【0198】
図１４は、この例では、目標制御変数関数ＣＶｔ（ＢＶ）、ストローク閾値関数ＳＴｔ（ＢＶ，ＣＶ）、およびフィードフォワード電流関数ＱＦＦ（ＢＶ，ＣＶ）が、共通のテーブルに組み込まれる方法を示す。ＦＰＭ制御方法の代替の実施形態では、フィードバック項関数ＦＢＴ（ＢＶ，ＣＶ）を含む制御パラメータセットの他の構成要素を共通のテーブルに組み込むこともできる。この手法は、図７に示すように、次の制御パラメータセットＣＯＰＳ’をフューチャストロークコントローラから通信すること、および制御パラメータセットＣＯＰＳを、制御パラメータセットセレクタ（３０）によって次の制御パラメータセットＣＯＰＳ’と置換することを容易にする。
【0199】
当然ながら、例えば、値が転置されて論理的に広いテーブルとされるなど、制御目的のための上記関数の実装方法が多数存在する。
【0200】
また、次の制御パラメータセット内の各関数は、１つまたは複数のベース変数および／または制御変数を目標制御変数、フィードフォワード電流閾値、ストローク閾値、およびフィードバック項に関連付けるアルゴリズム、シミュレーションモデル、または数式に従って生成することができる。
【0201】
図１５は、同期コントローラ２７を有するフリーピストンムーバコントローラ１９がどのようにフリーピストンムーバのペアを同期させるために使用されるかを示す。図１５における説明のため、フリーピストンムーバコントローラ１９内のＬＡＤコントローラ２２への信号およびＬＡＤコントローラ２２からの信号は省略されている。同期制御は以下のように行われる。
・同じ需要入力が、２つのフューチャストロークコントローラ２０に提供され、各コントローラがＬＰＳ１内のそれぞれのフリーピストンムーバ３、２４を制御する。
・各インストロークコントローラ２３、４４は、それぞれのＦＰＭ３、２４に対応するＬＰＳセンサからのインストロークパフォーマンスを評価して、いつストローク遷移閾値条件が発生したかを決定する。
・２つのＦＰＭ３、２４の一方が他方に先行している場合、そのＦＰＭは「リードＦＰＭ（Lead FPM）」と呼ばれ、他方は「ラギングＦＰＭ（Lagging FPM）」と呼ばれ、リード
ＦＰＭの動作は、システム内の第１のストローク遷移閾値条件をもたらす。
・例えば、ＦＰＭ１３がリードＦＰＭである場合、ＦＰＭ１用のインストロークコントローラ２３は、ストローク遷移閾値条件が発生したときを判定し、ストローク終了信号ＥＯＳ１を生成し、これを同期コントローラ２７に通信する。次に、同期コントローラ２７は、ＦＰＭ２ ４４のためのストローク内コントローラにストローク遷移トリガＳＴＲ２を発行し、直ちにストローク終了イベントが信号ＥＯＳ２として同期コントローラ２７に報告される。
・次に、同期コントローラは、イベントＥＯＳ１のタイミングに従って同期誤差ＳＥを決
定する。同期誤差ＳＥは、ＥＯＳ１イベント時におけるＦＰＭ３、２４それぞれの測定されたベース変数の値の間の誤差に基づき、この誤差はＳＥＢＶと称する。あるいは、同期誤差ＳＥは、ＥＯＳ１イベント時におけるＦＰＭ３、２４それぞれの測定された制御変数の値の間の誤差に基づき、この誤差はＳＥＣＶと称する。
・この同期誤差は、ＳＥ２としてＦＰＭ２ ４３のフューチャストロークコントローラに伝えられる。対応する同期ＳＥ１誤差が生成され、好ましくはＳＥ２と比較して大きさが同じ反対の値を有し、ＦＰＭ１ ２０用のフューチャストロークコントローラに伝えられる。同期コントローラの動作がＬＰＳ１の平均動作周波数および全体の出力に実質的に影響を及ぼさないように、ＳＥ１およびＳＥ２と大きさが同じ反対の値が好ましい。
・各フューチャストロークコントローラ２０、４３は、同期誤差の値をその制御目標関数ジェネレータ２６への入力として利用することができる。例えば、ＳＥがＥＯＳ１でＣＶ１ｍとＣＶ２ｍとの間の差として決定された場合、各フューチャストロークコントローラ２０、４３は、次の目標制御変数関数ＣＶ１ｔ（ＢＶ１）’の各目標制御変数の値に一定割合のＳＥＣＶを加えることができる。別の方法として、各追加制御コントローラ２０、４３は、ＳＥＣＶの大きさに基づいて、次の目標制御変数関数ＣＶ１ｔ（ＢＶ１）’における各目標制御変数の値に乗算係数または他の数学的演算を適用することができる。
・なお、ＦＰＭ２ ２４が先頭ＦＰＭである場合や、ＥＯＳ１またはＥＯＳ２におけるＢＶ１ｍとＢＶ２ｍとの差としてＳＥを決定する場合にも、同様の方法や転置方法が適用できることは言うまでもない。
・このようにして、同期コントローラ２７の好ましい実施形態である同期コントローラ２７は、次の目標制御変数関数ＣＶ１ｔ（ＢＶ１）’およびＣＶ２ｔ（ＢＶ２）’に等しい逆の小さな修正を適用することにより、インストロークコントローラ２３、４４は、次のストロークで、リードＦＰＭを減速させて、ラギングＦＰＭを加速させる。複数のストロークの間、この連続的かつ反復的な調整は、２つのフリーピストンムーバ３、２４の間の持続的な同期誤差を効果的に最小化する効果をもたらす。
・同じ需要入力が、２つのフューチャストロークコントローラ２０に提供され、各コントローラがＬＰＳ１内のそれぞれのフリーピストンムーバ３、２４を制御する。
・各インストロークコントローラ２３、４４は、それぞれのＦＰＭ３、２４に対応するＬＰＳセンサからのインストロークパフォーマンスを評価して、いつストローク遷移閾値条件が発生したかを決定する。
・２つのＦＰＭ３、２４の一方が他方に先行している場合、そのＦＰＭは「リードＦＰＭ（Lead FPM）」と呼ばれ、他方は「ラギングＦＰＭ（Lagging FPM）」と呼ばれ、リード
ＦＰＭの動作は、システム内の第１のストローク遷移閾値条件をもたらす。
・例えば、ＦＰＭ１３がリードＦＰＭである場合、ＦＰＭ１用のインストロークコントローラ２３は、ストローク遷移閾値条件が発生したときを判定し、ストローク終了信号ＥＯＳ１を生成し、これを同期コントローラ２７に通信する。次に、同期コントローラ２７は、ＦＰＭ２ ４４のためのストローク内コントローラにストローク遷移トリガＳＴＲ２を発行し、直ちにストローク終了イベントが信号ＥＯＳ２として同期コントローラ２７に報告される。
・次に、同期コントローラは、イベントＥＯＳ１のタイミングに従って同期誤差ＳＥを決
定する。同期誤差ＳＥは、ＥＯＳ１イベント時におけるＦＰＭ３、２４それぞれの測定されたベース変数の値の間の誤差に基づき、この誤差はＳＥＢＶと称する。あるいは、同期誤差ＳＥは、ＥＯＳ１イベント時におけるＦＰＭ３、２４それぞれの測定された制御変数の値の間の誤差に基づき、この誤差はＳＥＣＶと称する。
・この同期誤差は、ＳＥ２としてＦＰＭ２ ４３のフューチャストロークコントローラに伝えられる。対応する同期ＳＥ１誤差が生成され、好ましくはＳＥ２と比較して大きさが同じ反対の値を有し、ＦＰＭ１ ２０用のフューチャストロークコントローラに伝えられる。同期コントローラの動作がＬＰＳ１の平均動作周波数および全体の出力に実質的に影響を及ぼさないように、ＳＥ１およびＳＥ２と大きさが同じ反対の値が好ましい。
・各フューチャストロークコントローラ２０、４３は、同期誤差の値をその制御目標関数ジェネレータ２６への入力として利用することができる。例えば、ＳＥがＥＯＳ１でＣＶ１ｍとＣＶ２ｍとの間の差として決定された場合、各フューチャストロークコントローラ２０、４３は、次の目標制御変数関数ＣＶ１ｔ（ＢＶ１）’の各目標制御変数の値に一定割合のＳＥＣＶを加えることができる。別の方法として、各追加制御コントローラ２０、４３は、ＳＥＣＶの大きさに基づいて、次の目標制御変数関数ＣＶ１ｔ（ＢＶ１）’における各目標制御変数の値に乗算係数または他の数学的演算を適用することができる。
・なお、ＦＰＭ２ ２４が先頭ＦＰＭである場合や、ＥＯＳ１またはＥＯＳ２におけるＢＶ１ｍとＢＶ２ｍとの差としてＳＥを決定する場合にも、同様の方法や転置方法が適用できることは言うまでもない。
・このようにして、同期コントローラ２７の好ましい実施形態である同期コントローラ２７は、次の目標制御変数関数ＣＶ１ｔ（ＢＶ１）’およびＣＶ２ｔ（ＢＶ２）’に等しい逆の小さな修正を適用することにより、インストロークコントローラ２３、４４は、次のストロークで、リードＦＰＭを減速させて、ラギングＦＰＭを加速させる。複数のストロークの間、この連続的かつ反復的な調整は、２つのフリーピストンムーバ３、２４の間の持続的な同期誤差を効果的に最小化する効果をもたらす。
【0202】
図１６は、１つまたは複数のロギング、分析および診断コントローラ２２の遠隔接続性の可能性を示す。各ＬＡＤコントローラ２２によってログに記録された分析および診断データは、フューチャストロークコントローラによってローカルに使用されたり、あるいは問題または報告ステータスの警告に使用されたりする。このデータは、将来の有用な値を判断するためのスケジュールや他のアルゴリズムに従って、あるいは有効期限切れや記憶空間の制約に起因して、記憶され、削除され、または遠隔ホストに通信される。各ＬＡＤコントローラ２２は、ＦＰＭコントローラ１９のコントローラハードウェアに接続されたり、コントローラハードウェア内に統合されたり、あるいはこれに限定されないが、ＴＣＰＩＰもしくはＭＯＤＢＵＳもしくはコントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）を使用するローカルネットワーク上に配備されたり、ＷＡＮもしくはワールドワイドウェブ４２上のリモートサーバ４１上でホストされたりする。また、このアーキテクチャは、複数のロギング、分析および診断コントローラ２２間の通信、例えば、ビークルツーインフラストラクチャ（Vehicle-to-Infrastructure）通信に加えてビークルツービークル（Vehicle-to-Vehicle）分析および診断データを共有することを可能にする。
【0203】
本明細書（通信インターフェースおよびプロトコルを含む）で説明するフューチャストロークコントローラ、ＬＡＤコントローラ、同期コントローラ、インストロークコントローラ、電流コントローラ、ならびにそれらの構成要素のコントローラにおける算出および処理ステップは、統合された電子回路、プログラマブルロジックとして実装可能である。１つまたは複数のプリント回路基板アセンブリ上のアナログ回路またはデジタル回路および埋め込みファームウェアとして、コントローラの機能性またはインターフェース回路の一部または全部のための１つまたは複数の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）が組み込まれてもよい。
【0204】
本出願人は、本明細書に記載される個々の特徴および２つ以上の特徴の任意の組み合わせを開示し、そのような特徴または組み合わせは、そのような特徴または特徴の組み合わせが本明細書に開示される任意の問題を解決するかどうかに関わらず、当業者の一般的な知識に照らして、全体として本明細書の開示内容に基づいて実現可能であり、特許請求の範囲を限定するものでもない。また、本出願人は、本発明の態様が、それら個々の特徴または特徴の組み合わせからもたらされるものであってもよいことを示す。上記の説明を鑑みて、本発明の範囲内で種々の変更を加えることができることが当業者に自明である。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】