CN111661141B - 马达通电控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供马达通电控制方法,即使发生了相失效,也能够继续进行马达驱动而跨越死点。在发生了相失效时,当电角度位于比输出扭矩为零的扭矩死点提前规定的角度的一侧、并且电动马达(15)的转速和操舵扭矩满足规定的条件的情况下,使电角度返回,向反方向通相电流,直至到达第1电角度(θ4),使电动马达(15)反向旋转。然后,向正方向通相电流,使电动马达(15)正转,直至到达第2电角度(θ5),按照通过保持足够的角速度来跨越扭矩死点的方式进行控制。
Description
技术领域
本发明涉及例如在电动助力转向装置等中使用的马达通电控制方法。
背景技术
近年来,在电动助力转向装置中,以下的需求提高:在三相电动马达的一相发生了异常的情况下,不停止马达控制而通过其余的正常的两相来继续驱动(助力)电动马达。在这样的相失效中,在与故障相对应的电角度附近,马达扭矩降低,产生方向盘无法转动的区域。因此,至今,通过越过相故障时的马达扭矩降低区域而提高操舵感成为课题。
例如专利文献1公开了以下电动助力转向装置:在基于两相的马达驱动时,在操舵扭矩和电动马达所产生的操舵辅助扭矩之和与外力平衡而无法跨越马达扭矩降低的区域时,使相电流指令值减小,借助外力(操舵反作用力)使电角度返回,然后使指令电流值增加,使马达加速,从而跨越马达扭矩降低的区域。
专利文献1:日本特许第5610048号公报
在上述专利文献1的电动助力转向装置中,在操舵扭矩和操舵辅助扭矩之和与外力平衡时使电流指令值降低,在电角度处于由马达扭矩降低区域和马达扭矩产生区域构成的加速区域时使电流指令值增加。因此,从马达助力消失的状态返回,因此存在给予驾驶员的操舵的阻滞感增大这样的问题。
作为其他技术,也提出有以下结构:在电角度处于加速区域时对电流指令值进行增加校正而使马达的旋转加速,从而跨越马达扭矩降低的区域,但是,例如在停车时等车速为低速时,存在很难仅通过加速来跨越马达扭矩降低的区域这样的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述的而完成的,其目的在于,提供即使多相中的一相发生了失效,也能够对电动马达进行驱动控制从而继续进行顺畅的助力的马达通电控制方法。
作为实现上述的目的、解决上述的课题的一个手段,具有以下结构。即,本申请的例示的第1发明是一种马达通电控制方法,应用于通过三相以上的多相电动马达对车辆等的驾驶员的操舵进行辅助的电动助力转向装置,其特征在于,所述马达通电控制方法具有如下工序:检测工序,检测有无所述多相中的任意一相的失效;相电流计算工序,当在所述检测工序中检测到所述失效的情况下,计算针对除了该失效相之外的其余的相的相电流;判定工序,当在所述检测工序中检测到所述失效的情况下,判定所述电动马达的电角度是否位于比该电动马达的输出扭矩为零的电角度提前规定的角度的一侧、至少该电动马达的转速和操舵扭矩是否满足规定的条件;第1控制工序,当在所述判定工序中判定为所述电动马达的电角度位于所述提前规定的角度的一侧、并且该电动马达的转速和操舵扭矩满足所述规定的条件的情况下,使电角度向反方向返回,并且在与操舵方向相反的方向上对该电动马达通在所述相电流计算工序中计算出的相电流,直至到达该电动马达的输出扭矩为规定的扭矩的第1目标电角度;以及第2控制工序,在所述电动马达的电角度到达所述第1目标电角度之后,在操舵方向上对该电动马达通在所述相电流计算工序中计算出的相电流,直至到达第2目标电角度。
本申请的例示的第2发明是一种电动助力转向控制装置,其通过三相以上的多相电动马达对车辆等的驾驶员的操舵进行辅助,其特征在于,所述电动助力转向控制装置具有:检测部,其检测有无所述多相中的任意一相的失效;以及控制部,其在所述检测部检测到所述失效的情况下,通过上述例示的第1发明的马达通电控制方法而对所述电动马达进行驱动控制。
本申请的例示的第3发明是一种电动助力转向系统,其特征在于,所述电动助力转向系统具有上述例示的第2发明的电动助力转向控制装置。
根据本发明,在相失效时,预测电动马达的旋转停止的扭矩死点的到来,通过在旋转停止前进行加速控制来跨越扭矩死点,能够继续进行向转向方向的顺畅的助力。
附图说明
图1是示出使用了本发明的实施方式的马达通电控制方法的电动助力转向装置(系统)的概略结构的图。
图2是示出马达控制装置的结构的框图。
图3是示出两相通电控制时的相对于电角度的相电流以及与该相电流对应的输出扭矩的图。
图4是示出实施方式的马达控制装置的两相通电控制时的马达的电角度、输出扭矩以及马达的转速的关系的图。
图5是按照时间顺序示出跨越控制的过程的流程图。
图6是示意性地示出跨越控制中的电角度的时间变化的一例的图。
标号说明
1:电动助力转向装置(系统);2:方向盘;3:旋转轴;4:减速齿轮;6:小齿轮;7:齿条轴;9:扭矩传感器;10:马达控制装置;11:中央控制部(CPU);12:切换部;13:逆变器控制部;14:马达驱动部;15:电动马达;17:电流检测部(电流传感器);19:旋转传感器(电角度传感器);21:正常通电控制部;23:目标相电流计算部;31:两相通电控制部;32:失效相判定部;33:跨越控制部;37:两相通电目标相电流计算部;R1~R2:分流电阻。
具体实施方式
以下,参照附图对本发明的一个实施方式进行详细说明。图1是使用了本发明的实施方式的马达通电控制方法的电动助力转向装置(系统)的概略结构。图1的电动助力转向装置1具有作为电子控制单元((Electronic Control Unit:ECU)的马达控制装置10、作为操舵部件的方向盘2、与方向盘2连接的旋转轴3、小齿轮6、齿条轴7等。
旋转轴3与设置于其前端的小齿轮6啮合。通过小齿轮6,旋转轴3的旋转运动被转换为齿条轴7的直线运动,设置于齿条轴7的两端的一对车轮5a、5b被操舵为与该齿条轴7的位移量对应的角度。
在旋转轴3上设置有检测方向盘2被操作时的操舵扭矩的扭矩传感器9,检测到的操舵扭矩被输送给马达控制装置10。马达控制装置10生成基于由扭矩传感器9取得的操舵扭矩、来自车速传感器(未图示)的车速等信号的马达驱动信号,并将该信号输出给电动马达15。
从被输入了马达驱动信号的电动马达15输出用于对方向盘2的操舵进行辅助的辅助扭矩,该辅助扭矩经由减速齿轮4传递给旋转轴3。其结果为,利用电动马达15所产生的扭矩对旋转轴3的旋转进行助力,从而对驾驶员的转向操作进行辅助。
接下来,对本实施方式的马达控制装置的结构和控制动作进行说明。
<马达控制装置的结构>
图2是示出图1的马达控制装置10的结构的框图。在图2中,马达控制装置10将电动马达15作为驱动对象。电动马达15例如是三相(U、V、W)无刷马达。
马达控制装置10具有对装置整体进行控制的中央控制部(CPU)11、接收来自CPU11的控制信号而生成马达驱动信号(PWM信号)的逆变器控制部13、以及作为向电动马达15的各马达线圈提供规定的驱动电流的逆变器电路(INV)的马达驱动部14等。
逆变器控制部13也被称为预驱动器部(PrDr),该预驱动器部作为FET驱动电路而发挥功能。构成马达驱动部14的半导体开关元件(FET1~FET6)与电动马达15的各相对应。具体而言,FET 1、2与U相对应,FET 3、4与V相对应,并且,FET 5、6与W相对应。
FET 1、3、5分别是U相、V相、W相的上臂(也称为高侧(HiSide))的开关元件,FET 2、4、6分别是U相、V相W相的下臂(也称为低侧(LoSide))的开关元件。开关元件(FET)也被称为功率元件,例如使用MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor:金属氧化物半导体场效应晶体管)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:绝缘栅双极型晶体管)等开关元件。
构成桥接电路的FET 1、3、5的漏极端子与电源侧连接,源极端子与FET 2、4、6的漏极端子连接。另外,FET 2、4、6的源极端子与接地端(GND)侧连接。
马达控制装置10的CPU 11具有:正常通电控制部21,其生成与没有相失效等故障的正常驱动时(三相通电驱动时)对应的马达驱动信号(PWM信号);以及两相通电控制部31,其生成与发生了相失效等故障时对应的马达驱动信号(PWM信号)。
正常通电控制部21具有计算三相目标相电流以进行没有相故障的正常时的马达控制的目标相电流计算部23。另一方面,由于在一相发生故障时进行基于其他两相的通电控制等,因此两相通电控制部31具有跨越控制部33、180°通电用电角度计算部35、以及计算两相目标相电流以在相故障时进行马达控制的两相通电目标相电流计算部37。
在马达驱动部14配置有与各相对应设置的电流检测部(电流传感器)17。电流检测部17使用运算放大器等放大电路来检测在马达驱动电流检测用的分流电阻R1~R2中流动的直流电流。在电动马达15搭载有检测其转子的旋转位置的旋转传感器(电角度传感器)19。另外,向CPU 11输入由检测车辆的行驶速度的速度传感器(未图示)检测到的信号。
电流检测部17中的电流检测值、旋转传感器19中的马达旋转角等被转换为数字数据而输出给两相通电控制部31内的失效相判定部32。失效相判定部32根据这些输入数据来判定在马达控制装置10中有无相失效。
另外,也可以设置以下结构:对提供给逆变器控制部13的各相的电压指令值或者提供给马达驱动部14的各相的脉冲宽度调制信号与各相的马达电压进行比较,将该比较结果发送给失效相判定部32。由此,失效相判定部32能够将各相的不导通、短路异常检测为相失效。
由失效相判定部32向切换部12输入与有无相失效等故障对应的切换信号。切换部12根据该切换信号,切换正常驱动时的马达驱动信号和两相通电时的马达驱动信号,并将切换后的马达驱动信号提供给逆变器控制部13。
<马达控制装置的动作>
在正常控制时,马达控制装置10通过由相位相互相差120°的U相、V相、W相的电流构成的三相交流而对电动马达15进行控制。在由于构成逆变器电路的马达驱动部14的故障、电动马达15的马达线圈或者与马达线圈连接的动力线(马达线)的断线等而导致一相失效的情况下,如果将三相交流的两相的电流直接通给电动马达15,则除了一部分外,输出扭矩降低。
因此,本实施方式的马达控制装置在一相失效时,切换为基于下述式子(1)所定义的相电流的控制。即,进行在使相电流Iu、v、w中的除了失效相以外的两相的电流不超过限制值的范围内维持输出扭矩的两相通电控制。
在两相通电时,两相通电控制部31的跨越控制部33覆盖写输入到马达控制装置10的目标扭矩。而且,除了相对于失效相的旋转角,两相通电目标相电流计算部37计算与两相通电对应的目标相电流。
图3的(a)示出了两相通电控制时的相对于电角度的相电流,图3的(b)是与图3的(a)的相电流对应的输出扭矩。均例示了失效相为W相的情况。
要想计算与两相通电对应的目标相电流,使用公知的数学方法,根据式子(1),将与失效相对应的规定的旋转角作为渐近线,计算像图3的(a)所示那样呈正割曲线(cosθ的倒数)或余割曲线(sinθ的倒数)状变化的目标相电流。
能够向电动马达15的各线圈通电的电流存在上限。因此,在图3的(a)中的标号A~D所示的区域中,消除峰值,限制相电流,使得不会成为电动马达、开关元件等的额定电流以上。另外,在两相通电控制中,在为0°或180°附近,大部分的电流大部分变为无效,因此在图3的(a)中的标号a~c所示的区域中,将电流设为0。这里,不进行弱磁通控制。
由此,在一相发生了失效的情况下,即使想要对电动马达15通电流,也会以电角度180°为单位而产生电动马达15不产生输出扭矩、马达不旋转的点(在图3的(b)中标号DP1~DP3所示)。这些点被称为扭矩死点(以下,也简称为死点),是指陷入方向盘无法转动的状态的点。
<两相通电控制>
图4示出了本实施方式的马达控制装置中的两相通电控制(适当地,也称为跨越控制)时的马达的电角度、输出扭矩以及马达的转速的关系。另外,图5是按照时间顺序示出跨越控制的过程的流程图。
马达控制装置10的CPU 11按照保存于ROM(只读存储器)等存储器(未图示)中的程序而进行与后述的相故障对应的控制。
首先,在图5的步骤S11中,CPU 11的失效相判定部32根据像上述那样与各相对应设置的电流检测部的电流检测结果、马达旋转角等来判断在马达控制装置10中有无相失效等故障。如果没有相失效等,则在步骤S40中进行正常的控制(由正常通电控制部21进行的三相通电驱动)。
当存在相失效等的情况下,由于死点根据失效的相而不同,因此在步骤S13中,失效相判定部32判断U相、V相、W相中的哪相是失效相,并且对切换部12输出切换信号。由此,马达控制装置10能够从正常驱动时的马达驱动控制向与相失效时对应的两相通电控制转移。
180°通电用电角度计算部35调整在跨越控制中使用的电角度。如上所述,死点每180°产生一次,因此对电角度进行偏置而将其限制在180°的范围内,由此消除了每个失效相的死点位置的偏差。具体而言,如图4所示,使扭矩输出为最大的电角度对准0°,使扭矩输出为零(死点)的电角度对准±90°。
如图3的(b)以及图4中的标号41所示那样,一相失效时的电动马达15的输出扭矩随着接近死点DP而逐渐降低。因此,在图5的步骤S15中,跨越控制部33例如根据像图4的标号43所示那样输出扭矩降低的区域中的电动马达15的转速、操舵扭矩以及电角度,预测凭借当前驾驶员的操舵力是否能够跨越死点DP、或者是否很难跨越死点DP。
具体而言,在上述的输出扭矩降低的区域中,当电动马达15的转速例如小于每秒2转、操舵扭矩例如小于2Nm(相当于驾驶员以某种程度转动方向盘的情况)、并且电角度位于比电动马达15的输出扭矩为零的电角度(图4的θ3)提前规定的角度(例如45°)的一侧时,判断为很难跨越死点。
另外,上述的判定阈值是为了缓和在进行两相通电的情况下产生的振动而能够进行校准的参数。
当在步骤S15中判断为凭借当前驾驶员的操舵力能够跨越死点的情况下,在步骤S50中,对电动马达15进行加速控制而向驾驶员的操舵方向进行助力,由此易于跨越死点。
另一方面,在预测为很难跨越死点的情况下,暂时使电动马达15向与驾驶员的操舵方向相反的方向旋转,进行用于意图取得驾驶员的操舵力的跨越控制。
即,在步骤S17中,两相通电目标相电流计算部37根据由180°通电用电角度计算部35计算出(调整后)的两相通电用电角度和来自跨越控制部33的助力扭矩,计算用于进行相故障时的马达控制的两相目标相电流。
在步骤S19中,像图4中轨迹P1-P2(虚线部分)所示那样,使电角度向反方向返回,直至达到电动马达15的输出扭矩为最大的目标电角度(图4的θ4),并且在与操舵方向相反的方向上对电动马达15通在步骤S17中计算出的相电流。图4的轨迹P1'-P2'(虚线部分)表示向反方向旋转的电动马达的转速。
像上述那样使电角度向反方向返回相当于用于对后述的加速控制蓄势(助跑)的控制。由此,在步骤S19中使电角度向反方向返回时的目标电角度(θ4)能够根据要在加速控制中输出的扭矩等而进行调整(换言之,改变助跑距离)。
在开始上述的跨越控制之后,当在步骤S21中判断为产生了超过规定的值(例如2Nm)的反方向的操舵扭矩的情况下、或者判断为车速为低速(例如,时速不到3km)的情况下,认为不需要跨越死点的跨越控制,前进到步骤S35,中断跨越控制。然后,返回到正常的两相控制(步骤S33)。通过这样中断跨越控制,能够避免由于进行跨越控制而导致妨碍操舵、方向盘晃动等。
在开始跨越控制之后,当没有产生上述那样的反方向的操舵扭矩等并在步骤S23中判断为电角度达到了目标返回角(θ4)的情况下,在步骤S25中切换电流。即,在操舵方向(正方向)上对电动马达15通在步骤S17中计算出的相电流。由此使电动马达15加速。
在电动马达加速后,当在步骤S27中判断为操舵扭矩不到规定的值(例如1Nm)的情况下,认为驾驶员没有转动手柄、不需要跨越,前进到步骤S35,中断跨越控制,返回到正常的两相控制(步骤S33)。
另一方面,如果在步骤S27中判断为操舵扭矩为规定的值以上,则在步骤S29中判断跨越是否完成。这里,判断是否在达到上述的目标电角度(θ4)之后达到了下一个目标电角度θ5(例如,向正方向与扭矩为零的角度θ3相差例如30°的范围内的电角度)。在图4所示的例子中,当电角度达到+120°时判断为跨越完成。
另外,目标电角度(θ5)是判断为扭矩恢复的点,因此例如在使用了马达控制装置10的电动助力转向装置的情况下,能够根据搭载有该电动助力转向装置的车辆等而进行调整。
如上所述,在图4中用轨迹P2-P3(双点划线部分)来表示电流方向切换后的电动马达15的输出扭矩的变化。另外,在图4中用轨迹P2'-P3'(双点划线部分)来表示此时的马达转速的变化。
当在步骤S29中确认为完成了跨越控制的情况下,在马达控制装置10中,使驾驶员的操舵力与电动马达15的输出扭矩一致,跨越了死点DP。由此,之后返回到正常的两相控制(步骤S33)。
另一方面,在跨越控制未完成的情况下,在步骤S31中判断跨越是否失败。例如,当在上述的步骤S19中向反方向通相电流之后经过了规定的时间后,电角度也未达到θ5的情况下,判断为跨越失败。
上述的规定的时间例如设为小于500msec的时间。由此,在到跨越正常结束为止的时间比设定的时间长的情况下,认为无法跨越,使处理返回到步骤S17,再次执行跨越死点的跨越控制(加速控制)。
图6示意性地示出了上述的超越控制(加速控制)中的电角度的时间变化的一例。如图6所示,如果在控制状态处于正常控制状态61时接近死点,则在位于死点紧前的点P1(相当于图4的P1),开始马达的反转控制,转移到反转控制状态62。
当在反转控制状态62下到达点P2(相当于图4的P2)时,开始马达的正转控制,转移到正转控制状态63。然后,当在正转控制状态63下到达点P3(相当于图4的P3)时,认为跨越控制(加速控制)结束,返回到正常控制状态64。
另一方面,在不进行跨越控制(加速控制)的情况下,在点P1,不转移到马达的反转控制。其结果为,如图6中虚线所示,到达不产生扭矩的死点DP,电动马达的转速降低,在反作用力大的情况下,电动马达停止。
像以上所说明的那样,在控制多相电动马达的马达控制装置中,当在多相中的任意一相发生了失效时电角度位于比输出扭矩为零的电角度(扭矩死点)提前规定的角度的一侧、并且电动马达的转速和操舵扭矩满足规定的条件的情况下,使该电角度返回,向反方向通相电流,直至到达输出扭矩成为规定的值(例如最大输出扭矩)的第1电角度,使马达反向旋转。接着,向正方向通相电流,使马达正转,直至到达第2电角度,由此按照在扭矩死点保持足够的角速度的方式进行控制。
这样,容易判断凭借当前驾驶员的操舵力是否能够跨越死点,在一相失效时,在方向盘的操舵方向与电动马达的旋转方向一致的阶段,预测电动马达的旋转停止即扭矩死点的到来,能够不使电动马达的旋转停止地进行加速。
其结果为,在通过基于除了失效相以外的相的简化的马达驱动而继续进行助力时,例如在驾驶员的操舵方向上以最大输出继续进行电动马达的驱动,使驾驶员的操舵力与电动马达的输出扭矩一致,从而能够跨越死点,能够提供顺畅的操舵助力。
另一方面,如果通过硬件结构而使电动马达及其控制装置的电路完全冗余化,虽然能够实现系统整体不会因一部分的故障而停止的低故障率的系统,但这样的系统成本高。由此,通过像上述的实施方式的马达控制装置那样进行基于软件的失效时控制的冗余化,能够提供低成本的马达控制装置。
本发明不限于上述实施方式,能够进行各种变形。关于中断跨越控制的方式,不限于上述条件下的中断,例如,也可以对在图5的步骤S31中判定为跨越死点失败、返回到步骤S17而再次执行跨越控制(加速控制)的次数设置限制(例如3次)。
通过这样限制跨越控制(加速控制)的重试次数,能够迅速地判断为处于无法跨越死点的状态,能够避免由于无法跨越而导致产生伴随着扭矩变动的噪声、振动等。
另外,在通过三相以上的多相电动马达对车辆等的驾驶员的操舵进行辅助的电动助力转向控制装置、或者具有该电动助力转向控制装置的电动助力转向系统中,通过上述实施方式的马达通电控制方法对马达进行驱动控制,从而即使例如三相中的一相发生了故障,也能够通过基于其余的两相的跨越死点的跨越控制而继续进行助力。
而且,在上述的电动助力转向控制装置或电动助力转向系统中,也可以设置可视的显示单元,以使驾驶员等知道在操舵时正在执行跨越控制(加速控制)。
Claims (10)
1.一种马达通电控制方法,应用于通过三相以上的多相电动马达对车辆的驾驶员的操舵进行辅助的电动助力转向装置,其特征在于,
所述马达通电控制方法具有如下工序:
检测工序,检测有无所述多相中的任意一相的失效;
相电流计算工序,当在所述检测工序中检测到所述失效的情况下,计算针对除了该失效相之外的其余的相的相电流;
判定工序,当在所述检测工序中检测到所述失效的情况下,判定所述电动马达的电角度是否位于比该电动马达的输出扭矩为零的电角度提前规定的角度的一侧、至少该电动马达的转速和操舵扭矩是否满足规定的条件;
第1控制工序,当在所述判定工序中判定为所述电动马达的电角度位于所述提前规定的角度的一侧、并且该电动马达的转速和操舵扭矩满足所述规定的条件的情况下,使电角度向反方向返回,并且在与操舵方向相反的方向上对该电动马达通在所述相电流计算工序中计算出的相电流,直至到达该电动马达的输出扭矩为规定的扭矩的第1目标电角度;以及
第2控制工序,在所述电动马达的电角度到达所述第1目标电角度之后,在操舵方向上对该电动马达通在所述相电流计算工序中计算出的相电流,直至到达第2目标电角度。
2.根据权利要求1所述的马达通电控制方法,其特征在于,
所述规定的扭矩是所述电动马达的最大输出扭矩。
3.根据权利要求1所述的马达通电控制方法,其特征在于,
在所述第1控制工序中在与操舵方向相反的方向上流动的相电流和在所述第2控制工序中在操舵方向上流动的相电流是所述电动马达的额定最大电流。
4.根据权利要求1所述的马达通电控制方法,其特征在于,
所述马达通电控制方还具有以下工序:在所述电动马达的电角度到达了所述第2目标电角度后,降低在所述操舵方向上流动的相电流而驱动该电动马达。
5.根据权利要求1所述的马达通电控制方法,其特征在于,
当在所述第1控制工序中判定为反方向的操舵扭矩为规定的值以上的情况下、或者判定为车速不到规定的值的情况下,中断该第1控制工序。
6.根据权利要求1所述的马达通电控制方法,其特征在于,
在从所述第1控制工序开始经过了规定的时间后未达到所述第2目标电角度的情况下,再次执行所述第1控制工序和所述第2控制工序。
7.根据权利要求6所述的马达通电控制方法,其特征在于,
所述规定的时间为比500msec短的时间,所述第2目标电角度为向正方向与输出扭矩为零的电角度相差30°的范围内的角度。
8.根据权利要求6所述的马达通电控制方法,其特征在于,
在所述第1控制工序和所述第2控制工序的执行次数为规定的值以上的情况下,中断该第1控制工序和该第2控制工序。
9.一种电动助力转向控制装置,其通过三相以上的多相电动马达对车辆的驾驶员的操舵进行辅助,其特征在于,
所述电动助力转向控制装置具有:
检测部,其检测有无所述多相中的任意一相的失效;以及
控制部,其在所述检测部检测到所述失效的情况下,通过权利要求1至8中的任意一项所述的马达通电控制方法而对所述电动马达进行驱动控制。
10.一种电动助力转向系统,其特征在于,
所述电动助力转向系统具有权利要求9所述的电动助力转向控制装置。
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