JP2022077653A - モータ制御装置及びモータ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】瞬低発生を検出することにより瞬低時に適した制御を実行可能なモータ制御装置を提供することである。
【解決手段】モータ制御装置であって、交流電源から供給された交流電力を整流する整流回路と、前記整流回路の出力を平滑する平滑回路と、前記平滑回路の出力をモータに印加することでモータを駆動するモータ駆動部と、前記平滑回路の出力の電圧を検出する電圧検出部と、前記モータ駆動部が前記モータに印加する電圧を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記電圧検出部で検出した電圧に基づき、前記交流電源の電圧低下状態を判定し、前記電圧低下状態であると判定した場合に、前記モータ駆動部が前記モータに印加する電圧の制御に、減速時パターンを適用する。
【選択図】図1
【解決手段】モータ制御装置であって、交流電源から供給された交流電力を整流する整流回路と、前記整流回路の出力を平滑する平滑回路と、前記平滑回路の出力をモータに印加することでモータを駆動するモータ駆動部と、前記平滑回路の出力の電圧を検出する電圧検出部と、前記モータ駆動部が前記モータに印加する電圧を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記電圧検出部で検出した電圧に基づき、前記交流電源の電圧低下状態を判定し、前記電圧低下状態であると判定した場合に、前記モータ駆動部が前記モータに印加する電圧の制御に、減速時パターンを適用する。
【選択図】図1
Description
本発明は、モータの駆動制御を行うモータ制御装置及びモータ装置に関する。
従来、モータの駆動制御を行うモータ制御装置が知られている。例えば特許文献1に記載の発明では、交流電源を整流して得られる直流電源の電圧が変動する場合に、この電圧変動による駆動電流の変動を打ち消すように駆動素子を駆動し、これによりモータの振動及び騒音を低減しようとしている。
ところが、従来は交流電源の低下(以下「瞬低」という)が発生した場合の検出並びに、その場合の制御については考慮しておらず、その対応ができなかった。このため、従来、瞬低時にモータの振動及び騒音が生じてしまう可能性があった。
また、モータを一定速度で回転させる駆動制御が行われている場合、瞬低状態であるにもかかわらず回転速度を維持しようとする場合がある。この場合、平滑用コンデンサの負担が大きくなり、部品寿命の短縮を招く可能性があった。
本発明の目的は、瞬低発生を検出することにより瞬低時に適した制御を実行可能なモータ制御装置を提供することである。
本願の例示的な第1発明は、モータ制御装置であって、交流電源から供給された交流電力を整流する整流回路と、前記整流回路の出力を平滑する平滑回路と、前記平滑回路の出力をモータに印加することでモータを駆動するモータ駆動部と、前記平滑回路の出力の電圧を検出する電圧検出部と、前記モータ駆動部が前記モータに印加する電圧を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記電圧検出部で検出した電圧に基づき、前記交流電源の電圧低下状態を判定し、前記電圧低下状態であると判定した場合に、前記モータ駆動部が前記モータに印加する電圧の制御に、減速時パターンを適用する。
本願の例示的な第1発明によれば、交流電源の電圧低下状態に応じて減速時パターンを適用するので、モータの振動及び衝撃を抑制することができる。
また、本願の例示的な第1発明によれば、減速時パターンにより、平滑回路の負担を軽減し、部品寿命の短縮を防ぐことができる。
また、本願の例示的な第1発明によれば、減速時パターンにより、平滑回路の負担を軽減し、部品寿命の短縮を防ぐことができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
[第1実施形態]
<全体構成>
図1は、本発明の第1実施形態に係るモータ装置の概略構成を示すブロック図である。モータ装置1は、モータ2によりファンを駆動して送風する送風装置に適用される。モータ2は、3相のブラシレス直流モータである。例えば、当該送風装置は、室内の換気装置として用いられる。
<全体構成>
図1は、本発明の第1実施形態に係るモータ装置の概略構成を示すブロック図である。モータ装置1は、モータ2によりファンを駆動して送風する送風装置に適用される。モータ2は、3相のブラシレス直流モータである。例えば、当該送風装置は、室内の換気装置として用いられる。
モータ装置1は、モータ制御装置100と、モータ2と、を備える。モータ2は、モータ制御装置100によって制御される。モータ制御装置100は、整流回路3、平滑回路C、電圧検出部10A、モータ駆動部5及び制御部9を備える。
モータ装置1において、交流電源4から供給された交流電力は、整流回路3により整流される。整流回路3は、ダイオードD1、D2、D3及びD4を使用した全波整流回路を含む。本発明は全波整流に限られるものではなく、半波整流であってもかまわない。整流された電流は、平滑回路の一例である平滑回路Cにより平滑化される。平滑回路Cは、平滑用コンデンサを備える。これにより、交流電源4から供給された電流の電圧は、直流電圧VBUSとなって、モータ駆動部5に印加される。例えば、モータ駆動部5は、インバータである。
ここでモータ駆動部5は、駆動素子7U、7V、7W、8U、8V及び8Wによる3組の直列回路を含む。駆動素子7U、7V、7W、8U、8V及び8Wとしては、例えばトランジスタ、FET(Field effect transistor)等を使用できる。各直列回路は、直流電源及びアースライン間に配置される。各直列回路の接続中点は、それぞれモータ2のU相、V相、W相の巻き線に接続される。
また、モータ駆動部5は、駆動素子7U、7V、7W、8U、8V及び8Wを備える。各駆動素子7U、7V、7W、8U、8V及び8Wは、ベース(ゲート)に入力される信号によりスイッチングする。これにより、モータ駆動部5は、駆動素子7U、7V、7W、8U、8V及び8Wの出力電圧によりモータ2を駆動する。なお、各駆動素子7U、7V、7W、8U、8V及び8Wには、それぞれモータ電流回生用のダイオードが設けられている。
また、モータ装置1において、制御部9は、マイクロコンピュータ(マイコン)である。制御部9には、図示しない電源回路により、交流電源から低電圧の直流電源に変換された直流電源が入力される。電圧検出部10Aは、駆動素子7U、7V、7W、8U、8V及び8Wに印加される印加電圧VBUSを計測する。印加電圧VBUSは、直流電圧である。
本実施形態では、電圧検出部10Aとしては、例えば分圧回路が用いられる。この分圧回路は、抵抗R1及びR2を含む。この分圧回路は、駆動素子7U、7V、7W、8U、8V及び8Wに印加される直流電圧を分圧する。制御部9は、アナログディジタル変換回路を備える。アナログディジタル変換回路は、分圧回路で分圧された直流電圧が入力される。これにより制御部9は、駆動素子7U、7V、7W、8U、8V及び8Wに印加され印加電圧VBUSを計測する。
また、電流検出回路10Bは、電流検出用抵抗RIを含み、回路グランドラインに設けられる。これにより、モータ装置1は、各相の駆動電流の加算電流を検出できるように構成される。制御部9には、電流検出回路10Bによる検出結果が内蔵のアナログディジタル変換回路を介して入力される。これにより、制御部9は、各相の駆動電流IBUSを検出する。
制御部9は、所定の処理手順の実行により、これらアナログディジタル変換回路を介して得られる直流電源の電圧VBUS、および、各相の駆動電流の検出結果に基づいて、モータ駆動部5の動作を制御する。モータ駆動部5は、平滑回路の出力をモータに印加することでモータを駆動するモータ駆動部の一例である。制御部9は、モータ駆動部5がモータに印加する電圧VBUSを制御する制御部の一例である。電圧検出部10Aは、平滑回路の出力の電圧を検出する電圧検出部の一例である。以下の説明では、電圧検出部10Aで計測した電圧VBUSが、検出電圧VMであるとして説明する。
図2は、モータ駆動部5に印加される電圧VBUSの波形の一例を示す波形図である。電圧波形は、電源電圧の周波数に応じたリップルを有する波形である。本実施形態において、制御部9は、モータ2の駆動制御に、ワイド窓(Wide Window、以下「第1窓」という)及びスモール窓(Small Window、以下「第2窓」という)を用いる。第1窓及び第2窓は、注目すべき一定の時間範囲を意味する。第2窓の時間範囲は、第1窓の時間範囲よりも短く、第2窓は第1窓に含まれる。例えば、第1窓は25Hzの周期を有し、第2窓は2000Hzの周期を有する。この場合、1つの第1窓の中には、80個の第2窓が含まれる。第1窓の時間範囲は、第1時間幅の一例である。第2窓の時間範囲は、第2時間幅の一例である。制御部9は、第1窓及び第2窓において検出した電圧VMに応じて、モータ2の駆動制御を行う。
nは、第1窓内の第2窓をカウントするカウンタである。Vmax[n]は、第1窓の中でn+1番目の第2窓で検出した電圧VMのうちの最大値である。Vmin[n]は、第1窓の中でn+1番目の第2窓で検出した電圧VMのうちの最小値である。
図3は、制御部9による制御の一例を示すフローチャートである。図4は、制御部9による制御の一例を示すフローチャートであって図3に続く処理を示す図である。図5は、制御部9による制御の一例を示すフローチャートであって図4に続く処理を示す図である。
制御部9は、電圧検出部10Aによって検出した電圧VMに応じた制御を実施する。ステップS301において、制御部9は、電圧スキャンを実施する。ここで、ステップS301の処理の詳細について図6を参照して説明する。
図6は、図3のステップS301の電圧スキャンの一例を示すフローチャートである。ステップS401において、制御部9は、第1窓についての各種パラメータの初期設定を行う。制御部9は、カウンタnを0にする。制御部9は、今回の制御時の第1窓での最大電圧VWmaxを0にする。制御部9は、今回の制御時の第1窓での最小電圧VWminを、最小電圧よりも大きな規定電圧であるVM_MAXにする。制御部9は、最大電圧を検出した時間を示すt_vmaxを0にする。制御部9は、最小電圧を検出した時間を示すt_vminを0にする。最大電圧VWmaxは、第1窓の時間範囲における最大値である検出電圧最大値の一例である。最小電圧VWminは、第1窓の時間範囲における最大値である検出電圧最小値の一例である。
ステップS402において、制御部9は、第1窓の時間が経過したかを判定する。すなわち制御部9は、Wide Window Time(今回の制御時の第1窓内での経過時間)がTmax(1つの第1窓の時間)未満であれば、ステップS403に進む。制御部9は、Wide Window TimeがTmax以上であれば、図6の処理を終了し、図3のステップS302に進む。
ステップS403において、制御部9は、第2窓についての各種パラメータの初期設定を行う。制御部9は、今回の制御時の第2窓での最大電圧VSmaxを0にする。制御部9は、今回の制御時の第2窓での最小電圧VSminを、最小電圧よりも大きな規定電圧であるVM_MAXにする。
ステップS404において、制御部9は、第2窓の時間が経過したかを判定する。すなわち制御部9は、Small Window Time(今回の制御時の第2窓内での経過時間)がTsmall(1つの第2窓の時間)未満であれば、ステップS405に進む。制御部9は、Small Window TimeがTsmall以上であれば、ステップS411に進む。
ステップS411において、制御部9は、今回の制御時の第2窓での最大電圧であるVmax[n]をVSmaxにする。また、ステップS411において、制御部9は、今回の制御時の第2窓での最小電圧であるVmin[n]をVSminにする。本実施形態によれば、第1窓の周期よりも短い第2窓の周期で、最大値、最小値を求めることで、より精度の高い最大値、最小値を求めることができる。続くステップS412において、制御部9は、カウンタnをインクリメント(1だけ増加)してステップS404に戻り、次の第2窓での処理を実行する。
ステップS405において、制御部9は、検出電圧VMとVSmaxを比較する。制御部9は、検出電圧VMがVSmax以下であれば、ステップS408に進む。制御部9は、検出電圧VMがVSmaxよりも大きければ、ステップS406に進む。
ステップS406において、制御部9は、検出電圧VMとOVを比較する。OVは高電圧側の規定電圧である。制御部9は、検出電圧VMがOV以上であれば、ステップS408に進む。制御部9は、検出電圧VMがOVよりも小さければ、ステップS407に進む。ステップS407において、制御部9は、VSmaxを検出電圧VMにする。
ステップS408において、制御部9は、検出電圧VMとUVを比較する。UVは低電圧側の規定電圧である。制御部9は、検出電圧VMがUV以下であれば、ステップS404に戻る。制御部9は、検出電圧VMがUVよりも大きければ、ステップS409に進む。
ステップS409において、制御部9は、検出電圧VMとVSminを比較する。制御部9は、検出電圧VMがVSmin以上であれば、ステップS404に戻る。制御部9は、検出電圧VMがVSminよりも小さければ、ステップS410に進む。ステップS410において、制御部9は、VSminを検出電圧VMにする。続いて制御部9は、ステップS404に戻る。
図6の処理が終了したら、制御部9は、図3のステップS302に進む。ステップS302において、制御部9は、第1窓の時間が経過したかを判定する。すなわち制御部9は、経過時間が第1窓の時間以上であれば、ステップS303に進む。制御部9は、経過時間が第1窓の時間未満であれば、ステップS304に進む。ステップS303において、制御部9は、第1窓の中での最大電圧及び最小電圧を求める処理を実施する。ここで、ステップS303の処理の詳細について図7を参照して説明する。
図7は、図3のS303の第1窓の中での最大電圧及び最小電圧を求める処理の一例を示すフローチャートである。ステップS501において、制御部9は、各種パラメータの初期設定を行う。制御部9は、今回の制御時の第1窓での最大電圧VWmaxを0にする。制御部9は、今回の制御時の第1窓での最小電圧VWminを、最小電圧よりも大きな規定電圧であるVM_MAXにする。
ステップS502において、制御部9は、第1窓の中の何番目の第2窓であるかをカウントするカウンタiが最後を示す値である80未満であるかを判定する。制御部9は、カウンタiが80未満であれば、ステップS503に進む。制御部9は、カウンタiが80以上であれば、ステップS508に進む。
ステップS503において、制御部9は、今回の制御時の第2窓での最大電圧であるVmax[i]とVWmaxを比較する。制御部9は、Vmax[i]がVWmax以下であれば、ステップS505に進む。制御部9は、Vmax[i]がVWmaxよりも大きければ、ステップS504に進む。ステップS504において、制御部9は、VWmaxをVmax[i]にする。また、ステップS504において、制御部9は、最大値の検出時間を示すt_vmaxをiにする。ここでは、第1窓の中の何番目の第2窓であるかを示すカウンタiを検出時間としている。制御部9は、次にステップS505に進む。
ステップS505において、制御部9は、今回の制御時の第2窓での最小電圧であるVmin[i]とVWminを比較する。制御部9は、Vmin[i]がVWmin以上であれば、ステップS507に進む。制御部9は、Vmin[i]がVWminよりも小さければ、ステップS506に進む。ステップS506において、制御部9は、VWminをVmin[i]にする。また、ステップS506において、制御部9は、最小値の検出時間を示すt_vminをiにする。制御部9は、次にステップS507に進む。
ステップS507において、制御部9は、カウンタiをインクリメント(1だけ増加)してステップS502に戻り、次の第2窓についての処理を実行する。
ステップS508において、制御部9は、電圧幅V_difを、VWmaxとVWminとの差分にする。電圧幅V_difは、検出電圧最大値と検出電圧最小値との差分である検出電圧幅の一例である。またステップS508において、制御部9は、時間幅t_difを、t_vmaxとt_vminとの差分の絶対値にする。またステップS508において、制御部9は、カウンタiを0にする。ステップS508が終了したならば、制御部9は、図7の処理を終了し、図3のステップS304に進む。本実施形態によれば、第1窓の周期という一定の周期で最大値、最小値、電圧幅を求めることで、ノイズの影響を除去することができる。
図7の処理が終了したら、制御部9は、図3のステップS304に進む。ステップS304において、制御部9は、オーバーロードについて判定する。制御部9は、V_difが規定値ΔVM未満であって且つt_difが規定値t_minよりも大きく規定値t_VFよりも小さい場合は、ステップS306に進む。それ以外の場合は、制御部9は、ステップS305に進む。
規定値t_min及び規定値t_VFは、電源電圧の周波数に応じて定まる。図2に示した波形の例においては、t_minは、例えば、波形の谷から最初の山までの時間に相当するカウンタiの値である。t_VFは、例えば、波形の谷から2つ目の山までの時間に相当するカウンタiの値である。なお、規定値t_VFは、電源周波数の1周期分としてもよい。ステップS305において、制御部9は、現在オーバーロード状態であるとする。
ステップS306において、制御部9は、現在オーバーロード状態ではないとする。続いて制御部9は、ステップS307に進む。なお、制御部9は、オーバーロード状態である、すなわち過負荷状態であると判定した場合は、アラーム信号を出力するようにしてもよい。また、制御部9は、オーバーロード状態や電圧低下状態といった状態をログファイルとして記録しておくようにしてもよい。
制御部9は、k+1個の第1窓ごとのVWmaxを保持している。kは、例えば電源電圧の正弦波の8山である。kは自然数である。ステップS307において、制御部9は、Vdown[k]をVdown[k-1]にし、Vdown[k-1]をVdown[k-2]にし、順番にずらし、Vdown[0]を今回の制御時のVWmaxにする。続いて制御部9は、図4のステップS308に進む。
ステップS308において、制御部9は、正常時の最大電圧を示すVnormから10%引きした値とVdown[k]を比較する。正常時の最大電圧を示すVnormから10%引きした値は、第2最大値の一例である。Vdown[k]は、第1最大値の一例である。制御部9は、Vnormから10%引きした値がVdown[k]以上であれば、ステップS310に進む。制御部9は、Vnormから10%引きした値がVdown[k]未満であれば、ステップS309に進む。本実施形態では、この処理により電圧低下状態をより確実に判定することができる。
ステップS309において、制御部9は、現在電圧低下状態であるとする。続いて制御部9は、ステップS312に進む。ステップS310において、制御部9は、現在電圧低下状態ではないとする。続くステップS311において、制御部9は、VnormをVdown[0]にする。続いて制御部9は、ステップS312に進む。
ステップS312において、制御部9は、現在モータ2の起動前であるかを判定する。制御部9は、起動前でなければ、図5のステップS316に進む。制御部9は、起動前であれば、ステップS313に進む。
ステップS313において、制御部9は、現在の電圧が起動許可電圧以上であるかを判定する。制御部9は、現在の電圧が起動許可電圧以上でなければステップS314に進み、現在の電圧が起動許可電圧以上であればステップS315に進む。
ステップS314において、制御部9は、モータ2を停止させる制御を行い、その後処理を終了する。ステップS315において、制御部9は、所定の加速パターンの指令電圧にて、モータ2の運転を開始し、その後処理を終了する。
図5のステップS316において、制御部9は、オーバーロード状態の判定を行う。制御部9は、現在の状態がオーバーロード状態であり、且つ前回の制御時の状態がオーバーロード状態でなかった場合は、ステップS317に進む。それ以外の場合は、制御部9は、ステップS320に進む。
ステップS317において、制御部9は、前回の制御時から100ms経過したかを確認する。制御部9は、前回の制御時から100ms経過していない場合は処理を終了する。制御部9は、前回の制御時から100ms経過している場合は、1/16ステップ速度指令内で1ステップ減速する(ステップS318)。この段階的に速度指令を減らす処理は、減速時パターンの適用の一例である。この段階的に速度指令を減らす処理は、過負荷時パターンの適用の一例である。本実施形態によれば、モータ2の過負荷に応じて過負荷時パターンを適用することで、モータ2の過負荷を避け、モータ2の寿命を延ばすことができる。続くステップS319において、制御部9は、前回の制御時の状態をオーバーロード状態であるにし、処理を終了する。
ステップS320において、制御部9は、オーバーロード状態の判定を行う。制御部9は、現在の状態がオーバーロード状態でなく、且つ前回の制御時の状態がオーバーロード状態であった場合は、ステップS321に進む。それ以外の場合は、制御部9は、ステップS324に進む。
ステップS321において、制御部9は、前回の制御時から100ms経過したかを確認する。制御部9は、前回の制御時から100ms経過していない場合は処理を終了する。制御部9は、前回の制御時から100ms経過している場合は、1/16ステップ速度指令内で1ステップ加速する(ステップS322)。続くステップS323において、制御部9は、前回の制御時の状態をオーバーロード状態でないにし、処理を終了する。
ステップS324において、制御部9は、電圧低下状態の判定を行う。制御部9は、現在の状態が電圧低下状態でない場合は、ステップS325に進み、現在の状態が電圧低下状態である場合は、ステップS326に進む。
ステップS325において、制御部9は、1/16ステップ速度指令内で1ステップ減速し、処理を終了する。この処理は、減速時パターンの適用の一例である。ステップS326において、制御部9は、通常の速度指令にて駆動制御を実行し、処理を終了する。このように、本実施形態によれば、交流電源4の電圧低下状態に応じて減速時パターンを適用することで、モータ2の振動及び衝撃を抑制することができる。また、減速時パターンにより、平滑回路Cの負担を軽減し、部品寿命の短縮を防ぐことができる。
以上のように、本実施形態によれば、整流され、平滑化された電圧に基づいて、制御部9が交流電源4の電圧低下状態にあるか否かを判定する。交流電源4の電圧低下状態にある場合、制御部9はモータ2に印加する電圧の制御に減速時パターンを適用する。
減速時パターンは、モータ2の速度指令を段階的に減らすパターンであるので、電圧低下状態においてモータ2の振動及び衝撃を抑制することができる。
減速時パターンは、モータ2の速度指令を段階的に減らすパターンであるので、電圧低下状態においてモータ2の振動及び衝撃を抑制することができる。
上述した実施形態のモータ装置の用途は、特に限定されない。また、上述した各構成は、相互に矛盾しない範囲内において、適宜組み合わせることが出来る。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。これらの実施形態及びその変形は、発明の範囲及び要旨に含まれると同時に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1 モータ装置
100 モータ制御装置
100 モータ制御装置
Claims (6)
- 交流電源から供給された交流電力を整流する整流回路と、
前記整流回路の出力を平滑する平滑回路と、
前記平滑回路の出力をモータに印加することでモータを駆動するモータ駆動部と、
前記平滑回路の出力の電圧を検出する電圧検出部と、
前記モータ駆動部が前記モータに印加する電圧を制御する制御部と、
を有し、
前記制御部は、
前記電圧検出部で検出した電圧に基づき、前記交流電源の電圧低下状態を判定し、前記電圧低下状態であると判定した場合に、前記モータ駆動部が前記モータに印加する電圧の制御に、減速時パターンを適用する、
モータ制御装置。 - 前記制御部は、前記電圧検出部で検出した電圧に基づき、前記モータの過負荷を示す過負荷状態であることを判定し、前記過負荷状態であると判定した場合に、前記モータ駆動部が前記モータに印加する電圧の制御に、過負荷時パターンを適用する、
請求項1に記載のモータ制御装置。 - 前記制御部は、前記電圧検出部で検出した電圧のうち、第1時間幅である第1窓の時間範囲における最大値である検出電圧最大値と、前記電圧検出部で検出した電圧のうち、前記第1窓の時間範囲における最小値である検出電圧最小値と、前記検出電圧最大値と前記検出電圧最小値との差分である検出電圧幅と、を求め、前記検出電圧最大値に基づき前記電圧低下状態であることを判定し、前記検出電圧幅に基づき前記過負荷状態であることを判定する、
請求項2に記載のモータ制御装置。 - 前記電圧検出部は、前記第1窓に含まれる、前記第1時間幅よりも狭い時間幅である第2時間幅の複数の第2窓ごとに、前記第2窓の時間範囲における前記電圧検出部で検出した電圧の最大値及び最小値を記憶し、前記複数の第2窓ごとに記憶した値のうちの最大値を前記検出電圧最大値とし、前記複数の第2窓ごとに記憶した値のうちの最小値を前記検出電圧最小値とする、
請求項3に記載のモータ制御装置。 - 前記制御部は、現在よりもk個(但し、kは自然数)だけ前の前記第1窓における前記検出電圧最大値である第1最大値が、以前の判定で前記電圧低下状態ではないと判定された最新の前記第1窓における前記検出電圧最大値の所定割合の値である第2最大値未満の場合、前記電圧低下状態であると判定し、前記第1最大値が、前記第2最大値以上の場合、前記電圧低下状態ではないと判定する、
請求項4に記載のモータ制御装置。 - 請求項1乃至5のいずれか1項に記載のモータ制御装置と、
前記モータ制御装置により制御されるモータと、を有する、
モータ装置。
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