JP5803892B2

JP5803892B2 - ハイブリッド車両の制御装置

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Publication number: JP5803892B2
Application number: JP2012275900A
Authority: JP
Inventors: 佑公原田; 雅俊伊藤; 翔平永田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2032-12-18
Also published as: CN103863306A; US9254835B2; JP2014118075A; US20140171257A1

Description

本発明は、走行用動力源としてエンジンとモータ・ジェネレータとを備えたハイブリッド車両に適用される制御装置に関する。

動力分割機構に連結されたモータ・ジェネレータをロックすることが可能なハイブリッド車両に適用され、モータ・ジェネレータの温度が所定の判定温度よりも高い場合にモータ・ジェネレータをロックすることによってモータ・ジェネレータの温度上昇を抑制する制御装置が知られている（特許文献１）。

特開２００２−２７１９１１号公報

近年、エンジンの燃費を向上させるため、複数の気筒のうちの一部の気筒を休止させることが可能な気筒休止エンジンの開発が行われている。このような気筒休止エンジンを、モータ・ジェネレータをロック可能なハイブリッド車両のエンジンとして適用することについては十分に検討されていない。引用文献１の制御装置は通常のエンジンを備えたハイブリッド車両を前提としてモータ・ジェネレータをロックする温度条件を定めているにすぎない。したがって、引用文献１の制御装置を気筒休止エンジンが搭載されたハイブリッド車両にそのまま適用し、モータ・ジェネレータのロックに関して部分気筒運転及び全気筒運転で共通の判定条件を設定した場合に問題が生じる可能性がある。

そこで、本発明は、複数の気筒のうちの一部の気筒を休止可能なエンジンが搭載され、かつモータ・ジェネレータをロックすることが可能なハイブリッド車両に適した制御装置を提供することを目的とする。

本発明の制御装置は、複数の気筒を有し、前記複数の気筒のうちの一部の気筒を休止し残りの気筒を稼働する部分気筒運転と前記複数の気筒の全ての気筒を稼働する全気筒運転とを実行可能なエンジンと、モータ・ジェネレータと、駆動輪にトルクを伝達するための出力部と、前記エンジンのトルクを前記モータ・ジェネレータと前記出力部とに分配する差動機構と、前記モータ・ジェネレータの回転を阻止するロック状態と前記モータ・ジェネレータの回転を許容する解放状態とを切り替え可能なロック手段と、を備えたハイブリッド車両に適用され、前記モータ・ジェネレータの温度が所定の判定温度よりも高い場合に前記モータ・ジェネレータの回転が阻止されるように前記ロック機構を前記解放状態から前記ロック状態に切り替える制御装置であって、前記エンジンが前記全気筒運転を実行する場合は前記エンジンが前記部分気筒運転を実行する場合と比較して前記判定温度が低く設定されているものである（請求項１）。

部分気筒運転は全気筒運転に比べて低トルクでエンジンが運転されるので、その反力を受けるモータ・ジェネレータの負荷は全気筒運転時よりも部分気筒運転時の方が低い。そのため、モータ・ジェネレータの温度上昇速度は部分気筒運転時に比べて全気筒運転時の方が速くなる。モータ・ジェネレータが過熱する許容限度を超える前にロックするには、モータ・ジェネレータのロックを行う判定温度を、温度上昇速度を考慮して許容限度よりも低温側に設定する必要がある。モータ・ジェネレータの温度上昇速度が速い全気筒運転時に合わせて全気筒運転時及び部分気筒運転時に対して共通の判定温度を設定すると、部分気筒運転時においてモータ・ジェネレータの温度が許容限度に到達するまでの余裕が過剰になる。したがって、部分気筒運転時においてモータ・ジェネレータに余力があるにも拘わらずモータ・ジェネレータがロックされる事態を招く。モータ・ジェネレータがロックされるとエンジン回転数が車速に制限されるので熱効率がよい動作点にエンジンを制御できずに燃費が悪化する。これとは反対に、モータ・ジェネレータの温度上昇速度が遅い部分気筒運転時に合わせて全気筒運転時及び部分気筒運転時に対して共通の判定温度を設定すると、全気筒運転時においてモータ・ジェネレータの温度上昇に対してロックが間に合わずに温度が許容限度に達してモータ・ジェネレータが過熱するおそれがある。モータ・ジェネレータが過熱すると減磁によって発電効率が低下するとともに出力部に伝達される出力トルクの低下を招くことでドライバビリティを悪化させる可能性がある。

本発明の制御装置によれば、全気筒運転の場合は部分気筒運転の場合と比較してモータ・ジェネレータをロックするための判定温度が低く設定されている。つまり、全気筒運転時及び部分気筒運転時のそれぞれのモータ・ジェネレータの温度上昇速度に合わせて判定温度が設定されている。そのため、全気筒運転及び部分気筒運転のいずれの場合でもモータ・ジェネレータの過熱を過不足なく抑制できる。そして、部分気筒運転時においてはモータ・ジェネレータに余力があるにも拘わらずモータ・ジェネレータがロックされる事態を回避でき、そのロックを回避できる期間には熱効率のよい動作点にエンジンを制御できる。したがって、本発明の制御装置は燃費悪化の抑制とモータ・ジェネレータの過熱によるドライバビリティ悪化の抑制とを両立できる。

部分気筒運転時及び全気筒運転時のそれぞれの判定温度は適宜設定してよい。例えば、本発明の制御装置の一態様は、前記判定温度として、前記部分気筒運転の場合に第１の値が、前記全気筒運転の場合に前記第１の値よりも小さな第２の値がそれぞれ設定され、前記第１の値及び前記第２の値のそれぞれは、前記モータ・ジェネレータの温度が前記判定温度を超えてから許容限度に到達するまでの時間余裕を基準とし、前記時間余裕が前記全気筒運転の場合と前記部分気筒運転の場合とで同等になるように設定されてもよい（請求項２）。この態様によれば、部分気筒運転の場合及び全気筒運転の場合のそれぞれで、モータ・ジェネレータの温度が許容限度に到達するまでの時間余裕が同等となる。そのため、全気筒運転の場合と部分気筒運転の場合との間で、モータ・ジェネレータの発熱に対する保護に偏りがなくなる。

以上説明したように、本発明によれば、全気筒運転の場合は部分気筒運転の場合と比較してモータ・ジェネレータをロックするための判定温度が低く設定されているため、燃費悪化の抑制とモータ・ジェネレータの過熱によるドライバビリティ悪化の抑制とを両立できる。

本発明の一形態の制御装置が適用された車両の全体構成を示した図。各運転モードでのエンジンの動作点を説明する図。判定温度の設定方法を説明する図。制御ルーチンの一例を示したフローチャート。

図１に示すように、車両１は複数の動力源を組み合わせたハイブリッド車両として構成されている。車両１は、エンジン３と、２つのモータ・ジェネレータ４、５とを走行用の動力源として備えている。エンジン３は４つの気筒１０を備えた直列４気筒型の内燃機関として構成されている。エンジン３は、４つの気筒１０の全てを稼働する全気筒運転の他に、４つの気筒１０のうちの２つを休止し、残りの２つを稼働する部分気筒運転を実行できる。

エンジン３と第１モータ・ジェネレータ４とは差動機構としての動力分割機構６に連結されている。第１モータ・ジェネレータ４はステータ４ａとロータ４ｂとを有する。第１モータ・ジェネレータ４は動力分割機構６にて分配されたエンジン３の動力を受けて発電する発電機として機能するとともに、交流電力にて駆動される電動機としても機能する。同様に、第２モータ・ジェネレータ５はステータ５ａとロータ５ｂとを有し、電動機及び発電機としてそれぞれ機能する。各モータ・ジェネレータ４、５はモータ用制御装置１５を介してバッテリ１６に接続される。モータ用制御装置１５は各モータ・ジェネレータ４、５が発電した電力を直流変換してバッテリ１６に蓄電するとともにバッテリ１６の電力を交流変換して各モータ・ジェネレータ４、５に供給する。第１モータ・ジェネレータ４は本発明に係るモータ・ジェネレータに相当する。

動力分割機構６はシングルピニオン型の遊星歯車機構として構成されている。動力分割機構６は、外歯歯車のサンギアＳと、サンギアＳと同軸に配置された内歯歯車のリングギアＲと、これらのギアＳ、Ｒに噛み合うピニオンＰを自転及び公転可能に保持するプラネタリキャリアＣとを有している。エンジン３が出力するエンジントルクは動力分割機構６のプラネタリキャリアＣに伝達される。第１モータ・ジェネレータ４のロータ４ｂは動力分割機構６のサンギアＳに連結されている。動力分割機構６からリングギアＲを介して出力されたトルクは出力ギア列２０に伝達される。出力ギア列２０は駆動輪１８にトルクを伝達するための出力部として機能する。出力ギア列２０は動力分割機構６のリングギアＲと一体回転する出力ドライブギア２１と、出力ドライブギア２１に噛み合う出力ドリブンギア２２とを含む。出力ドリブンギア２２には、第２モータ・ジェネレータ５がギア２３を介して連結されている。ギア２３は第２モータ・ジェネレータ５のロータ５ｂと一体回転する。出力ドリブンギア２２から出力されたトルクは差動装置２４を介して左右の駆動輪１８に分配される。

動力分割機構６には、ロック手段としてのモータロック機構２５が設けられている。モータロック機構２５は、第１モータ・ジェネレータ４の回転を阻止するロック状態と、その回転を許容する解放状態とを切り替える。モータロック機構２５は湿式多板タイプのブレーキ機構として構成されている。モータロック機構２５のロック状態と解放状態との切り替えは不図示の油圧アクチュエータにて実施される。モータロック機構２５がロック状態に操作されると第１モータ・ジェネレータ４のロータ４ｂの回転が阻止される。これにより、動力分割機構６のサンギアＳの回転も阻止される。このため、エンジン２のトルクが第１モータ・ジェネレータ４へ分配されることが停止されて動力分割機構６が非差動状態となる。

車両１の各部の制御はコンピュータとして構成された電子制御装置（ＥＣＵ）３０にて制御される。ＥＣＵ３０はエンジン３、各モータ・ジェネレータ４、５及びモータロック機構２５等に対して各種の制御を行う。以下、本発明に関連してＥＣＵ３０が行う主要な制御について説明する。ＥＣＵ３０には、車両１の各種情報が入力される。例えば、ＥＣＵ３０には、各モータ・ジェネレータ４、５の回転数及びトルクがモータ用制御装置１５を介して入力される。また、ＥＣＵ３０には、アクセルペダル３１の踏み込み量に対応する信号を出力するアクセル開度センサ３２の出力信号と、車両１の車速に応じた信号を出力する車速センサ３３の出力信号と、第１モータ・ジェネレータ４の温度に対応する信号を出力する温度センサ３４の出力信号とがそれぞれ入力される。ＥＣＵ３０は、アクセル開度センサ３２の出力信号と車速センサ３３の出力信号とを参照して運転者が要求する要求駆動トルクを計算し、その要求駆動トルクに対するシステム効率が最適となるように各種のモードを切り替えながら車両１を制御する。例えば、エンジン３の熱効率が低下する低負荷領域ではエンジン３の燃焼を停止して第２モータ・ジェネレータ５を駆動するＥＶモードが選択される。また、エンジン３だけではトルクが不足する場合は、エンジン３とともに第２モータ・ジェネレータ５を走行用駆動源とするハイブリッドモードが選択される。この場合、要求駆動トルクはエンジン３のエンジントルクと、第２モータ・ジェネレータ５のモータトルクとの合算により出力される。すなわち、エンジントルクをＴｅ、モータトルクをＴｍとした場合、要求駆動トルクＴｄは、Ｔｄ＝Ｔｅ＋Ｔｍで定義される。

ハイブリッドモードが選択された場合、ＥＣＵ３０は、第１モータ・ジェネレータ４のロックを解除した状態で動力分割機構６にて分割されたエンジン３の動力を利用して第１モータ・ジェネレータ４で発電させる差動運転モードと、第１モータ・ジェネレータ４をモータロック機構２５にてロックして第１モータ・ジェネレータ４へのエンジン３の動力の分配を停止し、エンジン３の動力を出力ギア列２０に出力させる非差動運転モードとを状況に応じて切り替える。

図２に示すように、差動運転モードの場合、エンジン３はエンジン回転数とエンジントルクとで定義された動作点があらかじめ設定された動作ラインＬａ１又は動作ラインＬａ２上を移動するようにＥＣＵ３０にて制御される。動作ラインＬａ１は全気筒運転に対応して設定されたものであり、もう一方の動作ラインＬａ２は部分気筒運転に対応して設定されたものである。したがって、ＥＣＵ３０は、全気筒運転の場合はエンジン３の動作点が動作ラインＬａ１上を移動するように、部分気筒運転の場合はエンジン３の動作点が動作ラインＬａ２上を移動するようにエンジン３及び第１モータ・ジェネレータ４を制御する。差動運転モードにおいて、エンジン３を全気筒運転から部分気筒運転に切り替える場合、ＥＣＵ３０は図２に示したように運転の切り替えと同期するようにその動作点を動作ラインＬａ１上のＡ点から等パワーラインＬｐに沿って動作ラインＬａ２上のＢ点に移動させる。各動作ラインＬａ１、Ｌａ２はエンジン３の燃費が最適となり、かつ騒音が低減できるようにあらかじめシミュレーションや実機を用いた試験によって定められている。図２から明らかなように、エンジン３は同一パワーであっても部分気筒運転の場合は全気筒運転の場合に比べて相対的に低トルク側で運転される。

一方、非差動運転モードの場合、エンジン回転数と車速とが一対一の関係となる。そのため、差動運転モードのようにエンジン３の動作点を車速の制約を受けずに動作ラインＬａ１、Ｌａ２上で制御することはできない。すなわち、非差動運転モードの場合は車速を維持しつつエンジン回転を変化させることができず、エンジン３の動作点は車速によって決まる縦軸と平行な直線Ｌｅ上に制限される。非差動運転モードは差動運転モードに比べて全気筒運転及び部分気筒運転のいずれの運転でもエンジン３の動作点が動作ラインＬａ１、Ｌａ２から離れることがほとんどであるため熱効率は悪化する傾向にある。

第１モータ・ジェネレータ４のロックによる差動運転モードから非差動運転モードへの切り替えは、例えば第１モータ・ジェネレータ４の温度が許容限度を超えることを防止することを目的として実施される。その他にも、差動運転モードを行うと第１モータ・ジェネレータ４の回転が負回転となるいわゆる動力循環を回避すべき場合などに差動モードから非差動モードへ切り替えられる場合がある。

上述したように、部分気筒運転の場合は全気筒運転の場合に比べて相対的に低トルク側でエンジン３が運転される。したがって、部分気筒運転の場合、エンジン３の反力を受ける第１モータ・ジェネレータ４の負荷は図２に示した差分Δに相当する量だけ全気筒運転の場合よりも低下する。第１モータ・ジェネレータ４の温度は発電時又は力行時の発熱量に相関し、その発熱量は第１モータ・ジェネレータ４の負荷に相関する。したがって、図３に示したように、全気筒運転時における第１モータ・ジェネレータ４の温度Ｔｐｍｇ１の温度上昇勾配、すなわち温度上昇速度は部分気筒運転時における温度上昇速度よりも高くなる。

そこで、本形態では第１モータ・ジェネレータ４をロックして差動運転モードから非差動運転モードへ切り替えるための判定温度を全気筒運転及び部分気筒運転のそれぞれにおける温度上昇速度に合わせて設定する。具体的には、第１モータ・ジェネレータ４の温度上昇速度が遅い部分気筒運転の場合には判定温度Ｔｔｈの値としてαが、その温度上昇速度が速い全気筒運転の場合には判定温度Ｔｔｈの値としてβ（α＞β）がそれぞれ設定される。図３に示すように、α及びβは、第１モータ・ジェネレータ４の温度Ｔｐｍｇ１が判定温度Ｔｔｈを超えてから許容限度Ｔｐｍａｘに到達するまでの時間余裕Δθを基準として設定される。すなわち、その時間余裕Δθが部分気筒運転の場合と全気筒運転の場合とで同等になるようにα及びβがそれぞれ設定される。なお、許容限度Ｔｐｍａｘは過熱によって第１モータ・ジェネレータ４の減磁が発生する減磁発生温度に相当する。このような方法で判定温度Ｔｔｈの値としてα及びβをそれぞれ設定することによって、全気筒運転時と部分気筒運転時との間で、第１モータ・ジェネレータ４の発熱に対する保護に偏りがなくなる。そして、判定温度Ｔｈの値として全気筒運転時及び部分気筒運転時で共通の、例えばβに設定した場合と比較して、部分気筒運転時は温度Ｔｐｍｇ１がαからβまで上昇する期間δｔだけ第１モータ・ジェネレータ４のロックが回避される。つまり、本形態はその期間δｔに相当するロック回避期間について差動モードでの部分気筒運転が可能となるので燃費悪化を抑制できる。

次に、図４を参照しながらＥＣＵ３０が行う制御ルーチンの一例を説明する。図４の制御ルーチンのプログラムはＥＣＵ３０に保持されており、適時に読み出されて所定間隔で繰り返し実行される。ステップＳ１において、ＥＣＵ３０は上述した各種のセンサ等を参照して車両１の車両情報を取得する。ＥＣＵ３０が取得する車両情報を例示すると、車両１のアクセル開度、車速、内燃機関３のエンジン回転数、並びに各モータ・ジェネレータ４、５の回転数及びトルクがある。ステップＳ２において、ＥＣＵ３０はアクセル開度及び車速に基づいて要求駆動トルクを算出する。要求駆動トルクは予め設定したマップに基づいて算出される。ステップＳ３において、ＥＣＵ３０は算出した要求駆動トルクやその他の車両情報に基づいてエンジン３の運転モードとして全気筒運転又は部分気筒運転のいずれか一方を選択する。エンジン３の運転モードが決定した場合は、運転モードに対応してあらかじめ準備された動作ライン等に関する情報をＥＣＵ３０が読み出す。ステップＳ４において、ＥＣＵ３０は温度センサ３４の出力信号を参照して第１モータ・ジェネレータ４の温度Ｔｐｍｇ１を取得する。

ステップＳ５において、ＥＣＵ３０はステップＳ３で選択した運転モードが部分気筒運転か否かを判定する。部分気筒運転の場合はステップＳ６に進み、部分気筒運転でない場合、すなわち全気筒運転の場合はステップＳ７に進む。ステップＳ６において、ＥＣＵ３０は、第１モータ・ジェネレータ４をロックして非差動運転モードに切り替えるか否かを判定するための判定温度Ｔｔｈとして、部分気筒運転時に使用する値αを設定する。ステップＳ７において、ＥＣＵ３０は、同判定温度Ｔｔｈとして、全気筒運転時に使用する値βを設定する。但し、α＞βである。これらの値α及びβは上述した図３に示した要領であらかじめ設定されＥＣＵ３０に記憶されている。αは本発明に係る第１の値に、βは本発明に係る第２の値にそれぞれ相当する。

ステップＳ８において、ＥＣＵ３０はステップＳ４で取得した温度Ｔｐｍｇ１が判定温度Ｔｔｈ以上か否かを判定する。温度Ｔｐｍｇ１が判定温度Ｔｔｈ以上の場合はステップＳ９に進む。ステップＳ９において、ＥＣＵ３０は車両１を非差動モードに操作する。すなわち、現在の運転モードが差動モードの場合はモータロック機構２５を解放状態からロック状態へ操作することにより、車両１の運転モードを差動モードから非差動モードへ切り替える。現在の運転モードが非差動モードの場合は非差動モードに維持する。ステップＳ１０において、ＥＣＵ３０は非差動モード時におけるエンジン３の動作点と第２モータ・ジェネレータ５のモータトルクとをステップＳ２で計算した要求駆動トルクに基づいて計算する。

一方、第１モータ・ジェネレータ４の温度Ｔｐｍｇ１が判定温度Ｔｔｈ未満の場合はステップＳ１１に進む。ステップＳ１１において、ＥＣＵ３０は車両１の運転モードを差動モードに操作する。すなわち、現在の運転モードが差動モードの場合は差動モードに維持する。現在の運転モードが非差動モードの場合はモータロック機構２５をロック状態から解放状態へ操作することにより、車両１の運転モードを非差動モードから差動モードへ切り替える。ステップＳ１２において、ＥＣＵ３０は差動モード時におけるエンジン３の動作点と第２モータ・ジェネレータ５のモータトルクとをステップＳ２で計算した要求駆動トルクに基づいて計算する。なお、本形態は、第１モータ・ジェネレータ４の温度Ｔｐｍｇ１と判定温度Ｔｔｈとが同一の場合に第１モータ・ジェネレータ４をロックするように処理するが（ステップＳ８及びステップＳ９）、温度Ｔｐｍｇ１と判定温度Ｔｔｈとが同一の場合はロックを解除する形態に変更することもできる。すなわち、温度Ｔｐｍｇ１が判定温度Ｔｔｈよりも高い場合に限って第１モータ・ジェネレータ４をロックしてもよい。

ステップＳ１３において、ＥＣＵ３０はエンジン３がステップＳ１０又はステップＳ１２で計算した動作点で運転されるようにエンジン３及び第１モータ・ジェネレータ４を制御する。この処理と同期するようにして、ステップＳ１４において、ＥＣＵ３０は第２モータ・ジェネレータ５がステップＳ１０及びステップＳ１２で計算されたモータトルクで運転されるように第２モータ・ジェネレータ５を制御する。そして、今回のルーチンを終了する。

ＥＣＵ３０が図４に示した制御ルーチンを実行することにより、全気筒運転及び部分気筒運転のそれぞれの場合に適した判定温度Ｔｈが設定され、その判定温度Ｔｈに基づいて第１モータ・ジェネレータ４のロック及びその解放が制御される。したがって、上述したように全気筒運転及び部分気筒運転のいずれの場合でも第１モータ・ジェネレータ４の過熱を過不足なく抑制できる。そして、部分気筒運転時においては第１モータ・ジェネレータ４に余力があるにも拘わらず第１モータ・ジェネレータがロックされる事態を回避できる。これにより、燃費悪化の抑制とモータ・ジェネレータの過熱によるドライバビリティ悪化の抑制とを両立できる。

本発明は上記形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。上記形態には第１モータ・ジェネレータとともに第２モータ・ジェネレータが設けられているが、２つのモータ・ジェネレータを備えることは一例にすぎない。エンジンの反力を受けて発電するモータ・ジェネレータが存在し、そのモータ・ジェネレータのロックが可能な形態のハイブリッド車両であれば、他のモータ・ジェネレータの有無に拘わらずに本発明を適用できる。

上記形態では、モータ・ジェネレータの温度を温度センサによって直接測定することによって取得しているが、モータ・ジェネレータの温度に相関する一又は複数のパラメータに基づいて計算することによってモータ・ジェネレータの温度を間接的に取得することも可能である。

１車両
３エンジン
４第１モータ・ジェネレータ（モータ・ジェネレータ）
１８駆動輪
２０出力ギア列（出力部）
Ｔｔｈ判定温度
α 全気筒運転時の判定温度の値
β 部分気筒運転時の判定温度の値
Δθ 時間余裕

Claims

複数の気筒を有し、前記複数の気筒のうちの一部の気筒を休止し残りの気筒を稼働する部分気筒運転と前記複数の気筒の全ての気筒を稼働する全気筒運転とを実行可能なエンジンと、
モータ・ジェネレータと、
駆動輪にトルクを伝達するための出力部と、
前記エンジンのトルクを前記電動機と前記出力部とに分配する差動機構と、
前記モータ・ジェネレータの回転を阻止するロック状態と前記モータ・ジェネレータの回転を許容する解放状態とを切り替え可能なロック手段と、
を備えたハイブリッド車両に適用され、
前記モータ・ジェネレータの温度が所定の判定温度よりも高い場合に前記モータ・ジェネレータの回転が阻止されるように前記ロック機構を前記解放状態から前記ロック状態に切り替える制御装置であって、
前記エンジンが前記全気筒運転を実行する場合は前記エンジンが前記部分気筒運転を実行する場合と比較して前記判定温度が低く設定されているハイブリッド車両の制御装置。
前記判定温度として、前記部分気筒運転の場合に第１の値が、前記全気筒運転の場合に前記第１の値よりも小さな第２の値がそれぞれ設定され、
前記第１の値及び前記第２の値のそれぞれは、前記モータ・ジェネレータの温度が前記判定温度を超えてから許容限度に到達するまでの時間余裕を基準とし、前記時間余裕が前記全気筒運転の場合と前記部分気筒運転の場合とで同等になるように設定されている請求項１に記載の制御装置。