JP6232526B1 - 直流モータの制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献3に記載の発明は、1組のセンサ素子のデータを利用して、絶対位置に相当する位置情報を算出し、回転体の多回転角度情報を生成している。しかし、ブラシ付き直流モータに関して、絶対位置に相当する情報を高精度に求めることについては開示されていない。
図1は、本発明の第1の実施例に基づく、ブラシ付き直流モータの制御装置の機能ブロック図である。直流モータ100は、ブラシ付き直流モータ(以下、単に直流モータ)であり、有底筒状に形成されたモータハウジング10の内部に、永久磁石11が固定されている。また、アマチュア12と一体の回転軸13が、モータハウジング10とエンドブラケット(若しくはシールドキャップ)18に設けられた1対の軸受24、25により、回転自在に保持されている。コスト低減の観点から、例えば、軸受として回転軸13の一端のみがボールベアリング25で保持され、他端は平軸受24で保持されている。回転軸13に固定された整流子17に、ブラシホルダーに保持されたブラシ16が摺接している。直流モータ100のアマチュア12には、バッテリ42からイグニッションスイッチ43、DCモータ駆動回路40、給電端子15、ブラシ16、および整流子17を介して、駆動電流が供給される。アマチュア12は、DCモータ駆動回路40から供給される駆動電流の向き・大きさに応じて、正回転または逆回転する。回転軸13の他端には、減速機14を構成するピニオン等が設けられており、回転軸13の回転は、減速機14で減速され、直接もしくはクラッチを介して、被駆動部材50、例えば自動車のワイパアームに伝達される。
なお、直流モータを駆動するための駆動信号として、PWM信号以外の信号を用いても良いことは言うまでもない。
回転軸13の一端面に固定された平板状のマグネット21に対向して配置された1対のMRセンサ22は、N極とS極の磁極の切替りによる磁界の抵抗の変化を検出するものである。本発明では、MRセンサ固有の横磁界を使用するため、マグネット21は多局着磁せずN,S単発着磁である。直流モータの一方の軸受に平軸受24を採用すると、直流モータの正転・逆転の切り替えに伴い回転軸13が軸方向に、最大値で例えば0.2mm程度、移動する可能性がある。センサとして縦磁界を使用するホール素子を採用した場合、正転・逆転の切り替えに伴うこのような回転軸の移動があると、センサ出力に大きな影響がある。本発明では、回転軸13の一端面に面対向するMRセンサを配置し、かつ、このMRセンサ固有の横磁界を使用する。そのため、マグネット21が固定された回転軸13が軸方向に若干移動したとしても、MRセンサ22の出力には影響がない。
マグネット21は、Siもしくはガラス基板と、その上に形成されたNi,Fe等の強磁性金属を主成分とする合金の薄膜で構成されている。MRセンサ22を構成する1対の磁気抵抗効果素子は、出力されるパルス信号の位相が互いに90度ずれるように、回転軸13の回転方向に、所定の間隔を空けて配置されている。1対の磁気抵抗効果素子は直列に接続され、その両端に電圧Vccが印加され、両素子の接続点の電位を表す電圧信号がMRセンサ22の出力となる。
なお、位置決め情報(Sn)を生成する回転角度Θは、任意の値で良い。すなわち、SIN波形の値とCOS波形の値が予め設定された特定の関係にある位置において、位置決め情報(Sn)を生成する。
また、位置決め情報(Sn)は、回転軸13の1回転毎に複数個、換言すると、SIN波形の値とCOS波形の値が予め設定された特定の関係にある複数の位置毎に、生成しても良い。あるいは、分解能の異なる異種の信号、例えば、1回転毎に1〜2回程度の粗な信号と、1回転毎に数十回程度の密な信号とを組み合わせても良い。あるいはまた、A相信号とB相信号とを組み合わせて、異種の信号を生成しても良い。
本発明では、このような、A相、B相信号の値、換言するとSIN波形の値とCOS波形の値が予め設定された特定の大きさの関係にある位置を、「A相、B相の出力信号が特定の関係にある状態を示す位置」と定義する。
電源立ち上げ直後のA相、B相信号の検出は、直流モータを、PWM信号に基づき正逆双方向に回転させ、回転軸13上のマグネット21をMRセンサ22に対して相対運動させることによって行われる(S313)。
なお、イニシャライズ駆動信号は、直流モータのDCサーボ制御信号に代わるものである。対象の直流モータが本来閉ループ制御されるものであっても、まず、自己イニシャライズ処理では、直流モータをオープン制御の状態で、イニシャライズ駆動信号により、直流モータを駆動する。
図4Aは、自己イニシャライズ処理時の、PWM信号とMRセンサの出力との関係を示している。図4Bは、PWM信号として正回転指令時、図4Cは、PWM信号として逆回転指令時の、MRセンサの出力信号(A相、B相)を示す図である。位相のずれ方向は、回転軸13の回転方向に応じて反転する。
ここでは、位置決め情報(Sn)は、A相信号の0度に対応する立ち上がり時点に相当する、SIN,COS波形の0−0ポイントで生成されるものとする。この場合、直流モータが正回転の状態で回転軸が原点位置を通過する必要がある。
そこで、図4Aの最下段に示すように、直流モータを起動し、イニシャライズ駆動信号(PWM信号)により、−2.5回転から+3.5回転まで正回転させる。図4Aの最上段に示すように、直流モータが、正回転しながら−2、−1、0、+1、+2、+3の各回転を超える時点で、各々、逆正接演算の結果が0−0ポイントとなる。すなわち、上記各時点で、A相信号の0度に対応するデジタル値の立ち上がりが得られる。このようにして、各時点に対応する位置決め情報(S1)〜(S6)が出力される。
制御ユニット300は、自己イニシャライズ処理時に、表1に記載されたこれらの情報を、MRセンサユニット20から取得する。
相対的原点位置抽出モード(S318)では、上記定義に基づき、図4Aに示したように、MRセンサのA相、B相信号の逆正接演算の結果から得られる位置決め情報(S1)〜(S6)の中で、PWM信号のONデューティが零に同期、図の例では、位置決め情報(S4)の位置を、A相のパルスの立ち上がり時点に同期する、MRセンサの相対的原点位置(Zα)とする。このようにして、絶対位置(Absolute)に対して、かなり高い精度の相対的原点位置を決定できる。
また、イニシャライズ駆動信号の指令値(PWM信号)の送信タイミングと、A相、B相信号、及び位置決め情報の受信タイミング等の時間情報を利用することで、より精度の高い相対的原点位置Zαの決定を行うことができる。
このように、イニシャライズ駆動信号に対応する高分解能のA相、B相信号及び位置決め情報を基にして、高精度の「MRセンサの相対的原点位置(Zα)」のデータが得られる。
まず、図4Bに示すように、各Z相信号(Z0,Z1,Z2,―,―,Zn)の最初のA信号の立ち上がりに同期し、A信号の1/2周期の幅を有する「Z相の幅(1)」の信号を確定する。さらに、A信号の立ち上がりに同期し、A信号の1周期の幅を有する「Z相の幅(2)」の信号を確定する。「Z相の幅(1)」、「Z相の幅(2)」の信号は、各々、360度間隔で繰り返す信号である。
同様にして、図4Cに示すように、各Z相信号(Z0,Z1,Z2,―,―,Zn)の最初のB信号の立ち上がりに同期し、B信号の1/2周期の幅を有する「Z相の幅(3)」の信号を確定する。さらに、B信号の立ち上がりに同期し、B信号の1周期の幅を有する「Zの幅(4)」の信号を確定する。「Z相の幅(3)」、「Z相の幅(4)」も、各々、360度間隔で繰り返す信号である。なお、「Z相の幅」の周期や、「Z相の幅」の数は任意に設定できる。これらのA相、B相信号、Z相のデータに、EEPROMのアドレスを付与して、例えば表4のようにEEPROMに記録する。
例えば、表4の各データは、回転軸の位置や角度のアブソリュート情報等を与えるテーブルとして、利用することができる。また、各「Z相の幅(1)」〜「Z相の幅(4)」は、PWM信号等、直流モータの各種の制御信号等を生成するのに利用される。
異常がなければ、直流モータの制御ユニット300は、正規の運転処理モードに移行する(S306)。
直流モータの制御ユニット300は、正規の運転処理モードにおいては、メモリのEEPROMからRAMを経由して表3、表4に示したような相対的原点ZαやZ相信号(Z0,Z1,Z2,―,―,Zn)を取得し(S501)、Z相の幅の信号も取得する(S502)。さらに、MRセンサユニットからのA相・B相信号を、RAMを経由して取得し(S503)、そのインクリメンタルな累積加算値を基に、EEPROMのアドレスを付与して、1回転毎のA相・B相信号のアブソリュート化を行い、RAMに記録する(S504)。さらに、A相・B相信号と、Z相信号とから、直流モータの回転速度と回転角の情報を含む多回転のアブソリュート位置信号を生成し、表3、表4に相当するテーブルを生成し、RAMに記録する(S505)。
多回転のアブソリュート位置信号として、例えば、図6の下段の例では、1回転の位置P1に対応する、Z1−A相−20435が示されている。これらの情報は、相対的原点位置(Zα)を基準とした直流モータの回転軸の現在位置を表す情報としてMRセンサユニット20で生成され、制御ユニット300に送信され、逐次、RAMを経由してEEPROMに、例えば表3、表4のようなテーブルとして、記録される(S506)。これを、運転処理モードが終了するまで繰り返して行い(S507)、運転終了に伴って終了する。
DCサーボ制御部345は、EEPROMに表3、表4のようなテーブルなどの形で記録されている、回転速度と回転角の信号、及び、多回転・アブソリュート位置信号に基づいて、直流モータ100の回転軸13の現在の回転角度、ひいては被駆動部材50の現在の相対的原点位置を認識する。DCサーボ制御部345は、これらの情報に基づいて、被駆動部材50の現在位置から目標位置までの速度指令値等を演算する。PWM信号生成部346は、DCサーボ制御部345の出力を受けて、直流モータ100の回転を制御するためのPWM信号を生成し、DCモータ駆動制御部41へ出力する。
DCサーボ制御部345は、まず、RAM等のメモリ330から、予め設定された直流モータの運転パターンに基づく、各目標の位置や目標速度を指令値として取得する(S601)。メモリには、被駆動部材であるワイパアームブレードの各目標位置に対応して設定された直流モータの運転パターンに対応する目標速度として、PID制御を前提としたモータ駆動信号、例えばPWM制御信号のデータが格納されている。各目標の位置を含む運転パターンの例として、例えば、ワイパモータは、ワイパアームブレードの反転位置から加速終了までは加速領域、加速終了からブレーキ開始までは定速領域、ブレーキ開始から反転位置までは減速領域となっている。直流モータは、このような所定の運転パターンに従ってPWM制御される。
ずれの判定(S604)で「ずれ」がなかった場合は、PID制御に基づくPWM信号を生成し(S608)、DCモータ駆動制御部41へ出力する(S609)。そして、MRセンサユニット20からのA相・B相信号に基づく多回転・アブソリュート位置信号を取得し(S610)、PWM信号と多回転・アブソリュート位置信号との差分ずれ量を算出する(S611)。次に、ずれの有無の判定(S612)を行い、もし、2回連続して差分ずれ量が許容値を超えた場合には(S613、S614)、直流モータの異常と判定し、ECU500に直流モータの異常情報を送信し(S615)、処理を終了する。
差分ずれ量の判定(S612)で「ずれ」がなかった場合、新たなPWM信号を生成し(S608)、以下、同様の処理を繰り返す。
図8Aにおいて、第1のスイッチング素子SW1は、一端が直流モータの一方のブラシ16Aに接続され、他端が直流電源(Vcc)に接続されている。第2のスイッチング素子SW2は、一端が直流モータの他方のブラシ16Bに接続され、他端が直流電源(Vcc)に接続されている。第3のスイッチング素子SW3は、一端が直流モータの一方のブラシ16Aに接続され他端が接地されている。第4のスイッチング素子SW4は、一端が直流モータの他方のブラシ16Bに接続され、他端が接地されている。
このようにして、直流モータの制御ユニット300は、MRセンサユニット20からのA相・B相信号に基づいて逐次ワイパアームの動作状態を認識しながら、直流モータの駆動を継続する。これにより、ワイパアームは所定の角度範囲で、運転パターンに基づく揺動払拭動作を行う。
図8Cは、EEPROMのデータを用いた直流モータ一の開ループ制御の例を示すものである。直流モータは、EEPROMの多回転・アブソリュート位置信号の情報、及びPID制御とPWM制御とを組み合わせた回転指令により、現在位置Pnから目標位置Pn+1まで、正確、かつ、迅速に駆動される。
特に、被駆動部材を駆動する直流モータの回転軸の回転角度が360度未満の場合には、相対的原点の位置、及び、A相、B相信号を基に、回転軸の1回転内でのアブソリュート位置信号を生成し、EEPROMに記録し、この情報を利用して直流モータの駆動を行う。この場合、相対的原点位置信号344は、1回転のアブソリュート位置信号生成機能部として機能し、位置決め情報として分解能の高い信号や、図4Dで説明したような、分解能の異なる異種の信号を採用して、自己イニシャライズ処理時の相対的原点位置の決定を行うのが望ましい。
また、スロットル弁50Aの相対的原点位置を示す開度情報が、スロットル開度センサとMRセンサユニット20とから、二重に得られるため、装置としての信頼性が高まる。
本実施例において、制御ユニット300の各機能は、図1の制御ユニット300とは異なり、車載のECU1000の中に組みこまれている。DCモータ駆動制御部41やDCモータ駆動回路40の機能も、車載のECU1000の中に組みこまれている。ECU1000は、制御ユニット300に対する上位のプロセッサ1010と上位のメモリ1014を含むコントロールユニット1012を備えている。制御ユニット300、DCモータ駆動回路40及びDCモータ駆動制御部41の各機能は、図1の対応するものの機能と同じなので、説明を省略する。
被駆動部材としては、直流モータで駆動される車載の複数の機器を対象とすることができる。例えば、被駆動部材として、先に述べたワイパなどの例の他に、パワーシート、パワーウインド、電子ターボチャージャ、ウオーターポンプ、オイルポンプ等がある。これらの被駆動部材は、ブラシ付きの直流モータ100により、多回転・アブソリュート位置信号に基づく正確な多回転の位置制御がなされるとともに、異常停止後の再起動時にも迅速に正常状態に復帰できる。
各被駆動部材を駆動する直流モータには各々MRセンサユニット20が設けられ、各MRセンサユニット20で生成されたA相・B相信号がISO26262の規格に対応するシリアル信号として、通信ケーブルを介してECU1000に送信される。各被駆動部材を駆動するために必要な情報には、他の被駆動部材と共通の情報も含まれていることが多いので、ECU1000で一括して管理するのが望ましい。
11 永久磁石
12 アマチュア
13 回転軸
14 減速機
15 給電端子
16 ブラシ
17 整流子
18 エンドブラケット(若しくはシールドキャップ)
20 MRセンサユニット
21 マグネット
22 MRセンサ
23 処理回路部
24 軸受
25 軸受
40 DCモータ駆動回路
40A パワー回路
40B パワー回路
41 DCモータ駆動制御部
42 バッテリ
43 イグニッションスイッチ
50 被駆動部材
50A スロットル弁
50B EGR弁
100 直流モータ
100A 直流モータ
100B 直流モータ
300 直流モータの制御ユニット
310 通信制御部
320 メモリ制御部
330 メモリ
331 ROM
332 RAM
333 EEPROM
341 自己イニシャライズ処理部
342 Z相信号生成部
343 Z相の幅信号生成部
344 相対的原点位置信号生成部
345 DCサーボ制御部
346 PWM信号生成部
500 車載のECU
600 プリント基板
700 エンジン制御用ECU
1000 ECU
Claims (15)
- 直流モータの駆動信号を生成して出力する制御ユニットと、
1対のMRセンサにより前記直流モータの回転軸の回転を検知するMRセンサユニットとを備え、
前記回転軸に固定されたアマチュアにブラシを介して供給される電力を制御する、モータ制御装置において、
前記MRセンサユニットは、
前記1対のMRセンサの出力に基づいて、前記回転軸の回転に伴うインクリメンタルなA相、B相の信号と、該A相、B相の出力信号が特定の関係にある状態を示す位置決め情報とを生成して出力し、
前記制御ユニットは、
イニシャライズ駆動信号により前記直流モータを正逆双方向に所定の回転数で起動運転し、該直流モータを駆動して得られる前記MRセンサユニットからの前記A相、B相の出力信号と前記位置決め情報と、前記イニシャライズ駆動信号との同期の関係から、前記回転軸に対する前記MRセンサの相対的原点位置(Zα)の情報を取得し、
前記A相、B相、及び前記相対的原点位置の情報の全データをアブソリュート信号のデータに変換してEEPROMに記録するように構成されていることを特徴とするモータ制御装置。 - 請求項1において、
前記制御ユニットは、
前記直流モータの起動運転に伴い得られた、前記相対的原点位置(Zα)信号と、前記A相又は前記B相の出力信号を用いてZ相の幅信号を生成し、
前記Z相の幅信号のデータに前記EEPROMのアドレスを付与して前記アブソリュート信号のデータとするように構成されていることを特徴とするモータ制御装置。 - 請求項1又は2において、
前記制御ユニットは、
前記相対的原点の位置Zαを基に、360度間隔で前記A相又は前記B相の出力信号に同期する、Z相信号(Z0,Z1,Z2,―,Zn)を設定し、
前記A相、B相、前記相対的原点位置の情報、及び前記Z相信号の全データ情報に前記EEPROMのアドレスを付与し、前記アブソリュート信号のデータとして前記EEPROMに記録し、
前記EEPROMの前記データを前記直流モータの多回転の制御に利用するように構成されていることを特徴とするモータ制御装置。 - 請求項3において、
前記制御ユニットは、
前記回転軸の回転に伴う前記A相、B相の出力信号の1回転毎の累積加算値のデータと、前記相対的原点位置(Zα)の情報の組み合わせに、前記EEPROMのアドレスを付与して、前記アブソリュート信号のデータとすることを特徴とするモータ制御装置。 - 請求項1又は2において、
前記MRセンサユニットは、
前記起動運転に対応する前記1対のMRセンサのSIN,COS波形の出力のデジタル値を逆正接演算して、前記インクリメンタルなA相・B相信号を生成する機能と、
前記逆正接演算の結果に基づき、前記A相もしくは前記B相の信号の特定の角度に対応する、360度間隔で少なくとも1つの前記位置決め情報を出力する機能とを有することを特徴とするモータ制御装置。 - 請求項5において、
前記MRセンサユニットは、
前記位置決め情報として、分解能の異なる異種の複数の前記位置決め情報を出力する機能を有することを特徴とするモータ制御装置。 - 請求項1又は2において、
前記制御ユニットは、
前記駆動に伴う前記MRセンサユニットの前記インクリメンタルなA相、B相の出力信号を前記イニシャライズ駆動信号と比較し、前記直流モータや前記MRセンサの応答関係が正常であるのかの判定を行い、
前記対応関係が正常である場合に、前記インクリメンタルA相、B相の出力信号に基づいて前記アブソリュート信号のデータを生成するように構成されていることを特徴とする直流モータの制御装置。 - 請求項1又は2において、
前記制御ユニットは、
前記直流モータの正常運転に伴う前記インクリメンタルなA相、B相の出力信号にアドレスを付与し、前記A相、B相のアブソリュート信号として前記EEPROMに記録するように構成されていることを特徴とするモータ制御装置。 - 請求項1又は2において、
前記MRセンサユニット、前記制御ユニット、及び、前記EEPROMの電源としてのバッテリと、
通常は前記バッテリからの電力の供給を受け、前記バッテリから電力が供給されなくなった場合に、前記MRセンサユニット、前記制御ユニット、及び、前記EEPROMの電源として機能するバックアップ電源を備えていることを特徴とするモータ制御装置。 - 請求項1又は2において、
前記制御ユニットは、ASICとして構成され、前記直流モータのエンドブラケット内に固定されていることを特徴とする直流モータの制御装置。 - 請求項1又は2において、
前記直流モータは自動車の被駆動部材を駆動する直流モータであり、
前記制御ユニットは、
車載のECUもしくは前記被駆動部材に固定され、
前記MRセンサユニットとシリアル通信を行うように構成され、
前記自動車の起動時に、前記EEPROMから前記アブソリュート位置信号を取得し、前記被駆動部材の前回の停止時の相対的原点位置を認識し、該原点位置が、前記MRセンサの相対的原点位置から離れた異常停止に相当する場合、前記自動車のエンジンが起動されるまでの間に、前記直流モータで前記被駆動部材を駆動して正常状態に復帰させる処理を行うように構成されていることを特徴とする直流モータの制御装置。 - MRセンサユニットを備え、回転軸に固定されたアマチュアにブラシを介して電力が供給され、正逆双方向に回転するように構成されている、ブラシ付き直流モータであって、
前記直流モータは、外部の制御ユニットの指令を受けてDCモータ駆動回路から前記電力が供給されるものにおいて、
前記MRセンサユニットは、
前記回転軸の一端面に固定された平板状のマグネットと、
前記回転軸の軸方向において、該マグネットに対向して前記直流モータのエンドブラケット内に固定され、前記マグネットの横磁界を検知する1対のMRセンサと、
前記直流モータに固定された処理回路部とを備え、
前記マグネットはN,S単発着磁であり、
前記処理回路部は、
前記制御ユニットからの運転指令に対応する前記回転軸の回転に伴う、前記1対のMRセンサのSIN,COS波形のアナログ出力を入力とし、デジタル値に変換する機能と、
前記1対のMRセンサのSIN,COS波形の出力のデジタル値を逆正接演算して、前記インクリメンタルなA相・B相信号を生成する機能と、
前記逆正接演算の結果に基づき、前記A相もしくは前記B相の信号の特定の角度に対応する、360度間隔で少なくとも1つの位置決め情報を出力する機能と、
前記インクリメンタルなA相・B相信号のデジタルデータ及び前記位置決め情報をシリアル伝送通信の規格に適合したシリアル伝送用の送信データに変換し、1本の伝送路を介して前記制御ユニットへ送信するシリアル通信機能とを有することを特徴とするブラシ付き直流モータ。 - 請求項12において、
前記制御ユニットは、ASICとして構成され、前記直流モータのエンドブラケット内に固定されており、
前記制御ユニットは、
自己イニシャライズ処理部を備えており、
前記自己イニシャライズ処理部は、
前記直流モータを正逆双方向に所定の回転数で駆動するイニシャライズ駆動信号を生成して出力し、前記直流モータの起動運転に同期する前記MRセンサの前記インクリメンタルなA相、B相信号及び前記位置決め情報を取得する機能と、
前記イニシャライズ駆動信号により前記直流モータを正逆双方向に所定の回転数で起動運転し、該直流モータを駆動して得られる前記MRセンサユニットからの前記A相、B相の出力信号と前記位置決め情報と、前記イニシャライズ駆動信号との同期の関係から、前記回転軸に対する前記MRセンサの相対的原点位置を決定する機能と、
前記回転軸の回転に伴う前記A相、B相の出力信号の1回転毎の累積加算値のデータと、前記相対的原点位置の情報の組み合わせに、EEPROMのアドレスを付与してアブソリュート信号のデータに変換し、前記EEPROMに記録する機能とを備えていることを特徴とする直流モータの制御装置。 - ブラシ付き直流モータの駆動信号を生成して出力する、直流モータの制御ユニットであって、
前記直流モータには回転軸に固定されたアマチュアにブラシを介して電力が供給されるように構成されており、前記直流モータの回転軸の回転に伴う信号を1対のMRセンサを備えたMRセンサユニットから受信するものにおいて、
前記制御ユニットは、
イニシャライズ駆動信号により前記直流モータを正逆双方向に所定の回転数で起動運転し、該直流モータを駆動して得られる前記MRセンサユニットからのインクリメンタルなA相・B相の出力信号、及び前記A相、B相の出力信号が特定の関係にある状態を示す位置決め情報とを取得し、
前記イニシャライズ駆動信号と、該直流モータを駆動して得られる前記MRセンサユニットからの前記A相、B相の出力信号及び前記位置決め情報の同期の関係から、前記回転軸に対する前記MRセンサの相対的原点位置(Zα)の情報を取得し、
前記A相、B相、及び前記相対的原点位置の情報の全データをアブソリュート信号のデータに変換してEEPROMに記録するように構成されていることを特徴とする直流モータの制御ユニット。 - 請求項14において、
前記制御ユニットは、
前記相対的原点位置(Zα)信号と、前記A相又は前記B相の出力信号を用いてZ相の幅信号を生成し、
前記Z相の幅信号のデータに前記EEPROMのアドレスを付与して前記アブソリュート信号のデータとするように構成されていることを特徴とする直流モータの制御ユニット。
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