CN101051809A - 实时响应的马达控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实时响应的马达控制系统，其是利用主运算微控制器核心逻辑进行所有信号运算与中断事件的处理，而脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑则仅用来专门处理脉冲宽幅调制信号的转换，以确保输入至马达装置中的脉冲宽幅调制信号具有高度的准确度，同时，主运算微控制器核心逻辑可控制脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑的运作，以使得脉冲宽幅调制信号在进行切换时，可具有精准的时序。本发明利用硬件模块化的设计，可灵活地运用软件控制，达到控制系统简化设计与成本降低的目的。

Description

实时响应的马达控制系统

技术领域

本发明涉及一种马达控制系统，特别是有关一种实时响应的马达控制系统。

背景技术

电机控制在人们日常生活中扮演着重要角色，从普通的家用电器到复杂的电子系统和计算机，电机控制都为各种应用提供动力，使旋转运动或线性运动得以顺利进行。随着更大量、更为复杂的应用的出现，电机控制问题变得越来越重要，因此，需要开发出更为复杂的技术，以改善其性能、功耗和安全性。小型电机控制通常用于精密度要求极高的应用，而大型电机控制，如用于机器人中的电机，常常需要执行非常复杂的任务，并且强调实时性。

在现有的电机控制电路里，请参照图1所示的无刷直流马达控制系统方块示意图，其中包括无刷直流马达10、霍尔感应器11、错误检测电路12、主运算微控制装置13，其中，在主运算微控制装置13中包含有相位运算单元131、错误处理电路134、脉冲宽幅调制产生器133以及主运算微控制器132，而无刷直流马达10是由马达开关模块101控制马达线圈模块102的开启与关闭；当马达开关模块101开启马达线圈模块102进行运转时，设置在马达线圈模块102附近的霍尔感应器11将感测到马达线圈模块102的相位发生变化，并产生对应于此相位变化的相位信号并传送至相位运算单元131中，通过相位运算单元131的运算处理后，将结果传输至主运算微控制器132中。另外，连接于直流无刷马达10的错误检测电路12可将其所检测到的错误信号传送至错误处理电路134中，且再通过错误处理电路134传送至主运算微控制器132内，因此，主运算微控制器132将其所接收到的所有相位信号与错误信号，与来自正弦查询表格136的数据与定时器135的时序信息，进行运算、比较与分析，可计算出马达线圈模块102进行运转时所需修正的电压信号、电流信号等等，并输出到脉冲宽幅调制产生器133中，将所输入的脉冲宽幅调制信号转换为相对应的脉冲宽幅调制波形，以提供给马达开关模块101作为控制马达线圈模块102运转的控制信号。

然而，在上述的无刷直流马达控制系统中，是仅用单一微控制器处理所有信号、指令与中断事件的运算，不仅使用来进行运算的微控制器的负载变得相当沉重，也可能导致此微控制器因为同时处理过多的信号、指令与中断事件，使得在检测马达相位或计算转速等数据时，造成无法精确地输出马达控制信号，由于为了对应不同的马达控制理论系统的设计，不单是在硬件的规划上变得相当复杂且耗费的成本也比较高，同时也使得应用在不同规格的马达上时，需要针对每一种马达而设计出不一样的马达控制系统以符合需求，与马达多变且广泛的应用性无法配合。

因此，本发明阐述一种实时响应的马达控制系统，针对现有技术中所衍生出的种种问题，提供更具精确度的马达控制系统，以提高对马达转速、相位等数据的控制，同时，利用硬件模块化的设计，以简化控制系统的硬件架构，并通过软件的设计以规划出具有广泛应用性的马达控制系统，从而可使本发明的马达控制系统具有较简单的硬件控制接口，但却具有更灵活的软件控制接口，也可以使控制核心专注于马达控制理论演算，在达到降低成本与简化设计目的的同时，仍可兼顾控制系统的精准度及最佳化。

发明内容

本发明的主要目的，在于提供一种实时响应的马达控制系统，利用多重微控制器系统的硬件设计作为马达装置控制之用，配合专属的脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑并通过软件的设计与规划达到精确且简化硬件设计的马达控制系统。

本发明的另一目的，在于提供一种实时响应的马达控制系统，利用多重微控制器系统中至少一个脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑，专门作为进行马达装置所需的脉冲宽幅调制信号的运算与输出控制信号，且脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑在执行脉冲宽幅调制程序时不接受任何中断服务要求，所有系统的中断事件都由主运算微控制器核心逻辑进行处理，同时，通过主运算微控制器核心逻辑可控制脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑的运转，从而实时终止程序的进行或执行插入程序来精确输出马达控制信号；另外，脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑也可以独立检测相位运算微控制器核心逻辑中的马达相位逻辑，以精确切换调制脉冲。

根据本发明所提供的实时响应的马达控制系统，其中，在通过多重微控制器系统中的主运算微控制器核心逻辑进行所有信号运算，且同时处理所有中断事件的设计下，并通过专属的至少一个脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑，运算出马达装置进行运转时所需的所有脉冲宽幅调制信号，且每一个脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑可分别进行数据运算，并提供脉冲宽幅调制信号至马达装置中与该微控制器核心逻辑相对应的马达开关模块，且每一个脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑的程序执行或终止，可通过主运算微控制器核心逻辑的控制或直接主动检测相位运算微控制器核心逻辑的控制信号，据此来决定输出脉冲宽幅的关闭、开启与大小，而提高每一脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑所产生脉冲宽幅调制信号的准确度。

本发明将上述的多重微控制器系统即专属的脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑，实际地应用在马达装置的微控制系统上，首先，通过相位检测单元采集此马达装置中马达线圈模块因相位变化所产生的相对应的相位信号，并传送至相位运算微控制器核心逻辑中进行运算，且相位运算微控制器核心逻辑可将运算后的相位信号传输至主运算微控制器核心逻辑内，另外，结合来自错误处理微控制器核心逻辑接收错误检测电路所输入的错误信号、定时器所输入的时序信号，经过正弦查询表格中的数据比较与分析后，主运算微控制器核心逻辑精确地计算出马达装置所需的电流信号，传递并通过脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑的转换后，输出至马达开关模块以决定每一开关组的开启与关闭的时序。然而，为了更简化本发明的马达控制系统，也可将上述的错误处理微控制器核心逻辑、定时器与正弦查询表格规划至主运算微控制器核心逻辑中。

据此，通过专属的脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑来确保脉冲宽幅调制信号的准确度，也可以利用马达控制系统的模块化设计，灵活地运用软件达到控制系统成本降低与广泛应用的目的。

以下通过具体实施例结合附图详加说明，可以更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其有益效果。

附图说明

图1为现有的无刷直流马达控制系统方块示意图。

图2为本发明的马达控制系统方块示意图。

图3a为本发明脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑与开关晶体管的一对一控制电路示意图。

图3b为本发明脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑与开关晶体管的一对一控制时序示意图。

图4a为本发明脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑与开关晶体管的一对二控制电路示意图。

图4b为本发明脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑与开关晶体管的一对二控制时序示意图。

图号说明

10    马达装置

101   马达开关模块

102   马达线圈模块

11     霍尔感应器

12     错误检测电路

13     主运算微控制装置

131    相位运算单元

132    主运算微控制器

133    脉冲宽幅调制产生器

134    错误处理电路

135    定时器

136    正弦查询表格

20     马达装置

201    马达开关模块

202    马达线圈模块

21     相位检测单元

22     错误检测电路

23     马达微控制单元

231    相位运算微控制器核心逻辑

232    主运算微控制器核心逻辑

241    第一脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑

242    第二脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑

243    第三脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑

244    第四脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑

245    第五脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑

246    第六脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑

234    错误处理微控制器核心逻辑

235    定时器

236    正弦查询表格

41     第一开关晶体管

42     第二开关晶体管

43    第三开关晶体管

44    第四开关晶体管

45    第五开关晶体管

46    第六开关晶体管

51    第一线圈

52    第二线圈

53    第三线圈

具体实施方式

马达是目前应用于产业自动化与精密机械工业中，最重要的一种电机控制装置，然而，要能够使马达充分发挥其性能，就必须在高效率与快速动态响应的条件下，达到精密的转速与定位控制。本发明针对这些要求，提出一种实时响应的马达控制系统，其是将传统单一硬件设计的脉冲宽幅调制信号改用多重微控制器系统配合专属的脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑，利用软件的弹性设计产生脉冲宽幅调制信号来控制马达，即意味着与马达特性相关的一些关键控制参数，都可以软件控制方式实现，扩展了未来自调式伺服驱动器的发展空间。

首先，请参照图2所示，为本发明的马达控制系统方块示意图，在此电路架构中包括马达装置20、相位检测单元21、马达微控制单元23，此马达微控制单元23同时与马达装置20与相位检测单元21连接，在上述的装置与系统中，马达装置20包括马达线圈模块202、马达开关模块201，马达微控制单元23则包括相位运算微控制器核心逻辑231、错误处理微控制器核心逻辑234、六个脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑241、242、243、244、245、246与主运算微控制器核心逻辑232，每个微控制器核心逻辑可执行至少一个程序；当马达线圈模块202运转时，通过相位检测单元21检测马达线圈模块202的相位变化，并产生相位信号传输至相位运算微控制器核心逻辑231中进行相位信息的运算，经过运算的结果信号将再传入至主运算微控制器核心逻辑232中，另外，通过错误检测电路22，可将检测到的错误信号自马达装置20传输至错误处理微控制器核心逻辑234，经处理后再传至主运算微控制器核心逻辑232中，同时，主运算微控制器核心逻辑232也接收来自定时器235所传入的时序信号，与自相位运算微控制器核心逻辑231所输出的相位信息，并且通过正弦查询表格236中储存的数据供辅助之用，使主运算微控制器核心逻辑232可以进行所有信号的运算与处理，最终，将马达线圈模块202运转时所需的电流信号传输至相对应的脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑241、242、243、244、245、246供运算处理，并将所接收到的电流信号转换为相对应的脉冲宽幅调制信号，再传送至马达开关模块201中调整马达线圈模块202的运转。

然而，为了达到精准的控制，上述的马达微控制器核心逻辑23中，将所有的中断事件都交给主运算微控制器核心逻辑232进行处理，而使脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑241、242、243、244、245、246在执行脉冲宽幅调制程序时不受任何中断事件干扰，进行脉冲宽幅调制信号的运算与转换，此外，上述错误处理微控制器核心逻辑234、定时器235与正弦查询表格236的功能，也可规划至主运算微控制器核心逻辑232中(此架构未示于图中)，可达到简化本发明马达控制系统的目的。

在本发明所阐述的马达控制系统中，可依据脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑与马达开关模块中的开关晶体管的控制关系，分类为一对一与一对多的控制方式。请同时参照图3a、图3b所示，其中，图3a为脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑与开关晶体管的一对一控制电路示意图，而图3b为脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑与开关晶体管的一对一控制时序示意图。首先，在图3a中，提供六个脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑241、242、243、244、245、246，与在马达开关模块201中包含有六个开关晶体管41、42、43、44、45、46的一对一控制关系，每一个脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑241、242、243、244、245、246相对应地控制一个开关晶体管41、42、43、44、45、46，并通过上述的对应关系，控制电流可在不同的时序下，从马达线圈模块202中第一线圈51的A点、第二线圈52的B点与第三线圈53的C点流入，从而使马达线圈模块202达到期望的运动状态，其详细运作如下所述：第一脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑241控制第一开关晶体管41，从而控制电流从A点流入第一线圈51；第二脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑242控制第二开关晶体管42从而控制电流从B点流入第二线圈52；第三脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑243控制第三开关晶体管43从而控制电流从C点流入第三线圈53；第四脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑244控制第四开关晶体管44，从而控制电流从第一线圈51流出到A点；第五脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑245控制第五开关晶体管45，从而控制电流从第二线圈52流出到B点；第六脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑246控制第六开关晶体管46，从而控制电流从第三线圈53流出到C点；第一开关晶体管41与第四开关晶体管44控制第一线圈51的电流方向，第二开关晶体管42与第五开关晶体管45控制第二线圈52的电流方向，第三开关晶体管43与第六开关晶体管46控制第三线圈53的电流方向。

因此，依据图3a所提供的控制架构同时，请继续参照图3b，其所示为在脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑241、242、243、244、245、246与开关晶体管41、42、43、44、45、46的一对一控制状态下，马达线圈模块202运转时序与脉冲宽幅调制信号的关系。首先，在时序CLK1时，第一脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑241与第六脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑246同时开启其所相对应的第一开关晶体管41与第六开关晶体管46，此时流经马达线圈模块202的电流为从第一线圈51的A点流入并从第三线圈53的C点流出；在时序CLK2时，第一脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑241与第五脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑245同时开启其所相对应的第一开关晶体管41与第五开关晶体管45，此时流经马达线圈模块202中的电流为从第一线圈51的A点流入并从第二线圈52的B点流出；在时序CLK3时，第三脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑243与第五脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑245同时开启其所相对应的第三开关晶体管43与第五开关晶体管45，此时流经马达线圈模块202的电流为从第三线圈53的C点流入并从第二线圈52的B点流出；在时序CLK4时，第三脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑243与第四脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑244同时开启其所相对应的第三开关晶体管43与第四开关晶体管44，此时流经马达线圈模块202的电流为从第三线圈53的C点流入并从第一线圈51的A点流出；在时序CLK5时，第二脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑242与第四脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑244同时开启其所相对应的第二开关晶体管42与第四开关晶体管44，此时流经马达线圈模块202的电流为从第二线圈52的B点流入并从第一线圈51的A点流出；在时序CLK6时，第二脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑242与第六脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑246同时开启其所相对应的第二开关晶体管42与第六开关晶体管46，此时流经马达线圈模块202的电流为从第二线圈52的B点流入并从第三线圈53的C点流出。依据上述操作方式进行连续性的操作，可使得马达线圈模块202持续地进行转动。

在图4a与图4b中，图4a为脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑与开关晶体管d的一对二控制电路示意图，而图4b为脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑与开关晶体管的一对二控制时序示意图。在图4a中，与上述的控制架构十分相似，其差别在于其控制对应关系为第一脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑241控制第一开关晶体管41、第四开关晶体管44，且第一开关晶体管41与第四开关晶体管44是用来控制第一线圈51的电流方向；第二脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑242控制第二开关晶体管42、第五开关晶体管45，且第二开关晶体管42与第五开关晶体管45是用来控制第二线圈52的电流方向；第三脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑243控制第三开关晶体管43、第六开关晶体管46，且第三开关晶体管43与第六开关晶体管46是用来控制第三线圈53的电流方向。

因此，基于图4a中所示的控制架构，请继续参照图4b所示的在脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑241、242、243，与开关晶体管41、42、43、44、45、46的一对二控制状态下，马达线圈模块202的运转时序与脉冲宽幅调制信号的关系。首先，在时序CLK1时，第一脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑241与第三脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑243同时开启其所对应的第一开关晶体管41与第六开关晶体管46，此时流经马达线圈模块202的电流为从第一线圈51的A点流入并从第三线圈53的C点流出；在时序CLK2时，第一脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑241与第二脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑242同时开启其所对应的第一开关晶体管41与第五开关晶体管45，此时流经马达线圈模块202的电流为从第一线圈51的A点流入并从第二线圈52的B点流出；在时序CLK3时，第二脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑242与第三脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑243同时开启其所对应的第三开关晶体管43与第五开关晶体管45，此时流经马达线圈模块202的电流为从第三线圈53的C点流入并从第二线圈52的B点流出；在时序CLK4时，第三脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑243与第一脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑241同时开启其所对应的第三开关晶体管43与第四开关晶体管44，此时流经马达线圈模块202的电流为从第三线圈53的C点流入并从第一线圈51的A点流出；在时序CLK5时，第一脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑241与第二脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑242同时开启其所对应的第四开关晶体管44与第二开关晶体管42，此时流经马达线圈模块202的电流为从第二线圈52的B点流入并从第一线圈51的A点流出；在时序CLK6时，第二脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑242与第三脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑243同时开启其所对应的第二开关晶体管42与第六开关晶体管46，此时流经马达线圈模块202的电流为从第二线圈52的B点流入并从第三线圈53的C点流出。依据上述操作方式进行连续性的操作，也可使马达线圈模块202持续地进行转动。

除此之外，脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑与开关晶体管的控制关系也可为一对三，且其控制的模式与上述两种依据相同的控制规则，因此不再赘述。另外，为了使脉冲宽幅调制信号能够准确地输出，上述的任一脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑可通过另一微控制器核心逻辑来直接控制，例如可通过主运算微控制器核心逻辑，来实时终止脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑正在执行的程序，或可将程序直接插入脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑中并激活从而进行程序的执行。

利用上述本发明的马达控制系统，以模块化的马达微控制单元配合软件的应用，使软件控制有效地取代复杂的硬件设备，可大幅降低硬件电路设计的成本，同时，更提供专属用以处理脉冲宽幅调制信号的微控制器核心逻辑，可使得本发明的马达控制系统提高其控制的准确性。

以上所述是通过实施例说明本发明的特点，其目的在于使本技术领域的普通技术人员了解本发明的内容并据以实施，而不是限定本发明的专利范围，因此任何没有脱离本发明的精神所完成的等同性修饰或修改，都应包含在本发明的权利要求范围中中。

Claims (14)

1、一种脉冲宽幅调制微控制系统，其特征在于，包括：

至少一个主运算微控制器核心逻辑，其处理多个脉冲运算信号；

至少一个脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑，其接收该脉冲运算信号并执行至少一个程序，以产生相应的多个脉冲宽幅调制信号；以及

一个马达开关模块，其由多个开关组构成，该马达开关模块依据所接收到的该脉冲宽幅调制信号，以决定该开关组的开关模式。

2、如权利要求1所述的脉冲宽幅调制微控制系统，其特征在于，其中，该脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑在执行程序产生脉冲宽幅调制信号时不接受任何中断服务要求。

3、如权利要求1所述的脉冲宽幅调制微控制系统，其特征在于，其中，任一该脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑受到该主运算微控制器核心逻辑的控制，从而实时终止脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑程序的进行或执行插入程序。

4、如权利要求1所述脉冲的宽幅调制微控制系统，其特征在于，其中包含一个相位运算微控制器核心逻辑，此相位运算微控制器核心逻辑含有马达相位信息，且其中任一该脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑直接检测检测相位运算微控制器核心逻辑中的马达相位，从而实时终止脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑的程序或执行插入程序。

5、如权利要求1所述脉冲的宽幅调制微控制系统，其特征在于，其中，该脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑与该开关组为一对一控制或一对多控制。

6、一种实时响应的马达控制系统，分别与一个马达装置与一个相位检测单元连接，且该相位检测单元是用来采集该马达装置运转时的相位信息，并产生相对应的多个相位信号，其特征在于，该马达控制系统包括：

至少一个相位运算微控制器核心逻辑，其与该相位检测单元连接，该相位运算微控制器核心逻辑接收该相位信号，以进行该马达装置相位变化的运算；

至少一个脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑，提供多个脉冲宽幅调制信号给该马达装置，以控制该马达装置的运转；以及

至少一个主运算微控制器核心逻辑，接收来自该马达装置的信号，并配合来自该相位运算微控制器核心逻辑的该相位信号，以进行运算并将运算结果传给该脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑，以修正该马达装置的运转。

7、如权利要求6所述实时响应的马达控制系统，其特征在于，其中，该马达装置包括一个马达线圈模块、以及一个马达开关模块，该马达开关模块是由多个开关组构成，与该马达线圈模块连接，用以控制该马达线圈模块的运转；且

其中，该脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑与该开关组为一对一控制或一对多控制。

8、如权利要求6所述实时响应的马达控制系统，其特征在于，其中，该脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑在提供脉冲宽幅调制信号给该马达装置时不接受任何中断服务要求。

9、如权利要求6所述实时响应的马达控制系统，其特征在于，其中，该脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑根据程序而提供多个脉冲宽幅调制信号给该马达装置，且任一该脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑都受到该主运算微控制器核心逻辑的控制，从而实时终止脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑程序的进行或执行插入程序。

10、如权利要求6所述实时响应的马达控制系统，其特征在于，其中，该脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑根据程序而提供多个脉冲宽幅调制信号给该马达装置，且任一该脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑都直接检测相位运算微控制器核心逻辑中的马达相位，以实时终止脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑程序的进行或执行插入程序。

11、如权利要求6所述实时响应的马达控制系统，其特征在于，其中，该马达控制系统是通过一个错误检测电路与该马达装置连接。

12、如权利要求11所述实时响应的马达控制系统，其特征在于，其中，该主运算微控制器核心逻辑通过一个错误处理微控制器核心逻辑与该错误检测电路连接，以接收来自错误检测电路的错误信号。

13、如权利要求6所述实时响应的马达控制系统，其特征在于，其中，该相位运算微控制器核心逻辑、该脉冲宽幅调制微控制器核心逻辑、该主运算微控制器核心逻辑整合于单一芯片上。

14、如权利要求6所述实时响应的马达控制系统，其特征在于，其中，该马达装置为无刷直流伺服马达。

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