CN103312239A - 直流串励电机四开关拓扑装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

直流串励电机四开关拓扑装置及其控制方法，涉及直流有刷电机控制技术领域，包括采用半导体开关元件组成的全桥电路、一个中央信号处理单元、一个门极驱动电路、一个续流二极管，本发明采用半导体开关元件组成的全桥电路控制直流串励电机绕组的其中一个绕组，让剩下的另一个绕组直接串接于前述全桥电路和母线之间，并在此绕组上反向并联接入续流二极管。本发明通过选择控制全桥电路的两个供电开关对中的一个可以控制接于全桥电路的绕组的电流方向，从而实现电机的电磁力矩方向的换向。

Description

直流串励电机四开关拓扑装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及直流有刷电机控制技术领域。

背景技术

在电力拖动领域，直流串励电机因其力矩和电流平方成比例关系被广泛应用。然而对于成百上千安培的大电流场合，原有的调速装置因需要电磁式接触器并其不能实现机械能回馈，已经成为直流串励电机驱动系统进一步提高性能的桎梏。由于大电流的半导体开关的价格不菲，如何尽量减少半导体开关个数来实现高性能的调速装置也是重要的目标。同时大电流时调速装置一个故障原因是接线端子故障。这是由于在成百上千安培的情况下，即使使用铜这样的材质，端子本身的发热仍非常严重。并且所接电缆的机械附着力也比较大，容易造成端子和装置内部的机械连接不紧密，形成较大的接触电阻，从而发热严重而烧断端子和装置内部的连接。所以在大电流的情况下，减少接线端子数就是减少4故障的发生因素。

发明内容

本发明提出一种只需要四个半导体开关的装置可实现串励电机电磁力矩电子换向和电机四象限运行的直流串励电机四开关拓扑装置。

本发明有两种技术方案：

方案一：本发明装置包括采用半导体开关元件组成的全桥电路、一个中央信号处理单元、一个门极驱动电路、一个续流二极管，其特征在于：所述全桥电路的两个下臂的公共端接入直流母线负端，串励电机的一个绕组接于所述全桥电路的两个输出端之间，串励电机的另一个绕组接于直流母线正端和全桥电路的两个上臂的公共端之间，所述续流二极管的阴极接于直流母线正端，续流二极管的阳极接于所述全桥电路的两个上臂的公共端，所述中央信号处理单元通过所述门极驱动电路与所述全桥电路连接。

方案二：本发明装置包括采用半导体开关元件组成的全桥电路、一个中央信号处理单元、一个门极驱动电路、一个续流二极管，其特征在于：所述全桥电路的两个上臂的公共端接入直流母线正端，串励电机的一个绕组接于所述全桥电路的两个输出端之间，串励电机的另一个绕组接于直流母线负端和全桥电路的两个下臂的公共端之间，所述续流二极管的阳极接于直流母线负端，续流二极管的阴极接于所述全桥电路的两个下臂的公共端，所述中央信号处理单元通过所述门极驱动电路与所述全桥电路连接。

本发明还提出直流串励电机四开关拓扑控制方法，方法也有两种：

方法一：包括采用半导体开关元件组成的全桥电路、一个中央信号处理单元、一个门极驱动电路、一个续流二极管；所述全桥电路的两个下臂的公共端接入直流母线负端，串励电机的一个绕组接于所述全桥电路的两个输出端之间，串励电机的另一个绕组接于直流母线正端和全桥电路的两个上臂的公共端之间，所述续流二极管的阴极接于直流母线正端，续流二极管的阳极接于所述全桥电路的两个上臂的公共端，所述中央信号处理单元通过所述门极驱动电路与所述全桥电路连接；通过选择控制所述全桥电路中的两个由半导体开关元件组成的供电开关对中的一个供电开关对来控制接于全桥电路的绕组的电流方向，从而实现电机的电磁力矩方向的换向；通过控制一个PWM周期内所述全桥电路中与电枢电流方向一致的供电开关对中两个供电开关对都关断的百分比来控制该回馈电能的大小。

方法二：包括采用半导体开关元件组成的全桥电路、一个中央信号处理单元、一个门极驱动电路、一个续流二极管，其特征在于：所述全桥电路的两个上臂的公共端接入直流母线正端，串励电机的一个绕组接于所述全桥电路的两个输出端之间，串励电机的另一个绕组接于直流母线负端和全桥电路的两个下臂的公共端之间，所述续流二极管的阳极接于直流母线负端，续流二极管的阴极接于所述全桥电路的两个下臂的公共端，所述中央信号处理单元通过所述门极驱动电路与所述全桥电路连接；通过选择控制所述全桥电路中的两个由半导体开关元件组成的供电开关对中的一个供电开关对来控制接于全桥电路的绕组的电流方向，从而实现电机的电磁力矩方向的换向；通过控制一个PWM周期内所述全桥电路中与电枢电流方向一致的供电开关对中两个供电开关对都关断的百分比来控制该回馈电能的大小。

为提供关断时的续流，以上两个方案中的所述全桥电路半导体开关元件为MOSFET，或IGCT，或与二极管反向并联的IGBT、BJT、GTO、MCT中的其中任意一种。

所述的续流二极管可以为含有体内二极管的MOSFET或IGCT的半导体开关。

为了避免由于端子本身发热所带来的一系列问题，本发明采用五个电力端子，第一个电力端子为接于直流母线正端上的端子，第二个电力端子为接于直流母线负端上的端子，第三个电力端子为接于全桥电路和所述续流二极管公共点的端子，第四个和第五个电力端子分别为全桥电路输出的两个端子。

本发明采用半导体开关元件组成的全桥电路控制直流串励电机绕组的其中一个绕组（可为电枢和励磁绕组中任意一个），让剩下的另一个绕组直接串接于前述全桥电路和母线之间，并在此绕组上反向并联接入续流二极管。本发明将半导体开关个数减至4个。为实现电机的电磁力矩调节，只需使用PWM斩波的方式来控制全桥电路的开关的占空比。

本发明通过选择控制全桥电路的两个供电开关对中的一个可以控制接于全桥电路的绕组的电流方向，从而实现电机的电磁力矩方向的换向。

本发明在电枢绕组接于全桥电路之间，励磁绕组并联连接所述续流二极管时可以实现串励电机的发电运行。在电机电磁力矩驱动电机旋转方向和电机实际旋转方向相反时，鉴于机轴机械能维持电枢旋转切割主励磁磁场且形成的反向电动势极性和电枢电流方向一致，电枢电流在和其方向一致的供电开关对关断时被切断流向母线负的路径，被迫通向直流母线正极，实现机械能反馈回电源。通过控制一个PWM周期内全桥电路中与电枢电流方向一致的供电开关对中两个开关都关断的百分比，可以控制馈电电流的大小和馈电的百分比时间，从而来控制电机轴机械能向电源反馈电能的大小。

鉴于本发明可双向控制直流串励电机旋转，在电枢绕组接于全桥电路，励磁绕组接于续流二极管时本发明可实现该电机的四象限运行的控制。

附图说明

图1为本发明的第一种电气连接原理图。

图2为本发明的第二种电气连接原理图。

具体实施方式

实施例一：

如图1所示，实现串励电机电子换向的控制装置设有采用四个半导体开关元件M1、M2、M3和M4组成的全桥电路、一个中央信号处理单元1、一个门极驱动电路2、一个续流二极管D5。全桥电路的两个下臂M2和M3的公共端接入直流母线负端J2，串励电机的绕组L2接于全桥电路的两个输出端之间，串励电机的绕组L1接于直流母线正端J1和全桥电路的两个上臂M1和M4的公共端之间，续流二极管D5的阴极接于直流母线正端J1，续流二极管D5的阳极接于全桥电路的两个上臂M1和M4的公共端，中央信号处理单元1通过门极驱动电路2与全桥电路连接。

全桥电路半导体开关元件M1、M2、M3和M4可以为MOSFET，或IGCT，或与二极管反向并联的IGBT、BJT、GTO、MCT中的其中任意一种。续流二极管D5可为含有体内二极管的MOSFET或IGCT的半导体开关。

对于以上方案，使用时导通全桥电路的一个供电开关对，如图1中的M1和M3，即可构成由直流母线正端J1经电机绕组L1，再经M1，电机绕组L2，M3到直流母线负端J2的供电回路，使得电机两个绕组的电流上升。当M1断开时，绕组L2的电流经M2的二极管、直流母线负端J2与M3构成续流回路；也可让M3断开，绕组L2的电流经M4的二极管、全桥电路的两个上臂M1和M4的公共端，再经M1构成续流回路。无论M1或M3断开，绕组L1的电流经过其反向并联续流二极管D5构成续流回路。持续以这种方式通断M1和M3，可形成由M1和M2的公共端指向M3和M4的公共端的电流，此时电机的电磁力矩方向只能是使电机顺时针或逆时针旋转的其中一个。可以在保证绕组L2电流方向不变时灵活选择M1还是M3关断，来实现不同的控制性能。如按照一个PWM周期和下一个PWM周期的交错方式选择M1通断后选择M3通断，这样可以让开关的发热均匀地出现在M1，和M3上，减少其温度脉动，增强短时过载能力。也可固定M1导通，只是通断M3，这样M1的开关损耗最小，从而M1可以用较小规格的器件实现同样的电流要求。

和M1-M3开关对控制类似，如果选择使用M2-M4开关对，可以实现由M3-M4公共端指向M1-M2公共端方向的绕组L2的电流，使得电机的电磁力矩方向和控制M1-M3开关对时相反。M2，M4的通断也可灵活控制，类似M1-M3的情况，此处不再赘述。

通过选择M1-M3开关对或者M2-M4开关对可实现电机电磁力矩的方向的控制。

下面是就绕组L1和绕组L2所接绕组是电枢绕组还是励磁绕组的情况分开分析和描述电机的电动控制和运行。

当绕组L2为电枢绕组时，绕组L1为励磁绕组，电机实际旋转方向和所选用供电开关对的电磁力矩驱动方向一致时，电枢的反向电动势极性和开关对供电时母线极性相反，电机只能工作在电动工作象限。若负载的参与下电枢的反向电动势小于母线电压则电枢电流在所选开关对导通时由母线电压与反向电动势之差激励而上升，该开关对中一个开关断开时电枢电流在反向电动势作用下下降；调节占空比大小就可让电流追随负载驱动所需而稳定运行在某个方向的旋转下。由于PWM周期时间一般远小于电机绕组的机电常数，励磁绕组与电枢绕组因所述开关关断导致的电流差别很小并且会在下个PWM导通期间被重新补齐，因而励磁绕组的电流可认为始终和电枢电流一致。若负载的参与导致电枢反向电动势大于母线电压则电枢电流在所选开关对导通时由反向电动势与母线电压之差去励而下降，该开关对中一个开关断开时电枢电流在反向电动势作用下以更快速度下降；调节占空比大小可控制电枢电流和励磁电流下降的速度。当电流下降到一定程度时励磁电流不能维持足够的主磁场从而让电枢的反向电动势重新小于母线电压，不会出现电机向母线馈电的工况。当电机需要从某一方向电动旋转换到另一方向的电动旋转时，可不出现发电运行的暂态过程。方法是调节占空比让励磁和电枢电流按一定下降率下降为零，再选择另一供电开关对给绕组L2供电。这时励磁绕组电流极性不变，而电枢绕组电流改变极性。若此时电机实际转动方向还未改变会出现由母线电压和电枢反向电动势之和来给两绕组电流激励上升的工况，需小心控制好占空比和电流上升速度和大小。这时有很大制动转矩让电机旋转反向，期间母线和电机轴机械能共同释放能量为能耗制动。

当绕组L2为励磁绕组时，绕组L1为电枢绕组。若电枢反向电动势和母线电压极性相对，D5限制电枢绕组无法短路，则常规地控制励磁绕组的供电开关对的PWM占空比就可控制两个绕组的电流追随负载所需。当由于负载的原因或者改变供电开关对从而改变电磁力矩方向和主磁场方向导致绕组L1反向电动势和母线电压极性相同时，D5给电枢绕组提供了短路的路径，必须给电枢绕组配备电流测量元件来保证其电流在安全范围内。在此条件下，供电开关对导通时，D5反偏，电枢绕组电流在母线电压和电枢反向电动势之和的激励下上升；在供电开关对中一个开关断开时，励磁绕组电流续流缓慢下降，电枢电流短路快速上升。这个时期电机提供制动力矩，电机和电源处于共同能耗制动状态。可见励磁绕组放置于全桥电路时，即使电磁力矩驱动方向和电机实际旋转方向相反带来的电枢方向电动势和电枢电流方向一致，但由于电枢电流被D5短路电机不能实现机械能馈电。当负载或惯性较大时，电枢电流有可能上升到危险水平，需断开励磁绕组的所有供电开关对，让励磁绕组电流经D5对母线续流，快速下降到零，让机械能不能继续通过电枢的反向电动势对电枢绕组电流形成激励。这段期间虽然有励磁绕组的电感存储能量对母线馈电，但能量很小，过程很短不可持续，不是通常所说的电机的机械能对电源馈电的发电运行状态。当配有其他的机械制动手段来保证长时可靠的刹车制动时，这种绕组L2为励磁绕组的接线方式是可以实现电机正反转电动运行的，但由于不能利用发电运行实现长时稳定的电磁制动，不建议为主选接线方式。

在上述的电动运行描述中，励磁绕组的反向电动势被忽略未提及。这是因为励磁绕组的反向电动势的产生是由电枢磁场对主磁极的不对称分布分量中随时间变化的部分引起，在实际各种工况下很小，出现时间也很短。

上述电动运行描述中，供电开关对中一个开关断开的操作也可采用供电开关对中的两个开关都断开。当绕组L2是电枢绕组时，这只是导致电枢电流在母线电压和其反向电动势之和下去励下降，增加了下降率，但并不改变电机工作的象限。当绕组L2是励磁绕组时，其电流在母线的负压下下降，下降速度远大于只开断一个开关时的缓慢下降率，但电机工作象限未改变。不过由于电流下降率过大会导致不需要的大的电流纹波带来的发热及母线电容的寿命问题，不建议成为首选控制手段。

在上述励磁绕组接于全桥电路情况时的分析中已经说明这种电机接线方向不能实现电机的机械能馈电回电源。下面就电枢绕组接于全桥电路的情况分析和描述电机的发电运行和控制。

当绕组L2是电枢绕组，绕组L1是励磁绕组，电磁力矩的方向和电机实际旋转方向相反时，四个开关都关断可迫使电机轴上的机械能经D5向母线持续馈电。假设电机在前述M1-M3开关对供电下电动时切换至M2-M4开关对供电。电机旋转方向导致的电枢反向电动势是M1-M2臂侧为正而M4-M3侧为负。由于M1和M3都关断，此时由M1-M2臂指向M4-M3臂的电枢电流经M2的二极管，绕组L2，M4的二极管，D5和母线续流，励磁电流经D5续流。电枢电流迅速下降为零，并从此由M2-M4开关对供电改变极性。从改变极性开始电机的电磁力矩方向改变，效果是提供制动力矩力图让电机旋转方向反向，电磁力矩驱动方向和电机旋转方向相反。如果此时电机转动惯量过大或负载持续出力维持电机的转动方向不变，电机电磁力矩会维持与电机旋转方向相反，并且电枢反向电动势极性和电枢电流方向一致，电机轴机械能持续向外供电。当M2-M4都关断时，电枢电流经M3的二极管，绕组L2，M1的二极管，D5，和母线续流，实现机械能向母线馈电；当只有M2导通时，电枢电流经M3的二极管，绕组L2，M2构成回路，电枢电流在机械能维持的反向电动势的激励下增加，励磁绕组经D5续流几乎维持不变；当只有M4导通时，电枢电流经M1的二极管，M4，绕组L2构成回路，电枢电流在机械能维持的电枢反向电动势下增加；当M2-M4都导通时，母线经M4，绕组L2，M2供电，机械能和母线共同激励增加电枢和励磁绕组电流。只有M2和M4都关断时电枢电流是下降的，所以无论导通时是让M2或M4还是两者都导通，只要控制好一个PWM周期内M2和M4都关断的百分比就可以维持电枢电流在所要求的水平上，实现机械能向母线的稳定馈电。当然励磁绕组在没有M2-M4同时导通时会缓慢的逐渐下降，扩大和电枢绕组电流的差别，所以需在差别到一定水平后让M2和M4同时导通一段时间让励磁绕组电流重新恢复。相对每次都让M2和M4都导通的办法，只让其中一个导通的办法尽管操作繁琐些，但可以避开母线一个PWM周期内既供电又馈电的现象，装置和系统效率提高。电机转动在另一个方向的发电运行可由M1-M3供电实现，情况类似，不再赘述。

综上，只需要四个开关，就可实现直流串励电机的电磁力矩电子换向；当电枢绕组由全桥电路供电时还可实现四象限操作。只是需注意D5在发电运行时承受的电流是电枢和励磁电流之和。

实施例二：

如图2所示，实现串励电机电子换向的控制装置设有采用半导体开关元件M1、M2、M3和M4组成的全桥电路、一个中央信号处理单元1、一个门极驱动电路2、一个续流二极管D5。

全桥电路的两个上臂M1和M4的公共端接入直流母线正端J1，串励电机的绕组L1接于全桥电路的两个输出端之间，串励电机的绕组L2接于直流母线负端J2和全桥电路的两个下臂M2和M3的公共端之间，续流二极管D5的阳极接于直流母线负端J2，续流二极管D5的阴极接于全桥电路的两个下臂M2和M3的公共端，中央信号处理单元1通过门极驱动电路2与全桥电路连接。

全桥电路半导体开关元件M1、M2、M3和M4可以为MOSFET，或IGCT，或与二极管反向并联的IGBT、BJT、GTO、MCT中的其中任意一种。续流二极管D5可为含有体内二极管的MOSFET或IGCT的半导体开关。

对于以上方案，使用时导通全桥电路的供电开关对，如图2中的M1和M3，即可构成由直流母线正端J1经M1，再经电机绕组L1、M3、电机绕组L2到直流母线负端J2的供电回路，使得电机两个绕组的电流上升。当M1断开时，绕组L1的电流经M2的二极管，全桥电路的两个下臂M2和M3的公共端，M3构成续流回路；也可让M3断开，绕组L1的电流经M4的二极管，直流母线正端J1，M1构成续流回路。无论M1或M3断开，绕组L2的电流经过其反向并联续流二极管D5构成续流回路。持续以这种方式通断M1和M3，可形成由M1和M2的公共端指向M3和M4的公共端的满足负载要求的电流，此时电机的电磁力矩方向只能是使电机顺时针或逆时针旋转的其中一个。可以在保证绕组L1电流方向不变时灵活选择M1还是M3关断，来实现不同的控制性能。

如果改为通断M2和M4的电流，和M1-M3开关对控制类似，可以实现由M3-M4公共端指向M1-M2方向的绕组L1的电流，使得电机的电磁力矩方向和控制M1-M3开关对时相反，实现电机力矩换向。M2，M4的通断也可灵活控制来实现不同的性能调节。

和实施例一一样，实施例二表现为当全桥电路中至少维持一个开关导通时，电机只能工作在电动工况；当允许出现所有开关都断开时，如果电磁力矩方向和电机旋转方向一致，则电机还是会工作在电动工况；如果电磁力矩方向和电机旋转方向相反，并且全桥电路所接的是电枢绕组则电机轴机械能在所有开关都断开时经电枢绕组的反向电动势可向母线馈电，电机工作在发电工况。

此方案一样可以用4开关实现串励电机的电磁力矩的电子换向及四象限操作。

以上两例中，所有开关都断开的效果和选用与全桥电路所接绕组电流方向相反的开关对导通的效果基本一致；只是当使用MOSFET类型的开关器件时两者之间有较显著开关损耗的区别，但对电路的拓扑和电机的操作方法没有影响。

以上两例中，一般情况下，本装置含有供进线连接的直流母线正端J1、直流母线负端J2、电枢绕组和励磁绕组接线的四个端子，共六个端子。本发明装置的端子数可以减少为5个。

具体措施为：在实施例一中的续流二极管D5接于直流母线正端J1和全桥电路之间情况下，可以将进线接线的直流母线正端J1与供电机绕组L1接线的接于母线正端的输出端子J5合并为一个接线端子。在实施例二中的续流二极管D5接于直流母线负端J2和全桥电路之间的情况下，可以将进线的直流母线负端J2与供电机绕组L2接线的接于直流母线负端J2的输出端子J4合并为一个接线端子。

Claims (8)

1.直流串励电机四开关拓扑装置，包括采用半导体开关元件组成的全桥电路、一个中央信号处理单元、一个门极驱动电路、一个续流二极管，其特征在于：所述全桥电路的两个下臂的公共端接入直流母线负端，串励电机的一个绕组接于所述全桥电路的两个输出端之间，串励电机的另一个绕组接于直流母线正端和全桥电路的两个上臂的公共端之间，所述续流二极管的阴极接于直流母线正端，续流二极管的阳极接于所述全桥电路的两个上臂的公共端，所述中央信号处理单元通过所述门极驱动电路与所述全桥电路连接。

2. 直流串励电机四开关拓扑装置，包括采用半导体开关元件组成的全桥电路、一个中央信号处理单元、一个门极驱动电路、一个续流二极管，其特征在于：所述全桥电路的两个上臂的公共端接入直流母线正端，串励电机的一个绕组接于所述全桥电路的两个输出端之间，串励电机的另一个绕组接于直流母线负端和全桥电路的两个下臂的公共端之间，所述续流二极管的阳极接于直流母线负端，续流二极管的阴极接于所述全桥电路的两个下臂的公共端，所述中央信号处理单元通过所述门极驱动电路与所述全桥电路连接。

3.根据权利要求1或2所述直流串励电机四开关拓扑装置，其特征在于所述全桥电路半导体开关元件为MOSFET，或IGCT，或与二极管反向并联的IGBT、BJT、GTO、MCT中的其中任意一种。

4.根据权利要求1或2所述直流串励电机四开关拓扑装置，其特征在于所述的续流二极管为含有体内二极管的MOSFET或IGCT的半导体开关。

5.权利要求1或2所述实现串励电机电磁力矩电子换向的控制装置，其特征在于所述控制装置设有五个电力端子，第一个电力端子为接于直流母线正端上的端子，第二个电力端子为接于直流母线负端上的端子，第三个电力端子为接于全桥电路和所述续流二极管公共点的端子，第四个和第五个电力端子分别为全桥电路输出的两个端子。

6. 一种直流串励电机四开关拓扑控制方法，其特征在于包括采用半导体开关元件组成的全桥电路、一个中央信号处理单元、一个门极驱动电路、一个续流二极管；所述全桥电路的两个下臂的公共端接入直流母线负端，串励电机的一个绕组接于所述全桥电路的两个输出端之间，串励电机的另一个绕组接于直流母线正端和全桥电路的两个上臂的公共端之间，所述续流二极管的阴极接于直流母线正端，续流二极管的阳极接于所述全桥电路的两个上臂的公共端，所述中央信号处理单元通过所述门极驱动电路与所述全桥电路连接；通过选择控制所述全桥电路中的两个由半导体开关元件组成的供电开关对中的一个供电开关对来控制接于全桥电路的绕组的电流方向，从而实现电机的电磁力矩方向的换向；通过控制一个PWM周期内所述全桥电路中与电枢电流方向一致的供电开关对中两个供电开关对都关断的百分比来控制该回馈电能的大小。

7. 一种直流串励电机四开关拓扑控制方法，其特征在于包括采用半导体开关元件组成的全桥电路、一个中央信号处理单元、一个门极驱动电路、一个续流二极管，其特征在于：所述全桥电路的两个上臂的公共端接入直流母线正端，串励电机的一个绕组接于所述全桥电路的两个输出端之间，串励电机的另一个绕组接于直流母线负端和全桥电路的两个下臂的公共端之间，所述续流二极管的阳极接于直流母线负端，续流二极管的阴极接于所述全桥电路的两个下臂的公共端，所述中央信号处理单元通过所述门极驱动电路与所述全桥电路连接；通过选择控制所述全桥电路中的两个由半导体开关元件组成的供电开关对中的一个供电开关对来控制接于全桥电路的绕组的电流方向，从而实现电机的电磁力矩方向的换向；通过控制一个PWM周期内所述全桥电路中与电枢电流方向一致的供电开关对中两个供电开关对都关断的百分比来控制该回馈电能的大小。

8.根据权利要求6或7所述直流串励电机四开关拓扑控制方法，其特征在于当所述全桥电路连接电枢绕组，所述续流二极管并联连接励磁绕组时，在电机电磁力矩驱动电机旋转方向和电机实际旋转方向相反的工况下，通过全桥电路中与电枢电流方向一致的供电开关对中两个供电开关对都关断的手段来实现串励电机的机轴机械能向电源的能量回馈。

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