CN105547335B - 一种磁阻式旋转变压器的信号处理系统 - Google Patents

一种磁阻式旋转变压器的信号处理系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁阻式旋转变压器的信号处理系统，其包括两个A/D转换电路、两个过采样电路、信号处理电路。信号处理电路包括高稳定度振荡器、同步检波电路、移位增益相位补偿电路、系统角度误差校正电路。同步检波电路根据振荡器的恢复载波信号从两个过采样电路的两个轨迹信号中分别提取低频信号，然后通过移位增益相位补偿电路与一个校正值相加、相乘实现偏移与增益的校正得到两个校正信号，并校正两个校正信号的相位偏差，获得电角度周期内的电气角瞬时值。系统角度误差校正电路从电气角瞬时值中获取一个特定角度，并转换成相应一个转子位置机械角度，机械角度与一个系统角度误差补偿量进行负反馈以产生角度，角度经速度计算得到角速度。

Description

一种磁阻式旋转变压器的信号处理系统
技术领域
本发明涉及一种信号处理系统，尤其涉及一种磁阻式旋转变压器的信号处理系统。
背景技术
旋转变压器是一种稳定而高效的传感器，经常内置于伺服电机尾部，作为位置与速度传感器；电动汽车中驱动用电动机和发电机的位置传感、电动助力方向盘电机的位置及速度传感、燃气阀角度测量、真空室传送器角度位置测量等等，都是采用旋转变压器。
磁阻式旋转变压器的励磁绕组和输出绕组放在同一套定子槽内，固定不动。但励磁绕组和输出绕组的形式不一样。两相绕组的输出信号，随转角作正弦变化、彼此相差90°电角度。与有刷旋转变压器、环形变压器型的旋转变压器相比，磁阻式旋转变压器的可靠性、工艺性、结构性、成本、长度尺寸小都是最好的，因而得到广泛的应用。但也会因为下列因素产生输出信号偏差：安装偏差造成定子与转子偏心；转子铁芯形状或材质不均匀；磁滞或饱和；机械径向力影响；电磁干扰；有限的绕组数量；齿槽效应；温度变化。因此精度比其它两种旋转变压器低。
把因为安装偏差、制造偏差、材料不均匀、径向力、绕组数量、齿槽效应等固有因素而产生的旋转变压器信号偏差叫系统性偏差；把因为磁滞或饱和、点菜干扰、温度变化等引起的旋转变压器不确定性的信号偏差叫随机性偏差。对系统偏差进行纠正，对随机性偏差进行实时补偿，提高磁阻式旋转变压器的输出信号的精度是扩大使用的关键。
发明内容
本发明提出了一种磁阻式旋转变压器的信号处理系统，其用来处理磁阻式旋转变压器的输出信号，提高磁阻式旋转变压器的角度精度和速度精度。
本发明采用以下技术方案实现：一种磁阻式旋转变压器的信号处理系统，其用于处理磁阻式旋转变压器的两个输出绕组的两对输出信号，以提高磁阻式旋转变压器的角度th的精度和角速度ω的精度；该信号处理系统包括两个A/D转换电路、两个过采样电路、一个信号处理电路；该两对输出信号分别经两个A/D转换电路转换为两对数字信号，两对数字信号分别经过两个过采样电路输出轨迹信号sinal A与轨迹信号sinal B；两个轨迹信号经该信号处理电路处理后输出角度th和角速度ω；该信号处理电路包括振荡器、同步检波电路、移位增益相位补偿电路、系统角度误差校正电路；其中：
振荡器接收一个中断请求信号IRQ，生成一个恢复载波信号sign、一个带有可调节相位位置的方波信号；该方波信号一方面传入磁阻式旋转变压器的励磁绕组，另一方面传入A/D转换电路，再一方面传入过采样电路，该方波信号使振荡器确保该两对输出信号都同步于规定的抖动；
同步检波电路根据恢复载波信号sign从轨迹信号sinal A与轨迹信号sinal B中分别提取低频信号；
移位增益相位补偿电路将两个低频信号通过与一个校正值相加、相乘实现偏移与增益的校正得到校正信号cos(θ)与校正信号sin(θ)，还通过对cos(θ)的三角函数运算校正两个校正信号的相位偏差，最终获得电角度周期内的电气角瞬时值th_inc；其中，移位增益相位补偿电路包括补偿主电路，补偿主电路包括负反馈减法器一、负反馈减法器二、负反馈减法器三、乘法器二、乘法器三；从轨迹信号sinal A提取的低频信号通过负反馈减法器一减掉该校正值后形成校正信号sin(θ)，校正信号sin(θ)通过乘法器二乘以该校正值后输出一个特定值；从轨迹信号sinal B提取的低频信号通过负反馈减法器二减掉该校正值，并通过乘法器三乘以该校正值后，再通过负反馈减法器三减掉该特定值后形成校正信号cos(θ)；
该系统角度误差校正电路根据一个机械角零位置参考点信号zero_ref从电气角瞬时值th_inc中获取一个特定角度，将该特定角度转换成相应一个转子位置机械角度th_mech，机械角度th_mech与一个系统角度误差补偿量进行负反馈以产生角度th，角度th经速度计算得到角速度ω。
作为上述方案的进一步改进，该信号处理电路还包括用于分别对该两对输出信号低通滤波的两个低通滤波器，两个低通滤波器分别电性连接在两个输出绕组与相应的A/D转换电路之间。
进一步地，低通滤波器为全差分抗混叠滤波器。
作为上述方案的进一步改进，该方波信号通过一个滤波器、一个运算放大器被供给励磁绕组。
作为上述方案的进一步改进，同步检波电路为乘积型同步检波电路，同步检波电路把恢复载波sign与两个轨迹信号分别相乘后再分别提取低频信号。
作为上述方案的进一步改进，移位增益相位补偿电路还包括补偿量计算电路、坐标转换电路、乘法器一；补偿主电路将两个低频信号通过与该校正值相加、相乘实现偏移与增益的校正得到校正信号cos(θ)与校正信号sin(θ)；坐标转换电路将校正信号cos(θ)与校正信号sin(θ)从直角坐标系下转换到极坐标系下；补偿量计算电路在极坐标系下计算电气角瞬时值th_inc的补偿量即该校正值；乘法器一根据该校正值采用对校正信号cos(θ)的三角函数运算，校正其对比校正信号sin(θ)的相位偏差。
进一步地，坐标转换电路用坐标旋转数字计算方法把标准的直角坐标系下的点(x,y)转换为极坐标系下的(r,θ)；用旋转角度等间距的扫描方式完成的坐标旋转数字计算方法计算反正切，计算出θ＝ATN(sin(θ)/cos(θ))。
再进一步地，旋转角度等间距的扫描方式为：一个电角度周期内的采样分区为n个区，每个分区内又细分m个小区，一个电角度周期360°内共分n×m个分区，n、m均为正整数。
作为上述方案的进一步改进，该系统角度误差校正电路包括机械角计算电路、系统角度误差补偿量计算电路、速度计算电路；机械角计算电路根据zero_ref从电气角瞬时值th_inc中获取一个特定角度，将该特定角度转换成相应一个转子位置机械角度th_mech；速度计算电路根据角度th经速度计算得到角速度ω；系统角度误差补偿量计算电路根据角速度ω与机械角度th_mech计算出该系统角度误差补偿量。
本发明通过对系统偏差的纠正，对随机性偏差的实时补偿，提高磁阻式旋转变压器的输出信号的精度，即提高了磁阻式旋转变压器的角度精度和速度精度。
附图说明
图1是本发明实施例1的磁阻式旋转变压器的信号处理系统的结构示意图。
图2是图1中磁阻式旋转变压器的其中一个输出信号与采用时间点的关系示意图。
图3是图1中信号处理系统的信号转换及过采样的电路示意图，其对磁阻式旋转变压器的输出信号作前期处理。
图4是图1中信号处理系统的同步检波与偏移、增益、相位自适应的电路示意图，其对磁阻式旋转变压器的输出信号作随机性偏差处理。
图5是图4中信号处理系统的坐标转换电路针对电角度的区分示意图。
图6是图1中信号处理系统的后部电路示意图，其对磁阻式旋转变压器的输出信号作随机性偏差处理。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，磁阻式旋转变压器3包括两个输出绕组9、一个励磁绕组8。两个输出绕组9有两对输出信号，在本实施例中指差分的轨迹信号，这两对输出信号经过本发明的信号处理系统处理后输出具有较佳精度的角度th和角速度ω。
本发明的信号处理系统包括两个低通滤波器4、两个信号A/D转换电路5、两个过采样电路6、一个信号处理电路。两个低通滤波器4、两个信号A/D转换电路5、两个过采样电路6分别一一对应，以实现分别对该两对输出信号的前期处理。两个低通滤波器4分别电性连接在两个输出绕组9与相应的A/D转换电路5之间。两个低通滤波器4分别对该两对输出信号进行低通滤波，分别再传送至两个A/D转换电路5以转换为两对数字信号。低通滤波器4可为全差分抗混叠滤波器。两对数字信号分别经过两个过采样电路6输出轨迹信号sinalA与轨迹信号sinal B，两个轨迹信号经该信号处理电路处理后输出角度th和角速度ω。
如图2所示，两个过采样电路6是用于提高整个系统的分辨率，图2中的曲线I为磁阻式旋转变压器3的其中一个输出信号，线条区域II为过采样点。
请结合图3，磁阻式旋转变压器3的两对输出信号sin/COS，依次分别经两个低通滤波器4、两个A/D转换器5(比如12bit)、两个过采样电路6(以提高分辨率，比如增加线计数3bit)。磁阻式旋转变压器3的两对输出信号处理过程：首先使用A/D转换器5将接收相应输出绕组9的输出信号转换为数字值，此处的分辨率越高，得到磁阻角分辨率越好；然后使用快速、多次扫描的过采样技术，显著地提高信号的分辨率。
该信号处理电路包括高稳定度振荡器7、同步检波电路10、移位增益相位补偿电路12、系统角度误差校正电路。本发明的设计需要轨迹信号sinal A与轨迹信号sinal B完全同步。但是，对于过采样电路6使用的芯片，比如FPGA，其时钟是异步运行的。因此，本发明设计振荡器7(数字_PLL)来确保所有信号都同步于规定的抖动。
振荡器7接收一个中断请求信号IRQ，生成一个恢复载波信号sign、一个带有可调节相位位置的方波信号。该方波信号一方面传入磁阻式旋转变压器3的励磁绕组8，另一方面传入信号A/D转换电路5，再一方面传入过采样电路6，该方波信号使振荡器7确保该两对输出信号都同步于规定的抖动。该方波信号优选通过一个滤波器、一个运算放大器被供给励磁绕组8。在使用A/D转换电路5之前，可配备有全差分抗混叠滤波器，以滤除超出ADC范围的频率成分。
因此，数字_PLL会生成一个带有可调节相位位置的方波信号，该方波信号会通过滤波器以及运算放大器被供给磁阻式旋转变压器3的励磁绕组8，控制励磁，该励磁会被转换为正弦励磁。
经过信号转换及过采样之后，磁阻式旋转变压器3的输出信号被转换成与标准的增量式编码器相同的输出信号：A+B+Z，z＝sign，可以用标准的增量式编码器信号处理装置进行后续的信号处理。
请结合图4，同步检波电路10根据恢复载波信号sign从轨迹信号sinal A与轨迹信号sinal B中分别提取低频信号。在上述所描述的信号转换电路(如A/D转换电路5)及过采样电路6，原始的磁阻式旋转变压器3的输出信号经过输入放大器与A/D转换器会出现偏移、经历的电磁干扰会使信号的幅值、相位发生畸变。因此需要把轨迹信号sinal A与sinal B调整为同步状态。故，信号转换完成后会进行同步检波，然后就可以用带有连续自调节偏移、增益补偿与相位补偿功能的信号进行校正。本发明与一般的同步方式不同，比较特别：本发明的同步检波电路10采用乘积型同步检波电路，并在振荡器7的积极配合下，同步检波电路10把恢复载波sign与两个轨迹信号分别相乘后再分别提取低频信号。移位增益相位补偿电路12将两个低频信号通过与一个校正值相加、相乘实现偏移与增益的校正得到校正信号cos(θ)与校正信号sin(θ)，还通过对cos(θ)的三角函数运算校正两个校正信号的相位偏差，最终获得电角度周期内的电气角瞬时值th_inc。
移位增益相位补偿电路12包括补偿主电路11、补偿量计算电路14、坐标转换电路13、乘法器一16。补偿主电路11将两个低频信号通过与该校正值相加、相乘实现偏移与增益的校正得到校正信号cos(θ)与校正信号sin(θ)。坐标转换电路13将校正信号cos(θ)与校正信号sin(θ)从直角坐标系下转换到极坐标系下。补偿量计算电路14在极坐标系下计算电气角瞬时值th_inc的补偿量即该校正值。
乘法器一16根据该校正值采用cos(θ)的三角函数运算校正由两个校正信号带来的相位偏差，这也是本发明的关键之一。具体地，乘法器一16根据该校正值采用对校正信号cos(θ)的三角函数运算，校正其对比校正信号sin(θ)的相位偏差。因为sin和cos相位差相差90度，而经过一些列电路处理后sin和cos存在极大的可能性不再保持相位差正好是90度了，可能超前也有可能滞后，sin和cos之间存在了相位差，而且超前或滞后的程度也是不确定量。
补偿主电路11是移位增益相位补偿电路12的主电路，包括负反馈减法器一、负反馈减法器二、负反馈减法器三、乘法器二、乘法器三。从轨迹信号sinalA提取的低频信号通过负反馈减法器一减掉该校正值后一方面输入坐标转换电路，另一方面通过乘法器二乘以该校正值后输出一个特定值。从轨迹信号sinalB提取的低频信号通过负反馈减法器二减掉该校正值，并通过乘法器三乘以该校正值后，再通过负反馈减法器三减掉该特定值后再输入坐标转换电路13。
坐标转换电路13为直角坐标与极坐标系的转换电路，用坐标旋转数字计算方法把标准的直角坐标系下的点(x,y)转换为极坐标系下的(r,θ)，用旋转角度等间距的扫描方式完成的坐标旋转数字计算方法计算反正切，计算出θ＝ATN(sin(θ)/cos(θ))。旋转角度等间距的扫描方式为：一个电角度周期内的采样分区为n个区，每个分区内又细分m个小区，一个电角度周期360°内共分n×m个分区，n、m均为正整数。如，在本实施例中，n＝16，m＝8，一个电角度周期内的采样分区为16个区，每个分区内又细分8个小区，一个电角度周期360°内共分16×8＝128个分区。
综上所述，移位增益相位补偿电路12的功能适用于对任何标准的增量编码器的信号的处理。这个电路的输入信号：sinal A、sinal B、sign，其中sinal A、sinal B来自信号转换电路及过采样电路，sign来自其中的数字_PLL。这个电路的输入信号：瞬时角位移增量值th_inc。
乘积型同步检波是直接把本地恢复载波sign与接收信号sinal A与sinal B相乘，用低通滤波器将低频信号提取出来。要求恢复载波sign与接收信号sinalA与sinal B同频同相。恢复载波sign是采用高稳定度振荡器7(即数字_PLL)产生的频率稳定的信号。
在移位增益相位补偿电路12中，通过与校正值相加、相乘可实现偏移与增益校正。通过对cos(θ)的三角函数运算校正cos(θ)与sin(θ)的相位偏差，校正公式为：cos(θ+Δθ)≈cos(θ)-Δθ·sin(θ)。其中，Δθ为近似为正的无穷小量。近似值造成的小误差会由补偿量计算电路14进行计算补偿。
参与运算的校正值来自电路中的移位、增益、相位偏差自动计算单元即补偿量计算电路14。补偿量计算电路14的输入信号来自已转换完毕的极坐标参数值，移位、增益、相位偏差自动计算单元完成对轨迹信号的波动量的计算以获取校正值。本实施例中，使用傅里叶分析的方法计算偏移、增益与相位的校正值。
转子机械角与电子角之间的关系：电子角＝360°×转子极对数，如一个6极转子的旋转变压器，电角度＝360°×3＝1080°。
在直角坐标与极坐标系的转换电路即坐标转换电路13中，用CORDIC算法，(Coordinate Rotation Digital Computer)算法即坐标旋转数字计算方法，把标准的直角坐标系下的点(x,y)转换为极坐标系下的(r,θ)。用旋转角度等间距的的扫描方式完成的CORDIC算法计算反正切，计算出θ＝ATN(sin(θ)/cos(θ))。如图5所示，一个电角度周期内的采样分区，分16个区，每个分区内又细分8个小区，一个电角度周期360°内共分16×8＝128个分区。合理的分区边界应该避开正切、反正切计算角，比如0°、45°、90°以及这些角度的整数倍数角，要把这些角度安排在分区里，不要安排在分区的边界上。偏移、增益与相位的校正值就是在极坐标系下计算完成的，是在直角坐标转换成极坐标以后完成的。
至此介绍的都是涉及信号处理电路对随机性偏差的处理，尤其是偏移、增益的自动补偿，目前很多只停留在相位自动补偿的基础上，即便是相位自动补偿也是比较浅层次的，接下去介绍信号处理电路对校正系统角度误差的处理。
请结合图6，该系统角度误差校正电路根据一个机械角零位置参考点信号zero_ref从电气角瞬时值th_inc中获取一个特定角度，将该特定角度转换成相应一个转子位置机械角度th_mech，机械角度th_mech与一个系统角度误差补偿量进行负反馈以产生角度th，角度th经速度计算得到角速度ω。
该系统角度误差校正电路包括机械角计算电路17、系统角度误差补偿量计算电路19、速度计算电路18。机械角计算电路17根据zero_ref从电气角瞬时值th_inc中获取一个特定角度，将该特定角度转换成相应一个转子位置机械角度th_mech。速度计算电路18根据角度th经速度计算得到角速度ω。系统角度误差补偿量计算电路19根据角速度ω与机械角度th_mech计算出该系统角度误差补偿量。
通过磁阻式旋转变压器3测量到的速度波动都是由于角误差所造成的。系统角度误差使得测量精度偏离了所需的精度带。因此，必须校正这些误差。该角度误差可以被表示为θ＝ω0t+∑k(θksinkω0(t+Ψ))。
此处的显性谐波分量可由EEPROM判定，并储存在EEPROM中。在本实施例中，已经根据图5的分区划分编制成一个表格——校正表，储存在EEPROM中。在正常运行过程中，使用储存在EEPROM中校正表特定于编码器的校正数据校正磁阻式旋转变压器的系统角度错误。借助于转数计数器来获得绝对位置，从轨迹信号th_inc中获取的某一特定角度会被转换成某一个转子位置机械角度th_mech。th_mech与每周期自动计算产生的系统角度误差补偿数值，进行负反馈，产生的角度th是瞬时、理想角度值，同时经过速度变换而产生的角速度ω是瞬时、理想的角速度。根据已校正的角度来形成速度上述的补偿计算是通过软件查表方法查校正表而获得的。
综上所述，本发明可以实现对系统偏差的纠正，对随机性偏差的实时补偿，从而提高磁阻式旋转变压器的输出信号的精度，使得磁阻式旋转变压器的角度和速度具有较佳的精度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种磁阻式旋转变压器的信号处理系统，其用于处理磁阻式旋转变压器(3)的两个输出绕组(9)的两对输出信号，以提高磁阻式旋转变压器(3)的角度th的精度和角速度ω的精度；该信号处理系统包括两个A/D转换电路(5)、两个过采样电路(6)、一个信号处理电路；该两对输出信号分别经两个A/D转换电路(5)转换为两对数字信号，两对数字信号分别经过两个过采样电路(6)输出轨迹信号sinal A与轨迹信号sinal B；两个轨迹信号经该信号处理电路处理后输出角度th和角速度ω；其特征在于：该信号处理电路包括振荡器(7)、同步检波电路(10)、移位增益相位补偿电路(12)、系统角度误差校正电路；其中：
振荡器(7)接收一个中断请求信号IRQ，生成一个恢复载波信号sign、一个带有可调节相位位置的方波信号；该方波信号一方面传入磁阻式旋转变压器(3)的励磁绕组(8)，另一方面传入A/D转换电路(5)，再一方面传入过采样电路(6)，该方波信号使振荡器(7)确保该两对输出信号都同步于规定的抖动；
同步检波电路(10)根据恢复载波信号sign从轨迹信号sinal A与轨迹信号sinal B中分别提取低频信号；
移位增益相位补偿电路(12)将两个低频信号通过与一个校正值相加、相乘实现偏移与增益的校正得到校正信号cos(θ)与校正信号sin(θ)，还通过对cos(θ)的三角函数运算校正两个校正信号的相位偏差，最终获得电角度周期内的电气角瞬时值th_inc；其中，移位增益相位补偿电路(12)包括补偿主电路(11)，补偿主电路(11)包括负反馈减法器一、负反馈减法器二、负反馈减法器三、乘法器二、乘法器三；从轨迹信号sinal A提取的低频信号通过负反馈减法器一减掉该校正值后形成校正信号sin(θ)，校正信号sin(θ)通过乘法器二乘以该校正值后输出一个特定值；从轨迹信号sinal B提取的低频信号通过负反馈减法器二减掉该校正值，并通过乘法器三乘以该校正值后，再通过负反馈减法器三减掉该特定值后形成校正信号cos(θ)；
该系统角度误差校正电路根据一个机械角零位置参考点信号zero_ref从电气角瞬时值th_inc中获取一个特定角度，将该特定角度转换成相应一个转子位置机械角度th_mech，机械角度th_mech与一个系统角度误差补偿量进行负反馈以产生角度th，角度th经速度计算得到角速度ω。
2.如权利要求1所述的磁阻式旋转变压器的信号处理系统，其特征在于：该信号处理电路还包括用于分别对该两对输出信号低通滤波的两个低通滤波器(4)，两个低通滤波器(4)分别电性连接在两个输出绕组(9)与相应的A/D转换电路(5)之间。
3.如权利要求2所述的磁阻式旋转变压器的信号处理系统，其特征在于：低通滤波器(4)为全差分抗混叠滤波器。
4.如权利要求1所述的磁阻式旋转变压器的信号处理系统，其特征在于：该方波信号通过一个滤波器、一个运算放大器被供给励磁绕组(8)。
5.如权利要求1所述的磁阻式旋转变压器的信号处理系统，其特征在于：同步检波电路(10)为乘积型同步检波电路，同步检波电路(10)把恢复载波sign与两个轨迹信号分别相乘后再分别提取低频信号。
6.如权利要求1所述的磁阻式旋转变压器的信号处理系统，其特征在于：移位增益相位补偿电路(12)还包括补偿量计算电路(14)、坐标转换电路(13)、乘法器一(16)；坐标转换电路(13)将校正信号cos(θ)与校正信号sin(θ)从直角坐标系下转换到极坐标系下；补偿量计算电路(14)在极坐标系下计算电气角瞬时值th_inc的补偿量即该校正值；乘法器一(16)根据该校正值采用对校正信号cos(θ)的三角函数运算，校正其对比校正信号sin(θ)的相位偏差。
7.如权利要求6所述的磁阻式旋转变压器的信号处理系统，其特征在于：坐标转换电路(13)用坐标旋转数字计算方法把标准的直角坐标系下的点(x,y)转换为极坐标系下的(r,θ)；用旋转角度等间距的扫描方式完成的坐标旋转数字计算方法计算反正切，计算出θ＝ATN(sin(θ)/cos(θ))。
8.如权利要求7所述的磁阻式旋转变压器的信号处理系统，其特征在于：旋转角度等间距的扫描方式为：一个电角度周期内的采样分区为n个区，每个分区内又细分m个小区，一个电角度周期360°内共分n×m个分区，n、m均为正整数。
9.如权利要求1所述的磁阻式旋转变压器的信号处理系统，其特征在于：该系统角度误差校正电路包括机械角计算电路(17)、系统角度误差补偿量计算电路(19)、速度计算电路(18)；机械角计算电路(17)根据zero_ref从电气角瞬时值th_inc中获取一个特定角度，将该特定角度转换成相应一个转子位置机械角度th_mech；速度计算电路(18)根据角度th经速度计算得到角速度ω；系统角度误差补偿量计算电路(19)根据角速度ω与机械角度th_mech计算出该系统角度误差补偿量。
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