CN106170416B - 马达桥驱动器电路 - Google Patents

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Abstract

一种马达桥驱动器集成电路，包括被布置成从第一微处理器接收控制信号的第一组输入端口、被布置成从第二微处理器接收控制信号的第二组输入端口，以及被布置成向马达桥的开关输出马达相切换信号的至少一组输出端口。诊断电路接收和监视从两个微处理器接收的控制信号并根据那些信号确定在任何给定的时间哪个微处理器将被马达桥驱动器视为主设备以及哪个微处理器将被视为从设备。仲裁电路选择性地仅使主微处理器能够在任何给定的时间控制马达桥，同时防止从微处理器控制马达桥。

Description

马达桥驱动器电路
技术领域
本发明涉及用于多相马达控制系统的马达桥驱动器电路。它尤其 适于永磁体AC马达，但是也可应用于其它类型的电动马达，诸如 DC无刷马达、开关磁阻马达和感应马达。
背景技术
电动马达在各种各样的应用中使用并且一个特别具有挑战性的用 途是在电动助力转向系统中。马达，诸如三相永磁体同步电动马达， 连接到转向系统的一部分，该部分通常是将车辆的方向盘连接到车轮 的转向轴。传感器，诸如转矩传感器，产生指示由驾驶员施加到方向 盘的转矩的信号，并且这个信号被馈送到微处理器中。微处理器使用 这个信号来产生用于马达的控制信号，其指示从马达所需的转矩或电 流。这些控制信号在微处理器内被转换成用于马达的每个相的电压波 形，并且这些又从微处理器被传送到马达桥驱动器。
马达桥驱动器将通常是低电平电压波形的控制信号转换成施加到 通常与桥驱动器分离的马达桥的对应相的更高电平电压驱动信号。
典型的桥包括作为从桥驱动器电路施加到开关的高电平电压驱动 信号的函数从电源向马达的相选择性地施加电压的一组开关。通过控 制开关，马达中的电流可以相对于马达转子位置来控制，从而允许由 马达产生的转矩被控制。由此，使得在使用中的马达向转向系统施加 帮助或辅助驾驶员转动方向盘的辅助转矩。因为这个转矩影响转矩传 感器的输出，所以这形成某种类型的闭环控制，从而允许实现马达转 矩的准确控制。
为了帮助控制马达，用于PWM控制的电动马达，尤其是永磁体 同步电动马达的微处理器一般还将接收流经马达的绕组或相的电流的 测量，并且这可以通过用于每个相的单独电流传感器或通过放在电路 中以便测量在D.C.电源和桥电路以及马达组合之间流动的总瞬时电 流的单个电流传感器来进行。
测得的电流通常在微处理器内被转换成随转子一起旋转的旋转 d-q坐标系(frame)，然后与电流要求信号组合，其中电流要求信 号是所要求转矩以及马达特性的函数，也在d-q坐标系中，指示从马 达要求的电流，以产生电流误差信号。该误差信号表示为了实现期望 的转矩而要求的电流与在马达中流动的实际电流之间的差。该误差信 号被馈送到电流控制器，其产生一组电压要求信号，通常也在d-q坐 标系中，表示要施加到马达的每一相的要将误差信号朝零最佳驱动的 电压。然后，d-q电压信号被转换成用于马达相的PWM信号，这取 决于使用哪种PWM策略。因此，控制器用来改变PWM相电压，以 便尝试不断地最小化误差信号的大小，由此确保马达电流尽可能接近 要求的电流。
利用反馈控制和PWM的马达驱动电路在本领域中是众所周知的。 例如，WO2006005927公开了一种典型的系统并且该文档的教导通过 引用被结合于此。控制系统的一般布局在附图的图2中示出。
已经理解的是，对于如上所述的系统，存在潜在的弱点，因为单 个组件可能发生故障，从而导致来自马达的辅助的损失。例如，如果 到微处理器的供应电压下降至微处理器的性能受损的水平，则会提供 不正确的控制信号。微处理器中的内部故障也会导致控制器的不正确 功能并导致微处理器向桥驱动器电路供应不正确的命令信号。
发明内容
本发明的目的是要改善与在上面描述的现有技术布置中的故障相 关联的可能问题。
根据第一方面，本发明提供了马达桥驱动器集成电路，包括：
第一组输入端口，被布置成从第一微处理器接收控制信号，
第二组输入端口，被布置成从第二微处理器接收控制信号，
至少一组输出端口，被布置成向马达桥的开关输出马达相切换信 号；
诊断电路，接收并监视从两个微处理器接收的控制信号并根据那 些信号确定在任何给定的时间哪个微处理器将被马达桥驱动器视为主 设备以及哪个微处理器将被视为从设备，以及
仲裁电路，选择性地仅使主微处理器在任何给定的时间控制马达 桥，同时防止从微处理器控制马达桥。
通过术语“控制马达桥”，我们指的是来自作为主设备的微处理 器的控制信号被转换成用于控制桥开关所需的信号，同时来自其它微 处理器的控制信号不影响桥切换信号的生成。
因此，集成的马达桥驱动器电路使两个微处理器能够控制马达桥， 同时确保只有主微处理器在任何时候都控制桥，并且确保主设备和从 设备不同时试图控制桥。仲裁在集成电路内由内置的诊断和仲裁电路 执行。
诊断电路可以响应于在输入端口处从两个微处理器中的每一个接 收的状态信息而确定哪个微处理器是主设备以及哪个是从设备，其中 状态信息作为控制信号的一部分或与控制信号一起。这种状态信息可 以包括指示每个微处理器的健康状况的信号。两个微处理器都可以周 期性地被监视并且每一个的状态被提供给另一个以用于诊断的目的。
诊断电路可以包括看门狗功能，借此诊断电路被配置为如果一个 特定的微处理器指示它是健康的则使得诊断电路始终将那个微处理器 视为主设备，但是，如果缺省主设备供应指示它不健康的状态信息或 者如果从来自主微处理器的上一个健康信号开始已经经过了预定的时 间，则切换成将另一个从微处理器视为主设备。
在提供看门狗功能的情况下，电路可以包括当接收到健康信号时 复位并且如果预定时间已经经过就超时(time out)从而给出错误标 志的定时器。
通过健康，我们指的是微处理器已接受了由微处理器满足的一个 或多个测试。当这些测试已经被通过时，微处理器将对看门狗做出响 应并且可以以设定的时间间隔或者在操作时当被看门狗挑战时重复地 做这件事。
此外，或作为替代，马达桥驱动器可以适于在输入端口处接收指 示施加到每个微处理器的供应电压的信号，并且诊断电路可被布置成 接收和监视这些信号并确定电压在可允许的安全范围之内。在到作为 主设备操作的微处理器的供应电压在该范围之外的情况下，诊断电路 可以改变状态，以便将另一微处理器视为主设备，并且在到二者的供 应电压都落在该范围之外的情况下，桥驱动器可以关闭桥并发出警报。
在任何诊断电路切换主微处理器的情况下，输出信号可被馈送到 集成电路的相应的输出端口，该相应的输出端口向相应的一个微处理 器传送这种改变。在实践中，两个微处理器都可被告知状态的改变。
马达驱动电路可以包括单个集成电路，其中诊断电路、仲裁电路 和桥驱动器电路在半导体材料的单个芯片上提供。这种芯片可以由分 别将信号携带到电路和从电路携带到输出端口和携带来自输入端口的 信号的印刷电路板支撑。
集成电路可以包括两组输出端口，每组适于连接到相应的马达桥。 仲裁电路可以同时从主微处理器向两个桥供应信号，使得它们协同工 作。在检测到一个桥中有故障的情况下，信号可以被供应到其中的仅 一个桥。
诊断电路可以适于从每个桥接收信号，以使得桥的正确操作能够 被确定。例如，它可以监视在桥中流动的电流和/或相电压反馈信号。
作为替代，微处理器可以监视桥的完整性并向诊断电路馈送指示 桥的状态的信号。再次，微处理器可以监视在桥中流动的电流，以帮 助确定桥的完整性和/或相电压反馈信号。
集成电路可以包括处理来往于第一微处理器的信号的第一串行外 设接口总线(SPI)和处理来自第二微处理器的信号的第二串行外设 接口(SPI)总线。
每个SPI可被配置为受仲裁电路的影响而从微处理器到桥驱动器 传送信息，并且可选地向相应的微处理器传送回关于桥驱动器的状态 的信息。可选地，信息可以通过向桥驱动器电路的连接到相应一个微 处理器的附加输出端口施加信号而被传送回相应的微处理器。当然， 输入端口也可被用作输出端口(组合的I/O端口)。
因此，仲裁电路将控制供应到一个或多个桥的每个开关的信号， 并且应当被布置成使得在其中一个微处理器中或在微处理器电源中的 任何显著故障都不会不利地影响施加到桥的信号，包括由于经由SPI 接口实现的桥驱动器的配置造成的任何影响。
本发明通过使两个微处理器能够以防止一个微处理器中的故障影 响另一个微处理器提供控制的能力的方式控制桥驱动器，提供多相电 动马达的故障操作行为。将电路的各部分放在集成电路中使得能够提 供合适的仲裁和看门狗电路的简化设计和实现，并增强电路的健壮性。
根据第二方面，本发明提供一种马达电路，包括：
多相电动马达，
至少一个马达桥，其包括多个开关，用于响应于来自马达桥驱动 器电路的马达相切换信号而选择性地将马达的每一相连接到供应电压，
第一微处理器，生成指示要被施加到马达的每一相的电压波形的 第一组控制信号，
第二微处理器，生成指示要被施加到马达的每一相的电压波形的 第二组控制信号，
以及
集成的马达桥驱动器电路，包括：
第一组输入端口，被布置成从第一微处理器接收控制信号，
第二组输入端口，被布置成从第二微处理器接收控制信号，
至少一组输出端口，被布置成向马达桥的开关输出马达相切换信 号；
诊断电路，接收并监视从两个微处理器接收的控制信号并根据那 些信号确定在任何给定的时间哪个微处理器将被马达桥驱动器视为主 设备以及哪个微处理器将被视为从设备，以及
仲裁电路，选择性地仅使主微处理器能够在任何给定的时间控制 马达桥，同时防止从微处理器控制马达桥。
每个微处理器可以包括控制信号生成电路，其生成被发送到桥驱 动器电路的控制信号。这些控制信号可以包括但不限于：
一个或多个抑制信号，指示桥驱动器进入低功率状态；
一个或多个开关控制信号，告诉桥驱动器打开和闭合桥的开关的 定时；
一个或多个使能信号，指示桥驱动器从低功率状态唤醒；以及
一个或多个串行外设接口信号，被用来控制微处理器和桥驱动器 电路之间信号的定时和同步，并且可选地包括告诉桥驱动器看门狗微 处理器的状态或健康状况的一个或多个状态信号。
桥驱动器电路可以适于向每个微处理器发送一个或多个信号，该 一个或多个信号包括但不限于：
一个或多个错误信号，指示在桥驱动器或桥的一部分的功能中的 任何错误；
电流信号，依赖于在由桥驱动器电路控制的马达的一个或多个相 中流动的电流；
一个或多个串行外设接口信号，被用来控制微处理器和桥驱动器 电路之间信号的定时和同步。
一个或多个告诉微处理器它是充当主设备还是充当从设备以及关 于桥驱动器的状态信息的信号。例如，它是处于低功率状态还是醒着。
根据第三方面，本发明提供了使用根据本发明的第二方面的马达 电路操作马达的方法，该方法包括：
在第一时间将第一微处理器指定为主微处理器并将第二微处理器 指定为从微处理器；
借此，在诊断分析的结果指示主微处理器正确运行的情况下，使 仲裁电路向桥驱动器供应仅来自主微处理器的控制信号，并且在诊断 分析的结果指示主微处理器不正确运行的情况下，使仲裁电路向桥驱 动器供应仅来自从微处理器的控制信号。
该方法可以包括在微处理器内、在桥电路内或者在微处理器和桥 电路二者内执行诊断。
该方法可以包括从微处理器向桥电路传送诊断分析或者从桥电路 向微处理器传送诊断分析或者二者兼有地传送诊断分析。
该方法可以包括在微处理器或桥电路或者二者内存储关于在任何 时候每个微处理器(主或从)的状态的信息。
附图说明
现在将参考附图仅仅通过举例的方式并且如附图中所示的那样描 述本发明的一个实施例，其中：
图1是典型的EPAS系统的概览，其包括根据本发明的马达和马 达驱动电路；
图2是用于图1的系统的控制电路和现有技术马达驱动的典型构 造的示意图；
图3是对应于图2的、用于根据本发明一方面的构造的示意图； 及
图4是图3的桥驱动器电路的内部构造的详细示意图。
具体实施方式
如图1中所示，多相直流马达的典型应用是在电动助力转向系统 1中。以其基本形式，这包括通过转向柱5连接到车辆的车轮的方向 盘。方向盘和车轮未示出，并且转向轴可以用方向盘和车轮之间的转 向的其它部分代替，诸如转向齿条。电动马达2的输出轴3通过齿轮 箱4连接到轴5，齿轮箱4通常包括与齿轮合作的蜗轮。当驾驶员转 动方向盘时，转矩传感器6感测由驾驶员施加到轴的转矩，并且这个 测得的转矩被馈送到在微处理器芯片内提供的马达驱动电路的控制器 7。控制器产生被施加到与马达的每一相关联的马达桥的开关的马达 相电压，以使马达产生辅助驾驶员的转矩。这通常与测得的转矩成比 例，因此当驾驶员施加更高的转矩时，马达提供更大量的辅助来帮助 转动方向盘。
这种形式的转向系统是众所周知的。图2更详细地示出了典型电 路的组件部分。控制器包括接收测量转矩和在马达中流动的电流(或 者是进入马达或者是流出马达的总电流的每一相中)的测量的微处理 器8。它还接收马达转子位置的测量，或者它在内部根据电流信号计 算这个值。转子位置与电流一起允许控制器确定正在被施加的转矩， 并且来自转矩传感器的转矩的测量被控制器用来确定从马达要求什么 转矩。再次，这在本领域中是众所周知的，并且实现所需转矩的许多 不同的控制策略和马达相电压波形都已经在本领域中提出。
微处理器8的输出将是一组马达相电压波形，典型地是PWM波 形，其代表控制器为实现期望的马达电流以及因此马达转矩而需要的 相电压。这些是低电平信号，并且从控制器被馈送到马达桥驱动器电 路9的输入。马达桥驱动器电路9的功能是把低电平信号变成更高电 平驱动信号，用于马达桥10的开关。例如，对于三相马达，每一相 将通过高开关连接到正电源并且通过低开关连接到地，在任何给定时 间将只有其中一个根据由PWM切换波形定义的模式被连接。
图4更详细地示出了在本发明范围之内的集成马达桥驱动器电路 的内部电路系统块，并且图3示出了将此与两个微处理器结合以便与 图2的电路相比提供增加的可用性水平的马达电路。
集成的桥驱动器电路包括两组输入端口，每一组连接到相应的微 处理器。在这个例子中两个微处理器是完全相同的并且完全独立地操 作，每一个接收马达电流(和可选地马达转子的位置)的测量以及来 自转矩传感器的转矩测量信号。每一个独立地确定用于马达的、表示 要施加到每一相、施加到相应的一组输入端口的PWM波形的一组控 制信号。事实上，如果控制信号在微处理器和马达桥电路之间被串行 地传送，则每一“组”端口可以是单个端口。
桥电路9和微处理器8各自包括SPI接口，以方便控制信息和状 态信息在它们之间的交换。因此，马达桥电路具有两个独立的SPI接 口，每一个还向桥电路中的诊断电路以及仲裁电路传送信息并从其传 送信息。保持它们独立除去了当其中一个SPI电路发生故障时的共模 误差的可能性。此外，由桥驱动器电路的I/O端口接口对信号进行缓 冲是以这样一种方式进行的，以防止过电压故障从微处理器传播到桥 驱动器的其余部分。
桥驱动器电路内的诊断电路确定在任何给定的时间哪个微处理器 充当主设备以及哪个充当从设备。它根据由微处理器提供给它的信息 (包括由微处理器供应的状态信息(即，“我是主设备”))来确定， 但也或者作为替代，通过监视控制信号和代表微处理器的健康的其它 信号来确定。这包括监视到每个微处理器的供应电压VCC_MS。
如在图4中所示，如下多个其它信号在桥电路处从马达和微处理 器被接收，其中一般而言后缀M意味着去往/来自主设备并且S 意味着去往和来自从设备(x表示多个通道之一)。
/INH_M(S)-从微处理器到桥驱动器的抑制信号-把桥驱动器 置成低功率状态。任一微处理器能够唤醒桥驱动器，但二者都需要满 足其以便将其置成低功率模式。
MOSI_M(S)、CLK_SPI_M、CSN_M(S)和MISO_M(S)是标准的 SPI接口信号。用于微处理器和桥驱动器之间的通信，如下所述。
/IHx_M(S)是从微处理器到桥驱动器的三个高侧(high side) FET控制信号。桥驱动器将它们翻译成三个栅极驱动信号GHx-这 些连接MOSFET栅极，以切换栅极MOSFET。下面描述的逻辑确 定是否使用主信号或从信号。
ILx_M(S)如上所述，但与GLx结合用于低侧。
ENA_M(S)-作为从微处理器到桥驱动器以进入正常操作的请求 的使能信号。ENA_M(S)信号(以及其它接口)对于当前不满足SPI WD接口的主或从设备被忽略。因此，不负责的(从)微处理器不能 防止通过另一微处理器进行的系统的正确操作。
VCC_M(S)-桥驱动器监视微处理器的VCC供应。
/ERR_M(S)-从桥驱动器到微处理器的错误信令。详细的错误 信息可以通过SPI读取。
/SAFE_OFF_M(S)-输出级的安全关断。负责的微处理器能够在系统故障的情况下实现栅极驱动器的快速禁用。不负责的微处理器 输入被忽略。
PHASE_FBx–到微处理器的3相反馈信号是从三个SHx信号 导出的相线的状态的信号调节版本。
I_SENSEx–从ISPx和ISNx电流放大器输入信号导出的、到微 处理器的电流感测反馈。
在一种代表性的布置中，微处理器中的每个向诊断电路发送指示 微处理器是健康还是发生故障的状态信息。这个信息以设定的时间间 隔被发送，并且诊断电路充当监视这个信号的看门狗。如果信号在看 门狗定时器超时之前被接收到，则状态不改变。充当主设备的无论哪 个微处理器将继续被桥驱动器电路视为主设备。如果看门狗从主设备 超时(没有及时接收到信号)而及时从从微处理器接收到信号，则桥 驱动器电路将切换成使从设备成为主设备。如果没有从任一微处理器 接收到信号，则诊断电路将指示仲裁电路从两个微处理器都除去桥的 控制、关闭马达，并给出错误标志。
状态的类似改变将由诊断电路在到主微处理器的供应电压落在预 定义安全范围之外、或高于或低于安全限制的情况下进行。除非到那 个微处理器的电压也在安全范围之外或者高于或低于安全限制，将进 行切换以便使从设备变成主设备。
仲裁电路从诊断电路或微处理器(经由SPI)接收关于谁是主设 备的信息并且根据这种信息控制哪些控制信号被用来控制桥驱动器电 路并且进而控制桥。只有主设备被允许控制桥，并且仲裁电路在状态 改变的情况下控制从一个微处理器到另一个的切换。
当标记关键故障时，从桥驱动器向微处理器发送状态信息会是有 益的，因为它将使故障比它被SPI检查更快地被标记。例如，SPI可 以检查桥驱动器的内部寄存器并报告回，但是这往往缓慢并且只周期 性地发生。

Claims (13)

1.一种马达桥驱动器集成电路，包括：
第一组输入端口，被布置成从第一微处理器接收控制信号，
第二组输入端口，被布置成从第二微处理器接收控制信号，
至少一组输出端口，被布置成向马达桥的开关输出马达相切换信号；
诊断电路，接收和监视从两个微处理器接收的控制信号并根据所述控制信号确定在任何给定的时间哪个微处理器将被马达桥驱动器集成电路视为主微处理器以及哪个微处理器将被视为从微处理器，以及
仲裁电路，选择性地仅使主微处理器能够在任何给定的时间控制马达桥，同时防止从微处理器控制马达桥。
2.如权利要求1所述的马达桥驱动器集成电路，其中所述诊断电路在使用中响应于在输入端口处从两个微处理器中的每一个接收的状态信息而确定哪个微处理器是主微处理器以及哪个是从微处理器，其中所述状态信息用作控制信号的一部分，或所述状态信息与所述控制信号分离。
3.如权利要求1或权利要求2所述的马达桥驱动器集成电路，其中所述诊断电路包括看门狗功能，借此所述诊断电路被配置为使得如果所述两个微处理器中的第一微处理器指示所述第一微处理器是健康的，则所述诊断电路始终将所述两个微处理器中的所述第一微处理器视为主微处理器，但是，如果所述两个微处理器中的所述第一微处理器供应指示所述两个微处理器中的所述第一微处理器不健康的状态信息或者如果从来自所述两个微处理器中的所述第一微处理器的上一个健康信号开始已经经过了预定的时间，则切换成将所述两个微处理器中的第二微处理器视为主微处理器，其中健康意味着微处理器已接受了由微处理器满足的一个或多个测试。
4.如权利要求3所述的马达桥驱动器集成电路，其包括当接收到健康信号时复位并且如果预定时间已经经过则超时从而给出错误标志的定时器。
5.如权利要求1所述的马达桥驱动器集成电路，其适于在输入端口处接收指示施加到每个微处理器的供应电压的信号，并且所述诊断电路被布置成接收和监视这些信号并确定电压在可允许的安全范围之内。
6.如权利要求1所述的马达桥驱动器集成电路，包括单个集成电路，其中所述诊断电路、仲裁电路和马达桥驱动器集成电路在半导体材料的单个芯片上提供。
7.如权利要求1所述的马达桥驱动器集成电路，其包括处理来自第一微处理器和到第一微处理器的信号的第一串行外设接口总线(SPI)和处理来自第二微处理器的信号的第二串行外设接口(SPI)总线，并且其中每个SPI被配置为在所述仲裁电路的影响下从微处理器到马达桥驱动器集成电路传送信息。
8.如权利要求7所述的马达桥驱动器集成电路，其中每个SPI被配置为向相应的微处理器传送回关于马达桥驱动器集成电路的状态的信息。
9.一种马达电路，包括：
多相电动马达，
至少一个马达桥，其包括多个开关，用于响应于来自马达桥驱动器集成电路的马达相切换信号而选择性地将马达的每一相连接到供应电压，
第一微处理器，生成指示要被施加到马达的每一相的电压波形的第一组控制信号，
第二微处理器，生成指示要被施加到马达的每一相的电压波形的第二组控制信号，
以及
马达桥驱动器集成电路，包括：
第一组输入端口，被布置成从所述第一微处理器接收控制信号，
第二组输入端口，被布置成从所述第二微处理器接收控制信号，
至少一组输出端口，被布置成向马达桥的开关输出马达相切换信号；
诊断电路，接收和监视从两个微处理器接收的控制信号并根据所述控制信号确定在任何给定的时间哪个微处理器将被马达桥驱动器集成电路视为主微处理器以及哪个微处理器将被视为从微处理器，以及
仲裁电路，选择性地仅使主微处理器在任何给定的时间控制马达桥，同时防止从微处理器控制马达桥。
10.如权利要求9所述的马达电路，其中每个微处理器包括控制信号生成电路，所述控制信号生成电路生成被发送到马达桥驱动器集成电路的控制信号。
11.如权利要求9或权利要求10所述的马达电路，其中马达桥驱动器集成电路适于向每个微处理器发送一个或多个信号，所述一个或多个信号包括：
一个或多个错误信号，指示在马达桥驱动器集成电路的一部分或马达桥的一部分的功能中的任何错误；
电流信号，依赖于在由马达桥驱动器集成电路控制的马达的一个或多个相中流动的电流；
一个或多个串行外设接口信号，被用来控制微处理器和马达桥驱动器集成电路之间信号的定时和同步；
一个或多个告诉微处理器该微处理器是充当主设备还是充当从设备以及关于马达桥驱动器集成电路的状态信息的信号。
12.如权利要求11所述的马达电路，其中关于马达桥驱动器集成电路的状态信息是所述马达桥驱动器集成电路处于低功率状态还是醒着。
13.一种使用根据权利要求11所述的马达电路来操作马达的方法，所述方法包括：
在第一时间将第一微处理器指定为主微处理器并将第二微处理器指定为从微处理器；
借此，在诊断分析的结果指示主微处理器正确运行的情况下，使仲裁电路向马达桥驱动器集成电路供应仅来自主微处理器的控制信号，并且在诊断分析的结果指示主微处理器不正确运行的情况下，使仲裁电路向马达桥驱动器集成电路供应仅来自从微处理器的控制信号。
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