CN107431453B - 无传感器换向方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电路布置以及用于电子换向同步电机的无传感器换向方法，例如电子换向(EC)电机，其中，通过转子位置估计器基于同步电机的EMK以及基于优选地用于无传感器确定转子位置信息的PLL构造中的已知电机模型来处理同步电机的接线端子变量并且其用于换向。

Description

无传感器换向方法

技术领域

本发明涉及电路布置以及用于电子换向同步电机的无传感器换向方法，例如EC电机。

背景技术

根据现有技术已知多种EC电机。例如在电驱动科技领域中的无刷直流电机(BLDC；Brushless DC Motor)一直受到喜爱。因为在这种电机类型中不存在BLDC电机的定子和转子之间的机械或电气接触，所以，为了确定它们的相应位置需要电机操作的替选要求。针对BLDC电机，有两种可能的方法：传感器控制的换向或者无传感器的换向。

在传感器控制的换向中，应用了例如用于检测转子磁通的霍尔传感器，或者在定子区域的光传感器。根据具体的位置信息，通过合适的控制电子设备的功率驱动器操控转子绕组，使得生成转矩。

替选方法是无传感器的换向，在其中，考虑例如用于确定位置而测量回复EMK。实现检测转子位置是通过控制，该控制能够估算出定子线圈中触发的反向电势。然而，为了估算反向电势需要某个最低转数。这导致，无传感器EC电机必须直到达到最低转数为止盲目换向。

US 2010/0181952 A1，EP 2 061 147 A2，US 8,294,397 B2和US 7,334,854 B1中已知示例性方法，该方法涉及电机开动的无传感器换向。

US 8,340,848 B2和US 8,760,098 B2进一步已知正常操作下的无传感器换向方法。

然而目前存在的换向方法，必须在最低转数之下即特别地在远离静止状态的电机开动的情况下非盲目控制EC电机。此外，在转子静止状态下发送电流短脉冲到转子线圈，该线圈使不运行的电机偏移，但是，被转子磁场所影响。如果磁场线切割电机线圈，则根据发电机原理在线圈中也在电机操作的情况下生成感应电压。感应电压如同操作电压用于被极化，因此与转子电流对抗作用。其被称为反向电势或又称反向EMK。

根据楞次定律，这个电动势(EMK)产生次级磁场，该磁场对立于导致电机转动的磁通原始的改变。针对具有固定磁通和固定数目绕组的电机，EMK 的大小与转子角速度成比例。

EMK的大小也称“反电动势常数(Back EMF Constant)”，可用于对给定转数确定回复EMK。能够通过从供给电压减去回复EMK来计算绕组电势。如果电机以额定转数运行，则得出的电压(回复EMK与供给电压的电势差)作用于电流，该电流称为额定电流；在此，电机提供额定转矩。

此外，在现有技术中，已知例如无刷换向电机的无传感器换向的三相栅驱动IC，其通过方块换向(梯形)操作，其中，针对相换向由此不需要位置传感器，因为对反向EMK的必要控制信号求导数。

为了能够实施无传感器场定向的控制，存在多种已知方法，其能够或高花费或小花费的应用。在此，通过估计实现了转子位置确定。现有技术的模型示出所谓的“模型参考自适应控制(Model Reference Adaptive Control， MRAC)”方法，其用于估计电机转数。在这种自适应性的方法的原理是观察系统的实际数据与模型数据的比较。自适应性的方法具有估计大小的改善的反馈，使得使用了测量大小和估计大小之间的错误，为了向参考模型(RM) 调整自适应性模型(AM)。

但是，现有技术中的方法具有多种缺点。因此部分需要较大数目的操作器。此外通常需要开动初始位置的校正处理或检测例如噪声强度检测信号。已知方法中的校正时间是有缺陷的。因此值得期望的是能够无校正时间立即启动。

此外对于电机的开动和操作有利地是如果能够对动态载荷变化做出反应以及能够在改变的载荷条件下就开动。此外，在现有技术方法的情况中缺点还有从开动到过渡至静止载荷操作设计为多级过程。如果能够有从开动到静止操作的连续过程将是值得期望的。

发明内容

本发明的目的是克服前述缺点，以及提供替选和改善的无传感器换向的方法，特别地，用于EC同步电机无传感器正弦换向，以及实施该方法的装置。

目的如此被解决，即，通过根据本发明的EC电机无传感器换向的电路布置，其中，用于检测电机端子变量的电路布置与所述电机连接，以及具有用于在同步于电机转子旋转的d/q观测器坐标系统的端子变量变换的至少一个克拉克(Clarke)-帕克(Park)变换器，以及检测器，所述检测器构造成用于确定坐标系统校正激活的最小信号大小，用于估计EMK(电动势)的观测器以及用于校正观测器坐标系统的PLL构造，其中PLL构造具有相控制器和振荡器，用于通过振荡器的频率给定值控制角度偏移ΔθB，其中相控制器将转动方向指定为EMK的q分量符号的函数，以及相控制器将输出的转频限制在相应的正或负值范围内，其中只要超过系统特定的电流或电压幅度的阈值，检测器就激活用于坐标系统校正的PLL构造的相检测器；以及通过根据本发明的方法，其中，对EC同步电机的接口端子的端子变量通过转子位置估计器基于同步电机的EMK以及基于优选地用于无传感器确定转子位置信息的PLL构造中的已知电机模型进行处理并且其用于换向。

本发明的方面涉及转子位置估计。因此提出了应用基于EMK的转子位置估计器，用于以从电机操作开动(启动)至静止为止的连续、无级的过程来无传感器换向EC电机。

位置估计需要的输入变量是电机三相电流，以及施加在换向电路端子上的三电压。这些电机端子变量，即，电机相电流和端子电压被在转子位置估计器基于优选地在PLL构造(Phase Locked Loop，锁相环)中的已知电机模型处理成转子位置信息，其来自电机EMK。基于如此确定的转子位置，能够实现电机换向(例如正弦U、场定向控制)。

根据本发明提供了基于换向状态的对应的测量的端子电压和计算的端子电压之间的转换。如果没有换向，则通过传感检测端子电压。如果主动换向，则实现了来自所属半桥以及所测量中间电压的目前给定控制度的端子电压计算。以这种方法，可以抛弃用于对测量信号中的脉冲频率分量进行滤波的滤波器。

根据本发明还提供了，用于估计转子位置的相控制回路(PLL配置)，其实行在与转子同步旋转的坐标系统中的测量变量的变换，其转向角来自PLL 构造以及其对应于转子位置，其用于换向。此外，PLL配置包括用于基于同坐标系统中的电机模型测量旋转坐标系统中的电机EMK大小的观测器。

为了得到最优的EMK大小的信号质量提出了：相对电流能够通过电机方程的解根据时间电流导数以及假设EMK与测量变量的积分进行确定。计算电流和测量电流的差能假设为由EMK所引起。接着，来自计算电流和测量电流的权重的差引回为之前假设的EMK，以及输出为观测器的EMK输出信号。

如此配置的相控制回路具有优点，测量信号的差同电流能够被避免，以及输出的EMK得到基于可调节带宽的低通特性，其能够调节于需要的动态。

根据本发明还能够提出用于所测量的电流的低通滤波器，其用于计算上述观测器中的电流差。以这种方法，优化了开动动作，以及得到了总体提高的EMK估计的信号质量(特别地，在信号粘附的电流测量中)。

本发明的另一方面涉及相检测器和相控制器，其中，相检测器确定关于 q轴的d/q坐标系统中的EMK向量的相角度(角度偏移)。

相控制如此被构成，使得来自相检测器的角度偏移例如通过PI控制通过升高或降低旋转的观测器坐标系统的转速通过串联振荡器的频率预定值控制至零。实现相控制器的激活，是优选通过检测器。检测器激活端子变量的最小信号强度的相控制器，以确保仅在观测器中的EMK估计的信号强度和质量足够的情况下实行坐标系统校正。

旋转的坐标系统的位置对于转动方向和q分量(关于d/q坐标系统)符号的精确分配通过相控制器的特定处饱和度获得。EMK的正q分量需要正转动方向或频率。根据本发明配置的另一优点是，通过所谓的相控制器的初饱和度实现用于产生EMK以启动电机的最小频率。

为了PLL配置在已经旋转的电机的情况下绝对在锁定状态下能够同步 (PLL“锁定”)，提出另一优点，将相控制器的I分量通过饱和度组的“抗饱和”布置在初饱和度的情况下设置为初始值。该初始值在电机有源换向的情况下设置具有零值，以及此外设置具有EMK的初始速度确定的转数。

对于坐标系统变换(转子位置)，频控振荡器通过给定频率预定值积分产生转动角度。时间变化即转动角度的差导致转子的转动频率。振荡器的输入信号能够例如直接用为交叠电机换向的转数信号。

可选地能提供，实现EMK的开始速度确定(初始值)，以直接确定在无电电机(非有源换向)情况下所测量的端子电压的转动频率。通过反正切计算 (atan2)通过变换入系统的端子电压直接确定了转子位置和来自差值(时间导数)的转动频率。

本发明其他有利的扩展在下文中与本发明优选实施方式的描述一起参考附图进一步展示。

附图说明

图1根据本发明电路布置的实施方式的框图；

图2最小信号强度检测器的运行方法的框图；

图3EMK观测器的框图；

图4具有两个低通滤波器的EMK观测器的框图；

图5总体系统的示例性PLL控制回路的框图；

图6在图5中的PLL构造中的相检测器的框图；

图7图6中的相控制器的框图；

图8PLL受控系统的框图；

图9PLL构造中使用的振荡器的框图；以及

图10初始速度测量的框图。

具体实施方式

图1是以框图的形式示出的本发明的实施例。示出了无级连续过程中的即从电机启动至静止的无转子位置给定器的EC电机换向的电路布置1，其中，用于检测电机端子变量的电路布置1与该电机通过接口2a、2b连接。电路布置1包括克拉克(Clarke)-帕克(Park)变换器10、检测器20、观测器30以及PLL 构造40，其中，该克拉克(Clarke)-帕克(Park)变换器10用于与在与电机转子同步的d/q观测器坐标系统中的每个端子变量(电流和端子电压)对应的变换，该检测器20构造成确定最低信号大小，该观测器30用于估计EMK(电动势)，该PLL构造40用于校准观测器坐标系统。

通过变换，固定定子三相abc系统的永久磁铁励磁的同步电机的电端子变量(电流i_u、i_v、i_w以及电压u_u、u_v、u_w)首先通过克拉克(Clarke)变换而变换成二相正交alphabeta系统，然后，通过帕克(Park)变换而变换成旋转的d/q观测器坐标系统。观测器坐标系统的位置在通过同步电机EMK的给定估算的操作，修正至用于引导为转子磁通以及用于电机建模的电机d/q系统。在静止状态下，两个坐标系统都精确对准，其中，有对应于模系统的实系统。以这种方式，在观测器坐标系统中，直接集成了操作控制或电机换向(例如矢量控制)，或者观测器坐标系统的变换角度用作外部换向的转子位置电角度。

PLL构造40包括相检测器41和相控制器42(参见图5)，以及该PLL构造40 构造成用于将来自相检测器41的角度偏移例如通过PI控制器对观测器坐标系统转速的增高或降低关于串联振荡器43频率额定值为零进行控制。如图1 所示，优选地通过检测器20实现了相控制器42的激活，该检测器20与观测器 30和PLL构造40通过控制回路连接。检测器20激活端子变量的最小信号强度 (信号阈值)的相控制器42，使得确保仅在观测器30中的EMK估计的信号强度和信号质量足够的情况下实施坐标系统校正。

此外，在该实施例中，设置了通过开关4能够与PLL构造输入连接的检测器20'(速度检测器)。

图1所示的检测器20的运行方法通过图2的框图进一步描述。检测器20用于确定最小信号强度，其中，首先确定d/q观测器坐标系统中的端子变量的平方数。然后，将该平方数与下面的系统给定临界值进行比较，为了准确的信号估算。这也是为了，只考虑能够准确估算的信号。如果超过电流幅度和/ 或电压幅度的给定阈值，则通过检测器20激活用于坐标系统校准的PLL构造 40的相控制器42。然而，如果信号强度太小，则不能够有观测器30中的EMK 的准确估计。实现阈值的确定是基于电流和电压测量的信号电子属性，也就是说，基于预期偏移、噪声分量以及信号分辨率。

施加在电机接口端子的端子电压选择性地进行以下动作，即，通过测量电阻网络被直接确定该电压(例如惰性滑行中或在单独传动的情况下)，或者，在载荷的情况下在通过基于给定PWM调节度的换向方法有源供电的情况下以及在所测量的中间电路电压的目前瞬时值算出该电压。

实现通过观测器30估计EMK，是在以转子转动频率旋转的d/q观测器坐标系统中，基于施加在电机端子的电压和电流，以及基于关于坐标的同步电机的方程。

在估计时假设用于计算的理论或假设EMK。所估计的电流与即时在端子处测量的电流进行直接比较，差值与给定的增益系数相乘，以及被定为提前假设EMK，因为在校对的方程的情况下仅通过偏差的EMK引起电流值偏差。

这样确定的信号现在又引回为电流估计的EMK输入信号，进一步也用作观测器30的EMK输出信号。通过这种估计方法确定了来自积分仪和测量电流之间的输出信号的差值的EMK。由此，达到了高信号质量，以及不需要针对计算对测量信号进行导数。

在观测器中的计算进一步不变地应用理想方程，方程如下：

用于转子磁通固定的d/q系统的方程：

用于d/q观测器坐标系统的方程：

这些理想方程能够在本发明中应用，尽管由于可能出现旋转的电机系统和d/q观测器坐标系统之间的角度偏移可能必须相应地调整感应矩阵。在此，仅补充了d方向上的可能的EMK分量。显示了，除非如果d方向和q方向上的相应感应相同，则方程系统能够保持不改变。也就是在感应L_d等于感应L_q的情况下。

在彼此偏移的感应的情况下，方程系统也能够保持不变，因为提供了在已知临界值中稳定的以及会聚在零的角度差的特征。

为了估计具有假设EMK的电流，根据电流导数用方程换算和积分。在此参见图3，示出了根据下列电流和由电流得出的emk_db和emk_dp值的方程 EMK观测器的框图。

如上述本发明的总体描述中描述的，实现EMK的计算首先通过计算出估计电流i_dqB与测量电流i_dqBm的差值，然后将该差值与观测器常数K_Bd,q相乘。

emk_dB＝K_Bd·(i_dB-i_dBm)

emk_qB＝K_Bd·(i_dB-i_dBm)

如此算出的EMK引回用于计算上述积分公式中的i_dqB。所确定的emk_db和emk_dq值由此在上述方程中的积分中被考虑。根据拉普拉斯变换得到下列方程作为针对所估计的EMK的过渡方程：

根据本发明应用方程以如下根据观测器常数K_BD进行d/q观测器系统的布置：

图4以框图的方式示出了EMK观测器30的本发明的实施例，该观测器具有一个或者在图4中具有两个低通滤波器31。这种配置是为了更好的信号质量，以及这之后的同步电机的优化的开动行为。如图4所示，在每个相应的电流信路中集成一个低通滤波器31，以及集成在系数位置，即，该位置使得信号由计算的观测器电流的相减进行处理。为了避免EMK观测器系统的带宽改变，能够确定在针对EMK估计的维度的观测器时间常数T_B上的低通滤波器31的时间常数。

参见图5至9如下描述了用于校准观测器坐标系统的PLL构造40的本发明实施例。首先，图5示出总体系统以及控制回路的原理，由相检测器41、相控制器42、控频振荡器43构成，其输出变量用作克拉克(Clarke)-帕克(Park) 变换和EMK观测器的系统变量。emk_dq值回路至相检测器41，该相检测器确定角度偏移。

相检测器41以框图的方式进一步示出在图6中。相检测器41用于计算电机坐标系统和作为基于d/q观测器坐标系统中的EMK角度位置的相关系统的观测器坐标系统之间的角度偏移Δθ_B。在电机坐标系统中，在正转动频率的情况下，根据定义，EMK作为在正q轴上的永磁体磁通向量的时间层面上的导数。之后，相检测器41确定根据正q轴在d/q观测器坐标系统中的 EMK角度位置。如果角度偏移为零，则系统旋转一致。

角度偏移Δθ_B的d/q观测器坐标系统中的EMK依据如下：

emk_dB＝sin(Δθ)·emk_q

emk_qB＝cos(Δθ)·emk_q

之后，相检测器41作为输出信号，如下通过EMK的反正切确定该信号，相角度偏移Δθ的值：

针对小的角度偏移，也能够为了简化计算实现线性化，以及仅通过emk 值的相除代替反正切。在这种趋近计算的情况下，关于之后反正切方程的值范围上的饱和项的值范围的限制是有意义的，使得仅在趋近线性化的范围中基于这个基础进行运作。

通过PLL构造40，实现了对基于EMK的d分量的电机系统的角度位置上的观测器坐标系统跟踪。如上所述，确定了由观测器30估计的EMK的角度位置，以及向相控制器42引导为坐标系统偏差。在图7中示出相控制器 42的框图。

相控制器42进一步在图8中示出，图8以框图的方式示出PLL受控系统。在此，相控制器42被示出为PI控制器，以及通过用于产生变换测量端子变量到d/q观测器坐标系统中的角信号的串联的振荡器43的频率预定值将角度偏移控制至零值。也就是说，根据EMK是否赶上或者跑在前面，减小或升高或在后面或在前面校正观测器坐标系统的目前频率。

具有EMK观测器的相检测器41的过渡方程如下：

相检测器42的过渡方程如下：

振荡器的过渡方程如下：

从中确定根据图8的受控系统变换方程：

通过分母多项式布置除以系数比较

得出调整参数PLL的K_P、K_I和T_B如下：

通过相控制器42进一步实现了将转动方向精确分配于坐标系统位置。通过转动方向根据定义提供了EMK的正或负q分量。因此，为了实现精确分配根据EMK的q分量的符号改变了控制器的原饱和度，以及将输出的转动频率的饱和度输出在相应的正或负的值范围上。

为了实现电机开动，限制了转数在下限值(最小值)，使得确保EMK一直出现，其偏移了转动中的转子以及直接被系统相检测器启动准备。此外，上限值(最大值)被定为频率值，其中，如果频率在系统“出界”的情况下跑入限制中，则该频率值通过执行为PI控制器42的相控制器42的抗饱和来触发新的I分量初始化。控制器的I分量在激活相控制器的情况下也置于由可替选初始速度确定所确定的转数值。这使得观测器系统接通在已经高转数旋转的同步电机上，而不必须在非先初始化I分量的情况下没必要快速地布置相控制器。初始速度的确定能够在直接来自回测量的电机端子电压的非有源供电操作中实现，其在这种情况下直接对应EMK。

在图9的框图中示出了频控振荡器43(VOC)。这产生测量端子变量的变换以及电机换向所需的角信号。在此，角信号的变化率与引入频率的相控制器的输入成比例。因此，频控振荡器43具有角度以及中弧度角速度的纯积分特征。

图10框图示出如何实现初始速度确定。该确定这是基于所测量的同步电机无电状态中的端子电压例如在惰性滑行的情况下或者通过单独传动。无电状态中，端子电压等于EMK。为了确定初始速度，通过克拉克(Clarke)变换的测量的方程计算了转子位置角度。通过时间层面的差值，从中确定了目前转子转频。

通过紧接着的、如上进一步所述的低通滤波器，能够改善被差值劣化的信号质量，因为通常对于初始速度完全不需要高的动力。通过初始速度确定，也能够实现已经在高转数旋转的同步电机上的观测器坐标系统的接通，因为其I分量能够在接通的情况下以初始转频进行初始化。

本发明在其实施中不限于前述给出的优选实施例。更能够设想到大量的变型方案，所述的这些变型方案关于所示方案在完全不类似的实施方案中也使用所示出的解决方案。

Claims (21)

1.一种用于EC电机的无转子位置给定器换向的电路布置(1)，其中，用于检测电机端子变量的电路布置与所述电机连接，以及具有用于在同步于电机转子旋转的d/q观测器坐标系统的端子变量变换的至少一个克拉克(Clarke)-帕克(Park)变换器(10)，以及检测器(20)，所述检测器构造成用于确定坐标系统校正激活的最小信号大小，用于估计EMK(电动势)的观测器(30)以及用于校正观测器坐标系统的PLL构造(40)，其中PLL构造(40)具有相控制器(42)和振荡器(43)，用于通过振荡器(43)的频率给定值控制角度偏移Δθ_B，其中通过相控制器(42)将转动方向指定为EMK的q分量符号的函数，以及将输出的转频的饱和度输出在相应的正或负值范围上，其中只要超过系统特定的电流或电压幅度的阈值，检测器(20)就激活用于坐标系统校正的PLL构造(40)的相检测器(41)。

2.根据权利要求1所述的电路布置(1)，其特征在于：观测器坐标系统的转角从PLL构造(40)获得，以及所述转角同步于转子位置转角。

3.根据权利要求1或2所述的电路布置(1)，其特征在于：观测器(30)被设计成具有在电压或电流相应的信路中的至少一个低通滤波器(31)。

4.根据权利要求1或2所述的电路布置(1)，其特征在于：PLL构造(40)具有用于计算旋转的电机坐标系统与d/q观测器坐标系统之间的角度偏移Δθ_B的相检测器(41)。

5.根据权利要求1或2所述的电路布置(1)，其特征在于：所述电路布置用于在电机从开动到静止操作的无级连续过程中的无转子位置给定器的EC同步电机的正弦换向。

6.具有根据权利要求1至5中的任一项所述电路布置的EC同步电机的换向方法，其中，对EC同步电机的接口端子的端子变量通过转子位置估计器基于同步电机的EMK以及基于已知电机模型进行处理并且其用于换向。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述已知电机模型用于无传感器确定转子位置信息的PLL构造(40)中。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：实施至少以下换向方法的步骤：

a.确定端子变量；

b.通过d/q观测器坐标系统中的克拉克(Clarke)-帕克(Park)变换变换所述端子变量；

c.将PLL构造(40)中的端子变量处理成转子位置信息以用于换向。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：在步骤a)中确定电机相电流和/或一个或更多个施加在电机接口端子的电压(en)。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：在步骤b)的变换的情况下，定子固定的三相abc系统的端子电气变量首先通过克拉克(Clarke)变换变换成二相正交alphabeta系统，以及紧接着进一步通过帕克(Park)变换变换成旋转的d/q观测器坐标系统。

11.根据权利要求6至10中的任一项所述的方法，其特征在于：用于转子位置估计的PLL构造(40)执行同步于转子旋转的坐标系统中的所测量的端子变量的变换，使得所述系统的转角来自于PLL构造(40)以及对应于转子位置，所述转子位置用于换向。

12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：通过观测器(30)来实现同步电机EMK估计。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：直接通过步骤a)中的端子变量的确定基于施加在同步电机的电压来实现同步电机EMK估计。

14.根据权利要求6至10中的任一项所述的方法，其特征在于：通过PLL构造(40)的相检测器(41)实现基于d/q观测器坐标系统中的EMK的角位置来计算电机坐标系统与d/q观测器坐标系统之间的角度偏移。

15.根据权利要求6至10中的任一项所述的方法，其特征在于：将d/q观测器坐标系统的相对位置在操作期间通过对同步电机EMK针对性的估算校正至定向于同步电机转子的转子磁通的、以及用于电机建模的d/q观测器坐标系统。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：将d/q观测器坐标系统的相对位置与所述d/q观测器坐标系统同步。

17.根据权利要求6至10中的任一项所述的方法，其特征在于：借助通过电机方程的解根据时间电流导数以及假设EMK与实际测量变量的积分的计算方法实现电流计算，将来自计算电流和测量电流的权重的差引回为之前假设的EMK，以及输出为观测器(30)的EMK输出信号。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于：所述假设EMK是理论EMK。

19.根据权利要求6至10中的任一项所述的方法，其特征在于：转子位置校正的转角通过频控振荡器通过给定频率预定值的积分实现，以及通过转角时间层面的改变确定转子转频。

20.根据权利要求6至10中的任一项所述的方法，其中，转数值被限制在下限值，使得确保EMK持续出现，所述EMK使转动中的转子偏移，以及通过系统相检测器启动准备所述EMK，和/或进一步给定频率值的上限值，如果系统频率跑入限制中，则所述频率值通过相控制器42的抗饱和来触发I分量的新初始化。

21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于：所述下限值是最小值，所述上限值是最大值。

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