CN111478628B - 转矩模式马达驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种转矩模式马达驱动装置，包含一外接式补偿运算模块、一速度控制回路与一电流控制回路。外接式补偿运算模块，用以接收一第一马达的一第一速度、一与一第二马达的一第二速度相关的外部速度限制值与一初始转矩命令，据以产生一惯量转矩补偿命令与一速度限制转矩补偿命令，并进一步将惯量转矩补偿命令与速度限制转矩补偿命令与初始转矩命令叠加出一补偿转矩命令。速度控制回路与电流控制回路，接收补偿转矩命令，并产生一马达驱动命令至第一马达，使第一马达维持在一定转矩正常工作状态，藉以使卷料维持在一固定张力。

Description

转矩模式马达驱动装置

技术领域

本发明涉及一种驱动装置，尤其涉及一种转矩模式马达驱动装置。

背景技术

在冶金、造纸、薄膜、染整、织布等应用中，通常会利用两台马达对上述领域中的材料进行收卷和放卷，以下将进行收卷和放卷的材料称之为卷料。

卷料的一端连结于第一转轴，另一端连结于第二转轴。上述两台马达中，一第一马达驱动第一转轴，一第二马达驱动第二转轴。当第一马达通过一转矩模式马达驱动装置驱动，而第二马达通过一速度模式马达驱动装置驱动时，对卷料进行放卷；反之，第一马达通过速度模式马达驱动装置驱动，而第二马达通过转矩模式马达驱动装置驱动时，对卷料进行收卷。受速度模式马达驱动装置所驱动的马达，会接收一定速度命令维持在一固定速度，而受转矩模式马达驱动装置所驱动的马达，会接收一定转矩命令维持在一固定转矩。

一般来说，第一马达与第二马达需要相互配合，藉以对卷料进行收卷和放卷。若第一马达与第二马达没有相互配合，可能会造成卷料间的张力改变。若张力过大，可能造成卷料被拉伸，破坏卷料的使用特性，甚至可能非刚性的卷料被拉断。若张力不足，会使卷料松垮，可能造成卷料产生皱折或弯折。以布匹来说，布匹若产生皱折或是折痕，在检验时会被作上记号，并且会影响布匹的等级。

然而，现有技术中，控制器仅会依照一张力感测模块所感测出的卷料张力对定速度命令或定转矩命令进行调整，并不会依照收卷、放卷、速度模式马达驱动装置所驱动的马达加速或减速、转矩模式马达驱动器所驱动的马达加速或减速等情况进行调整。尤其在速度模式马达驱动装置所驱动的马达加减速的情况下，由于转矩模式马达驱动装置所驱动的马达所驱动的转轴还带有转动惯量，在不知道速度模式马达驱动装置所驱动的马达是加速还是减速的情况下，仅利用卷料张力调整定转矩命令无法有效地调整转矩模式马达驱动装置所驱动的马达。

以下举例说明将设定转矩模式马达驱动装置驱动第一马达，速度模式马达驱动装置驱动第二马达。

请参阅图1，图1显示现有技术中的第一马达驱动的转速─转矩图。现有技术中，驱动第一马达的转矩模式马达驱动装置，具有一转矩限制值，转矩限制值有正有负，正负表示的是转矩的方向不同，并将正的转矩限制值定义为一转矩上限值TLU，负的转矩限制值定义为一转矩下限值TLD。当卷料的负载带动第一马达，使第一马达的第一速度超出转矩模式马达驱动装置的一速度限制时，转矩模式马达驱动装置会瞬间产生一代表转矩限制值的转矩限制值命令，藉以驱动第一马达，使第一马达不会受到卷料的负载带动。

其中，区域I为一速度限制区域，区域II与III为速度异常区域。当卷料的负载足以影响使第一马达的第一速度速度进入区域II或III时，转矩模式马达驱动装置就会直接产生转矩限制值命令驱动转矩模式马达，将其速度拉回至区域I。然而，瞬间的转矩限制值命令所代表的转矩限制值过大，容易使得卷料张力产生剧烈变化，导致卷料断裂或一大截卷料松脱的情形发生。容易造成卷料卷得不好或是断裂必须重新收卷。

发明内容

有鉴于此，本发明的一主要目的提供一种转矩模式马达驱动装置，用以驱动第一马达逐渐输出一限制值命令以及逐渐回复至定转矩正常工作状态中的一者，使卷料维持在一固定张力，不会产生剧烈变化。

本发明为解决现有技术的问题，所采用的必要技术手段为提供一种转矩模式马达驱动装置，用以控制一第一马达，第一马达驱动一第一转轴转动，并且在一定转矩正常工作状态，配合一用以驱动一第二转轴的第二马达运作，维持将一固定转矩输出至第一转轴，藉以使一两端分别卷绕于第一转轴与第二转轴的卷料在第一转轴与第二转轴被驱动旋转时维持在一固定张力，转矩模式马达驱动装置包含一外接式补偿运算模块、一速度控制回路与一电流控制回路。

外接式补偿运算模块，电性连接一用以反馈第一马达的一第一速度的速度反馈装置与一控制器，用以接收第一马达的第一速度与控制器产生的一初始转矩命令，并在第二马达的一第二速度发生变化，使第一马达脱离定转矩正常工作状态时，产生一惯量转矩补偿命令与一速度限制转矩补偿命令，且将惯量转矩补偿命令、速度限制转矩补偿命令与初始转矩命令叠加运算出一补偿转矩命令。速度控制回路，电性连接外接式补偿运算模块，用以接收补偿转矩命令，并据以产生一速度控制转矩命令。电流控制回路，电性连接速度控制回路，用以接收速度控制转矩命令，并据以产生一马达驱动命令，藉以驱动第一马达逐渐输出一限制值转矩以及逐渐回复至定转矩正常工作状态中的一者。

在上述必要技术手段的基础下，本发明所衍生的一附属技术手段为使转矩模式马达驱动装置中的外接式补偿运算模块，包含一惯量补偿单元，且惯量补偿单元用以接收控制器输出的一与第二速度相关的外部速度限制值，并据以产生惯量转矩补偿命令。

在上述必要技术手段的基础下，本发明所衍生的一附属技术手段为使转矩模式马达驱动装置中的惯量补偿单元，内建有一运算规则，并依据运算规则，产生惯量转矩补偿命令，且运算规则一转矩速度惯量运算公式。

在上述必要技术手段的基础下，本发明所衍生的一附属技术手段为使转矩模式马达驱动装置中的外接式补偿运算模块，包含一速度限制补偿单元，速度限制补偿单元用以接收第一速度，并比较第一速度与一内建的速度限制值，据以产生速度限制转矩补偿命令。

在上述必要技术手段的基础下，本发明所衍生的一附属技术手段为使转矩模式马达驱动装置中的速度限制补偿单元，在判断出第一速度大于速度限制值中的一速度上限值时，产生速度限制转矩补偿命令，且速度限制转矩补偿命令与初始转矩命令反向。

在上述必要技术手段的基础下，本发明所衍生的一附属技术手段为使转矩模式马达驱动装置中的速度限制补偿单元，在判断出第一速度小于速度限制值中的一速度下限值时，产生速度限制转矩补偿命令，且速度限制转矩补偿命令与初始转矩命令同向。

在上述必要技术手段的基础下，本发明所衍生的一附属技术手段为使转矩模式马达驱动装置中的外接式补偿运算模块，包含一命令叠加单元，且命令叠加单元用以将惯量转矩补偿命令、速度限制转矩补偿命令与初始转矩命令叠加运算出补偿转矩命令。

承上所述，本发明所提供转矩模式马达驱动装置，利用外接式补偿运算模块产生惯量转矩补偿命令与速度限制转矩补偿命令，并进一步将惯量转矩补偿命令、速度限制转矩补偿命令与初始转矩命令叠加运算出补偿转矩命令，再利用速度控制回路与电流控制回路驱动第一马达，使第一马达逐渐输出限制值转矩以及逐渐回复至定转矩正常工作状态中的一者，藉以使卷料维持在固定张力。

附图说明

图1显示现有技术中的转矩模式马达驱动装置驱动的第一马达的转速─转矩图；

图2显示本发明较佳实施例所提供的转矩模式马达驱动装置应用于张力控制系统的示意图；

图3显示本发明较佳实施例所提供的转矩模式马达驱动装置应用于张力控制系统的方块图；

图4显示本发明较佳实施例所提供的转矩模式马达驱动装置控制的第一马达的转速─转矩关系示意图；

图5显示本发明较佳实施例所提供的转矩模式马达驱动装置控制的第一马达维持在定转矩正常工作状态的示意图；

图6显示本发明较佳实施例所提供的转矩模式马达驱动装置控制的第一马达在异常工作状态的示意图；以及

图7显示本发明较佳实施例所提供的转矩模式马达驱动装置控制的第一马达在另一异常工作状态的示意图。

附图标号说明：

100 张力控制系统

1 转矩模式马达驱动装置

11 外接式补偿运算模块

111 惯量补偿单元

112 速度限制补偿单元

113 命令叠加单元

13 速度控制回路

14 电流控制回路

2 第一马达

3 第一转轴

4 速度模式马达驱动装置

5 第二马达

6 第二转轴

7 卷料

8 控制器

9 感测模块

10 速度反馈装置

I、II、III 区域

L1、L2 缓冲线

SLD 速度下限值

SLU 速度上限值

TLD 转矩下限值

TLU 转矩上限值

Tq 初始转矩

Tqc 速度限制补偿转矩

Tql 负载转矩

W1 第二速度

W2 第一速度

具体实施方式

请参阅图2与图3，其中，图2显示本发明较佳实施例所提供的转矩模式马达驱动装置应用于张力控制系统的示意图；以及，图3显示本发明较佳实施例所提供的转矩模式马达驱动装置应用于张力控制系统的方块图。如图2-3所示，一张力控制系统100，包含一转矩模式马达驱动装置1、一第一马达2、一第一转轴3、一速度模式马达驱动装置4、一第二马达5、一第二转轴6、一卷料7、一控制器8、一感测模块9与一速度反馈装置10。

转矩模式马达驱动装置1，用以控制第一马达2驱动第一转轴3转动。速度模式马达驱动装置4，用以控制第二马达5驱动第二转轴6转动。卷料7的两端分别卷绕于第一转轴3与第二转轴6，卷料7可为线材、纸张、布匹、塑胶、缎带、金属或其他需要控制张力的卷收物料等。感测模块9，接触卷料7，并感应卷料7的一张力。控制器8，电性连接感测模块9，用以接收卷料7的张力，可为一可程序化逻辑控制器(Programmable Logic Controller；PLC)。

控制器8，亦电性连接转矩模式马达驱动装置1与速度模式马达驱动装置 4，用以产生初始转矩命令并传送至转矩模式马达驱动装置1，以及产生定速度命令并传送至速度模式马达驱动装置4，藉以控制第一马达2维持将一固定转矩输出至第一转轴3，以及控制第二马达5维持将一固定速度输出至第二转轴6。因此，两端分别卷绕于第一转轴3与第二转轴6的卷料7在第一转轴3与第二转轴6被驱动旋转时，维持在一固定张力。此外，控制器8还会输出一外部速度限制值，且外部速度限制值与第二马达5的一第二速度W1(标示于图5) 相关，也就是说，外部速度限制值可以反映第二速度W1的变化。

转矩模式马达驱动装置1，包含一外接式补偿运算模块11、一速度控制回路13与一电流控制回路14。

外接式补偿运算模块11，电性连接一用以反馈第一马达2的一第一速度 W2(标示于图5)的速度反馈装置10与一控制器8，用以接收第一马达2的第一速度W2与控制器8产生的初始转矩命令与外部速度限制值，并在第二马达5 的第二速度W1发生变化时，产生一惯量转矩补偿命令与一速度限制转矩补偿命令，且将惯量转矩补偿命令、速度限制转矩补偿命令与初始转矩命令叠加运算出一补偿转矩命令。外接式补偿运算模块11包含一惯量补偿单元111、一速度限制补偿单元112与一命令叠加单元113。其中，速度反馈装置10可为一编码器。

惯量补偿单元111，内建有一运算规则，用以接收控制器8输出的与第二速度W1相关的外部速度限制值，并依据运算规则产生一惯量转矩补偿命令，其中，运算规则包含一转矩(τ)、速度(ω)、惯量(J)、拉普拉斯转换的对应关系式：τ＝ωJs。而在本实施例中，运算规则更会依照控制器8内建的一低通滤波时脉，进行相对应的运算。其中，惯量通过转矩模式马达驱动装置1 的一自动调节功能(auto-tuning)所估算出来。因惯量的大小也会影响到第一马达2的速度响应，故需产生惯量转矩补偿命令。虽然惯量会随着质量与半径而改变，但是惯量补偿单元111依据初始估算出来的惯量所产生的惯量转矩补偿命令，相较于现有技术并未针对惯量进行补偿，本发明可以使得第一马达2 的速度响应较现有技术来得快。

速度限制补偿单元112，电性连接速度反馈装置10，用以接收第一速度 W2，并比较第一速度W2与一内建的速度限制值，据以产生一速度限制转矩补偿命令。

当速度限制补偿单元112判断出第一速度W2大于速度限制值的一速度上限值SLU(标示于图4)时，产生与初始转矩命令反向的速度限制转矩补偿命令。更详细地说明，先计算第一速度W2与速度上限值SLU的速度差值，再将速度差值乘以一速度回路增益值，进而产生出速度限制转矩补偿命令。

当速度限制补偿单元112判断出第一速度W2小于速度限制值的一速度下限值SLD时，产生与初始转矩命令同向的速度限制转矩补偿命令。更详细地说明，先计算速度下限值SLD与第一速度W2的速度差值，再将速度差值乘以一速度回路增益值，进而产生出速度限制转矩补偿命令。

命令叠加单元113，电性惯量补偿单元111、速度限制补偿单元112与控制器8，用以接收初始转矩命令、惯量转矩补偿命令与速度限制转矩补偿命令，并将初始转矩命令、惯量转矩补偿命令与速度限制转矩补偿命令叠加运算出一补偿转矩命令。命令叠加单元113，可为一加法器、具有运算功能的芯片或是其他可以将命令叠加的固件。命令叠加单元113、速度限制补偿单元112与惯量补偿单元111也可模块化为一芯片或一固件。

速度控制回路13，电性连接命令叠加单元113，用以接收补偿转矩命令，并据以产生一速度控制转矩命令。电流控制回路14，电性连接该速度控制回路13，用以接收速度控制转矩命令，并据以产生一马达驱动命令，藉以驱动第一马达2逐渐输出一限制值转矩以及逐渐回复至该定转矩正常工作状态中的一者，进而使卷料7维持在固定张力。电流控制回路14、速度控制回路13 与外接式补偿运算模块11也可模块化成一固件或是一程序芯片。

接着，请一并参阅图3至图5，其中，图4显示本发明较佳实施例所提供的转矩模式马达驱动装置控制的第一马达的转速─转矩关系示意图；以及，图5 显示本发明较佳实施例所提供的转矩模式马达驱动装置控制的第一马达维持在定转矩正常工作状态的示意图。其中，图4中的转速即为第一马达2的第一速度W2。

当第二转轴6的第二速度W1与第一转轴3的第一速度W2皆为顺时针方向，且受第一马达2带动的第一转轴3在第二转轴6的右侧时，张力控制系统100 对卷料7进行收卷，如图5所示。当第二转轴6的第二速度W1与第一转轴3的第一速度W2皆为顺时针方向，且受第一马达2带动的第一转轴3在第二转轴6的左侧时，张力控制系统100对卷料7进行放卷。若第二速度W1与第一速度W2 皆为逆时针方向时，第一转轴3在第二转轴6的右侧为放卷，第一转轴3在第二转轴6的左侧为收卷。

图5表示转矩模式马达驱动装置1控制第一马达2维持在定转矩工作状态，也就是对应到图4中位于第一象限的区域I。此时的第二速度W1与第一速度 W2同向，初始转矩命令所代表的一初始转矩Tq也与第一速度W2同向。而卷料7所造成的负载转矩Tql虽然与初始转矩Tq反向，但是，负载转矩Tql的大小小于初始转矩Tq的大小时，并不会影响到第一转轴3的转动方向。因此，转矩模式马达驱动装置1并不会对初始转矩命令进行速度限制转矩补偿命令，但是仍会产生惯量转矩补偿命令。

请一并参阅图3、图4与图6，其中，图6显示本发明较佳实施例所提供的转矩模式马达驱动装置控制的第一马达在异常工作状态的示意图。

图6中，第二速度W1、第一速度W2与初始转矩Tq亦同向，但是，卷料7 所造成的负载转矩Tql也与初始转矩Tq同向。故第一马达2所驱动的第一转轴3 的第一速度W2会加快，导致第一马达2的第一速度W2超过图4中的速度上限值SLU。因此，图6的示意图对应到图4中的区域II。

速度限制补偿单元112，在判断出第一速度W2超过速度上限值SLU时，产生速度限制转矩补偿命令，且速度限制转矩补偿命令与初始转矩命令反向。更详细的说明，速度限制转矩补偿命令所代表的速度限制补偿转矩Tqc与初始转矩Tq反向，藉以使得加快后的第一速度W2逐渐减速，并试图把第一马达2 拉回到区域I内运转。

较佳者，速度限制补偿转矩Tqc会将加速后的第一速度W2减速回区域I 中，也就是第一速度W2会小于速度上限值SLU。

倘若负载转矩Tql过大，超过速度限制补偿转矩Tqc所能补偿的范围，导致速度限制补偿转矩Tqc无法将加速后的第一速度W2减速回区域I中。速度限制补偿转矩Tqc，也会抵消部分负载转矩Tql，使得转矩值不会瞬间变成转矩模式马达驱动装置1内建的一转矩下限值TLD，而是逐渐变成转矩下限值TLD，即区域II斜率为负的一缓冲线L1。因此，转矩值不会瞬间骤变，便解决了现有技术中转矩值瞬间变成转矩下限值TLD所衍生出的问题。

在此须特别说明的是，转矩值的正负代表的是转矩的方向，转矩值的数字代表的是转矩大小。因此，当转矩值为负数时，转矩值越来越小表示转矩值的数字越来越大，表示转矩为反方向且转矩大小越来越大。举例来说，转矩值为-10与转矩值为-3，在数学意义上-10小于-3，但是在物理意义上，转矩值为-10与转矩值为-3皆为反方向的转矩，且转矩值为-10的转矩大小大于转矩值为-3的转矩大小。

请一并参阅图3、图4与图7，其中，图7显示本发明较佳实施例所提供的转矩模式马达驱动装置控制的第一马达在另一异常工作状态的示意图。

图7中，第二速度W1与初始转矩Tq同向，但是，卷料7所造成的负载转矩 Tql与初始转矩Tq反向，且造成第一速度W2与初始转矩Tq反向。表示第一马达2所驱动的第一转轴3被负载转矩Tql牵引，导致第一马达2的第一速度W2与初始转矩Tq反向，使第一速度W2小于图4中的速度下限值SLD。因此，图7的示意图对应到图4中的区域III。

速度限制补偿单元112，在判断出第一速度W2低于速度下限值SLD时，产生速度限制转矩补偿命令，且速度限制转矩补偿命令与初始转矩命令同向。更详细的说明，速度限制转矩补偿命令所代表的速度限制补偿转矩Tqc与初始转矩Tq同向，藉以使得受牵引后的第一速度W2逐渐加速，并试图把第一马达 2拉回到区域I内运转。

较佳者，速度限制补偿转矩Tqc会将受牵引后的第一速度W2加速回区域I 中，也就是第一速度W2会大于速度下限值SLD。

倘若负载转矩Tql过大，超过速度限制补偿转矩Tqc所能补偿的范围，导致速度限制补偿转矩Tqc无法将牵引后的第一速度W2加速回区域I中。速度限制补偿转矩Tqc，也会抵消部分负载转矩Tql，使得转矩值不会瞬间变成转矩模式马达驱动装置1内建的一转矩上限值TLU，而是逐渐变成转矩上限值 TLU，即区域III斜率为负的一缓冲线L2。因此，转矩值不会瞬间骤变，便解决了现有技术中转矩值瞬间变成转矩上限值TLU所衍生出的问题。

在速度限制补偿单元112产生速度限制转矩补偿命令的同时，惯量补偿单元111也会依照运算规则产生惯量转矩补偿命令。命令叠加单元113会将惯量转矩补偿命令与速度限制转矩补偿命令叠加至初始转矩命令，产生一补偿转矩命令，并通过速度控制回路13与电流控制回路14产生马达驱动命令传送至第一马达2藉以控制第一马达2恢复至定转矩正常工作状态，即图4中的区域I。抑或是使转矩值经由缓冲线L1或L2逐渐变成转矩下限值TLD或转矩上限值 TLU，而不是直接骤变成转矩下限值TLD或转矩上限值TLU，藉以使得转矩值不会有瞬间的剧烈变化。

综上所述，本发明较佳实施例所提供的转矩模式马达驱动装置，利用外接式补偿运算模块产生惯量转矩补偿命令与速度限制转矩补偿命令，并将惯量转矩补偿命令、速度限制转矩补偿命令与初始转矩命令叠加运算出转矩补偿命令，再利用速度控制回路与电流控制回路产生马达驱动命令并传送至第一马达，以控制第一马达维持在定转矩正常工作状态，进而使卷料维持在预设张力。

相较于现有技术中，在转矩模式马达脱离定转矩正常工作状态时，会直接产生与转矩限制值相同的转矩限制命令，容易因为转矩大小瞬间的剧烈变化，造成对卷料产生不可逆的材料伤害。本发明所提供的转矩模式马达驱动装置，可使第一马达逐渐输出一限制值转矩，藉以避免转矩瞬间的剧烈变化及其衍生出的后续种种问题。

通过以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭示的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明权利要求的范畴内。

Claims (5)

1.一种转矩模式马达驱动装置，用以控制第一马达，所述第一马达驱动第一转轴转动，并且在一定转矩正常工作状态，配合用以驱动第二转轴的第二马达运作，维持将固定转矩输出至所述第一转轴，藉以使两端分别卷绕于所述第一转轴与所述第二转轴的卷料在所述第一转轴与所述第二转轴被驱动旋转时维持在固定张力，所述转矩模式马达驱动装置包含：

外接式补偿运算模块，电性连接用以反馈所述第一马达的第一速度的速度反馈装置与控制器，用以接收所述第一马达的所述第一速度与所述控制器产生的初始转矩命令与外部速度限制值，并在所述第二马达的第二速度发生变化，使所述第一马达脱离所述定转矩正常工作状态时，产生惯量转矩补偿命令与速度限制转矩补偿命令，且将所述惯量转矩补偿命令、所述速度限制转矩补偿命令与所述初始转矩命令叠加运算出补偿转矩命令；

速度控制回路，电性连接所述外接式补偿运算模块，用以接收所述补偿转矩命令，并据以产生速度控制转矩命令；以及

电流控制回路，电性连接所述速度控制回路，用以接收所述速度控制转矩命令，并据以产生马达驱动命令，藉以驱动所述第一马达逐渐输出限制值转矩以及逐渐回复至所述定转矩正常工作状态中的一者；

所述外接式补偿运算模块，包含惯量补偿单元，且所述惯量补偿单元用以接收所述控制器输出的所述外部速度限制值，并据以产生所述惯量转矩补偿命令，且所述外部速度限制值与所述第二速度相关；

所述惯量补偿单元内建有运算规则，并依据所述运算规则，产生所述惯量转矩补偿命令，且所述运算规则为转矩速度惯量运算公式。

2.根据权利要求1所述的转矩模式马达驱动装置，其中，所述外接式补偿运算模块，包含速度限制补偿单元，所述速度限制补偿单元用以接收所述第一速度，并比较所述第一速度与内建的速度限制值，据以产生所述速度限制转矩补偿命令。

3.根据权利要求2所述的转矩模式马达驱动装置，其中，所述速度限制补偿单元在判断出所述第一速度大于所述速度限制值中的速度上限值时，产生所述速度限制转矩补偿命令，且所述速度限制转矩补偿命令与所述初始转矩命令反向。

4.根据权利要求2所述的转矩模式马达驱动装置，其中，所述速度限制补偿单元在判断出所述第一速度小于所述速度限制值中的速度下限值时，产生所述速度限制转矩补偿命令，且所述速度限制转矩补偿命令与所述初始转矩命令同向。

5.根据权利要求1所述的转矩模式马达驱动装置，其中，所述外接式补偿运算模块，包含命令叠加单元，且所述命令叠加单元用以将所述惯量转矩补偿命令、所述速度限制转矩补偿命令与所述初始转矩命令叠加运算出所述补偿转矩命令。

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