CN113852312A - 一种新型电动汽车永磁同步电机控制系统的改进速度控制器、动态性能优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型电动汽车永磁同步电机控制系统改进速度控制器、动态性能优化方法及系统，首先提出一种新型指数趋近律改进速度控制器，并将其引入到电动汽车永磁同步电动机控制系统的速度环中，替代传统方案的PID速度控制器，有效地提高了控制系统的响应速度和抗扰动性能。与传统的指数趋近律控制器相比，没有增加未知的新参数，减小了整定参数的复杂度，在增大远端趋近速度的同时做到了减小系统的抖振。其次利用一种新型的比例谐振控制器代替传统方案中的电流控制器，减少车辆控制系统坐标旋转的次数，进一步提升车辆控制系统的鲁棒性能。

Description

一种新型电动汽车永磁同步电机控制系统的改进速度控制 器、动态性能优化方法及系统

技术领域

本发明属于电动汽车控制系统动态性能分析与优化领域，具体涉及一种新型电动汽车永磁同步电机控制系统的改进速度控制器、动态性能优化方法及系统。

背景技术

与内燃机汽车相比，电动汽车的优势包括零排放、更高的效率以及与低碳电力部门相结合的减少温室气体排放的巨大潜力，电机是电动汽车控制系统的核心部件，其性能的好坏直接决定了车辆的动力性能。永磁同步电机凭借其体积小、过载能力强，加减速时效率高等优点，在电动汽车用电机中占据主流地位。高性能的调速控制策略已成为现代传动行业发展中的目标，然而现有的PMSM矢量控制系统中转速环和电流环通常都会采用PID控制方法进行调节。该控制器算法简单、参数整定便捷同时也需要一定的工程经验。但电动汽车永磁同步电机是一个多变量、强耦合、非线性的复杂被控对象，虽然在一定范围内PID控制能够满足控制要求，但当电机内部参数变化或系统受到外部具有非线性以及时变性的扰动时，PID控制就难以保证高性能控制的需要。

因此，针对传统PID矢量控制的不足，近年来国内外学者做了大量研究，一些现代控制理论研究成果被应用到永磁同步电机控制系统中，以此开发出比PID控制性能更加优异的调速系统并取得了部分成果。有学者设计了一种积分模糊滑模速度控制器并将其引入到矢量控制系统中，提高了电机转速的跟踪响应速度，但其滑模控制中引入了较多的新参数。而且其电流环仍采用了PID控制方法，控制性能提升非常有限。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明公开了一种新型电动汽车永磁同步电机控制系统的改进速度控制器、动态性能优化方法及系统。

本发明采用以下技术方案予以实现：

一种新型电动汽车永磁同步电机控制系统的改进速度控制器，其特征在于：

电机控制系统中的速度控制器使用了一种新型指数趋近律的改进速度控制器，电动汽车动力学模型和在同步旋转坐标下的电动汽车永磁电机动态数学模型如下：

当纯电动汽车处于自由状态且在坡道路面起步时，控制力F_t需要克服滚动阻力、坡道阻力和空气阻力的作用，因此纯电动车行驶方程如式(1)所示：

式中，∑F为车辆行驶阻力之和，λ为车辆旋转质量换算系数；m为整车质量，b为车辆纵向加速度，T_e为电机输出转矩，i_g为变速箱传动比，i₀为主减比，η为机械传动效率，G为整车重力，r为车轮滚动半径，f为滚动阻力系数，α为道路坡度角，C_D为风阻系数，A为迎风面积，v为车速。

建立旋转坐标系下电动汽车永磁电动机的数学模型具体方法如下：

式(2)中，U_d和U_q为电机d-q轴电压，i_d和i_q为电机d-q轴电流，N_p为电机极数，L_s为定子电感，J为转动惯量，T_L为负载转矩，Θ_f为永磁体磁链，

为机械角速度。

采用i_d＝0的转子磁场定向控制方法可以获得较好的控制效果，由式(2)可以变为如式(3)所示：

定义电机系统的状态变量x₁和x₂：

其中：

为电机的参考转速，

为电机实际转速。

对上式(4)进行求导:

将滑模面函数设计为：

K＝Ax₁+x₂,A＞0 (6)

式(6)中A为待设计的控制器常数。

对上式(6)求导，可得

将电动汽车永磁同步电动机矢量控制系统中的PID速度控制器用指数趋近律速度控制器替代，需要设计一种新型指数趋近律的速度控制器。

新型指数趋近律的速度控制器的实现方式为在传统指数趋近律中引入一个附加函数f(k)，形成新型后指数趋近律，以此来设计速度控制器；传统指数趋近律的公式如下所示：

新型改进指数趋近律如下：

式中，ε和q为控制器参数，sgn(k)为符号函数，k为滑模面函数的变量，M为滑模控制器的等速项，L为滑模控制器的变速项。

利用李雅普诺夫稳定性理论，对新型指数趋近律进行稳定性判别，选取李雅普诺夫函数：

则有:

可以看到：

因此：

可以证明新型指数趋近律具有全局稳定和滑模到达的条件，能够保证系统由趋近模态转换到滑动模态时渐进收敛稳定，并能在一定时间快速到达原点。

一种新型电动汽车永磁同步电机控制系统动态性能优化方法，其特征在于，电机控制系统中的速度控制器使用了上述所述的一种新型指数趋近律的改进速度控制器，与此同时将设计一种新型比例谐振电流控制器用于电机控制系统的电流控制；

将电动汽车永磁同步电动机矢量控制系统中的PID电流控制器用比例谐振电流控制器替代，需要设计一种新型比例谐振策略的电流控制器。

新型比例谐振策略的电流控制器具体设计方法如下：

对于直流传动系统，使用PI控制器可以实现零稳态误差，其传递函数为：

式中T_P为PI控制器的比例增益，T_I为PI控制器的积分增益。

对于被控量为交流信号的电机系统，可以推导出与同步坐标系下等同于PI控制的比例谐振控制器传递函数：

式中W₀为控制器的谐振频率。

在此基础上设计了一种新型的比例谐振控制器，其传递函数为：

其中W_c为控制器的谐振带宽，它的存在使其能够对以谐振角频率W₀为中心周围W_c频率范围内的信号起作用。式(16)的传递函数为连续域函数，采用比例谐振控制对电动汽车永磁电机进行数字控制时，需要对比例谐振控制器进行离散化处理，采样周期为T_S，离散变量为z，采用双线性变换方法实现，变换公式为：

将式(17)代入式(16)，可得

其中：

经过整理后得到控制器差分方程为

y(t)＝Ce(t)+Ee(t-2)-Fy(t-1)-Gy(t-2) (20)

式中，e(t)和e(t-2)分别为误差信号在t时刻和(t-2)时刻的离散函数，y(t-1)和y(t-2)分别为输出信号在(t-1)时刻和(t-2)时刻的离散函数。式(20)实现对稳态误差的数字控制，可以看出控制结构比较简单且容易实现。

一种新型电动汽车永磁同步电机控制系统的动态性能优化系统，其特征在于：所述系统包括上述所述的一种新型指数趋近律的改进速度控制器和所述新型比例谐振电流控制器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明公开的新型电动汽车永磁同步电机控制系统动态性能优化方法将将控制系统中的PID速度控制器和PID电流控制器分别用新型改进指数趋近律速度控制器和比例谐振电流控制器替代，与传统滑模和PID矢量控制方法相比，本发明方法在电机起动、加速和负载变化等多种复杂工况下电机转速响应快，超调量小，适应于高性能电动汽车调速系统；

2)本发明公开的新型电动汽车永磁同步电机控制系统动态性能优化方法，在电动汽车起动和带载减载情况下，输出的电流波形稳定性好，谐波含量少；

3)本发明公开的新型电动汽车永磁同步电机控制系统动态性能优化方法，相比于传统方案，本发明方案具有车辆输出转矩稳定且脉动小，响应速度快等优点，有很强的转矩动态调节快速自我恢复能力，达到了较好的转矩控制效果。

4)本发明公开的新型电动汽车永磁同步电机控制系统动态性能优化方法，整体系统只需要进行2次坐标旋转变换，相比传统矢量控制减少了1次坐标变换等复杂运算，计算效率高，减轻了车辆控制器的硬件运算负担，增强了控制算法的可实现性。

附图说明

图1为新型改进指数趋近律和比例谐振策略的电动汽车永磁同步电机控制系统结构框图；

图2为电动汽车驱动系统示意图；

图3a为空载起动时，电动汽车永磁同步电机转速结果对比；

图3b为带载起动时，电动汽车永磁同步电机转速结果对比；

图4a为突加负载时，电动汽车永磁同步电机转速结果对比；

图4b为突减负载时，电动汽车永磁同步电机转速结果对比；

图5a为急加速时，电动汽车永磁同步电机转速结果对比；

图5b为持续加速时，电动汽车永磁同步电机转速结果对比；

图6a为突加负载时，电动汽车永磁同步电机A相电流整体响应对比；

图6b为突减负载时，电动汽车永磁同步电机A相电流整体响应对比；

图7a为突加负载时，电动汽车永磁同步电机转矩响应对比；

图7b为突减负载时，电动汽车永磁同步电机转矩响应对比；

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例1

一种新型电动汽车永磁同步电机控制系统的改进速度控制器，其特征在于：

电机控制系统中的速度控制器使用了一种新型指数趋近律的改进速度控制器，电动汽车动力学模型和在同步旋转坐标下的电动汽车永磁电机动态数学模型如下：

纯电动汽车处于自由状态且在坡道路面起步时，控制力F_t需要克服滚动阻力、坡道阻力和空气阻力的作用，因此纯电动车行驶方程如式(1)所示：

式中，∑F为车辆行驶阻力之和，λ为车辆旋转质量换算系数；m为整车质量，b为车辆纵向加速度，T_e为电机输出转矩，i_g为变速箱传动比，i₀为主减比，η为机械传动效率，G为整车重力，r为车轮滚动半径，f为滚动阻力系数，α为道路坡度角，C_D为风阻系数，A为迎风面积，v为车速；

电动汽车永磁同步电机的电压方程和转速方程，如式(2)所示：

式中，U_d和U_q为电机d-q轴电压，i_d和i_q为电机d-q轴电流，N_p为电机极数，L_s为定子电感，J为转动惯量，T_L为负载转矩，Θ_f为永磁体磁链，

为机械角速度；

采用i_d＝0的转子磁场定向控制方法可以获得较好的控制效果，由式(2)可以变为如式(3)所示：

定义电机系统的状态变量x₁和x₂：

其中：

为电机的参考转速，

为电机实际转速；

对上式(4)进行求导:

将滑模面函数设计为：

K＝Ax₁+x₂,A＞0 (6)

式中A为待设计的控制器常数；

对上式(6)求导，可得

所述新型指数趋近律的改进速度控制器的实现方式为：在传统指数趋近律中引入一个附加函数f(k)，形成新型改进指数趋近律，以此来设计电动汽车永磁电机控制系统的速度控制器；传统指数趋近律

的公式如下所示：

改进后的指数趋近律如下：

式中，ε和q为控制器参数，sgn(k)为符号函数，k为滑模面函数的变量，M为滑模控制器的等速项，L为滑模控制器的变速项。

根据公式(7)，采用改进后的指数趋近律，可以得到q轴参考电流的导数为：

对上式(10)两端进行积分可以得到q轴电流参考值：

由式(11)中可以看出，在电动汽车速度控制器中含有积分项，在削弱抖振的同时还可以消除控制系统的稳态误差，提高电动汽车的行驶舒适性。

实施例2

如图1-2，一种新型电动汽车永磁同步电机控制系统动态性能优化方法，该方法以电动汽车永磁同步电机矢量控制调速系统为框架，本文首先提出一种新型指数趋近律控制器，并将其引入到控制系统的速度环中，替代传统的PID速度控制器。其次利用一种新型的比例谐振控制器代替传统矢量控制系统中的电流控制器，减少坐标旋转的次数。具体建立新型指数趋近律和比例谐振策略的电动汽车永磁同步电机动态性能优化方法如下：

传统PID控制在一定范围内能够满足控制要求，但当电机内部参数变化或系统受到外部具有非线性以及时变性的扰动时，PID控制就难以保证高性能控制的需要，因此无法适用于电机运行工况相对复杂的场合。

纯电动汽车处于自由状态且在坡道路面起步时，控制力F_t需要克服滚动阻力、坡道阻力和空气阻力的作用，因此纯电动车行驶方程如式(1)所示：

式中，∑F为车辆行驶阻力之和，λ为车辆旋转质量换算系数；m为整车质量，b为车辆纵向加速度，T_e为电机输出转矩，i_g为变速箱传动比，i₀为主减比，η为机械传动效率，G为整车重力，r为车轮滚动半径，f为滚动阻力系数，α为道路坡度角，C_D为风阻系数，A为迎风面积，v为车速。

首先需要在旋转坐标系下电动汽车永磁电动机的数学模型可由下式求出：

式(2)中，U_d和U_q为电机d-q轴电压，i_d和i_q为电机d-q轴电流，N_p为电机极数，L_s为定子电感，J为转动惯量，T_L为负载转矩，Θ_f为永磁体磁链，

为机械角速度。

采用i_d＝0的转子磁场定向控制方法同时将电机d-q轴电流的导数移至等式左边，由式(2)整理可以得到如下式所示：

定义电机系统的状态变量x₁和x₂：

其中：

为电机的参考转速，

为电机的实际转速。

对上式(4)进行求导可以得到如下式:

将滑模面函数设计为：

K＝Ax₁+x₂,A＞0 (6)

式中，A为待设计的控制器常数。

对上式(6)求导，可得

在以往速度控制器的设计中，通常采用的是传统的指数趋近律，如下式所示：

式中，ε和q为控制器常数。

传统的指数趋近律在选取的滑模面函数距离较远的地方以指数形式趋近，在靠近滑模面的时候是等速靠近。这就使得：当ε太小的时候，趋近速度慢，趋近时间长，调节过程变得太慢；当ε太大的时候，趋近速度快，趋近时间短，调节过程变得快，但是这样使得快到达切换面时的速度太大，引起抖振越大，所以传统指数趋近律的运动品质不够好。

针对传统趋近律的不足，通过新引入一个附加函数f(k)设计了一种新型的指数趋近律如下式所示：

式中，sgn(k)为符号函数，k为滑模面函数的变量，M为滑模控制器的等速项，L为滑模控制器的变速项。

对新型指数趋近律的动态特性进行理论分析：

(1)当滑模面函数距离系统较远时，即|k|→∞时M→∞，此时M为大于ε的数，所以比传统指数趋近律的趋近速度快，缩短了系统的动态响应时间；

(2)当系统接近滑模面函数时，即|k|→0时，指数项L→0，所以此时系统的响应速度主要由等速项决定，而此时新型指数趋近律中的

此时M为小于ε的数，这样就使得到达滑模面的速度比原先的指数趋近律要慢，有利于减小系统的抖振，提高系统控制品质；

然后需要设计一种新型比例谐振策略的电流控制器，具体设计方法如下：对于直流传动系统，使用PI控制器可以实现零稳态误差，其传递函数为：

式中T_P为PI控制器的比例增益，T_I为PI控制器的积分增益。

对于被控量为交流信号的电机系统，可以推导出与同步坐标系下等同于PI控制的比例谐振控制器传递函数：

式中，W₀为控制器的谐振频率。

在此基础上设计了一种新型的比例谐振控制器，其传递函数为：

其中W_c为控制器的谐振带宽，它的存在使其能够对以谐振角频率W₀为中心周围W_c频率范围内的信号起作用。式(12)的传递函数为连续域函数，采用比例谐振控制对电动汽车永磁电机进行数字控制时，需要对比例谐振控制器进行离散化处理，采样周期为T_S，离散变量为z，采用双线性变换方法实现，变换公式为：

将式(13)代入式(12)，可得

其中：

经过整理后得到控制器差分方程为

y(t)＝Ce(t)+Ee(t-2)-Fy(t-1)-Gy(t-2) (16)

式中，e(t)和e(t-2)分别为误差信号在t时刻和(t-2)时刻的离散函数，y(t-1)和y(t-2)分别为输出信号在(t-1)时刻和(t-2)时刻的离散函数。式(16)实现对稳态误差的数字控制，可以看出控制结构比较简单且容易实现。

实施例3

一种新型电动汽车永磁同步电机控制系统的动态性能优化系统，包括一种新型指数趋近律的改进速度控制器和一种新型的比例谐振控制器；两者实现方式实施例2已经陈述清楚。

以下进行举例说明

例子1

以一台30kW电动汽车永磁电动机为例，其实验参数分别如表1所示。在起动、突加突减负载和突加速等复杂运行工况下，利用本发明提出的新型指数趋近律和比例谐振策略的电动汽车永磁电动机动态性能优化方法，对比分析电机的转速响应情况如图3a-5b所示。可以看出本发明方案在空载和带载起动时的转速响应性能都优异于传统的滑模控制和PID矢量控制。在0.1s突加负载和0.5s突减负载时本发明方案下的电机调节时间和转速脉动均好于传统的滑模控制和PID矢量控制。在急加速和持续加速时本文控制方案的电机超调量和调节时间均优于传统的控制方案。因此本发明提出的方法更适用电动汽车起步、加速超车和爬坡等场合。此外，相比原先的方法，改进后的指数趋近律有效地削弱了电动汽车系统的抖振。

例子2

以一台30kW电动汽车永磁电动机为例，其实验参数分别如表1所示。在突加负载和突减负载等复杂运行工况下，利用本发明提出的新型指数趋近律和比例谐振策略的电动汽车永磁电动机动态性能优化方法，对比分析电机的电流响应情况如图6a-6b所示。可以看出，本文提出的控制策略具有定子电流更稳定的特性，正弦度均好于传统的滑模控制和PID矢量控制。在突加负载之前，本文方案的定子电流能更快到达稳定，且无过大电流幅值振荡现象，而传统PID和滑模变结构控制均存在着不同程度的调节时间长以及电流幅值振荡问题。因此本文方案的电动汽车电流响应性能相对于传统控制方案有较大程度的改善和优化。

例子3

以一台30kW电动汽车永磁电动机为例，其实验参数分别如表1所示。在突加负载和突减负载等复杂运行工况下，利用本发明提出的新型指数趋近律和比例谐振策略的电动汽车永磁电动机动态性能优化方法，对比分析电机的转矩响应情况如图7a-7b所示。可以看出，本文发明方案转矩整体响应性能都比传统滑模变结构控制和PID矢量控制在不同方面有较大程度的提升优化。在电动汽车起动时本文控制策略转矩响应速度都快于传统滑模变结构控制和PID矢量控制，能迅速跟踪参考转矩的变化，进入稳态后，电动汽车输出转矩稳定且转矩脉动小。在增加负载和减小负载时，输出转矩能够快速跟随负载转矩的变化，调节时间最短。同时稳态转矩脉动范围也很小，有效地抑制了转矩脉动。说明新型控制策略具有很强的转矩动态调节快速自我恢复能力，达到了设计的控制效果。

表1电动汽车和电机的实验参数

综上所述，本发明公开的一种新型电动汽车永磁同步电机控制系统改进速度控制器、动态性能优化方法及系统，以电动汽车永磁电动机控制系统为背景，将新型指数趋近律改进控制器代入控制系统的转速环中，代替传统的PID速度控制器。并设计了新型比例谐振的电流控制器代替传统的PID电流控制器。该方法有效地提高了控制系统的响应速度和抗扰动性能，减少坐标旋转的次数，进一步提升控制系统的鲁棒性能。本发明获得了电动汽车永磁电动机新型动态性能优化方法。最后，以一台30KW的电动汽车永磁电动机为例，利用本发明方法优化了控制系统的动态性能。并分别利用本发明方法、滑模控制方法和PID控制方法在多种复杂工况下，进行仿真实验对比，对比结果显示本文方法能有效地改善直线电机控制系统的动态性能和鲁棒性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种新型电动汽车永磁同步电机控制系统的改进速度控制器，其特征在于：

电机控制系统中的速度控制器使用了一种新型指数趋近律的改进速度控制器，电动汽车动力学模型和在同步旋转坐标下的电动汽车永磁电机动态数学模型如下：

纯电动汽车处于自由状态且在坡道路面起步时，控制力F_t需要克服滚动阻力、坡道阻力和空气阻力的作用，因此纯电动车行驶方程如式(1)所示：

式中，∑F为车辆行驶阻力之和，λ为车辆旋转质量换算系数；m为整车质量，b为车辆纵向加速度，T_e为电机输出转矩，i_g为变速箱传动比，i₀为主减比，η为机械传动效率，G为整车重力，r为车轮滚动半径，f为滚动阻力系数，α为道路坡度角，C_D为风阻系数，A为迎风面积，v为车速；

电动汽车永磁同步电机的电压方程和转速方程，如式(2)所示：

式中，U_d和U_q为电机d-q轴电压，i_d和i_q为电机d-q轴电流，N_p为电机极数，L_s为定子电感，J为转动惯量，T_L为负载转矩，Θ_f为永磁体磁链，

为机械角速度；

采用i_d＝0的转子磁场定向控制方法可以获得较好的控制效果，由式(2)可以变为如式(3)所示：

定义电机系统的状态变量x₁和x₂：

其中：

为电机的参考转速，

为电机实际转速；

对上式(4)进行求导:

将滑模面函数设计为：

K＝Ax₁+x₂,A＞0 (6)

式中A为待设计的控制器常数；

对上式(6)求导，可得

所述新型指数趋近律的改进速度控制器的实现方式为：在传统指数趋近律中引入一个附加函数f(k)，形成新型改进指数趋近律，以此来设计电动汽车永磁电机控制系统的速度控制器；传统指数趋近律

的公式如下所示：

改进后的指数趋近律如下：

式中，ε和q为控制器参数，sgn(k)为符号函数，k为滑模面函数的变量，M为滑模控制器的等速项，L为滑模控制器的变速项；

根据公式(7)，采用改进后的指数趋近律，可以得到q轴参考电流的导数为：

对上式(10)两端进行积分可以得到q轴电流参考值：

由式(11)中可以看出，在电动汽车速度控制器中含有积分项，在削弱抖振的同时还可以消除控制系统的稳态误差，提高电动汽车的行驶舒适性。

2.一种新型电动汽车永磁同步电机控制系统的动态性能优化方法，其特征在于，电机控制系统中的速度控制器使用了权利要求1所述的一种新型指数趋近律的改进速度控制器，与此同时将设计一种新型比例谐振电流控制器用于电机控制系统的电流控制；

所述新型比例谐振电流控制器具体设计如下：

对于直流传动系统，使用PI控制器可以实现零稳态误差，其传递函数V_TI(s)为：

式中T_P为PI控制器的比例增益，T_I为PI控制器的积分增益；

对于被控量为交流信号的电机系统，可以推导出与同步坐标系下等同于PI控制的比例谐振控制器传递函数V_PR(s)为：

式中，W₀为控制器的谐振频率；

在此基础上设计了一种新型的比例谐振控制器，其传递函数为：

式中W_c为控制器的谐振带宽，它的存在使其能够对以谐振角频率W₀为中心周围W_c频率范围内的信号起作用；式(14)的传递函数为连续域函数，采用比例谐振控制对电动汽车永磁电机进行数字控制时，需要对比例谐振控制器进行离散化处理，采样周期为T_s，离散变量为z，采用双线性变换方法实现，变换公式为：

将式(15)代入式(14)，可得

其中：

经过整理后得到控制器差分方程为

y(t)＝Ce(t)+Ee(t-2)-Fy(t-1)-Gy(t-2) (18)

式中，e(t)和e(t-2)分别为误差信号在t时刻和(t-2)时刻的离散函数，y(t-1)和y(t-2)分别为输出信号在(t-1)时刻和(t-2)时刻的离散函数；式(18)实现对稳态误差的数字控制，可以看出控制结构比较简单且容易实现。

3.一种新型电动汽车永磁同步电机控制系统的动态性能优化系统，其特征在于：所述系统包括权利要求2所述的一种新型指数趋近律的改进速度控制器和新型比例谐振电流控制器。

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