CN114928301B - 基于前馈校正的有限转角力矩电机输出特性波动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于前馈校正的有限转角力矩电机输出特性波动抑制方法，包括步骤：1）测量有限转角力矩电机的输出非线性特性；2）绘制转子角度‑电流‑力矩非线性偏差曲线；3）将补偿偏差转化为不同转子角度、不同电流条件下的前馈补偿参数MAP图，绘制转矩波动抑制MAP图；4）根据前馈补偿参数对输出的力矩信号进行前馈补偿；5）对补偿效果进行检验；6）根据当前转子角度和电流，计算前馈补偿参数，调整电机控制器对有限转角力矩电机的输出电流。本发明不需要安装额外的力矩传感器，降低了器件使用成本并提高了机械空间利用率；解决了由于有限转角电力的非线性特性而引起的力矩输出偏差的问题。

Description

基于前馈校正的有限转角力矩电机输出特性波动抑制方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，具体地是指一种基于前馈校正的有限转角力矩电机输出特性波动抑制方法。

背景技术

有限转角力矩电机(Limited Angle Torque Motor, LATM)作为一种机电旋转执行器，具有通常小于±180°的有限角运动，已广泛应用于精密伺服系统，如光学扫描系统、航空航天系统和简单的切换阀。与传统的旋转电机相比，LATM具有更高的扭矩/功率比、更低的成本、更高的可靠性和更少的机械连接部件等诸多优势。由有限转角力矩电机组成的伺服阀通过一个内置在电机轴上的偏心机构来直接驱动阀芯，该伺服阀结构简单、紧凑、体积小、重量轻、静动态性能好，具有良好的市场前景。转矩系数是评价有限转角力矩电机输出特性的重要指标，转矩系数等于单位电流输入下的力矩输出大小，转矩系数越大，电机的动态性能也越好。

传统控制方法认为，有限转角力矩电机的转矩系数为定值，即在所有工作条件下，输入相同电流力矩的输出值是不变的。然而实际上，有限转角电机的电机模型存在较多非线性因素，如电枢电感与磁链，其非线性偏差随电流与转子位置的变化而变化。这些非线性因素将导致转矩系数随着输入电流和转子转角的变化而发生变化。若输出非线性偏差较大，将会引发较为严重的转矩波动问题。在高精度、快速性的应用场合中，力矩波动会导致控制系统的稳定性下降。

针对电机非线性特性引起的力矩波动问题，比较传统且有效的方法是在应用系统中加入扭矩传感器，采用力矩反馈算法进行转矩波动抑制。然而力矩传感器的加入增加了器件成本，并且部分应用场景中受到机械空间的限制无法安装力矩传感器，这些因素都制约了传统方法的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处，而提出一种基于前馈校正的有限转角力矩电机输出特性波动抑制方法及系统，确定最佳的前馈补偿参数，补偿有限转角电机电磁阀力矩输出的非线性偏差，有效有限转角电机电磁阀的输出力矩波动。

为实现上述目的，本发明所设计的一种基于前馈校正的有限转角力矩电机输出特性波动抑制方法，其特殊之处在于，所述方法包括如下步骤：

1）测量有限转角力矩电机的输出非线性特性；

2）绘制转子角度-电流-力矩非线性偏差曲线；

3）根据所述转子角度-电流-力矩非线性偏差曲线得到不同条件下的力矩输出的非线性偏差，将补偿偏差转化为不同转子角度、不同电流条件下的前馈补偿参数MAP图，绘制转矩波动抑制MAP图；

4）根据前馈补偿参数对输出的力矩信号进行前馈补偿；

5）对补偿效果进行检验，判断多组力矩测量结果的实际偏差值是否小于允许偏差阈值，作出不同的回应：若是满足该条件，结束补偿流程；若是不满足该条件，调整偏差补偿系数值，回到步骤3）重新绘制转矩波动抑制MAP图，直到满足该条件；

6）根据有限转角力矩电机当前的转子角度和电流，查询所述转矩波动抑制MAP图中对应的参数位置，计算出前馈补偿参数，调整电机控制器对有限转角力矩电机的输出电流。

优选地，步骤1）测量有限转角力矩电机的输出非线性特性的方法为：

11）将电机的转子旋转至初始角度；

12）将使用角度限位装置将电机转子角度固定；

13）通入逐渐上升的恒流电流，将当前转子角度值、不同、电流值及电机对应输出力矩值传输至PC机；

14）解除角度限位装置对电机转子角度固定，将电机转子角度增加1°；

15）重复步骤12）~14），直至电机转子角度转至最大工作角度。

优选地，步骤2）绘制转子角度-电流-力矩非线性偏差曲线的方法为：

21）PC机获得被测电机不同转子角度下的输入电流和输出转矩的数据集合；

22）建立不同角度、不同输入电流条件下的力矩输出非线性偏差的表达式为：

σ(I,θ)=T _em(I)-T(I,θ)

式中：σ(I,θ)表示不同输入电流、不同转子角度条件下的力矩输出非线性偏差；T _em(I)表示不同输入电流条件下的理论电磁转矩；T(I,θ)表示被测有限转角力矩电机的转矩输出数据集；θ表示转子相对角度；

23）根据力矩输出非线性偏差表达式进行被测电机的数据集的数据处理，绘制出转子角度-电流-力矩非线性力矩偏差关系曲线。

优选地，步骤3）中通过转子角度-电流-力矩非线性力矩偏差关系曲线得到不同条件下的力矩输出的非线性偏差后，将补偿偏差转化为前馈补偿参数的转矩波动抑制MAP图中不同转子角度、不同电流条件下的前馈补偿参数的计算方法为：

β(I,θ)=σ(I,θ)τ

式中：β(I,θ)表示不同输入电流、不同转子角度条件下的前馈补偿参数，τ为偏差补偿系数。

优选地，步骤4）中电机控制器通过实时采集不同时刻的转子角度、电流信息，匹配Map图的具体前馈补偿参数值，将前馈补偿参数值传输至前馈补偿函数中，实现力矩输出非线性偏差的补偿。

优选地，所述偏差补偿系数τ表示偏差补偿作用的大小，范围为0.2~1，τ具体值根据补偿后的允许偏差值进行调整，若补偿后偏差值更大，则提高τ的值，反之则减小τ的值。

优选地步骤5）中所述偏差阈值选取0.04N∙m 。

本发明还提出一种基于前馈校正的有限转角力矩电机输出特性波动抑制系统，其特殊之处在于，所述系统包括转矩波动抑制MAP图绘制装置和电机控制器；所述电机控制器通过功率桥向有限转角力矩电机输出电流，所述有限转角力矩电机的转矩输出通过电机输出传动机构传输至负载，所述电机控制器采集功率桥输出的电流信号、有限转角力矩电机的转子角度信号和负载的转矩信号；所述系统执行如上述的基于前馈校正的有限转角力矩电机输出特性波动抑制方法。

进一步地，所述转矩波动抑制MAP图绘制装置包括PC机、负载和角度限位装置；

所述负载与有限转角力矩电机的电机输出传动机构连接，用于采集转矩输出并将转矩信号发送至电机控制器；

所述角度限位装置安装于有限转角力矩电机的转子上，用于在测量有限转角力矩电机的输出非线性特性时固定转子角度；

所述PC机与电机控制器建立通信，向电机控制器发送控制指令和目标参数配置，通过电机控制器控制有限转角力矩电机的输出电流、转子角度和输出力矩，以模拟有限转角力矩电机全角度、全电流工况的转矩输出；所述电机控制器采集不同工况下的有限转角力矩电机的输出非线性特性传输至PC机，PC机绘制转子角度-电流-力矩非线性偏差曲线，绘制转矩波动抑制MAP图，并将所述转矩波动抑制MAP图传输至电机控制器中。

更进一步地，所述电机控制器接收转矩波动抑制MAP图后，根据有限转角力矩电机当前的转子角度和电流，查询所述转矩波动抑制MAP图中对应的参数位置，计算出前馈补偿参数，调整电机控制器对有限转角力矩电机的输出电流。

与现有技术相比，本发明设计的一种基于前馈校正的有限转角力矩电机输出特性波动抑制方法，具有如下优点：

1、本发明提出了一种通过力矩测量装置离线测量LATM的样本数据，建立LATM的非线性输出力矩模型，综合现有的获取非线性模型的方法，考虑到成本有限和机械空间受限的条件，实现有限转角电机伺服阀力矩波动抑制的方法。

2、由于较好的工艺流程的控制，批量生产的LATM具有相近的力矩输出非线性特性，因此该方法可以推广至批量生产中。对有限转角力矩电机进行输出非线性特性的离线建模，找到最佳的控制前馈补偿参数，在控制算法中加入前馈补偿环节，就可以实现对LATM输出力矩波动的抑制。

3、该方法在运算的实时性和控制的精度之间实现了一定的均衡，其控制精度的保证主要来源于MAP的准确绘制，因此对实验条件和实验方法有较高要求。该方法能够使用在多种有限转角力矩电机的电机结构上，灵活性较强，使用成本较低。

4、本发明提出的前馈补偿方法可以适用于不同结构的有限转角力矩电机的偏差补偿，并且可以在电机结构优化的基础上进一步减小输出力矩的偏差，使得该电机获得较高的力矩输出精度。

5、本发明在具体应用中不需要安装额外的力矩传感器，降低了器件使用成本并提高了机械空间利用率；在不使用力矩传感器的条件下，解决了由于有限转角电力的非线性特性而引起的力矩输出偏差的问题，实现了目标输出转矩与理论输出转矩之间的偏差值小于0.04 N∙m，获得了良好的输出力矩补偿效果。

附图说明

图1为本发明基于前馈校正的有限转角力矩电机输出特性波动抑制方法的流程图。

图2为本发明基于前馈校正的有限转角力矩电机输出特性波动抑制方法实现力矩补偿原理图。

图3为转矩波动抑制MAP图绘制装置的结构图。

图4为实际工作过程中的电机控制系统结构图。

图5为电机控制器内部的控制结构框图。

图6为实施例中不同角度下的LATM非线性补偿前后输出转矩。

图7为实施例中不同转子角度下，LATM输出非线性偏差补偿前后的实际输出转矩和目标输出转矩的关系。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明提出的一种基于前馈校正的有限转角力矩电机输出特性波动抑制方法，如图1所示，包括如下步骤：

测量有限转角力矩电机的输出非线性特性。

11）安装设备：将被测有限转角力矩电机安装至离线测量设备，为了保证测量的准确性，安装时要保证电机转轴与装置的扭矩传感器同轴。将电机的转子旋转至初始角度。

12）将使用角度限位机构将有限转角力矩电机的转子角度固定。

13）通入逐渐上升的恒流电流（0A、0.2A、0.4A、0.6A、0.8A……电机最大工作电流），将当前转子角度值、不同电流值及电机对应输出力矩值传输至PC机；

14）解除角度限位机构对电机转子角度固定，将电机转子角度增加1°；

15）重复步骤12）~14），直至电机转子角度转至最大工作角度。

2）绘制转子角度-电流-力矩非线性偏差曲线。

21）PC机获得被测电机不同转子角度下的输入电流和输出转矩的数据集合；

22）建立不同角度、不同输入电流条件下的力矩输出非线性偏差的表达式；

传统的转矩计算公式为，

T _em =K _t I （1）

式中：T _em表示理论电磁转矩；K _t 表示理论转矩系数，I表示电机输入电流；其中K _t 为恒定值，根据该公式即可求得不同电机输入电流下的理论转矩输出T _em(I)；

则建立不同角度、不同输入电流条件下的力矩输出非线性偏差的表达式为：

σ(I,θ)=T _em(I)-T(I,θ) （2）

式中：σ(I,θ)表示不同输入电流、不同转子角度条件下的力矩输出非线性偏差；T _em(I)表示不同输入电流条件下的理论电磁转矩；T(I,θ)表示被测有限转角力矩电机的转矩输出数据集；θ表示转子相对角度；

23）根据力矩输出非线性偏差表达式进行被测电机的数据集的数据处理，绘制出转子角度-电流-力矩非线性力矩偏差关系曲线。

3）根据转子角度-电流-力矩非线性偏差曲线得到不同条件下的力矩输出的非线性偏差，将补偿偏差转化为不同转子角度、不同电流条件下的前馈补偿参数MAP图，绘制转矩波动抑制MAP图。

得到不同条件下的力矩输出的非线性偏差后，将补偿偏差转化为前馈补偿参数的MAP图。设置τ为偏差补偿系数，用于表示偏差补偿作用的大小，其范围在0.2-1内，通常选择初值τ ₀=0.4。τ具体值可以根据补偿后的允许偏差值进行调整，若补偿后偏差值较大，则提高τ的值，反之则减小τ的值。不同转子角度，不同电流条件下的前馈补偿参数的计算方法为：

β(I,θ)=σ(I,θ)τ （3）

式中：β(I,θ)表示不同输入电流、不同转子角度条件下的前馈补偿参数，τ为偏差补偿系数。根据多个点的前馈补偿参数阈值，便可以绘制出前馈补偿参数关于转子角度和电流的Map图。

4）根据前馈补偿参数对输出的力矩信号进行前馈补偿；

PC机与电机控制器建立通讯，将Map图的数据传输至电机控制器中，电机控制器根据前馈补偿参数对输出的力矩信号进行前馈补偿。电机控制器通过实时采集不同时刻的转子角度、电流信息，匹配Map图的具体前馈补偿参数值，将参数传输值前馈补偿函数中，即可实现力矩输出非线性偏差的补偿。

5）对力矩输出的非线性偏差进行补偿后，需要对补偿效果进行检验，保证力矩输出偏差值小于允许偏差阈值，偏差阈值一般选取0.04N·m。PC机向控制器发出一系列的目标力矩输出命令，控制器根据命令输出对应力矩值，离线测量设备中的力矩传感器测量输出力矩的大小并传输给PC机。PC机判断多组力矩测量结果的实际偏差值是否小于允许偏差阈值，作出不同的回应：若是满足该条件，结束补偿流程；若是不满足该条件，调整偏差补偿系数τ的值，回到步骤3）重新绘制转矩波动抑制MAP图，直到满足该条件。

6）补偿效果验证通过后，对有限转角力矩电机进行输出特性波动抑制，根据有限转角力矩电机当前的转子角度和电流，查询转矩波动抑制MAP图中对应的参数位置，计算出前馈补偿参数，调整电机控制器对有限转角力矩电机的输出电流。

为了有效实现力矩的补偿，本发明设计了一种基于前馈校正的有限转角力矩电机输出特性波动抑制方法，并且搭建了一种基于前馈校正的有限转角力矩电机输出特性波动抑制系统，该系统包括转矩波动抑制MAP图绘制装置和电机控制器；电机控制器通过功率桥向有限转角力矩电机输出电流，有限转角力矩电机的转矩输出通过电机输出传动机构传输至负载，电机控制器采集功率桥输出的电流信号、有限转角力矩电机的转子角度信号和负载的转矩信号。

本发明实现力矩补偿的原理如图2所示，通过获得LATM的多组转子角度、电流、输出转矩的测量样本数据，将样本数据传输至PC机中；PC机根据获得的样本数据，构建转子角度-电流-输出力矩的非线性模型；PC机根据力矩输出非线性模型，计算前馈补偿参数的Map图并将Map图传输至控制器中。

转矩波动抑制MAP图绘制装置，如图3所示，其由PC机构成的上位机、负载和角度限位装置构成，辅助进行数据采集过程。负载与有限转角力矩电机的电机输出传动机构连接，用于采集转矩输出并将转矩信号发送至电机控制器；角度限位装置安装于有限转角力矩电机的转子上，用于在测量有限转角力矩电机的输出非线性特性时固定转子角度。

数据采集开始时，PC机与电机控制器建立通讯，PC机向电机控制器发送命令和目标参数配置，通过电机控制器控制LATM的电流、转子角度和输出力矩。电机控制器控制LATM的转矩输出和角度限位装置的限位角度，模拟LATM全角度、全电流工况的转矩输出，获得电机的转矩波动的特性数据；与此同时，电机控制器采集不同工况下LATM的电流、角度和输出转矩，获得转矩波动特性的样本集，将样本集传输至PC机，PC机绘制转子角度-电流-力矩非线性偏差曲线，绘制转矩波动抑制MAP图，并将矩波动抑制MAP图传输至电机控制器中，并将MAP图传输至电机控制器中。

在完成了将转矩波动抑制MAP图导入到电机控制器的工作后，实际工作过程中的电机控制系统结构图如图4所示。电机控制器通过实时调节电机的驱动信号（宽脉冲调制信号PWM, Pulse Width Modulation），改变电机的输入电流，使得电机对负载的输出转矩发生变化。在应对转矩波动的问题中，电机控制器根据采集到的电机转子角度信号和电流信号，查询转矩波动抑制MAP图上对应的参数值，并通过前馈补偿的方法补偿力矩的输出值，最终实现了输出转矩的准确控制。

电机控制器内部的控制结构框图如图5所示。电机控制器可以根据当前的转子角度和电流，查询到转矩波动抑制MAP图的对应参数点，并计算出最佳的前馈补偿参数。在前馈补偿环节的作用下，电机控制器能够有效地抑制LATM的力矩输出的非线性偏差，使得实际输出转矩与目标转矩信号的偏差值尽可能地小。

在本实施例中，LATM应用系统工作转角为10°到60°，其允许长期工作电流范围为0A-2.5 A，短时极限工作电流为3 A；可长期工作的转矩范围为0 N∙m到0.42 N∙m，短时极限转矩为0.5 N∙m，本文根据以上条件设计了电机输出特性的实验。

图6描述了本实施例中不同角度下的LATM非线性补偿前后输出转矩，可以根据该图得到基于MAP图的前馈补偿方法在整个转子角度范围内的转矩补偿效果。可知，补偿前，LATM的输出转矩随转子角度增大而减少，无法实现在其工作角度范围内的稳定转矩输出；而采用本进行方法进行输出转矩补偿后，在多个目标转矩测试中，LATM的输出转矩能在其工作角度内保持稳定，在目标转矩为0.42 N∙m时出现最大偏差，最大偏差值与理论值的最大误差值小于0.03 N∙m。

图7描述了本实施例中不同转子角度下，LATM输出非线性偏差补偿前后的实际输出转矩和目标输出转矩的关系。由式（1）可知，电机电流与目标输入转矩呈线性关系，即目标转矩越大电机电流越大，因此该图可以得到不同电机电流下的输出转矩补偿效果。补偿前，输出转矩的偏差值随着目标转矩的增大而逐渐增大，最大能够达到0.13N∙m的转矩偏差；在使用该补偿方法后，在电机转子的工作转角范围内，LATM输出转矩与理论值的偏差值能够小于0.04N∙m；该方法即使是在电机转子的工作角度外，也能改善LATM实际输出转矩与理论值的偏差。

最后需要说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本专利技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本专利的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本专利的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于前馈校正的有限转角力矩电机输出特性波动抑制方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

1)测量有限转角力矩电机的输出非线性特性；

2)绘制转子角度-电流-力矩非线性偏差曲线；

3)根据所述转子角度-电流-力矩非线性偏差曲线得到不同条件下的力矩输出的非线性偏差，将补偿偏差转化为不同转子角度、不同电流条件下的前馈补偿参数MAP图，绘制转矩波动抑制MAP图；

4)根据前馈补偿参数对输出的力矩信号进行前馈补偿；

5)对补偿效果进行检验，判断多组力矩测量结果的实际偏差值是否小于允许偏差阈值，作出不同的回应：若是满足该条件，结束补偿流程；若是不满足该条件，调整偏差补偿系数值，回到步骤3)重新绘制转矩波动抑制MAP图，直到满足该条件；

6)根据有限转角力矩电机当前的转子角度和电流，查询所述转矩波动抑制MAP图中对应的参数位置，计算出前馈补偿参数，调整电机控制器对有限转角力矩电机的输出电流；

步骤1)测量有限转角力矩电机的输出非线性特性的方法为：

11)将电机的转子旋转至初始角度；

12)使用角度限位装置将电机转子角度固定；

13)通入由0A逐渐上升的恒流电流，将当前转子角度值、电流值及电机对应输出力矩值传输至PC机；

14)解除角度限位装置对电机转子角度固定，将电机转子角度增加1°；

15)重复步骤12)～14)，直至电机转子角度转至最大工作角度；

步骤2)绘制转子角度-电流-力矩非线性偏差曲线的方法为：

21)PC机获得被测电机不同转子角度下的输入电流和输出转矩的数据集合；

22)建立不同角度、不同输入电流条件下的力矩输出非线性偏差的表达式为：

σ(I,θ)＝T_em(I)-T(I,θ)

式中：σ(I,θ)表示不同输入电流、不同转子角度条件下的力矩输出非线性偏差；T_em(I)表示不同输入电流条件下的理论电磁转矩；

T(I,θ)表示被测有限转角力矩电机的转矩输出数据集；θ表示转子相对角度；

23)根据力矩输出非线性偏差表达式进行被测电机的数据集的数据处理，绘制出转子角度-电流-力矩非线性偏差曲线。

2.根据权利要求1所述的基于前馈校正的有限转角力矩电机输出特性波动抑制方法，其特征在于：步骤3)中通过转子角度-电流-力矩非线性偏差曲线得到不同条件下的力矩输出的非线性偏差后，将补偿偏差转化为前馈补偿参数的转矩波动抑制MAP图中不同转子角度、不同电流条件下的前馈补偿参数的计算方法为：

β(I,θ)＝σ(I,θ)τ

式中：β(I,θ)表示不同输入电流、不同转子角度条件下的前馈补偿参数，τ为偏差补偿系数。

3.根据权利要求1所述的基于前馈校正的有限转角力矩电机输出特性波动抑制方法，其特征在于：步骤4)中电机控制器通过实时采集不同时刻的转子角度、电流信息，匹配MAP图的具体前馈补偿参数值，将前馈补偿参数值传输至前馈补偿函数中，实现力矩输出非线性偏差的补偿。

4.根据权利要求2所述的基于前馈校正的有限转角力矩电机输出特性波动抑制方法，其特征在于：所述偏差补偿系数τ表示偏差补偿作用的大小，范围为0.2～1，τ具体值根据补偿后的偏差值进行调整，若补偿后偏差值更大，则提高τ的值，反之则减小τ的值。

5.根据权利要求1所述的基于前馈校正的有限转角力矩电机输出特性波动抑制方法，其特征在于：步骤5)中所述允许偏差阈值选取0.04N·m。

6.一种基于前馈校正的有限转角力矩电机输出特性波动抑制系统，其特征在于：所述系统包括转矩波动抑制MAP图绘制装置和电机控制器；所述电机控制器通过功率桥向有限转角力矩电机输出电流，所述有限转角力矩电机的转矩输出通过电机输出传动机构传输至负载，所述电机控制器采集功率桥输出的电流信号、有限转角力矩电机的转子角度信号和负载的转矩信号；所述系统执行如权利要求1～5所述的基于前馈校正的有限转角力矩电机输出特性波动抑制方法。

7.根据权利要求6所述的基于前馈校正的有限转角力矩电机输出特性波动抑制系统，其特征在于：所述转矩波动抑制MAP图绘制装置包括PC机、负载和角度限位装置；

所述负载与有限转角力矩电机的电机输出传动机构连接，用于采集转矩输出并将转矩信号发送至电机控制器；

所述角度限位装置安装于有限转角力矩电机的转子上，用于在测量有限转角力矩电机的输出非线性特性时固定转子角度；

所述PC机与电机控制器建立通信，向电机控制器发送控制指令和目标参数配置，通过电机控制器控制有限转角力矩电机的输出电流、转子角度和输出力矩，以模拟有限转角力矩电机全角度、全电流工况的转矩输出；所述电机控制器采集不同工况下的有限转角力矩电机的输出非线性特性传输至PC机，PC机绘制转子角度-电流-力矩非线性偏差曲线，绘制转矩波动抑制MAP图，并将所述转矩波动抑制MAP图传输至电机控制器中。

8.根据权利要求7所述的基于前馈校正的有限转角力矩电机输出特性波动抑制系统，其特征在于：所述电机控制器接收转矩波动抑制MAP图后，根据有限转角力矩电机当前的转子角度和电流，查询所述转矩波动抑制MAP图中对应的参数位置，计算出前馈补偿参数，调整电机控制器对有限转角力矩电机的输出电流。

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