CN202679300U - 用于有刷直流电机的控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于有刷直流电机的控制器，包括用于实时采集有刷直流电机工作速度的电机速度采集单元（1）、用于实时采集有刷直流电机工作电流的电机电流采集单元（2）、双闭环控制单元（3）以及电机驱动单元（4），双闭环控制单元（3）根据采集到的电机速度和工作电流发出控制指令并经电机驱动单元（4）后输出至有刷直流电机。本实用新型能够防止电机堵转烧坏电机、延长电机使用寿命，具有安全可靠性好的优点。

Description

用于有刷直流电机的控制器

技术领域

本实用新型涉及电机控制领域，具体涉及一种用于有刷直流电机的控制器。

背景技术

在机器人系统或者工业控制系统中，有刷直流电机作为驱动机构得到了广泛的应用。对于电机的控制而言，现有技术都是中央处理器通过电机控制器与电机相连，中央处理器通过电机控制器将输出的控制信号进行放大后驱动电机运转。为了实现对电机的精确控制，现有技术中的电机控制器开始引入速度反馈，采集电机的转速并输出给中央处理器，通过中央处理器实现速度闭环控制电机的转动，使得控制更加精确可靠。但是，对于机器人系统或者工业控制系统而言，电机的工作环境往往非常恶劣，容易发生电机堵转事故，堵转电流容易烧坏电机；而且现有的电机控制器功能单一，对于应用大量电机的机器人系统或者工业控制系统而言，不能实现控制器组网，使用非常不便，限制了有刷直流电机在机器人系统或者工业控制系统的应用。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种能够防止电机堵转烧坏电机、延长电机使用寿命、安全可靠性好的用于有刷直流电机的控制器。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种用于有刷直流电机的控制器，包括用于实时采集有刷直流电机工作速度的电机速度采集单元、用于实时采集有刷直流电机工作电流的电机电流采集单元、双闭环控制单元以及电机驱动单元，所述双闭环控制单元根据采集到的电机速度和工作电流发出控制指令并经电机驱动单元后输出至有刷直流电机。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述双闭环控制单元包括速度控制环和电流控制环，所述速度控制环的输入端与电机速度采集单元相连，所述电流控制环的输入端分别与速度控制环、电机电流采集单元相连，所述电流控制环的输出端与电机驱动单元相连。

所述速度控制环包括限幅模块和用于实现速度闭环控制的速度调节器，所述速度调节器的输入端与所述电机速度采集单元相连，所述速度调节器的输出端通过限幅模块与电流控制环相连。

所述电流控制环包括PWM波发生器和用于实现电流闭环控制的电流调节器，所述电流调节器的输入端分别与所述电机电流采集单元、限幅模块相连，所述电流调节器的输出端通过PWM波发生器与所述电机驱动单元相连。

所述电机驱动单元包括相互连接的栅极驱动模块和H桥驱动电路，所述栅极驱动模块的输入端与所述双闭环控制单元的输出端相连，所述H桥驱动电路的输出端与有刷直流电机相连。

所述H桥驱动电路的桥臂为4个N沟道的MOSFET功率管。

所述电机电流采集单元为霍尔传感器电路。

它还包括通信接口单元，所述通信接口单元与所述双闭环控制单元相连。

所述通信接口单元为串行通信接口、或者CAN总线接口、或者串行通信接口和CAN总线接口的组合。

本实用新型具有下述优点：

1、本实用新型在传统速度闭环控制的基础上增加了电流闭环控制，形成了双闭环控制，集电机控制器的保护和测控于一体，能够实现电机力矩控制、有效地保护电机，防止电机因为发生堵转而烧毁电机，具有安全可靠性好、电路连接简单，使用方便的优点。

2、本实用新型的双闭环控制单元进一步包括速度控制环和电流控制环，速度控制环的输入端与电机速度采集单元相连，电流控制环的输入端分别速度控制环、电机电流采集单元相连，电流控制环的输出端与电机驱动单元相连，而且通过上述结构的双闭环控制，能够获得接近理想的启动过程和制动过程，从而能够延长电机使用寿命。

3、本实用新型的电机驱动单元进一步包括相互连接的栅极驱动模块和H桥驱动电路，通过增加栅极驱动模块不仅能够获得较大的充放电电流，而且还能够为H桥驱动电路提供浮动电压形式的桥臂驱动信号。本实用新型的H桥驱动电路桥臂的进一步为4个N沟道的MOSFET功率管，形成4N-MOSFET结构，功率放大性能好，具有电路保护功能，能够提高电路的可靠性。

4、本实用新型进一步包括通信接口单元，集测控、计量、运行记录和通讯功能为一体，实现了电机控制器的数字化、智能化、网络化，便于实现控制器组网，为控制管理带来了很大的便利。

附图说明

图1为本实用新型实施例的基本框架结构示意图。

图2为本实用新型实施例双闭环控制单元的详细框架结构示意图。

图3为本实用新型实施例的双闭环控制原理示意图。

图4为本实用新型实施例启动过程的电流环调节曲线、速度调节曲线示意图。

图5为本实用新型实施例双闭环控制单元的电路原理示意图。

图6为本实用新型实施例霍尔传感器电路的电路原理示意图。

图7为本实用新型实施例JP2接口的电路原理示意图。

图8为本实用新型实施例电平转换电路的电路原理示意图。

图9为本实用新型实施例磁藕隔离电路的电路原理示意图。

图10为本实用新型实施例电机驱动单元的电路原理示意图。

图11为本实用新型实施例串行通信接口的电路原理示意图。

图12为本实用新型实施例CAN总线接口的电路原理示意图。

图13为本实用新型实施例电源单元的框架结构示意图。

图14为本实用新型实施例第一稳压模块的电路原理示意图。

图15为本实用新型实施例第二稳压模块的电路原理示意图。

图16为本实用新型实施例第三稳压模块的电路原理示意图。

图17为本实用新型实施例第四稳压模块的电路原理示意图。

图例说明：1、电机速度采集单元；2、电机电流采集单元；3、双闭环控制单元；31、速度控制环；311、速度调节器；312、限幅模块；32、电流控制环；321、电流调节器；322、PWM波发生器；4、电机驱动单元；41、栅极驱动模块；42、H桥驱动电路；5、通信接口单元。

具体实施方式

如图1所示，本实施例用于有刷直流电机的控制器包括用于实时采集有刷直流电机工作速度的电机速度采集单元1、用于实时采集有刷直流电机工作电流的电机电流采集单元2、双闭环控制单元3以及电机驱动单元4，双闭环控制单元3根据采集到的电机速度和工作电流发出控制指令并经电机驱动单元4后输出至有刷直流电机。

如图2所示，双闭环控制单元3包括速度控制环31和电流控制环32，速度控制环31的输入端与电机速度采集单元1相连，电流控制环32的输入端分别与速度控制环31、电机电流采集单元2相连，电流控制环32的输出端与电机驱动单元4相连。

速度控制环31包括限幅模块312和用于实现速度闭环控制的速度调节器311，速度调节器311的输入端与电机速度采集单元1相连，速度调节器311的输出端通过限幅模块312与电流控制环32相连。

电流控制环32包括PWM波发生器322和用于实现电流闭环控制的电流调节器321，电流调节器321的输入端分别与电机电流采集单元2、限幅模块312相连，电流调节器321的输出端通过PWM波发生器322与电机驱动单元4相连。

本实施例的速度调节器311和电流调节器321均采用PI控制器。除了通过速度控制环31进行速度闭环控制外，本实施例还在速度闭环控制的基础上引入电流控制环32进行电流闭环控制，与传统的单一的速度闭环控制相比，引入电流闭环控制能够实现电机力矩控制，同时可以有效地保护电机，尤其可以防止电机发生堵转时烧毁电机，能够保护电机、延长电机的使用寿命。本实施例中，双闭环控制单元3在实施双闭环控制时，速度控制环31为双闭环控制单元3的外环调节环节，电流控制环32为双闭环控制单元3的内环调节环节，内环（电流控制环32）控制频率采用50KHz，外环（速度控制环31）采用500Hz。

如图3所示，速度调节器311将输入的速度期望值和电机速度采集单元1输入的速度值进行运算，然后速度调节器311的输出经限幅模块312限幅后作为电流调节器321的预期输入（电流期望值），电流调节器321将输入的电流期望值与电机电流采集单元2输入的电流值进行运算，然后电流调节器321的输出控制信号通过PWM波发生器322被转换为PWM波输出。

如图4所示，其中n1为电机的速度期望值，Id为电机稳定旋转时的电流值。在0时刻给定速度控制环31一个速度期望值n1，电机的电枢电流和转速的阶跃响应如下：在0～t1阶段，突加的输入信号使速度调节环节快速饱和，电流期望值很快达到最大值Imax；在t1～t2阶段，速度控制环31相当于开环，主要是电流控制环32起作用，电流控制环32将电机的电枢电流稳定在Imax，电机实现恒流启动，当电机转速达到给定转速后，速度控制环31退出饱和状态并重新起到调节作用，最终得到电流环调节曲线如图中的实线所示、速度调节曲线如图中的点划线所示。同理，本实施例中也可以实现恒流制动，因此本实施例通过速度控制环31作为双闭环控制单元3的外环调节环节、电流控制环32作为双闭环控制单元3的内环调节环节的双闭环结构，能够获得接近理想的启动过程和制动过程。

如图5所示，本实施例中双闭环控制单元3将速度控制环31和电流控制环32的功能集成在同一块DSP芯片实现。双闭环控制单元3采用具体型号为TMS320F2808PZA的DSP芯片（U3）及其外围电路实现。U3通过输入引脚AMPA与电机电流采集单元2相连、通过输入引脚GPIO13、EQEP1A、EQEP1B、EQEP1I与电机速度采集单元1相连、通过输出引脚EPWM1A和EPWM2A与电机驱动单元4相连。U3采集电机的转速和电流，并完成双闭环控制算法运算和输出PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）控制信号，电机驱动单元4则将U3输出的PWM控制信号功率放大并驱动电机。

如图6所示，本实施例的电机电流采集单元2为霍尔传感器电路。本实施例中，霍尔传感器电路采用的霍尔传感器为ACS712芯片，ACS712芯片的检测范围为正负20A，输出信号为对应电流的电压值，其幅值范围为0.5～4.5V，其中2.5V对应0A。本实施例的ACS712芯片串接入电机驱动单元4的电机回路中，因此流经ACS712芯片的电流就是电机的电枢电流，通过ACS712芯片将电机的电枢电流转换为电压信号供U3采集。ACS712芯片的SAMPA引脚、MOTOR1引脚串接在电机驱动单元4的电机回路中，ACS712芯片的VOUT引脚通过电阻R42与U3的输入引脚AMPA相连，由于U3的ADC模块输入范围为0～3V，因此必须对霍尔传感器输出的信号进行比例压缩。本实施例中在霍尔传感器的输出端采用电阻R42分压后输出，其中C59，C19为输出滤波电容，电阻R42=5K欧，电阻R43=10K欧。

本实施例的电机速度采集单元1包括JP2接口、电平转换电路和MAXON电机编码器，电平转换电路通过JP2接口采集MAXON电机编码器的输出信息，并将输出信号的电平转换为可以供双闭环控制单元3脉冲计数模块采集的电平，即将5V的信号转换为可供双闭环控制单元3输入的3.3V的速度信号。本实施例中，MAXON电机编码器集成安装于有刷直流电机上，此外也可以根据需要采用独立于电机的速度采集电路。

如图7所示，JP2接口采用与MAXON电机编码器接口兼容的编码器接口，可以直接采集有刷直流电机上MAXON电机编码器的码盘信息。JP2接口的PHASEAIN引脚、PHASEBIN引脚、PHASEIIN引脚输出至电平转换电路。MAXON电机编码器的码盘接口与JP2接口相连，有刷直流电机的码盘信息依次通过JP2接口、电平转换电路输入至U3。

如图8所示，电平转换电路主要基于LJ245芯片实现，LJ245芯片的3号引脚、4号引脚、5号引脚三个输入引脚分别与JP2接口的PHASEAIN引脚、PHASEBIN引脚、PHASEIIN引脚相连，LJ245芯片的14号引脚、19号引脚、20号引脚、21号引脚四个输出引脚分别与U3的GPIO13引脚、EPEQ1A引脚、EPEQ1B引脚、EPEQ1I引脚相连。

电机驱动单元4包括相互连接的栅极驱动模块41和H桥驱动电路42，栅极驱动模块41的输入端与双闭环控制单元3的输出端相连，H桥驱动电路42的输出端与有刷直流电机相连。本实施例中，H桥驱动电路42的桥臂为4个N沟道的MOSFET功率管，栅极驱动模块41则用于控制H桥驱动电路42中MOSFET功率管的导通与关闭。MOSFET功率管是电压型驱动器件，没有少数载流子的存储效应，理论上可以有很高的开关速度，驱动电路也相对简单，但是由于大功率MOSFET功率管的极间电容较大，在开通和关短时，栅漏极间电容存在充放电电流较小的问题。本实施例中通过MOSFET功率管的栅极增加栅极驱动模块41，不仅能够获得较大的充放电电流，而且还能够为H桥驱动电路42提供浮动电压形式的桥臂驱动信号。

如图9所示，为了实现U3与电机驱动单元2之间的隔离，本实施例中U3通过磁藕隔离电路与电机驱动单元2相连，磁藕隔离电路采用ADuM1400芯片（U12）实现，U3的EPWM1A引脚和EPWM2A引脚分别输出两路PWM波，两路PWM波通过磁藕隔离电路生成四路PWM波（即PWM1、PWM2、PWM3、PWM4）后输出至栅极驱动模块41。

栅极驱动模块41主要基于两个IR21834芯片（U9、U10）实现，两个IR21834芯片（U9、U10）对称分布，磁藕隔离电路输出的四路PWM波（PWM1、PWM2、PWM3、PWM4）中有两路与原信号反向，该四路PWM波作为栅极驱动模块41的IR21834芯片（U9、U10）的输入信号，进而控制H桥驱动电路42的导通与关闭。IR21834芯片是一种双通道、栅极驱动、高压高速功率器件的单片式集成驱动模块，其电压范围10～20V、输出/输入电流可达1.4A/1.8A、输入适应TTL或CMOS逻辑信号、设有悬浮截获电源可自举运行，其高端工作电压最高可达600V，抗干扰能力（即dv/dt）为50V/ns；IR21834芯片输出栅极驱动电压范围较宽（10～20V）、具有独立的高端和低端2个输出通道、具有上下桥臂控制输入容错功能，防止共态导通死区时间可调。

MOSFET功率管是一种典型的功率放大元件，用于功率放大的MOSFET功率管按PN节的不同，可以分为PNP型和NPN型。由于工艺限制，PNP型性能相对NPN型较差，导致PNP型和NPN型性能很难匹配。本实施例中H桥驱动电路42为4N-MOSFET结构的H桥驱动电路，采用4个N沟道MOSFET功率管作为H桥驱动电路42的桥臂，功率放大性能好。

如图10所示，以栅极驱动模块41左半部分（带U9的部分）电路为例，对栅极驱动模块41的电路进行详细说明如下：IR21834芯片的VCC引脚接+12V电源，为控制逻辑部分和功率部分供电。IR21834芯片的桥臂控制信号输入引脚HIN与PWM1相连，IR21834芯片的桥臂控制信号输入引脚LIN与PWM3相连。死区时间控制引脚DT接电阻R26，通过调整电阻R26的大小可以调整死区时间，其调整范围为0.4～5us。电阻R29、R30在MOSFET功率管节间电容充电回路中起限流作用，能够保护栅极驱动模块41的IR21834芯片。二极管D5、D6为快恢复二极管，用于给MOSFET功率管提供快速放电通路。二极管D7、D8为稳压二极管，用以抹去栅漏极间的高压尖峰，保证MOSFET功率管工作安全。二极管D4为稳压二极管，保证IR21834芯片的VB和VS两引脚电压不超过芯片可以承受的最大值，以免烧毁芯片，电容C50为自举电容。要使桥臂的MOSFET功率管导通，MOSFET功率管栅极和漏极间电压须大于MOSFET功率管的开关电压VGS。而当MOSFET功率管M1导通、MOSFET功率管M2关断（电机正向运行）时，MOSFET功率管M1漏极电压接近电源电压VCC，则MOSFET功率管M1栅极上电压需要大于VCC+VGS以驱动MOSFET功率管导通。自举电容C50在此时为MOSFET功率管M1的栅极驱动提供电源，以提供高于电源电压的控制电压。此时，IR21834芯片（U9）的VB引脚的电压高于+12V，故D3处于截止状态。当MOSFET功率管M1关断，MOSFET功率管M2导通（电机反向运行）时，MOSFET功率管M1漏极电压接近0V，D3导通为C50充电。显然，要使功率管正常开断，C50上的电压必须足够驱动MOSFET功率管M1导通（这个电压一般在8.3V左右），因此，必须保证一定的C50的充电时间。每个周期MOSFET功率管M1开关一次，C50充电一次，其充电时间与PWM频率和占空比有关。二极管D7、D8采用稳压值为18V的稳压二极管，二极管D5、D6的快恢复二级管型号为1N4148，取电阻R29=R30=30欧，R26=100K欧，电容C50=0.1uF。

本实施例还包括通信接口单元5，通信接口单元5与双闭环控制单元3相连，通信接口单元5可为串行通信接口、或者CAN总线接口、或者串行通信接口和CAN总线接口的组合，此外还可以根据需要采用其他的端口。本实施例中通信接口单元5为串行通信接口和CAN总线接口的组合，CAN总线接口具体采用凤凰端子作为连接器。

如图11所示，串行通信接口基于MAX3232芯片（U5）实现，MAX3232芯片（U5）的SCITXDA /SCIRXDA引脚与U3的SCIRXDA /SCITXDA引脚相连，PCTXDA/PCRXDA引脚则通过与串行通信数据线与主机相连。

如图12所示，CAN总线接口基于CTM8251AT芯片（U4）实现，CTM8251AT芯片（U4）的CANTXA/CANRNA引脚与U3的CANRNA/CANTXA引脚相连，CANH/CANL引脚则分别与CAN总线相连。

为了简化电源供电、简化电路连接，本实施例的电源单元采用单电源设计。

如图13所示，电源单元包括第一稳压模块、第二稳压模块、第三稳压模块和第四稳压模块。第一稳压模块、第三稳压模块的输入端分别输入24V电源，第一稳压模块用于将输入的24V电源转换为12V电源，第二稳压模块用于将第一稳压模输入的12V电源转换为5V电源输出；第三稳压模块用于将输入的24V电源转换为5V电源，第四稳压模块用于将第三稳压模输入的5V电源转换为3.3V和1.8V电源输出。

如图14和图15所示，第一稳压模块基于LM2576S-12（U1）芯片实现，第一稳压模块的VCC24引脚输入24V电压，通过LM2576S-12（U1）芯片及其外围电路转换为12V电压后从VCC12引脚输出；第二稳压模块基于LM2596S-5.0（U2）芯片实现，第二稳压模块的VCC12引脚与第一稳压模块的VCC12引脚相连，通过LM2576S-12（U1）芯片及其外围电路将输入的12V电源转换为5V电压后从AVCC5引脚输出。

如图16和图17所示，第三稳压模块基于HDW-24S05（U6）芯片实现，第三稳压模块的VCCIN引脚输入24V电压，HDW-24S05（U6）芯片将输入的24V电源转换为5V电压后从VCC5引脚输出；第四稳压模块基于TPS70151（U8）芯片实现，第四稳压模块的VCC5引脚与第三稳压模块的VCC5引脚相连，通过TPS70151（U8）芯片及其外围电路将输入的5V电源分别转换为3.3V和1.8V两种电压，并分别从VCC33引脚和VCC18引脚输出。电源单元在工作状态时，外部输入的24V电源经过LM2576S-12（U1）芯片稳压到12V（VCC12），该12V再经LM2596S-5.0（U2）芯片稳压到5V（AVCC5）；同时外部输入的24V电源经过HDW-24S05（U6）芯片稳压到5V（VCC5），AVCC5与VCC5是相互隔离的5V电源。VCC5经TPS70151（U8）芯片稳压到VCC33（3.3V）和VCC18（1.8V）给TMS320F2808PZA（U3）芯片供电，VCC5与AVCC5给磁藕隔离电路的ADuM1400芯片（U12）供电，VCC5与VCC33给电平转换电路的LJ245芯片（U7）供电，VCC5给霍尔传感器电路的ACS712霍尔传感器（U13）供电，VCC33分别给串行通信接口的MAX3232芯片（U5）、CAN总线接口的CTM8251AT芯片（U4）供电。

本实施例的工作过程如下：将电机要达到的速度期望值（V1）经过串行通信接口（U5）或者CAN总线接口（U4）传给U3，将电机的码盘信息接口与电机速度采集单元1的JP2接口相连，电机的码盘信息经过电平转换电路的LJ245芯片（U7）进行电平转换后传给U3，U3根据码盘的值可以计算出电机当前的速度（V2），同时U3根据V1和V2的值进行速度闭环控制，然后将速度闭环控制输出的电流作为预期电流值与霍尔传感器ACS712芯片输入U3的电流值进行电流闭环控制，经过速度闭环控制和电流闭环控制的双闭环控制算法计算出电机的PWM波控制量，并由U3的EPWM1A和EPWM2A引脚输出，该控制量经过磁藕隔离电路的ADuM1400芯片（U12）隔离出四路PWM波（即PWM1、PWM2、PWM3、PWM4），四路PWM波中有两路与原信号反向，该四路PWM波作为栅极驱动模块41的IR21834芯片（U9、U10）的输入信号，控制H桥驱动电路42的导通与关闭，以及通过H桥驱动电路42对电机的转速进行双闭环控制。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于有刷直流电机的控制器，其特征在于：包括用于实时采集有刷直流电机工作速度的电机速度采集单元（1）、用于实时采集有刷直流电机工作电流的电机电流采集单元（2）、双闭环控制单元（3）以及电机驱动单元（4），所述双闭环控制单元（3）根据采集到的电机速度和工作电流发出控制指令并经电机驱动单元（4）后输出至有刷直流电机。

2.根据权利要求1所述的用于有刷直流电机的控制器，其特征在于：所述双闭环控制单元（3）包括速度控制环（31）和电流控制环（32），所述速度控制环（31）的输入端与电机速度采集单元（1）相连，所述电流控制环（32）的输入端分别与速度控制环（31）、电机电流采集单元（2）相连，所述电流控制环（32）的输出端与电机驱动单元（4）相连。

3.根据权利要求2所述的用于有刷直流电机的控制器，其特征在于：所述速度控制环（31）包括限幅模块（312）和用于实现速度闭环控制的速度调节器（311），所述速度调节器（311）的输入端与所述电机速度采集单元（1）相连，所述速度调节器（311）的输出端通过限幅模块（312）与电流控制环（32）相连。

4.根据权利要求3所述的用于有刷直流电机的控制器，其特征在于：所述电流控制环（32）包括PWM波发生器（322）和用于实现电流闭环控制的电流调节器（321），所述电流调节器（321）的输入端分别与所述电机电流采集单元（2）、限幅模块（312）相连，所述电流调节器（321）的输出端通过PWM波发生器（322）与所述电机驱动单元（4）相连。

5.根据权利要求1所述的用于有刷直流电机的控制器，其特征在于：所述电机驱动单元（4）包括相互连接的栅极驱动模块（41）和H桥驱动电路（42），所述栅极驱动模块（41）的输入端与所述双闭环控制单元（3）的输出端相连，所述H桥驱动电路（42）的输出端与有刷直流电机相连。

6.根据权利要求5所述的用于有刷直流电机的控制器，其特征在于：所述H桥驱动电路（42）的桥臂为4个N沟道的MOSFET功率管。

7.根据权利要求1所述的用于有刷直流电机的控制器，其特征在于：所述电机电流采集单元（2）为霍尔传感器电路。

8.根据权利要求1～7中任意一项所述的用于有刷直流电机的控制器，其特征在于：它还包括通信接口单元（5），所述通信接口单元（5）与所述双闭环控制单元（3）相连。

9.根据权利要求8所述的用于有刷直流电机的控制器，其特征在于：所述通信接口单元（5）为串行通信接口、或者CAN总线接口、或者串行通信接口和CAN总线接口的组合。

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