DE102005024173A1 - Switching unit controlling and regulating method for e.g. proportional hydraulic valve of motor vehicle, involves separately adapting pulse width modulation ratios assigned to intermediately lying impulses by adjusted gradation for impulses - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung von Schaltelementen, insbesondere für Proportionalhydraulikventile, mit mindestens einer Spule, einem Anker und einem Steuerelement zur Realisierung der Puls-Weiten-Modulation (PWM) bzw. zur Verarbeitung und/oder Erzeugung der Ansteuersignale des Schaltelementes, wobei über eine bestimmte Anzahl von Impulsen ein Puls-Weiten-Modulation-Grundverhältnis (PWM-GV) aus mindestens zwei spezifischen Puls-Weiten-Modulation-Verhältnissen (PWM-SV) ermittelt wird.The The invention relates to a method for controlling and / or regulating of switching elements, in particular for proportional hydraulic valves, with at least one coil, an armature and a control to realize the pulse-width modulation (PWM) or for processing and / or generating the drive signals of the switching element, wherein via a certain number of pulses have a pulse-width-modulation-base-ratio (PWM-GV) at least two specific pulse width modulation ratios (PWM-SV) is determined.
Im
Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, sind zur Steuerung
von Schaltelementen in Hydrauliksystemen bei Kraftfahrzeugen, insbesondere
für die
Ansteuerung von Proportionalhydraulikventilen, die eine Spule und
einen Anker aufweisen, zur Verarbeitung und/oder Erzeugung der Ansteuersignale
des Schaltelementes bestimmte Verfahren, insbesondere die Puls-Weiten-Modulation PWM bekannt.
Hierbei wird vzw. über
eine bestimmte Anzahl von Impulsen ein Puls-Weiten-Modulation-Grundverhältnis PWM-GV
aus zwei spezifischen Puls-Weiten-Modulation-Verhältnissen
PWM-SV ermittelt, wobei die beiden spezifischen Puls-Weiten-Modulation-Verhältnisse
PWM-SV zum Puls-Weiten-Modulation-Grundverhältnis PWM-GV
um einen bestimmten Variationswert verschieden bzw. verschoben sind. Bspw.
ist, um ein Ventil in der Gleitreibung zu halten, es üblich, dass
dieses ständig
leicht um den Arbeitspunkt schwingen muss. Dies wird erreicht durch
eine hohe Puls-Weiten-Modulation-Frequenz
und entsprechendes spezifisches Puls-Weiten-Modulation-Verhältnisses (PWM-SV). Es ist ein
Verfahren bekannt, bei dem das spezifische Puls-Weiten-Modulation-Verhältnis (PWM-SV)
für eine
bestimmte Anzahl der Impulse konstant angehoben und danach für genau
so viele Impulse wieder konstant abgesenkt wird. Dies soll durch
Des
weiteren ist im Stand der Technik bekannt, dass beim Einsatz der
Puls-Weiten-Modulation
bzw. bei Pulswechselrichtern, sich neben der Frequenz auch die Strom-
oder Spannungs-Grundschwingung am Wechselrichter einstellen läßt. Die Brückenzweige
der Pulswechselrichter sind mit einstellbaren Ventilen ausgerüstet, beispielsweise
Transistoren oder GTO-Thyristoren. Die Einstellung der Grundschwingungsspannung
erfolgt mit Hilfe des Pulsverfahrens. Am bekanntesten ist hier die
angesprochene Puls-Weiten-Modulation (PWM). Die Pulsmustergenerierung
erfolgt bisher im Stand der Technik so, dass beispielsweise der
Oberschwingungsgehalt in den Ausgangsgrößen niedrig ist und unerwünschte Ordnungszahlen
möglichst
nicht auftreten. Von den Pulsverfahren am bekanntesten ist bspw.
das Sinusverfahren (
Die Ausbildung dieser im Stand der Technik bekannten Verfahren zur Steuerung von Schaltelementen, insbesondere für Proportionalhydraulikventile ist noch nicht optimal. Bei der Ansteuerung von Ventilen, insbesondere von Proportionalhydraulikventilen mit einem konstantem Variationswert, also mit bestimmten spezifischen Puls-Weiten-Modulation-Verhältnissen (PWM-SV) kann es zum „Kleben" der Ventile oder zu einer erhöhten Geräuschentwicklung kommen. Dies führt nicht nur zu einem erhöhtem Verschleiß und verringert die Lebensdauer der Ventile sondern es erhöhen sich ebenso die Kosten für die evtl. Erneuerung bzw. die Wartung. Der Nachteil bei den bekannten Verfahren ist, dass bei einer zu hohen Puls-Weiten-Modulation-Frequenz die Ventile von der Gleit- in die Haftreibung übergehen. Es kommt hier zum sogenannten „Slip-Stick-Effekt". Dadurch ist eine Reaktion auf eine feine Änderung der Ansteuerung nicht mehr möglich und dieser Effekt wird als „Kleben" bezeichnet. Weiterhin ist nachteilig, dass bei niedriger Puls-Weiten-Modulation-Frequenz der Ventilkolben in heftige Schwingungen gerät, so dass er im oberen und unteren Anschlag eine starke Geräuschentwicklung verursacht. Im mittlerem Frequenzbereich treten teilweise beide Problemfälle auf, was erneut eine Problematik hinsichtlich der Regelbarkeit mit sich zieht und wiederum negativen Einfluß auf die Geräuschentwicklung hat sowie den Verschleiß, die Lebensdauer und die Wartungskosten beeinflusst. Des weiteren ist die Ansteuerung bzw. Regelbarkeit der im Stand der Technik verwendeten Ventile durch Störgrößen leicht beeinflussbar, was unter Umständen zu einem Ausfall oder zu einer Fehlfunktion des Schaltelementes, vzw. des Ventils und somit auch einen unsicheren Systemzustand zur Folge haben könnte.The design of these methods known in the prior art for the control of switching elements, in particular for proportional hydraulic valves is not yet optimal. When controlling valves, in particular proportional hydraulic valves with a constant variation value, that is to say with specific pulse width modulation ratios (PWM-SV), it is possible for the valves to become "stuck" or to increase noise, which not only leads to The disadvantage with the known methods is that at too high a pulse width modulation frequency, the valves of the Sliding into the static friction, which leads to the so-called "slip-stick effect". As a result, a response to a fine change in the control is no longer possible and this effect is referred to as "sticking." Furthermore, it is disadvantageous at low pulse width modulation frequency, the valve piston violently vibrates, so that it causes a strong noise in the upper and lower stop. In the medium frequency range, both problem cases occur in part, which again involves a problem with regard to controllability and, in turn, has a negative influence on the noise development and influences the wear, the service life and the maintenance costs. Furthermore, the control or controllability of the valves used in the prior art by disturbances easily influenced, which may lead to a failure or malfunction of the switching element, vzw. of the valve and thus could also result in an unsafe system state.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, dass eingangs genannte Verfahren zur Steuerung von Schaltelementen, insbesondere für Proportionalhydraulikventile, derart auszugestalten und weiterzubilden, dass bei der Ansteuerung von Ventilen, insbesondere von Proportionalhydraulikventilen das Kleben der Ventile sowie die erhöhte Geräuschentwicklung vermieden wird.Of the Invention is therefore the object of the aforementioned Method for controlling switching elements, in particular for proportional hydraulic valves, in such a way and further develop that in the control of valves, in particular of proportional hydraulic valves Gluing the valves as well as the raised noise is avoided.
Die zuvor aufgezeigte Aufgabe wird nun dadurch gelöst, dass das Steuerelement das Puls-Weiten-Modulation-Grundverhältnis unter Berücksichtigung ei ner Symmetrie aus Verstärkung und Rücknahme der jeweiligen spezifischen Puls-Weiten-Modulation-Verhältnisse im Mittel der berücksichtigten Impulse im wesentlichen konstant hält, aber die spezifischen Puls-Weiten-Modulation-Verhältnisse derart gesteuert und/oder geregelt werden, dass das jeweils einem ersten Impuls zugeordnete spezifische Puls-Weiten-Modulation-Verhältnis angehoben und/oder abgesenkt und das jeweils einem letzten Impuls zugeordnete spezifische Puls-Weiten-Modulation-Verhältnis entsprechend weit abgesenkt und/oder angehoben wird, wobei die den jeweils dazwischen liegenden Impulsen zugeordneten spezifischen Puls-Weiten-Modulation-Verhältnisse mittels einstellbarer Stufung für den jeweiligen Impuls separat angepaßt werden. Der Ventilstrom reagiert aufgrund der Induktivitäten, vzw. bei Hydraulikventilen entsprechend langsam auf Änderungen des spezifischen Puls-Weiten-Modulation-Verhältnisses (PWM-SV). Durch die den jeweils dazwischen liegenden Impulsen zugeordneten spezifischen Puls-Weiten-Modulation-Verhältnisse (PWM-SV) wird mittels einstellbarer Stufung für den jeweiligen Impuls eine separate Anpassung des Schwingungseffektes insbesondere bei einem kleinen Puls-Weiten-Modulation-Grundverhältnis (PWM-GV) realisiert. Hierbei wird das spezifische Puls-Weiten-Modulation-Verhältniss (PWM-SV) beim jeweils ersten Impuls angehoben oder abgesenkt und beim jeweils letzten Impuls entsprechend abgesenkt oder angehoben und die dazwischen liegenden spezifischen Puls-Weiten-Modulation-Verhältnisse (PWM-SV) werden stufenweise separat angepasst. Durch diese Anpassung wird ein Kleben der Ventile vermieden und die Geräuschentwicklung deutlich vermindert. Dies geschieht vzw. durch den steileren Stromanstieg und steileren Stromabfall bei gleichem Mittelwert, dadurch wirkt nämlich ein stärkerer Impuls auf den Anker und dieser bricht leichter los bzw. überwindet leichter die Haftreibung in der Ankerführung. Vzw. ist die auf den Anker wirkende Kraft proportional zum elektrischen Strom in der Spule. Der Anker wird dann durch die Ansteuerung leicht schwingend auf einer bestimmten Position gehalten. Somit verringert sich der Verschleiß des Schaltelementes, vzw. des Ventils und dessen Lebensdauer wird erhöht sowie die Wartungskosten reduziert. Hieraus ergibt sich ein schneller steigender Strom während der Anhebung bzw. ein schneller sinkender Strom während der Absenkung bei der Puls-Weiten-Modulation. Durch die steileren Stromflanken bei gleichbleibendem Puls-Weiten-Modulation-Grundverhältnis (PWM-GV) er folgt ein sicheres Schwingen des Ventilkolbens auch bei einem kleinerem Puls-Weiten-Modulation-Grundverhältnis (PWM-GV) und ein Übergang von der Gleit- in Haftreibung wird ausgeschlossen, so dass der bisher bekannte „Slip-Stick-Effekt" nicht zum Tragen kommt. Eine Verbesserung der Reaktion auf eine feine Änderungen der Ansteuerung ist gegeben und die Ansteuerbarkeit des Ventils inbesondere unter Berücksichtigung von Störgrößen ist deutlich verbessert. Zusätzlich ist die Problematik bzw. die Gefahr bei niedriger Puls-Weiten-Modulation-Frequenz der Geräuschentwicklung im oberen und unteren Anschlag des Ventilkolbens deutlich verringert. Im mittlerem Frequenzbereich sind beide Problemfälle und die erschwerte Regelbarkeit durch das erfindungsgemäße Verfahren beseitigt und somit ist die Betriebssicherheit erhöht und die Gefahr von Ausfällen verringert. Dadurch sind die eingangs genannten Nachteile vermieden.The previously indicated object is now achieved in that the control the pulse-width-modulation-base ratio under consideration a symmetry of amplification and return the respective specific pulse-width-modulation ratios on average of the considered impulses essentially constant, but the specific pulse width modulation ratios be controlled and / or regulated so that each one first pulse associated with specific pulse width modulation ratio raised and / or lowered and each associated with a last pulse specific Pulse-width modulation ratio is lowered accordingly far and / or raised, with the each intervening pulses associated with specific Pulse-width modulation ratios by means of adjustable grading for the respective pulse can be adjusted separately. The valve current reacts due to the inductances, vzw. For hydraulic valves accordingly slow to changes the specific pulse-width modulation ratio (PWM-SV). By the respective intervening pulses assigned specific pulse-width modulation ratios (PWM-SV) is adjustable by means of Grading for the respective pulse a separate adjustment of the vibration effect especially with a small pulse width modulation basic ratio (PWM-GV) realized. Here, the specific pulse width modulation ratio (PWM-SV) raised or lowered at each first pulse and at each lowered or raised last pulse accordingly and the one in between lying specific pulse width modulation ratios (PWM-SV) are adjusted step by step separately. Through this adaptation it avoids sticking of the valves and noise significantly reduced. This happens vzw. through the steeper current rise and steeper current drop at the same mean, thereby acting namely a stronger one Impulse on the anchor and this breaks easier or overcomes easier the stiction in the anchor guide. Vzw. The force acting on the armature is proportional to the electrical force Electricity in the coil. The anchor then becomes light by driving kept swinging at a certain position. Thus reduced the wear of the Switching element, vzw. of the valve and its life is increased as well reduced maintenance costs. This results in a faster increasing current during the increase or a faster sinking current during the Lowering in the pulse-width modulation. Due to the steeper current edges at constant pulse-width-modulation-basic-ratio (PWM-GV) he follows a sure swing of the valve piston even with a smaller Pulse width modulation basic ratio (PWM-GV) and a transition from the sliding friction is excluded, so far the known "slip-stick effect" not to bear comes. An improvement of the reaction to a subtle change the control is given and the controllability of the valve especially considering of disturbances clearly improved. additionally is the problem or danger at low pulse width modulation frequency the noise significantly reduced in the upper and lower stop of the valve piston. In the middle frequency range both problem cases and the difficult controllability are eliminated by the method according to the invention and thus the reliability is increased and reduces the risk of failures. As a result, the aforementioned disadvantages are avoided.
Es gibt nun unterschiedliche Möglichkeiten die Erfindung in vorteilhafter Art und Weise auszugestalten und weiterzubilden. Hierfür darf zunächst auf den Patentanspruch 1 bzw. auf die nachgeordneten Patentansprüche verwiesen werden. Im folgenden soll jedoch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der folgenden Zeichnung und der dazugehörigen Beschreibung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt:It There are different possibilities now Invention in an advantageous manner to design and develop. Therefor may first refer to the patent claim 1 and to the subordinate claims become. In the following, however, a preferred embodiment the invention with reference to the following drawings and the accompanying description be explained in more detail. In the drawing shows:
In
Aber
die spezifischen Puls-Weiten-Modulation-Verhältnisse PWM-SV werden nun derart
gesteuert und/oder geregelt, dass das dem jeweils ersten Impuls
zugeordnete spezifische Puls-Weiten-Modulation-Verhältnis PWM-SV
angehoben und/oder abgesenkt und das dem letzten Impuls zugeordnete spezifische
Puls-Weiten-Modulation-Verhältnis PWM-SV
entsprechend weit abgesenkt und/oder angehoben wird, wobei die den
jeweils dazwischen liegenden Impulsen zugeordneten spezifischen Puls-Weiten-Modulation-Verhältnisse
PWM-SV mittels einstellbarer Stufung für den jeweiligen Impuls separat
angepaßt
werden. Dargestellt ist dies in
Die eingangs genannten Nachteile sind nun insbesondere auch dadurch vermieden, dass durch den steileren Stromanstieg bzw. den steileren Stromabfall bei gleichem Mittelwert ein stärkerer Impuls auf den Anker wirkt und dieser leichter los bricht bzw. leichter die Haftreibung in der Ankerführung überwindet. Der Anker wird durch die erfindungsgemäße Ansteuerung leicht schwingend auf einer konstanten Position gehalten.The The disadvantages mentioned above are now also in particular avoided that by the steeper current increase or steeper Current drop at the same average a stronger impulse on the armature acts and this easier breaks loose or easier stiction in the anchor guide overcomes. The anchor is easily oscillated by the control according to the invention kept in a constant position.
Das
hier nicht dargestellte Steuerelement gibt ein bestimmtes Puls-Weiten-Modulation-Grundverhältnis PWM-GV,
im dargestellten Beispiel ist dieses hier vzw. mit 40% angegeben
und als PWM-GV in
Das
hier nicht näher
dargestellte Steuerelement kann vzw. als elektronisches Steuergerät, insbesondere
als Mikroprozessor ausgeführt
sein, so dass hierüber
die entsprechenden Strom- und Spannungszustände im System entsprechend realisiert werden
können.
Erläutert
werden soll nunmehr das grundlegende Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens:
Bei
der hier in
At the here in
Des weiteren wird hier von einem konstanten Variationswert in Höhe von 10% ausgegangen, der in Verbindung mit einer hier angenommenen linearen Stufung von 7,5% verschiedene spezifische Puls-Weiten-Modulation-Verhältnisse PWM-SV innerhalb der betrachteten 2 × n = 10 Impulse vorgibt.Of another is here of a constant variation value of 10% in connection with a linear graduation assumed here of 7.5% different specific pulse width modulation ratios PWM-SV within the considered 2 × n = 10 pulses.
Dem
ersten angehobenen Impuls wird ein spezifisches Puls-Weiten-Modulation-Verhältnis PWM-SV
zugeordnet. Das errechnet sich aus dem Puls-Weiten-Modulation-Grundverhältnis PWM-GV (40%)
+ Variationswert (10%) + Stufung (7,5%)·(n–1)/2 zu 65% und ist in der
Das
dem letzten der fünf
Impulse in der ersten Phase zugeordnete spezifische Puls-Weiten-Modulation-Verhältnis PWM-SV
wird mit der Stufung·(n–1)/2 abgesenkt.
Daraus resultiert bei der Puls-Weiten-Modulation PWM des letzten
Impulses ein spezielles Puls-Weiten-Modulation-Verhältnis PWM-SV
von Puls-Weiten-Modulation-Grundverhältnis PWM-GV
(40%) + Variationswert (10%) – Stufung (7,5%)·(n–1)/2 zu
35% so wie in der
Bei
dem ersten abgesenkten Impuls (von den zweiten 5 Impulsen) wird
das zugeordnete spezifische Puls-Weiten-Modulation-Verhältnis PWM-SV mit
der Stufung (7,5%)·(n–1)/2 abgesenkt
und errechnet sich zu 15% aufgrund: Puls-Weiten-Modulation-Grundverhältnisses
PWM-GV (40%) – Variationswert
(10%) – Stufung
(7,5%)·(n–1)/2 so
wie in der
Letztlich
wird beim letzten Impuls der zweiten Phase das zugeordnete spezifische
Puls-Weiten-Modulation-Verhältnis
PWM-SV mit der Stufung (7,5%)·(n–1)/2 angehoben
und es ergibt sich ein Wert von 45%, nämlich wie folgt: Puls- Weiten-Modulation-Grundverhältnis PWM-GV
(40%) – Variationswert (10%)
+ Stufung (7,5%)·(n–1)/2, in
der
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Puls-Weiten-Modulation PWM werden die speziellen Puls-Weiten-Modulation-Verhältnisse PWM-SV aller Impulse zwischen dem ersten und dem letzten der jeweils n = 5 Impulse in diesem Ausführungsbeispiel stufenweise linear interpoliert, vzw. für die beiden Phasen von 2 × n = 10 Impulsen, also für jeweils 5 Impulse linear interpoliert.In the pulse width modulation PWM method according to the invention, the specific pulse width modulation ratios PWM-SV of all the pulses between the first and the last of the ever because n = 5 pulses in this embodiment, interpolated stepwise linearly, vzw. for the two phases of 2 × n = 10 pulses, ie linearly interpolated for every 5 pulses.
Was
in dem dargestellten Beispiel bei den Impulsen der ersten Phase
bzw. den dazugehörigen spezifischen
Puls-Weiten-Modulation-Verhältnissen PWM-SV
eine Verminderung von insgesamt 30%, nämlich von 65% auf 35% ausmacht
und mit den nach dem anfänglichen
ersten Impuls vorgegebenen restlichen 4 Schrittweiten eine Abminderung
von 7,5% pro Impuls ergibt bzw. das spezifische Puls-Weiten-Modulation-Verhältnis PWM-SV
einen Anfangswert von 65% besitzt, so wie in
In
dem dargestellten Beispiel resultiert bei der linearen Interpolation
bei den Impulsen der zweiten Phase bzw. den dazugehörigen spezifischen Puls-Weiten-Modulation-Verhältnissen
PWM-SV eine Erhöhung
von insgesamt 30% (von 15% auf 45%) und – nach dem ersten abgesenktem
Impuls – mit
den vorgegebenen restlichen 4 Schrittweiten eine Erhöhung von
7,5% pro Impuls. Es ergibt sich ein spezifisches Puls-Weiten-Modulation-Verhältnis PWM-SV
vom Anfangswert 15% so wie in
Weiterhin vorteilhaft ist für diese Ausführungsform, dass durch die vorgegebene Puls-Weiten-Modulation PWM vzw. bei Proportionalhydrauklikventilen eine nahezu konstante Positionierung des Ankers erzielt wird und somit die zuvor genannten Nachteile vermieden werden. Des weiteren wird durch die vorgegebene Puls-Weiten-Modulation PWM bei Ventilen mit Rückführung eine nahezu konstante Kraft auf den Anker ausgeübt und das Steuerelement hält bei konstanter Ansteuerung den Ventilkolben auf einer nahezu konstanten Position. Zusätzlich wird die Grund-PWM-Frequenz weit oberhalb der Eigenfrequenz ge gehalten und somit der mittlere Spulenstrom möglichst konstant gehalten, so dass mit dem PVM-Verhältnis weiterhin die gleichen Werte eingestellt werden können.Farther is beneficial for this embodiment, that by the predetermined pulse-width modulation PWM vzw. with proportional hydrauklik valves a nearly constant positioning of the armature is achieved and Thus, the aforementioned disadvantages are avoided. Furthermore becomes due to the predetermined pulse width modulation PWM at valves with return one Virtually constant force is exerted on the armature and the control holds at a constant Actuation of the valve piston in a nearly constant position. additionally the fundamental PWM frequency is kept far above the natural frequency and thus the mean coil current kept as constant as possible, so with the PVM ratio the same values can still be set.
Des weiteren bevorzugt das Steuerelement eine Ansteuerungsfunktion im Sägezahnprofil und hält dadurch den Anker leicht schwingend auf einer nahezu konstanten Position.Of Furthermore, the control preferably has a control function in the sawtooth and stops thereby swinging the anchor slightly on a nearly constant Position.
Denkbar sind auch Ausführungen wo die Stufung zwischen den ersten und dem letzten Impuls einer Phase bzw. dem dazugehörigen spezifischen Puls-Weiten-Modulation-Verhältnis PWM-SV nicht linear interpoliert werden, sondern auch anderslautende Funktionen zur Grundlage haben. Beispielsweise könnte hier das spezifische Puls-Weiten-Modulation-Verhältnis PWM-SV auf Betriebszustände individuell ideal separat angepaßt werden.Conceivable are also versions where the gradation between the first and the last impulse of a Phase or the associated specific pulse width modulation ratio PWM SV not linearly interpolated, but also different functions to have a basis. For example, here the specific pulse width modulation ratio PWM SV on operating conditions individually ideally adapted separately.
- PWMPWM
- Puls-Weiten-ModulationPulse-width modulation
- PWM-GVPWM GV
- Puls-Weiten-Modulation-GrundverhältnisPulse-width modulation-background ratio
- PWM-SVPWM SV
- spezifisches Puls-Weiten-Modulation-Verhältnisspecific Pulse-width modulation ratio
- AA
- dem ersten angehobenen Impuls zugeordnetes spezifischesthe first specific pulse associated specific
- Puls-Weiten-Modulation-Verhältnis der ersten PhasePulse width modulation ratio of the first phase
- BB
- dem letzten Impuls zugeordnetes spezifisches Puls-Weiten-the specific pulse width assigned to the last pulse
- Modulation-Verhältnis der ersten PhaseModulation ratio of first phase
- CC
- dem ersten abgesenkten Impuls zugeordnetes spezifischesthe first lowered pulse associated specific
- Puls-Weiten-Modulation-Verhältnis der zweiten PhasePulse width modulation ratio of the second phase
- DD
- dem letzten Impuls zugeordnetes spezifisches Puls-Weiten-the specific pulse width assigned to the last pulse
- Modulation-Verhältnis der zweiten PhaseModulation ratio of second phase
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