DE102015114860A1 - Method for operating a microcontroller - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Mikrocontrollers, der zur Steuerung eines Aktuators vorgesehen ist, das Verfahren umfassend: Bestimmen eines Abschaltstromes oder einer Abschaltspannung (eigentlich ist der Abschaltpunkt von der Spannung unabhängig. Es wird nur aufgrund eines Stromwertes abgestellt. Die Spannung definiert nur den maximal erreichbaren Strom durch die Phasenspule) unter Berücksichtigung mindestens eines Parameters, der eine durch den Aktuator bisher absolvierte Laufzeit oder einen durch eine Abtriebswelle des Aktuators bisher zurückgelegten Laufweg, und/oder eine Temperatur des Aktuators oder eine Temperatur in der Umgebung des Aktuators wiedergibt; und Abschalten des Aktuators, falls ein Eingangsstrom oder eine Eingangsspannung des Aktuators den Abschaltstrom bzw. die Abschaltspannung erreicht oder überschreitet.The invention relates to a method of operating a microcontroller provided for controlling an actuator, comprising the method comprising: determining a cutoff current or a cutoff voltage (actually, the cutoff point is independent of the voltage.) It is only turned off due to a current value the maximum achievable current through the phase coil) taking into account at least one parameter representing a runtime previously completed by the actuator or a travel path traveled so far by an output shaft of the actuator, and / or a temperature of the actuator or a temperature in the vicinity of the actuator; and turning off the actuator if an input current or an input voltage of the actuator reaches or exceeds the turn-off current or cut-off voltage.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Mikrocontrollers, der zur Steuerung eines Aktuators vorgesehen ist.The invention relates to a method for operating a microcontroller, which is provided for controlling an actuator.
Zu Steuerung des Klappenwinkels bei Klimaklappen bzw. Lufteinlässen in Fahrzeugen werden üblicherweise Stellmotoren (Aktuatoren) verwendet, die aus einem Elektromotor und einem nachgeschalteten Getriebe bestehen. Um die Endanschläge und die Lamellen vor mechanischer Beschädigung zu schützen, darf der Aktuator bestimmte Maximaldrehmomente nicht überschreiten. Anderenfalls erfolgt eine Abschaltung des Aktuators.To control the flap angle in air conditioning flaps or air inlets in vehicles usually actuators (actuators) are used, which consist of an electric motor and a downstream transmission. To protect the end stops and the blades from mechanical damage, the actuator must not exceed certain maximum torques. Otherwise, the actuator is switched off.
Zur Steuerung des Aktuators wird ein Mikrocontroller verwendet, beispielsweise ein Mikrocontroller auf Basis einer Controllerarchitektur des Typs 8051 der Firma Intel.To control the actuator, a microcontroller is used, for example a microcontroller based on a controller architecture of the type 8051 from Intel.
Das Moment kann aus dem Phasenstrom des Motors und der Getriebeübersetzung abgeleitet werden. Erkennt der Mikrocontroller einen Phasenstrom, der dem vorgegebenen Maximaldrehmoment entspricht, so veranlasst der Mikrocontroller die Abschaltung.The torque can be derived from the phase current of the motor and the gear ratio. If the microcontroller detects a phase current which corresponds to the predetermined maximum torque, then the microcontroller causes the shutdown.
Das Verhältnis von Phasenstrom und Abtriebsmoment kann aus theoretischer Sicht für die Erfindung als annähernd konstant angenommen werden. In der Praxis hat sich jedoch ergeben, dass besonders durch Temperatureinflüsse das Abtriebsmoment nicht proportional zum Phasenstrom ist. Somit kann das Abtriebsmoment in manchen Fällen nicht genau aus der Messung des Phasenstroms bestimmt werden. Als Folge dessen kann es dazu kommen, dass der Aktuator zu früh abgeschaltet wird, oder ein Drehmoment erzeugt, das über dem vorgegebenen Maximum liegt. Letzterer Fall kann zur Verringerung der Lebensdauer der betätigten Stellelemente und/oder des Aktuators führen.The ratio of phase current and output torque can theoretically be assumed to be approximately constant for the invention. In practice, however, it has been found that the output torque is not proportional to the phase current, in particular due to temperature influences. Thus, the output torque in some cases can not be accurately determined from the measurement of the phase current. As a result, it may happen that the actuator is shut down too early, or generates a torque that is above the predetermined maximum. The latter case can lead to a reduction in the life of the operated actuators and / or the actuator.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, dieses Problem zu lösen oder abzumindern.The object of the present invention is to solve or mitigate this problem.
Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by the method specified in
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Betrieb eines Mikrocontrollers geschaffen, der zur Steuerung eines Aktuators vorgesehen ist, das Verfahren umfassend: Bestimmen eines Abschaltstromes oder einer Abschaltspannung unter Berücksichtigung mindestens eines Parameters, der eine durch den Aktuator bisher absolvierte Laufzeit oder einen durch eine Abtriebswelle des Aktuators zurückgelegten Laufweg, und/oder eine Temperatur des Aktuators oder eine Temperatur in der Umgebung des Aktuators wiedergibt; und Abschalten des Aktuators, falls ein Eingangsstrom oder eine Eingangsspannung des Aktuators den Abschaltstrom bzw. die Abschaltspannung erreicht oder überschreitet.According to the invention, a method is provided for operating a microcontroller provided for controlling an actuator, the method comprising: determining a cutoff current or a cutoff voltage taking into account at least one parameter representing a runtime previously completed by the actuator or a travel time taken by an output shaft of the actuator Running path, and / or a temperature of the actuator or a temperature in the vicinity of the actuator reproduces; and turning off the actuator if an input current or an input voltage of the actuator reaches or exceeds the turn-off current or cut-off voltage.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch Berücksichtigung eines Parameters, der eine bereits absolvierte Laufzeit oder einen bereits zurückgelegten Laufweg das Aktuators wiedergibt, ein Abschaltstrom bestimmt werden kann, der genauer dem tatsächlich erforderten Abschaltdrehmoment entspricht. Dies gilt analog für die Temperatur im oder am Aktuator. Einflüsse durch das Betriebsalter oder Temperatureinflüsse können somit weitgehend eliminiert werden. Somit kann ein zu frühes Abschalten oder umgekehrt eine Überlastung eines durch den Aktuator betätigten Stellelementes verhindert und die Lebensdauer der verwendeten Komponenten erhöht werden.The present invention is based on the finding that, by taking into account a parameter which reflects an already completed running time or an already traveled running path of the actuator, a cut-off current can be determined which more precisely corresponds to the actually required turn-off torque. This applies analogously to the temperature in or on the actuator. Influences due to operating age or temperature influences can thus be largely eliminated. Thus, too early shutdown or vice versa overloading a actuated by the actuator actuator can be prevented and the life of the components used can be increased.
Zum Abschalten des Aktuators kann der Mikrocontroller den Eingangsstrom oder die Eingangsspannung unterbrechen oder ein Abschaltsignal erzeugen. Das Abschalten kann dabei ohne zeitliche Verzögerung erfolgen. Beispielsweise kann der Elektromotor des Aktuators einem vorgegebenen Kommutierungsschema entsprechend zum Stillstand gebracht werden. Dazu kann beispielsweise ein festes Kommutierungsschema in einer Tabelle hinterlegt sein. Solch ein festes Kommutierungsschema kann beispielsweise eine Stoprampe beschreiben, so dass die Kommutierungsfrequenz kontinuierlich verringert wird. Beim Stillstand des Elektromotors kann es dann vorgesehen sein, dass dieser mit einem Haltestrom bestromt wird, so dass auf den Rotor des Elektromotors ein Haltemoment wirkt. Somit kann der Elektromotor, beziehungsweise der Aktuator, nach dem Abschalten seine Position halten.To shut off the actuator, the microcontroller can interrupt the input current or the input voltage or generate a shutdown signal. The shutdown can be done without delay. For example, the electric motor of the actuator can be brought to a predetermined Kommutierungsschema to a halt. For this purpose, for example, a fixed commutation scheme can be stored in a table. Such a fixed commutation scheme may for example describe a stop ramp so that the commutation frequency is continuously reduced. When the electric motor is at a standstill, it can then be provided that it is supplied with a holding current so that a holding torque acts on the rotor of the electric motor. Thus, the electric motor, or the actuator, hold its position after switching off.
Die aktuelle Temperatur kann beispielsweise durch einen Heißleiter, beispielsweise einen NTC-Widerstand, im oder am Aktuator bestimmt werden. Alternativ können auch andere Temperatursensoren wie ein NTC-Widerstand oder eine Messung des Ohm'schen Widerstands der Phasenwicklung zur Temperaturbestimmung verwendet werden. Ebenso kann eine Schätzung der Temperatur, beispielsweise durch einen Zustandsbeobachter, implementiert sein.The current temperature can be determined, for example, by a thermistor, for example an NTC resistor, in or on the actuator. Alternatively, other temperature sensors such as an NTC resistor or a measurement of the ohmic resistance of the phase winding to Temperature determination can be used. Likewise, an estimate of the temperature, for example by a state observer, may be implemented.
In manchen Ausgestaltungen der Erfindung wird ein erfasster Temperaturwert oder ein anderer erfasster Parameter einem Analog-Digital-Umsetzer (ADC) zugeführt. Im ADC kann dabei eine Mittelung des erfassten Parameters über die Zeit erfolgen. Eine Mittelung des mindestens einen Parameter kann selbstverständlich auch anders realisiert sein und beispielsweise in einem Mikrocontroller erfolgen.In some embodiments of the invention, a sensed temperature value or other sensed parameter is applied to an analog-to-digital converter (ADC). In the ADC, an averaging of the detected parameter can take place over time. Of course, an averaging of the at least one parameter can also be implemented differently and be carried out, for example, in a microcontroller.
In einer Ausgestaltung gibt der mindestens eine Parameter die durch den Aktuator bisher absolvierte Laufzeit oder den durch die Abtriebswelle des Aktuators bisher zurückgelegten Laufweg seit Inbetriebnahme des Aktuators, insbesondere der ersten Inbetriebnahme in einem Kraftfahrzeug, wieder. Es hat sich herausgestellt, dass dieser Parameter ein Maß für die Fett- oder Schmierstoffverteilung im Aktuator ist, die wiederum das Drehmoment beeinflusst.In one embodiment, the at least one parameter indicates the runtime previously completed by the actuator or the travel path traveled by the output shaft of the actuator since the actuator was put into operation, in particular the first startup in a motor vehicle. It has been found that this parameter is a measure of the grease or lubricant distribution in the actuator, which in turn affects the torque.
Insbesondere wird die Anzahl der Umdrehungen der Abtriebswelle des Aktuators umfasst, wobei der mindestens eine Parameter die Anzahl der bisher durch die Abtriebswelle des Aktuators absolvierten Umdrehungen wiedergibt. Die Anzahl der Umdrehungen kann mittels eines Sensors bestimmt werden, der an der Abtriebswelle des Aktuator angeordnet ist. Die Anzahl der Umdrehungen wird kumulativ erfasst. Der Zählerstand kann auf einfache Weise durch den Mikrocontroller verwaltet und verarbeitet werden.In particular, the number of revolutions of the output shaft of the actuator is included, wherein the at least one parameter represents the number of revolutions previously completed by the output shaft of the actuator. The number of revolutions can be determined by means of a sensor which is arranged on the output shaft of the actuator. The number of revolutions is recorded cumulatively. The meter reading can be easily managed and processed by the microcontroller.
In einer Ausgestaltung erfolgt die Bestimmung des Abschaltstromes oder der Abschaltspannung dynamisch und/oder in Echtzeit. Somit kann der Einfluss von Temperaturänderungen, die sich während des Betriebs ergeben können, unmittelbar berücksichtigt werden.In one embodiment, the determination of the cut-off current or the cut-off voltage takes place dynamically and / or in real time. Thus, the influence of temperature changes, which may arise during operation, can be directly taken into account.
In einer Ausgestaltung wird der Abschaltstrom oder die Abschaltspannung mittels einer polynomialen Formel bestimmt. Die Berechnung erfolgt während der Laufzeit. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass vorhandene Mikrocontroller auf einfache Weise durch Hinterlegen der Formel und Bereitstellen der zur Auflösung der Formel benötigten aktuellen Messwerte umgerüstet werden können. Zusätzlicher Speicherbedarf seitens des Mikrocontrollers ergibt sich nur in geringem Umfang.In one embodiment, the turn-off current or the turn-off voltage is determined by means of a polynomial formula. The calculation is done during the term. This refinement has the advantage that existing microcontrollers can be converted in a simple manner by depositing the formula and providing the current measured values needed to resolve the formula. Additional memory requirements on the part of the microcontroller results only to a limited extent.
Die polynomiale Formel kann durch Approximation eines Kennfeldes bestimmt werden, das eine Vielzahl von Messwerten des mindestens einen Parameters enthält. Prinzipiell kann ein Kennfeld beliebiger Dimension verwendet werden. Insbesondere kann das Kennfeld auch dreidimensional oder vierdimensional sein und eine Vielzahl von Parametern enthalten. Die Parameter können beispielsweise eine oder mehrere der folgenden Größen umfassen: Eine durch den Aktuator bisher absolvierte Laufzeit, einen durch eine Abtriebswelle des Aktuators bisher zurückgelegten Laufweg, eine Temperatur des Aktuators oder eine Temperatur in der Umgebung des Aktuators, einen Eingangsstrom oder eine Eingangsspannung des Aktuators, ein durch den Aktuator erzeugtes Drehmoment oder eine durch den Aktuator erzeugte Abtriebskraft, und eine Laufzeit des Aktuators. Beispielsweise kann ein dreidimensionales Kennfeld die Parameter Temperatur, Strom und Drehmoment umfassen.The polynomial formula can be determined by approximating a map containing a plurality of measurements of the at least one parameter. In principle, a map of any dimension can be used. In particular, the map may also be three-dimensional or four-dimensional and contain a plurality of parameters. For example, the parameters may include one or more of the following: a runtime previously completed by the actuator, a track traveled by an output shaft of the actuator, a temperature of the actuator, or a temperature in the vicinity of the actuator, an input current, or an input voltage of the actuator , a torque generated by the actuator or an output force generated by the actuator, and a running time of the actuator. For example, a three-dimensional characteristic map may include the parameters temperature, current and torque.
In einer Ausgestaltung wird die Vielzahl von Messwerten für mehrere Exemplare des Aktuators erfasst, wobei die Messwerte über die Anzahl der Exemplare gemittelt werden. Somit werden exemplarabhängige Schwankungen reduziert oder eliminiert.In one embodiment, the plurality of measured values for a plurality of copies of the actuator are recorded, wherein the measured values are averaged over the number of copies. Thus, copy-dependent variations are reduced or eliminated.
Das Verfahren eignet sich insbesondere für eine Implementierung in einem Mikrocontroller, der einen Aktuator zur Betätigung eines Stellelements in einem Kraftfahrzeug, insbesondere von Klima- oder Lüftungsklappen, steuert. Der Mikrocontroller kann ein Mikrocontroller mit einer Controllerarchitektur des Typs 8051 sein.The method is particularly suitable for an implementation in a microcontroller, which controls an actuator for actuating an actuating element in a motor vehicle, in particular air conditioning or ventilation flaps. The microcontroller may be a microcontroller having an 8051 controller architecture.
In einer alternativen Ausgestaltung wird der Abschaltstrom oder die Abschaltspannung mittels einer Referenztabelle bestimmt. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass eine einfache Anpassung des Abschaltverhaltens durch Änderung von Referenzwerten ermöglicht wird.In an alternative embodiment, the switch-off current or the switch-off voltage is determined by means of a reference table. This refinement has the advantage that a simple adaptation of the turn-off behavior by changing reference values is made possible.
Darüber hinaus ist ein Datenverarbeitungsprogramm geschaffen, umfassend Instruktionen, die bei Ausführung durch ein Datenverarbeitungssystem – z. B. einen Mikrocontroller – eine Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens veranlassen.In addition, a data processing program is provided, comprising instructions that, when executed by a data processing system -. As a microcontroller - cause an implementation of the method described above.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, bei der Bezug genommen wird auf die beigefügte Zeichnungen:Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description in which reference is made to the accompanying drawings:
Das erzeugte Abtriebsdrehmoment MAB ist abhängig von dem Eingangsstrom IEIN. Falls der Eingangsstrom IEIN einen Wert IMAX erreicht, aus dem abgeleitet wird, das ein nicht zu überschreitendes Abtriebsdrehmoment erreicht oder überschritten wird, so schaltet der Mikrocontroller
Bei der Bestimmung des Abschaltstromes IMAX werden die Laufzeit des Aktuators und die Umgebungstemperatur berücksichtigt. Da sich diese Parameter ständig verändern, erfolgt eine dynamische Anpassung des Abschaltstromes IMAX.When determining the switch-off current I MAX , the operating time of the actuator and the ambient temperature are taken into account. Since these parameters are constantly changing, there is a dynamic adaptation of the switch-off current I MAX .
Der Abschaltstrom IMAX entspricht einem maximal zugelassenen Abtriebsmoment. Die Bestimmung des aktuellen Abschaltstromes IMAX erfolgt in einer Ausgestaltung der Erfindung mittels einer Referenztabelle. Die Referenztabelle enthält eine Vielzahl von Werten von Temperatur und Laufzeit und jeweils zugeordnetem Abschaltstrom IMAX. Diese Werte werden vorab durch Messung bestimmt. Die Tabelle kann in einem Speicher des Mikrocontrollers hinterlegt sein.The switch-off current I MAX corresponds to a maximum permitted output torque. The determination of the current cut-off current I MAX is effected in one embodiment of the invention by means of a reference table. The reference table contains a large number of values of temperature and transit time and the respective associated cut-off current I MAX . These values are determined in advance by measurement. The table can be stored in a memory of the microcontroller.
In einer anderen Ausgestaltung wird der Abschaltstrom IMAX mittels eines Approximationsfunktion bestimmt.In another embodiment, the turn-off current I MAX is determined by means of an approximation function.
Zur Bestimmung der Approximationsfunktion werden verschiedene Parameter des Aktuators zu unterschiedlichen Betriebsbedingungen gemessen. Dazu erfasst der Mikrocontroller des Aktuators analoge Signale, wie z. B. Strom und Temperatur mit geeigneten Sensoren über Analog-Digital Schnittstellen. Die Messwerte werden über einen in dem Kraftfahrzeug vorgesehenen Bus, an den der Mikrocontroller angeschlossen ist, z. B. einen LIN- oder CAN-Bus, an einen für die Auswertung vorgesehenen Computer übertragen.To determine the approximation function, various parameters of the actuator are measured at different operating conditions. For this purpose, the microcontroller of the actuator detects analog signals, such. As current and temperature with suitable sensors via analog-digital interfaces. The measured values are transmitted via a bus provided in the motor vehicle to which the microcontroller is connected, for. B. a LIN or CAN bus, transmitted to a computer provided for the evaluation.
Mit Hilfe der Messdaten wird ein Kennfeld erstellt, indem die Größen Strom, Temperatur und Moment enthalten sind.With the help of the measurement data, a map is created, which contains the quantities current, temperature and moment.
Zur Messung der internen Aktuatortemperatur kann der Temperatursensor der Motortreiberelektronik verwendet werden. Um zusätzliche Messwerte von der Umgebungstemperatur zu erhalten, kann ein weiterer Temperatursensor vorgesehen sein. Durch die Verwendung zweier Sensoren können eventuelle Abhängigkeiten zwischen der internen Aktuatortemperatur und der Umgebungstemperatur berücksichtigt werden.To measure the internal actuator temperature, the temperature sensor of the motor driver electronics can be used. In order to obtain additional measured values from the ambient temperature, a further temperature sensor can be provided. By using two sensors, any dependencies between the internal actuator temperature and the ambient temperature can be taken into account.
Darüber hinaus können die Messungen für mehrere Aktuatoren des gleichen Typs wiederholt werden.In addition, the measurements can be repeated for several actuators of the same type.
Für eine Vereinfachung der Berechnung der mathematischen Annäherungsfunktion werden die Messwerte sortiert. Dazu werden die Messwerte in eine Matrix von Drehmomentwerten eingeordnet, wobei die Zeilenwerte temperatur- und die Spaltenwerte stromabhängig sind.To simplify the calculation of the mathematical approximation function, the measured values are sorted. For this purpose, the measured values are classified into a matrix of torque values, the row values being temperature-dependent and the column values being current-dependent.
Die Stromachse wird durch die Variable x und die Temperaturachse durch die Variable y beschrieben. Für die Erstellung der Momentmatrix wird ein Gitter in die x-y-Ebene aller vorhandenen Datenpunkte einer Messung gelegt. Die
Die Funktion durchsucht nun ausgehend von dem Element xi, yi alle vorhandenen Messpunkte und extrahiert diejenigen, die sich im Bereich xi+1 – xi-1, yi+1 – yi-1 befinden (siehe den in
Der maximale Abstand δmax setzt sich wie folgt zusammen: The maximum distance δ max is composed as follows:
Um den Wert des Drehmomentes an der Stelle xi, yi zu berechnen, wird eine Summe über die z-Komponenten zi aller Datenpunkte in dem vorgegebenen Bereich gebildet.To the value of the torque at the location x i , y i , a sum is formed over the z components z i of all the data points in the predetermined area.
Zuvor wird der Wert mit einem normierten Gewichtungsfaktor multipliziert. Je größer der Abstand δi eines Punktes ist, desto geringer geht der Wert in die Gesamtsumme ein. Der Gewichtungsfaktor gi für jeden Datenpunkt Di wird wie folgt berechnet: Previously, the value is multiplied by a normalized weighting factor. The larger the distance δ i of a point, the lower the value is in the total. The weighting factor g i for each data point D i is calculated as follows:
Zuletzt wird die berechnete Gesamtsumme durch die Summe der einzelnen Gewichtungsfaktoren dividiert.Finally, the calculated total is divided by the sum of the individual weighting factors.
Die gesamte Formel zur Berechnung des Wertes an der Stelle xi, yi lautet: The entire formula for calculating the value at the point x i , y i is:
Das beschriebene Verfahren wurde auf die Messergebnisse eines jeden Aktuators durchgeführt.The described method was performed on the measurement results of each actuator.
Aus den erzeugten Kennfeldern wird anschließend eine mathematische Funktion erstellt, die das aufgenommene Kennfeld abbildet. Als Ausgangskennfeld
Für den Mittelwert
Das Ausgangskennfeld
Für die Approximation des Ausgangskennfeldes wird folgendes Verfahren verwendet. Zunächst wird das Ausgangskennfeld in einzelne zweidimensionale Kennfelder zerlegt. Die Anzahl n der Zerlegungen kann je nach notwendiger Approximationsgenauigkeit verändert werden. Die Approximation der jeweiligen Kennfelder erfolgt durch das Least Square Verfahren und liefert folgende Gleichung:
Zur Bestimmung der genäherten, minimierten Funktion erfolgt in der hier beschriebenen Umsetzung des Verfahrens der Summe der kleinsten Quadrate die Approximation in y-Richtung über den Verlauf der zuvor erzeugten Funktionen W(n). Dafür werden erneut Funktionen definiert, die von den Koeffizienten bn abhängig sind.
Das Verfahren der Summe der kleinsten Quadrate wird nun auf diese Funktionen angewendet, um die Parameter c1,1 bis c3,3 zu erhalten.The least squares method is now applied to these functions to obtain the parameters c 1,1 to c 3,3 .
Das Lösen dieser Gleichungen mit dem „least square” Verfahren liefert die Lösung für die Approximationsfunktion:
Die nachfolgende Tabelle fasst den Ablauf des Verfahrens zur Erstellung der Approximationsfunktion zusammen: The following table summarizes the procedure of the method for creating the approximation function:
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Merkmale der beschriebenen beispielhaften Ausgestaltungen beschränkt. Insbesondere können auch andere als die genannten Näherungsverfahren zur Bestimmung des Kennfeldes verwendet werden. Ebenso kann das Ausgangskennfeld
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