JP2004333156A - エンコーダ信号内挿分割器 - Google Patents
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Abstract
【課題】入力信号のオフセット、ゲイン補正を、廉価な回路構成により高速で自動補正して、内挿分割により所定の分割能を備えたエンコーダ信号を精度良く生成可能なエンコーダ信号内挿分割器を提案すること。
【解決手段】エンコーダ信号内挿分割器１では、アナログ信号である入力信号Ａ１、Ｂ１をＡ／Ｄ変換器８、９でデジタル変換する前に、加算器４、５において０点補正回路１３によってオフセット補正を施し、アンプ６、７において振幅補正回路１４によってゲイン補正を施す。補正後のアナログ信号がデジタル値に変換され、角度データルックアップテーブル１０において角度データが算出され、これに基づき、エンコーダパルス信号生成回路１２から、所定の分割能を備えたエンコーダパルス信号が生成され、出力される。
【選択図】 図２
【解決手段】エンコーダ信号内挿分割器１では、アナログ信号である入力信号Ａ１、Ｂ１をＡ／Ｄ変換器８、９でデジタル変換する前に、加算器４、５において０点補正回路１３によってオフセット補正を施し、アンプ６、７において振幅補正回路１４によってゲイン補正を施す。補正後のアナログ信号がデジタル値に変換され、角度データルックアップテーブル１０において角度データが算出され、これに基づき、エンコーダパルス信号生成回路１２から、所定の分割能を備えたエンコーダパルス信号が生成され、出力される。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ回転角度位置や、ワークテーブルの移動位置などを検出するエンコーダに関するものである。さらに詳しくは、入力信号のオフセット、ゲインレベル、ゲインバランスの誤差を廉価な回路構成により高速で自動補正して、内挿分割により所定の分割能を備えたエンコーダ信号を精度良く生成可能なエンコーダ信号内挿分割器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンコーダにおいては、そのセンサからＡ相信号（正弦波信号）およびＢ相信号（余弦波信号）の２相の信号が出力されている。これらの信号＊Ａおよび＊Ｂの出力電圧Ａ、Ｂは、例えばロータリエンコーダを例に挙げて説明すると、検出対象の回転軸の回転角θに応じて、
Ａ＝Ｋｓｉｎθ
Ｂ＝Ｋｃｏｓθ
になる。これらの値Ａ、Ｂのある瞬間時の値をそれぞれａ、ｂとすると、図１に示すように、これらの値ａ、ｂからその瞬間時の角度θ（電気角）を読み取ることができる。読み取られた角度θに基づき、所定の分割能を備えた２相のエンコーダパルス信号が生成され、これらのパルス信号に基づき回転軸の機械角を検出できる。
【０００３】
２相の正弦波信号に基づき所定の分割能を備えた２相のエンコーダパルス信号を発生するエンコーダにおいて、２相の正弦波信号（正弦波信号および余弦波信号）を電気的に処理して分割能を向上させる手法としてＡ／Ｄ変換方式を用いた内挿分割方式が知られている。この方式は、例えば、下記の特許文献１に開示されている。
【０００４】
ここで、角度θの算出は、センサから得られるＡ相およびＢ相の信号の最大振幅と電圧中心値が一定であることを前提としている。実際のエンコーダでは、機械的な位置のずれや、温度による電気的な回路定数の変動などにより、各相の出力電圧のバランスが崩れたり、それらの中心電圧値が変動する（前者をゲインバランス、後者をオフセットバランスと言う。）。
【０００５】
例えば、オフセットバランスが２％変化すると、計算上の誤差は２．３°（電気角誤差）となる。実際のエンコーダは、回転軸が１回転すると数千から数万の基準信号が出力され、軸換算の誤差（機械角誤差）が次式のようになり、基準パルス数が１８，０００のエンコーダにおいてオフセットバランスが２％変化した場合の誤差は０．５ａｒｃ−ｓｅｃとなる。
機械角誤差＝電気角誤差／１回転当たりの信号出力数
【０００６】
内挿分割による分解能は、通常、基準パルス数の１００倍から４００倍であるので、仮に１８，０００パルスのエンコーダ出力を２００倍となるように分割すると、分割能は３，６００，０００パルスとなり、１パルスは０．３６ａｒｃ−ｓｅｃに相当する。上記で計算したオフセット誤差は１パルス以上の誤差となるので、オフセット誤差を補償する必要がある。
【０００７】
Ａ相およびＢ相信号の変動を補償する方式として、例えば、下記の特許文献２に記載されたものがある。ここに記載の内挿処理装置では、オフセットゲインの補正値を、入力信号をＡ／Ｄ変換して得られるデジタル値に加算して、オフセット補正を行っている。このように、内挿処理装置では入力信号に対する補正処理をデジタル回路により実現している。
【０００８】
【特許文献１】
特開昭４９−１０６７４４号公報
【特許文献２】
特開平６−１６７３５４号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、入力信号のオフセット、ゲインレベル、ゲインバランスの誤差を廉価な回路構成により高速で自動補正して、内挿分割により所定の分割能を備えたエンコーダ信号を精度良く生成可能なエンコーダ信号内挿分割器を提案することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、９０度位相の異なる正弦波信号から電気角を割り出し、内挿分割により所定の分割能を備えた２相のエンコーダパルス信号を出力するエンコーダ信号内挿分割器において、
前記正弦波信号のそれぞれをデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器と、
前記正弦波信号の各デジタル値に対応する角度データを内挿分割により算出する角度データ算出手段と、
算出された角度データに基づき、所定の分割能を備えた２相のエンコーダパルス信号を生成するエンコーダ信号生成手段と、
前記正弦波信号の各デジタル値に基づき、各正弦波信号のオフセットを零にするためのデジタル補正値を算出し、当該デジタル補正値のアナログ変換値を用いて、前記Ａ／Ｄ変換器に入力される各正弦波信号のオフセット補正を行うオフセット補正手段と、
前記正弦波信号の各デジタル値に基づき、各正弦波信号のゲイン補正値を算出し、前記Ａ／Ｄ変換器に入力される各正弦波信号のゲイン補正を行うゲイン補正手段とを有していることを特徴としている。
【００１１】
本発明では、入力信号（２相の正弦波信号）をＡ／Ｄ変換し、そのオフセットを零にするための補正値を演算した後に、当該補正値をアナログ値に変換した後にＡ／Ｄ変換器に戻している。すなわち、入力されるアナログ信号（正弦波信号）そのものを補正している。従って、入力信号をデジタル処理により補正するための演算処理回路が不要となるので、演算処理回路の負荷が軽減され、内挿処理の高速化を実現できる。また、ＣＰＵやゲートアレイなどの容量を小さくできるので、演算処理回路を廉価に製作することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を適用したエンコーダ信号内挿分割器の一例を説明する。
【００１３】
図２は本例のエンコーダ信号内挿分割器を示す概略ブロック図である。エンコーダ信号内挿分割器１には、例えば検出対象の回転軸（図示せず）の回転に伴って９０度位相の異なる正弦波信号を出力するセンサ（図示せず）から当該正弦波信号が入力される。本例では、Ａ相信号（正弦波信号）＊Ａと、その反転信号＊／Ａ、並びにＢ相信号（余弦波信号）＊Ｂと、その反転信号＊／Ｂが入力される。
【００１４】
信号＊Ａおよび＊／Ａは差動アンプ２に入力され、それらの差動信号Ａ１が生成される。同様に信号＊Ｂおよび＊／Ｂは差動アンプ３に入力され、それらの差動信号Ｂ１が生成される。これらの差動信号Ａ１、Ｂ１は、加算器４、５においてオフセット補正が行われた後に、アンプ６、７においてゲイン補正が行われる。しかる後に、Ａ／Ｄコンバータ８、９においてデジタル信号に変換される。
【００１５】
これらのデジタル信号の値に基づき、角度データルックアップテーブル１０においては予め記憶保持されているルックアップテーブルを検索して、対応する角度データを内挿分割により算出する。
【００１６】
算出された角度データは、比較回路１１において、データの連続性を補償するために現在角度カウンタ１２に保持されている現在値と比較される。この後に、現在角度カウンタ１２の値が、算出された角度データとなるように増減される。この後は、エンコーダパルス信号生成回路１３において、現在角度カウンタ１２の内容に対応したＡ相エンコーダパルス信号Ａ、その反転信号／Ａ、Ｂ相エンコーダパルスＢ、およびその反転信号／Ｂが生成されて、出力される。
【００１７】
ここで、入力信号である正弦波信号の差動信号Ａ１、Ｂ１のオフセット補正は、０点補正回路１４により行われる。０点補正回路１４では、Ａ／Ｄコンバータ８、９のデジタル出力値と、現在角度カウンタ１２から供給される０点通過タイミングを表す信号とに基づき、入力信号のオフセット値の平均値を０点補正値（オフセット補正値）として算出し、この０点補正値をアナログ信号に変換した後に、加算器３、４に供給する。この結果、加算器３、４において、各入力信号Ａ１、Ｂ１のオフセットが補正される。
【００１８】
また、入力信号Ａ１、Ｂ１のゲイン補正は振幅補正回路１５により行われる。振幅補正回路１５では、Ａ／Ｄコンバータ８、９のデジタル出力値と、現在角度カウンタ１２から供給される０点通過タイミングを表す信号とに基づき、入力信号の最大振幅値の平均値を求め、これを目標振幅値に補正するための振幅補正係数を算出する。算出された振幅補正係数に基づき、アンプ６、７において入力信号ａ、ｂが増幅され、これにより入力信号のゲインが調整される。
【００１９】
このように構成した本例のエンコーダ信号内挿分割器１においては、デジタル変換される前において、入力されるアナログ信号（正弦波信号）Ａ１、Ｂ１そのものを補正している。従って、デジタル化された後の入力信号をデジタル処理により補正するための演算処理回路が不要となるので、演算処理回路の負荷が軽減され、内挿処理の高速化を実現できる。また、ＣＰＵやゲートアレイなどの容量を小さくできるので、演算処理回路を廉価に製作することができる。
【００２０】
また、本例の分割器では、Ａ／Ｄコンバータ８、９として例えば１０ビットのものを用い、角度データルックアップテーブル１０として１Ｍ×１６ビット構成のフラッシュＲＯＭを用いているが、これらのビット数およびデータ数を増やすことにより、生成されるエンコーダパルス信号の分解能を容易に高めることができる。
【００２１】
さらに、入力信号が正確な正弦波信号、余弦波信号でなくても、波形が分かっていれば角度データルックアップテーブル１０で補正することが可能である。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のエンコーダ信号内挿分割器においては、デジタル変換される前の入力信号に対して直接、オフセット補正およびゲイン補正を行うようにしている。従って、入力信号をデジタル処理により補正するための演算処理回路が不要となるので、演算処理回路の負荷が軽減され、内挿処理の高速化を実現できる。また、ＣＰＵやゲートアレイなどの容量を小さくできるので、演算処理回路を廉価に製作することができる。よって、入力信号のオフセット、ゲインレベル、ゲインバランスの誤差を廉価な回路構成により高速で自動補正して、内挿分割により所定の分割能を備えたエンコーダ信号を精度良く生成可能なエンコーダ信号内挿分割器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】９０度位相のずれた正弦波信号から電気角を割り出す原理を示す説明図である。
【図２】本発明を適用したエンコーダ信号内挿分割器の概略ブロック図である。
【符号の説明】
１ エンコーダ信号内挿分割器
２、３ 差動アンプ
４、５ 加算器
６、７ アンプ
８、９ Ａ／Ｄ変換器
１０ 角度データルックアップテーブル
１１ 比較器
１２ 現在角度カウンタ
１３ エンコーダパルス信号生成回路
１４ ０点補正回路
１５ 振幅補正回路
＊Ａ Ａ相の入力信号
＊／Ａ Ａ相の反転入力信号
＊Ｂ Ｂ相の入力信号
＊／Ｂ Ｂ相の反転入力信号
Ａ１、Ｂ１ 差動信号
Ａ Ａ相のエンコーダパルス信号
／Ａ Ａ相のエンコーダパルス信号の反転信号
Ｂ Ｂ相のエンコーダパルス信号
／Ｂ Ｂ相のエンコーダパルス信号の反転信号
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ回転角度位置や、ワークテーブルの移動位置などを検出するエンコーダに関するものである。さらに詳しくは、入力信号のオフセット、ゲインレベル、ゲインバランスの誤差を廉価な回路構成により高速で自動補正して、内挿分割により所定の分割能を備えたエンコーダ信号を精度良く生成可能なエンコーダ信号内挿分割器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エンコーダにおいては、そのセンサからＡ相信号（正弦波信号）およびＢ相信号（余弦波信号）の２相の信号が出力されている。これらの信号＊Ａおよび＊Ｂの出力電圧Ａ、Ｂは、例えばロータリエンコーダを例に挙げて説明すると、検出対象の回転軸の回転角θに応じて、
Ａ＝Ｋｓｉｎθ
Ｂ＝Ｋｃｏｓθ
になる。これらの値Ａ、Ｂのある瞬間時の値をそれぞれａ、ｂとすると、図１に示すように、これらの値ａ、ｂからその瞬間時の角度θ（電気角）を読み取ることができる。読み取られた角度θに基づき、所定の分割能を備えた２相のエンコーダパルス信号が生成され、これらのパルス信号に基づき回転軸の機械角を検出できる。
【０００３】
２相の正弦波信号に基づき所定の分割能を備えた２相のエンコーダパルス信号を発生するエンコーダにおいて、２相の正弦波信号（正弦波信号および余弦波信号）を電気的に処理して分割能を向上させる手法としてＡ／Ｄ変換方式を用いた内挿分割方式が知られている。この方式は、例えば、下記の特許文献１に開示されている。
【０００４】
ここで、角度θの算出は、センサから得られるＡ相およびＢ相の信号の最大振幅と電圧中心値が一定であることを前提としている。実際のエンコーダでは、機械的な位置のずれや、温度による電気的な回路定数の変動などにより、各相の出力電圧のバランスが崩れたり、それらの中心電圧値が変動する（前者をゲインバランス、後者をオフセットバランスと言う。）。
【０００５】
例えば、オフセットバランスが２％変化すると、計算上の誤差は２．３°（電気角誤差）となる。実際のエンコーダは、回転軸が１回転すると数千から数万の基準信号が出力され、軸換算の誤差（機械角誤差）が次式のようになり、基準パルス数が１８，０００のエンコーダにおいてオフセットバランスが２％変化した場合の誤差は０．５ａｒｃ−ｓｅｃとなる。
機械角誤差＝電気角誤差／１回転当たりの信号出力数
【０００６】
内挿分割による分解能は、通常、基準パルス数の１００倍から４００倍であるので、仮に１８，０００パルスのエンコーダ出力を２００倍となるように分割すると、分割能は３，６００，０００パルスとなり、１パルスは０．３６ａｒｃ−ｓｅｃに相当する。上記で計算したオフセット誤差は１パルス以上の誤差となるので、オフセット誤差を補償する必要がある。
【０００７】
Ａ相およびＢ相信号の変動を補償する方式として、例えば、下記の特許文献２に記載されたものがある。ここに記載の内挿処理装置では、オフセットゲインの補正値を、入力信号をＡ／Ｄ変換して得られるデジタル値に加算して、オフセット補正を行っている。このように、内挿処理装置では入力信号に対する補正処理をデジタル回路により実現している。
【０００８】
【特許文献１】
特開昭４９−１０６７４４号公報
【特許文献２】
特開平６−１６７３５４号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、入力信号のオフセット、ゲインレベル、ゲインバランスの誤差を廉価な回路構成により高速で自動補正して、内挿分割により所定の分割能を備えたエンコーダ信号を精度良く生成可能なエンコーダ信号内挿分割器を提案することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は、９０度位相の異なる正弦波信号から電気角を割り出し、内挿分割により所定の分割能を備えた２相のエンコーダパルス信号を出力するエンコーダ信号内挿分割器において、
前記正弦波信号のそれぞれをデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器と、
前記正弦波信号の各デジタル値に対応する角度データを内挿分割により算出する角度データ算出手段と、
算出された角度データに基づき、所定の分割能を備えた２相のエンコーダパルス信号を生成するエンコーダ信号生成手段と、
前記正弦波信号の各デジタル値に基づき、各正弦波信号のオフセットを零にするためのデジタル補正値を算出し、当該デジタル補正値のアナログ変換値を用いて、前記Ａ／Ｄ変換器に入力される各正弦波信号のオフセット補正を行うオフセット補正手段と、
前記正弦波信号の各デジタル値に基づき、各正弦波信号のゲイン補正値を算出し、前記Ａ／Ｄ変換器に入力される各正弦波信号のゲイン補正を行うゲイン補正手段とを有していることを特徴としている。
【００１１】
本発明では、入力信号（２相の正弦波信号）をＡ／Ｄ変換し、そのオフセットを零にするための補正値を演算した後に、当該補正値をアナログ値に変換した後にＡ／Ｄ変換器に戻している。すなわち、入力されるアナログ信号（正弦波信号）そのものを補正している。従って、入力信号をデジタル処理により補正するための演算処理回路が不要となるので、演算処理回路の負荷が軽減され、内挿処理の高速化を実現できる。また、ＣＰＵやゲートアレイなどの容量を小さくできるので、演算処理回路を廉価に製作することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を適用したエンコーダ信号内挿分割器の一例を説明する。
【００１３】
図２は本例のエンコーダ信号内挿分割器を示す概略ブロック図である。エンコーダ信号内挿分割器１には、例えば検出対象の回転軸（図示せず）の回転に伴って９０度位相の異なる正弦波信号を出力するセンサ（図示せず）から当該正弦波信号が入力される。本例では、Ａ相信号（正弦波信号）＊Ａと、その反転信号＊／Ａ、並びにＢ相信号（余弦波信号）＊Ｂと、その反転信号＊／Ｂが入力される。
【００１４】
信号＊Ａおよび＊／Ａは差動アンプ２に入力され、それらの差動信号Ａ１が生成される。同様に信号＊Ｂおよび＊／Ｂは差動アンプ３に入力され、それらの差動信号Ｂ１が生成される。これらの差動信号Ａ１、Ｂ１は、加算器４、５においてオフセット補正が行われた後に、アンプ６、７においてゲイン補正が行われる。しかる後に、Ａ／Ｄコンバータ８、９においてデジタル信号に変換される。
【００１５】
これらのデジタル信号の値に基づき、角度データルックアップテーブル１０においては予め記憶保持されているルックアップテーブルを検索して、対応する角度データを内挿分割により算出する。
【００１６】
算出された角度データは、比較回路１１において、データの連続性を補償するために現在角度カウンタ１２に保持されている現在値と比較される。この後に、現在角度カウンタ１２の値が、算出された角度データとなるように増減される。この後は、エンコーダパルス信号生成回路１３において、現在角度カウンタ１２の内容に対応したＡ相エンコーダパルス信号Ａ、その反転信号／Ａ、Ｂ相エンコーダパルスＢ、およびその反転信号／Ｂが生成されて、出力される。
【００１７】
ここで、入力信号である正弦波信号の差動信号Ａ１、Ｂ１のオフセット補正は、０点補正回路１４により行われる。０点補正回路１４では、Ａ／Ｄコンバータ８、９のデジタル出力値と、現在角度カウンタ１２から供給される０点通過タイミングを表す信号とに基づき、入力信号のオフセット値の平均値を０点補正値（オフセット補正値）として算出し、この０点補正値をアナログ信号に変換した後に、加算器３、４に供給する。この結果、加算器３、４において、各入力信号Ａ１、Ｂ１のオフセットが補正される。
【００１８】
また、入力信号Ａ１、Ｂ１のゲイン補正は振幅補正回路１５により行われる。振幅補正回路１５では、Ａ／Ｄコンバータ８、９のデジタル出力値と、現在角度カウンタ１２から供給される０点通過タイミングを表す信号とに基づき、入力信号の最大振幅値の平均値を求め、これを目標振幅値に補正するための振幅補正係数を算出する。算出された振幅補正係数に基づき、アンプ６、７において入力信号ａ、ｂが増幅され、これにより入力信号のゲインが調整される。
【００１９】
このように構成した本例のエンコーダ信号内挿分割器１においては、デジタル変換される前において、入力されるアナログ信号（正弦波信号）Ａ１、Ｂ１そのものを補正している。従って、デジタル化された後の入力信号をデジタル処理により補正するための演算処理回路が不要となるので、演算処理回路の負荷が軽減され、内挿処理の高速化を実現できる。また、ＣＰＵやゲートアレイなどの容量を小さくできるので、演算処理回路を廉価に製作することができる。
【００２０】
また、本例の分割器では、Ａ／Ｄコンバータ８、９として例えば１０ビットのものを用い、角度データルックアップテーブル１０として１Ｍ×１６ビット構成のフラッシュＲＯＭを用いているが、これらのビット数およびデータ数を増やすことにより、生成されるエンコーダパルス信号の分解能を容易に高めることができる。
【００２１】
さらに、入力信号が正確な正弦波信号、余弦波信号でなくても、波形が分かっていれば角度データルックアップテーブル１０で補正することが可能である。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のエンコーダ信号内挿分割器においては、デジタル変換される前の入力信号に対して直接、オフセット補正およびゲイン補正を行うようにしている。従って、入力信号をデジタル処理により補正するための演算処理回路が不要となるので、演算処理回路の負荷が軽減され、内挿処理の高速化を実現できる。また、ＣＰＵやゲートアレイなどの容量を小さくできるので、演算処理回路を廉価に製作することができる。よって、入力信号のオフセット、ゲインレベル、ゲインバランスの誤差を廉価な回路構成により高速で自動補正して、内挿分割により所定の分割能を備えたエンコーダ信号を精度良く生成可能なエンコーダ信号内挿分割器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】９０度位相のずれた正弦波信号から電気角を割り出す原理を示す説明図である。
【図２】本発明を適用したエンコーダ信号内挿分割器の概略ブロック図である。
【符号の説明】
１ エンコーダ信号内挿分割器
２、３ 差動アンプ
４、５ 加算器
６、７ アンプ
８、９ Ａ／Ｄ変換器
１０ 角度データルックアップテーブル
１１ 比較器
１２ 現在角度カウンタ
１３ エンコーダパルス信号生成回路
１４ ０点補正回路
１５ 振幅補正回路
＊Ａ Ａ相の入力信号
＊／Ａ Ａ相の反転入力信号
＊Ｂ Ｂ相の入力信号
＊／Ｂ Ｂ相の反転入力信号
Ａ１、Ｂ１ 差動信号
Ａ Ａ相のエンコーダパルス信号
／Ａ Ａ相のエンコーダパルス信号の反転信号
Ｂ Ｂ相のエンコーダパルス信号
／Ｂ Ｂ相のエンコーダパルス信号の反転信号
Claims (1)
- ９０度位相の異なる正弦波信号から電気角を割り出し、内挿分割により所定の分割能を備えた２相のエンコーダパルス信号を出力するエンコーダ信号内挿分割器において、
前記正弦波信号のそれぞれをデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器と、
前記正弦波信号の各デジタル値に対応する角度データを内挿分割により算出する角度データ算出手段と、
算出された角度データに基づき、所定の分割能を備えた２相のエンコーダパルス信号を生成するエンコーダ信号生成手段と、
前記正弦波信号の各デジタル値に基づき、各正弦波信号のオフセットを零にするためのデジタル補正値を算出し、当該デジタル補正値のアナログ変換値を用いて、前記Ａ／Ｄ変換器に入力される各正弦波信号のオフセット補正を行うオフセット補正手段と、
前記正弦波信号の各デジタル値に基づき、各正弦波信号のゲイン補正値を算出し、前記Ａ／Ｄ変換器に入力される各正弦波信号のゲイン補正を行うゲイン補正手段とを有していることを特徴とするエンコーダ信号内挿分割器。
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