JP2006136064A - 同期モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流制御を行っている間でも、回転角度センサを備えていない同期モータの脱調状態を検出することで、脱調状態によって発生する振動や騒音、同期モータに連結される機器の損傷を防止することができる同期モータ制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の同期モータ制御装置は脱調判定部を備えている。同期モータ制御装置には、回転角度センサを備えていない同期モータが接続されている。脱調判定部は、電圧振幅指令が脱調判定電圧閾値以下のとき、同期モータが脱調していると判定し、同期モータへの通電を停止させる。これにより、同期モータの脱調状態を確実に検出することで、振動や騒音、同期モータに連結される機器の損傷を防止することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、同期モータに流れる電流が目標電流となるように前記同期モータに印加する印加電圧を制御する同期モータ制御装置に関する。

従来より、エアコンなどのコンプレッサを駆動する同期モータの制御方法として、回転角度センサを用いないセンサレス制御が数多く提案されている。しかし、同期モータをセンサレス制御した場合、印加電圧の位相ずれによって出力トルクが急変して同期モータが制御不能となる、いわゆる脱調状態に陥ることがある。

このような同期モータの脱調状態を検出することができる装置として、例えば、特許第３４８３８０５号公報や、特開平１０−３３６８８３号公報や、特開２００１−１９７７６９号公報に開示されている脱調検出装置がある。特許３４８３８０５号公報に開示されている脱調検出装置は、モータに流れる電流の周期と印加される電圧の周期との比較結果に基づいて脱調を判定する。特開平１０−３３６８８３号公報に開示されている脱調検出装置は、電圧と電流の位相角差及び位相角差の変化量に基づいて脱調を判定する。特開２００１−１９７７６９号公報に開示されている脱調検出装置は、モータのトルク指令、回転数から求められる期待動力と、モータに流れる電流、印加される電圧から求められる消費電力との偏差又は比に基づいて脱調を判定する。

また、同期モータを制御するモータ制御装置が電流制御をしていない場合、同期モータが脱調状態に陥ると同期モータに大電流が流れ、脱調状態を過電流として検出することができる。
特許第３４８３８０５号公報 特開平１０−３３６８８３号公報 特開２００１−１９７７６９号公報

ところで、コンプレッサを駆動する同期モータは、起動初期において、コンプレッサの負荷変動が安定する回転数に達するまで、一定の電流が流れるように電流制御されている。この電流は、負荷の大きさを考慮し、充分大きなトルクが出力できるような値に設定されている。そのため、前述したような、電流に基づいて脱調を判定するような脱調検出装置では、同期モータの脱調状態を検出することができない。また、同期モータが脱調状態に陥っても電流制御を行っているため、同期モータの脱調状態を過電流として検出することができない場合がある。

脱調状態が検出できない場合、同期モータは電流が流れているにも係わらず、回転せず、振動や騒音のみが大きくなる。さらに、最悪の場合、同期モータに連結されているコンプレッサが損傷する可能性がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、電流制御を行っている間でも、回転角度センサを備えていない同期モータの脱調状態を確実に検出することで、脱調状態によって発生する振動や騒音、さらに、同期モータに連結される機器の損傷を防止することができる同期モータ制御装置を提供することを目的とする。

そこで、本発明者は、この課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、電流制御を行っている間に同期モータが脱調状態になると、誘起電圧が発生せず、印加電圧を決定する印加電圧指令が小さくなるなることを思いつき、本発明を完成するに至った。

すなわち、請求項１に記載の同期モータ制御装置は、回転角度センサを備えていない同期モータに流れる電流が目標電流となるように前記同期モータに印加する印加電圧を制御する同期モータ制御装置において、前記印加電圧を決定する印加電圧指令が所定電圧閾値以下のとき、前記同期モータが脱調していると判定する脱調判定手段を有することを特徴とする。

請求項２に記載の同期モータ制御装置は、請求項１に記載の同期モータ制御装置において、さらに、前記所定電圧閾値は、前記同期モータの回転数を決定する回転数指令にともなって変化することを特徴とする。

請求項３に記載の同期モータ制御装置は、請求項１又は２に記載の同期モータ制御装置において、さらに、前記脱調判定手段は、前記同期モータが脱調していると判定したとき、前記同期モータへの通電を停止させることを特徴とする。

請求項４に記載の同期モータ制御装置は、請求項１乃至３に記載の同期モータ制御装置において、さらに、前記脱調判定手段は、前記回転数指令が所定回転数閾値以下のとき、前記同期モータの脱調の判定を停止することを特徴とする。

請求項５に記載の同期モータ制御装置は、請求項１乃至３に記載の同期モータ制御装置において、さらに、前記脱調判定手段は、前記同期モータが起動してから所定時間経過するまで、前記同期モータの脱調の判定を停止することを特徴とする。

請求項６に記載の同期モータ制御装置は、請求項１乃至３に記載の同期モータ制御装置において、さらに、前記脱調判定手段は、前記同期モータに直流電流が通電され回転せず固定された状態にある間、前記同期モータの脱調の判定を停止することを特徴とする。

請求項１に記載の同期モータ制御装置によれば、印加電圧を決定する印加電圧指令が所定電圧閾値以下のとき、脱調判定手段で、同期モータが脱調していると判定することができる。そのため、電流制御を行っている間でも、回転角度センサを備えていない同期モータの脱調状態を確実に検出することで、脱調状態によって発生する振動や騒音、さらに、同期モータに連結される機器の損傷を防止することができる。

ところで、同期モータに流れる電流が目標電流となるように電流制御をしている場合、同期モータに印加する電圧を決定する印加電圧指令は、目標電流と、同期モータの巻線抵抗と、誘起電圧とによって決まる。同期モータが脱調した場合、電流が流れているにも係わらず、同期モータは回転しない。そのため、誘起電圧が発生せず、印加電圧指令が小さくなる。従って、印加電圧指令が所定電圧閾値以下のとき、同期モータが脱調していると判定することができる。

請求項２に記載の同期モータ制御装置によれば、同期モータの回転数を決定する回転数指令にともなって所定電圧閾値を変化させることで、より確実に脱調を判定することができる。

同期モータの誘起電圧の大きさは回転数に伴って変化する。そのため、同期モータが脱調した場合、印加電圧指令も、同期モータの回転数指令にともなって変化する。従って、同期モータの回転数指令にともなって所定電圧閾値を変化させることで、より確実に脱調を判定することができる。

請求項３に記載の同期モータ制御装置によれば、同期モータが脱調したとき、脱調判定手段で、同期モータへの通電を停止させることができる。そのため、同期モータの脱調によって発生する振動や騒音、さらに、同期モータに連結される機器の損傷を確実に防止することができる。

請求項４に記載の同期モータ制御装置によれば、同期モータの回転数指令が所定回転数閾値以下のとき、同期モータの脱調の判定を停止することで、誤判定を防止することができる。

同期モータの誘起電圧の大きさは回転数に比例する。同期モータの回転数が小さい場合、誘起電圧も小さい。そのため、同期モータの脱調前後における印加電圧指令の変化が小さくなり、脱調を誤判定する恐れがある。従って、同期モータの回転数指令が所定回転数閾値以下のとき、同期モータの脱調の判定を停止することで、誤判定を防止することができる。

請求項５に記載の同期モータ制御装置によれば、同期モータが起動してから所定時間経過するまで、同期モータの脱調の判定を停止することで、誤判定を防止することができる。

同期モータは、起動直後、回転数が低く誘起電圧も小さい。そのため、同期モータの脱調前後における印加電圧指令の変化が小さくなり、脱調を誤判定する恐れがある。従って、同期モータが起動してから所定時間経過するまで、同期モータの脱調の判定を停止することで、誤判定を防止することができる。

請求項６に記載の同期モータ制御装置によれば、同期モータに直流電流が通電され初期位置に固定された状態にある間、同期モータの脱調の判定を停止することで、誤判定を防止することができる。

回転角度センサを備えていない同期モータは、直流電流が通電され、初期位置に固定された状態から起動を開始する。同期モータが固定された状態のとき、誘起電圧は発生しない。そのため、印加電圧指令が小さく、脱調を誤判定する恐れがある。従って、同期モータが固定された状態にある間、同期モータの脱調の判定を停止することで、誤判定を防止することができる。

本実施形態は、本発明に係る同期モータ制御装置を、エアコンのコンプレッサを駆動する同期モータのモータ制御装置に適用した例を示す。

本実施形態における同期モータ制御装置のブロック図を図１に、同期モータ制御装置の動作に関するフローチャートを図２に、回転数指令に対する電圧振幅指令と脱調判定電圧閾値のグラフを図３に、脱調判定時の相電流と電圧振幅指令の波形を図４に、制御切り換え時の相電流の波形を図５に示す。そして、図１〜図５を参照して、構成、動作、効果の順で具体的に説明する。

まず、具体的構成について説明する。図１に示すように、同期モータ制御装置１は、電流センサ１０と、電流振幅情報検出部１１と、目標電流制御部１２と、制御切換部１３と、電圧振幅制御部１４と、目標電流位相算出部１５と、脱調判定部１６（脱調判定手段）と、位相誤差情報検出部１７と、位相制御部１８と、加算部１９と、目標位相差算出部２０と、モータ印加電圧波形生成部２１と、回転数指令算出部２２とから構成されている。同期モータ制御装置１には、回転角度センサを備えていない同期モータ２が接続され、同期モータ２にはコンプレッサ３が連結されている。

電流センサ１０は、同期モータ２の各相に流れる相電流を検出するためのセンサである。電流センサ１０は、同期モータ制御装置１と同期モータ２とを接続する配線に配設され、電流センサ１０の出力端子は、電流振幅情報検出部１１に接続されている。

電流振幅情報検出部１１は、電流センサ１０の検出した各相の相電流から、相電流の振幅情報を検出するブロックである。電流振幅情報検出部１１の入力側は電流センサ１０に、出力側は目標電流制御部１２と目標位相差算出部２０にそれぞれ接続されている。

目標電流制御部１２は、電流振幅情報検出部１１の検出した相電流の振幅情報を予め設定されている目標電流値と比較し、その比較結果に基づいて、電流制御用データを出力するブロックである。目標電流制御部１２の入力側は電流振幅情報検出部１１に、出力側は制御切換部１３にそれぞれ接続されている。

回転数指令算出部２２は、システム制御ＥＣＵ（図略）の出力する目標回転数となるよう所定の回転数で更新される回転数指令値を算出する。回転数指令算出部２２の入力側はシステム制御ＥＣＵに、出力側は制御切換部１３、電圧振幅制御部１４、目標電流位相算出部１５、目標位相差算出部２０、脱調判定部１６にそれぞれ接続されている。

制御切換部１３は、回転数指令算出部２２の出力する回転数指令に基づいて、目標電流制御部１２の出力する電流制御用データと、後述する位相制御部１８の出力する位相制御用データとを切り換えて出力するブロックである。制御切換部１３は、回転数指令が予め設定されている制御切換判定回転数閾値より大きいとき、電圧振幅制御部１４に出力する制御用データを電流制御用データから位相制御用データに切り換えて出力する。制御切換部１３の入力側は回転数指令算出部２２、目標電流制御部１２、位相制御部１８に、出力側は電圧振幅制御部１４にそれぞれ接続されている。

電圧振幅制御部１４は、回転数指令と、制御切換部１３の出力する電流制御用データ又は位相制御用データに基づいて、同期モータ２に印加する交流電圧を決定する電圧振幅指令（印加電圧指令）を出力するブロックである。電圧振幅制御部１４の入力側は回転数指令算出部２２、制御切換部１３に、出力側はモータ印加電圧波形生成部２１と脱調判定部１６にそれぞれ接続されている。

目標電流位相算出部１５は、回転数指令に基づいて、同期モータ２の相電流の位相を決定する目標電流位相指令を出力するブロックである。目標電流位相算出部１５の入力側は回転数指令算出部２２に、出力側は加算部１９それぞれ接続されている。

脱調判定部１６は、回転数指令と、電圧振幅制御部１４の出力する電圧振幅指令に基づいて、同期モータ２の脱調を判定するとともに、同期モータ２が脱調していと判定したとき、同期モータ２への通電を停止させる通電停止指令を出力するブロックである。脱調判定部１６は、回転数指令が予め設定されている脱調判定回転数閾値（所定回転数閾値）より大きいとき、同期モータ２の脱調の判定を行う。そして、電圧振幅指令が予め設定されている脱調判定電圧閾値（所定電圧閾値）以下のとき、同期モータ２が脱調している判定する。脱調判定部１６の入力側は回転数指令算出部２２、電圧振幅制御部１４に、出力側はモータ印加電圧波形生成部２１にそれぞれ接続されている。

位相誤差情報検出部１７は、目標電流位相指令と、電流センサ１０の検出した各相の電流に基づいて、相電流の位相誤差情報を検出するブロックである。位相誤差情報検出部１７の入力側は加算器１９、電流センサ１０に、出力側は位相制御部１８にそれぞれ接続されている。

位相制御部１８は、位相誤差情報検出部１７の検出した相電流の位相誤差情報に基づいて、位相制御用データを出力するとともに、目標電流位相指令の補正用データを出力するブロックである。位相制御部１８の入力側は位相誤差情報検出部１７に、出力側は加算器１９、制御切換部１３にそれぞれ接続されている。

加算器１９は、目標電流位相算出部１５の出力する目標電流位相指令に、位相制御部１８の出力する補正用データを加算して、目標電流位相指令を補正するブロックである。加算器１９の入力側は目標電流位相算出部１５、位相制御部１８に、出力側は位相誤差情報検出部１７、モータ印加電圧波形生成部２１にそれぞれ接続されている。

目標位相差算出部２０は、回転数指令と、相電流の振幅情報に基づいて、同期モータ２に印加する交流電圧と流れる相電流の位相差を決定する目標位相差指令を出力するブロックである。目標位相差算出部２０の入力側は回転数指令算出部２２、電流振幅情報検出部１１に、出力側はモータ印加電圧波形生成部２１にそれぞれ接続されている。

モータ印加電圧波形生成部２１は、同期モータ２の制御開始時、直流電圧を印加して同期モータ２を固定するブロックである。また、電圧振幅指令と、目標電流位相指令と、目標位相差指令とに基づいて、同期モータ２に印加する交流電圧を出力するブロックである。さらに、通電停止指令に基づいて、同期モータ２に印加する交流電圧を０にして、同期モータ２への通電を停止させるブロックである。モータ印加電圧波形生成部２１の入力側は電圧振幅制御部１４、目標電流位相算出部１５、目標位相差算出部２０、脱調判定部１７に、出力側は同期モータ２にそれぞれ接続されている。

次に、具体的動作について説明する。システム制御ＥＣＵから目標回転数が指示されると、同期モータ制御装置１は、同期モータ２の制御を開始する。

図２に示すように、モータ印加電圧波形生成部２１は、同期モータ２に直流電圧を印加して、同期モータ２のロータを初期位置に固定させる（Ｓ１００）。

同期モータ制御装置１は、同期モータ２の電流制御を開始する。制御切換部１３は、目標電流制御部１２の出力する電流制御用データを電圧振幅制御部１４に出力する。電圧振幅制御部１４は、回転数指令算出部２２の出力する回転数指令と電流制御用データに基づいて、同期モータ２に印加される交流電圧を決定する電圧振幅指令をモータ印加電圧波形生成部２１に出力する。目標電流位相算出部１５は、回転数指令に基づいて、同期モータ２の相電流の位相を決定する目標電流位相指令をモータ印加電圧波形生成部２１に出力する。位相制御を行わないため、目標位相差算出部２０は、同期モータ２の印加電圧と相電流の位相差を決定する目標位相差指令を０にし、モータ印加電圧波形生成部２１に出力する。モータ印加電圧波形生成部２１は、電圧振幅指令と、目標電流位相指令とに基づいて、初期位置を基準として強制的に転流され、同期モータ２の相電流が目標電流となるとように電流制御するための交流電圧を出力する。同期モータ２は、交流電圧が印加されることで、相電流を目標電流に保ちながら回転数指令に応じて回転を開始する。（Ｓ１０２）。

その後、回転数指令算出部２２は、目標回転数に達するまで同期モータ２の回転数を上昇させるため、回転数指令を徐々に上げる（Ｓ１０４）。

脱調判定部１６は、回転数指令を脱調判定回転数閾値と比較する（Ｓ１０６）。ここで、脱調判定回転数閾値は、図３に示すように、同期モータ２の誘起電圧が小さい回転数指令に対応した値に設定されている。

ステップＳ１０６において、回転数指令が脱調判定回転数閾値より大きいとき、同期モータ２の脱調の判定を行うため、電圧振幅制御部１４の出力する電圧振幅指令を脱調判定電圧閾値と比較する（Ｓ１０８）。ここで、脱調判定電圧閾値は、図３に示すように、安定駆動時の同期モータ２の電圧振幅指令に対して、出力限界電圧を十分考慮した値に設定されている。同期モータ２の誘起電圧は回転数に比例するため、脱調判定電圧閾値は、回転数指令にともなって変化する。

これに対し、ステップＳ１０６において、回転数指令が脱調判定回転数閾値以下のとき、ステップＳ１０４に戻る。

ステップＳ１０８において、図４に示すように、電圧振幅指令が脱調判定電圧閾値以下のとき、脱調判定部１６は、同期モータ２が脱調していると判定し、同期モータ２への通電を停止させる通電停止指令をモータ印加電圧波形生成部２１に出力する。モータ印加電圧波形生成部２１は、脱調判定部１６の出力する通電停止指令に基づいて、同期モータ２に印加する交流電圧を０にして、同期モータ２への通電を停止させる（Ｓ１１０）。さらに、脱調判定部１６は、同期モータ２の脱調を報知する脱調エラー信号をシステム制御ＥＣＵに送信する（Ｓ１１２）。

これに対し、ステップＳ１０８において、電圧振幅指令が脱調判定電圧閾値より大きいとき、切換制御部１３は、回転数指令を制御切換判定回転数閾値と比較する（Ｓ１１４）。ここで、制御切換判定回転数閾値は、脱調判定回転数閾値より大きい、コンプレッサ３の負荷変動が安定するのに充分な回転数に設定されている。

ステップＳ１１４において、回転数指令が制御切換判定回転数閾値より大きいとき、同期モータ２の制御が、電流制御からより効率の高い位相制御に切り換えられる。切換制御部１３は、電圧振幅制御部１４に出力する制御用データを電流制御用データから位相制御用データに切り換える。電圧振幅制御部１４は、回転数指令と位相制御用データに基づいて、同期モータ２に印加される交流電圧を決定する電圧振幅指令をモータ印加電圧波形生成部２１に出力する。加算器１９は、目標電流位相算出部１５の出力する目標電流位相指令に位相制御用データを加算して補正した目標電流位相指令をモータ印加電圧波形生成部２１に出力する。目標位相差算出部２０は、回転数指令と電流振幅情報検出部１１の検出した相電流の振幅情報に基づいて、同期モータ２の印加電圧と相電流の位相差を決定する目標位相差指令をモータ印加電圧波形生成部２１に出力する。モータ印加電圧波形生成部２１は、電圧振幅指令と、補正された目標電流位相指令と、目標位相差指令とに基づいて、同期モータ２を位相制御するための交流電圧を出力する。同期モータ２は、交流電圧と相電流との位相差を目標位相差に保ちながら、回転数指令に応じて効率的に回転する。（Ｓ１１６）。

これに対し、ステップＳ１１４において、回転数指令が制御切換判定回転数閾値以下のとき、ステップＳ１０４に戻る。

図５に示すように、同期モータ制御装置１は、コンプレッサ３の負荷変動が安定する回転数に達するまで、強制転流による電流制御を行い、それ以降は、効率の高い位相制御に切り換えて同期モータ２を介してコンプレッサ３を制御する。

最後に、具体的効果について説明する。本実施形態によれば、印加電圧を決定する電圧振幅指令が脱調判定電圧閾値以下のとき、脱調判定部１６で、同期モータ２が脱調していると判定し、さらに、同期モータ２への通電を停止させることができる。そのため、電流制御を行っている間でも、回転角度センサを備えていない同期モータ２の脱調状態を確実に検出し、脱調状態によって発生する振動や騒音、さらに、同期モータ２に連結されるコンプレッサ３の損傷を確実に防止することができる。

ところで、同期モータ２に流れる電流が目標電流となるように電流制御をしている場合、同期モータ２に印加する電圧を決定する電圧振幅指令は、目標電流と、同期モータ２の巻線抵抗と、誘起電圧とによって決まる。同期モータ２が脱調した場合、相電流が流れているにも係わらず、同期モータ２は回転しない。そのため、誘起電圧が発生せず、電圧振幅指令が小さくなる。従って、電圧振幅指令が脱調判定電圧閾値以下のとき、同期モータ２が脱調していると判定することができる。

また、本実施形態によれば、同期モータ２の回転数を決定する回転数指令にともなって脱調判定電圧閾値を変化させることで、より確実に脱調を判定することができる。

同期モータ２の誘起電圧の大きさは回転数に伴って変化する。そのため、同期モータ２が脱調した場合、電圧振幅指令も、同期モータ２の回転数指令にともなって変化する。従って、同期モータ２の回転数指令にともなって脱調判定電圧閾値を変化させることで、より確実に脱調を判定することができる。

さらに、本実施形態によれば、同期モータ２の回転数指令が脱調判定回転数閾値以下のとき、同期モータ２の脱調の判定を停止することで、誤判定を防止することができる。

同期モータ２の誘起電圧の大きさは回転数に比例する。同期モータ２の回転数が小さい場合、誘起電圧も小さい。そのため、同期モータ２の脱調前後における電圧振幅指令の変化が小さくなり、脱調を誤判定する恐れがある。従って、同期モータ２の回転数指令が脱調判定回転数閾値以下のとき、同期モータ２の脱調の判定を停止することで、誤判定を防止することができる。

なお、上述した実施形態では、回転数指令が脱調判定回転数閾値以下のとき、同期モータ２の脱調の判定を停止している例を挙げているが、これに限られるものではない。同期モータ２の回転数指令が小さく誘起電圧小さいとき、同期モータ２の脱調の判定を停止すれば誤判定を防止することができる。そのため、同期モータ２が起動してから回転が充分に上昇する所定時間経過するまで、脱調の判定を停止してもよいし、また、同期モータ２のロータを初期位置に固定させている間、脱調の判定を停止してもよい。これにより、上述した実施形態の場合と同様に、脱調の誤判定を防止することができる。

第１実施形態における同期モータ制御装置のブロック図を示す。 同期モータ制御装置の動作に関するフローチャートを示す。 回転数指令に対する電圧振幅指令と脱調判定電圧閾値のグラフを示す。 脱調判定時の相電流と電圧振幅指令の波形を示す。 制御切り換え時の相電流の波形を示す。

符号の説明

１・・・同期モータ制御装置
１０・・・電流センサ
１１・・・電流振幅情報検出部
１２・・・目標電流制御部
１３・・・制御切換部
１４・・・電圧振幅制御部
１５・・・目標電流位相算出部
１６・・・脱調判定部（脱調判定手段）
１７・・・位相誤差情報検出部
１８・・・位相制御部
１９・・・加算部
２０・・・目標位相差算出部
２１・・・モータ印加電圧波形生成部
２２・・・回転数指令算出部
２・・・同期モータ
３・・・コンプレッサ

Claims (6)

1. 回転角度センサを備えていない同期モータに流れる電流が目標電流となるように前記同期モータに印加する印加電圧を制御する同期モータ制御装置において、
   前記印加電圧を決定する印加電圧指令が所定電圧閾値以下のとき、前記同期モータが脱調していると判定する脱調判定手段を有することを特徴とする同期モータ制御装置。
2. 前記所定電圧閾値は、前記同期モータの回転数を決定する回転数指令にともなって変化することを特徴とする請求項１記載の同期モータ制御装置。
3. 前記脱調判定手段は、前記同期モータが脱調していると判定したとき、前記同期モータへの通電を停止させることを特徴とする請求項１又は２記載の同期モータ制御装置。
4. 前記脱調判定手段は、前記回転数指令が所定回転数閾値以下のとき、前記同期モータの脱調の判定を停止することを特徴とする請求項１乃至３記載の同期モータ制御装置。
5. 前記脱調判定手段は、前記同期モータが起動してから所定時間経過するまで、前記同期モータの脱調の判定を停止することを特徴とする請求項１乃至３記載の同期モータ制御装置。
6. 前記脱調判定手段は、前記同期モータに直流電流が通電され回転せず固定された状態にある間、前記同期モータの脱調の判定を停止することを特徴とする請求項１乃至３記載の同期モータ制御装置。

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