JP2006211886A - モータ制御装置および車両 - Google Patents

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Abstract

【課題】要求トルクの発生を可能な限り実現しつつ、スイッチング素子の温度上昇を抑えたモータ制御装置および車両を提供する。
【解決手段】制御装置30は、車速とモータM1に要求されるトルクとに応じてスイッチング周波数すなわちキャリア周波数fcを選択する。制御装置30は、温度測定値Tが高くなると、それ以上インバータ14の温度が上昇しないようにインバータに対しトルク制限を行なう。このトルク制限の制限値は、温度およびインバータのキャリア周波数fcに応じて定められる。
【選択図】図1

Description

この発明は、モータ制御装置およびそれを備える車両に関する。
モータをインバータにより駆動するモータドライブ制御技術の広い分野で利用されている。モータを駆動するためのインバータ回路にはIGBT素子、パワーMOS素子などのスイッチング素子が内蔵されている。このようなスイッチング素子は温度が高くなると破壊されてしまうので、インバータの温度が上昇したときにはトルク制限を行なうのが普通である。
特開平9−121595号公報(特許文献1)にはインバータ回路のスイッチング素子の温度が高くなってもトルク低下をさせることなく温度保護を図ることができる電力変換器の温度保護機構が開示されている。
この技術では、スイッチング素子の検出温度が上昇すると、まず、トルク制限を行なわないで高周波のキャリア周波数から低周波のキャリア周波数に切換えて制御し、これでもなお温度が上昇するときにはトルク制限値を小さくして制御を行なう。
特開平9−121595号公報 特開平7−322401号公報
近年、環境に配慮した自動車として、電気自動車、ハイブリッド自動車および燃料電池車などが大きな注目を集めている。このような車両は、直流電源とインバータとによって駆動されるモータを搭載し、このモータによって車両の推進トルクを発生させる。
コストや車載スペース等の要件から、このモータを駆動するインバータは小型化し、熱容量も小さくなる傾向にある。このため、熱集中により温度上昇が急激に発生しやすいようになっている。特にスイッチング回数の多い高キャリア周波数での温度上昇が顕著となっている。
一方、モータ回転数と要求トルクとによってスイッチング周波数のもとになるキャリア周波数fcが定められている。
図5は、キャリア周波数について説明するための概念図である。
図5を参照して、運転条件Aの場合には、キャリア周波数fc=1.25kHzであり、このキャリア周波数に基づいてオン/オフ波形はPWM制御されて電流ICOILが流れる。
これに対し運転条件Bの場合には電流ICOILの周波数が運転条件Aの場合よりも高くなっている。したがってスムーズにこの電流を流すために、キャリア周波数fcを2.5kHzに増やしてこのキャリア周波数に基づいてPWM制御をしてスイッチング素子のオン/オフをさせる必要がある。
トルク制限を加える代わりにこのキャリア周波数を低くすればスイッチング回数が減るためスイッチング損失を少なくできる分だけ温度上昇を抑えることができるが、これでは、モータをスムーズに回転させる制御に破綻をきたす恐れがあり、モータの振動が増加してしまう。
図6は、キャリア周波数と温度上昇について説明するための図である。
図6を参照して、初期の温度が65℃であった場合にキャリア周波数fc=1.25kHzの場合とfc=2.5kHzの場合はこのまま運転を続けても温度はスイッチング素子の破壊を招く温度である110℃までは上昇しないのでこのまま運転を続けることができる。
一方、キャリア周波数fc=5kHzの場合には、スイッチング周波数が高い分スイッチング損失が大きくこれが熱に変わるので初期に同じ65℃であっても時刻t1後には110℃を超えてしまう恐れがある。したがって、キャリア周波数が高い場合には何らかの措置を講じないとデバイスが破壊してしまう。
この発明の目的は、要求トルクの発生を可能な限り実現しつつ、スイッチング素子の温度上昇を抑えたモータ制御装置および車両を提供することである。
この発明は、要約すると、モータ制御装置であって、車両の推進力を得るためのトルクを発生させるモータを駆動する駆動回路と、駆動回路を制御する制御部とを備える。制御部は、駆動回路に含まれるスイッチング素子のスイッチング周波数に応じた制限値を用いてスイッチング素子の温度に応じた制限運転を駆動回路に行なわせる。
好ましくは、制御部は、モータ回転数とモータに要求されるトルクとに応じてスイッチング周波数を選択して駆動回路を制御する。
好ましくは、制限値は、トルク制限値に基づいて定められ、トルク制限値は、スイッチング周波数に対応するスイッチング素子の温度ごとに予め定められる。
好ましくは、制御値は、モータ回転数が所定数増加してもスイッチング周波数が増加しない場合は、現在のスイッチング周波数に対応してスイッチング素子の温度ごとに予め定められたトルク制限値に基づいて定められ、モータ回転数が所定数増加するとスイッチング周波数が増加する場合は、増加後のスイッチング周波数に対応してスイッチング素子の温度ごとに予め定められたトルク制限値に基づいて定められる。
この発明の他の局面に従うと、車両であって推進力を得るためのトルクを発生させるモータと、モータを制御するモータ制御装置とを備える。モータ制御装置は、モータを駆動する駆動回路と、駆動回路を制御する制御部とを含む。制御部は、駆動回路に含まれるスイッチング素子のスイッチング周波数に応じた制限値を用いてスイッチング素子の温度に応じた制限運転を駆動回路に行なわせる。
好ましくは、制御部は、モータ回転数とモータに要求されるトルクとに応じてスイッチング周波数を選択して駆動回路を制御する。
好ましくは、制限値は、トルク制限値に基づいて定められ、トルク制限値は、スイッチング周波数に対応するスイッチング素子の温度ごとに予め定められる。
好ましくは、制御値は、モータ回転数が所定数増加してもスイッチング周波数が増加しない場合は、現在のスイッチング周波数に対応してスイッチング素子の温度ごとに予め定められたトルク制限値に基づいて定められ、モータ回転数が所定数増加するとスイッチング周波数が増加する場合は、増加後のスイッチング周波数に対応してスイッチング素子の温度ごとに予め定められたトルク制限値に基づいて定められる。
本発明によれば、可能な限り要求トルクを発生しつつかつインバータ素子の保護を図ることができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部品には同一の符号を付してその説明は繰返さない。
図1は、本発明のモータ制御装置を搭載する車両100の構成を示した回路図である。
図1を参照して、車両100は、バッテリBと、電圧センサ10と、システムメインリレーSR1,SR2と、コンデンサC1と、電圧変換部20と、インバータ14と、温度センサ35と、電流センサ24と、制御装置30とを備える。
バッテリBは、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池である。電圧センサ10は、バッテリBから出力される直流電圧値VBを検出し、検出した直流電圧値VBを制御装置30へ出力する。システムメインリレーSR1,SR2は、制御装置30からの信号SEによりオン/オフされる。より具体的には、システムメインリレーSR1,SR2は、H(論理ハイ)レベルの信号SEによりオンされ、L(論理ロー)レベルの信号SEによりオフされる。コンデンサC1は、システムメインリレーSR1,SR2オン時において、バッテリBの端子間電圧を平滑化する。
電圧変換部20は、電圧センサ21と、電流センサ11と、昇圧コンバータ12と、コンデンサC2と、電圧センサ13とを含む。
電流センサ11は、バッテリBと昇圧コンバータ12との間に流れる直流電流を検出し、その検出した電流を直流電流値IBとして制御装置30へ出力する。
昇圧コンバータ12は、一方端がシステムメインリレーSR1を介してバッテリBの正極と接続されるリアクトルL1と、電圧VHを出力する昇圧コンバータ12の出力端子間に直列に接続されるIGBT素子Q1,Q2と、IGBT素子Q1,Q2にそれぞれ並列に接続されるダイオードD1,D2とを含む。
リアクトルL1の他方端はIGBT素子Q1のエミッタおよびIGBT素子Q2のコレクタに接続される。ダイオードD1のカソードはIGBT素子Q1のコレクタと接続され、ダイオードD1のアノードはIGBT素子Q1のエミッタと接続される。ダイオードD2のカソードはIGBT素子Q2のコレクタと接続され、ダイオードD2のアノードはIGBT素子Q2のエミッタと接続される。
電圧センサ21は昇圧コンバータ12の入力側の電圧を電圧値VLとして検知する。電流センサ11はリアクトルL1に流れる電流を電流値IBとして検知する。コンデンサC2は昇圧コンバータ12の出力側に接続され昇圧コンバータ12から送られたエネルギを蓄積するとともに、電圧の平滑化を行なう。電圧センサ13は、昇圧コンバータ12の出力側の電圧すなわちコンデンサC2の電極間の電圧を電圧値VHとして検知する。
インバータ14は、昇圧コンバータ12から昇圧電位を受けて交流モータM1を駆動する。また、インバータ14は、回生制動に伴い交流モータM1において発電された電力を昇圧コンバータ12に戻す。このとき昇圧コンバータ12は、降圧回路として動作するように制御装置30によって制御される。
交流モータM1は、車両100の図示しない駆動輪を駆動するためのトルクを発生するためのモータである。このモータは、たとえば、エンジンによって駆動される発電機の機能を持ち、かつ、エンジンに対して電動機として動作しエンジンの始動を行ない得るようなものとしてハイブリッド自動車に組込まれるものであってもよい。
インバータ14は、U相アーム15と、V相アーム16と、W相アーム17とを含む。U相アーム15、V相アーム16、およびW相アーム17は、昇圧コンバータ12の出力ライン間に並列に接続される。
U相アーム15は、直列接続されたIGBT素子Q3,Q4と、IGBT素子Q3,Q4とそれぞれ並列に接続されるダイオードD3,D4とを含む。ダイオードD3のカソードはIGBT素子Q3のコレクタと接続され、ダイオードD3のアノードはIGBT素子Q3のエミッタと接続される。ダイオードD4のカソードはIGBT素子Q4のコレクタと接続され、ダイオードD4のアノードはIGBT素子Q4のエミッタと接続される。
V相アーム16は、直列接続されたIGBT素子Q5,Q6と、IGBT素子Q5,Q6とそれぞれ並列に接続されるダイオードD5,D6とを含む。ダイオードD5のカソードはIGBT素子Q5のコレクタと接続され、ダイオードD5のアノードはIGBT素子Q5のエミッタと接続される。ダイオードD6のカソードはIGBT素子Q6のコレクタと接続され、ダイオードD6のアノードはIGBT素子Q6のエミッタと接続される。
W相アーム17は、直列接続されたIGBT素子Q7,Q8と、IGBT素子Q7,Q8とそれぞれ並列に接続されるダイオードD7,D8とを含む。ダイオードD7のカソードはIGBT素子Q7のコレクタと接続され、ダイオードD7のアノードはIGBT素子Q7のエミッタと接続される。ダイオードD8のカソードはIGBT素子Q8のコレクタと接続され、ダイオードD8のアノードはIGBT素子Q8のエミッタと接続される。
各相アームの中間点は、交流モータM1の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、交流モータM1は、三相の永久磁石モータであり、U,V,W相の3つのコイルは各々一方端が中点に共に接続されている。そして、U相コイルの他方端がIGBT素子Q3,Q4の接続ノードに接続される。またV相コイルの他方端がIGBT素子Q5,Q6の接続ノードに接続される。またW相コイルの他方端がIGBT素子Q7,Q8の接続ノードに接続される。
電流センサ24は、交流モータM1に流れる電流をモータ電流値MCRT1として検出し、モータ電流値MCRT1を制御装置30へ出力する。
温度センサ35は、インバータ14の温度を検知して温度測定値Tを出力する。
制御装置30は、トルク指令値TR1、モータ回転数MRN1、電圧値VB,VL,VH、電流値IB、モータ電流値MCRT1および温度測定値Tを受ける。そして制御装置30は、電圧変換部20に対して昇圧指示PWUおよび降圧指示PWDを出力する。さらに、制御装置30は、インバータ14に対して、昇圧コンバータ12の出力である直流電圧をモータM1を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示PWMI1とモータM1で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータ12側に戻す回生指示PWMC1とを出力する。
次に、電圧変換部20の動作について簡単に説明する。電圧変換部20中の昇圧コンバータ12は、力行運転時にはバッテリBからの電力をインバータ14に供給する順方向変換回路としての昇圧回路として動作する。逆に、回生運転時には、昇圧コンバータ12は、バッテリBにモータM1で発電された電力を回生する逆方向変換回路としての降圧回路としても動作する。
昇圧コンバータ12は、IGBT素子Q1をオフにした状態で、IGBT素子Q2のオンとオフとを行なうことにより、昇圧回路として動作する。すなわち、IGBT素子Q2がオンの状態においては、バッテリBの正極からリアクトルL1、IGBT素子Q2を経由してバッテリBの負極に電流が流れる経路が形成される。この電流が流れている間に、リアクトルL1にエネルギが蓄積される。
そして、IGBT素子Q2をオフ状態にすると、リアクトルL1に蓄積されたエネルギはダイオードD1を介してインバータ14側に流れる。これによりコンデンサC2の電極間の電圧が増大する。したがって、インバータ14に与えられる昇圧コンバータ12の出力電圧は昇圧される。
一方、昇圧コンバータ12は、IGBT素子Q2をオフにした状態で、IGBT素子Q1のオンとオフとを行なうことにより降圧回路として動作する。すなわち、IGBT素子Q1がオンの状態においては、インバータ14から回生される電流は、IGBT素子Q1、リアクトル、バッテリBへと流れる。
また、IGBT素子Q1がオフの状態においては、リアクトルL1、バッテリBおよびダイオードD2からなるループが形成され、リアクトルL1に蓄積されたエネルギがバッテリBに回生される。この逆方向変換においては、インバータ14が電力を供給する時間よりも、バッテリBが電力を受ける時間の方が長くなり、インバータ14における電圧は降圧されてバッテリBに回生される。電圧変換部20の動作は、以上の力行動作と回生動作とを適切に制御することで行なわれる。
なお、回生制御には、ハイブリッド自動車または電気自動車を運転するドライバによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴う制動が含まれる。また、フットブレーキを操作しない場合であっても、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車両を減速させたりまたは加速を中止させたりするときが含まれる。
制御装置30は、モータ回転数とモータM1に要求されるトルクとに応じてスイッチング周波数すなわちキャリア周波数fcを選択してインバータ14を制御する。
インバータ14は、車両の推進力を得るためのトルクを発生させるモータM1を駆動する。制御装置30は、インバータ14に含まれるスイッチング素子であるIGBT素子Q3〜Q8のスイッチング周波数であるキャリア周波数fcに応じた制限値を用いてスイッチング素子の温度Tに応じた制限運転をインバータ14に行なわせる。
制御装置30は、温度測定値Tが高くなると、それ以上インバータ14の温度が上昇しないようにインバータに対しトルク制限を行なう。このトルク制限の制限値は、温度およびインバータのキャリア周波数fcに応じて定められる。
図2は、図1における制御装置30の制御を説明するためのフローチャートである。
図2を参照して、まずステップS1において制御装置30は温度センサ35が検出したインバータ14の温度測定値Tを読込む。
続いてステップS2において、制御装置30は現在のキャリア周波数fcの読取を行なう。
図3は、キャリア周波数fcについて説明するための図である。
図3を参照して、モータM1の回転数Nが横軸に示され、モータM1の要求トルクが縦軸に示されている。そして、回転数が境界線W1以下の領域(A点が含まれる領域)においては、キャリア周波数fcは1.25kHzに設定される。
また、境界線W1と境界線W2の間の領域(点Bが含まれる領域)ではキャリア周波数fcは2.5kHzに設定される。境界線W2と境界線W3に挟まれる領域(点Cが含まれる領域)ではキャリア周波数fcは5kHzに設定される。
インバータ14を制御してモータM1を回転させているのは制御装置30であり、この制御装置30は図3に示されたマップに基づいてキャリア周波数を決定している。したがって図2のステップS2においては制御装置30が自ら決定したキャリア周波数fcを使用する。
続いてステップS3においてキャリア周波数fcが1.25kHzであるか否かが判断される。キャリア周波数fc=1.25kHzである場合にはステップS4に処理が進み、異なるキャリア周波数である場合にはステップS5に処理が進む。
ステップS4ではキャリア周波数fc=1.25kHzのトルク制限マップの読取が行なわれる。そして処理はステップS9に進む。
ステップS5においてはキャリア周波数fcが2.5kHzであるか否かが判断される。fc=2.5kHzである場合にはステップS6に処理が進み、キャリア周波数が2.5kHzでない場合にはステップS7に処理が進む。
ステップS6においてはfc=2.5kHzのトルク制限マップの読取が行なわれる。ステップS6が終了すると処理はステップS9に進む。
ステップS7においては、キャリア周波数fc=5kHzであるか否かが判断される。fc=5kHzである場合にはステップS8に処理が進む。
一方、キャリア周波数fc=5kHzが成立しない場合であっても、キャリア周波数が5kHzのトルク制限マップが一番制限の厳しいマップであるので、やはりステップS8に進む。したがって、ステップS7の判断を行なわないで直接ステップS8に処理が進むようにフローチャートを変形しても良い。
ステップS8においてはfc=5kHzのトルク制限マップの読取が行なわれ処理はステップS9に進む。ステップS9では、制御装置30は、決定したトルク制限値で制限をかけつつインバータ14を制御してモータを回転させる。
そして処理はステップS9からS10に進み処理が終了する。
図4は、図2のステップS4,S6,S8で用いられるトルク制限マップについて説明するための図である。
図4を参照して、横軸が図1の温度センサ35が測定するインバータ温度であり縦軸はモータM1の駆動の条件となるトルク制限値である。
図4に示されるように、トルク制限値は、キャリア周波数fcに対応するスイッチング素子の温度ごとに予め定められている。
まずキャリア周波数fc=1.25kHzの場合には、実際の運転中にはトルク制限は行なわれず、すべての温度範囲において100%の所定のトルクがリミット値として選択されている。
キャリア周波数fc=2.5kHzの場合には、インバータ温度がT2以上となると温度が高くなるにつれより多くのトルク制限が課され、制限値としては小さな値になっていく。
またキャリア周波数fcが5kHzの場合にはインバータ温度は温度T2よりさらに低いT1より上昇すると温度が上昇するにつれトルク制限値が小さな値に制限されてしまう。
たとえば図6において初期の温度が65℃であった場合にキャリア周波数fc=1.25kHzの場合とfc=2.5kHzの場合はこのまま運転を続けても温度はスイッチング素子の破壊を招く温度である110℃までは上昇しないのでこのまま運転することができる。
一方、キャリア周波数fc=5kHzの場合には、スイッチング周波数が高い分スイッチング損失が大きくこれが熱に変わるので初期に同じ65℃であっても時刻t1後には110℃を超えてしまう恐れがある。このため図4においてインバータ温度が65℃の場合にはキャリア周波数fc=5kHzの場合のみトルク制限値が小さく設定される。逆に言えば65℃の場合にはキャリア周波数が低い状態で運転を行なっているときには要求トルクがトルク制限値に制限されないで走行することができる。
したがって可能な限り要求トルクを発生しつつかつインバータ素子の保護を図ることができる。
なお、次のように制限値の適用法を変形すればインバータの温度上昇をさらに抑えることが可能となる。
まず、モータ回転数が所定数増加してもキャリア周波数fcが増加しない運転領域では、現在のキャリア周波数fcに対応してスイッチング素子の温度ごとに予め定められたトルク制限値に基づいて制限運転が行なわれる。この運転領域はたとえば図3でいえば境界線W1とW2Aとの間の領域である。この領域では、現在のキャリア周波数fc=2.5kHzに基づいて図4のトルク制限値が選択されて制限運転が行なわれる。
そして、モータ回転数が所定数増加するとキャリア周波数fcが増加する運転領域では、増加後のキャリア周波数に対応してスイッチング素子の温度ごとに予め定められたトルク制限値に基づいて制限運転が行なわれるようにしても良い。この運転領域はたとえば図3でいえば境界線W2AとW2との間の領域である。この領域では、現在のキャリア周波数fc=2.5kHzではなく、増加後のキャリア周波数fc=5kHzに基づいて図4のトルク制限値が選択されて制限運転が行なわれる。
すなわち、一定時間後にキャリア周波数が増加する可能性のある運転領域では、増加したキャリア周波数に対応する制限値を適用する。なお、さらにモータ回転数の増減の観測を行なってキャリア周波数の予測を行ないキャリア周波数が増加しそうであれば、先んじて変更後のキャリア周波数に対応する制限値を適用して制限運転を行なうようにしても良い。この場合は、キャリア周波数が減少する方向であればそのまま現在のキャリア周波数に対応する制限値を適用するように制限値の適用にヒステリシスを持たせても良い。
また、本実施の形態においては、キャリア周波数の設定はモータ回転数に基づくものとしたが、車速に基づいてキャリア周波数を設定しても良い。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明のモータ制御装置を搭載する車両100の構成を示した回路図である。 図1における制御装置30の制御を説明するためのフローチャートである。 キャリア周波数fcについて説明するための図である。 図2のステップS4,S6,S8で用いられるトルク制限マップについて説明するための図である。 キャリア周波数について説明するための概念図である。 キャリア周波数と温度上昇について説明するための図である。
符号の説明
10,13,21 電圧センサ、11,24 電流センサ、12 昇圧コンバータ、14 インバータ、15 U相アーム、16 V相アーム、17 W相アーム、20 電圧変換部、30 制御装置、35 温度センサ、100 車両、B バッテリ、C1,C2 コンデンサ、D1〜D8 ダイオード、L1 リアクトル、M1 モータ、Q1〜Q8 IGBT素子、SR1,SR2 システムメインリレー。

Claims (8)

  1. 車両の推進力を得るためのトルクを発生させるモータを駆動する駆動回路と、
    前記駆動回路を制御する制御部とを備え、
    前記制御部は、前記駆動回路に含まれるスイッチング素子のスイッチング周波数に応じた制限値を用いて前記スイッチング素子の温度に応じた制限運転を前記駆動回路に行なわせる、モータ制御装置。
  2. 前記制御部は、モータ回転数と前記モータに要求されるトルクとに応じて前記スイッチング周波数を選択して前記駆動回路を制御する、請求項1に記載のモータ制御装置。
  3. 前記制限値は、トルク制限値に基づいて定められ、
    前記トルク制限値は、前記スイッチング周波数に対応する前記スイッチング素子の温度ごとに予め定められる、請求項1に記載のモータ制御装置。
  4. 前記制御値は、モータ回転数が所定数増加しても前記スイッチング周波数が増加しない場合は、現在の前記スイッチング周波数に対応して前記スイッチング素子の温度ごとに予め定められたトルク制限値に基づいて定められ、モータ回転数が所定数増加すると前記スイッチング周波数が増加する場合は、増加後の前記スイッチング周波数に対応して前記スイッチング素子の温度ごとに予め定められたトルク制限値に基づいて定められる、請求項1に記載のモータ制御装置。
  5. 車両の推進力を得るためのトルクを発生させるモータと、
    前記モータを制御するモータ制御装置とを備え、
    前記モータ制御装置は、
    前記モータを駆動する駆動回路と、
    前記駆動回路を制御する制御部とを含み、
    前記制御部は、前記駆動回路に含まれるスイッチング素子のスイッチング周波数に応じた制限値を用いて前記スイッチング素子の温度に応じた制限運転を前記駆動回路に行なわせる、車両。
  6. 前記制御部は、モータ回転数と前記モータに要求されるトルクとに応じて前記スイッチング周波数を選択して前記駆動回路を制御する、請求項5に記載の車両。
  7. 前記制限値は、トルク制限値に基づいて定められ、
    前記トルク制限値は、前記スイッチング周波数に対応する前記スイッチング素子の温度ごとに予め定められる、請求項5に記載の車両。
  8. 前記制御値は、モータ回転数が所定数増加しても前記スイッチング周波数が増加しない場合は、現在の前記スイッチング周波数に対応して前記スイッチング素子の温度ごとに予め定められたトルク制限値に基づいて定められ、モータ回転数が所定数増加すると前記スイッチング周波数が増加する場合は、増加後の前記スイッチング周波数に対応して前記スイッチング素子の温度ごとに予め定められたトルク制限値に基づいて定められる、請求項5に記載の車両。
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