JP2010246375A - 電気機械のための制御システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】位置センサと駆動コントローラとを含む電気機械のための制御システム。駆動コントローラは、位置センサによって出力された信号のエッジに応答して電気機械の巻線を励起するための1つ又はそれよりも多くの制御信号を発生させる。制御信号が駆動コントローラによって発生される時間は、電気機械の作動速度範囲にわたって固定された位置センサオフセットにより補正される。
【選択図】図1
Description
電気機械の組立後に、回転子に対する位置センサのアラインメントの公差が存在する。このアラインメントの公差は、回転子の検出位置と実際の位置の間に位相差を生じる。その結果、位相励起及び回転子位置は、完全に同期化されることなく、従って、回転子の電力及び効率は損なわれる。
位置センサオフセットは、電気機械に対する位置センサのアラインメントの公差を補正する。その結果、巻線の励起は、電気機械の回転子の位置とより良く同期し、より強力で効率的な電気機械をもたらす。制御信号は、典型的には、位置センサの各エッジに対する時間に発生される。これらの時間は、次に、位置センサオフセットにより補正される。
作動速度範囲は、最低速度と最高速度の間で延び、最低速度は、最高速度の少なくとも80%である。作動速度範囲は、従って、比較的狭い。その結果、作動範囲の各端における位置センサオフセットと位相差との間の格差は、比較的小さく、従って、比較的良好な性能が全作動範囲にわたって達成される。
駆動コントローラは、位置センサオフセットを格納する不揮発性メモリデバイスを含むことができる。
制御システムは、インバータ及びゲート駆動モジュールを含むことができ、駆動コントローラは、1つ又はそれよりも多くの制御信号を発生させて巻線の励起を制御し、ゲート駆動モジュールは、制御信号に応答してインバータのスイッチを制御する。
好ましくは、電気モータは、単相永久磁石モータである。
第3の態様では、本発明は、電気モータと前段落のいずれか1つに説明した制御システムとを含む真空掃除機を提供する。
好ましくは、真空掃除機のためのピークエアワットは、モータが公称速度で作動する時に起こり、位置センサオフセットは、モータが公称速度で又はその付近で作動する時の信号のエッジと巻線の逆起電力のゼロ交差との間の時間間隔に対応する。従って、制御システムは、真空掃除機のピークエアワットに対して最適化される。
本発明をより容易に理解することができるように、ここで、本発明の実施形態を一例として添付の図面を参照して以下に説明する。
電源2は、DC電圧をアクセサリ4及び運動系5の両方に供給するバッテリパックを含む。電源2は、製品1を異なるバッテリパックで用いることができるように製品1から取外し可能である。本発明の説明の目的に対しては、電源2は、16.4VのDC電源を提供する4セルバッテリパック、又は24.6VのDC電源を提供する6セルバッテリパックのいずれかである。供給電圧の提供に加えて、電源は、バッテリパックの型に独特である識別信号を出力する。ID信号は、バッテリパックの型により異なる周波数を有する方形波信号の形態を取る。本発明の例では、4セルバッテリパックは、25Hz(20msパルス長)の周波数を有するID信号を出力し、一方、6セルバッテリパックは、50Hz(10msパルス長)の周波数を有するID信号を出力する。ID信号は、電源2内の欠陥、例えば、セルの不足電圧又は温度過昇が検出される時まで電源2によって継続して出力される。以下で説明するように、ID信号は、電源2の型を識別して電源2が正しく機能することを定期的に検査するために運動系5によって用いられる。
モータ8は、単相巻線19が巻かれた固定子18に対して回転する2極の永久磁石回転子17を含む。固定子18は、高フィル・ファクタを巻線19に対して達成することを可能にするc字形である。従って、銅損を低減し、それによってモータ8の効率を改善することができる。
フィルタモジュール10は、製品1の電源2をインバータ11にリンクし、かつ平行に配置された1対のコンデンサC1、C2を含む。フィルタモジュール10は、インバータ11にリンクした電圧におけるリップルを低減するように作用する。
電流センサ14は、インバータ11の負側の線上に位置する単一の感知抵抗器R1を含む。電流センサ14にわたる電圧は、従って、電源2に接続した時の巻線19における電流の尺度を提供する。電流センサ14にわたる電圧は、電流コントローラ15に出力される。
電流コントローラ15の入力は、電流センサ14の出力に連結され、電流コントローラ15の出力は、高側ゲートドライバ20、22の各々の入力に連結される。
閾値発生器24は、基準電圧入力、PWMモジュール27、不揮発性メモリデバイス28、及びフィルタ29を含む。PWMモジュール27は、固定周波数と、メモリデバイス28に格納された倍率に従って設定される可変負荷サイクルとを使用する。PWMモジュール27は、基準入力での電圧で作動してパルス電圧信号を提供し、これは、次に、フィルタ29によって滑らかにされてスケーリングされた閾値電圧をもたらす。
表1において上述したように、過電流信号が電流コントローラ15によって出力される時に(すなわち、過電流信号が論理的高の時に)、高側ゲートドライバ20、22は、高側スイッチQ1、Q3を開く。その結果、電流コントローラ15は、巻線19の電流が閾値を超えると、電源2によって供給された励起電圧から巻線19を切断する。「組立後微調整」という名称の節で更に説明するように、倍率によりスケーリングされた電圧閾値を使用することにより、各個々の運動系5は、電流閾値に対する構成要素公差の影響を除去することができるように微調整することができる。
巻線19の電流は、電気半サイクル中に何回も電流コントローラ15によって切断することができる。モータの速度が増大すると、巻線19に誘起された逆起電力は増加する。その結果、過電流イベントの数は、モータ速度と共に減少する。最終的に、モータ8の速度及び従って逆起電力のマグニチュードは、巻線19の電流が各半サイクル中にもはや閾値に到達しないようなものである。
駆動コントローラ16は、プロセッサ30、不揮発性メモリデバイス31、6つの信号入力、及び5つの信号出力を含む。
電圧レベル信号は、電源ラインから導出され、分圧器R2、R3によってスケーリングされ、かつコンデンサC3によって濾過されてスイッチングノイズを除去する。電圧レベル信号は、従って、駆動コントローラ16に電源2によって供給されたリンク電圧の尺度を提供する。電源2の内部抵抗により、リンク電圧は、開回路電圧未満である。6セルバッテリパックに対して、最大開回路電圧は、23.0Vのリンク電圧に対応する24.6Vである。4セルバッテリパックに対して、最大開回路電圧は、14.8Vのリンク電圧に対応する16.4Vである。この上限に加えて、駆動コントローラ16は、リンク電圧が不足電圧閾値よりも下がると作動を停止する。6セルバッテリパックに対して、リンク電圧の不足電圧閾値は、19.0Vの開回路電圧に対応する16.8Vである。4セルバッテリパックに対して、リンク電圧の不足電圧閾値は、12.8Vの開回路電圧に対応する11.2Vである。駆動コントローラ16は、従って、6セルバッテリに対して16.8−23.0V、及び4セルバッテリに対して11.2−14.8Vのリンク電圧範囲にわたって作動する。
駆動コントローラ16は、入力で受け取った信号に応答して制御信号S1−S4を発生させる。以下でより詳細に説明するように、制御信号S1−S4のタイミングは、モータ8が速度のある一定の範囲にわたって一定の出力電力で駆動されるように制御される。更に、一定の出力電力は、電源2のリンク電圧の変化に関係なく維持される。その結果、モータ8は、電源2が放電する時に一定の出力電力で駆動される。
過電流イベントを検出するハードウエアを使用することにより、制御システム9は、比較的迅速に過電流イベントに応答する。これは、巻線19が、過電流イベントの後にできるだけ早くリンク電圧から切断されることを保証するのに重要である。仮にソフトウエアが、代わりに過電流イベントをモニタするのに使用されたとすれば、過電流イベントと過電流信号の発生の間に有意な遅延があり、その時間にわたって巻線19の電流が構成要素損傷又は回転子消磁を生じるレベルまで上昇する場合があるであろう。
ここで、運動系5及び特に駆動コントローラ16の作動を以下に説明する。
電源スイッチ6が閉じている時に、電力は、電源2から駆動コントローラ16に電源投入する運動系5に送出される。電源投入する時に、駆動コントローラ16は、電源ID信号、アクセサリ信号、及び電力モード信号の入力を記録する。これらの3つの信号に基づいて、駆動コントローラ16は、メモリ31に格納されたパワーマップを選択する。以下で説明するように、各パワーマップは、異なる出力電力でモータ8を駆動するための制御値を格納する。表2から分るように、駆動コントローラ16は、5つの異なるパワーマップを格納する。電源2が、4セルバッテリパックである場合(すなわち、電源ID信号の周波数が25Hzである場合)、高電力モードは利用できなくて、電力モード信号は無視される。
パワーマップを選択する時に、駆動コントローラ16は、「再同期化モード」に入る。
駆動コントローラ16は、モータ8の速度を判断し、判断した速度に従って作動のモードを選択する。モータ8の速度は、位置センサ信号の2つのエッジ間の時間間隔、すなわち、パルス幅を測定することによって得られる。駆動コントローラ16が、所定の時間(例えば、26ms)内に2つのエッジを検出することができない場合、モータ8の速度は、1krpmよりも大きくないと見なされ、駆動コントローラ16は、次に、「定常モード」に入る。そうでなければ、駆動コントローラ16は、位置センサ信号の別のエッジが検出されるまで待つ。駆動コントローラ16は、次に、3つのエッジにわたって時間間隔を平均し、モータ速度をより正確に判断する。2つのエッジ間の時間間隔が、1875μsよりも大きい場合、モータ8の速度は、1から16krpmであると判断され、駆動コントローラ16は、次に、「低速加速モード」に入る。時間間隔が、500から1875μsである場合、モータ8の速度は、16から60krpmであると判断され、駆動コントローラ16は、「高速加速モード」に入る。そうではなければ、モータ8の速度は、少なくとも60krpmであると見なされ、駆動コントローラ16は、「実行モード」に入る。表3は、時間間隔、速度、及び作動のモードを詳述している。
駆動コントローラ16は、所定の時間、例えば、26msにわたって巻線19を励起する。この時間中に、駆動コントローラ16は、位置センサ信号のエッジに同期して巻線19を整流する(すなわち、励起の方向を逆にする)。励起のこの初期期間は、回転子17を回転させる必要がある。この所定の時間中に、位置センサ信号の2つのエッジが検出される場合、駆動コントローラ16は、「低速加速モード」に入る。そうでなければ、駆動コントローラ16は、全てのスイッチQ1−Q4を開いて、「開始失敗」エラーをメモリデバイス31に書き込む。
駆動コントローラ16は、位置センサ信号のエッジに同期して巻線19を励起する。同期励起は、モータ8の速度が、連続エッジ間の時間間隔によって判断される16krpmに到達するまで継続され、その後、駆動コントローラ16は、「高速加速モード」に入る。モータ8が所定の時間、例えば、2.5s内に16krpmに到達することができない場合、駆動コントローラ16は、全てのスイッチQ1−Q4を開いて、「速度不足」エラーをメモリデバイス31に書き込む。
高速加速中に、駆動コントローラ16は、巻線19を順次励起してフリーホイールさせる。より詳細には、各電気半サイクルは、巻線19が励起される単一駆動期間と、その後に巻線19がフリーホイールされる単一フリーホイール期間とを含む。駆動期間中に、巻線19の電流は、電流コントローラ15によって切断することができる。その結果、巻線19は、更に、駆動期間内に短い間隔(例えば、100μs)にわたってフリーホイールすることができる。しかし、駆動期間内に起こる全てのフリーホイールは、フリーホイール期間のそれとは明確に異なる。各フリーホイール期間の後に、巻線19は、整流される(すなわち、励起の方向は、逆になる)。
T_DRIVE_OFF=T_HALF_CYCLE−T_ADV−T_FREE
期間T_DRIVE_OFFの後に、駆動コントローラ16は、期間T_FREEにわたって巻線19をフリーホイールさせ、その後、駆動コントローラ16は、巻線19を整流する。正味の結果は、駆動コントローラ16が、先進時間T_ADVだけ位置センサ信号のネクストエッジよりも前に巻線19を励起することである。
モータ8が加速すると、巻線19の逆起電力は増大する。従って、モータ8の巻線19への電流及び従って電力を駆動するのは次第に困難になる。仮に巻線19が位置センサ信号のエッジに同期して、従って、逆起電力のゼロ交差に同期して励起されたとすれば、速度は、それによってもはやそれ以上巻線19に電力を駆動することができないと考えられるところまで到達するであろう。位置センサ信号のエッジよりも前に、従って、逆起電力のゼロ交差よりも前に巻線19を励起することにより、電流は、より早期の段階で巻線19内に駆動される。その結果、より多くの電力が、巻線19内に導入される。
A_ADV=T_ADV*ω/60*360°
ここで、ωは、rpmによるモータの速度である。その結果、モータ8が加速すると、電流は、益々早期の段階で巻線19内に駆動される。その結果、より多くの電力が、巻線19内に導入される。
駆動コントローラ16は、巻線19の逆起電力が低下している時に同時に巻線19をフリーホイールさせる。巻線19の逆起電力が低下すると、より少ないトルクが電流の所定のレベルに対して達成される。従って、この領域内で巻線19をフリーホイールさせることにより、より効率的な運動系5が達成される。更に、巻線19の逆起電力は、励起電圧のそれを超える場合がある。その結果、巻線19の逆起電力が低下すると、仮に励起電圧が、低下した逆起電力のそれを突然超えたとしたら、電流スパイクが起こるであろう。低下した逆起電力の領域内で巻線19をフリーホイールさせることにより、電流スパイクは回避され、より滑らかな電流波形が達成される。
「高速加速モード」におけるように、駆動コントローラ16は、順次巻線19を励起してフリーホイールさせる。各電気半サイクルは、従って、単一駆動期間とその後の単一フリーホイール期間とを継続して含む。更に、巻線19は、位置センサ信号のエッジよりも前に、従って、逆起電力のゼロ交差よりも前に励起される。しかし、固定時間が、先進時間及びフリーホイール時間に対して使用される「高速加速モード」と異なり、駆動コントローラ16は、ここでは、一定の出力電力を達成するように先進時間及びフリーホイール時間を変更する。
駆動コントローラ16は、電気角A_ADVだけ位置センサ信号のエッジよりも前に巻線19を励起し、電気角A_FREEにわたって巻線19をフリーホイールさせる。駆動コントローラ16は、一定の出力電力を達成するために、励起電圧(すなわち、電源2のリンク電圧)及びモータ8の速度の変化に応答して、先進角A_ADV及びフリーホイール角A_FREEの両方を変更する。
T_ADV=(A_ADV/360°)*60/ωnominal
T_FREE=(A_FREE/360°)*60/ωnominal
ここで、ωnominalは、rpmによる公称速度である。表5は、様々なパワーマップに対して作動速度範囲及び公称速度を列挙している。
上述のように、各パワーマップは、モータ8が公称速度で作動する時に、一定の出力電力を達成する先進時間及びフリーホイール時間を格納する。しかし、モータ8の速度が変化すると、巻線19の逆起電力も変化する。その結果、巻線19が励起かつフリーホイールされた角度が固定されたとすれば、モータ8の出力電力は、モータ速度と共に変化するであろう。特に、モータ8の出力電力は、モータ速度が増大すると減少すると考えられる。各作動速度範囲にわたって一定の出力電力を維持するために、駆動コントローラ16は、モータ8の速度の変化に応答して先進角及びフリーホイール角を変更する。
駆動コントローラ16は、「高速加速モード」に関して上述したものと類似の方式で巻線19を駆動する。特に、位置センサ信号のエッジを検出する時に、駆動コントローラ16は、以下の期間T_DRIVE_OFFにわたって巻線19を励起し続ける。
T_DRIVE_OFF=T_HALF_CYCLE−T_ADV−T_FREE
ここでもまた、図6は、巻線電流、位置センサ信号、励起電圧、及び数回の半サイクルにわたる制御信号S1−S4の波形を示している。
先進及びフリーホイール時間、並びに速度補正値を格納するルックアップテーブルの使用は、駆動コントローラ16のプロセッサ30によって実施する計算を非常に簡素化する。その結果、比較的廉価なプロセッサ30を用いて、巻線19を励起してフリーホイールさせる制御信号S1−S4を発生させることができる。
電磁ノイズは、位置センサ13にスプリアスエッジを発生させる場合がある。駆動コントローラ16によって検出されたとすれば、これらのスプリアスエッジは、正しくない時間で駆動コントローラ16に巻線19を励起させるであろう。これは、運動系5の性能に悪影響を及ぼすと考えられるだけでなく、スイッチQ2、Q4に損傷を与えるか又は回転子17を消磁する可能性がある巻線19に過剰な電流を生じさせる場合もある。駆動コントローラ16は、従って、スプリアスエッジを検出する可能性を最小にするような対策を使用する。使用する特定の対策は、作動のモードに依存する。
「高速加速モード」及び「実行モード」で作動する時に、駆動コントローラ16は、位置センサウインドウを使用する。このウインドウの外側に発生する位置センサ信号のあらゆるエッジは、駆動コントローラ16によって無視される。エッジが位置センサウインドウ内に全く検出されない場合、駆動コントローラ16は、所定の時間(例えば、50ms)にわたって全てのスイッチを開き、「再同期化モード」に入る。
T_DRIVE_OFF_1=T_HALF_CYCLE−T_ADV−T_FREE
T_DRIVE_OFF_2=T_DRIVE_OFF_1+T_HALF_CYCLE
駆動コントローラ16は、単一エッジだけに応答して作用するので、駆動コントローラ16は、位置センサ信号の負荷サイクルのあらゆる不均衡に対して感受性が低い。従って、運動系5の性能は、負荷サイクル不均衡によって悪影響を受けない。
運動系5の組立後に、運動系5の性能に悪影響を及ぼす場合がある公差が存在する。その結果、運動系5は、組立後に微調整を受ける。
電流コントローラ15は、巻線19内の電流が閾値を超えないことを保証する。これは、次に、回転子17の消磁を阻止してインバータ11のスイッチQ1−Q4を保護する。しかし、いくつかの構成要素の公差は、電流コントローラ15が過電流信号を発生させる電流レベルに影響を及ぼす。例えば、電流センサ14は、感知抵抗器R1の抵抗の公差を有し、従って、電流コントローラ15の入力に送出された電圧は、分散を有する。更に、電流コントローラ15によって用いる基準電圧の電圧レベルの公差がある。更に、コンパレータ25入力オフセット電圧及び入力漏れ電流の公差がある。要するに、電流閾値上への公差の累積は、±20%にもなる場合がある。この公差は大き過ぎて、モータ8が、回転子17を消磁するか又はインバータ11のスイッチQ1−Q4に損傷を与える可能性なく効率的に実行されることになるという保証ができない。従って、制御システム9の組立後に、電流コントローラ15が微調整され、構成要素公差を切り取って調節される。
T_DRIVE_OFF=T_HALF_CYCLE−T_ADV−T_FREE−T_POS_OFFSET
その結果、巻線19の励起は、回転子17の位置及び従って逆起電力とより良く同期し、より強力で効率的な運動系5をもたらす。
各パワーマップに対する作動速度範囲は、運動系5の全速度範囲に比較して比較的狭い。特に、各パワーマップに対する作動速度範囲(表5の最低速度から最高速度まで)は、全速度範囲(ゼロから最高速度まで)の20%よりも大きくない。その結果、作動範囲の各端における位置センサオフセットと位相差の間の格差は、比較的小さく、従って、固定時間位置センサオフセットを用いて比較的良好な性能が全作動範囲にわたって達成される。
位置センサの位置不良を補正するために位置センサオフセットを使用することにより、比較的小さな、例えば、10mm又はそれよりも小さな直径を有する回転子に対して位置センサ信号のエッジと逆起電力のゼロ交差との間で正確な同期化を達成することができる。従って、高速小型運動系5を達成することができる。
微調整処理は、モータ8のインダクタンス又は逆起電力を測定する必要がないという特定の恩典を有する。更に、運動系5の電力をそれが駆動された時に測定し、次に、相応に補償することにより、微調整処理は、電機子反作用を補償することもできる。
微調整システムは、運動系5の入力電力を測定するが、それに代えて出力電力を測定することもできるであろう。しかし、一般的に、運動系5の入力電力が測定しやすい。
制御システム9は、一定の出力電力だけでなく、比較的高効率(すなわち、出力電力対入力電力の比率)でもモータ8を駆動する。励起電圧及び速度の両方の変化に応答して先進角及びフリーホイール角を制御することにより、少なくとも75%の効率は、励起電圧及びモータ速度の範囲にわたって達成可能である。実際に、表2に挙げたパワーマップに対して、少なくとも80%の効率が達成可能である。例えば、表4に挙げた入力及び出力電力から分るように、約88%の効率は、167Wパワーマップの先進及びフリーホイール角で得ることができる。
「低速加速モード」で作動する時に、巻線19は、巻線19の逆起電力のゼロ交差に同期して励起される。これらの比較的低速において、巻線19の逆起電力は、比較的小さく、巻線19へ電流及び従って電力を駆動する機能に対して影響を与えない。しかし、逆起電力に同期して巻線19を励起することにより、モータ8を起動するのに必要な制御は、比較的簡単に保持することができる。
制御システム9は、従って、最高実行速度まで滑らかに、かつ効率的にモータ8を加速し、次に、一定の出力電力でモータ8を駆動するように作用する異なる作動モードを使用する。
モータ8の作動を制御する制御システム9に対してこれまで参照した。しかし、制御システム9は、発電機又は他の電気機械の作動を制御するのに等しく用いることができると考えられる。
2 電源
3 ユーザインタフェース
4 アクセサリ
5 運動系
Claims (12)
- 電気機械のための制御システムであって、
位置センサと、
前記位置センサによって出力された信号のエッジに応答して電気機械の巻線を励起するための1つ又はそれよりも多くの制御信号を発生させる駆動コントローラと、
を含み、
前記制御信号は、前記電気機械の作動速度範囲にわたって固定された位置センサオフセットにより補正された時間に発生される、
ことを特徴とするシステム。 - 前記位置センサオフセットは、前記電気機械が前記作動速度範囲内の速度で駆動される時の前記信号のエッジと前記巻線の逆起電力のゼロ交差との間の時間間隔に対応することを特徴とする請求項1に記載の制御システム。
- 前記作動速度範囲は、最低速度から最高速度の間で延び、該最低速度は、該最高速度の80%よりも小さくないことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の制御システム。
- 前記作動速度範囲は、60krpmよりも大きい最低速度を有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の制御システム。
- 前記作動速度範囲は、80krpmよりも大きい最高速度を有することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の制御システム。
- 前記駆動コントローラは、前記電気機械が第1の速度範囲にわたって作動する時に前記エッジに同期して制御信号を発生させ、かつ該電気機械が第2の速度範囲にわたって作動する時に該エッジに対する時間にかつ前記位置センサオフセットによって補正された制御信号を発生させることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の制御システム。
- 制御システムが、複数の作動速度範囲の1つの範囲内で前記電気機械を駆動し、前記駆動コントローラは、各オフセットがそれぞれの作動速度範囲に対応する複数の位置センサオフセットを格納し、かつ入力信号に応答して制御システムが、該複数の作動速度範囲の1つの範囲内で該電気機械を駆動し、該駆動コントローラは、該それぞれの位置センサオフセットによって補正された時間に制御信号を発生させることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の制御システム。
- 前記位置センサは、ホール効果センサであることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の制御システム。
- インバータと、
ゲート駆動モジュールと、
を含み、
前記駆動コントローラは、1つ又はそれよりも多くの制御信号を発生させて前記巻線の励起を制御し、前記ゲート駆動モジュールは、該制御信号に応答して前記インバータのスイッチを制御する、
ことを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の制御システム。 - 電気モータと、
請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の制御システムと、
を含むことを特徴とするバッテリ式製品。 - 電気モータと、
請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の制御システムと、
を含むことを特徴とする真空掃除機。 - 前記真空掃除機に対するピークエアワットが、前記モータが公称速度で作動する時に発生し、前記位置センサオフセットは、該モータが該公称速度で又はその付近で作動する時の前記信号のエッジと前記巻線の逆起電力のゼロ交差との間の時間間隔に対応することを特徴とする請求項11に記載の真空掃除機。
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