JP2012029523A - 電動アクチュエータ駆動装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】過電流対策を適切に施した電動アクチュエータ駆動装置を提供する。
【解決手段】電動アクチュエータ駆動装置は、外部から入力した駆動電流指令Ifに基づいて電動アクチュエータたるリニアアクチュエータ2を駆動する装置であり、駆動電流指令Ifの電流指令値I3が予め定めた電流上限値α1を超過している場合に電流超過信号S3を出力する電流超過検出手段3と、電流超過信号S3が電流超過検出手段3から出力されている間、駆動電流指令Ifを制限する方向に修正する制限手段4とを有している。制限手段4は、一回あたりの駆動電流指令Ifの修正を予め定めた範囲内に留めて駆動電流指令Ifの修正を複数回繰り返すように構成されている。
【選択図】図2
【解決手段】電動アクチュエータ駆動装置は、外部から入力した駆動電流指令Ifに基づいて電動アクチュエータたるリニアアクチュエータ2を駆動する装置であり、駆動電流指令Ifの電流指令値I3が予め定めた電流上限値α1を超過している場合に電流超過信号S3を出力する電流超過検出手段3と、電流超過信号S3が電流超過検出手段3から出力されている間、駆動電流指令Ifを制限する方向に修正する制限手段4とを有している。制限手段4は、一回あたりの駆動電流指令Ifの修正を予め定めた範囲内に留めて駆動電流指令Ifの修正を複数回繰り返すように構成されている。
【選択図】図2
Description
本発明は、過電流対策を適切に施した電動アクチュエータ駆動装置に関するものである。
電動アクチュエータ駆動装置は、外部から駆動電流指令を入力し、入力した駆動電流指令に対応する信号を生成して電動アクチュエータに入力することにより電動アクチュエータを電気的に駆動するドライバとも呼ばれる装置である。レシプロモータ等のリニアアクチュエータを電気的に駆動する際には、可動子の固定子への衝突、コントローラ電流上限値以上の電流が流れることによるコントローラの破損等が発生する可能性がある。可動子の固定子への衝突は騒音、異常振動の発生、寿命劣化につながり、コントローラの破損はデバイスの焼損につながるので、いかなる駆動電流指令が外部から入力されようとも何れも未然に防止しなければならない。
このような対策として、駆動電流指令を不具合発生前に制限(クランプ)し、異常処理を行う手法が有効な手立てとして考えられている。
例えば、特許文献1の図20には、予め制限(クランプ)を加えた駆動電流指令を生成し、生成した駆動電流指令を電動アクチュエータ駆動装置に入力するように構成した制振装置が開示されている。具体的には、エンジン回転数等を入力して、加振部たるリニアアクチュエータに発生させるべき振動の振幅指令値と周波数指令値とを演算により求めて出力する指令値生成部と、前記指令値生成部から出力される振幅指令値と周波数指令値とから決まる印加可能な電流値の上限が周波数毎に定義された振幅上限クランプテーブルと、印加電流生成部とを備えている。印加電流生成部は、前記振幅指令値と前記周波数指令値とを入力し、振幅上限クランプテーブルを参照して、入力した振幅指令値を適切な(可動)範囲に制限するための補正を行い、入力された周波数指令と、この補正(制限)後の振幅指令値とに基づいて、レシプロモータを用いた加振部に対して印加すべき電流の指令値(駆動電流指令)を求めて出力するものである。そして、リニアアクチュエータの可動子を常に適切な可動範囲内で駆動することで、ストッパへの衝突を避けて衝突音の発生を抑制でき、コントローラ電流上限値以上の電流が流れることによるコントローラの破損等を防止することができるものとなっている。
ところが、電動アクチュエータ駆動装置が、駆動電流指令を生成する指令生成部と独立して構成され、駆動電流指令を外部から入力する場合は、特許文献1に示すように駆動電流指令の生成時に制限を加えることができないので、入力後の駆動電流指令に対してクランプ処理を施す必要がある。この場合、駆動電流指令を制限(クランプ)するにあたり、特許文献1に示されるように、単に上限を超える超過電流を即座にカット(頭切り)する一般的なクランプ制御によって行うと、クランプ時に電流指令に高調波が発生し、加振部の異常振動を励起してしまう。
さらに、特許文献1を始めとして、従来の電動アクチュエータ駆動装置には、リニアアクチュエータに多大な外力が加わった場合や、高周波領域において電圧飽和が発生した場合の保護がなされておらず、制御破綻をきたすおそれがある。
本発明は、これらの課題を有効に解決した電動アクチュエータ駆動装置を提供することを目的としている。
本発明は、かかる目的を達成するために、次のような手段を講じたものである。
すなわち、本発明の電動アクチュエータ駆動装置は、外部から入力した駆動電流指令に基づいて電動アクチュエータを駆動する装置であって、前記駆動電流指令の電流指令値が予め定めた電流上限値を超過している場合に電流超過信号を出力する電流超過検出手段と、前記電流超過信号が前記電流超過検出手段から出力されている間、前記駆動電流指令を制限する方向に修正する制限手段とを具備してなり、前記制限手段は、一回のあたりの前記駆動電流指令の修正を予め定めた範囲内に留めて前記駆動電流指令の修正を複数回繰り返すように構成されていることを特徴とする。
予め定めた範囲とは、駆動電流指令の大幅な変動を抑える趣旨である。
このように構成すると、駆動電流指令が電流上限値を超過し電流超過信号が出力されている場合に、即座に駆動電流指令の超過分をカットするのではなく、予め定められた範囲内で駆動電流指令を制限する修正を複数回繰り返し、駆動電流指令を漸減させるので、いかなる駆動電流指令が外部から入力されたとしても高調波の発生を回避しながらコントローラの破損等を有効に防止することができ、装置の信頼性や耐久性だけではなく電動アクチュエータの制御精度を有効に向上させることができる。
また、上記構成において、電圧異常に起因して制御が破綻することを有効に防止するためには、電動アクチュエータへの駆動電流指令の入力ラインに現れる電圧指令値を検出して電圧指令値が予め設定された電動アクチュエータに許容される電圧指令の上限しきい値を超過した場合に電圧指令超過信号を出力する電圧指令超過検出手段を更に具備し、制限手段は、電圧指令超過信号が電圧指令超過検出手段から出力されている場合にも、一回あたりの駆動電流指令の修正を予め定めた範囲内に留めて駆動電流指令の修正を複数回繰り返すように構成しておくことが有効である。
本発明は、以上説明したように、駆動電流指令の超過を検出し、当該駆動電流指令を漸減させるので、高調波の発生を回避しながらコントローラの破損等を有効に防止して、駆動装置としての信頼性と耐久性を有効に向上させることができるという優れた効果を奏する。
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
この実施形態の電動アクチュエータ駆動装置は、図1に示すように、電動アクチュエータの一種であるリニアアクチュエータ2の駆動を指令する駆動電流指令Ifを外部から入力し、入力した駆動電流指令Ifに対応する制御信号ssを生成してリニアアクチュエータ2に入力することによりリニアアクチュエータ2を駆動するドライバ1を有している。本実施形態では、リニアアクチュエータ2をベースbsに取り付けて所定の質量を有する補助質量20を振動させることによりベースbsに振動を発生させる加振手段を構成している。
リニアアクチュエータ2は、図1に示すように、永久磁石を備える固定子22を取付対象物たるベースbsに固定し、往復動(図1に示す矢印方向)を可動子23に行わせるようにしたレシプロタイプのものである。ここでは、ベースbsに発生させる振動の方向と可動子23の往復動方向(推力方向)とが一致するように、リニアアクチュエータ2がベースbsに固定される。可動子23は補助質量20とともに軸25に取り付けられ、この軸25は可動子23及び補助質量21を推力方向に移動可能なように板バネ24を介して固定子22に支持されている。リニアアクチュエータ2と補助質量20によって、動吸振器が構成されていることになる。
リニアアクチュエータ2を構成するコイル(図示せず)に交流電流(正弦波電流、矩形波電流)を流した場合、コイルに所定方向の電流が流れる状態では、磁束が、永久磁石においてS極からN極に導かれることにより、磁束ループが形成される。その結果、可動子23は、重力に逆らう方向(上方向)に移動する。一方、コイルに対して所定方向とは逆方向の電流を流すと、可動子23は、重力方向(下方向)に移動する。可動子23は、交流電流によるコイルへの電流の流れの方向が交互に変化することにより以上の動作を繰り返し、固定子22に対して軸25の軸方向に往復動することになる。これにより、軸25に接合されている補助質量21が上下方向に振動することになる。このリニアアクチュエータ2それ自体のより具体的な構造や動作説明は特許文献1等にも開示されているように公知であるため、詳細は省略する。可動子23は図示しないストッパによって動作範囲が規制されている。リニアアクチュエータ2と補助質量20とによって構成される動吸振器は、ドライバ1を構成するアンプから出力される制御信号ssに基づいて、補助質量20の加速度を制御して制振力を調節することにより、ベースbsに所望の振動を発生させる加振手段を実現している。
ドライバ1は、図2に示すように、入力した駆動電流指令Ifに基づきリニアアクチュエータ2を駆動するための制御信号ssを生成するコントローラ10を主体とするもので、コントローラ10それ自体のより具体的な構造や動作説明は特許文献1等にも開示されているように公知であるため、詳細は省略する。このコントローラ10は、駆動電流指令Ifをリニアアクチュエータ2への入力に適した制御信号ssに変換するにあたり、入力可能な最大電流値を有する。この最大電流値を超える過大な駆動電流指令Ifがコントローラ10に突入すると、コントローラ10の破損等が発生する可能性があるため、コントローラ10に入力される駆動電流指令Ifを制限する必要がある。また、この駆動電流指令Ifを制限するにあたり、単にフィルタ等により駆動電流指令Ifをカット(頭切り)することで電流をクランプしたのでは、高調波が発生して、リニアアクチュエータ2の異常動作等の不具合を引き起こす。
そこで、図2に示すように、コントローラ10に突入する駆動電流指令Ifの電流指令値I3(振幅)が予め所定の基準に基づき設定した電流上限値α1を超過している場合に電流超過信号S3を生成して出力する電流超過検出手段3と、電流超過信号S3が電流超過検出手段3から出力されている間、駆動電流指令Ifを制限する方向に修正する制限手段4とを設けている。
制限手段4は、電流絞り込み係数生成ブロック40を主体とするもので、電流絞り込み係数生成ブロック40は、電流超過検出手段3から電流超過信号S3が出力されて電流絞り込み係数生成ブロック40に入力されているか否かによって1か0のフラグを立てるフラグ設定部40aを有し、電流超過信号S3が入力されているとき(フラグ1のとき)は一定の時間おきの演算タイミング毎に減算係数設定部ともいう抜き係数設定部40bに予め設定した抜き係数zzを前回値Z−1から減算し、電流超過信号S3が入力されていないとき(フラグ0のとき)は演算タイミング毎に抜き係数設定部40bに予め設定した抜き係数zzを前回値Z−1に加算する形で、電流絞り込み係数Inを例えば0から1までの間で変化させる。そして、この電流絞り込み係数Inを乗算器41において外部から入力した駆動電流指令Ifに乗算して駆動電流指令Ifの制限及びその制限の解除を行う。抜き係数zzは一回の演算で絞り込む量を小さくするためのもので、例えば0.1等に設定される。抜き係数zzの絞り込み量を小さく設定しているのは、大きくしすぎると、一回の絞り込み動作で駆動電流指令Ifの値が急変し、出力に高調波が重畳されて異常駆動を励起する原因になるからである。
すなわち、電流超過信号S3が入力されると(フラグ1)、一定の時間おきに実施される演算毎に抜き係数zzの分だけ電流絞り込み係数Inが減少していき、最小で電流絞り込み係数Inは0.0となる。一方で、電流超過信号S3が入力されていないと(フラグ0)、電流絞り込み係数Inは演算実行毎に抜き係数zzの分だけ増加していき、最大で電流絞り込み係数Inは1.0となる。このように、駆動電流指令Ifが電流上限値α1を超過している場合に、即座に駆動電流指令Ifの超過分をカットするのではなく、予め定めた範囲(ここでは、抜き係数zzによる積分の絞り込みの範囲)で駆動電流指令Ifを制限する修正を複数回繰り返すため、高周波の発生を防止しつつコントローラの破損のない振幅に向かって、駆動電流指令Ifが漸減することになる。
なお、抜き係数zzは、駆動電流指令Ifの電流上限値α1(電流クランプ値)からの超過量が大きくなるほど大きくなるように(つまり絞り込み量を大きくするように)、電流超過検出手段3からの偏差信号に応じて抜き係数設定部40bにおいて値を可変してもよい。また、超過量の比率を算出して電流上限値α1に同期させてもよい。さらに、制限手段4での駆動電流指令Ifの制限が実効を奏するまでに過大な駆動電流指令Ifがそのままコントローラ10に突入するおそれがあるため、電流超過検出手段3での超過が認められた場合に限っては、電流超過検出手段3において従来と同様の電流クランプ(頭切り)を行い、システムを破損等から保護する構成も有効である。
上記構成に加えて、図3に示すように、外部から入力された駆動電流指令Ifに対して補正電流Ixを加える電流補正手段5が設けられ、補正後の駆動電流指令Ifがコントローラ10に入力されるように構成する場合がある。このような場合には、上記の電流超過検出手段3を、補正後の駆動電流指令Ifの電流指令値I5が予め設定した電流上限値α1を超過している場合に電流超過信号S3を出力するように構成するとともに、電流補正手段5を、電流超過信号S3が出力されている間、駆動電流指令Ifに加える補正電流Ixを制限する方向に修正するように構成するとよい。
具体的には、電流補正手段5は、補正電流Ixを出力する補正電流出力部5aを有し、補正電流出力部5aが出力した補正電流Ixを乗算器5bにおいて上記電流絞り込み係数Inと乗算して補正電流Ixの制限及びその制限の解除を行う。乗算器5bでの乗算後の補正電流Ixを加算器5cにおいて制限手段4を経た駆動電流指令Ifと加算している。補正電流Ixの修正は、電流絞り込み係数Inを制限手段4と共用して電流絞り込み係数Inと補正電流Ixとを乗算することで行うので、電流補正手段5による修正一回あたりの割合が、上記制限手段4による修正一回あたりの割合と一致する。このように、補正後の駆動電流指令Ifの電流指令値I5が電流上限値α1を超過している場合に、即座に駆動電流指令Ifのうち補正電流Ixの超過分をカットするのではなく、予め定めた範囲(ここでは、抜き係数zzによる積分の絞り込みの範囲)で駆動電流指令Ifのうち補正電流Ixを制限する修正を繰り返し、電流補正手段5による修正一回あたりの割合が、上記制限手段4による修正一回あたりの割合と一致するので、補正後の駆動電流指令Ifに含まれる補正前の駆動電流指令Ifと補正電流Ixとのバランスを保ったまま、適切な電流制限(電流クランプ)を実現している。
また、上記の電流の絞り込みに対する制限の手法は、電流補正手段5から過大な補正電流Ixが駆動電流指令Ifに加わることを抑制する上でも有効である。
例えば、図4に示すように、レシプロモータであるリニアアクチュエータ2の共振を緩和させるために、ダンピング制御ブロック5dがモータ誘起電圧に基づきダンピング電流出力信号とも呼ばれる補正電流Ix(駆動電流指令Ifを減衰させる電流指令)を出力するように構成する場合がある。このようなダンピング制御の考え方自体は、既に特許文献1に一部開示されているものである。モータ誘起電圧は、モータたるリニアアクチュエータ2にフィードバック電流検出信号値I20と電流PI演算ブロック11(コントローラ10を構成する)の電圧指令値V5とから求めることができるものであり、ダンピング制御ブロック5dはこのモータ誘起電圧に応じた値の補正電流Ixを出力する。しかし、このダンピング電流出力信号たる補正電流Ixがそのまま駆動電流指令Ifの中に入り込むと、コントローラ10の破損等を招来するばかりでなく、制御系の不安定要因となる場合がある。
そこで、このダンピング電流出力たる補正電流Ixを抑えるために、上記制限手段4を構成する電流絞り込み係数生成ブロック40から出力される電流絞り込み係数Inを利用して、この電流絞り込み係数Inとダンピング電流出力信号たる補正電流Ixとを乗算器5bにおいて乗算し、加算器5cにおいて乗算後の補正電流Ixを駆動電流指令Ifから減算している。このように、ダンピング電流指令たる補正電流Ixを駆動電流指令Ifの修正と同一割合で段階的に修正するので、駆動電流指令Ifの中のIxの値が急激に変化して制御系が不安定となることを回避しつつ、モータであるリニアアクチュエータ2における共振を効果的に緩和することができる。
以上の電流クランプに加え、この種のアクチュエータ駆動装置においては、周波数が大きくなるか、あるいは、外部から大きな衝撃が印加され、図5に示すリニアアクチュエータ2に多大な誘起電圧が励起された場合には、電圧指令値Vfが大きくなり、最悪は電圧飽和状態(それ以上電圧印加ができなくなり、電流制御破綻をきたす)が発生する。これを防止するため、本実施形態ではさらに、電流PI演算ブロック11から出力される電圧指令値Vfを常時監視し、電圧飽和が起きる直前に駆動電流指令Ifを絞り込むようにしている。
具体的には、リニアアクチュエータ2への駆動電流指令Ifの入力ラインに現れる電圧指令値Vfを検出して電圧指令超過信号S6を出力する電圧指令超過検出手段6を構成する電圧指令上限検出ブロック60を追加する。
電圧指令値Vfは正負の値であるため、先ず電圧指令上限検出ブロック60において、ABS処理部60aで絶対値処理を行い、すべて正の値とする。ここで演算を軽くするため、絶対値処理を行わず、後段の比較部で正負の値で上限検出を行っても良い。
リニアアクチュエータ2に許容される電圧指令の最大値は事前に分かっているため、その値を最大値記憶部60bに記憶するとともに、電圧上限比設定部60cにおいて電圧上限比値を設定し、これらから取り出される電圧指令最大値に電圧上限比値を乗算した値を電圧上限しきい値βとする。電圧上限比値は固定値でもよいし、周波数など、他のパラメータに従って変動させても良い。また、ヒステリシス特性を持たせても良い。そして、算出した電圧上限しきい値βと絶対値処理された電圧指令値|Vf|を比較部60dにおいて比較し、上限を超えている場合は電圧指令超過信号S6を出力する。この電圧指令超過信号S6は、電流絞り込み係数生成ブロック40に前記電流超過信号S3とともにOR回路を介して入力され、前記電流絞り込み係数Inを演算する毎に当該前記電流絞り込み係数Inを、上記と同様にして駆動電流指令Ifが絞り込まれる方向に修正する。これにより、駆動電流指令Ifが超過している場合のみならず、リニアアクチュエータ2へ入力される電圧指令値Vfが超過している場合にも駆動電流指令Ifが制限されることになる。
以上のように、本実施形態の電動アクチュエータ駆動装置は、外部から入力した駆動電流指令Ifに基づいて電動アクチュエータたるリニアアクチュエータ2を駆動するにあたり、駆動電流指令Ifの電流指令値I3(I5)が予め定めた電流上限値α1を超過している場合に電流超過信号S3を出力する電流超過検出手段3と、電流超過信号S3が電流超過検出手段3から出力されている間、駆動電流指令Ifを制限する方向に修正する制限手段4とを具備してなり、制限手段4は、一回あたりの駆動電流指令Ifの修正を予め定めた範囲内に留めて駆動電流指令Ifの修正を複数回繰り返すように構成されている。
ここでいう予め定めた範囲とは、駆動電流指令Ifの大幅な変動を抑える趣旨である。
このように、駆動電流指令Ifが電流上限値α1を超過し電流超過信号S3が出力されている場合に、即座に駆動電流指令Ifの超過分をカットするのではなく、予め定められた範囲内で駆動電流指令Ifを制限する修正を複数回繰り返し、駆動電流指令Ifを漸減させるので、いかなる駆動電流指令Ifが外部から入力されたとしても高調波の発生を回避しながらコントローラ10の破損等を有効に防止することができ、装置の信頼性や耐久性だけではなく電動アクチュエータの制御精度を有効に向上させることが可能となる。
また、本実施形態では、駆動電流指令Ifに補正電流Ixを加える電流補正手段5を更に具備し、電流超過検出手段3は、補正後の電流指令値I5が予め設定した電流上限値α1を超過している場合に電流超過信号S3を出力し、電流補正手段5は、電流超過信号S3が電流超過検出手段3から出力されている間、駆動電流指令Ifに加える補正電流Ixを制限する方向に修正し、一回あたりの補正電流Ixの修正を予め定めた範囲内に留めて補正電流Ixの修正を複数回繰り返すように構成されており、修正割合を表す電流絞り込み係数Inを電流補正手段5及び制限手段4で共用して、電流補正手段5による修正一回あたりの割合は、制限手段4による修正一回あたりの割合と一致する割合に設定されているので、補正による駆動電流指令Ifの変動に起因したコントローラ10の破損も有効に回避することが可能となる。しかも、ダンピング制御等の電流補正手段5による修正割合と、駆動電流指令Ifの制限の割合とを一致させて、全体のバランスを保ったまま、適切な制限を実現している。なお、ここでいう予め定めた範囲とは、補正電流Ixの大幅な変動を抑える趣旨である。
さらに、本実施形態では、電動アクチュエータたるリニアアクチュエータ2への駆動電流指令Ifの入力ラインに現れる電圧指令値Vfを検出して電圧指令値Vfが予め設定された電動アクチュエータ(リニアアクチュエータ2)に許容される電圧指令の上限しきい値βを超過した場合に電圧指令超過信号S6を出力する電圧指令超過検出手段6を更に具備し、制限手段4は、電圧指令超過信号S6が電圧指令超過検出手段6から出力されている場合にも、一回あたりの駆動電流指令Ifの修正を予め定めた範囲内に留めて駆動電流指令Ifの修正を複数回繰り返すように構成されているので、電流指令値が超過している場合のみならず、電動アクチュエータたるリニアアクチュエータ2へ入力される電圧指令値が超過している場合にも駆動電流指令が制限され、リニアアクチュエータ2に多大な外力が加わった場合や、高周波領域において電圧飽和が発生することを未然に防止して、システムの信頼性や耐久性を一層有効に高めることができる。なお、ここでいう予め定めた範囲とは、駆動電流指令Ifの大幅な変動を抑える趣旨である。
以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに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。
例えば、例えば、本実施形態では、電動アクチュエータとしてリニアアクチュエータを例として説明したが、これに限定されるものではなく、他の電動アクチュエータに適用可能であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
2…電動アクチュエータ(リニアアクチュエータ)
3…電流超過検出手段
4…制限手段
6…電圧指令超過検出手段
If…駆動電流指令
I3、I5…電流指令値
S3…電流超過信号
S6…電圧指令超過信号
Vf…電圧指令値
β…上限しきい値
3…電流超過検出手段
4…制限手段
6…電圧指令超過検出手段
If…駆動電流指令
I3、I5…電流指令値
S3…電流超過信号
S6…電圧指令超過信号
Vf…電圧指令値
β…上限しきい値
Claims (2)
- 外部から入力した駆動電流指令に基づいて電動アクチュエータを駆動する電動アクチュエータ駆動装置であって、
前記駆動電流指令の電流指令値が予め定めた電流上限値を超過している場合に電流超過信号を出力する電流超過検出手段と、
前記電流超過信号が前記電流超過検出手段から出力されている間、前記駆動電流指令を制限する方向に修正する制限手段とを具備してなり、
前記制限手段は、一回のあたりの前記駆動電流指令の修正を予め定めた範囲内に留めて前記駆動電流指令の修正を複数回繰り返すように構成されていることを特徴とする電動アクチュエータ駆動装置。 - 前記電動アクチュエータへの駆動電流指令の入力ラインに現れる電圧指令値を検出して当該電圧指令値が予め設定された前記電動アクチュエータに許容される電圧指令の上限しきい値を超過した場合に電圧指令超過信号を出力する電圧指令超過検出手段を更に具備し、前記制限手段は、前記電圧指令超過信号が前記電圧指令超過検出手段から出力されている場合にも、一回あたりの前記駆動電流指令の修正を予め定めた範囲内に留めて前記駆動電流指令の修正を複数回繰り返すように構成されている請求項1に記載の電動アクチュエータ駆動装置。
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Cited By (1)
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2010
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