JP2015226450A - モータ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】容易かつ正確にモータの異常状態を検出する。
【解決手段】モータ駆動装置２１は、ドライバ制御信号Ｓ１０を生成する制御回路１００と、ドライバ制御信号Ｓ１０に応じてモータ駆動信号Ｓ３を生成する駆動回路２００と、モータ２２の初期位置を検出する初期位置検出回路３００と、モータ２２の回転状態を検出する回転検出回路４００を有する。制御回路１００は、モータ２２が正常に回転し始めるまで、初期位置検出、初期トルク印加、及び、モータ回転検出を含む一連の起動処理を繰り返し、そのループ回数が閾値ｍ（例えばｍ＝５）に達したときにモータ２２の駆動を強制的に停止させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、モータ駆動装置に関する。

モータの起動時や駆動中に、何らかの要因（モータが手で押さえられるなど）でモータが拘束状態（或いはこれに類する異常状態）となった場合には、特定の相間（Ｕ相からＶ相など）に電流が流れ続けてモータ駆動装置やモータの破壊を招くおそれがある。

そのため、従来のモータ駆動装置には、ＦＧ信号（モータ回転数信号）のパルスが所定時間に亘って生成されないときに、モータが拘束状態であると判定してモータの駆動を強制停止する拘束保護回路が搭載されていた。

なお、本発明に関連する従来技術の一例としては、特許文献１を挙げることができる。

特開２０１２−７０６０５号公報

センサ付きモータを駆動対象とするモータ駆動装置であれば、ホール素子で生成されるＦＧ信号を監視して上記のモータ拘束保護動作を実現することが可能である。

一方、センサレスモータを駆動対象とするモータ駆動装置では、モータコイルに生じる誘導電圧を検出してＦＧ信号が生成されるので、モータが拘束状態であってもノイズなど何らかの原因でＦＧ信号にパルスを生じる可能性があり、ＦＧ信号を監視して正確にモータ拘束保護を掛けることが困難であった。

本発明は、本願の発明者により見出された上記の問題点に鑑み、容易かつ正確にモータの異常状態を検出することのできるモータ駆動装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るモータ駆動装置は、ドライバ制御信号を生成する制御回路と、前記ドライバ制御信号に応じてモータ駆動信号を生成する駆動回路と、モータの初期位置を検出する初期位置検出回路と、前記モータの回転状態を検出する回転検出回路とを有し、前記制御回路は、前記モータが正常に回転し始めるまで、初期位置検出、初期トルク印加、及び、モータ回転検出を含む一連の起動処理を繰り返し、そのループ回数が閾値に達したときに前記モータの駆動を強制的に停止させる構成（第１の構成）とされている。

なお、第１の構成から成るモータ駆動装置において、前記初期位置検出回路は、インダクティブセンスによって前記初期位置を検出する構成（第２の構成）にするとよい。

また、第１または第２の構成から成るモータ駆動装置において、前記回転検出回路は、モータコイルに生じる誘導電圧を監視して前記モータの回転状態を検出する構成（第３の構成）にするとよい。

また、第３の構成から成るモータ駆動装置において、前記回転検出回路は、前記モータコイルに生じる誘導電圧から各相のゼロクロス信号を生成すると共に、前記各相のゼロクロス信号からモータ回転数に応じたモータ回転数信号を生成し、前記制御回路は、前記各相のゼロクロス信号または前記モータ回転数信号を監視して、前記モータの回転状態が正常であるか否かを検出する構成（第４の構成）にするとよい。

また、第１〜第４いずれかの構成から成るモータ駆動装置において、前記制御回路は、前記モータの回転状態が正常でなくなったときに前記起動処理を再実施する構成（第５の構成）にするとよい。

また、第１〜第５いずれかの構成から成るモータ駆動装置において、前記制御回路は、前記起動処理に際して前記初期位置検出と前記初期トルク印加を複数セット繰り返してから前記モータ回転検出を行う構成（第６の構成）にするとよい。

また、本発明に係る半導体装置は、第１〜第６いずれかの構成から成るモータ駆動装置を集積化した構成（第７の構成）とされている。

また、本発明に係る電子機器は、第７の構成から成る半導体装置と、前記半導体装置によって駆動されるセンサレスモータと、を有する構成（第８の構成）とされている。

なお、第８の構成から成る電子機器は、目標回転数信号を生成するデジタル信号プロセッサと、前記デジタル信号プロセッサから入力される前記目標回転数信号と前記半導体装置から入力されるモータ回転数信号との位相同期制御を行うことにより加速信号と減速信号を生成して前記半導体装置に出力するＰＬＬ回路とをさらに有する構成（第９の構成）にするとよい。

また、第９の構成から成る電子機器は、前記デジタル信号プロセッサ及び前記ＰＬＬ回路が搭載される第１基板と、前記半導体装置及び前記センサレスモータが搭載される第２基板と、をさらに有する構成（第１０の構成）にするとよい。

本発明に係るモータ駆動装置であれば、容易かつ正確にモータの異常状態を検出することが可能となる。

電子機器の全体構成を示すブロック図 モータドライバＩＣ２１の一構成例を示すブロック図 起動処理の一例を示すフローチャート 起動処理の一例を示すタイミングチャート モータ拘束保護の一例を示すフローチャート モータ拘束保護の一例を示すタイミングチャート

＜電子機器＞
図１は、電子機器の全体構成を示すブロック図である。本構成例の電子機器１は、メイン基板１０とモータ基板２０を有する。メイン基板１０には、デジタル信号プロセッサ１１（以下ではＤＳＰ［digital signal processor］１１と呼ぶ）とＰＬＬ回路１２が搭載されている。一方、モータ基板２０には、モータドライバＩＣ２１とセンサレスモータ２２が搭載されている。

ＤＳＰ１１は、センサレスモータ２２の目標回転数に応じた目標回転数信号Ｓ１（周波数信号）を生成してＰＬＬ回路１２に出力する。

ＰＬＬ回路１２は、ＤＳＰ１１から入力される目標回転数信号Ｓ１とモータドライバＩＣ２１から入力されるモータ回転数信号Ｓ２（ＦＧ信号と呼ばれる周波数信号）との位相同期制御を行うことにより、加速信号ＳＵと減速信号ＳＤを生成してモータドライバＩＣ２１に出力する。より具体的に述べると、ＰＬＬ回路１２は、モータ回転数信号Ｓ２の周波数が目標回転数信号Ｓ１の周波数よりも低いとき（モータ回転数が目標回転数よりも低いとき）に加速信号ＳＵのパルスを生成し、モータ回転数信号Ｓ２の周波数が目標回転数信号Ｓ１の周波数よりも高いとき（モータ回転数が目標回転数よりも高いとき）に減速信号ＳＤのパルスを生成する。

モータドライバＩＣ２１は、センサレスモータ２２の駆動制御主体となるモータ駆動装置を集積化した半導体装置である。モータドライバＩＣ２１は、ＰＬＬ回路１２から入力される加速信号ＳＵと減速信号ＳＤに応じてモータ駆動信号Ｓ３を生成し、これを用いてセンサレスモータ２２の駆動制御を行う。また、モータドライバＩＣ２１は、モータコイルに生じる誘導電圧を検出することにより、センサレスモータ２２のモータ回転数に応じたモータ回転数信号Ｓ２を生成し、これをＰＬＬ回路１２に出力する。

センサレスモータ２２は、モータドライバＩＣ２１から入力されるモータ駆動信号Ｓ３によって駆動される。センサレスモータ２２には、ホール素子が具備されていないので、小型化や低コスト化の面で有利である。

＜モータドライバＩＣ＞
図２は、モータドライバＩＣ２１の一構成例を示すブロック図である。本構成例のモータドライバＩＣ２１には、モータ駆動装置を形成するための回路ブロックとして、制御回路１００と、駆動回路２００と、初期位置検出回路３００と、回転検出回路４００と、が集積化されている。

制御回路１００は、加速信号ＳＵと減速信号ＳＤの入力を受けてドライバ制御信号Ｓ１０を生成する。より具体的に述べると、制御回路１００は、加速信号ＳＵのパルスを受けてモータ回転数を上げる一方、減速信号ＳＤのパルスを受けてモータ回転数を下げるように、ドライバ制御信号Ｓ１０を生成する。なお、制御回路１００は、初期位置検出信号Ｓ２０やゼロクロス信号Ｓ３０（ないしはモータ回転数信号Ｓ２）の入力を受けて、センサレスモータ２２の起動処理や転流処理を行う。また、制御回路１００は、上記信号以外にも種々の制御信号Ｓ４０（温度保護信号や減電圧保護信号など）の入力を受けており、それらの内容を反映したドライバ制御信号Ｓ１０の生成を行う。

さらに、制御回路１００は、センサレスモータ２２の起動処理を正しく完了することができないときにモータ拘束保護動作を行う機能も備えている。この点については、後ほど詳細に説明する。

駆動回路２００は、制御回路１００から入力されるドライバ制御信号Ｓ１０に応じて、３相のモータ駆動信号Ｓ３（Ｕ、Ｖ、Ｗ）を生成し、これらをセンサレスモータ２２の各相モータコイルに出力する。

初期位置検出回路３００は、センサレスモータ２２の起動時にセンサレスモータ２２の初期位置（ロータの初期位相）を検出し、その検出結果を示す初期位置検出信号Ｓ２０を生成する。なお、センサレスモータ２２の初期位置を検出するための手法としては、例えばインダクティブセンスを採用することができる。停止しているセンサレスモータ２２の各相経路（Ｕ→Ｖ、Ｕ→Ｗ、Ｖ→Ｕ、Ｖ→Ｗ、Ｗ→Ｕ、Ｗ→Ｖの計６パターン）に各々試験電流が供給されたとき、初期位置検出回路３００は、各相経路に流れる電流の順位付けを行い、その結果に基づいてセンサレスモータ２２の初期位置を検出する。なお、各相経路に流れる電流は、駆動回路２００に流れるシンク電流Ｉｓｉｎｋとして検出することができる。また、試験電流の供給は、センサレスモータ２２の通常駆動時と同じく、制御回路１００及び駆動回路２００によって行われる。なお、試験電流によってセンサレスモータ２２が回転してしまうのを防ぐために、試験電流の電流値は通常駆動時よりも小さいことが望ましく、また、試験電流の供給期間は通常駆動時よりも短いことが望ましい。

回転検出回路４００は、各相のモータコイルに生じる誘導電圧のゼロクロスタイミング（各相の誘導電圧と中点電圧Ｖｃｏｍとの一致タイミング）を各々検出して、各相のゼロクロス信号Ｓ３０（Ｕ、Ｖ、Ｗ）を生成する。なお、ゼロクロスタイミングの検出期間中には、モータコイルに生じる誘導電圧が見えるように、駆動回路２００の各相出力がいずれもハイインピーダンス状態とされる。

また、回転検出回路４００は、各相のゼロクロス信号Ｓ３０（Ｕ、Ｖ、Ｗ）からモータ回転数信号Ｓ２を生成し、これをＰＬＬ回路１２に出力する。なお、モータ回転数信号Ｓ２としては、いずれか一相（例えばＵ相）のゼロクロス信号Ｓ３０を選択出力してもよいし、各相のゼロクロス信号Ｓ３０（Ｕ、Ｖ、Ｗ）を合成して生成したものでもよい。

＜起動処理＞
図３は、制御回路１００によって実施される起動処理の一例を示すフローチャートである。センサレスモータ２２の起動処理が開始されると、まずステップ＃１０では、停止されているセンサレスモータ２２の初期位置検出が行われる。初期位置の検出手法として先述のインダクティブセンスを採用した場合、ステップ＃１０では、制御回路１００及び駆動回路２００による試験電流の印加と、初期位置検出回路３００によるシンク電流Ｉｓｉｎｋの監視が行われる。制御回路１００は、初期位置検出回路３００から初期位置検出信号Ｓ２０の入力を受けることにより、センサレスモータ２２の初期位置を把握する。ステップ＃１０での初期位置検出が完了されると、フローがステップ＃２０に進められる。

ステップ＃２０では、センサレスモータ２２に対してその初期位置に応じた初期トルクが印加される。なお、ステップ＃２０での初期トルク印加が完了されると、フローがステップ＃３０に進められる。

ステップ＃３０では、センサレスモータ２２の回転検出判定（センサレスモータ２２の回転状態が正常であるか否かの判定）が行われる。例えば、制御回路１００は、ゼロクロス信号Ｓ３０（Ｕ、Ｖ、Ｗ）のパルス周波数、または、モータ回転数信号Ｓ２のパルス周波数を監視し、そのパルス周波数が所定の閾値以上であるときにセンサレスモータ２２の回転状態が正常であると判定して、回転検出信号Ｓｄｅｔ（制御回路１００の内部信号）をハイレベル（回転検出時の論理レベル）に切り替える。

なお、ステップ＃３０でイエス判定（Ｓｄｅｔ＝Ｈ）が下された場合には、フローがステップ＃４０に進められて、センサレスモータ２２が継続的に回転される。一方、ステップ＃３０でノー判定（Ｓｄｅｔ＝Ｌ）が下された場合には、フローがステップ＃１０に戻されて、上記一連の起動処理（初期位置検出、初期トルク印加、及び、回転検出判定）が繰り返される。

図４は、制御回路１００によって実施される起動処理の一例（正常起動）を示すタイミングチャートであり、上から順に、モータ駆動信号Ｓ３（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）、及び、回転検出信号Ｓｄｅｔが描写されている。

時刻ｔ２１〜ｔ２２は、初期位置検出期間（先のステップ＃１０）に相当する。この期間中には、センサレスモータ２２の各相経路（計６パターン）に各々試験電流を供給するためのモータ駆動信号Ｓ３（Ｕ、Ｖ、Ｗ）が出力される。

時刻ｔ２２〜ｔ２３は、初期トルク印加期間（先のステップ＃２０）に相当する。この期間中には、センサレスモータ２２の初期位置に応じた初期トルクを印加するためのモータ駆動信号Ｓ３（Ｕ、Ｖ、Ｗ）が出力される。なお、本図の例では、Ｕ相のモータコイルからＷ相のモータコイルに向けて駆動電流が流れるように、モータ駆動信号Ｓ３のうち、Ｕ相がハイレベル、Ｖ相がハイインピーダンス状態、Ｗ相がローレベルとされている。

時刻ｔ２３〜ｔ２４は、モータ回転検出期間（先のステップ＃３０）に相当する。この期間中には、モータコイルに生じる誘導電圧が見えるように、駆動回路２００の各相出力がいずれもハイインピーダンス状態とされる。

なお、本図では、初期位置検出と初期トルク印加を１セット完了した時点でモータ回転検出を行う構成を例示したが、起動処理のシーケンスはこれに限定されるものではなく、例えば、制御回路１００は、センサレスモータ２２の起動処理に際して初期位置検出と初期トルク印加を複数セット繰り返してからモータ回転検出を行う構成としても構わない。

上記一連の起動処理において、通常、時刻ｔ２１〜ｔ２２における初期位置の検出結果が正確であれば、時刻ｔ２２〜ｔ２３における適切な初期トルクの印加によってセンサレスモータ２２が正しく回転し始めるので、時刻ｔ２３〜ｔ２４ではセンサレスモータ２２の回転状態が正常であると判定される。従って、センサレスモータ２２に何らかの異常が生じていなければ、上記一連の起動処理が一度で完了し、時刻ｔ２４以降、通常のモータ駆動が行われる。

一方、センサレスモータ２２に何らかの異常（モータ拘束など）が生じていれば、図３のステップ＃３０でノー判定が下されるので、異常が解消されない限り、上記一連の起動処理が何度も繰り返される。

本願発明者らは、上記の挙動に着目し、センサレスモータ２２の起動処理が所定回数に亘って繰り返された時点で、センサレスモータ２２に何らかの異常が生じているものと判断することができる、という新規な着想を得た。以下、このような着想に基づくモータ拘束保護動作について図面を参照しながら詳細な説明を行う。

＜モータ拘束保護動作（異常保護動作）＞
図５は、モータ拘束保護動作の一例を示すフローチャートである。なお、本フローチャートは、先の図３（起動処理）をベースとしている。そこで、図３と同一のステップ＃１０〜＃４０については、各々の詳細な説明を適宜割愛し、ここでは、新たに追加されたステップ＃５及び＃５０〜＃８０（太線で強調）について重点的な説明を行う。

本フローチャートでは、ステップ＃１０での初期位置検出に先立ち、ステップ＃５において、ループ回数ＲＥＰの初期化（ＲＥＰ＝１）が行われる。なお、ループ回数ＲＥＰが「１」であるということは、これから開始される一連の起動処理（ステップ＃１０〜＃３０）が「１回目」であることを意味する。なお、ステップ＃５でのループ回数初期化が完了されると、フローがステップ＃１０に進められる。

その後、一連の起動処理（ステップ＃１０〜＃３０）が行われる点については、図３と同様である。ただし、本フローチャートでは、ステップ＃３０でノー判定が下された場合に、フローがステップ＃１０に直接戻されるのではなく、ステップ＃６０に進められる。

ステップ＃６０では、ループ回数ＲＥＰが所定の閾値ｍ（例えばｍ＝５）に達したか否かの判定が行われる。すなわち、ステップ＃６０では、上記一連の起動処理（ステップ＃１０〜＃３０）がｍ回繰り返されたか否かの判定が行われる。ここで、イエス判定が下された場合にはフローがステップ＃７０に進められ、ノー判定が下された場合にはフローがステップ＃８０に進められる。

ステップ＃６０でイエス判定が下された場合、ステップ＃７０では、モータ拘束信号Ｓｍｌｐ（制御回路１００の内部信号）がハイレベル（モータ拘束時の論理レベル）に切り替えられて、センサレスモータ２２の駆動が強制的に停止される。

一方、ステップ＃６０でノー判定が下された場合、ステップ＃８０では、ループ回数ＲＥＰが１つインクリメント（ＲＥＰ←ＲＥＰ＋１）された後、フローがステップ＃１０に戻される。

例えば、センサレスモータ２２が拘束されている場合には、適切な初期トルクを与えてもセンサレスモータ２２が回転しないので、ステップ＃３０ではイエス判定が下されず、ステップ＃４０（通常回転）への移行は行われない。その結果、フローはステップ＃１０〜＃３０、ステップ＃６０、及び、ステップ＃８０を介する経路で何度もループされる。そして、通算ｍ回目の起動処理によってもセンサレスモータ２２が正しく回転しなかったときには、フローがステップ＃６０からステップ＃７０に移行して、モータ拘束保護が掛けられることになる。

このように、制御回路１００は、センサレスモータ２２が正常に回転し始めるまで、一連の起動処理（ステップ＃１０〜＃３０）を繰り返し、そのループ回数ＲＥＰが閾値ｍに達したときにセンサレスモータ２２の駆動を強制的に停止させる。本構成によれば、モータ回転数信号Ｓ２の監視結果に頼ることなく、起動処理のループ回数ＲＥＰに応じて容易かつ正確にセンサレスモータ２２の異常保護（モータ拘束保護）を行うことができる。

また、本フローチャートでは、ステップ＃４０（通常回転）への移行後においても、ステップ＃５０でセンサレスモータ２２の回転検出が行われる。ここで、イエス判定（Ｓｄｅｔ＝Ｈ）が下された場合には、フローがステップ＃４０に戻されてセンサレスモータ２２の通常回転が継続される。一方、ノー判定（Ｓｄｅｔ＝Ｌ）が下された場合には、フローがステップ＃５に戻される。

すなわち、制御回路１００は、センサレスモータ２２の通常回転を開始した後、センサレスモータ２２の回転状態が正常でなくなったときには、ループ回数ＲＥＰを初期化（ＲＥＰ＝１）した上で、センサレスモータ２２が正常に回転し始めるまで、上記一連の起動処理（ステップ＃１０〜＃３０）を再実施し、そのループ回数ＲＥＰが閾値ｍに達したときにセンサレスモータ２２の駆動を強制的に停止させる。このような構成とすることにより、例えば、回転中のセンサレスモータ２２を手で押さえ付けた場合であっても、適切にモータ拘束保護を掛けることが可能となる。

図６は、モータ拘束保護動作の一例（センサレスモータ２２を手で押さえ付けた状態で起動させようとしている様子）を示すタイミングチャートであり、上から順に、モータ駆動信号Ｓ３（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）、回転検出信号Ｓｄｅｔ、ループ回数ＲＥＰ、及び、モータ拘束保護信号Ｓｍｌｐが描写されている。

時刻ｔ３１〜ｔ３２では、１回目の起動処理（図４の時刻ｔ２１〜ｔ２４に相当）が実行されているが、センサレスモータ２２が正しく回転しないので、回転検出信号Ｓｄｅｔがローレベルに維持されている。その結果、時刻ｔ３２以降も、上記と同様の起動処理が繰り返される。そして、通算ｍ回目の起動処理（時刻ｔ３５〜ｔ３６）によってもセンサレスモータ２２が正しく回転しなければ、時刻ｔ３６においてモータ拘束信号Ｓｍｌｐがハイレベル（モータ拘束時の論理レベル）に立ち上げられ、センサレスモータ２２の駆動が強制的に停止される。

＜その他の変形例＞
なお、本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全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り、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

本発明は、モータを有する電子機器全般に利用することが可能である。

１ 電子機器
１０ メイン基板
１１ デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）
１２ ＰＬＬ回路
２０ モータ基板
２１ モータドライバＩＣ（モータ駆動装置）
２２ センサレスモータ
１００ 制御回路
２００ 駆動回路
３００ 初期位置検出回路（インダクティブセンス回路）
４００ 回転検出回路

Claims (10)

1. ドライバ制御信号を生成する制御回路と、
   前記ドライバ制御信号に応じてモータ駆動信号を生成する駆動回路と、
   モータの初期位置を検出する初期位置検出回路と、
   前記モータの回転状態を検出する回転検出回路と、
   を有し、
   前記制御回路は、前記モータが正常に回転し始めるまで、初期位置検出、初期トルク印加、及び、モータ回転検出を含む一連の起動処理を繰り返し、そのループ回数が閾値に達したときに前記モータの駆動を強制的に停止させることを特徴とするモータ駆動装置。
2. 前記初期位置検出回路は、インダクティブセンスによって前記初期位置を検出することを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記回転検出回路は、モータコイルに生じる誘導電圧を監視して前記モータの回転状態を検出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモータ駆動装置。
4. 前記回転検出回路は、前記モータコイルに生じる誘導電圧から各相のゼロクロス信号を生成すると共に、前記各相のゼロクロス信号からモータ回転数に応じたモータ回転数信号を生成し、
   前記制御回路は、前記各相のゼロクロス信号または前記モータ回転数信号を監視して、前記モータの回転状態が正常であるか否かを検出する、
   ことを特徴とする請求項３に記載のモータ駆動装置。
5. 前記制御回路は、前記モータの回転状態が正常でなくなったときに前記起動処理を再実施することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
6. 前記制御回路は、前記起動処理に際して前記初期位置検出と前記初期トルク印加を複数セット繰り返してから前記モータ回転検出を行うことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のモータ駆動装置を集積化した半導体装置。
8. 請求項７に記載の半導体装置と、
   前記半導体装置によって駆動されるセンサレスモータと、
   を有する電子機器。
9. 目標回転数信号を生成するデジタル信号プロセッサと、
   前記デジタル信号プロセッサから入力される前記目標回転数信号と前記半導体装置から入力されるモータ回転数信号との位相同期制御を行うことにより加速信号と減速信号を生成して前記半導体装置に出力するＰＬＬ［phase locked loop］回路と、
   をさらに有することを特徴とする電子機器。
10. 前記デジタル信号プロセッサ及び前記ＰＬＬ回路が搭載される第１基板と、
    前記半導体装置及び前記センサレスモータが搭載される第２基板と、
    をさらに有することを特徴とする請求項９に記載の電子機器。

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