JP2020096452A - 交流回転機の制御装置、車両用交流回転機装置、及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents
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Abstract
Description
前記第1巻線のm−1相の巻線及び前記第2巻線のm−1相の巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、
電流指令及び電流検出値に基づいて、前記第1巻線及び前記第2巻線の各相に印加する電圧指令を演算する電圧指令演算部と、
前記電圧指令と搬送波信号とを比較することにより、前記第1巻線及び前記第2巻線の各相に電圧を印加する電圧印加部と、を備え、
前記電流検出部は、第1タイミングで、前記第1巻線のm−1相の巻線の電流を検出し、第2タイミングで、前記第2巻線のm−1相の巻線の電流を検出し、
前記第1タイミングと前記第2タイミングとを基準タイミングに対して前後対称に設定しているものである。
実施の形態1に係る交流回転機の制御装置1(以下、単に制御装置1と称す)について図面を参照して説明する。図1は、本実施の形態に係る交流回転機10及び制御装置1の概略構成図である。
交流回転機10は、ステータ18と、ステータ18の径方向内側に配置されたロータ14と、を備えている。交流回転機10は、永久磁石型の同期回転機とされており、ステータ18に巻線が巻装され、ロータ14に極対数Prの永久磁石が設けられている。なお、交流回転機10は、ロータ14に電磁石が設けられた界磁巻線型の同期回転機とされてもよい。
直流電源16の直流電力と3相の第1巻線U1、V1、W1に供給する交流電力とを変換する第1インバータ21と、直流電源16の直流電力と第2巻線U2、V2、W2に供給する交流電力とを変換する第2インバータ22と、が備えられている。
制御装置1は、第1インバータ21及び第2インバータ22のスイッチング素子を介して、交流回転機10を制御する。制御装置1は、図2に示すように、回転検出部31、電源電圧検出部32、電流検出部33、電圧指令演算部34、及び電圧印加部35等の制御部を備えている。制御装置1の各機能は、制御装置1が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置1は、図3に示すように、処理回路として、CPU(Central Processing Unit)等の演算処理装置90(コンピュータ)、演算処理装置90とデータのやり取りする記憶装置91、演算処理装置90に外部の信号を入力する入力回路92、及び演算処理装置90から外部に信号を出力する出力回路93等を備えている。
回転検出部31は、ロータ14の電気角での回転角度(磁極位置)、及び回転速度を検出する。本実施の形態では、回転検出部31は、角度センサ15の出力信号に基づいて、電気角での回転角度(磁極位置)及び回転速度を検出する。なお、回転検出部31は、電流指令に高調波成分を重畳することによって得られる電流情報等に基づいて、角度センサを用いずに、回転角度(磁極位置)を推定するように構成されてもよい(いわゆる、センサレス方式)。
電源電圧検出部32は、直流電源16の電源電圧を検出する。本実施の形態では、電源電圧検出部32は、電圧センサ17の出力信号に基づいて、電源電圧を検出する。
電流検出部33は、第1巻線11のm−1相の巻線(本例では、U1相及びV1相の巻線)及び第2巻線12のm−1相の巻線(本例では、U2相及びW2相の巻線)に流れる電流を検出する。本実施の形態では、電流検出部33は、電流センサ13の出力信号に基づいて、第1インバータ21から第1巻線のU1相及びV1相に流れる電流iu1_det、iv1_detを検出すると共に、第2インバータ22から第2巻線のU2相、W2相に流れる電流iu2_det、iw2_detを検出する。本実施の形態では、電流検出部33は、後述するタイミングで、各相の電流を検出する。
電圧指令演算部34は、電流指令、電流検出値、及び回転角度に基づいて、第1巻線及び第2巻線の各相に印加する電圧指令を演算する。本実施の形態では、電圧指令演算部34は、電流指令演算部341、電流変換部342、電流フィードバック制御部343、及び電圧指令変換部344を備えている。
電流指令演算部341は、第1巻線に流す電流指令、及び第2巻線に流す電流指令を演算する。電流指令演算部341は、第1巻線のd軸電流指令Id1_tgt及びq軸電流指令Iq1_tgtを演算すると共に、第2巻線のd軸電流指令Id2_tgt及びq軸電流指令Iq2_tgtを演算する。
電流変換部342は、次式に示すように、第1巻線の3相の電流検出値の合計が0になるように、第1巻線のU1相及びV1相の電流検出値iu1_det、iv1_detに基づいて、残りのW1相の電流検出値iw1_detを推定する。また、電流変換部342は、次式に示すように、第2巻線の3相の電流検出値の合計が0になるように、第2巻線のU2相及びW2相の電流検出値iu2_det、iw2_detに基づいて、残りのV2相の電流検出値iv2_detを推定する。ここで、推定した残りの1相の電流も、説明の容易化のため、電流検出値と称する。
電流フィードバック制御部343は、第1巻線のdq軸電流検出値Id1_det、Iq1_detが、第1巻線のdq軸電流指令Id1_tgt、Iq1_tgtに近づくように、PI制御等により、第1巻線のd軸電圧指令Vd1及びq軸電圧指令Vq1を変化させるフィードバック制御を行う。同様に、電流フィードバック制御部343は、第2巻線のdq軸電流検出値Id2_det、Iq2_detが、第2巻線のdq軸電流指令Id2_tgt、Iq2_tgtに近づくように、PI制御等により、第2巻線のd軸電圧指令Vd2及びq軸電圧指令Vq2を変化させるフィードバック制御を行う。
電圧指令変換部344は、第1巻線のdq軸電圧指令Vd1、Vq1を、第1巻線基準の磁極位置θ1に基づいて、固定座標変換及び2相3相変換を行って、第1巻線の各相の電圧指令vu1、vv1、vw1に変換する。同様に、電圧指令変換部344は、第2巻線のdq軸電圧指令Vd2、Vq2を、第2巻線基準の磁極位置θ2に基づいて、固定座標変換及び2相3相変換を行って、第2巻線の各相の電圧指令vu2、vv2、vw2に変換する。
電圧印加部35は、第1巻線の各相の電圧指令vu1、vv1、vw1及び第2巻線の各相の電圧指令vu2、vv2、vw2と搬送波信号とを比較することにより、第1巻線及び第2巻線の各相に電圧を印加する。
本実施の形態では、電流検出部33は、第1タイミングXで、第1巻線のm−1相の巻線(本例では、U1相及びV1相)の電流を検出し、第2タイミングYで、第2巻線のm−1相の巻線(本例では、U2相及びW2相)の電流を検出し、第1タイミングXと第2タイミングYとを基準タイミングZに対して前後対称に設定している。
まず、6相の電流を全て同一タイミングで検出する理想的な場合について説明する。第1巻線の各相を流れる電流iu1、iv1、iw1、及び第2巻線の各相を流れる電流iu2、iv2、iw2は、式(5)で与えられる。ここで、βは、図6に示すように、dq軸の電流ベクトルIのq軸からの位相を表し、Irmsは電流実効値を表す。また、第2巻線の各相の電流iu2、iv2、iw2を、第2巻線基準の磁極位置θ2の代わりに、第1巻線基準の磁極位置θ1を用いて表している。第2巻線基準の磁極位置θ2は、第1巻線基準の磁極位置θ1に対して、位相が電気角で30deg(π/6)遅れる(θ2=θ1−π/6)。
式(5)から式(9)が成り立つには、6相の電流を同一タイミングで検出する必要がある。しかし、廉価なマイコンでは、同時にA/D変換できるチャンネル数が少なく、全てを同一タイミングで検出できない。また、電流を検出する相数を減らすことによって、電流センサ及びマイコンのコスト低減が可能になる。
以下で、dq軸電流の和の誤差を低減するための条件を導出する。図7は、搬送波信号の基準タイミングZ(本例では、山の頂点)を基準にした、第1巻線のU1相、V1相、及び第2巻線のU2相、W2相の電流iu1、iv1、iu2、iw2の検出タイミングtu1、tv1、tu2、tw2の定義を示している。基準タイミングZ(山の頂点)を基準にした、第1巻線のU1相の電流iu1の検出タイミングをtu1とし、第1巻線のV1相の電流iv1の検出タイミングをtv1とし、第2巻線のU2相の電流iu2の検出タイミングをtu2とし、第2巻線のW2相の電流iw2の検出タイミングをtw2としている。
なお、第1タイミングX又は第2タイミングYにおいて、m−1相の巻線の電流検出タイミングが厳密に同一タイミングでは無い場合について、以下で説明する。式(20)に示すように、第1又は第2タイミングにおいて、2相の巻線間で、電流検出タイミングがηずれている場合を考える。式(9)のリラクタンストルク成分があっても同様の考え方を適用できるが、説明を簡単にするため出力トルクTは式(21)のように与えられるものとする。
本実施の形態では、第1巻線と第2巻線との位相差が電気角で30degである場合を説明した。しかし、第1巻線と第2巻線との位相差が電気角で30deg以外である場合でも、第1タイミングXで、第1巻線のm−1相の巻線の電流を検出し、第2タイミングYで、第2巻線のm−1相の巻線の電流を検出し、第1タイミングXと第2タイミングYとを基準タイミングZに対して前後対称に設定すれば、同様の効果を得ることができる。
次に、実施の形態2に係る交流回転機10及び制御装置1について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る交流回転機10及び制御装置1の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、dq軸電流検出値に含まれる誤差を更に低減する補正を行う点が実施の形態1と異なる。
次に、実施の形態3に係る交流回転機10及び制御装置1について説明する。上記の実施の形態1と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る交流回転機10及び制御装置1の基本的な構成は実施の形態1と同様であるが、d軸電流検出値の差Id_det_diff及びq軸電流検出値の差Iq_det_diffに含まれる誤差を更に低減する補正を行う点が実施の形態1と異なる。
次に、実施の形態4に係る交流回転機10及び制御装置1について説明する。上記の実施の形態1から3と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態では、角度センサ15の構成が特定されており、それに伴って、回転検出部31の処理が異なる。
電流検出部33は、巻線電流を検出する第1タイミングX及び第2タイミングYを、前後対称に設定された第1、第2、第3、及び第4正弦波信号の検出タイミングの間に設定する。図13に設定例を示す。図13には、図が煩雑になるのを防ぐため第1巻線の電圧指令vu1〜vw1のみを示している。電流検出タイミングは、図9のパターン(1)に設定されている。
次に、実施の形態5に係る交流回転機10及び制御装置1について説明する。上記の実施の形態1から3と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態では、角度センサ15の構成が特定されており、それに伴って、回転検出部31の処理が異なる。
前記第1巻線のm−1相の巻線及び前記第2巻線のm−1相の巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、
電流指令及び電流検出値に基づいて、前記第1巻線及び前記第2巻線の各相に印加する電圧指令を演算する電圧指令演算部と、
前記電圧指令と搬送波信号とを比較することにより、前記第1巻線及び前記第2巻線の各相に電圧を印加する電圧印加部と、を備え、
前記電流検出部は、第1タイミングで、前記第1巻線のm−1相の巻線の電流を検出し、第2タイミングで、前記第2巻線のm−1相の巻線の電流を検出し、
前記第1タイミングと前記第2タイミングとを基準タイミングに対して前後対称に設定し、
前記基準タイミングは、三角波とされた前記搬送波信号の山の頂点及び谷の頂点の一方又は双方に設定されているものである。
Claims (17)
- m相の第1巻線及びm相の第2巻線を有する交流回転機(mは3以上の整数)を制御する交流回転機の制御装置であって、
前記第1巻線のm−1相の巻線及び前記第2巻線のm−1相の巻線に流れる電流を検出する電流検出部と、
電流指令及び電流検出値に基づいて、前記第1巻線及び前記第2巻線の各相に印加する電圧指令を演算する電圧指令演算部と、
前記電圧指令と搬送波信号とを比較することにより、前記第1巻線及び前記第2巻線の各相に電圧を印加する電圧印加部と、を備え、
前記電流検出部は、第1タイミングで、前記第1巻線のm−1相の巻線の電流を検出し、第2タイミングで、前記第2巻線のm−1相の巻線の電流を検出し、
前記第1タイミングと前記第2タイミングとを基準タイミングに対して前後対称に設定している交流回転機の制御装置。 - 前記基準タイミングは、三角波とされた前記搬送波信号の山の頂点及び谷の頂点の一方又は双方に設定されている請求項1に記載の交流回転機の制御装置。
- 前記電圧指令演算部は、ロータの磁束方向に定めたd軸、及び前記d軸より電気角でπ/2進んだ方向に定めたq軸からなるdq軸回転座標系を設定し、
前記第1巻線のd軸電流指令及びq軸電流指令を設定し、前記第1巻線のm−1相の巻線の電流検出値を用い、座標変換を行って、前記第1巻線のd軸電流検出値及びq軸電流検出値を算出し、前記第1巻線のd軸電流検出値を前記第1巻線のq軸電流指令により補正し、前記第1巻線のq軸電流検出値を前記第1巻線のd軸電流指令により補正し、
前記第2巻線のd軸電流指令及びq軸電流指令を設定し、前記第2巻線のm−1相の巻線の電流検出値を用い、座標変換を行って、前記第2巻線のd軸電流検出値及びq軸電流検出値を算出し、前記第2巻線のd軸電流検出値を前記第2巻線のq軸電流指令により補正し、前記第2巻線のq軸電流検出値を前記第2巻線のd軸電流指令により補正し、
前記第1巻線の補正後のd軸電流検出値及びq軸電流検出値、前記第2巻線の補正後のd軸電流検出値及びq軸電流検出値に基づいて、前記電圧指令を算出する請求項1又は2に記載の交流回転機の制御装置。 - 前記電圧指令演算部は、
前記第2タイミングに対する前記第1タイミングの相対時刻を2×δとし、ロータの電気角速度をωとし、
前記第1巻線のd軸電流検出値をId1_detとし、前記第1巻線のq軸電流検出値をIq1_detとし、前記第1巻線のd軸電流指令をId1_tgtとし、前記第1巻線のq軸電流指令をIq1_tgtとし、前記第1巻線の補正後のd軸電流検出値をId1_dethとし、前記第1巻線の補正後のq軸電流検出値をIq1_dethとし、
Id1_deth=Id1_det+ω×δ×Iq1_tgt
Iq1_deth=Iq1_det−ω×δ×Id1_tgt
の算出式により前記第1巻線の補正後のd軸電流検出値及びq軸電流検出値を算出し、
前記第2巻線のd軸電流検出値をId2_detとし、前記第2巻線のq軸電流検出値をIq2_detとし、前記第2巻線のd軸電流指令をId2_tgtとし、前記第2巻線のq軸電流指令をIq2_tgtとし、前記第2巻線の補正後のd軸電流検出値をId2_dethとし、前記第2巻線の補正後のq軸電流検出値をIq2_dethとし、
Id2_deth=Id2_det−ω×δ×Iq2_tgt
Iq2_deth=Iq2_det+ω×δ×Id2_tgt
の算出式により前記第2巻線の補正後のd軸電流検出値及びq軸電流検出値を算出する請求項3に記載の交流回転機の制御装置。 - 前記電圧指令演算部は、ロータの磁束方向に定めたd軸、及び前記d軸より電気角でπ/2進んだ方向に定めたq軸からなるdq軸回転座標系を設定し、
前記第1巻線のm−1相の巻線の電流検出値を用い、座標変換を行って、前記第1巻線のd軸電流検出値及びq軸電流検出値を算出し、
前記第2巻線のm−1相の巻線の電流検出値を用い、座標変換を行って、前記第2巻線のd軸電流検出値及びq軸電流検出値を算出し、
前記第1巻線のd軸電流検出値と前記第2巻線のd軸電流検出値との和であるd軸電流検出値の和を算出し、前記第1巻線のq軸電流検出値と前記第2巻線のq軸電流検出値との和であるq軸電流検出値の和を算出し、
前記第1巻線のd軸電流検出値を、前記q軸電流検出値の和により補正し、前記第1巻線のq軸電流検出値を、前記d軸電流検出値の和により補正し、
前記第2巻線のd軸電流検出値を、前記q軸電流検出値の和により補正し、前記第2巻線のq軸電流検出値を、前記d軸電流検出値の和により補正し、
前記第1巻線の補正後のd軸電流検出値及びq軸電流検出値、前記第2巻線の補正後のd軸電流検出値及びq軸電流検出値に基づいて、前記電圧指令を算出する請求項1又は2に記載の交流回転機の制御装置。 - 前記電圧指令演算部は、
前記第2タイミングに対する前記第1タイミングの相対時刻を2×δとし、ロータの電気角速度をωとし、
前記第1巻線のd軸電流検出値をId1_detとし、前記第1巻線のq軸電流検出値をIq1_detとし、前記第1巻線の補正後のd軸電流検出値をId1_dethとし、前記第1巻線の補正後のq軸電流検出値をIq1_dethとし、
前記第2巻線のd軸電流検出値をId2_detとし、前記第2巻線のq軸電流検出値をIq2_detとし、前記第2巻線の補正後のd軸電流検出値をId2_dethとし、前記第2巻線の補正後のq軸電流検出値をIq2_dethとし、
前記d軸電流検出値の和をId_det_sumとし、前記q軸電流検出値の和をIq_det_sumとし、前記第1巻線と前記第2巻線との間の電流の分配比をKaとし、
Id1_deth=Id1_det+Ka×ω×δ×Iq_det_sum
Iq1_deth=Iq1_det−Ka×ω×δ×Id_det_sum
Id2_deth=Id2_det−(1−Ka)×ω×δ×Iq_det_sum
Iq2_deth=Iq2_det+(1−Ka)×ω×δ×Id_det_sum
の算出式により前記第1巻線の補正後のd軸電流検出値及びq軸電流検出値、前記第2巻線の補正後のd軸電流検出値及びq軸電流検出値を算出する請求項5に記載の交流回転機の制御装置。 - 前記電圧指令演算部は、ロータの磁束方向に定めたd軸、及び前記d軸より電気角でπ/2進んだ方向に定めたq軸からなるdq軸回転座標系を設定し、
前記第1巻線のd軸電流指令及びq軸電流指令を設定し、前記第1巻線のm−1相の巻線の電流検出値を用い、座標変換を行って、前記第1巻線のd軸電流検出値及びq軸電流検出値を算出し、
前記第2巻線のd軸電流指令及びq軸電流指令を設定し、前記第2巻線のm−1相の巻線の電流検出値を用い、座標変換を行って、前記第2巻線のd軸電流検出値及びq軸電流検出値を算出し、
前記第1巻線のd軸電流検出値と前記第2巻線のd軸電流検出値との差であるd軸電流検出値の差を算出し、前記第1巻線のq軸電流検出値と前記第2巻線のq軸電流検出値との差であるq軸電流検出値の差を算出し、前記第1巻線のd軸電流指令又は前記第1巻線のd軸電流検出値と、前記第2巻線のd軸電流指令又は前記第2巻線のd軸電流検出値との和であるd軸電流の和を算出し、前記第1巻線のq軸電流指令又は前記第1巻線のq軸電流検出値と、前記第2巻線のq軸電流指令又は前記第2巻線のq軸電流検出値との和であるq軸電流の和を算出し、
前記d軸電流検出値の差を前記q軸電流の和により補正し、前記q軸電流検出値の差を前記d軸電流の和により補正し、補正後のd軸電流検出値の差及び補正後のq軸電流検出値の差に基づいて、前記電圧指令を算出する請求項1から6のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。 - 前記電圧指令演算部は、
前記第2タイミングに対する前記第1タイミングの相対時刻を2×δとし、ロータの電気角速度をωとし、前記d軸電流検出値の差をId_det_diffとし、前記q軸電流の和をIq_sumとし、前記補正後のd軸電流検出値の差をId_det_diffhとし、
Id_det_diffh=Id_det_diff+ω×δ×Iq_sum
の算出式により前記補正後のd軸電流検出値の差を算出し、
前記q軸電流検出値の差をIq_det_diffとし、前記d軸電流の和をId_sumとし、前記補正後のq軸電流検出値の差をIq_det_diffhとし、
Iq_det_diffh=Iq_det_diff−ω×δ×Id_sum
の算出式により前記補正後のq軸電流検出値の差を算出する請求項7に記載の交流回転機の制御装置。 - 前記電圧指令演算部は、
前記第1巻線のd軸電流検出値と前記第2巻線のd軸電流検出値との和であるd軸電流検出値の和を算出し、前記第1巻線のq軸電流検出値と前記第2巻線のq軸電流検出値との和であるq軸電流検出値の和を算出し、
前記d軸電流検出値の和を前記q軸電流の和により補正し、前記q軸電流検出値の和を前記d軸電流の和により補正し、補正後のd軸電流検出値の和及び補正後のq軸電流検出値の和に基づいて、前記電圧指令を算出する請求項7又は8に記載の交流回転機の制御装置。 - 前記電圧指令演算部は、
前記第2タイミングに対する前記第1タイミングの相対時刻を2×δとし、ロータの電気角速度をωとし、前記d軸電流検出値の和をId_det_sumとし、前記q軸電流の和をIq_sumとし、前記補正後のd軸電流検出値の和をId_det_sumhとし、前記第1巻線と前記第2巻線との間の電流の分配比をKaとし、
Id_det_sumh=Id_det_sum+(2×Ka−1)×ω×δ×Iq_sum
の算出式により前記補正後のd軸電流検出値の和を算出し、
前記q軸電流検出値の和をIq_det_sumとし、前記d軸電流の和をId_sumとし、前記補正後のq軸電流検出値の和をIq_det_sumhとし、
Iq_det_sumh=Iq_det_sum−(2×Ka−1)×ω×δ×Id_sum
の算出式により前記補正後のq軸電流検出値の和を算出する請求項9に記載の交流回転機の制御装置。 - ロータの回転に応じて、順番に電気角で90degずつ位相がずれた第1正弦波信号、第2正弦波信号、第3正弦波信号、第4正弦波信号を出力する角度センサの出力信号を検出し、前記第1正弦波信号、前記第2正弦波信号、前記第3正弦波信号、及び前記第4正弦波信号の検出値に基づいて前記交流回転機の回転角度を演算する回転検出部を更に備え、
前記電圧指令演算部は、前記回転角度に基づいて、前記電圧指令を算出し、
前記回転検出部は、前記第1正弦波信号と前記第3正弦波信号とを対にし、前記第1正弦波信号の検出タイミングと前記第3正弦波信号の検出タイミングとを前記基準タイミングに対して前後対称に設定する共に、前記第2正弦波信号と前記第4正弦波信号とを対にし、前記第2正弦波信号の検出タイミングと前記第4正弦波信号の検出タイミングとを前記基準タイミングに対して前後対称に設定する請求項1から10のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。 - 前記回転検出部は、前記第1正弦波信号と前記第3正弦波信号との対と、前記第2正弦波信号と前記第4正弦波信号との対から、それぞれ1信号ずつ選択した1信号と1信号とをセットにした2セットを設定し、各セットの2信号を、同一タイミングで検出する請求項11に記載の交流回転機の制御装置。
- 前記電流検出部は、前記第1タイミング及び前記第2タイミングを、前後対称に設定された前記第1正弦波信号、前記第2正弦波信号、前記第3正弦波信号、及び前記第4正弦波信号の検出タイミングの間に設定している請求項11又は12に記載の交流回転機の制御装置。
- 前記角度センサの軸倍角は、前記交流回転機の極対数以下である請求項11から13のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。
- ロータの回転に応じて、互いに電気角で90deg位相が異なる正弦波信号及び余弦波信号を出力する角度センサの出力信号を検出し、前記正弦波信号及び前記余弦波信号の検出値に基づいて前記交流回転機の回転角度を演算する回転検出部を更に備え、
前記電圧印加部は、前記回転角度に基づいて、前記電圧指令を算出し、
前記回転検出部は、前記正弦波信号及び前記余弦波信号を前記基準タイミングで検出する請求項1から10のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置。 - 請求項1から15のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置と、
車輪の駆動力源となる前記交流回転機と、を備えた車両用交流回転機装置。 - 請求項1から15のいずれか一項に記載の交流回転機の制御装置と、
車輪の操舵装置の駆動力源となる前記交流回転機と、を備えた電動パワーステアリング装置。
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