JP2020526013A - コイルによって運動可能な部材を駆動制御する方法および装置ないし電磁弁 - Google Patents

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Abstract

本発明は、コイル(104)によって運動可能な部材(102)を駆動制御する方法に関する。ここで、コイル(104)を流れる電流および/またはコイル(104)に印加される電圧をサンプリングして、コイル信号(112)を生成する。さらなるステップでは、コイル信号(112)を使用して、部材(102)の震動運動を表す少なくとも1つの運動パラメータ(116)を決定する。最後に、任意で、震動運動を目標値(120)に適合させるために、震動運動を生成するためのディザ信号(122)の少なくとも1つの信号パラメータを、運動パラメータ(116)を少なくとも1つの目標値(120)と比較することで変更する。

Description

本発明は、独立形式請求項の上位概念による装置または方法に基づく。本発明は、コンピュータプログラムも対象である。
変位センサなしの電磁作動弁が知られており、その仕切弁または電機子は、静止摩擦またはヒステリシスによる妨害効果を低減するために、ディザとも呼ばれる小さな周期的な震動運動を作動時に実施できる。震動運動が大きすぎる場合、望ましくない大きな漏れまたは大きなエネルギー消費につながる可能性がある。これに対し、震動運動が小さすぎる場合、または電機子が停止している場合、弁のヒステリシス特性および動特性が著しく悪化する可能性がある。そのような弁の典型的な例は、変位測定のない油圧調整弁または単純な油圧連続弁である。
この背景に対して、ここで提示するアプローチでは、コイルによって運動可能な部材を駆動制御する方法、さらに、この方法を使用する装置、電磁弁、最後に、主請求項にかかる対応するコンピュータプログラムが提示される。従属請求項に挙げられている手段により、独立形式請求項に記載された装置の有利な展開と改善が可能になる。
コイルによって運動可能な部材、例えば電磁弁を駆動制御する方法が提示され、この方法は、
コイルを流れる電流および/またはコイルに印加される電圧をサンプリングおよびフィルタリングして、コイル信号を生成するステップと、
コイル信号を使用して、部材の震動運動を表す少なくとも1つの運動パラメータを決定するステップと、
を含んでいる。
変更する任意のステップでは、震動運動を目標値に適合させるために、震動運動を生成するためのディザ信号の少なくとも1つの信号パラメータを、運動パラメータを少なくとも1つの目標値と比較することで変更できる。
コイルは、磁場を生成するためのインダクタンスを形成する電気的な構成要素であると理解できる。部材、例えば弁部材は、例えば電磁弁などを直接的または間接的に開閉する部材であると理解できる。部材は、例えば、ロッド形状またはステム形状とすることができ、コイル内またはコイルに接して変位可能に配置することができる。さらに、部材は、例えば戻しばねに連結できる。電磁弁が使用される場合、電磁弁は、例えば、直接制御、パイロット制御、強制制御または圧力制御の油圧または空気圧弁であってよい。電磁弁は、駆動磁石と油圧部材の構造的な組み合わせとしても形成できる。
サンプリングおよびフィルタリングは、2つの方法で実行できる。第1の方法では、コイル信号(電流測定、電圧測定または電流測定および計算された電圧信号)は、遮断周波数がディザ周波数より大きく、通常は発生する最大ディザ周波数の1.5倍であるローパスフィルタで平滑化され、その後サンプリングされる。ディザ周期ごとに20〜40のポイントを用いたPWM(pulse width modulation)同期サンプリングが有利であり、ディザ周期ごとに30のポイントの値が有利である。次に、この信号は、決定を準備するためにデジタルでフィルタリングされて、信号の微分を生成する。ここでは、ディザ周波数に対応したフィルタ遮断周波数が好ましい。
2番目の方法では、PWM周期ごとに少なくとも7つのサンプリングポイントを用いて、コイル信号を直接およびPWM同期でサンプリングする。フィルタリングは、運動平均化を使用して、正確にPWM周期の長さにわたって実行される。次に、この信号は、決定を準備するためにデジタルでフィルタリングされて、信号の微分を生成する。この場合も、ディザ周波数に対応したフィルタ遮断周波数が好ましい。
運動パラメータは、例えば、震動運動中の部材の速度または経路であると理解できる。ディザ信号の信号パラメータは、ディザ信号の振幅、周波数、または信号形状であると理解できる。ディザ信号は、例えばパルス幅変調によって発生でき、任意の周期的な信号形状を有することができる。目標値は、例えば、震動運動に関する速度仕様またはディザ信号の最大振幅であると理解することができる。
例えば、電磁弁を駆動するためには、通常、コイルに3.125kHzの矩形パルス幅変調電圧信号が印加され、時間依存の基本電流信号が生成される。500Hz〜5kHzのPWM周波数も考えられる。電圧信号のパルス幅を調整することにより、30Hz〜250Hzの範囲の周波数を有する周期的なディザ信号が基本信号に変調される。30Hz〜250Hzの周波数範囲の低周波PWMも、ディザ信号として直接使用することが考えられる。
ここで提示されるアプローチは、例えば油圧弁などの電磁弁の電機子の運動状態をセンサレスで決定および制御するために、コイル電流および/またはコイル電圧がサンプリングされ、速度や経路などの対応する運動パラメータに換算されるという知識に基づく。物理モデル方程式には、コイルにかかる電圧とコイルを流れる電流とが含まれる。一実施形態によれば、運動状態を決定するために両方が知られているべきである。コイルにかかる電圧は、バッテリ電圧とパルス幅変調のデューティサイクルからサンプリングまたは計算できる。そのような方法を用いて、追加のセンサを利用することなく、電機子の震動運動を検出し、それを適切な方法で目標設定値に適合させることが可能である。したがって、有利には、現在の油圧負荷の影響、または震動運動を調整する際の摩擦の増加などの経年変化の影響を考慮することができる。この方法は、部材のシーリングギャップの堆積物がディザの運動を妨げる場合に特に有利であると判明している。サンプリング、決定、および変更のステップを通じて、弁の汚れの程度に関係なく、望ましいディザの運動が生じるように、ディザのパラメータを恒常的に適合することができる。
例えば、サンプリングステップでは、信号のPWM周波数および/またはPWM周期に応じたサンプリングレートで電流および/または電圧をサンプリングできる。ここで、電流および/または電圧は、PWM周期ごとに少なくとも7回サンプリングできる。例えば、電流をサンプリングし、バッテリ電圧およびパルス幅変調信号のデューティサイクルから電圧を計算できる。コイル信号は、発生する最大のディザ周波数よりも高い遮断周波数のローパスフィルタを用いてフィルタリングできる。コイル信号または事前フィルタリングされたコイル信号は、デジタルでローパスフィルタリングでき、フィルタリングの遮断周波数は、コイル信号または事前フィルタリングされたコイル信号の時間微分を生成するために、ディザ信号のオーダーである。
一実施形態によれば、バッテリ電圧U_battを測定する代わりに、印加電圧がデューティサイクルおよびダイオード電圧からPWM同期で計算される。
さらなる実施形態によれば、PWM信号のデューティサイクルが適合されることによって、変更ステップで信号パラメータを変更できる。これによって、ディザ信号を特に効率的に生成できる。
さらに、決定ステップでは、震動運動をシミュレートする少なくとも1つのモデル関数を使用して運動パラメータが決定されると有利である。モデル関数は、例えば運動パラメータを時間依存して表すために、経験的に決定された物理モデルに基づいた関数方程式であると理解できる。これによって、運動パラメータは、比較的少ない計算コストで、高い精度および信頼性で決定できる。
さらに、平均化されたコイル信号を生成するために、平均化ステップでコイル信号を平均化することができる。したがって、運動パラメータは、決定ステップで平均化されたコイル信号を使用して決定することができる。例えば、平均化されたコイル信号は、電流および/または電圧の平均値を表すことができる。これによって、方法はエラーの影響を受けにくくなる。
さらなる実施形態によれば、決定ステップでは、速度または、追加的または代替的に、部材の経路を運動パラメータとして決定することができる。その結果、運動パラメータは、少ない計算コストおよび十分な精度で決定することができる。
変更ステップでは、ディザ信号の振幅、または追加的にまたは代替的に、ディザ信号の周波数を信号パラメータとして変えることができる。これにより、ディザ信号を正確に、効率的かつ柔軟に目標値に適合させることができる。
この方法は、例えば、ソフトウェアまたはハードウェアで、またはソフトウェアとハードウェアの混合形式で、例えば制御装置で実施できる。
さらに、ここで提示するアプローチは、対応する装置で、ここで提示する方法の変形のステップを実行、駆動制御、または実装するように構成された装置を生成する。装置の形態の本発明のこの実施形態の変形はまた、本発明が基づく課題を迅速かつ効率的に解消することができる。
このために、装置は、信号またはデータを処理するための少なくとも1つの演算装置、信号またはデータを保存するための少なくとも1つのメモリユニット、センサまたはセンサからセンサ信号を読み取るための、またはデータまたは制御信号をアクチュエータへ出力するための、センサまたはアクチュエータへの少なくとも1つのインターフェース、および/または、通信プロトコルに埋め込まれたデータを読み取るためのおよび/または出力するための少なくとも1つの通信インターフェースを有する。演算装置は、例えば、信号プロセッサ、マイクロコントローラなどであり、記憶ユニットは、フラッシュメモリ、EPROM(electrically erasable programmable Read−Only Memory)、または磁気メモリユニットであり得る。通信インターフェースは、無線および/または回線接続でデータを読み取りまたは出力するように構成することができ、回線接続でデータを読み取りまたは出力できる通信インターフェースは、例えば電気的または光学的に、対応するデータ伝送回線からこのデータを読み取るか、または対応するデータ伝送回線に出力できる。
本明細書で、装置とは、センサ信号を処理し、センサ信号に応じて制御信号および/またはデータ信号を出力する電気機器であると理解することができる。装置は、ハードウェアおよび/またはソフトウェアによって構成できるインターフェースを有することができる。ハードウェアによる構成の場合、インターフェースは、例えば装置の様々な機能を含む、いわゆるシステムASIC(application specific integrated circuit)の一部とすることができる。しかしながら、インターフェースが別個の集積回路であるか、少なくとも部分的に個別の構成要素から構成されてもよい。ソフトウェアによる構成の場合、インターフェースは、他のソフトウェアモジュールに加えて、例えばマイクロコントローラ上に存在するソフトウェアモジュールとすることができる。
さらに、ここで提示するアプローチは、以下の機能を備えた電磁弁を生成する。
少なくとも1つのコイルと、
コイルによって運動可能な少なくとも1つの部材と、前述の実施形態にかかる装置。
同様に有利なのは、特に、プログラム製品またはプログラムがコンピュータまたは装置で実施される場合に、半導体メモリ、ハードディスクメモリ、または光学メモリなどの機械読み取り可能なキャリアまたはメモリ媒体に保存でき、上述の実施形態の1つによる方法ステップを実行、実装、および/または駆動制御するために使用される、プログラムコードを備えたコンピュータプログラム製品またはコンピュータプログラムである。
本発明の実施例を図面に示し、以下の説明で詳述する。
一実施例にかかる電磁弁の概略図を示す。 一実施例にかかる、電磁弁の一部を駆動制御する際のフローを表すためのブロック図を示す。 一実施例にかかる方法のフローチャートを示す。
本発明の好ましい実施例の以下の説明では、様々な図に示され、同様に作用する要素に対しては同じまたは類似の参照番号が使用され、これらの要素の繰り返しの説明は省略される。
以下の図を参照して、ここで説明する方法は、例えば電磁弁を用いて説明される。
図1は、実施例にかかる電磁弁100の概略図を示す。電磁弁100は、電磁弁100を開閉するための部材102を含む。部材102は、電機子または仕切弁とも呼ばれ、コイル104によって電磁的に運動することができる。このため、コイル104はバッテリ106に接続されている。部材102は、コイル104によって震動運動に移行するように構成されており、震動運動によって部材102の静摩擦を低減することができる。部材102を駆動制御するために、電磁弁100は、実施例に応じてコイル104を流れる電流I(t)および/またはコイル104に印加する電圧U(t)を表すコイル生信号111を、所定のサンプリングレートでサンプリングし、任意の平均化ユニット138を介して装置108の決定ユニット114にコイル信号112として転送されるように構成されたサンプリングユニット110を備えた装置108を含む。決定ユニット114は、コイル信号112を使用して、少なくとも1つの運動パラメータ116、例えば、チター運動中の部材102の速度または経路を決定するように構成されている。決定ユニット114は、例えばディザコントローラの形態の変更ユニット118に接続されており、変更ユニット118は、決定ユニット114から運動パラメータ116を受信し、少なくとも1つの目標値120、例えば速度目標値と比較し、運動パラメータ116と目標値120との間で算出された偏差は、部材102の震動運動を生成するために必要なディザ目標信号121の少なくとも1つの信号パラメータ、例えばその周波数または振幅を、震動運動が目標値に近づくように変更するように構成されている。
図1に示される実施例によれば、運動パラメータ116を使用して変更ユニット118によって適合されるディザ目標信号121は、コイル104を流れる実際の電流の測定126を目標電流122に適合させるために構成された電磁弁100の電流コントローラ124へ、加算点を介して提供される。目標電流122は、ディザ目標信号121と目標電流平均値128とから構成される。この適合の結果、電流コントローラ124はとりわけ、部材102の震動運動を生成するために機能する、ディザ目標信号121に基づくパルス幅変調信号130を生成する。一例として、図1にかかる実際の電流の測定126は、増幅器134が接続されたシャント132を使用して行われる。電流コントローラ124は、一例として電界効果トランジスタ136を介してシャント132に接続されている。
一実施例では、108における全てのプロセス110〜118が、PWM周期とも呼ばれる電流コントローラ124によって提供されるパルス幅変調信号130の周期に応じて行われ、特に運動パラメータ116の決定も行われる。コイル生信号111のサンプリング、および変更ユニット118における変更の計算のPWM周期への依存関係は、破線の接続線で示されている。
さらなる実施例では、全てのプロセス110〜118は、変更ユニット118によって生成されるディザ信号121の周期に依存して行われる。この実施例では、サンプリングユニット110は、上流ローパスフィルタと組み合わされる。ここで、ローパスフィルタリングされたコイル生信号111は、例えばディザ周期ごとに30のポイントでサンプリングされる。コイル信号111のサンプリングのディザ周期への依存関係は、変更ユニット118とサンプリングユニット110との間の一点鎖線の接続線によって示されている。
図1に示す実施例によれば、装置108は、サンプリングユニット110からコイル信号112を受信し、コイル信号112、例えば電流I(t)または電圧U(t)に基づいて平均化を実行するように構成された任意の平均化ユニット138を有する。平均化の結果として、平均化ユニット138は平均化されたコイル信号140を決定ユニット114に出力し、決定ユニット114は、平均化されたコイル信号140に基づいて運動パラメータ116を決定するように構成されている。
図1から分かるように、運動パラメータ116は、例えば、最初に決定ユニット114の対応する演算装置144内の対応するモデル関数を使用して、適切な物理モデルに基づいて決定される。この計算ユニット114に関連して示される正弦曲線は、典型的な速度曲線の例である。この計算によって生じる震動運動を表す速度曲線146は、決定ユニット114のさらなる演算装置148に送られ、演算装置148は、最終的に信号146を使用して目標値と比較されるディザ周期ごとの実際のピーク速度として、運動パラメータ116を計算する。
図2は、実施例にかかる電磁弁の一部102、例えば図1を参照して先に示した電磁弁の一部102を駆動制御する際のフローラーランナーを示すブロック回路図を示す。電流コントローラ124の電流目標値128を設定する制御装置200を備えた、電磁弁の例示的な構成が示されている。典型的なパルス幅変調電圧202を生成することにより、電流コントローラ124は、特定の電流126がコイル104を流れることをもたらす。電流126は力204を生成し、ひいては特定の速度および特定の経路を特徴とする部材102、例えば電機子・仕切弁アセンブリの運動205を生成する。
検出部とも呼ばれる決定ユニット114は、それぞれコイル信号112を構成する電圧202および電流126の測定量から、部材102の実際の運動状態に関する情報を取得する。
決定ユニット114には、信号の流れ方向に加算ポイントが接続され、そこでは、部材の運動状態を記述するパラメータ116が、ブロック206で決定されたディザ設定値と比較される。
ディザユニットと呼ばれるブロック206は、例えば温度、電流平均値などの動作点を考慮して、部材102の所望の震動動作をもたらす、例えば周期的なディザ設定信号120の周波数、振幅または信号形状などの所望の特性を決定する。
適応部とも呼ばれる変更ユニット118では、電流コントローラ124内の電流信号126におけるディザ成分の生成を制御する信号121が生成される。これは、変更ユニット118が、信号121のパラメータ、例えば振幅を適切に増加または減少させ、最終的に、部材102の運動状態を所望の方向に変更するために使用することによって生じる。
すでに述べたように、部材102の運動は、例えば、コイル104を通る電流に対する電機子運動の反作用を考慮したモデル方程式を使用して識別される。上記のモデル関数とも呼ばれるこのモデル方程式は、
Figure 2020526013
を有し、コイル電流Iとその時間微分とコイル104の電圧Uおよびその時間微分と電機子位置sおよび電機子速度vとの関係を示す。この関数は一般的に線形ではなく、磁気回路の性質に依存する。電磁弁の作動範囲内の関数がvまたはsにわずかしか依存しない場合、電機子の運動状態は特に簡単に計算できる。この場合、依存関係は無視でき、上記のモデル方程式はsまたはvについて解かれ、したがって、既知の量の電流または電圧とそれらの微分から各時点の経路または速度を計算できる。
存在する震動運動の強さは、この方法で計算された経路の経過または時間の経過速度から決定される。震動運動の強さが大きすぎる、または小さすぎる場合、震動運動の強さを所望の値に設定するために、重畳された周期的ディザ目標信号121がそれに応じて適合される。
モデル方程式のsとvに対する依存関係が無視できるほど小さい場合、特定の電流平均値と既知の電流平均値の履歴では、電磁弁に常に同様の力と、ひいては常に同様のストロークとが存在するという事実が利用され、vによるモデル方程式の解答につながることができる。vの計算時にこの方法で達成できる精度は、ほとんどの場合、部材102の望ましい震動運動を設定するのに十分である。
変更ユニット118は、震動運動の特性曲線、例えば震動の最大振幅を使用して、制御の意味で、ディザ目標信号121の少なくとも1つの信号パラメータ、例えばその振幅または周波数を適合させる。制御技術分野の様々なバリエーションが可能である。
− 2点制御、3点制御、または同様のシンプルなコンセプト、例えばデッドゾーンとPフィードバック(震動運動は特定の範囲内で許容され、適合が不要である)と、
− 震動運動の目標パラメータと実際のパラメータとの間の差を制御偏差として使用するPIDコントローラと、
− 他の環境パラメータに応じてディザ信号パラメータを調整する(パイロット)制御のパラメータまたは特性曲線の適合。
電流コントローラ124の動特性と比較して遅い適応部の構成は、電流コントローラ124との望ましくない相互作用を回避するために有利である。これは、例えば、計算された運動パラメータ116をフィルタリングすることにより行われる。
電圧202または電流126は、例えば、非常に高いサンプリングレートを備えたプロセッサによってサンプリングされる。この高いサンプリングレートによってのみ、電機子の速度を計算するための物理モデルに、対応するサンプリング値を効率的に供給でき、したがって、電機子速度をディザ制御の設定値として計算でき、ディザ制御に対して正常に使用できる。
図3は、実施例にかかる方法300のフローチャートを示す。コイルによって運動可能な電磁弁の一部を駆動制御するための方法300は、例えば、図1および2を参照して先に説明したような装置によって実行することができる。ここで、ステップ310において、コイル電流またはコイルに印加される電圧を十分に高いサンプリングレートでサンプリングすることにより、コイル信号が生成される。さらなるステップ320では、部材の震動運動を表す少なくとも1つの運動パラメータ、例えば震動運動中の部材の速度または経路が、コイル信号を使用して決定される。特に、運動パラメータは、部分運動に関して、対応する関数方程式の形式で、物理モデルに基づいて決定される。さらなるステップ330で、ディザ信号は、例えばパルス幅変調により生成される震動運動を生成するように適合される。その際、運動パラメータは、例えば速度設定値などの少なくとも1つの設定された目標値と比較され、ディザ信号の少なくとも1つの信号パラメータを適切に制御することにより、震動運動が目標値に近づけられる。
実施例が第1の特徴と第2の特徴との間に「および/または」の連結を含む場合、これは、一実施形態にかかる実施例が、第1の特徴および第2の特徴の両方を有し、さらなる実施形態にかかる実施例が、第1の特徴または第2の特徴のいずれか片方を有すると読まれるべきである。

Claims (18)

  1. コイル(104)によって運動可能な部材(102)を駆動制御する方法(300)であって、
    前記コイル(104)を流れる電流(126)および/または前記コイル(104)に印加される電圧(202)をサンプリングして(310)、コイル信号(112)を生成するステップと、
    前記コイル信号(112)を使用して、前記部材(102)の震動運動を表す少なくとも1つの運動パラメータ(116)を決定する(320)ステップと、
    を含む方法。
  2. 前記震動運動を目標値(120)に適合させるために、前記運動パラメータ(116)を少なくとも1つの目標値(120)と比較することで、前記震動運動を生成するためのディザ目標信号(121)の少なくとも1つの信号パラメータを変更する(330)ステップを備える、請求項1に記載の方法(300)。
  3. 前記サンプリング(310)ステップでは、前記電流(126)および/または前記電圧(202)は、前記ディザ信号(121)のディザ周波数および/またはディザ周期に応じたサンプリングレートでサンプリングされる、請求項1または2に記載の方法(300)。
  4. 前記サンプリング(310)ステップでは、前記電流(126)および/または前記電圧(202)は、ディザ周期ごとに20回から40回サンプリングされる、請求項3に記載の方法(300)。
  5. 前記サンプリング(310)ステップでは、前記電流(126)および/または前記電圧(202)は、前記信号(130)のPWM周波数および/またはPWM周期に応じたサンプリングレートでサンプリングされる、請求項1または2に記載の方法(300)。
  6. 前記サンプリング(310)ステップでは、前記電流(126)および/または前記電圧(202)は、PWM周期ごとに少なくとも7回サンプリングされる、請求項5に記載の方法(300)。
  7. 前記電流(126)はサンプリングされ、前記バッテリ電圧(202)は、バッテリ電圧とパルス幅変調信号のデューティサイクルから計算される、請求項1または2に記載の方法(300)。
  8. コイル生信号(111)が、発生する最大のディザ周波数よりも高い遮断周波数のローパスフィルタを用いてフィルタリングされる、請求項1または2に記載の方法(300)。
  9. 前記コイル信号(112)または事前フィルタリングされたコイル信号は、デジタルでローパスフィルタリングでき、フィルタリングの遮断周波数は、前記コイル信号(112)または前記事前フィルタリングされたコイル信号の時間微分を生成するために、前記ディザ信号(121)のオーダーである、請求項1または2に記載の方法(300)。
  10. 前記決定(320)ステップでは、前記震動運動をシミュレートする少なくとも1つのモデル関数を使用して前記運動パラメータ(116)が決定される、請求項1〜9のいずれか一項に記載の方法(300)。
  11. 平均化されたコイル信号(140)を生成するための、前記コイル信号(112)を平均化するステップを備え、前記決定(320)ステップでは、前記運動パラメータ(116)は、平均化された前記コイル信号(140)を使用して決定される、請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法(300)。
  12. 前記決定(320)ステップでは、前記部材(102)の速度および/または経路が、前記運動パラメータ(116)として決定される、請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法(300)。
  13. 前記決定(320)ステップでは、前記部材(102)の速度および/または経路の振幅または実効値が、前記運動パラメータ(116)として決定される、請求項1〜12のいずれか一項に記載の方法(300)。
  14. 前記変更(330)ステップでは、前記ディザ目標信号(121)の振幅または実効値および/または周波数が、前記信号パラメータとして変更される、請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法(300)。
  15. 請求項1〜14のいずれか一項に記載の方法(300)を実施および/または駆動制御するために構成されている、ユニット(110,114,118,124,132,134,136,138,144,148)を備えた装置(108)。
  16. 少なくとも1つのコイル(104)と、
    前記コイル(104)によって運動可能な少なくとも1つの部材(102)と、
    請求項15にかかる装置(108)と、
    の特徴を備えた電磁弁(100)。
  17. 請求項1〜14のいずれか一項に記載の方法(300)を実施および/または駆動制御するために構成されているコンピュータプログラム。
  18. 請求項17による前記コンピュータプログラムが保存されている、機械読み取り可能なメモリ媒体。
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