JP2022044244A - モータ駆動装置、及びモータ駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】出力インダクタの飽和に伴う過電流を事前に防止することができる小型且つ安価なモータ駆動装置を提供する。【解決手段】モータ駆動装置１は、モータＭを駆動するための駆動電流Ｉdriveを出力するスイッチング回路１０と、駆動電流Ｉdriveを平滑化する出力インダクタと、出力インダクタとモータＭとの間で駆動電流Ｉdriveを検出するシャント抵抗Ｒ０と、検出された駆動電流Ｉdriveと外部からの電流指令値Ｓｃとの差分に基づいてスイッチング回路１０をＰＷＭ制御する制御装置３０と、を備え、制御装置３０は、スイッチング回路１０を最大デューティで制御した場合に駆動電流Ｉdriveが所定の定格電流Ｉｒのリプル電流の下限値Ｉｕから出力インダクタの飽和電流Ｉｓへ達するまでの時間を制限時間Ｔｍとして設定し、最大デューティの継続時間が制限時間Ｔｍに達する前にＰＷＭ制御を停止する。【選択図】図１

Description

本発明は、モータ駆動装置、及びモータ駆動方法に関する。

４つのスイッチング素子でフルブリッジ回路（Ｈブリッジ）を構成することにより、モータの駆動電流を出力するモータ駆動装置が広く利用されている。例えば、特許文献１及び特許文献２に記載された従来技術では、当該モータ駆動装置における各スイッチング素子がＰＷＭ制御されることにより、モータへ供給される駆動電流の向き及び大きさを所定の定格電流の範囲内でＰＷＭのデューティに応じて制御することができる。これらの従来技術は、より具体的には、フルブリッジ回路の出力電流としての駆動電流をフィードバックし、外部から入力される電流指令値と当該駆動電流とが一致するように各スイッチング素子に対するデューティを調整している。

ところで、このようなモータ駆動装置は、ＰＷＭのデューティを増加させることにより、モータへ供給される駆動電流が増加するだけでなく、電流指令値に対する駆動電流の追従性を向上させてモータの応答速度を上げることもできる。このため、モータ駆動装置は、応答速度の向上を目的として、デューティを１００％に制御することがある。ただし、デューティが１００％の状態が継続すると、フルブリッジ回路の出力インダクタを流れる駆動電流がやがて飽和電流に達して過電流となってしまう。このため、例えば駆動電流が所定の閾値を超えた場合にＰＷＭ制御を停止するなどの過電流保護機能を設ける必要がある。

ただし、このような過電流保護を行う場合、モータ駆動装置の出力側の電流を検知して所定の閾値と比較し、過電流状態と判定されたときにフルブリッジ回路のＰＷＭ制御が停止されるため、ＰＷＭ制御を停止するタイミングにおいては既に駆動電流が飽和電流を超過していることが起こり得る。

そこで、一般的なモータ駆動装置は、例えば特許文献３のように、スイッチング素子にシャント抵抗を設けることで、フルブリッジ回路の入力側の電流を検知して過電流保護を行い、駆動電流が飽和電流に達する前に対処している。

特開２００４－１２９３１８号公報 特開２０１２－２０００４７号公報 特開２００６－２４８４６２号公報

しかしながら、特許文献３に記載された従来技術のようにシャント抵抗で電流を検出する場合、高速信号を検出するためには当該シャント抵抗として比較的高価な無誘導の抵抗素子を選定する必要がありコストの上昇を招来する虞が生じる。また、上記のようにスイッチング素子に接続されたシャント抵抗を接地する必要があり、これが制御装置のグランドレベルと一致するとは限らない。このためモータ駆動装置は、シャント抵抗と制御装置とのグランドレベルを相互に絶縁するための絶縁回路が必要となり、回路規模が大きくなることで小型化が妨げられる虞が生じる。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、出力インダクタの飽和に伴う過電流を事前に防止することができる小型且つ安価なモータ駆動装置、及びモータ駆動方法を提供することにある。

本発明に係るモータ駆動装置は、モータを駆動するための駆動電流を出力するスイッチング回路と、前記駆動電流を平滑化するインダクタと、前記インダクタと前記モータとの間で前記駆動電流を検出する電流検出部と、前記電流検出部により検出された前記駆動電流と外部から入力される電流指令値との差分に基づいて前記スイッチング回路をＰＷＭ制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記スイッチング回路を最大デューティで制御した場合に前記駆動電流が所定の定格電流から前記インダクタの飽和電流へ達するまでの時間を制限時間として設定し、前記最大デューティの継続時間が前記制限時間に達する前に前記ＰＷＭ制御を停止する。

モータ駆動装置は、モータに出力する駆動電流を調整するため、電流検出部から当該駆動電流をフィードバックしてスイッチング回路をＰＷＭ制御する。ここで、モータ駆動装置には、駆動電流を平滑化するためにインダクタが設けられている。また、モータ駆動装置は、スイッチング回路を最大デューティで制御した場合に、駆動電流が所定の定格電流から当該インダクタの飽和電流へ達するまでの時間を制限時間として設定する。そして、モータ駆動装置は、最大デューティでの制御による継続時間をカウントし、設定した制限時間に当該継続時間が達する前にＰＷＭ制御を停止する。

これにより、モータ駆動装置は、駆動電流が定格電流から飽和電流まで上昇する制限時間を予め予測してＰＷＭ制御を停止することにより、駆動電流が飽和電流を超過することによる過電流を事前に防止することができる。また、モータ駆動装置は、接地が必要となる無誘導シャント抵抗を過電流保護のためにスイッチング回路に設ける必要がなく、回路規模の拡大を防止することができる。従って、モータ駆動装置によれば、小型且つ安価に、出力インダクタの飽和に伴う過電流を事前に防止することができる。

本発明によれば、出力インダクタの飽和に伴う過電流を事前に防止することができる小型且つ安価なモータ駆動装置を提供することができる。

モータ駆動装置の全体構成を表す回路図である。 駆動電流が定格電流である状態からＰＷＭ制御が最大デューティに移行した場合の駆動電流の変化、及びスイッチング回路の制御を表すタイミングチャートである。

以下、図面を参照し、実施の形態について詳細に説明する。なお、本開示は、以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施の形態の説明に用いる図面は、いずれも構成を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、又は省略などを行っており、構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。

＜第１実施形態＞
図１は、モータ駆動装置１の全体構成を表す回路図である。モータ駆動装置１は、第１入力端子Ｔｉｎ１及び第２入力端子Ｔｉｎ２からなる一対の入力端子に入力された入力電圧Ｖｉｎを変換することにより、モータＭを駆動するための駆動電流Ｉdriveを形成し、第１出力端子Ｔｏｕｔ１及び第２出力端子Ｔｏｕｔ２からなる一対の出力端子を介してモータＭに出力する電源回路である。

ここで、モータＭは、本実施形態においては例えば単相直流モータであり、図１では直列接続されたモータインダクタＬｍ、及びモータ抵抗Ｒｍからなる等価回路が示されている。また、モータＭは、回転型モータであってもよく、リニアモータであってもよい。そして、モータＭは、モータ駆動装置１から供給される駆動電流Ｉdriveの向き及び大きさに応じて駆動方向及び駆動速度が制御される。

モータ駆動装置１は、主要構成として、スイッチング回路１０、出力フィルタ回路２０、「電流検出部」としてのシャント抵抗Ｒ０、制御装置３０、及びゲートドライバ４０を備える。

スイッチング回路１０は、フルブリッジ又はＨブリッジと呼ばれる回路構成であり、半導体スイッチング素子からなる第１スイッチＳ１～第４スイッチＳ４を含む。尚、半導体スイッチング素子は、本実施形態においてはＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）として例示しているが、他の種類の電界効果トランジスタであってもよく、バイポーラトランジスタやＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であってもよい。

ここで、ＭＯＳＦＥＴからなる第１スイッチＳ１～第４スイッチＳ４は、各ゲートが後述するゲートドライバ４０に接続され、ＰＷＭ制御（Pulse Width Modulation）されることによりＯＮ／ＯＦＦが切り替えられる。第１スイッチＳ１は、ドレインが第３スイッチＳ３のドレインと共に第１入力端子Ｔｉｎ１に接続され、ソースが第２スイッチＳ２のドレインに接続されている。第４スイッチＳ４は、ドレインが第３スイッチＳ３のソースに接続され、ソースが第２スイッチＳ２のソースと共に第２入力端子Ｔｉｎ２に接続されている。

出力フィルタ回路２０は、第１出力インダクタＬｏｕｔ１、第２出力インダクタＬｏｕｔ２、及び出力コンデンサＣｏｕｔを含む。第１出力インダクタＬｏｕｔ１は、一端が第３スイッチＳ３と第４スイッチＳ４との接続点に接続され、他端が出力コンデンサＣｏｕｔの一端に接続されている。第２出力インダクタＬｏｕｔ２は、一端が第１スイッチＳ１と第２スイッチＳ２との接続点に接続され、他端が出力コンデンサＣｏｕｔの他端に接続されている。これにより、出力フィルタ回路２０は、スイッチング回路１０から出力された出力電流を平滑化し、第１出力端子Ｔｏｕｔ１及び第２出力端子Ｔｏｕｔ２を介してモータＭに駆動電流Ｉdriveを供給する。

シャント抵抗Ｒ０は、本実施形態においては一端が第１出力インダクタＬｏｕｔ１の他端に接続され、他端が第１出力端子Ｔｏｕｔ１に接続されることにより、第１出力インダクタＬｏｕｔ１とモータＭとの間で駆動電流Ｉdriveを検出する。

制御装置３０は、例えば公知のマイコン制御回路からなり、機能モジュールとして電流制御部３１、ＰＷＭ制御部３２、及び制限時間算出部３３を含む。そして、制御装置３０は、モータＭの駆動に適した駆動電流Ｉdriveを形成できるようモータ駆動装置１の全体動作を制御する。

電流制御部３１は、シャント抵抗Ｒ０を介して駆動電流Ｉdriveを検出すると共に、外部から電流指令値Ｓｃが入力される。そして、電流制御部３１は、駆動電流Ｉdriveと電流指令値Ｓｃとが一致するようにスイッチング回路１０をＰＷＭ制御できるよう両者の差分を算出する。

ＰＷＭ制御部３２は、電流制御部３１が算出した差分に対応するＰＷＭのデューティを算出し、当該デューティのＰＷＭ信号を生成してゲートドライバ４０に出力する。

制限時間算出部３３は、第１入力端子Ｔｉｎ１から入力電圧Ｖｉｎが入力されると共に、出力フィルタ回路２０における出力インダクタ及びモータＭのモータインダクタＬｍを予め記憶しており、詳細を後述するように、スイッチング回路１０が最大デューティで動作し続けることのできる制限時間Ｔｍを設定する。尚、制限時間算出部３３は、図１においてはシャント抵抗Ｒ０から駆動電流Ｉdriveが入力される経路が示されているが、本実施形態においては駆動電流Ｉdriveを取得する必要はない。

ゲートドライバ４０は、ＰＷＭ制御部３２から入力されるＰＷＭ信号に基づいて、第１スイッチＳ１～第４スイッチＳ４のゲート電圧を生成して各スイッチをＰＷＭ制御する。より具体的には、ゲートドライバ４０は、ＰＷＭ信号のパルス幅に応じたデューティで、第１スイッチＳ１及び第４スイッチＳ４の組と第２スイッチＳ２及び第３スイッチＳ３の組とを逆位相で相補的にＯＮ／ＯＦＦ制御する。尚、本実施形態においては、ＰＷＭ制御の動作周波数が一定であるものとしている。

上記の構成により、モータ駆動装置１は、外部から入力される電流指令値Ｓｃに応じた駆動電流Ｉdriveを形成してモータＭに供給することにより、駆動電流Ｉdriveが所定の定格電流Ｉｒを超えない範囲で、モータＭの駆動状態を制御する。

ところで、モータ駆動装置１は、スイッチング回路１０に対するＰＷＭ制御のデューティを１００％、すなわち最大デューティで制御することにより、電流指令値Ｓｃに対する駆動電流Ｉdriveの追従性を向上させてモータＭの応答速度を上げることがある。しかしながら、デューティが１００％の状態が継続すると、スイッチング回路１０の出力インダクタ、すなわち本実施形態における第１出力インダクタＬｏｕｔ１、及び第２出力インダクタＬｏｕｔ２を流れる駆動電流Ｉdriveがやがて飽和電流Ｉｓに達して過電流となってしまう虞が生じる。

そこで、モータ駆動装置１は、詳細を以下に説明するモータ駆動方法により、最大デューティの状態を継続することができる制限時間Ｔｍを設定し、駆動電流Ｉdriveが出力インダクタの飽和電流Ｉｓに達する前にスイッチング回路１０に対するＰＷＭ制御を停止する。

図２は、駆動電流Ｉdriveが定格電流Ｉｒである状態からＰＷＭ制御が最大デューティに移行した場合の駆動電流Ｉdriveの変化、及びスイッチング回路１０の制御を表すタイミングチャートである。すなわち図２は、横軸を時間とした場合にシャント抵抗Ｒ０において検出される駆動電流Ｉdriveの変化と、そのときの第１スイッチＳ１～第４スイッチＳ４の制御状態を模式的に表している。

制御装置３０は、原則として駆動電流Ｉdriveが定格電流Ｉｒ以下となる範囲でスイッチング回路１０のＰＷＭ制御を行う。具体的には例えば、駆動電流Ｉdriveを定格電流Ｉｒに維持するためのデューティが８０％である場合には、図２の時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間として示すように、ＰＷＭ制御の１サイクルにおいて第２スイッチＳ２及び第３スイッチＳ３が８０％、第１スイッチＳ１及び第４スイッチＳ４が２０％のオンデューティとなるようにスイッチング回路１０を制御する。ここで、定格電流Ｉｒは、ＰＷＭ制御のデューティ比に伴い変動する駆動電流Ｉdriveのリプル電流の平均値に対して規定されている。

また、制御装置３０は、ＰＷＭ制御の最大デューティに相当する電流指令値Ｓｃが継続して入力される場合に備え、駆動電流Ｉdriveが定格電流Ｉｒから出力インダクタの飽和電流へ達するまでの制限時間Ｔｍを制限時間算出部３３において設定する。より具体的には、制限時間算出部３３は、出力フィルタ回路２０とモータＭとの合計インダクタンス値をＬ、定格電流Ｉｒのリプル電流の下限値Ｉｕと飽和電流Ｉｓとの差分電流値をＩｍ、スイッチング回路１０に入力される入力電圧をＶｉｎとした場合に、制限時間Ｔｍを次式で算出する。
Ｔｍ＝Ｌ×Ｉｍ／Ｖｉｎ・・・式(１)

ここで、合計インダクタンス値Ｌは、本実施形態においては、第１出力端子Ｔｏｕｔ１及び第２出力端子Ｔｏｕｔ２のインダクタンス値がそれぞれＬ０、モータインダクタＬｍのインダクタンス値がＬ１である場合、Ｌ＝２×Ｌ０＋Ｌ１で表される既知の固定値である。また、差分電流値Ｉｍは、所定の定格電流Ｉｒのリプル電流の下限値Ｉｕと出力インダクタンスの特性としての飽和電流Ｉｓとから算出される既知の固定値である。

一方、上記の式(１)における入力電圧Ｖｉｎは、本実施形態においては、ＰＷＭ制御の実行中において逐次取得される時系列信号であり、その値が変化することにより制限時間Ｔｍが更新されることになる。すなわち、入力電圧Ｖｉｎが増加する場合であっても、制限時間Ｔｍを短く設定することで過電流に至る虞を低減することができる。

尚、入力電圧Ｖｉｎが変動せず一定と見做すことができる場合には、上記の式(１)から算出される制限時間Ｔｍを固定値として事前に制御装置３０に記憶させておくことで、制限時間Ｔｍを逐次更新する必要がなく、入力電圧Ｖｉｎを取得する必要もないため、モータ駆動装置１の小型化、及び低価格化に寄与することができる。

そして、制御装置３０は、上記のように制限時間Ｔｍを設定することにより、例えば図２の時刻ｔ２で示されるように、ＰＷＭ制御が最大デューティに切り替えられた場合には、図示しない内部のタイマにより最大デューティの継続時間を計測して制限時間Ｔｍと比較する。このため、制御装置３０は、例えば図２の時刻ｔ３で示されるように、当該継続時間が制限時間Ｔｍに達する前のタイミングにおいてＰＷＭ制御を停止することで、駆動電流Ｉdriveが出力インダクタの飽和電流Ｉｓに達することなく過電流状態を回避することができる。

また、制御装置３０は、制限時間Ｔｍに基づいてＰＷＭ制御を停止した後、図２の時刻ｔ４で示すように、駆動電流Ｉdriveが定格電流Ｉｒまで低下したことを条件として、ＰＷＭ制御を再開する。これにより、制御装置３０は、時刻ｔ４以降において再びデューティが１００％の状態が継続した場合であっても、上記同様に設定される制限時間Ｔｍに基づいて過電流保護を行うことができる。

以上のように、制御装置３０は、出力側で検出される駆動電流Ｉdriveが飽和電流Ｉｓに達してから過電流保護を行うのではなく、駆動電流Ｉdriveが定格電流Ｉｒのリプル電流の下限値Ｉｕから飽和電流Ｉｓまで上昇する制限時間Ｔｍを予め予測してＰＷＭ制御を停止することにより、駆動電流Ｉdriveが飽和電流Ｉｓを超過することによる過電流を事前に防止することができる。また、モータ駆動装置１は、接地が必要となる無誘導シャント抵抗を過電流保護のためにスイッチング回路１０に設ける必要がなく、回路規模の拡大を防止することができる。従って、モータ駆動装置１によれば、小型且つ安価に、出力インダクタの飽和に伴う過電流を事前に防止することができる。

また、本実施形態のモータ駆動装置１は、制限時間算出部３３において上記の式(１)により出力インダクタの既知の飽和電流Ｉｓに基づく制限時間Ｔｍを算出することで、最大デューティの継続時間を比較的正確に予測することができる。更に、本実施形態のモータ駆動装置１は、ＰＷＭ制御の実行中においてスイッチング回路１０に入力される入力電圧Ｖｉｎを監視し、入力電圧Ｖｉｎに応じて制限時間Ｔｍを更新することにより、入力電圧Ｖｉｎが変化する場合であっても当該変化に対応して過電流保護を行うことができる。

＜第２実施形態＞
続いて、第２実施形態に係るモータ駆動装置１について説明する。第２実施形態に係るモータ駆動装置１は、上記の第１実施形態のモータ駆動装置１に対して、制限時間Ｔｍの算出方法が異なる。以下、第１実施形態と異なる部分について説明することとし、第１実施形態と共通する構成要素については、同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

第２実施形態に係るモータ駆動装置１においては、制限時間算出部３３は、定格電流Ｉｒのリプル電流の下限値Ｉｕと飽和電流Ｉｓとの差分電流値をＩｍ、シャント抵抗Ｒ０により検出された駆動電流Ｉdriveのリプル電流の傾きをΔＩＬ（図２参照）とした場合に、制限時間Ｔｍを次式で算出する。
Ｔｍ＝Ｉｍ／ΔＩＬ・・・式(２)

ここで、ΔＩＬについては、例えばＰＷＭ制御の周期ごとに取得されることにより、式(２)を更新することができ、それによって入力電圧Ｖｉｎが変化する場合であっても当該変化に対応して制限時間Ｔｍを設定することができる。また、モータ駆動装置１は、モータインダクタＬｍが未知である場合であっても制限時間Ｔｍを設定することができる。

そして、第２実施形態に係るモータ駆動装置１は、式(２)で設定される制限時間Ｔｍに基づいて、最大デューティの継続時間が制限時間Ｔｍに達する前のタイミングにおいてＰＷＭ制御を停止することで、駆動電流Ｉdriveが出力インダクタの飽和電流Ｉｓに達することなく過電流状態を回避することができる。

１ モータ駆動装置
１０ スイッチング回路
２０ 出力フィルタ回路
３０ 制御装置
３１ 電流制御部
３２ ＰＷＭ制御部
３３ 制限時間算出部
４０ ゲートドライバ
Ｍ モータ
Ｒ０ シャント抵抗
Ｓ１～Ｓ４ 第１スイッチ～第４スイッチ
Ｌｏｕｔ１、Ｌｏｕｔ２ 第１出力インダクタ、第２出力インダクタ
Ｌｍ モータインダクタ
Ｉｒ 定格電流
Ｉｕ 定格電流のリプル電流の下限値
Ｉｓ 飽和電流
Ｔｍ 制限時間
ΔＩＬ リプル電流の傾き

Claims (10)

1. モータを駆動するための駆動電流を出力するスイッチング回路と、
   前記駆動電流を平滑化するインダクタと、
   前記インダクタと前記モータとの間で前記駆動電流を検出する電流検出部と、
   前記電流検出部により検出された前記駆動電流と外部から入力される電流指令値との差分に基づいて前記スイッチング回路をＰＷＭ制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記スイッチング回路を最大デューティで制御した場合に前記駆動電流が所定の定格電流から前記インダクタの飽和電流へ達するまでの時間を制限時間として設定し、前記最大デューティの継続時間が前記制限時間に達する前に前記ＰＷＭ制御を停止する、モータ駆動装置。
2. 前記制限時間は、前記インダクタと前記モータとの合計インダクタンス値をＬ、前記定格電流のリプル電流の下限値と前記飽和電流との差分電流値をＩｍ、前記スイッチング回路に入力される入力電圧をＶｉｎとした場合に、Ｔｍ＝Ｌ×Ｉｍ／Ｖｉｎとして算出される、請求項１に記載のモータ駆動装置。
3. 前記制御装置は、前記ＰＷＭ制御の実行中において前記スイッチング回路に入力される前記入力電圧を監視し、前記入力電圧に応じて前記制限時間を更新する、請求項２に記載のモータ駆動装置。
4. 前記制限時間は、前記定格電流のリプル電流の下限値と前記飽和電流との差分電流値をＩｍ、前記電流検出部により検出された前記駆動電流のリプル電流の傾きをΔＩＬとした場合に、Ｔｍ＝Ｉｍ／ΔＩＬとして算出される、請求項１に記載のモータ駆動装置。
5. 前記制御装置は、前記制限時間に基づいて前記ＰＷＭ制御を停止した後、前記駆動電流が前記定格電流まで低下したことを条件として、前記ＰＷＭ制御を再開する、請求項１乃至４のいずれかに記載のモータ駆動装置。
6. スイッチング回路の出力電流をインダクタで平滑化した駆動電流でモータを駆動するモータ駆動方法であって、
   前記インダクタと前記モータとの間で検出した前記駆動電流と、外部から入力される電流指令値との差分に基づいて前記スイッチング回路をＰＷＭ制御し、
   前記スイッチング回路を最大デューティで制御した場合に前記駆動電流が所定の定格電流から前記インダクタの飽和電流へ達するまでの時間を制限時間として設定し、前記最大デューティの継続時間が前記制限時間に達する前に前記ＰＷＭ制御を停止する、モータ駆動方法。
7. 前記制限時間は、前記インダクタと前記モータとの合計インダクタンス値をＬ、前記定格電流のリプル電流の下限値と前記飽和電流との差分電流値をＩｍ、前記スイッチング回路に入力される入力電圧をＶｉｎとした場合に、Ｔｍ＝Ｌ×Ｉｍ／Ｖｉｎとして算出される、請求項６に記載のモータ駆動方法。
8. 前記ＰＷＭ制御の実行中において前記スイッチング回路に入力される前記入力電圧を監視し、前記入力電圧に応じて前記制限時間を更新する、請求項７に記載のモータ駆動方法。
9. 前記制限時間は、前記定格電流のリプル電流の下限値と前記飽和電流との差分電流値をＩｍ、検出した前記駆動電流のリプル電流の傾きをΔＩＬとした場合に、Ｔｍ＝Ｉｍ／ΔＩＬとして算出される、請求項６に記載のモータ駆動方法。
10. 前記制限時間に基づいて前記ＰＷＭ制御を停止した後、前記駆動電流が前記定格電流まで低下したことを条件として、前記ＰＷＭ制御を再開する、請求項６乃至９のいずれかに記載のモータ駆動方法。

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