JP2942441B2 - ステップモータ制御装置 - Google Patents

ステップモータ制御装置

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JP2942441B2 JP5142622A JP14262293A JP2942441B2 JP 2942441 B2 JP2942441 B2 JP 2942441B2 JP 5142622 A JP5142622 A JP 5142622A JP 14262293 A JP14262293 A JP 14262293A JP 2942441 B2 JP2942441 B2 JP 2942441B2
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博司 宮田
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    • F02D11/06Arrangements for, or adaptations to, non-automatic engine control initiation means, e.g. operator initiated characterised by non-mechanical control linkages, e.g. fluid control linkages or by control linkages with power drive or assistance
    • F02D11/10Arrangements for, or adaptations to, non-automatic engine control initiation means, e.g. operator initiated characterised by non-mechanical control linkages, e.g. fluid control linkages or by control linkages with power drive or assistance of the electric type
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P8/00Arrangements for controlling dynamo-electric motors rotating step by step
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02D11/00Arrangements for, or adaptations to, non-automatic engine control initiation means, e.g. operator initiated
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    • F02D11/10Arrangements for, or adaptations to, non-automatic engine control initiation means, e.g. operator initiated characterised by non-mechanical control linkages, e.g. fluid control linkages or by control linkages with power drive or assistance of the electric type
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    • F02D2011/102Arrangements for, or adaptations to, non-automatic engine control initiation means, e.g. operator initiated characterised by non-mechanical control linkages, e.g. fluid control linkages or by control linkages with power drive or assistance of the electric type characterised by the means for actuating the throttles at least one throttle being moved only by an electric actuator

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  • Control Of Stepping Motors (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Control Of Throttle Valves Provided In The Intake System Or In The Exhaust System (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ステップモータの目標
停止位置が時々刻々と変化するときに、変化する目標停
止位置に速やかにステップモータを加減速制御するステ
ップモータ制御装置に関し、さらに詳細には、ステップ
モータの加減速の繰り返しにより発生する振動を軽減さ
せたステップモータ制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、自動車エンジンのスロットルバル
ブをステップモータにより電子的に制御する方法が実施
され、自動車においてもステップモータの駆動および停
止を制御するためのステップモータ制御装置が広く使用
されている。ここで、スロットルバルブの開閉量をアク
セルの踏み込み量に追従して制御する必要があるため、
ステップモータ制御装置は、アクセルの踏み込み量をポ
テンショメータ等でアナログデータとして計測し、その
ポテンショメータの計測値を一定間隔でサンプリングし
A/D変換して目標値とし、その目標値に応じてステッ
プモータの停止位置を制御することにより、スロットル
バルブの開閉量を制御している。
【0003】スロットルバルブの開閉量を制御するため
に、ステップモータの停止位置を制御することは、通常
のステップモータの制御装置と、次の点で異なってい
る。すなわち、アクセルの踏み込み量は、自動車の運転
状態により時々刻々と変化するものであり、また、アク
セルの踏み込み量に対するスロットルバルブの開閉量の
制御も速やかな応答性が要求される。しかし、通常のス
テップモータの制御装置は、目標停止位置の変化が短時
間の間に発生することはないので、ステップモータの目
標停止位置まで、予め設定した速度パターンに従ってス
テップモータを駆動して精度よく停止することに関心が
集中していた。
【0004】アクセルの踏み込み量をステップモータを
利用して電子的に制御することに対する要望が高まる
中、スロットルバルブの開閉に使用するステップモータ
の制御方法については、例えば、特開昭61−1388
55号公報に、アクセルにより指示された目標値とステ
ップモータの現在値とを比較して、異なる場合に記憶手
段に記憶されているテーブルに従って、ステップモータ
の回転スピードを制御する方法が開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ステップモータ制御装置には、次に示すような問題があ
った。 (1)ステップモータ制御装置は、アクセルの踏み込み
量を計測するポテンショメータを一定のサンプリング時
間毎にサンプリングして、ステップモータをサンプリン
グした目標値に近づけ、目標値が一定になったときにス
テップモータを停止させる制御を行っている。そして、
ステップモータを速やかに目標値に回転させるために、
回転の開始時に急速に加速し、目標値に近づいたときに
減速する加減速制御が通常行われている。ステップモー
タの加減速の繰り返しにより、スロットルバルブを含む
ステップモータの駆動系でうねり振動を発生し、スロッ
トルバルブの位置が不安定となるため、エンジンの吸気
量が不安定になり、自動車の速度がアクセルの踏み込み
量と対応できないという問題があった。
【0006】ステップモータで振動が発生する場合の一
具体例を図6に示す。図中Mは、アクセルの踏み込み量
をポテンショメータでアナログデータとして計測し、一
定のサンプリング時間Aでサンプリングして、A/D変
換した目標値の変化を示している。ここで、サンプリン
グ時間Aは、自動車の主制御を担当するCPUが同時に
種々の機器を制御している関係から、一般に6msec
(以下msと表示する。)程度で行われている。Pは、
ステップモータの現在あるステップを示している。また
MSPDは、ステップモータに与えられる駆動パルスの
条件を示し、具体的には、駆動周波数および励磁時間と
して与えられる。ここで、ステップモータに与えられる
駆動周波数、およびその励磁時間は、ステップモータの
現在位置と目標値との差より、例えば、図5に示すよう
なテーブルを用いて与えられる。
【0007】すなわち、Mが変化すると、ステップモー
タの現在位置と目標値との差MAをなくす方向に、ステ
ップモータがMSPD=1,2と順次加速される。そし
て、ステップモータの現在位置が目標値に近づくと停止
時の振動を減少させるためにステップモータは、MSP
D=2,1と順次減速される。この一連の加減速の時間
は、図5のテーブルにより、MSPD=1の励磁時間が
2.000ms、MSPD=2の励磁時間が1.429
msであるから、合計B=6.858msである。上記
のステップモータ制御装置により制御したスロットルバ
ルブの開度を計測すると、Sに示すように、周期的にう
ねり振動が発生している。そして、スロットルバルブの
うねり振動によりスロットルバルブの位置が不安定とな
るため、エンジンの吸気量が不安定になり、自動車の速
度がアクセルの踏み込み量と対応できないという問題が
あった。さらに、ステップモータのうねり振動が大きく
なった場合には、ステップモータが指令パルスに追従し
ない脱調現象を発生し、自動車の速度がアクセルの踏み
込み量に追従できなくなる恐れがあった。
【0008】(2)また、ステップモータを停止させる
ときに、ステップモータ制御装置がステップモータを停
止状態にしても、ステップモータの駆動系が振動してい
るため、エンジンの吸気量がしばらくの間不安定とな
り、自動車の速度がアクセルの踏み込み量に追従しない
という問題があった。それを回避するため、従来のステ
ップモータ制御装置では、例えば、ステップモータを反
転して駆動する場合に、スロットルバルブを目標停止位
置に一度停止した後、少なくとも20〜30ms程度は
スロットルバルブを停止状態に保持する必要があった。
そのため、アクセルの踏み込み量が変化したときに、そ
の分遅れが発生する問題があった。
【0009】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであり、ステップモータを周期的に加減速駆
動しても、うねり振動が発生することの少ないステップ
モータ制御装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明のステップモータ制御装置は、時間経過に伴って
変化する設定目標値を一定のサンプリング時間毎にサン
プリングするサンプリング手段と、サンプリングされた
設定目標値とステップモータ現在位置との差を演算し
て、その差に応じてステップモータを加速し、設定目標
値に近づいた時にステップモータを減速させ、設定目標
値でステップモータを停止させるステップモータ加減速
手段とを有するステップモータ制御装置であって、サン
プリング時間が、ステップモータが駆動する駆動系の固
有振動数に対応する周期、および固有振動数の分数倍の
周波数に対応する周期と一致しない。
【0011】ここで、本発明のステップモータ制御装置
は、ステップモータの駆動系の固有振動数が150〜1
80Hzであって、その分数倍の周波数が75〜90H
zおよび50〜60Hzである。従って、サンプリング
時間は、6.7〜5.6ms、13.3〜11.1m
s、20.0〜16.6msと一致しない。すなわち、
サンプリング時間が6.8ms以上11.0ms以下ま
たは5.5ms以下であることを特徴とする。
【0012】
【作用】このような構成を有する本発明のステップモー
タは、駆動系を介してエンジンのスロットルバルブを駆
動する。ここで、スロットルバルブおよびステップモー
タを含むステップモータの駆動系の固有振動数は、15
0〜180Hzの範囲内にあることが実験により確認さ
れている。また、ステップモータ制御装置のサンプリン
グ手段は、時間経過に伴って変化するアクセルの踏み込
み量を計測するポテンショメータから設定目標値を一定
のサンプリング時間毎にサンプリングする。また、ステ
ップモータ加減速手段は、サンプリングされた設定目標
値とステップモータの現在位置との差を演算して、その
差に応じてステップモータを加速し、ステップモータの
現在位置が設定目標値に近づいた時にステップモータを
減速させ、設定目標値でステップモータを停止させる。
そのため、サンプリング時間毎にステップモータの加減
速が周期的に繰り返される。
【0013】ここで、サンプリング時間が、ステップモ
ータが駆動する駆動系の固有振動数150〜180Hz
に対応する周期6.7〜5.6ms、および固有振動数
の分数倍の周波数、75Hz〜90Hz、50Hz〜6
0Hzに対応する周期13.3〜11.1ms、20.
0〜16.6msと一致していないので、ステップモー
タの加減速がサンプリング毎に繰り返えされても、スロ
ットルバルブにおいてうねり振動による共振が発生する
ことがなく、スロットルバルブを正確に制御でき、エン
ジンへの吸気量を正確に制御することができる。また、
ステップモータを停止するときも、スロットルバルブの
うねり振動が少ないので、停止時の振動もきわめて短時
間で収束させることができるため、アクセルの踏み込み
量に再び変化があったときに、速やかに対応することが
できる。
【0014】
【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図面を
参照して説明する。図1に第一の実施例であるステップ
モータの制御装置の構成をブロック図で示す。自動車用
ガソリンエンジン11に、ガソリンと空気の混合気体を
吸気する吸気パイプ13が接続している。吸気パイプ1
3には、ガソリンエンジン11に供給する混合気体の量
を調節するためのスロットルバルブ12が、吸気パイプ
13に対してスロットル軸14を中心に回転可能に保持
されている。スロットル軸14は、減速機構を介してス
テップモータ15の出力軸に接続している。ステップモ
ータ15は、ステップモータ制御装置17のステップモ
ータ用の駆動回路18に接続している。駆動回路18
は、演算装置であるCPU19に接続している。CPU
19には、一時的にデータ等を記憶するためのRAM2
3、制御プログラム等を記憶しているROM22が接続
している。
【0015】ROM22には、ポテンショメータ16が
計測するアクセルデータを一定のサンプリング時間T毎
にサンプリングするためのサンプリングプログラム24
が記憶されている。また、ROM22には、そのサンプ
リング値とステップモータの現在位置との差を演算し
て、その差に応じて駆動回路18を介してステップモー
タ15を加速し、ステップモータ15がサンプリング値
に近づいたときにステップモータ15を減速させ、サン
プリング値でステップモータ15を停止させるステップ
モータ加減速プログラム25が記憶されている。また、
CPU19には、ポテンショメータ16が計測するアナ
ログデータであるアクセルデータをA/D変換するため
のA/Dコンバータ20が接続している。A/Dコンバ
ータ20は、入力インターフェース21を介してアクセ
ル26の踏み込み量を計測するためのポテンショメータ
16に接続している。
【0016】
【課題を解決するための手段】次に、上記構成を有する
ステップモータ制御装置17の作用について説明する。
アクセル26が運転者により操作されると、ポテンショ
メータ16がアクセル26の移動量をリニアなアナログ
データとして計測する。CPU19は、サンプリングプ
ログラム24により、ポテンショメータ16のアナログ
データを一定のサンプリング時間T毎に入力インターフ
ェース21から取り込んで、A/Dコンバータ20によ
りA/D変換して、その値をサンプリングした目標値と
してRAM23に記憶する。ここで、本実施例では、サ
ンプリング時間は、T=8msとしている。
【0017】サンプリング時間をT=8msとしている
理由は、サンプリング時間を自動車エンジンのスロット
ルバルブ12を駆動するステップモータ駆動系の固有振
動数に対応する周期、およびその固有振動数の分数倍の
周波数に対応する周期と一致させないためである。すな
わち、ステップモータ15の駆動系の固有振動数は15
0〜180Hzであって、その分数倍の周波数が75〜
90Hzおよび50〜60Hzである。従って、サンプ
リングプログラム24に予め設定されているサンプリン
グ時間Tは、6.7〜5.6ms、13.3〜11.1
ms、20.0〜16.6msと一致しないように、T
=8msとしている。
【0018】ステップモータの制御状態を説明するため
の図を図2に示す。図2において、TSTEPは、ポテ
ンショメータ16の計測値をサンプリング時間T=8m
s毎にA/D変換した値、すなわち、スロットルバルブ
12を駆動するステップモータ15が停止すべき目標ス
テップ位置を示している。STEPは、ステップモータ
15の現在あるステップ位置を示している。またMSP
Dは、ステップモータに与えられる駆動パルスの条件を
示し、具体的には、図5に示すように、駆動周波数およ
び励磁時間として与えられる。
【0019】ステップモータ15の加減速の方法を説明
する。図3にステップモータ制御装置17のステップモ
ータ加減速プログラム25の作用をフローチャートで示
す。本フローチャートは、ステップモータ15が1ステ
ップ動作完了するタイミングでタイマー割り込みにより
起動される。目標ステップTSTEPに向けて、ステッ
プモータ15の現在あるステップSTEPを1ステップ
更新する(S1)。次に、目標ステップTSTEPとス
テップモータ15が現在あるステップSTEPとの差を
演算し、その絶対値をステップ差DSTEPとする(S
2)。
【0020】次に、ステップ差DSTEPと駆動パルス
MSPDとを比較して、DSTEP>MSPDでないな
らば(S3,NO)、S4に進む。次に、DSTEP=
MSPDでないならば(S4,NO)、判断してS5へ
進む。このときは、DSTEP<MSPDであると判断
されるので、MSPDの値を1減少させ(S5)、S7
へ進む。一方、ステップ差DSTEPと駆動パルスMS
PDとを比較して、DSTEP>MSPDならば(S
3,YES)、MSPDの値を1増加させ(S6)、S
7へ進む。また一方、DSTEP=MSPDならば、M
SPDを変更せずにS7へ進む(S4,YES)。
【0021】次に、本実施例では、4相のステップモー
タを1−2相励磁で制御しているので、ステップモータ
の現在ステップSTEPの下位3ビットの値より図4に
示すパターンで励磁を行う(S7)。このとき励磁する
駆動パルスは、図5により駆動周波数および励磁時間が
決められており、励磁時間経過後、再びS1へ進む。
【0022】次に、上記フローチャートを具体例により
説明する。図2のステップST1の位置にあるとき、そ
のステップを基準とすれば、STEP=0であるから、
ステップ更新することによりSTEP=1となる(S
1)。次に、TSTEP=6、STEP=1であるか
ら、DSTEP=5となる(S2)。そして、MSPD
=0、DSTEP=5であるからDSTEP>MSPD
となり(S3,YES)、MSPDを0から1に増加さ
せる(S6)。次に、ステップの下位3ビットより図4
を用いて所定の励磁パターンが駆動回路18を介してス
テップモータ15に与えられる(S7)。ここで、MS
PD=1であるから図5により、駆動周波数500pp
s、励磁時間2.000msの駆動パルスが与えられる
(S8)。これによりステップモータの現在位置ステッ
プSTEPはST2になる。
【0023】ST2の場合は、DSTEP=6−2=4
(S2)、MSPD=1であるから(S3,YES)、
ST1の場合と同様であり詳細な説明は省略するが、M
SPD=2に増加され(S6)、ステップモータ15は
目標ステップTSTEPに向けて加速される。すなわ
ち、MSPD=2であるから図5により、駆動周波数7
00pps、励磁時間2.429msの駆動パルスが与
えられる(S8)。これによりステップモータの現在位
置ステップSTEPはST3になる。ST3の場合は、
DSTEP=6−3=3(S2)、MSPD=2である
から(S3,YES)、MSPD=3に増加され(S
6)、ステップモータ15は目標ステップTSTEPに
向けて更に加速される。すなわち、MSPD=3である
から図5により、駆動周波数843pps、励磁時間
1.186msの駆動パルスが与えられる(S8)。こ
れによりステップモータの現在位置ステップSTEPは
ST4になる。
【0024】ST4の場合は、DSTEP=6−4=2
(S2)、MSPD=3であるから(S3,NO)、M
SPD=2に減少され(S6)、ステップモータ15は
目標ステップTSTEPに向けて減速される。すなわ
ち、MSPD=2であるから図5により、駆動周波数7
00pps、励磁時間1.429msの駆動パルスが与
えられる(S8)。これによりステップモータの現在位
置ステップSTEPはST5になる。ST5の場合は、
DSTEP=6−5=1(S2)、MSPD=2である
から(S3,NO)、MSPD=1に減少され(S
6)、ステップモータ15は目標ステップTSTEPに
向けて更に減速される。すなわち、MSPD=1である
から図5により、駆動周波数500pps、励磁時間
2.000msの駆動パルスが与えられる(S8)。こ
れによりステップモータの現在位置ステップSTEPは
ST6になる。ST6の場合、ST1からの励磁時間の
合計がB1=8.044msであるため、T=8msで
目標ステップTSTEPが12に変更されている。従っ
て、DSTEP=12−6=6(S2)、MSPD=1
であるから(S3,YES)、MSPD=2に増加され
(S6)、ステップモータ15は目標ステップTSTE
Pに向けて加速される。
【0025】ここで、ステップモータ15の加減速の周
期は、図2に示すようにB1=8.044ms、B2=
8.270ms、B3=8.270msとなり、スロッ
トルバルブを駆動するステップモータ15の駆動系の固
有振動数150〜180Hzに対応する周期6.7〜
5.6ms、および固有振動数の分数倍の周波数、75
Hz〜90Hz、50Hz〜60Hzに対応する周期1
3.3〜11.1ms、20.0〜16.6msと一致
していない。
【0026】上記詳細に説明したように、本実施例のス
テップモータ制御装置17によれば、サンプリング時間
Tが、ステップモータ15が駆動する駆動系の固有振動
数150〜180Hzに対応する周期6.7〜5.6m
s、および固有振動数の分数倍の周波数、75Hz〜9
0Hz、50Hz〜60Hzに対応する周期13.3〜
11.1ms、20.0〜16.6msと一致していな
いので、ステップモータ15の加減速が略サンプリング
毎に繰り返えされても、スロットルバルブ12において
うねり振動による共振が発生することがないため、スロ
ットルバルブ12を正確に制御でき、エンジン11への
吸気量を正確に制御することができる。また、ステップ
モータ15を停止するときも、スロットルバルブ12の
うねり振動が少ないので、停止時の振動もきわめて短時
間で収束させることができるため、アクセル26の踏み
込み量に再び変化があったときに、速やかに対応するこ
とができる。
【0027】以上、いくつかの実施例について本発明を
説明したが、本発明は上記実施例に何ら限定されるもの
ではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形
改良が可能であることは容易に推察できるものである。
本実施例では、サンプリング時間を8msとしている
が、6.7〜5.6ms、13.3〜11.1ms、2
0.0〜16.6msと一致していない時間であれば、
スロットルバルブを駆動するステップモータの駆動系で
共振が発生しない。ただし、サンプリング時間を20m
s以上とすると、アクセルの踏み込み量に対する追従性
に問題が発生することが懸念されるため、サンプリング
時間は、6.8ms以上11.0ms以下、または5.
5ms以下とすることが望ましい。また、本実施例で
は、スロットルバルブを駆動するステップモータの制御
装置について説明したが、目標値が時々刻々変化する場
合であって、ステップモータに高い応答性が要求される
ときには適用できる。
【0028】
【発明の効果】以上説明したことから明かなように、本
発明のステップモータ制御装置によれば、サンプリング
時間が、ステップモータが駆動する駆動系の固有振動数
に対応する周期、および固有振動数の分数倍の周波数に
対応する周期と一致していないので、ステップモータの
加減速が略サンプリング毎に繰り返えされても、スロッ
トルバルブにおいてうねり振動による共振が発生するこ
とがないため、スロットルバルブを正確に制御でき、エ
ンジンへの吸気量を正確に制御することができる。ま
た、ステップモータを停止するときも、スロットルバル
ブのうねり振動が少ないので、停止時の振動もきわめて
短時間で収束させることができるため、アクセルの踏み
込み量に再び変化があったときに、速やかに対応するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例であるステップモータ制御装
置の構成を示すブロック図である。
【図2】上記ステップモータ制御装置により制御された
ステップモータの制御状態を示す説明図である。
【図3】上記ステップモータ制御装置の作用を示すフロ
ーチャートである。
【図4】ステップモータの励磁パターンを示すデータ図
である。
【図5】ステップモータの加減速用の駆動パルスを示す
データ図である。
【図6】従来のステップモータ制御装置により制御され
たステップモータの制御状態を示す説明図である。
【符号の説明】
12 スロットルバルブ 15 ステップモータ 16 ポテンショメータ 17 ステップモータ制御装置 18 駆動回路 19 CPU 20 A/Dコンバータ 24 サンプリングプログラム 25 ステップモータ加減速プログラム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−138855(JP,A) 特開 平1−152997(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H02P 8/00 - 8/38 F02D 41/00 - 41/40

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 時間経過に伴って変化する設定目標値を
    一定のサンプリング時間毎にサンプリングするサンプリ
    ング手段と、 サンプリングされた設定目標値とステップモータの現在
    位置との差を演算して、その差に応じてステップモータ
    を加速し、設定目標値に近づいた時にステップモータを
    減速させ、設定目標値でステップモータを停止させるス
    テップモータ加減速手段とを有するステップモータ制御
    装置において、 前記サンプリング時間が、ステップモータが駆動する駆
    動系の固有振動数に対応する周期、および前記固有振動
    数の分数倍の周波数に対応する周期と一致しないことを
    特徴とするステップモータ制御装置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載するものにおいて、 前記ステップモータの駆動系の固有振動数が150〜1
    80Hzであって、その分数倍の周波数が75〜90H
    zおよび50〜60Hzであることを特徴とするステッ
    プモータ制御装置。
  3. 【請求項3】 請求項2に記載するものにおいて、 前記サンプリング時間が6.8msec以上11.0m
    sec以下または5.5msec以下であることを特徴
    とするステップモータの制御装置。
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