JP4161707B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動パワーステアリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来の電動パワーステアリング装置は、図７に示すように、アシストモータ１０１の上流（ハンドル１０２側）に、操舵トルクを検出するためのトルクセンサ１０３を備え、制御部（ＥＣＵ）１０４が、トルクセンサ１０３のトルク検出値に基づいて、モータ１０１に対する制御を行うものである。
図８に示すように、モータ１０１の制御においては、センサ１０３の検出値Ｔ_ｉを基に、トルク−電流マップ（アシストマップ）により、モータ１０１の目標電流Ｉ_ｍ ^＊を定め、実際の電流Ｉ_ｍが目標電流Ｉ_ｍ ^＊に近づくように電流フィードバックによりモータ１０１に付与する電圧を制御するのが基本的な構成となっている。
【０００３】
この基本制御を基に、アシスト応答を高めるため、あるいは逆にトルク変動に対して過敏とならないようにするため、種々の背反現象、要改善現象に対して様々な補償ロジックが用いられ、それなりに実用に供する程度にはなっている。
しかし、上記基本制御は、「操舵トルク」に関してオープン制御系であるため、以下の（１）〜（５）のような本質的な課題を有している。
【０００４】
（１）トルクセンサ１０３からタイロッド１０５間の摩擦によるトルクに対してもアシストが付与され、常にアシストが作用し、中点が不明確となって、直進性が悪化（フラフラ）する。つまり、運転者側からトルクが与えられても、当該トルクが摩擦分よりも小さければ、当該トルクはタイヤ側に作用しないが、トルクセンサ１０３は当該トルクをも検出してしまうため、不要なアシスト力が発生して、直進性を悪化させる。
【０００５】
（２）上記（１）の対策として、アシストマップの中立領域に不感帯を設けて、当該中立領域でアシスト力が発生しないようにすることが考えられるが、摩擦に応じた不感帯を適切に設定することが要求される。つまり、上記摩擦はギヤによるばらつきがあるため、不感帯の設定値が摩擦の総和よりも小さければ課題解決とはならないし、大きければ操舵開始時の応答遅れや操舵フィーリングの不連続感につながる。
（３）しかも、上記不感帯の設定が適切であっても、保舵時のふらつきは解消されないという重大な問題が残る。
（４）また、摩擦要素の多いコラム電動パワーステアリングの場合は、特に不感帯の設定が困難である。
（５）操舵過渡状態では、操舵トルクとセルフアライニングトルク（S.A.T.）との関係が一義的でなく、定常状態に至る（安定する）のに時間を要する（S.A.T.変動時も同様）。したがって、上記（３）の問題を助長する。
【０００６】
本発明者は、「操舵トルク」に関してオープン制御系であることに起因する上記課題を解決するため、操舵トルクに関しトルクフィードバック系を構成することに着目した。ここで、理想的なトルクフィードバック系としては、タイヤ側に実際に働いているトルク（又は軸力）を検出し、その検出値が目標トルクに近づくように制御することになるが、モータ１０１よりも上流側（ハンドル１０２側）にトルクセンサ１０３が配置されているシステムにおいて、これを行おうとすると、タイヤに近い位置（モータ１０１よりも下流側）でトルク（又は軸力）を検出するセンサを別途設ける必要があり、コストアップを招く。
【０００７】
また、検出した操舵トルクが目標トルクに追従するように制御するものとして、特許文献１記載のものがある。特許文献１には、従来技術として、操舵角、車速に応じて目標操舵トルクを設定し、操舵トルクと目標操舵トルク及びモータ電流によりアシスト電流指令値を決定してモータを制御する装置（以下、「先行技術１」という）が記載されている（特許文献１段落［００１４］参照）。
また、特許文献１では、上記先行技術１は、路面反力の低下に対して安定したフィーリングの提供が可能であると指摘されている（特許文献１段落［００１５］参照）。
【０００８】
しかし、特許文献１では、上記先行技術１は、路面反力が変化しても目標操舵トルクは車速と操舵角に対して一義的に決まって制御されるため、例えば路面反力が低い凍結路を走行しても乾燥アスファルト路を走行している場合と同じような操舵フィーリングとなるなど、路面情報が運転者に伝わらない（伝わりにくい）ため、不自然な操舵フィーリングとなるという問題点も指摘されている（特許文献１段落［００１６］〜［００１８］参照）。
【０００９】
そこで、特許文献１では、目標トルクに関し、モータ電流値に基づいてあるいはモータ電流値と操舵トルクに基づいて路面の反力を推定する手段を備えておき、入力した操舵角、車速、及び推定した路面の反力に基づいて目標トルクを設定する技術（以下、「先行技術２」という）が提案されている（特許文献１特許請求の範囲参照）。
【００１０】
ところが、先行技術２では、「路面反力」の変化に影響されない操舵フィーリングを実現させるために目標操舵トルクを操舵角及び車速に基づいて決めるという先行技術１における基本原理を踏襲した上で、不自然な操舵フィーリングを避けるために目標操舵トルクを設定する際に「路面反力」を考慮するという手法を採用しているため、目標操舵トルクを設定するための構成が非常に複雑化している。
【００１１】
本発明は、先行技術１及び先行技術２における基本原理（目標操舵トルクを操舵角及び車速に基づいて決める）を採用することなく、新たな技術的手段により、簡単な構成でトルクフィードバック系を構成しようとするものである。
すなわち、本発明の課題は、簡単な構成で、トルクフィードバック系を構成することにある。
【００１２】
【特許文献１】
特開２００２−１６０６５３号公報
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、操舵部材から操向車輪に至る操舵機構の途中に備わってアシストトルクを与えるモータと、当該モータよりも前記操舵部材側で操舵トルクを検出するトルクセンサと、生成された目標操舵トルクと前記トルクセンサの検出トルクとの偏差に基づいて前記モータを制御する手段と、を備えた電動パワーステアリング装置であり、生成された目標操舵トルクとトルクセンサの検出トルクとの偏差に基づいてモータを制御することで、操舵トルクに関するトルクフィードバック系が形成されている。
【００１４】
さらに本発明では、前記目標操舵トルクを決定するために、出力側トルクを、前記検出トルク及び前記アシストトルクの和として算出する手段と、前記出力側トルクに対応する前記目標操舵トルクを予め規定した出力側トルク−目標操舵トルク関係情報に基づいて、前記出力側トルクから前記目標操舵トルクを求める手段と、を備えている。このように、出力側トルクを算出することで、センサ等で直接検出することなく、タイヤ側に与えられる軸力に対応するトルク（の近似値）を得ることができる。しかも、本発明では、出力側トルクに対応する目標操舵トルクが出力側トルク−目標操舵トルク関係情報によって予め規定されており、出力側トルクが算出されれば、簡単に目標操舵トルクを決定することができる。ここで、「出力側トルク−目標操舵トルク関係情報」は、両者の対応関係を一義的に規定したマップデータや、両者の対応関係を一義的に規定する関数式として、具体化できる。
【００１５】
なお、前記先行技術２においても、目標操舵トルクを決定するための要素として、操舵トルク（本発明における検出トルク）とモータトルク（本発明におけるアシストトルク）を用いている（特許文献１段落［００３８］〜［００４１］参照）。
しかし、先行技術２では、前述のように、目標操舵トルクを操舵角及び車速に基づいて決めることを基本原理としており、これを採用しない本発明とは根本的に異なっている。先行技術２では、前記基本原理を踏襲した上で、路面反力（路面摩擦係数）を推定するために操舵トルク及びモータトルクを用いているため、目標操舵トルクの求め方が非常に複雑化している。
これに対し、本発明では、検出トルク及びアシストトルクに基づいて車輪側に作用する出力側トルクを算出しておき、当該出力側トルクから出力側トルク−目標操舵トルク関係情報によって目標操舵トルクを一義的に決定できるため、出力側トルクを算出できれば、簡単に目標操舵トルクを決定することができる。
【００１６】
本発明の出力側トルクの求め方は、出力側トルクを前記検出トルク及びアシストトルクの和として算出することができる。すなわち、出力側トルクをＴ_o、検出トルクをＴ_i、モータアシストトルクをＴ_aとすると、Ｔ_o＝Ｔ_i＋Ｔ_aとして表される。
なお、モータのアシストトルクは、例えば、モータ電流とモータトルク定数とから求めることができ、この場合、モータ電流を検出すればアシストトルクを得ることができる。すなわち、モータ電流をＩ_m、モータのトルク定数をＫ_tとすると、Ｔ_a＝Ｋ_t・Ｉ_mとなる。したがって、Ｔ_o＝Ｔ_i＋Ｋ_t・Ｉ_mである。
【００１７】
また、検出トルク及びアシストトルクだけでは、速い切り返し操舵のような動的状態（系のダイナミクス（慣性又は粘性）の影響を受ける状態）が考慮されない。例えば、操舵部材（ハンドル）を切り込んでいく途中は、検出トルクには粘性分が加算されるため当該検出トルクは静的な値よりも大きくなり（検出トルクに粘性分のトルクが含まれている）、出力側トルクは検出トルクに基づいて算出されるため、出力側トルクも大きくなる。この結果、大きな出力側トルクによって目標操舵トルクが求められるため、目標操舵トルクが、想定している値よりも高く設定されてしまい、操舵部材から入力すべき操舵トルクが大きくなり操舵が重くなる。
また、切り返しの瞬間には、検出トルクに慣性分が加算されるため当該検出トルクは静的な値よりも大きくなり（検出トルクに慣性分のトルクが含まれている）、目標操舵トルクが、想定している値よりも高く設定されてしまい、操舵部材から入力すべき操舵トルクが大きくなり操舵が重くなる。
【００１８】
そこで、出力側トルクは、検出トルク及びアシストトルクの和に、系の慣性及び／又は粘性による影響を考慮して、当該影響が除外されるように算出するのが好ましい。慣性による影響（慣性分のトルク）は、例えば、切り返しの瞬間に生じ、操舵系の慣性と操舵角加速度とから求めることができ、粘性による影響（粘性分のトルク）は、例えば、切り込んで行く途中に生じ、操舵系の粘性と操舵角速度とから求めることができる。
【００１９】
前記出力側トルクを算出するためには、各種検出値（例えば、上記の検出トルク、モータ電流、操舵角加速度、操舵角速度等）が必要となるが、これらの検出値が経時的なオフセット・ゲイン変動等によって変動した場合、これらに基づいて算出される出力側トルクも変動し、ひいては目標操舵トルクも変動する。
そこで、算出された前記出力側トルクを、車両挙動状態に基づいて補正する手段を備え、補正された出力側トルクによって前記目標操舵トルクを求めることによって、出力側トルクの変動を補償した状態で目標操舵トルクを求めることができる。ここで、車両挙動状態としては、横加速度、ヨーレート、横すべり角等を用いることができる。
【００２０】
出力側トルクを補正するには、例えば、希望特性としての「車両挙動状態に対する出力側トルクの比」を予め規定しておき、実際の「車両挙動状態に対する出力側トルクの比」と比較して、補正係数を求め、当該補正係数によって補正出力側トルクを求めることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、車両における電動パワーステアリング装置１の概略構成を示しており、この電動パワーステアリング装置１は、操舵部材（ハンドル）２から操向車輪３に至る操舵機構４を備えている。操舵機構４は、操舵部材２に連結された操舵軸５を備え、操舵軸５の回転は、ラックピニオン伝達機構６によって左右方向の直線運動に変換され、左右のタイロッド７を介して操向車輪３が転舵される。
【００２２】
操舵軸５には、その軸方向中途位置に、操舵トルクと操舵角を検出するトルク・回転角センサ１０が備えられており、操舵軸５は、センサ１０よりも上流側（操舵部材２側）が入力軸５ａとされ、センサ１０よりも下流側が出力軸５ｂとされている。センサ１０は、前記入力軸５ａと出力軸５ｂとの間に介在したトーションバー（図示省略）の捩れによる入力軸５ａと出力軸５ｂとの相対角度差に基づいて、操舵トルク（検出トルク）Ｔ_ｉを検出する。また、センサ１０は操舵軸５の回転角を操舵角δとして検出することもできる。
センサ１０の下流側である出力軸５ｂには、操舵補助力（アシストトルクＴ_ａ）を与える電動モータ１１が備わっており、操舵部材２からの入力にアシストトルクが加えられて操向車輪に軸力Ｆが与えられる。
【００２３】
モータ１１は、制御部（ＥＣＵ）１２によって制御される。図２に示すように、モータ１１は、当該モータ１１を流れる電流の検出値（モータ電流）Ｉ_ｍが、目標電流値Ｉ_ｍ ^＊に近づくように電流フィードバックによりモータ１１に付与する電圧が制御されることによって、必要なモータアシストトルクＴ_ａを発生する。
電流フィードバックのための目標電流値Ｉ_ｍ ^＊は、目標操舵トルクＴ_ｉ ^＊と検出トルク（操舵トルク）Ｔ_ｉとの偏差を基に決定される。すなわち、制御部１２ではトルクフィードバック系が構成されている。目標電流Ｉ_ｍ ^＊は、例えば、Ｉ_ｍ ^＊＝Ｋ_ｐ（Ｔ_ｉ ^＊−Ｔ_ｉ）＋Ｋ_ｉ∫（Ｔ_ｉ ^＊−Ｔ_ｉ）ｄｔの式に基づいて決定できる。このようなトルクフィードバック系を構成することで、トルクに関してオープン制御であることに起因する課題を解消することができる。
【００２４】
トルクフィードバックのための目標操舵トルクＴ_ｉ ^＊は、操向車輪３側に作用する力（トルク）に基づいて決定される。具体的には、図３に示すように、操向車輪３に作用する軸力Ｆに相当する出力軸側トルク（単に「出力側トルク」という場合もある）Ｔ_ｏに基づいて決定される。モータ１１制御に出力側トルクＴ_ｏに基づくフィードバックを行ってモータ１１を制御することで、適切な制御が行われる。
【００２５】
制御部１２は、出力側トルクＴ_ｏに対応する目標操舵トルクＴ_ｉ ^＊を予め規定した「出力側トルク−目標操舵トルク関係情報」１３を備えている。具体的には、出力側トルク値Ｔ_ｏに対応する目標操舵トルク値Ｔ_ｉ ^＊が出力トルク値Ｔ_ｏ毎に規定された「出力側トルクＴ_ｏ−目標操舵トルクＴ_ｉ ^＊関係マップデータ」１３である。出力側トルクＴ_ｏが決まれば、このマップデータ１３によって、一義的に目標操舵トルクＴ_ｉ ^＊が決まるようになっている。「出力側トルク−目標操舵トルク関係情報」として、マップデータ１３のような形式をとることで、データ量が多くなるものの、出力側トルクＴ_ｏに対する目標操舵トルクＴ_ｉ ^＊の関係が非線形である場合など、演算で求めると複雑な場合であっても容易に対応でき、目標操舵トルクＴ_ｉ ^＊を適切に決定できる。
なお、目標操舵トルクＴ_ｉ ^＊は、出力側トルクＴ_ｏの何％であるというように、両者が簡単な関係にある場合には、マップデータ１３に代えて、当該関係を示す関数を「出力側トルク−目標操舵トルク関係情報」とすることができる。
【００２６】
図４は、マップデータ１３の一例を示しており、出力側トルクＴ_ｏが小さいときには、アシストトルクＴ_ａがほとんど発生しないようにし、出力側トルクＴ_ｏが所定値よりも大きくなったときに、所定のアシストトルクＴ_ａを発生するようにしたものである。図４では、実線で示す目標操舵トルクＴ_ｉ ^＊に対する検出トルクＴ_ｉの変動幅を点線で示している。実際の検出トルクＴ_ｉは、操舵機構４の機械系摩擦による摩擦トルクＴ_ｆによる変動が含まれたものとなっており、この検出トルクＴ_ｉと目標操舵トルクＴ_ｉ ^＊の偏差に基づいてモータ１１制御が行われる。
【００２７】
出力側トルクＴ_ｏは、操舵機構４における車輪３の近傍で軸力Ｆをセンサによって直接検出することによって求めることもできるが、本発明では、演算によって求めているため、そのようなセンサが不要である。具体的には、出力側トルクＴ_ｏは、図３に示すように、モータ１１よりも上流側にあるトルクセンサ１０で検出された検出トルクＴ_ｉを利用し、さらにモータ電流Ｉ_ｍを用いて求めることができる。すなわち、車輪３に作用する軸力に相当する出力側トルクＴ_ｏは、検出トルクＴ_ｉとモータアシストトルクＴ_ａの和に等しい。そして、モータアシストトルクＴ_ａは、モータ電流Ｉ_ｍとモータのトルク定数Ｋ_ｔとから、Ｔ_ａ＝Ｋ_ｔ・Ｉ_ｍとして求めることができる。
【００２８】
結局、出力側トルクＴ_ｏは、次の式（ａ）に基づいて求めることができる。
Ｔ_ｏ＝Ｔ_ｉ＋Ｔ_ａ＝Ｔ_ｉ＋Ｋ_ｔ・Ｉ_ｍ ……（ａ）
【００２９】
以上のように、出力側トルクＴｏを直接検出することなく、演算によって求め、当該出力側トルクＴ_ｏからマップ１３に基づいて目標操舵トルクＴ_ｉ ^＊を求めることで、トルクフィードバックによるモータ制御を行うことができる。
【００３０】
図５は、出力側トルクＴ_ｏを求めるための他の例を示している。図３の例では、静的状態しか考慮されていないが、図５の例では、速い切り返しのような動的状態を考慮したものである。ここでは、系のダイナミクス（慣性、粘性）を考慮して、出力側トルクＴ_ｏを算出している。トーションバーよりも下流側の慣性（操舵系バネ下慣性）をＪ、トーションバーよりも下流側の粘性（操舵系バネ下粘性）をＣとし、さらに、操舵角速度をδ’、操舵角加速度をδ”とすると、慣性トルクはＪδ”であり、粘性トルクはＣδ’であるから、これらを考慮した出力側トルクは、次の式（ｂ）に基づいて求めることができる。
Ｔ_ｏ＝Ｔ_ｉ＋Ｋ_ｔ・Ｉ_ｍ＋（Ｊδ”−Ｃδ’） ……（ｂ）
なお、操舵角速度δ’及び操舵角加速度δ”は、操舵角δから演算によって求めることができる。
以上のようにして、出力側トルクＴ_ｏが求まれば、図３の例と同様に、目標操舵トルクＴ_ｉ ^＊を決定することができる。ここでは、動的状態を考慮して出力側トルクＴ_ｏを決めているため、ハンドル２を切り込んでいく途中や切り返しの瞬間にも適切な操舵感が得られる。
【００３１】
図６は、出力側トルクＴ_ｏを求めるための更なる他の例を示している。
出力側トルクＴ_ｏを求めるための基礎となるデータ（検出トルクＴ_ｉ、操舵角δ、モータ電流Ｉ_ｍ）などがオフセット・ゲイン変動等によって経時的に変化した場合、これを補正しなければ、適切に目標操舵トルクＴ_ｉ ^＊を決定することができない。
【００３２】
補正を行うための補正係数として、本例では、車両の定常旋回状態にあるときの車両挙動状態値を利用している。すなわち、制御部１２は、車両挙動状態値としての横加速度Ｇ_ｙと、出力側トルクＴ_ｏの関係についての希望特性データ１５を有している。以下では、希望特性を得るためのＴ_ｏ／Ｇ_ｙの値を（Ｔ_ｏ ^＊／Ｇ_ｙ ^＊）として表す。
【００３３】
出力側トルクＴ_ｏを求めるための基礎データが変化したときのＴ_ｏ／Ｇｙの値を（Ｔ_ｏ’／Ｇ_ｙ’）とすると、補正係数γは次の式（ｃ）に基づいて求めることができる。なお、Ｔ_ｏ’は補正前の出力側トルクであり、Ｇｙ’は車両が定常旋回状態にあるときの検出された横加速度である。
γ＝（Ｔ_ｏ ^＊／Ｇ_ｙ ^＊）／（Ｔ_ｏ’／Ｇ_ｙ’） ……（ｃ）
【００３４】
したがって、補正された出力側トルクＴ_ｏは、次の式（ｄ）に基づいて求めることができる。
Ｔ_ｏ＝γ・Ｔ_ｏ’ ……（ｄ）
よって、（Ｔ_ｏ’／Ｇ_ｙ’）が希望特性（Ｔ_ｏ ^＊／Ｇ_ｙ ^＊）と一致しない場合であっても、車両の定常旋回時にあるときに、出力側トルクが適切に補正される。
【００３５】
そして、補正出力側トルクＴ_ｏが求まると、図３の例と同様に、マップ１３によって目標操舵トルクＴ_ｉ ^＊が適切に求まる。
なお、図６では、補正係数γ演算機能を補正係数演算部１６として示し、補正係数γに基づいて出力側トルクＴ_ｏ’を補正する機能を補正部１７として示している。
また、（Ｔ_ｏ’／Ｇ_ｙ’）や（Ｔ_ｏ ^＊／Ｇ_ｙ ^＊）は、出力側トルクと横加速度（車両挙動状態）との関係が規定されているものであればよく、具体的な値としては、（Ｇ_ｙ’／Ｔ_ｏ’）や（Ｇ_ｙ ^＊／Ｔ_ｏ ^＊）であってもよい。さらに、車両挙動状態としては、横加速度に限らず、ヨーレート等であってもよい。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、電動パワーステアリング装置におけるトルクフィードバック系を簡単に構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電動パワーステアリングの概略構成図である。
【図２】制御部における制御（目標操舵トルクＴ_ｉ ^＊とトルクセンサの検出トルクＴ_ｉとの偏差に基づくモータ制御）を示すブロック線図である。
【図３】目標操舵トルクの演算方式を示すブロック図である。
【図４】Ｔ_ｏ−Ｔ_ｉ ^＊マップに相当するＴ_ｏ−Ｔ_ｉ ^＊関係図である。
【図５】目標操舵トルクの演算方式の他の例を示すブロック図である。
【図６】目標操舵トルクの演算方式のさらに他の例を示すブロック図である。
【図７】従来の電動パワーステアリング装置の概略構成図である。
【図８】従来の制御部における制御を示すブロック線図である。
【符号の説明】
１ 電動パワーステアリング装置
２ 操舵部材
３ 操向車輪
４ 操舵機構
１０ トルク・回転角センサ（トルクセンサ）
１１ 電動モータ
１３ Ｔ_ｏ−Ｔ_ｉ ^＊マップ（出力側トルク−目標操舵トルク関係情報）
１４ 出力側トルク算出部（出力側トルクを算出する手段）
Ｔ_ｉ 検出トルク（操舵トルク）
Ｔ_ｉ ^＊ 目標操舵トルク
Ｔ_ａ モータアシストトルク
Ｔ_ｏ 出力軸側トルク（出力側トルク）
Ｉ_ｍ モータ電流
Ｉ_ｍ ^＊ 目標電流

Claims (4)

1. 操舵部材から操向車輪に至る操舵機構の途中に備わってアシストトルクを与えるモータと、
   当該モータよりも前記操舵部材側で操舵トルクを検出するトルクセンサと、
   生成された目標操舵トルクと前記トルクセンサの検出トルクとの偏差に基づいて前記モータを制御する手段と、
   を備えて、操舵トルクに関するトルクフィードバック系が形成された電動パワーステアリング装置において、
   前記目標操舵トルクを決定するために、出力側トルクを前記検出トルク及び前記アシストトルクの和として算出する手段と、
   前記出力側トルクに対応する前記目標操舵トルクを予め規定した出力側トルク−目標操舵トルク関係情報に基づいて、前記出力側トルクから前記目標操舵トルクを求める手段と、を備えている
   ことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. 前記出力側トルクは、前記検出トルク及び前記アシストトルクの和に、系の慣性及び／又は粘性による影響を除外して算出されることを特徴とする請求項１に記載の電動パワーステアリング装置。
3. 算出された前記出力側トルクを、車両挙動状態に基づいて補正する手段を備え、補正された出力側トルクによって前記目標操舵トルクが求められることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動パワーステアリング装置。
4. 前記補正する手段は、予め規定した希望特性としての車両挙動状態に対する出力側トルクの比と、実際の車両挙動状態に対する出力側トルクの比とを比較して、補正係数を求め、当該補正係数によって前記出力側トルクを補正することを特徴とする請求項３に記載の電動パワーステアリング装置。

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