JP4727210B2 - Positioning control device for moving body and laser processing device - Google Patents
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Description
この発明は、指定された目標値に移動体を追従させるため、移動体の位置を検出しながら移動体の位置を制御する移動体の位置決め制御装置及びこのような移動体の位置決め制御装置により移動体の位置を制御するレーザ加工装置に関するものである。 The present invention relates to a positioning control device for a moving body that controls the position of the moving body while detecting the position of the moving body in order to cause the moving body to follow a specified target value, and to move by such a positioning control device for the moving body. The present invention relates to a laser processing apparatus that controls the position of a body.
移動体の高速・高精度な位置決め装置は、精密工作機械、コンピュータ用ストレージ装置、半導体製造装置等、産業上広く利用されている。例えば、プリント配線板の製造工程において穴明け加工を行うレーザ加工装置では、被加工物の複数の加工位置にレーザ光を次々と照射するためのレーザ光位置決め制御装置が必要であり、高い加工スループットと高精度な加工を実現するためにガルバノミラー制御装置が多く用いられている。 High-speed and high-accuracy positioning devices for moving bodies are widely used in industry such as precision machine tools, computer storage devices, and semiconductor manufacturing devices. For example, in a laser processing apparatus that performs drilling in the manufacturing process of a printed wiring board, a laser beam positioning control device for sequentially irradiating a plurality of processing positions of a workpiece with laser light is necessary, and high processing throughput is required. In order to realize high-precision machining, a galvanometer mirror control device is often used.
レーザ加工装置は通常、階層的な制御構造を有する数値制御(NC)装置であり、ガルバノミラー制御装置はその最下位の階層に含まれる。上位階層の制御装置(以下、「上位制御」と呼ぶ)では、プリント配線板のCAM(Computer Aided Manufacturing)データに基づき、高いスループットを実現するように加工順序が最適化され、穴位置座標が加工される順番でNCプログラムに記述される。 The laser processing apparatus is usually a numerical control (NC) apparatus having a hierarchical control structure, and the galvano mirror control apparatus is included in the lowest hierarchy. In the control device of the upper layer (hereinafter referred to as “upper control”), the processing order is optimized to realize high throughput based on the CAM (Computer Aided Manufacturing) data of the printed wiring board, and the hole position coordinates are processed. Are described in the NC program in the order in which they are performed.
このようなNCプログラムは事前に作られており、加工が始まると、上位制御はプログラム中の穴位置座標を次々と座標変換し、ガルバノミラー制御装置に対して時系列的な角度指令データを送信する。穴を真円に加工するには、ガルバノミラーが角度指令データで指令された角度で静止したあとにレーザ光を照射する必要があるため、角度指令データの送信とレーザ光の照射制御は、上位制御の内部で同期を取って行われる。 Such NC programs are created in advance, and when machining starts, the host control converts the hole position coordinates in the program one after another and sends time-series angle command data to the galvanometer mirror control device. To do. In order to machine a hole into a perfect circle, it is necessary to irradiate the laser beam after the galvano mirror is stationary at the angle commanded by the angle command data. This is done synchronously inside the control.
ガルバノミラー制御装置の主な構成要素は、移動体であるガルバノミラー、ガルバノミラーの位置すなわち角度を最大約±15°の範囲で変えるロータリ・アクチュエータ及びガルバノミラーの角度をフィードバックする制御回路である。 The main components of the galvanometer mirror control device are a galvanometer mirror that is a moving body, a rotary actuator that changes the position or angle of the galvanometer mirror within a range of about ± 15 ° at maximum, and a control circuit that feeds back the angle of the galvanometer mirror.
ロータリ・アクチュエータとしては電磁気的な原理で駆動トルクを発生する電磁アクチュエータが多く用いられており、ガルバノミラーは支持体であるロータリ・アクチュエータの回転軸に固定されている。この回転軸には、ガルバノミラーのほかにセンサや可動コイルまたは可動磁石が取り付けられている。 As the rotary actuator, an electromagnetic actuator that generates a driving torque on the electromagnetic principle is often used, and the galvanometer mirror is fixed to the rotary shaft of the rotary actuator as a support. In addition to the galvanometer mirror, a sensor, a movable coil, or a movable magnet is attached to the rotating shaft.
ガルバノミラーの回転角度はセンサにより検出され、角度検出データはフィードバック制御回路に送られる。フィードバック制御回路はオペアンプからなるアナログ制御あるいはマイクロ・プロセッサとプログラムを合わせたディジタル制御ファームウェアにより実現されている。ガルバノミラーの1回の位置決めは角度ストロークで、0.01°のオーダーから約30°までバリエーションがあり、位置決め時間は1ms未満から数msである。 The rotation angle of the galvanometer mirror is detected by a sensor, and the angle detection data is sent to a feedback control circuit. The feedback control circuit is realized by analog control composed of an operational amplifier or digital control firmware combining a microprocessor and a program. One-time positioning of the galvanometer mirror is an angular stroke, and there are variations from the order of 0.01 ° to about 30 °, and the positioning time is from less than 1 ms to several ms.
ガルバノミラー制御装置は、1つの角度指令データをステップ入力信号として受信し、1回の位置決め動作を行う。すなわち、受信した1つの角度指令データに基づいて、ガルバノミラーを回転させる。ガルバノミラーが回転動作を開始すると、ミラー角度を角度指令データに誤差なく一致させるための積分補償が働く。この補償では、角度指令データから角度検出データを引き算した値、すなわち追従誤差信号を時間積分する。さらに、ガルバノミラー制御装置のフィードバック・ループが安定に動作するには、一巡伝達関数の位相余有やゲイン余有を十分大きくする必要がある。このため、角度検出データを微分したり、いわゆる状態オブザーバを用いることで、角速度信号による安定化補償や位相進み補償が作用する。これらの制御方式はフィードバック制御理論の基本として、良く知られている(非特許文献1)。 The galvanomirror control device receives one angle command data as a step input signal and performs one positioning operation. That is, the galvanometer mirror is rotated based on one received angle command data. When the galvanometer mirror starts rotating, integral compensation is performed to make the mirror angle coincide with the angle command data without error. In this compensation, the value obtained by subtracting the angle detection data from the angle command data, that is, the tracking error signal is time-integrated. Furthermore, in order for the feedback loop of the galvanomirror control device to operate stably, it is necessary to sufficiently increase the phase margin and gain margin of the one-round transfer function. For this reason, stabilization compensation or phase advance compensation by the angular velocity signal acts by differentiating the angle detection data or using a so-called state observer. These control methods are well known as the basis of feedback control theory (Non-Patent Document 1).
また、ガルバノミラーの位置決め時間を短縮するために、フィードバック・ループを広帯域化する技術が使われている。すなわち、前述の電磁アクチュエータでは、回転軸に取り付けられたガルバノミラーやセンサ等が慣性負荷として作用するので、高速動作では軸ねじり振動を発生することがある。通常、数kHz以上の領域に複数のねじり振動モードが存在するので、振動モードの安定化補償器によってフィードバック・ループを広帯域化している。このねじり振動安定化補償器はねじり振動モードの状態量を推定してフィードバックする(特許文献1、2)。
In order to shorten the positioning time of the galvanometer mirror, a technique for widening the feedback loop is used. That is, in the above-described electromagnetic actuator, a galvanometer mirror, a sensor, or the like attached to the rotating shaft acts as an inertial load, so that shaft torsional vibration may occur at high speed operation. Usually, since a plurality of torsional vibration modes exist in a region of several kHz or more, the feedback loop is broadened by a vibration mode stabilization compensator. This torsional vibration stabilization compensator estimates and feeds back the torsional vibration mode state quantity (
以下、特許文献2に基づく技術について説明する。
Hereinafter, a technique based on
図7は従来のガルバノミラー制御装置のブロック線図である。 FIG. 7 is a block diagram of a conventional galvanometer mirror control apparatus.
このガルバノミラー制御装置は、図示を省略するマイクロプロセッサを用いたディジタル制御ファームウェアで実現されており、積分補償器2、比例補償器3、速度オブザーバ4、ねじり振動安定化補償器5およびループゲイン10に関する処理は、上記マイクロ・プロセッサが実行するプログラムの一部に記述されている。そして、上記処理演算は、一定サンプル周期の離散的な時刻(以下、「離散的時刻」と呼ぶ)毎に実行される。
This galvanometer mirror control device is realized by digital control firmware using a microprocessor (not shown), and includes an
ロータリ・アクチュエータ1の回転軸には、図示を省略する1個のガルバノミラーが取り付けられている。このガルバノミラーの角度(すなわちロータリ・アクチュエータ1の回転軸の回転角度)がこの制御装置の制御量信号11である。また、ロータリ・アクチュエータ1に内蔵された図示を省略するロータリ・エンコーダは離散的時刻毎に角度検出データ9を出力する。そして、ガルバノミラーやロータリ・エンコーダを保持するロータリ・アクチュエータ1の回転軸には1つ以上のねじり振動モードが存在し、図示の場合は一次のねじり振動モードを補償するように構成されている。
One galvanometer mirror (not shown) is attached to the rotary shaft of the
ロータリ・アクチュエータ1の駆動電流を制御する電流制御回路7から出力された電流検出信号idは、速度オブザーバ4とねじり振動安定化補償器(ねじり一次補償回路)5に入力される。
The current detection signal id output from the current control circuit 7 that controls the drive current of the
次に、従来のガルバノミラー制御装置の動作を説明する。 Next, the operation of the conventional galvanometer mirror control device will be described.
図8は、従来のガルバノミラー制御装置の動作を示すフローチャートである。 FIG. 8 is a flowchart showing the operation of the conventional galvanometer mirror control apparatus.
タイマー割り込みが発生すると(スタート)、上位の制御装置から送信される時系列的な角度指令データ8を受信し、角度検出データ9を取り込む(手順S10、20)。そして、定常状態における偏差信号の値を0にするため、角度指令8と角度検出データ9の偏差信号(追従誤差信号)を演算し、積分補償器2で積分する(手順S30、40)。また、このサーボ機構の安定性を保つため、比例補償器3、速度オブザーバ4およびねじり振動安定化補償器5によりそれぞれ補償値を演算する(手順S50、60、70)。なお、比例補償器3は角度検出データ9に比例ゲインを係数倍する。また、速度オブザーバ4はミラーの角速度の推定値を演算する。また、ねじり振動安定化補償器5はねじり振動モードの角変位と角速度の状態推定量を演算する。
When the timer interruption occurs (start), the time-series angle command data 8 transmitted from the host control device is received and the
そして、手順S40の出力値から手順S50〜70で得られた出力値を減算し、その結果を係数倍(ループゲイン演算)して(手順S80)、その結果をD/A変換器6を介しアナログ信号として電流制御回路7に入力する(手順S90)。
Then, the output value obtained in steps S50 to S70 is subtracted from the output value in step S40, the result is multiplied by a coefficient (loop gain calculation) (step S80), and the result is passed through the D /
電流制御回路7はロータリ・アクチュエータ1に対し、入力信号に応じた駆動電流を供給する。
The current control circuit 7 supplies a drive current corresponding to the input signal to the
また、モータの固有振動に対しては角度指令データにフィルタ処理を行い、残留振動を抑制するものもある。(特許文献3)
そしてこれらの方式を上述の積分補償や位相進み補償を組み合わせて、フィードバック・ループが構成される。フィードバック・ループの特性は、1回の位置決め時間に要する時間(位置決め時間)が目標仕様を満たし、かつ目標角度近傍での過渡応答(セトリング応答)に含まれるオーバーシュートや残留ねじり振動が許容範囲以内に収まるように調整される。
In addition, there is also a method of suppressing residual vibration by filtering the angle command data for the natural vibration of the motor. (Patent Document 3)
These methods are combined with the above-described integral compensation and phase lead compensation to form a feedback loop. As for the characteristics of the feedback loop, the time required for one positioning time (positioning time) satisfies the target specification, and the overshoot and residual torsional vibration included in the transient response (settling response) near the target angle are within the allowable range. Adjusted to fit.
ところで、高速で位置決めを行う場合、目標位置到達までの加速時及び等速または加速状態から目標位置への減速時に大電流が必要となり、コイルは発熱して温度上昇しコイル抵抗値は増加する。 By the way, when positioning at high speed, a large current is required at the time of acceleration until reaching the target position and at a constant speed or at the time of deceleration from the accelerated state to the target position, the coil generates heat, the temperature rises, and the coil resistance value increases.
保磁力の高いマグネットは一般的に温度変化による特性の変化が著しく、環境温度の変化及び自己発熱等によりトルク定数は大幅に変化する。このため、マグネットの温度が上昇すると、セトリング応答のオーバーシュートが増大し、位置決め時間の増大を引き起こす。また、温度上昇によりねじり振動モードの周波数が変化するため、ねじり振動安定化補償器5で設定された周波数との間に誤差が生じ、残留ねじり振動となって穴加工位置精度が悪くなることが考えられる。
Magnets with high coercive force generally have significant changes in characteristics due to temperature changes, and the torque constant changes greatly due to changes in environmental temperature and self-heating. For this reason, when the temperature of the magnet rises, the overshoot of the settling response increases and causes an increase in positioning time. Further, since the frequency of the torsional vibration mode changes due to the temperature rise, an error occurs with the frequency set by the torsional
このように自己発熱等による温度の変化は、多くの精密位置決め制御装置に起こり得ることであり、例えばハードディスク装置においては、所望のトラックに位置決め(フォロイング)中のボイスコイルモータ(VCM)端子間電圧とVCM電流をVCM端子間電圧検出回路とVCM電流検出回路で測定し、アナログデジタル(AD)変換器を介してドライブ制御部に取り込みコイル抵抗値を算出することで自己発熱等によるアクチュエータ内部の温度推定して、ループゲインを修正し(特許文献4)、あるいは、VCMに一定時間電圧を加えてVCMに流れる電流を検出し、この電流値から算出したVCM内部の温度と温度センサにより検出したアクチュエータ近傍の環境温度とを用いて、VCMから温度検出手段に至る熱勾配を考慮して磁性体の温度を算出し、温度変化による磁気回路特性が変化した場合には電気系の伝達特性のゲインを変化させて修正する(特許文献5)。 Thus, a change in temperature due to self-heating or the like can occur in many precision positioning control devices. For example, in a hard disk device, a voltage between voice coil motor (VCM) terminals during positioning (following) on a desired track. And VCM current is measured by the voltage detection circuit between the VCM terminals and the VCM current detection circuit, and is taken into the drive control unit via an analog-digital (AD) converter and the coil resistance value is calculated. Estimate and correct the loop gain (Patent Document 4), or detect the current flowing through the VCM by applying a voltage to the VCM for a certain period of time and calculate the temperature inside the VCM and the actuator detected by the temperature sensor Taking into account the thermal gradient from the VCM to the temperature detection means using the nearby ambient temperature Calculating the temperature of the sexual body, when the magnetic circuit characteristic due to temperature change is changed to modify by changing the gain of the transfer characteristic of the electrical system (Patent Document 5).
また、車両に搭載される電動パワーステアリングシステムにおいては、温度センサとモータ電流によって温度を推定し、推定された温度からモータ回路抵抗の誤差及びモータ定数の誤差の両方を累積して補正するための1つあるいは複数の条件付積分器を設けたものもある(特許文献6)。
ねじり振動周波数がほとんど変化しない場合、特許文献1〜3の技術によりガルバノミラーのねじり振動を抑制することができる。
When the torsional vibration frequency hardly changes, the torsional vibration of the galvanometer mirror can be suppressed by the techniques of
しかし、自己発熱等によりアクチュエータの温度が変化するとそれに伴なってねじり振動周波数も変化するが、特許文献1〜3には、ねじり振動周波数が変化する場合に対してねじり振動を抑制する手段は示されていない。 However, when the temperature of the actuator changes due to self-heating or the like, the torsional vibration frequency also changes accordingly. However, Patent Documents 1 to 3 show means for suppressing torsional vibration when the torsional vibration frequency changes. It has not been.
また、レーザ加工装置のスループットを向上するためには、ガルバノミラーがセトリング応答振幅の許容範囲に入った直後にレーザ光の照射を行い、次の位置決め動作に移ることが必要になる。 Further, in order to improve the throughput of the laser processing apparatus, it is necessary to irradiate the laser beam immediately after the galvanometer mirror enters the allowable range of the settling response amplitude and to move to the next positioning operation.
しかし、特許文献1〜3にはアクチュエータの温度変化に伴なうセトリング応答の特性変化に対応する手段が示されていない。このため、位置決め精度が低下し、角度指令パターンのステップ信号の時間間隔(以下、「指令インターバル」と呼ぶ)を短縮することができない。 However, Patent Documents 1 to 3 do not show a means for dealing with a change in the characteristic of the settling response accompanying a change in the temperature of the actuator. For this reason, the positioning accuracy is lowered, and the time interval of the step signal of the angle command pattern (hereinafter referred to as “command interval”) cannot be shortened.
また、ハードディスク装置の場合、目標データトラックの中心に対する磁気ヘッドの位置ずれ量が制御量であり、制御モードを高精度位置決めモードに切り替えた後の目標値は常に一定値ゼロであるので、フォロイング中にコイル抵抗値を演算により求めることができる。 In the case of a hard disk device, the amount of displacement of the magnetic head with respect to the center of the target data track is the control amount, and the target value after switching the control mode to the high-accuracy positioning mode is always a constant value zero. The coil resistance value can be obtained by calculation.
これに対して、ガルバノミラー制御装置の場合、目標値となる角度指令パターンがステップ信号的に次々と変化するので、上記演算手法を用いることは困難である。 On the other hand, in the case of the galvanomirror control device, the angle command pattern that becomes the target value changes one after another as a step signal, so that it is difficult to use the above calculation method.
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、アクチュエータの温度が変化した場合であっても、高速かつ高精度に移動体を位置決めすることができる移動体の位置決め装置及びこのような移動体の位置決め制御装置により移動体の位置を制御するレーザ加工装置を提供するにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-described problems of the prior art and to provide a moving body positioning apparatus capable of positioning a moving body at high speed and with high accuracy even when the temperature of the actuator changes, and such movement. It is in providing the laser processing apparatus which controls the position of a moving body by the body positioning control apparatus.
本願発明者は、従来のガルバノミラー制御装置によりガルバノミラーを制御した場合に発生するガルバノミラーのオーバーシュートや振動的なセトリング応答が、アクチュエータの自己発熱に伴う温度変化に起因するトルク定数の変化とねじり振動モードにおける周波数の変化の影響であることを見出した。 The inventor of the present application believes that the overshoot or vibrational settling response of the galvano mirror that occurs when the galvano mirror is controlled by a conventional galvano mirror control device is a change in torque constant caused by a temperature change accompanying self-heating of the actuator. It was found that this is the influence of frequency change in torsional vibration mode.
上記の知見に基づき、本発明の第1の手段は、アクチュエータの駆動電流を制御する電流制御回路と、アクチュエータによって駆動される移動体の位置を検出する位置センサと、を備えた移動体の位置決め制御装置において、トルク定数及びアクチュエータ内部のコイル抵抗を推定する内部パラメータ推定手段と、コイル抵抗からコイル温度を推定する推定手段と、推定手段によって推定されたコイル温度に基づいて、ねじり振動周波数の修正量を推定するねじり振動周波数推定手段と、推定されたトルク定数に基づいて、セトリング応答が整定範囲内になるようにループゲインを修正するループゲイン修正手段と、予めサーボパラメータとして設定されたねじり振動周波数に推定されたねじり振動周波数の修正量を加えるねじり振動周波数修正手段と、ねじり振動周波数修正手段で修正されたねじり振動周波数とループゲイン修正手段で修正されたループゲインとにより駆動電流を補正する補正手段と、を備えたことを特徴とする。上記移動体の位置決め制御装置において、推定手段によって推定されるコイル温度は、コイルを備えるアクチュエータの内部温度を示すものであり、当該コイル温度は、基準温度時のコイル抵抗値を予めメモリに記憶しておき、内部パラメータ推定手段により推定された推定コイル抵抗値をRc、温度係数をα、基準温度時のコイル抵抗値をR0、基準温度時のコイル温度をT0とした場合の現在のコイル温度T1として、T1=(Rc−R0)/αR0+T0なる関係式により求められることが好ましい。また、上記何れかの移動体の位置決め制御装置において、トルク定数は、コイル印加電圧信号を変換したデジタル値信号と、駆動電流を変換したデジタル値信号とから内部パラメータ推定手段により推定することは好ましい。更に、上記何れか1つの移動体の位置決め制御装置において、移動体は、ガルバノミラーであることは好ましい。 Based on the above knowledge, the first means of the present invention is a positioning of a moving body comprising a current control circuit that controls the driving current of the actuator and a position sensor that detects the position of the moving body driven by the actuator. In the control device, the internal parameter estimating means for estimating the torque constant and the coil resistance inside the actuator, the estimating means for estimating the coil temperature from the coil resistance, and the correction of the torsional vibration frequency based on the coil temperature estimated by the estimating means a torsional vibration frequency estimation means for estimating an amount, based on the torque constant is estimated, and the loop gain correction means for correcting the loop gain so settling response is within the settling range, twisting previously set as servo parameters The torsional vibration frequency to which the correction amount of the estimated torsional vibration frequency is added to the vibration frequency A positive means, and correcting means for correcting the twisting torsional fixed in vibration frequency modifying means oscillation frequency and the loop gain and the drive current is corrected by the loop gain modifying means, comprising the. The positioning control device of the moving object, the coil temperature estimated by the estimating means is for indicating the internal temperature of the actuator comprising the coils, the coil temperature is previously stored in memory the coil resistance value at reference temperature The current coil temperature when the estimated coil resistance value estimated by the internal parameter estimating means is Rc, the temperature coefficient is α, the coil resistance value at the reference temperature is R0, and the coil temperature at the reference temperature is T0. It is preferable that T1 is obtained by the relational expression T1 = (Rc−R0) / αR0 + T0. In any one of the above-described positioning control devices for a moving body, it is preferable that the torque constant is estimated by an internal parameter estimation unit from a digital value signal obtained by converting a coil applied voltage signal and a digital value signal obtained by converting a drive current. . Further, in any one of the movable body positioning control devices described above, the movable body is preferably a galvanometer mirror.
また、本発明の第2の手段は、上記移動体の位置決め装置と、レーザを出力するレーザ出力手段と、を備え、ガルバノミラーによりレーザ出力手段から出力されたレーザを位置決めするレーザ加工装置であって、位置決め制御装置は、ガルバノミラーの角度を制御することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a laser processing apparatus comprising the moving body positioning apparatus and a laser output means for outputting a laser, wherein the laser output from the laser output means is positioned by a galvano mirror. Thus, the positioning control device controls the angle of the galvanometer mirror .
本発明によれば、アクチュエータ内部の温度上昇によるトルク定数とねじり振動周波数の変化を直ちに修正することができるので、移動体の位置決め精度を向上させることができる。 According to the present invention, changes in torque constant and torsional vibration frequency due to temperature rise inside the actuator can be corrected immediately, so that positioning accuracy of the moving body can be improved.
以下、本発明をガルバノミラー制御装置に適用する場合について説明する。 Hereinafter, a case where the present invention is applied to a galvanomirror control device will be described.
図1は、本発明の実施形態に係るガルバノミラー制御装置のブロック線図であり、図7と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。 FIG. 1 is a block diagram of a galvanomirror control device according to an embodiment of the present invention. Components having the same or the same functions as those in FIG.
このガルバノミラー制御装置は、図示を省略するマイクロプロセッサを用いたディジタル制御ファームウェアで実現されており、積分補償器2、比例補償器3、速度オブザーバ4、ねじり振動安定化補償器5、ループゲイン10、電流制御回路の内部パラメータ推定器17、温度推定器20およびねじり振動周波数温度依存性テーブル12に関する処理は、上記マイクロ・プロセッサが実行するプログラムの一部に記述されている。そして、上記処理は散的時刻毎に実行される。
This galvanometer mirror control device is realized by digital control firmware using a microprocessor (not shown), and includes an
ねじり振動安定化補償器5にはサーボパラメータとして予め基準となるねじり振動周波数が設定されており、ねじり振動周波数温度依存性テーブル12から出力されるねじり振動周波数の修正量から、ねじり振動周波数の設定値を現在のコイル温度に応じて修正する。なお、ねじり振動安定化補償器5は、特許文献1、2の技術をマイクロプロセッサで実現するために離散化されている。
In the torsional
ループゲイン10は電流制御回路の内部パラメータ推定器17から出力される推定トルク定数18に応じて操作量21を増幅する係数が補正される。
In the
AD変換器13は、電流制御回路7におけるコイル印加電圧信号Vaをディジタル値信号Vdに変換する。
The
AD変換器15は、電流制御回路7から出力された駆動電流に対応する電流検出信号iaをディジタル値信号idに変換する。
The
AD変換器13とAD変換器15から出力されたディジタル値信号Vd、idは、電流制御回路の内部パラメータ推定器17に入力される。
The digital value signals Vd and id output from the
電流制御回路の内部パラメータ推定器17はサンプリング周期毎に推定した内部パラメータである推定トルク定数18と推定コイル抵抗値19を出力する。
The internal parameter estimator 17 of the current control circuit outputs an estimated torque constant 18 and an estimated
温度推定器20は入力された推定コイル抵抗値19から現在のコイル内部温度を推定し、ねじり振動周波数温度依存性テーブル12にコイル内部温度を入力する。
The
電流制御回路7についてさらに説明する。 The current control circuit 7 will be further described.
図2は図1における電流制御回路7の回路図である。 FIG. 2 is a circuit diagram of the current control circuit 7 in FIG.
図中点線で囲んで示すロータリ・アクチュエータ1のコイル1cのインダクタンスの値はLc、抵抗の値はRcである。
The value of the inductance of the coil 1c of the
抵抗51、抵抗52、抵抗78およびオペアンプ53からなる減算回路は、電流指令39と電流検出信号iaとの差を演算する。
A subtraction circuit including the
抵抗54、抵抗55およびオペアンプ56からなる増幅回路は、オペアンプ53の出力を係数倍する。
The amplifier circuit composed of the
抵抗57、コンデンサ58、抵抗59、コンデンサ60およびオペアンプ61からなる第1のパワーアンプから出力されるパワーアンプ出力電圧79はコイル1cの一端に印加される。また、抵抗64、コンデンサ65、抵抗66、コンデンサ63およびオペアンプ62からなる第2のパワーアンプから出力されるパワーアンプ出力電圧80はコイル1cの他端に印加される。パワーアンプ出力電圧80の電圧はパワーアンプ出力電圧79と符号が逆であり、コイル1cの両端にはパワーアンプ出力電圧79からパワーアンプ出力電圧80を差し引いたコイル印加電圧信号Vaが印加される。
A power
電流センサ69はコイル1cに流れる電流を検出する。
The
抵抗70、オペアンプ71、抵抗72、抵抗73、抵抗74、コンデンサ75、抵抗76およびオペアンプ77からなる電流検出回路は、電流センサ69によって検出された電流を電圧信号に変換する。この電流検出信号回路の出力が電流検出信号iaとなる。
A current detection circuit including the
図3は図2をブロック線図としたものである。 FIG. 3 is a block diagram of FIG.
なお、メカ特性は2次系の特性であるとして構成されている。
ゲイン90は電流指令39と電流検出信号iaの引き算からコイル印加電圧信号Vaまでの回路抵抗値で求まるゲインである。伝達関数91は、インダクタンスLcとコイル抵抗Rcの直列接続に対するコイル印加電圧信号Vaから電流検出信号iaまでの伝達特性である。また、トルク定数Kt、慣性モーメントJc、ゲイン94、ゲイン95、積分器96、積分器97は2次系の特性の構成要素である。この2次系の特性における積分器96の出力に対して、逆起電力係数Kbを掛けたものを逆起電力として、コイル印加電圧信号Vaに付加する。
The mechanical characteristics are configured as secondary system characteristics.
The
電流検出ゲインKidはコイルに流れる電流から電流検出信号iaまでの特性である。 The current detection gain Kid is a characteristic from the current flowing through the coil to the current detection signal ia.
図2におけるコイル印加電圧信号Vaから電流検出信号iaまでの伝達関数は、Jcを慣性モーメント、ωをロータリ・アクチュエータの折れ点周波数、ζを減衰係数とすると、式1で表される。
式1より、コイル印加電圧信号Vaから電流検出信号iaまでの伝達関数は3次で表されることが分かる。
From
この実施形態では、式1の伝達関数の係数を推定することにより、コイル内部温度を推定する。
In this embodiment, the coil internal temperature is estimated by estimating the coefficient of the transfer function of
次に、電流制御回路の内部パラメータ推定器17が式1で表される伝達関数の係数を推定する手順について説明する。
Next, the procedure in which the internal parameter estimator 17 of the current control circuit estimates the coefficient of the transfer function expressed by
式1を構成する電流制御回路の内部パラメータをマイクロプロセッサで推定するには、連続時間系から離散時間系に変換する必要がある。
In order to estimate the internal parameters of the current control
連続時間系から離散時間系に変換する手段として双一次変換等があるが、高次数になるほど連続時間系との係数の対応が困難になる。 As a means for converting from a continuous time system to a discrete time system, there is a bilinear transformation or the like. However, the higher the order, the more difficult the coefficient correspondence with the continuous time system becomes.
そこで、この実施形態では、電流制御回路モデルとして、コイル印加電圧信号Vdを入力、電流検出信号idを出力とするデルタオペレータを用いた3次のARX(auto−regressive exogenous)モデルを採用する。 Therefore, in this embodiment, a third-order ARX (auto-regressive exogenous) model using a delta operator that receives the coil application voltage signal Vd and outputs the current detection signal id is employed as the current control circuit model.
デルタオペレータ演算子δは連続時間系を離散時間系に変換する変換手段の一つであり、双一次変換等に比べてサンプリング周波数Tsが短いほどラプラス演算子sと整合性が高くなるという利点があり、式1の伝達関数の各係数と同定された係数はそれぞれに対応する。
The delta operator operator δ is one of conversion means for converting a continuous-time system into a discrete-time system, and has an advantage that consistency with the Laplace operator s becomes higher as the sampling frequency Ts is shorter than bilinear transformation or the like. Yes, each coefficient of the transfer function of
ここで、デルタオペレータの定義について説明する。サンプリング周期をTsとするとデルタオペレータを表す記号δは式2で表される。
式2におけるzは、離散時間系モデルにおけるサンプリング周期Tsに対する前進差分演算子を表すので、演算子δの持つ意味は式3で表される微分演算を行うことと同じになる。
ただし、
i:離散的時刻を表すインデクス
f(i):ある関数
f’(i):ある関数f(i)の微分
である。
However,
i: Index representing discrete time f (i): a certain function f ′ (i): a derivative of a certain function f (i).
このデルタオペレータを用いて、単一入出力連続時間システムをサンプリング周期Tsで離散化した場合の伝達関数は、式5、式6を用いて式4で表される。
ただし、
uν(i):離散的時刻のコイル印加電圧信号
yi(i):離散的時刻の電流検出信号
ε(i):離散的時刻の観測ノイズを含む誤差
である。
However,
uν (i): Discrete time coil applied voltage signal yi (i): Discrete time current detection signal ε (i): Error including observation noise at discrete time.
ここで、θとφ(i)を式7、式8の右辺で表すと、式4は式9で表される。
パラメータ同定はこの分母、分子の式の各係数ベクトルである式7のθを求めることを意味する。 Parameter identification means obtaining θ in Equation 7 which is each coefficient vector of the denominator and numerator equations.
したがって、φ(i)を得ることができれば、式9から伝達関数の各係数を算出することができるが、φ(i)の構成要素である近似微分は雑音の影響を受けやすい。そこで、A(δ)と同次数の安定な3次フィルタとして式10を導入し、式4を変形すると式11が得られる。
ここで、式14〜式18を用いてθfとφf(i)をそれぞれ式12、式13の右辺で定義すると、式19が成り立つ。
式15の要素は式20で表される3次元状態空間モデルにより生成することができ、式23、式24を用いて式21で表すことができる。同様にして、φu(i)は式22で表すことができる。
ここで、評価関数Jを式25で定義する。
Here, the evaluation function J is defined by
そして、逐次最小二乗法(RLS法)を用いて、その誤差を最小とするパラメータを逐次算出することにより同定処理を行う。 Then, identification processing is performed by sequentially calculating a parameter that minimizes the error using the successive least square method (RLS method).
具体的な演算処理は、一般の重み付き逐次最小二乗法と同一であり、式25からの詳細な式展開は省略するが、P(i)を共分散行列、λを忘却係数として、式26、式27に示す時間更新式(i=1、2、…、N)を計算することにより行う。
従って、式20、式25、式26により、入力信号であるコイル印加電圧信号と出力信号である電流検出信号とからθfを求めることができる。
Therefore, θf can be obtained from the coil application voltage signal that is an input signal and the current detection signal that is an output signal by
上記で示したように、θfの構成要素であるa2,a1,a0,b2,b1,b0は式1の伝達関数の各係数に対応するので、推定コイル抵抗値Rcと推定トルク定数18は式1とθfを用いて式28、式29で算出される。
As described above, since a2, a1, a0, b2, b1, and b0, which are components of θf, correspond to the coefficients of the transfer function of
SI単位で考えると逆起電力係数と推定トルク定数18は同じ(Kt=Kb)なので、式28の右辺の平方根を取れば、推定トルク定数18が求まる。 Considering SI units, the back electromotive force coefficient and the estimated torque constant 18 are the same (Kt = Kb). Therefore, if the square root of the right side of Equation 28 is taken, the estimated torque constant 18 is obtained.
以上説明したように、電流制御回路の内部パラメータ推定器17は、式28、式29により求められた推定トルク定数18と推定コイル抵抗値Rcを出力する。
次に温度推定器20について説明する。
Next, the
基準温度時のコイル温度をT0、基準温度時のコイル抵抗値をR0、温度係数をα、とすると、現在のコイル温度T1は式30により求めることができるので、基準温度時のコイル抵抗値R0を予めメモリに記憶しておく。
なお、現在のコイル温度T1に代えてマグネットの温度を推定する場合は、予め温度によるトルク定数Ktの変化を調べておくことにより、推定トルク定数18を用いて推定することができる。 When estimating the temperature of the magnet instead of the current coil temperature T1, it is possible to estimate using the estimated torque constant 18 by examining changes in the torque constant Kt due to temperature in advance.
次に、サーボパラメータの修正方法について説明する。 Next, a servo parameter correction method will be described.
この実施形態では、サーボパラメータである第1次モードのねじり振動周波数Ω1とトルク定数Ktとを修正する。 In this embodiment, the first-order mode torsional vibration frequency Ω1 and the torque constant Kt, which are servo parameters, are corrected.
(1)第1次モードのねじり振動周波数Ω1の修正
ここでは、予めコイル温度と第1次モードのねじり振動周波数Ω1との関係を調べておき、温度推定器20の出力である現在のコイル温度に基づいて第1次モードのねじり振動周波数Ω1を算出する。
(1) Correction of the first-order mode torsional vibration frequency Ω1 Here, the relationship between the coil temperature and the first-order mode torsional vibration frequency Ω1 is examined in advance, and the current coil temperature that is the output of the
なお、コイル温度と第1次モードのねじり振動周波数Ω1との関係は、以下のようにして求める。 The relationship between the coil temperature and the first-order mode torsional vibration frequency Ω1 is obtained as follows.
すなわち、恒温恒湿槽を用いて周囲温度を一定に保ち、ロータリ・アクチュエータ1のコイル温度を周囲温度と同じにした状態で駆動信号を加え、その時の第1次モードのねじり振動周波数Ω1を測定する。これをある温度間隔(例えば、10度毎)で繰り返し測定する。
That is, a constant temperature and humidity chamber is used to keep the ambient temperature constant, the drive signal is applied with the coil temperature of the
ねじり振動周波数Ω1と温度との関係は、テーブルにしてメモリに蓄える方法もあるが、ここでは、測定したデータを線形近似し、式31の形で記憶されている。なお、式31において、ΔΩ1はねじり振動周波数Ω1の修正量、α1はねじり振動第1次モードの温度係数である。 The relationship between the torsional vibration frequency Ω1 and the temperature may be stored in a memory as a table, but here, the measured data is linearly approximated and stored in the form of Equation 31. In Equation 31, ΔΩ1 is the correction amount of the torsional vibration frequency Ω1, and α1 is the temperature coefficient of the torsional vibration primary mode.
そして、式31によって求めたねじり振動周波数の修正量ΔΩ1をねじり振動安定化補償器5に設定されたサーボパラメータであるねじり振動周波数Ω1に加えて、温度変化に伴う誤差を低減する。
式32はねじり振動安定化補償器5の離散化した状態方程式であり、式36はねじり振動安定化補償器5の出力方程式である。なお、式32,式36の各要素は式33〜式35で示す通りであり、式32の係数は式37〜式48に示す通りである。
ただし、
u(i):操作量21
y(i):ねじり振動安定化補償器5の出力
θ1(i):ねじり振動第1次モードの角変位の状態推定量[rad]
ω1(t):ねじり振動第1次モードの角速度の状態推定量[rad/s]
Ad:状態方程式のX(i)に係る離散化した行列
Bd1:状態方程式のu(i−1)に係る離散化した行列
Bd2:状態方程式のu(i)に係る離散化した行列
Cd:出力方程式のX(i)に係る離散化した行列
exp:自然対数
ζ1:ねじり振動第1次モードの減衰係数
Ω1:ねじり振動第1次モードの固有角振動数[rad/s]
L:u(i)の時間遅れ[s]
k1:ねじり振動第1次モードのモード定数
なお、他の次数のねじり振動モードに対して制御をする場合、上記と同様にして、当該次数に関するサーボパラメータの修正を行うことができる。
However,
u (i): manipulated variable 21
y (i): output θ1 (i) of torsional vibration stabilization compensator 5: state estimation amount [rad] of angular displacement of torsional vibration primary mode
ω1 (t): torsional vibration first-order angular velocity state estimation amount [rad / s]
Ad: Discretized matrix Bd1: State equation X (i) Bd1: Discrete matrix Bd2: State equation u (i-1) Discrete matrix Cd: State equation u (i) Discrete matrix Cd: Output Discretized matrix exp related to X (i) of the equation: natural logarithm ζ1: damping coefficient of torsional vibration primary mode Ω1: natural angular frequency of the torsional vibration primary mode [rad / s]
L: u (i) time delay [s]
k1: Mode constant of torsional vibration primary mode Note that when controlling torsional vibration modes of other orders, the servo parameters relating to the order can be corrected in the same manner as described above.
また、ねじり振動モードの減衰係数やモード定数についても、温度による変動を予め測定しておくことにより、サーボパラメータの修正を行うことができる。 In addition, the servo parameters can be corrected by measuring in advance fluctuations due to temperature with respect to the damping coefficient and mode constant of the torsional vibration mode.
また、この実施例形態では、フィードバック・ループ内のねじり振動安定化補償器5について述べたが、フィルタを設けておき角度指令に対してフィルタ処理を行うことにより残留振動を低減するようにしたフィードフォワード補償を行う場合にも適用する(この場合は、温度による変動を推定してフィルタの残留振動に関するパラメータを修正する)ことができる。
Further, in this embodiment, the torsional
(2)トルク定数Ktの修正
温度変化に伴うトルク定数Ktの変化に対しては、推定トルク定数18を用いてセトリング応答が整定範囲の仕様を満たすようにループゲイン10を増減させる。
(2) Correction of Torque Constant Kt For the change of the torque constant Kt due to the temperature change, the
具体的には、ループゲインの分母を推定トルク定数18とし、分子をトルク定数Ktのノミナル値とする。このようにすると、例えば推定トルク定数18がトルク定数Ktのノミナル値よりも小さくなった場合、ループゲイン10は、両者の比の分だけ増加する。
Specifically, the denominator of the loop gain is the estimated torque constant 18, and the numerator is the nominal value of the torque constant Kt. In this way, for example, when the estimated torque constant 18 becomes smaller than the nominal value of the torque constant Kt, the
次に、この実施形態の動作を説明する。 Next, the operation of this embodiment will be described.
図4は、本発明における制御手順を示すフローチャートである。 FIG. 4 is a flowchart showing a control procedure in the present invention.
なお、手順S10〜手順90は図8で説明した従来の手順と同じであるので、重複する説明を省略する。 Since steps S10 to 90 are the same as the conventional procedure described with reference to FIG.
手順S90によりDA変換器6から電流指令39が出力されると、この時のコイル印加電圧信号Vaと電流検出信号iaが電流制御回路7から取り出され、AD変換器13及びAD変換器15によりディジタル値信号に変換される(手順S200)。電流制御回路の内部パラメータ推定器17は、入力されたコイル印加電圧信号Vdと電流検出信号idを用い、式21、式22により、φy(i)、φu(i)を算出する(手順S210)。また、式26により共分散行列であるP(i)を算出する(手順S220)。そして、求めたP(i)、φf(i)と式27によりφf(i)を演算する(手順S230)。θf(i)が算出されることにより、式1の伝達関数の各係数が求まる。
When the
次に、上記で求めたθf(i)の構成要素であるa0、b0を用いて式28により推定コイル抵抗値19を求める(手順S240)。また、θf(i)の構成要素であるa1、a0、b2、b1、b0を用いて式29に基づき、推定トルク定数18を演算する(手順S250)。
Next, an estimated
次に、推定コイル抵抗値19を用いて式30により現在のコイル温度を算出し(手順S260)、式31によりねじり振動周波数Ω1の修正量ΔΩ1を演算する(手順S270)。 Next, the current coil temperature is calculated by Equation 30 using the estimated coil resistance value 19 (procedure S260), and the correction amount ΔΩ1 of the torsional vibration frequency Ω1 is calculated by Equation 31 (procedure S270).
そして、ねじり振動周波数の修正量ΔΩ1を用いて式38〜式45のΩ1をΔΩ1+Ω1に修正する(手順S280)。 Then, using the correction amount ΔΩ1 of the torsional vibration frequency, Ω1 in Equations 38 to 45 is corrected to ΔΩ1 + Ω1 (step S280).
そして、上記で求めた推定トルク定数18を用いて、ループゲイン10を修正する(手順S290)。
Then, the
修正されたねじり振動周波数Ω1およびループゲイン10は、次のサンプリング周期のサーボ処理に反映される。
The corrected torsional vibration frequency Ω1 and the
図5は本発明による移動体の位置決め応答曲線を示す図であり、縦軸は位置偏差、横軸は時間である。図中の太線が本発明の場合であり、比較のために従来の場合を破線で示している。なお、図中の一点鎖線は整定の許容範囲(以下、「整定範囲」と呼ぶ)を示している。 FIG. 5 is a diagram showing a positioning response curve of the moving body according to the present invention, where the vertical axis represents position deviation and the horizontal axis represents time. The thick line in the figure is the case of the present invention, and the conventional case is shown by a broken line for comparison. In the figure, the alternate long and short dash line indicates the allowable setting range (hereinafter referred to as “setting range”).
同図に示すように、本発明を適用した場合、目標位置に達すると、移動体は速やかに整定範囲内に位置決めされ、残留振動も少なく良好なセトリング応答が実現されている。 As shown in the figure, when the present invention is applied, when the target position is reached, the moving body is quickly positioned within the settling range, and a good settling response is realized with little residual vibration.
一方、従来技術の場合、温度が上昇することによってオーバーシュートが増大し、位置決め時間が遅れる。また、ねじり振動周波数の変化によって、残留振動が生じている。 On the other hand, in the case of the prior art, the overshoot increases as the temperature rises, and the positioning time is delayed. Further, residual vibration is caused by a change in the torsional vibration frequency.
以上説明したように、本発明のパラメータ同定からねじり振動安定化補償器5のねじり振動周波数の修正とループゲイン10の修正により、自己発熱等の温度変化の影響を受けることなく、ガルバノミラーを所望の位置に高精度に位置決めすることができる。
As described above, the galvanometer mirror is desired without being affected by temperature changes such as self-heating by correcting the torsional vibration frequency of the torsional
次に、本発明をプリント配線板加工用のレーザ加工装置に適用する場合について説明する。 Next, the case where the present invention is applied to a laser processing apparatus for processing a printed wiring board will be described.
図6は、本発明を適用したレーザ加工装置の概略を示す図である。 FIG. 6 is a diagram showing an outline of a laser processing apparatus to which the present invention is applied.
レーザ光源301は、レーザを発振させて、レーザ光を照射する。レーザ光の照射は上位制御からの指令によって制御されている。
The
ガルバノスキャナ302は、レーザ光源301から照射されたレーザ光を加工位置に照射するために、ガルバノミラーを角度指令データで指令された角度で位置決めをする。
The
ガルバノスキャナ303は、ガルバノスキャナ302で反射されたレーザ光を加工位置に照射するために、ガルバノミラーを角度指令データで指令された角度で位置決めをする。
The
ここで、ガルバノスキャナ302、303の制御装置は、図1に示した構成により、ねじり振動周波数とループゲインの修正を行う。
Here, the control devices of the
fθレンズ304は、ガルバノスキャナ303で反射されたレーザ光を集光し、プリント配線板306の加工位置に照射する。
The
X−Yテーブル305は、プリント配線板306を保持して移動する。ガルバノスキャナ302及びガルバノスキャナ303の稼動できる角度範囲内での加工が終了すると、次の加工位置へ移動する。
The XY table 305 moves while holding the printed
レーザ加工装置に本発明を適用することによって、ガルバノスキャナ302及びガルバノスキャナ303は、温度上昇によるオーバーシュートや残留振動を抑えることができ、位置決め時間と位置決め精度の向上が図れる。
By applying the present invention to the laser processing apparatus, the
従って、レーザ光を反射するガルバノミラーが高速、高精度に加工位置へ位置決めされるため、レーザ加工装置の加工スループットや加工精度を向上させることができる。 Therefore, since the galvanometer mirror that reflects the laser light is positioned at the processing position at high speed and with high accuracy, the processing throughput and processing accuracy of the laser processing apparatus can be improved.
ところで、ロータリ・アクチュエータの折れ点周波数ωや減衰係数ζは、ロータリ・アクチュエータの軸受等の摩擦に起因するものと考えられるが、本発明に係る電流制御回路の内部パラメータ推定器17を用いると、推定コイル抵抗値19と推定トルク定数18だけでなく、同様にしてコイルインダクタンスLcやロータリ・アクチュエータの折れ点周波数ωあるいは減衰係数ζを式46〜48により求めることができる。
By the way, although it is considered that the breakpoint frequency ω and the damping coefficient ζ of the rotary actuator are caused by friction of the bearing of the rotary actuator, using the internal parameter estimator 17 of the current control circuit according to the present invention, In addition to the estimated
したがって、電流制御回路の内部パラメータ推定器17により推定したロータリ・アクチュエータの折れ点周波数ωや減衰係数ζを使って、外乱オブザーバを構築できる。このようにすると、摩擦に起因するトルク外乱を相殺して高速高精度な位置決めを行うことができる。 Therefore, a disturbance observer can be constructed using the rotary actuator breakpoint frequency ω and the damping coefficient ζ estimated by the internal parameter estimator 17 of the current control circuit. If it does in this way, torque disturbance resulting from friction can be canceled and high-speed and highly accurate positioning can be performed.
1 ロータリ・アクチュエータ
1c コイル
7 電流制御回路
10 ループゲイン
17 電流制御回路の内部パラメータ推定器
18 推定トルク定数
19 推定コイル抵抗値
id 電流検出信号
Vd コイル印加電圧信号
20 温度推定器
Ω1 ねじり振動周波数
ΔΩ1 ねじり振動周波数の修正量
DESCRIPTION OF
Claims (5)
トルク定数及び前記アクチュエータ内部のコイル抵抗を推定する内部パラメータ推定手段と、
前記コイル抵抗からコイル温度を推定する推定手段と、
前記推定手段によって推定された前記コイル温度に基づいて、ねじり振動周波数の修正量を推定するねじり振動周波数推定手段と、
推定された前記トルク定数に基づいて、セトリング応答が整定範囲内になるようにループゲインを修正するループゲイン修正手段と、
予めサーボパラメータとして設定されたねじり振動周波数に推定された前記ねじり振動周波数の修正量を加えるねじり振動周波数修正手段と、
前記ねじり振動周波数修正手段で修正された前記ねじり振動周波数と前記ループゲイン修正手段で修正された前記ループゲインとにより前記駆動電流を補正する補正手段と、
を備えたことを特徴とする移動体の位置決め制御装置。 In a movable body positioning control device comprising: a current control circuit that controls a drive current of the actuator; and a position sensor that detects a position of the movable body driven by the actuator.
An internal parameter estimating means for estimating a torque constant and a coil resistance inside the actuator;
And estimating means for estimating the coil resistance or Rako yl temperature,
A torsional vibration frequency estimating means for estimating a correction amount of the torsional vibration frequency based on the coil temperature estimated by the estimating means;
Based on the torque constant that is estimated, and the loop gain correction means for correcting the loop gain so settling response is within the settling range,
Advance servo parameters to torsional vibration frequency is set as the added amount of correction estimated by the torsional vibration frequency torsional vibration frequency correcting means,
Correction means for correcting the drive current by the torsional vibration frequency corrected by the torsional vibration frequency correction means and the loop gain corrected by the loop gain correction means;
A positioning control apparatus for a moving body, comprising:
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