JP5344946B2 - 電動コンプレッサ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両用空調装置等に用いられる電動コンプレッサの制御装置に関する。

車両用空調装置において、電動コンプレッサは、冷媒をコンデンサ、エバポレータに循環させる冷凍サイクルの中で、エバポレータで気化した冷媒ガスを圧縮し高温、高圧のガスとしてコンデンサへ吐出する。コンデンサでは冷媒を凝縮液化させてエバポレータへ送出し、エバポレータにおいてこの冷媒を気化させる際に熱を吸収して室内を冷房する。
電動コンプレッサはインバータで制御される３相モータが駆動源として用いられている。
インバータはバッテリからの直流電流をスイッチング半導体素子でスイッチングしてモータへの電流を出力するが、モータ負荷が大きくなりスイッチング半導体素子を流れる電流（相電流）がその最大定格電流を越えるとスイッチング半導体素子の発熱が増大して破壊へ進む。

そこで、従来、電流がその最大定格電流を越えないようにする技術が提案されており、例えば特開２００１−１７８１９０号公報には、電流が最大定格電流値に基づく第１の閾値以上になったときにモータの回転を停止するとともに、第１の閾値よりも小さい第２の閾値を設定して、電流が第２の閾値以上となったときモータの回転数を所定量減少させ、このあと電流が増加したときにはさらにモータの回転数を所定量減少させることにより、電流を第２の閾値よりも低く維持しようとするものが開示されている。
これは、第１の閾値以上になったときにモータの回転を停止するだけでは、それまで機能していた空調機能が急に停止して乗員に不快感を与えるので、そのような事態に至る前段階でモータの回転数を減少させることにより、モータ負荷を軽減して電流が第１の閾値に達するのを抑えようと図ったものである。

特開２００１−１７８１９０号公報

ところで、モータについては負荷が過大になると速度指令に対してロータの回転が追随できなくなる脱調現象が生じことが知られており、脱調に至ると制御不能となって停止してしまい、運転を継続することができなくなる。
そこで、従来のスイッチング半導体素子の保護と同様に、負荷に閾値を設定して脱調に至る限界を越えないようにすることが考えられる。
ここで、電動コンプレッサのモータにかかる負荷はコンプレッサの冷媒吸入口と吐出口の間に生じる圧力差に依存し、圧力差が大きければ負荷は大きく、圧力差が小さければ負荷も小さい。そして、モータの回転数が低下すれば冷媒流量も低下して、結果として負荷が小さくなるという相関関係にある。
したがって、上記従来技術に倣えば、負荷が閾値に達して過負荷と判定されたらモータの回転数を低下させることとすればよい。

ところが、モータ負荷の実体であるコンプレッサ負荷の反応速度は遅く、モータの回転速度を減少させてもコンプレッサ負荷は直ちには低下せず、オーバーシュートが生じる。そしてこのオーバーシュートはコンプレッサの運転状態によって変化することが見出された。
このため、上記従来の技術における第２の閾値と同じく負荷の閾値が固定であると、モータの回転速度を減少させたあとオーバーシュートにより脱調限界を越えてしまうことがあり、この場合は、上記の意図にもかかわらず運転不能になる。
この対策として、大きな余裕をもたせるべく、閾値を低く設定することも考えられるが、これではモータの運転範囲が狭められてしまうという問題を招く。

したがって本発明は、上記問題に鑑み、モータの運転範囲を一律に狭めることなく、モータを停止させることのない電動コンプレッサ制御装置を提供することを目的とする。

このため本発明の電動コンプレッサ制御装置は、モータ指令速度を生成するモータ指令速度生成部と、モータが出力するモータトルクを算出するモータトルク演算部と、モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、モータの回転速度に応じて、電動コンプレッサの過負荷判定基準とする閾値を設定する閾値設定手段と、モータトルクを閾値と比較して電動コンプレッサの負荷状態を判定する負荷判定部と、電動コンプレッサの負荷状態に応じてモータ指令速度を補正し、最終指令速度を出力する指令速度補正部と、最終指令速度に基づいて電動コンプレッサのモータを駆動するモータ制御部と、を有し、
指令速度補正部は、負荷判定部における判定が過負荷であるとき、モータ指令速度を減少させて最終指令速度とし、負荷判定部における判定が過負荷でないときはモータ指令速度をそのまま最終指令速度とし、閾値設定手段は、モータの回転速度が所定値以下の領域では、閾値をモータトルクの変動速度に応じて変化させ、閾値は、モータトルクの変動速度が小さいときは高く、変動速度が大きくなるほど低いことを特徴とする電動コンプレッサ制御装置とした。

上記の閾値設定手段は、モータの回転速度が前記所定値を越える領域では、前記閾値を前記モータトルクの変動速度と無関係にモータの回転速度に基づいて設定するものであることが好ましい。

上記所定値は、モータの限界トルクが一定の状態からモータの回転速度に応じて変化し始める回転速度であることが望ましく、閾値はモータの限界トルクより低く設定され、高速領域における閾値と限界トルクの差は、低速領域における閾値と限界トルクの差よりも小さく設定することができる。

本発明によれば、電動コンプレッサの過負荷の判定基準である閾値がモータの回転速度に応じて可変に設定されるので、負荷に対応するモータのトルクの特性に合わせて、脱調を招く限界トルクに対して必要な余裕代だけ手前で回転速度を減少させればよく、脱調防止とともに、電動コンプレッサの運転範囲を拡大することができる。

本発明の実施の形態の全体構成を示すブロック図である。 モータのトルク特性を示す図である。 モータの回転速度減少時の負荷特性を示す説明図である。 モータトルクの変動速度とオーバーシュート量の関係を示す図である。 過負荷判定閾値設定部の機能構成を示す図である。 実施の形態における制御動作を示すフローチャートである。 低速領域におけるモータトルクの制御状態を示す説明図である。 高速領域におけるモータトルクの制御状態を示す説明図である。

次に本発明の実施の形態について説明する。
図１は、車両用空調装置に適用した実施の形態にかかる電動コンプレッサ制御装置の全体構成を示すブロック図である。
電動コンプレッサ１は、コンプレッサ本体ＣｏｍｐとモータＭと、このモータＭを駆動するインバータＩｎｖとからなり、モータＭとしては、埋込磁石同期モータを用いている。
電動コンプレッサ１にはモータ電流を検出する電流検出部２とモータＭの回転速度を検出する回転センサ３とが付設されている。
電流検出部２は、例えばインバータＩｎｖの電流経路に設けたシャント抵抗によって電流を電圧に変換し、この電圧値からモータＭに流れる電流値を求める。
また、回転センサ３は、例えばモータＭの回転軸に取り付けた不図示のエンコーダを用いて回転速度ωを求める。

電動コンプレッサ制御装置１０は、まずモータ指令速度を生成するモータ指令速度生成部１１を有する。モータ指令速度生成部１１は指令速度補正部１２を介してモータ制御部１３に接続され、モータ制御部１３は電動コンプレッサ１に接続されている。
電動コンプレッサ制御装置１０はさらに、電流検出部２に接続されたモータトルク演算部１５と、このモータトルク演算部１５と回転センサ３とに接続された過負荷判定閾値設定部１６と、モータトルク演算部１５と過負荷判定閾値設定部１６とに接続された負荷判定部１７とを有している。

モータ指令速度生成部１１には、車室内の温度を検出する室内温度センサ４と、空調温度を設定する温度設定部５とが接続されており、モータ指令速度生成部１１は室内温度センサ４からの車室内温度と温度設定部５からのエアコン設定温度との温度差を基に、ＰＩ制御などによりモータ指令速度ωｏを生成する。

モータトルク演算部１５は、モータ電流を基にモータＭが出力するトルク（以下、モータトルクという）を算出する。
埋込磁石同期モータの駆動にはベクトル制御を用い、モータトルクＴは次式で求められる。
Ｔ＝Ｐｎ｛Ψａ・ｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄ・ｉｑ｝
ただし、Ｐｎ：極対数
Ψａ：鎖交磁束
Ｌｄ：Ｄ軸インダクタンス
Ｌｑ：Ｑ軸インダクタンス
ｉｄ：Ｄ軸電流（励磁電流成分）
ｉｑ：Ｑ軸電流（トルク電流成分）
である。

過負荷判定閾値設定部１６は、モータトルク演算部１５で算出されたモータトルクＴとモータＭの電流値とに基づいて、モータＭの負荷状態を判定する基準として過負荷判定閾値Ｔｚを設定する。詳細は後述する。
負荷判定部１７は、モータトルクＴを過負荷判定閾値Ｔｚと比較し、モータトルクＴが過負荷判定閾値Ｔｚに達したらモータＭが過負荷状態であると判定する。

指令速度補正部１２は、モータ指令速度生成部１１から出力されたモータ指令速度ωｏを負荷判定部１７が判定するモータＭの負荷状態に応じて補正し、最終指令速度ωｔとして出力する。
すなわち、モータＭが過負荷状態であると判定された場合は、モータ指令速度を減少させて、過負荷状態の判定が解除されるまでこの補正された最終指令速度ωｔをモータ制御部１３へ出力する。モータＭが過負荷状態でない場合は、モータ指令速度ωｏを減少させる補正は行わなわず、モータ指令速度ωｏをそのまま最終指令速度ωｔとする。

モータ制御部１３は、指令速度補正部１２からの最終指令速度ωｔと回転センサ３からのモータＭの回転速度ωとに基づいて電動コンプレッサ１のインバータＩｎｖを駆動する。ここでは、最終指令速度ωｔにモータＭの回転速度ωが追従するように、速度ＰＩ制御あるいは電流ＰＩ制御により、インバータＩｎｖへの駆動電圧を出力する。

つぎに、過負荷判定閾値Ｔｚの設定について、詳細に説明する。
前述のように、モータＭはその出力できる限界トルクＴｃ以上の負荷がかけられると脱調し、停止してしまうが、一般に埋込磁石同期モータは、図２に示すようなトルク特性を有している。すなわち、所定の回転速度ωｂ以下の領域では限界トルクＴｃは一定で、ωｂを越えた領域では限界トルクＴｃが急速に低下する。電動コンプレッサ１の駆動中は、モータＭの出力するトルクＴがコンプレッサの負荷となるので、負荷の変動はモータトルクＴの変動で知ることができる。したがって、脱調防止のためには、上記の限界トルクＴｃに達する前に過負荷と判定するように閾値を設定し、当該閾値に達したときにモータＭの回転速度を減少させる必要がある。

しかし、モータＭの回転速度ωを減少させてもコンプレッサ負荷の反応速度は遅く、負荷は直ちには低下せず、図３に示すように、オーバーシュートする。すなわち、時刻ｔ０で回転速度ωを減少させ始めても、負荷に相当するモータトルクＴは逆に増大し、時刻ｔ１に至ってからようやく高トルクの状態から低下していく。
ここで、オーバーシュート量（トルクの増大量および時刻ｔ０時のトルク値に戻るまでの時間）は、回転速度ωを減少させ始めた時刻ｔ０直前のモータトルクＴの変動速度（傾斜α）と関連しており、図４に示すように、モータトルクＴの変動速度が大きいほどオーバーシュート量も大きいことが判明した。
そこで、本実施の形態では、過負荷判定閾値設定部１６は、図２に示したトルク特性に加えてオーバーシュートの特性も踏まえた過負荷判定閾値Ｔｚを設定するものとする。

このため、過負荷判定閾値設定部は、図５に示す機能構成を有している。
過負荷判定閾値設定部１６は、負荷変動算出部２０、低速領域マップ２２と高速領域マップ２４、および速度領域切換スイッチ２６を備える。
モータＭのトルク特性は先の図２に示したように、限界トルクＴｃが一定である回転速度ωｂ以下の領域と、回転速度ωが増すにしたがって限界トルクＴｃが減少する領域に分かれるので、低速領域マップ２２と高速領域マップ２４はそれぞれの領域に対応している。
いずれのマップも、オーバーシュートがあってもモータトルクＴが限界トルクＴｃを越えないようにあらかじめ実験などに基づいて設定される。

とくに低速領域マップ２２は、図４のモータトルク変動速度に応じたオーバーシュート量によって限界トルクＴｃを越えることがないように、モータトルクＴの変動速度（傾斜α＝ｄＴ／ｄｔ）をパラメータとして閾値Ｔｌが設定されている。
閾値Ｔｌは、モータトルクＴの変動速度が低い場合は高く、モータトルクＴの変動速度が高くなるほど低くなっている。
負荷変動算出部２０はモータトルクＴの変動速度ｄＴ／ｄｔを求め、過負荷判定閾値設定部１６はこの変動速度に基づいて低速領域マップ２２から閾値Ｔｌを読み出す。

一方、高速領域マップ２４は、回転速度ωをパラメータとして閾値Ｔｈが設定されている。
高速領域での閾値Ｔｈは限界トルクＴｃにほぼ沿っており、限界トルクＴｃとの差は低速領域マップにおける限界トルクＴｃと閾値Ｔｌの差より小さくなっている。
過負荷判定閾値設定部１６は回転センサ３からの回転速度ωに基づいて高速領域マップ２４から閾値Ｔｈを読み出す。
速度領域切換スイッチ（速度領域切換ＳＷ）２６は、回転速度ωｂ以下のときは低速領域選択状態となり低速領域マップ２２から読み出した閾値Ｔｌを過負荷判定閾値Ｔｚとして負荷判定部１７へ出力し、回転速度ωｂを越えているときは高速領域選択状態となり高速領域マップ２４から読み出した閾値Ｔｈを過負荷判定閾値Ｔｚとして負荷判定部１７へ出力する。

つぎに、上記構成になる電動コンプレッサ制御装置の動作について説明する。
図６は電動コンプレッサ制御装置１０の制御動作を示すフローチャートであり、電動コンプレッサ１の運転中、一定時間間隔で繰り返される。
まずステップ１００において、モータ指令速度生成部１１はエアコン設定温度と車室内温度を基にモータ指令速度ωｏを生成する。
ステップ１０１では、モータトルク演算部１５において、モータ電流ｉｄ、ｉｑを基にモータトルクＴを算出する。
ステップ１０２において、過負荷判定閾値設定部１６では速度領域切換スイッチ２６に回転センサ３からの回転速度ωが読み込まれ、回転速度がωｂ以下であるかどうかがチェックされる。
回転速度がωｂ以下であるときはステップ１０３へ進み、回転速度がωｂを越えているときはステップ１０５へ進む。

ステップ１０３では、速度領域切換スイッチ２６が低速領域選択側に切り換わる。
そしてステップ１０４において、過負荷判定閾値設定部１６では負荷変動算出部２０によりモータトルクＴの変動速度ｄＴ／ｄｔを求めるとともに、この変動速度に基づいて低速領域マップ２２から閾値Ｔｌを読み出して過負荷判定閾値Ｔｚとする。この過負荷判定閾値Ｔｚは低速領域選択側に切り換わった速度領域切換スイッチ２６から負荷判定部１７へ出力される。

一方、ステップ１０５では、速度領域切換スイッチ２６が高速領域選択側に切り換わる。
そしてステップ１０６において、回転速度ωに基づいて高速領域マップ２４から閾値Ｔｈを読み出して過負荷判定閾値Ｔｚとする。この過負荷判定閾値Ｔｚは高速領域選択側に切り換わった速度領域切換スイッチ２６から負荷判定部１７へ出力される。

ステップ１０７において、負荷判定部１７はステップ１０１で算出されたモータトルクＴがステップ１０４または１０６で設定された過負荷判定閾値Ｔｚ以上であるかどうかをチェックする。そして、モータトルクＴが過負荷判定閾値Ｔｚ以上であるときはモータＭが過負荷状態、モータトルクＴが過負荷判定閾値Ｔｚに達していないときはモータＭは過負荷でない、すなわち安全負荷状態である旨判定して、判定信号を指令速度補正部１２へ出力する。
ステップ１０８において、指令速度補正部１２は判定信号により、負荷状態が過負荷であるかどうかをチェックする。
判定信号が過負荷でなく、すなわち安全負荷のときは、ステップ１０９へ進んで、先のステップ１００で生成されたモータ指令速度ωｏをそのまま最終指令速度ωｔとしてモータ制御部１３へ送る。

一方、判定信号が過負荷であるときはステップ１１０へ進んで、前回モータ制御部１３へ送った最終指令速度ωｔに対して所定量だけ減少させる補正を施して今回の最終指令速度ωｔとしてモータ制御部１３へ送る。なお、制御開始の最初のフローにおいて判定信号が過負荷となった場合には、前回モータ制御部へ送った最終指令速度ωｔとしてステップ１００で生成されたモータ指令速度ωｏを用いる。
ステップ１１１では、モータ制御部１３により、モータＭの実際の回転速度ωが指令速度補正部１２から送られた最終指令速度ωｔとなるように、電動コンプレッサ１のインバータＩｎｖを駆動して、ステップ１００へ戻る。

上述の制御により、モータ回転の低速領域において、モータトルクＴの変動速度が高い場合には、図７の（ａ）に示すように、過負荷判定閾値Ｔｚが低く設定されるため、限界トルクＴｃまでの余裕が確保されて、モータトルクＴがこの過負荷判定閾値Ｔｚに達した時点で回転速度を減少させれば、オーバーシュート量が大きくても限界トルクＴｃを越えて脱調に至ることなく、いずれモータトルクＴすなわち負荷が過負荷判定閾値Ｔｚ以下に戻って、電動コンプレッサ１の運転を安定に継続することができる。

また、モータトルクＴの変動速度が低い場合には、図７の（ｂ）に示すように、オーバーシュート量が比較的に小さいので、過負荷判定閾値Ｔｚが高くなってもオーバーシュートによって限界トルクＴｃを越えることはない。そして、過負荷判定閾値Ｔｚが高い分だけ回転速度を減少させる過負荷判定閾値Ｔｚに達するまでの余裕が大きく、広い運転範囲が確保される。

一方、モータ回転の高速領域においては、先の図２に示したように、回転速度ωが高くなるほど限界トルクＴｃが低下し、換言すれば回転速度ωが減少すると限界トルクＴｃが増大する。
このため、図８に示すように、回転速度ω１の時点（限界トルクＴｃ１）でモータトルクＴが過負荷判定閾値Ｔｚ１に達して回転速度を減少させると、オーバーシュートは発生するが、低い値に減少した回転速度ω２における限界トルクＴｃ２がＴｃ１よりも高い値へ増大しているので、過負荷判定閾値ＴｚがモータトルクＴの変動速度に係わらず限界トルクＴｃに近い値に設定してあっても、オーバーシュートによって限界トルクＴｃを越えることはない。したがって、高速領域においては過負荷判定閾値Ｔｚが高い分だけ広い運転範囲が確保されることになる。

本実施の形態においては、回転センサ３が発明における回転速度検出手段に該当し、過負荷判定閾値設定部１６が閾値設定手段に、過負荷判定閾値Ｔｚが閾値にそれぞれ該当する。

実施の形態は以上のように構成され、モータ指令速度ωｏを生成するモータ指令速度生成部１１と、モータトルクＴを算出するモータトルク演算部１５と、モータの回転速度ωを検出する回転センサ３と、モータの回転速度に応じて、電動コンプレッサ１の過負荷判定閾値Ｔｚを設定する過負荷判定閾値設定部１６と、モータトルクＴを過負荷判定閾値Ｔｚと比較して電動コンプレッサ１の負荷状態を判定する負荷判定部１７と、電動コンプレッサ１の負荷状態に応じてモータ指令速度ωｏを補正し、最終指令速度ωｔを出力する指令速度補正部１２と、最終指令速度ωｔに基づいて電動コンプレッサのモータＭを駆動するモータ制御部１３とを有し、指令速度補正部１２は、負荷判定部１７における判定が過負荷であるとき、モータ指令速度ωｏを減少させて最終指令速度ωｔとし、負荷判定部１７における判定が過負荷でないときはモータ指令速度ωｏをそのまま最終指令速度ωｔとするものとした。
これにより、電動コンプレッサ１の過負荷の判定基準である過負荷判定閾値ＴｚがモータＭの回転速度ωに応じて可変に設定されるので、負荷に対応するモータのトルク特性に合わせて、脱調を招く限界トルクＴｃに対して必要な余裕代だけ手前で回転速度を減少させればよく、脱調防止とともに、電動コンプレッサ１の運転範囲を拡大することができるので、モータの小型化、軽量化にもつながる。

過負荷判定閾値設定部１６は、モータの回転速度ωが所定値ωｂ以下の低速領域では、過負荷判定閾値ＴｚをモータトルクＴの変動速度に応じて変化させ、モータの回転速度ωが所定値ωｂを越える高速領域では、過負荷判定閾値ＴｚをモータトルクＴの変動速度と無関係にモータの回転速度ωに基づいて設定するものとし、低速領域において変動速度によるモータトルクＴのオーバーシュート量の変化に対応した脱調防止ができる。
とくに、モータトルクＴの変動速度が小さいときは過負荷判定閾値Ｔｚを高く、変動速度が大きくなるほど過負荷判定閾値Ｔｚを低くすることにより、変動速度が小さいときは運転範囲が拡大する。

また、上記の所定値ωｂが、モータの限界トルクＴｃが一定の状態からモータの回転速度ωに応じて変化し始める回転速度であるため、高速領域における過負荷判定閾値Ｔｚとモータの限界トルクＴｃの差を、低速領域における過負荷判定閾値Ｔｚと限界トルクＴｃの差よりも小さくなっているにもかかわらず、トルク特性によって回転速度減少後は限界トルクＴｃが高くなるので、オーバーシュートによって脱調に至ることはなく、運転範囲が拡大する。

なお、実施の形態において、閾値設定手段としての過負荷判定閾値設定部１６は、閾値Ｔｌ、Ｔｈを低速マップ２２および高速領域マップ２４から読み出して速度領域切換スイッチ２６を介して過負荷判定閾値Ｔｚとして出力するものとしたが、これに限定されず、例えばマップの代わり関数を設定して演算により過負荷判定閾値Ｔｚを求めるようにしてもよい。
また、回転速度検出手段として回転センサ３を備える例を示したが、回転センサを用いる代わりに、速度センサレス制御によってもよい。

本発明は、車両の空調装置その他に用いられて、安定した運転が要求される電動コンプレッサの制御装置としてとくに有用である。

１ 電動コンプレッサ
２ 電流検出部
３ 回転センサ
４ 室内温度センサ
５ 温度設定部
１０ 電動コンプレッサ制御装置
１１ モータ指令速度生成部
１２ 指令速度補正部
１３ モータ制御部
１５ モータトルク演算部
１６ 過負荷判定閾値設定部
１７ 負荷判定部
２０ 負荷変動算出部
２２ 低速領域マップ
２４ 高速領域マップ
２６ 速度領域切換スイッチ
Ｃｏｍｐ コンプレッサ本体
Ｉｎｖ インバータ
Ｍ モータ

Claims (3)

1. モータ指令速度を生成するモータ指令速度生成部（１１）と、
   モータが出力するモータトルクを算出するモータトルク演算部（１５）と、
   モータの回転速度を検出する回転速度検出手段（３）と、
   モータの回転速度に応じて、電動コンプレッサの過負荷判定基準とする閾値を設定する閾値設定手段（１６）と、
   前記モータトルクを前記閾値と比較して電動コンプレッサの負荷状態を判定する負荷判定部（１７）と、
   電動コンプレッサ（１）の負荷状態に応じてモータ指令速度を補正し、最終指令速度を出力する指令速度補正部（１２）と、
   最終指令速度に基づいて電動コンプレッサのモータを駆動するモータ制御部（１３）と、を有し、
   前記指令速度補正部は、
   負荷判定部における判定が過負荷であるとき、モータ指令速度を減少させて最終指令速度とし、
   負荷判定部における判定が過負荷でないときはモータ指令速度をそのまま最終指令速度とし、
   前記閾値設定手段（１６）は、
   モータの回転速度が所定値以下の領域では、前記閾値を前記モータトルクの変動速度に応じて変化させ、前記閾値は、前記モータトルクの変動速度が小さいときは高く、変動速度が大きくなるほど低いことを特徴とする電動コンプレッサ制御装置。
2. 前記閾値設定手段（１６）は、
   モータの回転速度が前記所定値を越える領域では、前記閾値を前記モータトルクの変動速度と無関係にモータの回転速度に基づいて設定するものであることを特徴とする請求項１に記載の電動コンプレッサ制御装置。
3. 前記所定値が、モータの限界トルクが一定の状態からモータの回転速度に応じて変化し
   始める回転速度であり、
   前記閾値はモータの限界トルクより低く設定され、
   前記高速領域における前記閾値と限界トルクの差は、前記低速領域における前記閾値と
   限界トルクの差よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の電動コンプレッ
   サ制御装置。

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