JP5519321B2 - 回転検出装置および直流モータ装置 - Google Patents
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Description
また、特許文献1では、モータ電流にノイズやサージ等の誤信号が発生するとモータ電流の電流値は変化する。ノイズやサージによるモータ電流値の変化をそのままモータの回転に伴うモータ電流値の変化として検出すると、モータの回転状態を誤検出する恐れがある。
請求項1および11に記載の発明によると、逆回転判定手段は、出力パターンとして、交流成分の振幅が大きくなる期間と小さくなる期間とが交互に繰り返されるときに、振幅が大きくなる期間の長さの変化に基づいて、停止時に電機子が逆回転したか否かを判定する。
これにより、交流成分そのものよりも、出力パターンを検出しやすいパルス信号の出力パターンの変化に基づいて、補正手段は回転状態を容易に補正できる。
[第1実施形態]
図1に、第1実施形態による直流モータ装置2を示す。直流モータ装置2は、モータ10と、モータ10の回転状態を検出する回転検出装置100とから主に構成されている。
モータ10は、回転方向に180°離れ互いに対向して配置された一対のブラシ12、14と電機子20とを備えている。モータ10は、電機子コイルとして3相の相コイルを有するブラシ付きの3相直流モータであり、ブラシ12、14と接触する3つの整流子片31、32、33からなる整流子30を備えている。そして、電機子コイルを構成する3つ(3相)の各相コイルL1、L2、L3が、それぞれデルタ結線されている。
回転検出装置100は、モータ10の回転角を検出するための装置であり、直流電源102、交流電源104、回転信号検出部110、回転状態検出部140、および補正部150等を備えている。回転検出装置100は、例えば車両の空調装置における各ダンパーを駆動するモータ、あるいはパワーウィンドウを駆動するモータの回転角を検出するために用いられるものである。もちろん、車両の空調装置またはパワーウィンドウへの適用は本発明の実施態様としてのあくまでも一例である。
本実施形態の電源部は、直流電源102と、交流電源104と、カップリングコンデンサ106とを備えている。
(回転信号検出部110)
回転信号検出部110は、電流検出部112と信号処理部120とを備えており、モータ10に流れるモータ電流に基づいてモータ10の回転角に応じた検出パルスSpを生成し出力する。
信号処理部120は、ハイパスフィルタ(HPF)122と、増幅部124と、包絡線検波部128と、比較部130とを備えている。
電流検出抵抗R1により検出され、HPF122によって抽出された検出信号(交流電流成分)は、増幅部124にて増幅される。
このように、信号処理部120では、電流検出抵抗R1にて検出されたモータ電流(検出信号)に対して低周波領域のカット、交流電流成分の増幅、包絡線検波といった各種信号処理を行った上で検出パルスSpが生成されるため、外乱やノイズが低減された正確な検出パルスSpが生成される。
回転状態検出部140は、パルスカウント部142と回転角検出部144とを備えており、回転信号検出部110から出力される検出パルスSpに基づいてモータ10の回転角を検出する。
補正部150は、CPU、RAM、ROM、入出力インターフェース等を備えるマイクロコンピュータ(以下、マイコンとも言う。)から主に構成されている。補正部150は、コンパレータ132から出力される検出パルスSpからモータ電流の交流成分の出力パターンを検出し、パルスカウント部142がカウントするパルス数を出力パターンに基づいて補正する。
次に、モータ10が180°回転する間における、モータ10内部の結線状態の変化、すなわちブラシ12、14間に形成されるモータ回路の変化を、図4の(A)に示す。図4の(A)に示すように、本実施形態のモータ10のモータ回路は、モータ10が180°回転する間に、状態A、状態B、および状態Cの3種類に変化する。
しかも、本実施形態では、モータ10の回転角によって変化するインピーダンスの差が大きくなるよう構成されている。すなわち、図4の(A)で説明したように、状態A、B、A’、B’のインピーダンスは、ブラシ12、14間にコンデンサC1のみの経路が生じないために高いインピーダンスとなるのに対し、状態C、C’のインピーダンスは、ブラシ12、14間にコンデンサC1のみの経路が生じて非常に低いインピーダンスとなる。
(モータ10停止時のモータ電流)
続いて、回転中のモータ10が停止する際のモータ電流を図6の(A)に示す。なお、図6の(A)では、インピーダンスが大きくて交流電流成分の振幅の小さい期間(状態A、B、A’B’となる期間)については交流電流成分の波形が非常に小さいため図示を省略している。後述する図6の(B)においても同様である。
図7にモータ10が回転を開始してから停止するまでの、モータ電流とHPF122から出力される検出電流と比較部130から出力される検出パルスとの関係を示す。
Ton(n)<Ton(n+1) ・・・(1)
Toff(n)<Toff(n+1) ・・・(2)
また、期間Ton、Toffをこの順番で検出する場合、期間Toffの方が期間Tonよりも前回の該当期間に対して長くなる程度が大きいので、一方向に回転している電機子20が同じ回転方向で停止する場合には、次式(3)に示す関係になる。
Ton/Toff<1/2 ・・・(3)
しかし、モータ10のコギングトルク、あるいはモータ10が駆動している対象物からモータ10に加わる負荷変動等により、一方向に回転している電機子20が停止するときに逆回転することがある。
Ton(n)≧Ton(n+1) ・・・(4)
Toff(n)≧Toff(n+1) ・・・(5)
Ton/Toff≧1/2 ・・・(6)
したがって、式(1)〜(6)に基づいて、モータ10が停止時に逆回転したか否かを判定できる。図7では、t16のToff(t16)とt18のToff(t18)の関係が、Toff(t16)>Toff(t18)になり式(5)を満たしているので、t18の途中でモータ10が逆回転したと判定できる。
次に、モータ10の逆回転判定ルーチンを図8に示す。図8において「S」はステップを表している。
S310において補正部150は、Ton(n)<Ton(n+1)であるか否かを判定する。Ton(n)<Ton(n+1)でなければ(S310:No)、補正部150は、モータ10は同一方向に回転して停止するときに期間Ton(n+1)で逆回転したと判断する(S312)。そして、S328に処理を移行する。
ところで、モータ10が一定回転速度で定常回転している場合には、検出パルスがオンになるオン期間Tonと、オフになるオフ期間Toffとを1周期とする周波数は、図7に示すように一定になる。そして、定常回転時において、例えば図7のt6の期間中にノイズまたはサージが発生し、HPF122の出力信号に、交流電源104から印加される交流成分以外の誤信号が混入すると、検出パルスの周波数は定常回転時とは異なった周波数になる。
また、本発明では、検出パルスではなく、HPF122から出力される交流成分のまま、交流成分の振幅が大きくなる期間の長さの変化、ならびに振幅が小さくなる期間の長さの変化、ならびに振幅が大きくなる期間と振幅が小さくなる期間との比率の変化に基づいて、停止時にモータ10が逆回転したか否かを高精度に検出してもよい。
本発明の第2実施形態を図9および図10に示す。第2実施形態の回転検出装置は、モータ160の構成が第1実施形態のモータ10と異なり、補正部150による逆回転の検出の仕方がモータ160の構成に合わせて異なる以外は、実質的に第1実施形態の回転検出装置100と同一である。後述する第3実施形態〜第5実施形態の回転検出装置も、モータの構成が第1実施形態のモータ10と異なり、補正部150による逆回転の検出の仕方がモータの構成に合わせて異なる以外は、実質的に第1実施形態の回転検出装置100と同一である。
電機子162の整流子164は、ブラシ12、14と接触する10個の整流子片164A、164B、164C、164D、164E、164F、164G、164H、164I、164Jを備えている。そして、電機子コイルを構成する10個の(10相)の相コイルL1〜L10がそれぞれデルタ結線されている。尚、図9では、整流子片を表す数字(164)は省略している。
(定常回転時)
図10の(A)に示す定常回転時においては、(A−F)on、(D−I)on、(E−J)offのそれぞれの期間の長さは等しく、(C−H)off、(B−G)offと続く期間の長さはその2倍になる。定常回転時にこの間隔の違いを検出すれば、振幅の大きい期間でブラシ12、14がどの整流子片と接触しているか、つまり電機子162の回転角を検出できる。
直流電源102からモータ160への通電が遮断されると、図10の(B)に示すように、(A−F)on、(D−I)on、(B−G)off、(C−H)off、(E−J)offの各期間の長さは時間経過とともに長くなる。
このように、4相以上のモータ160で2個のコンデンサC1、C2によりブラシ12、14間のリアクタンスを周期的に変化させる構成においても、交流成分の出力パターンとして、交流成分のオン期間、オフ期間の長さの変化に基づいて、電機子が停止時に逆回転したか否かを判定できる。
本発明の第3実施形態を図11および図12に示す。
図11に示すモータ170は、二対のブラシ12、14とブラシ16、18と、電機子172とを備えている。
また、コンデンサC1は、整流子片164Aと164Fとを接続している。整流子片164Aと整流子片164Fとは、電機子172が回転するときに、ブラシ12、14またはブラシ16、18が同時に摺接する一対の整流子片である。これにより、ブラシ12、14またはブラシ16、18が整流子片164A、164Fに接触しているときにブラシ12、14間またはブラシ16、18間のインピーダンスは小さくなる。
一方、ブラシ12、14およびブラシ16、18が整流子片164A、164Fに接触していないときにHPF122から出力される交流成分の振幅は小さくなる。このときの期間を、Toff1、Toff2と表す。
図12の(A)に示す定常回転時においては、(12−14)on、(16−18)on、Toff1のそれぞれの期間の長さは等しく、Toff2の間の長さはその2倍になる。定常回転時においてこの間隔の違いを検出すれば、ブラシ12、14およびブラシ16、18がどの整流子片と接触しているか、つまり電機子の回転角を検出できる。
直流電源102からモータ170への通電が遮断されると、図12の(B)に示すように、(12−14)on、(16−18)on、Toff1、Toff2の各期間の長さは時間経過とともに長くなる。
本発明の第4実施形態を図13に示す。
図13の(A)に示すモータ180は、一対のブラシ12、14と、電機子182とを備えている。ブラシ12、14は回転方向に90°離れて設置されている。
[第5実施形態]
本発明の第5実施形態を図14〜図16に示す。
コンデンサC1は整流子片184Eと整流子片184Fとを接続し、コンデンサC2は整流子片164Aと整流子片184Eとをそれぞれ接続している。
次に、電機子192の回転に伴い、ブラシ12、14間で変化するインピーダンスについて説明する。図15には、電機子192の回転に伴い、ブラシ12、14が整流子片184A、184E、整流子片184D、184H、整流子片184C、184G、整流子片184B、184Fと順次接触するときのブラシ12、14間のモータ回路を示している。これ以降は、図15において電源の接続方向を逆にした回路状態になるので、ブラシ12、14間のインピーダンスの変化の仕方は同じである。
まず、ブラシ12、14が整流子片184A、184E、整流子片184B、184F、整流子片184D、184H、整流子片184C、184Gと接触しているときの期間を(A−E)、(B−F)、(D−H)、(C−G)と表す。
(停止時)
直流電源102からモータ190への通電が遮断されると、図16の(B)に示すように、(A−E)、(B−F)、(D−H)、(C−G)の各期間の長さは時間経過とともに長くなる。
[第6実施形態]
本発明の第6実施形態を図17に示す。第6実施形態による直流モータ装置4の回転検出装置200は、上記第1実施形態から第5実施形態と比較して、主として、直流電源102、交流電源104からモータ10への電源供給がモータドライバ210を介して行われることが異なっており、その他の構成については実質的に第1実施形態の回転検出装置100と同じである。そのため、第1実施形態の回転検出装置100と同じ構成要素には第1実施形態と同じ符号を付し、その詳細説明を省略する。
即ち、モータドライバ210は、例えばMOSFETからなるスイッチMOS1、MOS2、MOS3、MOS4を備えている。ハイサイド側のスイッチMOS1とローサイド側のスイッチMOS3との接続点(即ちHブリッジ回路の一方の中点J)はモータ10における一方のブラシ12に接続されている。同様に、ハイサイド側における他方のスイッチMOS2とローサイド側のスイッチMOS4との接続点(ブリッジ回路の他方の中点K)はモータ10における他方のブラシ14に接続されている。
ここで、モータ10を短絡制動させる場合に、モータ10が逆回転したか否かの判定は、第1実施形態と同様に、モータ10に印加される交流電圧の交流成分の出力パターンとして、検出パルスがオンになるオン期間Tonと、オフになるオフ期間Toffとの長さの変化、ならびにオン期間Tonとオフ期間Toffとの比率の変化に着目して検出できる。詳細については、第1実施形態で既に説明したので省略する。
本発明の第7実施形態を図18に示す。上記第1実施形態から第5実施形態では、複数の相コイルをデルタ結線した例について述べたが、第7実施形態のモータ230では、3つの相コイルL11、L12、L13をスター結線している。
本発明の第8実施形態を図19および図20に示す。
図19に示すように、モータ240は、ブラシ12、14、整流子30、ハウジング242と、このハウジング内に収容された電機子260と、回転軸270とを備えている。電機子260は、ハウジング242の軸心に配置されている回転軸270に固定され、この回転軸270とともに回転する。
上述の通り、ロータコア262およびハウジング242はいずれも軟磁性体にて形成されており、その透磁率は空気の透磁率よりも非常に大きい。そのため、モータ240の磁気抵抗は、ロータコア262(詳しくは各ティース264、265、266の外周面)とハウジング242の内周面または永久磁石250、252との間のエアギャップ、および各永久磁石250、252の厚みの和に大きく依存する。つまり、エアギャップが大きいほど磁気抵抗は大きくなり、逆にエアギャップが小さいほど、磁気抵抗は小さくなる。
本実施形態ではロータコア262が3つのティース264、265、266を有していることにより、回転に伴う周期的なインダクタンスの変化は、電機子260が120°回転する毎に生じる。そのため、上述した交流成分の振幅変化も、電機子260が120°回転する度に周期的に生じる。
尚、ハウジング242とは別部材の凸部244を可変機構として設置する代わりに、凸部244に該当する位置のハウジング自体を内周側に突出させて、電機子260の回転に伴い、ブラシ12、14間のインダクタンスを変化させてもよい。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の実施の形態は、上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもない。
Claims (13)
- 直流モータの回転状態を検出する回転検出装置において、
前記直流モータは、
少なくとも3相の相コイルからなる電機子コイルを有する電機子と、
前記電機子コイルが接続される複数の整流子片を有する整流子と、
前記整流子に摺接する少なくとも一対のブラシと、
前記電機子の回転に伴い前記一対のブラシ間においてインピーダンスが周期的に変化する可変機構と、
を備えており、
前記回転検出装置は、
直流電圧に交流電圧が重畳された電源電圧を前記一対のブラシ間に印加する電源部と、
前記一対のブラシ間に流れる電流または前記電流が流れる通電経路上の電圧の交流成分を検出する通電検出手段と、
前記通電検出手段が検出する前記交流成分の振幅変化に基づいて、前記回転状態として、少なくとも前記直流モータの回転角と回転方向と回転速度とのうちいずれか一つを検出する回転状態検出手段と、
前記通電検出手段が検出する前記交流成分の出力パターンが前記電機子の回転に伴って前記可変機構により変化することに基づいて、前記回転状態検出手段が検出する前記回転状態を補正する補正手段と、
前記出力パターンとして、前記交流成分の振幅が大きくなる期間と小さくなる期間とが交互に繰り返されるときに、前記振幅が大きくなる期間の長さの変化に基づいて、停止時に前記電機子が逆回転したか否かを判定する逆回転判定手段と、
を備え、
前記補正手段は、前記電機子が逆回転したと前記逆回転判定手段が判定すると、前記回転状態検出手段が検出する前記回転状態を補正する、
ことを特徴とする回転検出装置。 - 前記逆回転判定手段は、前記出力パターンとして、前記交流成分の振幅が大きくなる期間と小さくなる期間とが交互に繰り返されるときに、前記振幅が小さくなる期間の長さの変化に基づいて、停止時に前記電機子が逆回転したか否かを判定することを特徴とする請求項1に記載の回転検出装置。
- 直流モータの回転状態を検出する回転検出装置において、
前記直流モータは、
少なくとも3相の相コイルからなる電機子コイルを有する電機子と、
前記電機子コイルが接続される複数の整流子片を有する整流子と、
前記整流子に摺接する少なくとも一対のブラシと、
前記電機子の回転に伴い前記一対のブラシ間においてインピーダンスが周期的に変化する可変機構と、
を備えており、
前記回転検出装置は、
直流電圧に交流電圧が重畳された電源電圧を前記一対のブラシ間に印加する電源部と、
前記一対のブラシ間に流れる電流または前記電流が流れる通電経路上の電圧の交流成分を検出する通電検出手段と、
前記通電検出手段が検出する前記交流成分の振幅変化に基づいて、前記回転状態として、少なくとも前記直流モータの回転角と回転方向と回転速度とのうちいずれか一つを検出する回転状態検出手段と、
前記通電検出手段が検出する前記交流成分の出力パターンが前記電機子の回転に伴って前記可変機構により変化することに基づいて、前記回転状態検出手段が検出する前記回転状態を補正する補正手段と、
前記出力パターンとして、前記交流成分の振幅が大きくなる期間と小さくなる期間とが交互に繰り返されるときに、前記振幅が小さくなる期間の長さの変化に基づいて、停止時に前記電機子が逆回転したか否かを判定する逆回転判定手段と、
を備え、
前記補正手段は、前記電機子が逆回転したと前記逆回転判定手段が判定すると、前記回転状態検出手段が検出する前記回転状態を補正する、
ことを特徴とする回転検出装置。 - 前記直流モータは前記ブラシを一対だけ備え、
前記可変機構は、n相の複数の前記電機子コイルに対応するn個の整流子片のうち一対の前記整流子片をコンデンサで接続し、前記コンデンサが接続している前記一対の整流子片の両方と同時に摺接する位置に前記一対のブラシを設置することにより、前記電機子の回転に伴い前記一対のブラシ間においてインピーダンスのリアクタンスが周期的に変化するように構成されており、
定常回転時において、前記交流成分の振幅が大きい期間Tonと、前記交流成分の振幅が小さい期間Toffとの比率は1:(n−1)であり、
前記逆回転判定手段は、停止時において、期間Tonの次に期間Toffが来るときに、Ton/Toff≧1/(n−1)の場合、前記電機子が逆回転したと判定する、
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の回転検出装置。 - 前記可変機構は、前記複数の整流子片のうち二対以上の前記整流子片の各対の前記整流子片をそれぞれコンデンサで接続することにより、前記電機子の回転に伴い前記一対のブラシ間においてインピーダンスのリアクタンスが周期的に変化するように構成されており、
前記補正手段は、前記通電検出手段が検出する前記交流成分の出力パターンが前記電機子の回転に伴って前記可変機構により変化することに基づいて、前記回転状態検出手段が検出する前記回転状態を補正する、
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の回転検出装置。 - 直流モータの回転状態を検出する回転検出装置において、
前記直流モータは、
少なくとも3相の相コイルからなる電機子コイルを有する電機子と、
前記電機子コイルが接続される複数の整流子片を有する整流子と、
前記整流子に摺接する一対のブラシと、
n相の複数の前記電機子コイルに対応するn個の整流子片のうち一対の前記整流子片をコンデンサで接続し、前記コンデンサが接続している前記一対の整流子片の両方と同時に摺接する位置に前記一対のブラシを設置することにより、前記電機子の回転に伴い前記一対のブラシ間においてインピーダンスのリアクタンスが周期的に変化する可変機構と、
を備えており、
前記回転検出装置は、
直流電圧に交流電圧が重畳された電源電圧を前記一対のブラシ間に印加する電源部と、
前記一対のブラシ間に流れる電流または前記電流が流れる通電経路上の電圧の交流成分を検出する通電検出手段と、
前記通電検出手段が検出する前記交流成分の振幅変化に基づいて、前記回転状態として、少なくとも前記直流モータの回転角と回転方向と回転速度とのうちいずれか一つを検出する回転状態検出手段と、
前記通電検出手段が検出する前記交流成分の出力パターンが前記電機子の回転に伴って前記可変機構により変化することに基づいて、前記回転状態検出手段が検出する前記回転状態を補正する補正手段と、
前記出力パターンの変化から停止時に前記電機子が逆回転したか否かを判定する逆回転判定手段と、
を備え、
定常回転時において、前記交流成分の振幅が大きい期間Tonと、前記交流成分の振幅が小さい期間Toffとの比率は1:(n−1)であり、
前記逆回転判定手段は、停止時において、期間Tonの次に期間Toffが来るときに、Ton/Toff≧1/(n−1)の場合、前記電機子が逆回転したと判定し、
前記補正手段は、前記電機子が逆回転したと前記逆回転判定手段が判定すると、前記回転状態検出手段が検出する前記回転状態を補正する、
ことを特徴とする回転検出装置。 - 前記補正手段は、前記交流成分の振幅が大きくなる期間と小さくなる期間とが交互に繰り返されるときに、前記振幅が大きくなる期間と小さくなる期間とを1周期とする周波数の変化に基づいて、定常回転時に前記通電検出手段が検出する前記交流成分以外の誤信号を除去することを特徴とする請求項2から6のいずれか一項に記載の回転検出装置。
- 直流モータの回転状態を検出する回転検出装置において、
前記直流モータは、
少なくとも3相の相コイルからなる電機子コイルを有する電機子と、
前記電機子コイルが接続される複数の整流子片を有する整流子と、
前記整流子に摺接する少なくとも一対のブラシと、
前記電機子の回転に伴い前記一対のブラシ間においてインピーダンスが周期的に変化する可変機構と、
を備えており、
前記回転検出装置は、
直流電圧に交流電圧が重畳された電源電圧を前記一対のブラシ間に印加する電源部と、
前記一対のブラシ間に流れる電流または前記電流が流れる通電経路上の電圧の交流成分を検出する通電検出手段と、
前記通電検出手段が検出する前記交流成分の振幅変化に基づいて、前記回転状態として、少なくとも前記直流モータの回転角と回転方向と回転速度とのうちいずれか一つを検出する回転状態検出手段と、
前記通電検出手段が検出する前記交流成分の出力パターンが前記電機子の回転に伴って前記可変機構により変化することに基づいて、前記回転状態検出手段が検出する前記回転状態を補正し、前記交流成分の振幅が大きくなる期間と小さくなる期間とが交互に繰り返されるときに、前記振幅が大きくなる期間と小さくなる期間とを1周期とする周波数の変化に基づいて、定常回転時に前記通電検出手段が検出する前記交流成分以外の誤信号を除去する補正手段と、
を備えることを特徴とする。 - 前記可変機構は前記交流成分の振幅を3段以上に変化させる構成であり、
前記交流成分の振幅が3段以上に変化する前記出力パターンの変化に基づいて、停止時に前記電機子が逆回転したか否かを判定する逆回転判定手段を備え、
前記補正手段は、前記電機子が逆回転したと前記逆回転判定手段が判定すると、前記回転状態検出手段が検出する前記回転状態を補正する、
ことを特徴とする請求項8に記載の回転検出装置。 - 前記出力パターンの変化から停止時に前記電機子が逆回転したか否かを判定する逆回転判定手段を備え、
前記補正手段は、前記電機子が逆回転したと前記逆回転判定手段が判定すると、前記回転状態検出手段が検出する前記回転状態を補正する、
ことを特徴とする請求項8に記載の回転検出装置。 - 前記逆回転判定手段は、前記出力パターンとして、前記交流成分の振幅が大きくなる期間と小さくなる期間とが交互に繰り返されるときに、前記振幅が大きくなる期間の長さの変化に基づいて、停止時に前記電機子が逆回転したか否かを判定することを特徴とする請求項10に記載の回転検出装置。
- 前記通電検出手段は、前記電機子の回転に伴う前記交流成分の振幅変化に応じてパルス信号を生成するパルス生成手段を有し、
前記補正手段は、前記交流成分の出力パターンとして、前記パルス生成手段が生成する前記パルス信号の出力パターンに基づいて前記回転状態を補正する、
ことを特徴とする請求項1から11のいずれか一項に記載の回転検出装置。 - 少なくとも3相の相コイルからなる電機子コイルを有する電機子と、
前記電機子コイルが接続される複数の整流子片を有する整流子と、
前記整流子に摺接する少なくとも一対のブラシと、
前記電機子の回転に伴い前記一対のブラシ間においてインピーダンスのリアクタンスが周期的に変化する可変機構と、
を有する直流モータと、
請求項1から12のいずれか一項に記載の回転検出装置と、
を備えることを特徴とする直流モータ装置。
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