JP6766751B2 - モータ制御システム及びレゾルバ/デジタル変換器の異常検出方法 - Google Patents

モータ制御システム及びレゾルバ/デジタル変換器の異常検出方法 Download PDF

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Description

本発明は、モータ制御システム及びレゾルバ/デジタル変換器の異常検出方法に関し、特にモータの回転角を検出するレゾルバから出力されたアナログ角度信号をデジタル角度信号に変換するレゾルバ/デジタル変換器の異常を検出するモータ制御システム及びレゾルバ/デジタル変換器の異常検出方法に関する。
特許文献1には、レゾルバを2つ設けて二重系とし、レゾルバの異常を検出する技術が開示されている。具体的には、両方のレゾルバから出力された信号を比較することによって、少なくとも一方のレゾルバにおける異常を検出する。なお、特許文献1では、レゾルバ/デジタル変換器(以下、R/D変換器という)の異常検出については言及されていない。
特許文献2には、レゾルバから出力されるアナログ角度信号を模擬した模擬信号を用いてR/D変換器の異常を自己診断する技術が開示されている。具体的には、R/D変換器に入力された模擬信号とR/D変換器から出力されたデジタル信号とを比較することによって、R/D変換器の異常を検出する
特許文献3には、レゾルバから出力されるアナログ角度信号(sin信号、cos信号)を1/2n(n≧2)の周期でサンプリングすることによって、レゾルバの異常を検出する技術が開示されている。具体的には、上記周期でサンプリングした積算値が閾値範囲内にない場合に、レゾルバが異常であると判断する。なお、特許文献3では、R/D変換器の異常検出については言及されていない。
特開2014−119284号公報 特開2005−345189号公報 特開2006−349561号公報
発明者らは、R/D変換器の異常を検出するモータ制御システムに関して以下の課題を見出した。
特許文献1に開示された手法では、二重系としてレゾルバの異常を検出しているため、モータ制御システムの構成が複雑化・大型化する上、製造コストが上昇してしまう。ここで、特許文献1に開示された手法をR/D変換器の異常検出に適用した場合にも、同様の問題が生ずる。
特許文献2に開示された手法では、模擬信号を用いた自己診断中しかR/D変換器の異常を検出することができない。そのため、レゾルバから出力されるアナログ角度信号をデジタル信号に変換しながらリアルタイムでR/D変換器の異常を検出することができなかった。
特許文献3に開示されたレゾルバの異常検出手法をそのままR/D変換器の異常検出に適用すると、モータの回転速度が変化した際に、精度良く異常を検出することができない。図6を参照して、以下にその理由について説明する。
図6は、本発明が解決しようとする課題を説明するための図であって、デジタル角度信号θd及び積算値θsの時間変化を示すグラフである。図6の上段に示されたデジタル角度信号θdは、R/D変換器の出力値であって、レゾルバによって検出されたモータの回転角θのデジタル値である。図6の下段に示された積算値θsは、グラフ中にドットで示されたサンプリング毎にデジタル角度信号θdを積算した積算値である。積算値θsが−θt〜θtの閾値範囲内にない場合、R/D変換器が異常であると判定される。図6の例は、R/D変換器は正常であって、上段に示したデジタル角度信号θdの傾きが変化し、回転速度が低下した様子を示している。
図6に示すように、回転速度が低下した場合でも、サンプリングの時間間隔が一定である。そのため、モータが1回転する間のサンプリング回数すなわちデジタル角度信号θdの積算回数が増加する。そのため、積算値θsが閾値範囲(−θt〜θt)を下回ったり、上回ったりし、R/D変換器が正常であるにも関わらず、異常であると誤判定してしまう場合があった。図6の例では、積算値θsが下限値−θtを下回り、異常であると誤判定されている。
このように、モータが1回転する間におけるデジタル角度信号θdの積算回数が多くなり過ぎると、正常であるにも関わらず異常であるとの誤判定が生じ得る。一方、モータが1回転する間におけるデジタル角度信号θdの積算回数が少なくなり過ぎると、異常判定に要する時間が長くなると共に検出精度が低下する。
このように、特許文献3に開示されたレゾルバの異常検出手法をそのままR/D変換器の異常検出に適用すると、モータの回転速度が変化した際に、精度良く異常を検出することができない。
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、複雑化・大型化に伴うコストの増加を抑制しつつ、モータの回転速度が変化した際にもリアルタイムで精度良く、レゾルバ/デジタル変換器の異常を検出可能なモータ制御システムを提供するものである。
本発明の一態様に係るモータ制御システムは、
モータと、
前記モータの回転角を検出するレゾルバと、
前記レゾルバから出力されたアナログ角度信号をデジタル角度信号に変換するレゾルバ/デジタル変換器と、
前記レゾルバ/デジタル変換器から出力された前記デジタル角度信号に基づいて、前記モータを制御すると共に、前記デジタル角度信号を所定の時間間隔で積算した積算値が、閾値範囲に含まれない場合に、前記レゾルバ/デジタル変換器の異常を検出するモータ制御部と、を備え、
前記モータ制御部は、
前記モータの回転速度が低下した場合に、前記時間間隔が長くなるように変更し、前記モータの回転速度が上昇した場合に、前記時間間隔が短くなるように変更するものである。
本発明の一態様に係るモータ制御システムでは、デジタル角度信号を所定の時間間隔で積算した積算値が、閾値範囲に含まれない場合に、レゾルバ/デジタル変換器の異常を検出する。その際、モータの回転速度が低下した場合に、デジタル角度信号を積算する時間間隔が長くなるように変更し、モータの回転速度が上昇した場合に、時間間隔が短くなるように変更する。
そのため、モータの回転速度が変化した場合にも、モータが1回転する間におけるデジタル角度信号θdの積算回数の変化を抑制し、精度良くR/D変換器RDCの異常を検出することができる。
また、本発明の一態様に係るモータ制御システムでは、二重系にすることなく、レゾルバから出力されるアナログ角度信号をデジタル角度信号に変換しながらリアルタイムでレゾルバ/デジタル変換器の異常を検出することができる。
以上の通り、本発明の一態様に係るモータ制御システムによって、複雑化・大型化に伴うコストの増加を抑制しつつ、モータの回転速度が変化した際にもリアルタイムで精度良くレゾルバ/デジタル変換器の異常を検出することができる。
前記モータの回転速度が低下するにつれて、前記時間間隔を順次長くし、前記モータの回転速度が上昇するにつれて、前記時間間隔を順次短くしてもよい。
このような構成により、さらに精度良くレゾルバ/デジタル変換器の異常を検出することができる。
また、前記モータ制御部は、前記モータの駆動電流に基づいて、前記モータの回転速度を求めてもよい。
このような構成により、実際のモータの回転速度とのずれを小さくすることができる。
本発明の一態様に係るレゾルバ/デジタル変換器の異常検出方法は、
レゾルバが検出したモータの回転角をレゾルバ/デジタル変換器によってデジタル角度信号に変換して、所定の時間間隔で積算し、
前記デジタル角度信号の積算値が、閾値範囲に含まれない場合に、前記レゾルバ/デジタル変換器の異常を検出する、レゾルバ/デジタル変換器の異常検出方法であって、
前記モータの回転速度が低下した場合に、前記時間間隔が長くなるように変更し、前記モータの回転速度が上昇した場合に、前記時間間隔が短くなるように変更するものである。
本発明の一態様に係るレゾルバ/デジタル変換器の異常検出方法では、デジタル角度信号を所定の時間間隔で積算した積算値が、閾値範囲に含まれない場合に、レゾルバ/デジタル変換器の異常を検出する。その際、モータの回転速度が低下した場合に、デジタル角度信号を積算する時間間隔が長くなるように変更し、モータの回転速度が上昇した場合に、時間間隔が短くなるように変更する。
そのため、モータの回転速度が変化した場合にも、モータが1回転する間におけるデジタル角度信号θdの積算回数の変化を抑制し、精度良くR/D変換器RDCの異常を検出することができる。
また、本発明の一態様に係るレゾルバ/デジタル変換器の異常検出方法では、二重系にすることなく、レゾルバから出力されるアナログ角度信号をデジタル角度信号に変換しながらリアルタイムでレゾルバ/デジタル変換器の異常を検出することができる。
以上の通り、本発明の一態様に係るレゾルバ/デジタル変換器の異常検出方法によって、複雑化・大型化に伴うコストの増加を抑制しつつ、モータの回転速度が変化した際にもリアルタイムで精度良くレゾルバ/デジタル変換器の異常を検出することができる。
本発明により、複雑化・大型化に伴うコストの増加を抑制しつつ、モータの回転速度が変化した際にもリアルタイムで精度良く、レゾルバ/デジタル変換器の異常を検出可能なモータ制御システムを提供することができる。
第1の実施形態に係るモータ制御システムを示すブロック図である。 デジタル角度信号θd及び積算値θsの時間変化を示すグラフである。 デジタル角度信号θd及び積算値θsの時間変化を示すグラフである。 デジタル角度信号θd及び積算値θsの時間変化を示すグラフである。 第1の実施形態に係るR/D変換器の異常検出方法を示すフローチャートである。 本発明が解決しようとする課題を説明するための図であって、デジタル角度信号θd及び積算値θsの時間変化を示すグラフである。
以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
(第1の実施形態)
<モータ制御システムの構成>
まず、図1を参照して、第1の実施形態に係るモータ制御システムについて説明する。図1は、第1の実施形態に係るモータ制御システムの構成を示すブロック図である。図1に示すように、第1の実施形態に係るモータ制御システムは、モータMT、レゾルバRES、レゾルバ/デジタル変換器(R/D変換器)RDC、モータ制御部MCU、モータ駆動回路MDを備えている。
モータMTは、例えばAC(交流)サーボモータである。モータMTは、モータ駆動回路MDから出力された駆動電流Idrによって駆動される。駆動電流Idrは、例えば三相交流電流であり、図1に示すように、モータ制御部MCUにフィードバックされる。
レゾルバRESは、モータMTの回転角θを検出する回転角センサである。レゾルバRESは、モータMTの回転角θに応じたアナログ角度信号であるレゾルバ信号θaを出力する。レゾルバRESは、通常、図示しない励磁コイルと一対の検出コイルとを備えている。例えば、励磁コイルにsinωtなどの励磁信号を入力することにより、一対の検出コイルからレゾルバ信号θaとしてsinθ・sinωt、cosθ・sinωtがそれぞれ出力される。ここで、ωは角速度、tは時間である。
R/D変換器RDCは、レゾルバRESから出力されたレゾルバ信号θaをデジタル角度信号θdに変換し、モータ制御部MCUに出力する。すなわち、R/D変換器RDCの出力値であるデジタル角度信号θdは、モータMTの回転角θを示すデジタル信号である。
モータ制御部MCUは、モータ駆動回路MDからフィードバックされた駆動電流Idr、及びR/D変換器RDCから出力されたデジタル角度信号θdに基づいて、制御信号ctrを生成し、モータ駆動回路MDに出力する。制御信号ctrは、例えばPWM(Pulse Width Modulation)信号である。
図1に示していないが、モータ制御部MCUは、例えばCPU(Central Processing Unit)などの演算部と、各種制御プログラムやデータなどが格納されたRAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)などの記憶部と、を備えている。
さらに、モータ制御部MCUは、R/D変換器RDCから出力されたデジタル角度信号θdを所定のサンプリング間隔Tで積算し、得られた積算値θsに基づいて、R/D変換器RDCの異常を検出する。具体的には、モータ制御部MCUは、積算値θsが所定の閾値範囲内にない場合に、R/D変換器RDCが異常であると判断する。
ここで、モータ制御部MCUは、モータMTの回転速度に応じて、デジタル角度信号θdを積算するためにサンプリングする時間間隔(以下、サンプリング間隔)Tを変更する。モータ制御部MCUは、例えばモータ駆動回路MDからフィードバックされた駆動電流Idrを用いてモータMTの回転速度を得る。具体的には、モータMTの回転速度が低下した場合に、サンプリング間隔Tを長くし、モータMTの回転速度が上昇した場合に、サンプリング間隔Tを短くする。
なお、モータ駆動回路MDへ出力する制御信号ctrを用いてモータMTの回転速度を得てもよい。但し、駆動電流Idrを用いた方が、実際のモータMTの回転速度とのずれを小さくすることができる。
また、R/D変換器RDCから出力されるデジタル角度信号θdを用いてモータMTの回転速度を得てもよい。但し、R/D変換器RDCに異常がある場合、モータMTの回転速度が不正確となり、R/D変換器RDCの異常検出の精度も低下する虞がある。そのため、駆動電流Idrを用いた方が、精度良くR/D変換器RDCの異常を検出することができる。
最も単純には、所定の閾値よりも大きかった回転速度が当該閾値を下回った場合にサンプリング間隔Tを長くし、当該閾値よりも小さかった回転速度が当該閾値を超えた場合にはサンプリング間隔Tを短くすればよい。
あるいは、モータMTの回転速度が低下するにつれて、サンプリング間隔Tを順次長くし、モータMTの回転速度が上昇するにつれて、サンプリング間隔Tを順次短くしてもよい。このような制御の方が、R/D変換器RDCの異常をさらに精度よく検出することができる。
モータ制御部MCUによるR/D変換器RDCの異常検出の詳細については後述する。
モータ駆動回路MDは、モータ制御部MCUから出力された制御信号ctrに基づいて、モータMTに駆動電流Idrを出力する。駆動電流Idrによって、モータMTの回転速度が制御される。すなわち、モータ駆動回路MDを介して、モータ制御部MCUは、モータMTの回転速度を制御している。例えば、モータ駆動回路MDは、PWM信号である制御信号ctrによってスイッチング制御されるスイッチング回路である。
次に、図2〜図4を参照して、モータ制御部MCUによるR/D変換器RDCの異常検出の詳細について説明する。図2〜図4の説明に当たっては、図1に示したモータ制御システムのブロック図も参照する。図2〜図4は、デジタル角度信号θd及び積算値θsの時間変化を示すグラフである。
図2の上段に示されたデジタル角度信号θdは、図1に示すように、R/D変換器RDCの出力信号であって、レゾルバRESによって検出されたモータMTの回転角θのデジタル値である。図2の下段に示された積算値θsは、グラフ中にドットで示されたサンプリング毎にデジタル角度信号θdを積算した積算値である。積算値θsが閾値範囲(−θt〜θt)に含まれない場合、R/D変換器RDCが異常であると判定される。
図2の例は、モータMTの回転速度が一定であって、R/D変換器RDCが正常である様子を示している。
図2の上段に示すように、R/D変換器RDCの出力値であるデジタル角度信号θdは、−π[rad]からπ[rad]まで単調に増加し、π[rad]に到達すると、−π[rad]に切り換わる。グラフ中にドットで示されたデジタル角度信号θdのサンプリングは、モータMTが1回転する間に時間間隔Tで複数回行われる。図2の例では、モータMTの回転速度が一定であるため、図2の上段に示すように、デジタル角度信号θdの傾きが一定に維持されている。
また、図2の下段に示すように、積算値θsは、サンプリングされたデジタル角度信号θdを順次加算した値である。従って、−π[rad]≦θd<0[rad]の間に積算値θsは減少し、0[rad]<θd≦π[rad]の間に積算値θsは増加する。そのため、R/D変換器RDCが正常であれば、図2の下段に示すように、積算値θsは、0[rad]を中心とした下限閾値−θt[rad]から上限閾値θt[rad]までの閾値範囲内に収まる。ここで、閾値θtの値は、モータMTが1回転する間におけるサンプリング回数等によって適宜決定される。なお、当然のとこながら、θd=0[rad]の場合、積算値θsは変化しない。
次に、図3の例は、図2の例と同様にモータMTの回転速度が一定であるが、R/D変換器RDCが異常である様子を示している。具体的には、図3の上段に示すように、モータMTの回転角θ=0[rad]において、R/D変換器RDCの出力値であるデジタル角度信号θd>0[rad]となるオフセット異常である。デジタル角度信号θdは、常に実際のモータMTの回転角θよりもオフセット分嵩上げされた値を示す。
そのため、図3の下段に示すように、デジタル角度信号θdを積算する度にオフセット量が累積され、最終的に積算値θsが上限閾値θtを超えてしまう。その結果、R/D変換器RDCの異常を検出することができる。当然のことながら、オフセット量が大きい程、短時間で異常を検出することができる。
なお、モータMTの回転角θ=0[rad]において、デジタル角度信号θd<0[rad]となるオフセット異常の場合、最終的に積算値θsが下限閾値−θtを下回る。その結果、R/D変換器RDCの異常を検出することができる。
図4の例は、図2の例と同様にR/D変換器RDCは正常であって、上段に示したデジタル角度信号θdの傾きが変化し、回転速度が低下した様子を示している。
本実施形態に係るモータ制御システムでは、上述の通り、モータMTの回転速度に応じて、デジタル角度信号θdを積算するためのサンプリング間隔Tを変更する。具体的には、モータMTの回転速度が低下した場合に、サンプリング間隔Tを長くし、モータMTの回転速度が上昇した場合に、サンプリング間隔Tを短くする。図4の例では、回転速度が低下した際に、サンプリング間隔TをT1からより長いT2に切り換えている。
そのため、モータMTの回転速度が変化した場合に、モータMTが1回転する間のサンプリング回数すなわちデジタル角度信号θdの積算回数の変化を抑制することができる。ここで、モータMTが1回転する間におけるデジタル角度信号θdの積算回数が多くなり過ぎると、図6に示すように、正常であるにも関わらず異常であるとの誤判定が生じ得る。一方、モータMTが1回転する間におけるデジタル角度信号θdの積算回数が少なくなり過ぎると、異常判定に要する時間が長くなると共に検出精度が低下する。
このように、本実施形態に係るモータ制御システムでは、モータMTの回転速度が低下した場合に、サンプリング間隔Tを長くし、モータMTの回転速度が上昇した場合に、サンプリング間隔Tを短くする。そのため、モータMTが1回転する間のサンプリング回数すなわちデジタル角度信号θdの積算回数の変化を抑制し、モータMTの回転速度が変化した場合にも、精度良くR/D変換器RDCの異常を検出することができる。
また、本実施形態に係るモータ制御システムでは、二重系にすることなく、レゾルバRESから出力されるアナログ角度信号(レゾルバ信号)θaをデジタル角度信号θdに変換しながらリアルタイムでR/D変換器RDCの異常を検出することができる。
以上の通り、本実施形態に係るモータ制御システムでは、複雑化・大型化に伴うコストの増加を抑制しつつ、モータMTの回転速度が変化した際にもリアルタイムで精度良くR/D変換器RDCの異常を検出することができる。
<レゾルバ/デジタル変換器の異常検出方法>
次に、図5を参照して、第1の実施形態に係るモータ制御システムを用いたR/D変換器の異常検出方法について説明する。図5は、第1の実施形態に係るR/D変換器の異常検出方法を示すフローチャートである。図5の説明に当たっては、図1に示したモータ制御システムのブロック図も参照する。
図5に示すように、まず、図1に示すモータ制御部MCUが、モータMTの回転速度を検出すると共に、デジタル角度信号θdをサンプリングする(ステップST1)。ここで、モータ制御部MCUは、上述の通り、例えばモータ駆動回路MDからフィードバックされた駆動電流Idrを用いてモータMTの回転速度を得る。
次に、モータ制御部MCUは、検出した回転速度に応じて、次にデジタル角度信号θdをサンプリングまでのサンプリング間隔Tを設定する(ステップST2)。具体的には、モータMTの回転速度が低下した場合に、サンプリング間隔Tを長くし、モータMTの回転速度が上昇した場合に、サンプリング間隔Tを短くする。
次に、モータ制御部MCUは、サンプリングしたデジタル角度信号θdを積算値θsに加算する(ステップST3)。
続けて、モータ制御部MCUは、積算値θsが閾値範囲(−θt〜θt)に含まれるか否か判定する(ステップST4)。
積算値θsが閾値範囲に含まれない場合(ステップST4NO)、R/D変換器RDCが異常であると判定し、モータMTの動作を停止する。一方、積算値θsが閾値範囲に含まれる場合(ステップST4YES)、直前のサンプリングからステップST2において設定されたサンプリング間隔Tだけ待機し(ステップST5)、ステップST1に戻る。すなわち、モータMTの回転速度を検出すると共に、デジタル角度信号θdをサンプリングする。
なお、ステップST1において、モータMTの回転速度の検出と、デジタル角度信号θdのサンプリングとを同時に行う必要はない。ステップST2すなわちサンプリング間隔Tの設定は、ステップST3もしくはステップST4の後、ステップST6よりも前に行ってもよい。
第1の実施形態に係るR/D変換器の異常検出方法では、モータMTの回転速度に応じて、デジタル角度信号θdを積算するためのサンプリング間隔Tを変更する。具体的には、モータMTの回転速度が低下した場合に、サンプリング間隔Tを長くし、モータMTの回転速度が上昇した場合に、サンプリング間隔Tを短くする。
そのため、モータMTの回転速度が変化した場合に、モータMTが1回転する間のサンプリング回数すなわちデジタル角度信号θdの積算回数の変化を抑制することができる。ここで、モータMTが1回転する間におけるデジタル角度信号θdの積算回数が多過ぎると、図6に示すように、正常であるにも関わらず異常であるとの誤判定が生じ得る。一方、モータMTが1回転する間におけるデジタル角度信号θdの積算回数が少な過ぎると、異常判定に要する時間が長くなると共に検出精度が低下する。
このように、本実施形態に係るR/D変換器の異常検出方法では、モータMTの回転速度が低下した場合に、サンプリング間隔Tを長くし、モータMTの回転速度が上昇した場合に、サンプリング間隔Tを短くする。そのため、モータMTが1回転する間のサンプリング回数すなわちデジタル角度信号θdの積算回数の変化を抑制し、モータMTの回転速度が変化した場合にも、精度良くR/D変換器RDCの異常を検出することができる。
また、本実施形態に係るR/D変換器の異常検出方法では、二重系にすることなく、レゾルバRESから出力されるアナログ角度信号(レゾルバ信号)θaをデジタル角度信号θdに変換しながらリアルタイムでR/D変換器RDCの異常を検出することができる。
以上の通り、本実施形態に係るR/D変換器の異常検出方法では、複雑化・大型化に伴うコストの増加を抑制しつつ、モータMTの回転速度が変化した際にもリアルタイムで精度良くR/D変換器RDCの異常を検出することができる。
なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
MCU モータ制御部
MD モータ駆動回路
MT モータ
RDC レゾルバ/デジタル変換器
RES レゾルバ
T サンプリング間隔
θ モータの回転角
θa アナログ角度信号(レゾルバ信号)
θd デジタル角度信号
θs 積算値
θt 閾値

Claims (4)

  1. モータと、
    前記モータの回転角を検出するレゾルバと、
    前記レゾルバから出力されたアナログ角度信号をデジタル角度信号に変換するレゾルバ/デジタル変換器と、
    前記レゾルバ/デジタル変換器から出力された前記デジタル角度信号に基づいて、前記モータを制御すると共に、前記デジタル角度信号を所定の時間間隔で積算した積算値が、閾値範囲に含まれない場合に、前記レゾルバ/デジタル変換器の異常を検出するモータ制御部と、を備え、
    前記モータ制御部は、
    前記モータの回転速度が低下した場合に、前記時間間隔が長くなるように変更し、前記モータの回転速度が上昇した場合に、前記時間間隔が短くなるように変更する、
    モータ制御システム。
  2. 前記モータの回転速度が低下するにつれて、前記時間間隔を順次長くし、前記モータの回転速度が上昇するにつれて、前記時間間隔を順次短くする、
    請求項1に記載のモータ制御システム。
  3. 前記モータ制御部は、
    前記モータの駆動電流に基づいて、前記モータの回転速度を求める、
    請求項1又は2に記載のモータ制御システム。
  4. レゾルバが検出したモータの回転角をレゾルバ/デジタル変換器によってデジタル角度信号に変換して、所定の時間間隔で積算し、
    前記デジタル角度信号の積算値が、閾値範囲に含まれない場合に、前記レゾルバ/デジタル変換器の異常を検出する、レゾルバ/デジタル変換器の異常検出方法であって、
    前記モータの回転速度が低下した場合に、前記時間間隔が長くなるように変更し、前記モータの回転速度が上昇した場合に、前記時間間隔が短くなるように変更する、
    レゾルバ/デジタル変換器の異常検出方法。
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