CN101556307B - 一种永磁同步电机控制性能自动化测试*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机控制性能自动化测试***，该***包括通讯子***、上位机子***、永磁同步电机控制子***、直流电机控制子***，永磁同步电机控制子***中控制电路连接通讯子***中的RS232转接桥设备，直流电机控制子***中的西门子6RA7025直流调速器连接通讯子***中的直流调速器通讯板卡CBP2，通讯子***中的直流调速器通讯板卡CBP2和RS232转接桥设备连接上位机子***中的可编程控制器PLC。永磁同步电机控制子***与上位机子***之间通过编程实现通讯。本发明的优点为提高了***的可靠性、抗干扰能力；实现了整个***的网络化控制；提高了***的实时性；可模拟任何负载；节约了能量。

Description

一种永磁同步电机控制性能自动化测试***

技术领域

本发明属于电力电子与电力传动技术领域，特别涉及一种永磁同步电机控制性能自动化测试***。

背景技术

近年来，随着我国工业的高速发展，冶金、能源、化工、制造业、交通等行业对永磁同步电机的需求量日益增加，因此对其提出了越来越高的性能和质量指标。对永磁同步电机及其电气传动控制***的相关性能(包括转速、转矩、功率、效率等指标)进行测试，寻求相应的测试***来完成其机械及电气性能的测试具有十分重要的意义，因此开发一种采用先进的工业控制技术以及信息技术的电机自动测试***势在必行。

目前，国内外一些单位研制的电机自动化测试***通常由两大部分组成：数据采集与控制部分、人机界面部分。***结构复杂，并且价格昂贵，数据通讯、处理可靠性和可扩展性不高。被试电机(永磁同步电动机)普遍采用的负载类型有两种：直流发电机一电阻组，磁粉制动器。此种类型将造成能量的浪费、设计不合理。为了满足生产活动的需要，本发明提供一种永磁同步电机控制性能自动化测试***，使能量回馈电网，减少能量浪费；同时传输数据的速度增快，保证数据的实时传输；将人机界面、逻辑控制、网络、数据处理等多种功能集成在一台PC机中，使得原来复杂的网络结构变得更加清晰化，大大节省安装空间及成本费用。

发明内容

针对现有永磁同步电机控制性能自动化测试***存在的不足与缺陷，本发明提供一种永磁同步电机控制性能自动化测试***。

该***包括通讯子***、上位机子***、永磁同步电机控制子***、直流电机控制子***；通讯子***的硬件包括直流调速器通讯板卡CBP2和RS232转接桥设备，上位机子***包括PC机和可编程控制器(PLC)，永磁同步电机控制子***包括永磁同步电机及其控制器硬件电路，控制器硬件电路包括功率电路、控制电路、检测电路和全桥驱动电路，直流电机控制子***包括直流电机、断路器、熔断器、交流接触器、三相电抗器和西门子6RA7025直流调速器；永磁同步电机控制子***中控制电路连接通讯子***中的RS232转接桥设备，直流电机控制子***中的西门子6RA7025直流调速器连接通讯子***中的直流调速器通讯板卡CBP2，通讯子***中的直流调速器通讯板卡CBP2和RS232转接桥设备连接上位机子***中的可编程控制器(PLC)；直流电机控制子***中的直流电机主轴连接永磁同步电机控制子***中的永磁同步电机主轴；上位机子***通过通讯子***将永磁同步电机额定电压，额定电流，额定频率，母线电压，极对数，摩擦系数，转动惯量，定子电阻，D轴电感，Q轴电感，转子磁链，控制器的速度比例增益，速度积分增益，电流比例增益，电流积分增益传到永磁同步电机控制子***，永磁同步电机控制子***将控制字，永磁同步电机的实际速度，相电流有效值，相电压有效值通过通讯子***传到上位机子***；上位机子***通过通讯子***将直流电机速度给定，直流电机转矩给定传到直流电机控制子***，直流电机控制子***将直流电机实际速度，直流电机实际转矩参数通过通讯子***传到上位机子***；永磁同步电机子***中功率电路通过三相可控整流电路和三相不可控整流电路的切换实现永磁同步电机四个象限运行；直流电机控制子***中当直流电机作为永磁同步电机负载时，通过改变直流调速器6RA7025双闭环控制为转矩单闭环方式控制，能量通过直流调速器6RA7025回馈到电网。

1、上位机子***

上位机子***包括PC机和可编程控制器(PLC)，用于实现整个测试***的过程控制和数据管理与显示。PLC通过DP口与通讯子***中的Profibus总线相连，PC机通过CP5613板卡与通讯子***中的Profibus总线相连。PC机的人机界面的操作***由WinCC实现。可编程控制器采用西门子S7-300，它具有可靠、易于编程、抗干扰能力强，可网络优化控制等特点。它主要执行PC机的命令，完成数据的上传和下载。

2、永磁同步电机控制子***

永磁同步电机控制子***包括永磁同步电机及其控制器硬件电路，控制器硬件电路包括功率电路、控制电路、检测电路和全桥驱动电路，可实现永磁同步电机四个象限运行。功率电路包括三相可控整流电路和三相不可控整流电路、软启动电路、泵升电路和逆变电路；检测电路包括三相电流检测电路、母线电压检测电路和光电编码器信号检测电路；控制电路包括数字量输入接口电路、数字量输出接口电路、软启动控制电路、DSP2812控制板和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。永磁同步电机控制子***功率电路为三相电源进线端连接第一熔断式刀开关DZ1，第一熔断式刀开关DZ1分别连接三相不可控整流电路和三相可控整流电路；三相不可控整流电路和可控整流电路连接软启动电路，软启动电路分别连接泵升电路，泵升电路连接逆变电路，逆变电路连接永磁同步电机定子绕组。检测电路为三相电流检测电路输入端连接逆变电路，输出端连接控制电路DSP2812控制板，三相电流检测电路的输入信号来自于功率电路中位于逆变电路之后的永磁同步电机定子电流信号，输出信号给控制电路中DSP2812控制板；母线电压检测电路输入端连接软启动电路的输出端，输出端连接控制电路DSP2812控制板，母线电压检测电路的输入信号来自于功率电路中位于软启动电路之后，泵升电路之前的母线电压信号，输出信号给控制电路中DSP2812控制板；光电编码器信号检测 电路的输入信号来自于光电编码器(A，B，Z，U，V，W)六项的输出，输出信号给控制电路中的DSP2812控制板，把电机转速和转子位置信号传递给控制板。控制电路为数字量输入接口电路的输入端连接永磁同步机控制子***的外部按钮，输出端接DSP2812控制板；数字量输出接口电路的输入信号来自于输出端接DSP2812控制板，输出端接功率电路中的交流接触器KM1、第一直流接触器KM2和软启动控制电路；软启动控制电路输入端连接数字量输出接口电路，输出端连接软启动电路；故障信号处理电路的输入端连接全桥驱动电路，输出端接DSP2812控制板。全桥驱动电路输入端连接DSP2812控制板，输出端连接逆变电路和泵升电路。

(1)功率电路，其特点是可通过交流接触器KM1、第二熔断式刀开关DZ2和第一直流接触器KM2的接通和断开实现三相不可控整流电路与可控整流电路的切换，既可验证通用变频器控制方案性能测试，也可实现功率因数为1、直流母线电压稳定600V、可逆运行的高品质专用变频器控制方案性能测试。

a)三相可控整流和不可控整流电路，三相不可控整流电路由交流接触器KM1、三相进线电抗器L和二极管(VT1-VT6)桥式整流模块依次连接构成，三相可控整流电路由第二熔断式刀开关DZ2、3组IGBT(V1-V6)整流桥和第一直流接触器KM2依次连接构成。主要作用是将工频交流电整流成稳定的直流电，三相可控整流电路也可实现能量回馈电网。

b)软启动电路，由1Ω/100W的第一电阻R和第二直流接触器KM3并联构成，其输入端连接80A的熔断器FR，它由直流接触器控制的切换电路。当主电路开始通电时，在主电路中加入阻值为1K(30W)的电阻，防止启动过程中过大的充电电流对电容损害。当通电一段时间后，通过直流接触器再将该电阻切除。

c)泵升电路，泵升电路由一个IGBT与第二电阻R3和二极管VT2相并联的电路串联构成，它是由一能耗电阻和IGBT串联构成。当电机制动处于发电状态，此时将IGBT开通，将能量消耗电阻上。

d)逆变电路，逆变电路由第一电容Cd1和第二电容Cd2串联的电路与由PWM信号控制的3组IGBT的逆变桥并联构成，由PWM信号控制的6组IGBT构成的逆变电路，主要将直流电转化为所需要频率的交流电，且能够减小谐波分量。与通常硬开关电路相比，采用的软开关电路减小了开关损耗、感性关断电压尖峰、容性开通电流尖峰和电磁干扰。

(2)检测电路

a)三相电流检测电路，它的输入信号来自于功率电路中位于逆变电路之后的永磁同步电机电枢电流信号，大小在-70mA和+70mA之间。信号在经过滤波电路后转化为0-7V的电压信号，再通过两个电压偏置电路后值为0V-3V，最后输入DSP2812芯片的I/O引脚。

b)母线电压检测电路，它的输入信号来自于功率电路中位于软启动电路之后，泵升电路之前的母线电压信号，大小在0-50mA之间。信号经过滤波电路后转化为0-5V的电压信号，在通过两个电压偏置电路后的值为0V-3V，最后输入DSP2812芯片的I/O引脚。

c)光电编码器信号检测电路，它的输入信号来自于光电编码器(A，B，Z，U，V，W)六项的输出，再通过电平转换到DSP2812的I/O引脚的电压大小为(0-3.3V)。

(3)控制电路，它接受来自***电路信号，通过相应计算分析后，再向***电路发出相应的控制指令，实现对永磁同步电机稳定可靠的控制。

a)数字量输入接口电路、数字量输出接口电路，数字量输入接口电路的输入端连接永磁同步机控制子***的外部按钮，输出端接DSP2812控制板；数字量输出接口电路的输入信号来自于输出端接DSP2812控制板，输出端接功率电路中的交流接触器KM1和软启动控制电路，用于实现输入的模拟信号进行采集、转换和完成对一些执行机构的控制。

b)故障信号处理电路，输入端连接全桥驱动电路，输出端接DSP2812控制板，实现过温信号、驱动板故障信号的处理。

c)软启动控制电路，输入端连接数字量输出接口电路，输出端连接软启动电路，实现对软启动电路中第二直流接触器KM3的控制。

(4)全桥驱动电路，输入端连接DSP2812控制板，输出端连接逆变电路和泵升电路，它接受来自DSP2812芯片的PWM信号，经过CPLD与电压信号放大电路后，输出到驱动板。

在功率电路中，永磁同步电机控制子***可实现永磁同步电机四个象限运行。通过交流接触器KM1、第二熔断式刀开关DZ2和第一直流接触器KM2的接通和断开实现三相不可控整流电路与可控整流电路的切换，当第二熔断式刀开关DZ2和第一直流接触器KM2开通，交流接触器KM1断开，此时可控整流电路投入工作。当永磁同步电机作为原动机拖动直流电机，永磁同步电机运行于一、三象限。当直流电机拖动永磁同步电机，永磁同步电机作为直流电机负载，永磁同步电机的电能可通过可控整流电路实现能量回馈电网，永磁同步电机运行于二、四象限。传统的方式是通过泵升电路的电阻消耗，该方式节约了能量。

3、直流电机控制子***

直流电机控制子***包括直流电机、断路器、熔断器、交流接触器、三相电抗器和西门子6RA7025直流调速器，三相电源进线端连接断路器，断路器连接熔断器，熔断器末端连接交流接触器，交流接触器连接三相电抗器，三相电抗器末端连接西门子6RA7025直流调速器入线段，西门子6RA7025直流调速器出线端连接直流电机的电枢绕组；对直流电机的控制一方面可模拟永磁同步电机负载，在测试中可实现能量回馈电网，另一方面控制直流电机作为原动机带动永磁同步电机运转，实现永磁同步电机四个象限运行。其中西门子直流调速器6RA7025采用了可逆的逻辑无环流的直流调速***。直流电机在做永磁同步电机负载时，通 过改变直流调速器6RA7025双闭环控制为转矩单闭环方式控制。当永磁同步电机拖动直流电机时，直流电机给永磁同步电机加减载，此时直流电机处于发电状态，能量通过直流调速器6RA7025回馈到电网。而传统的加减载是直流发电机-电阻组或磁粉制动器，这样会造成能量的浪费，而此种则节约了能量。

由于直流调速器CBP2通讯板被连接在Profibus总线上，所以上位机可与直流调速器直接通过总线实现通讯，也就是说操作者可以从上位机直接监控并修改直流调速器运行参数从而改变永磁同步电机的模拟负载参数。

其中西门子直流调速器6RA7025采用了可逆的逻辑无环流的直流调速***，可实现电机的四个象限运行。无环流控制逻辑与电流调节回路共同完成转矩改变符号时的逻辑控制。正组桥工作时与反组桥工作时电枢电流的方向是不同的，这样通过正反组桥的切换也就改变了直流电机转矩方向。其中逻辑无环流控制环节主要完成以下三点任务：

I、任何时候只允许一组整流桥有触发脉冲。

II、工作中的整流桥只有断流后才能封锁其脉冲，以防止在逆变工作时因触发脉冲的消失而导致逆变失败。

III、只有当原先工作的整流桥完全关断且延时后才开放另一组，以防环流出现。

当一组晶闸管工作时另一组触发脉冲被封锁处于阻断状态，这样就从根本上消除在正组桥和反组桥之间的环流，使得***无故障运行。另外，直流调速器还加有电机参数优化、转矩限幅等的附加功能，实现直流电机转速、转矩双闭环控制和转矩单闭环的稳定控制。

在永磁同步电机与直流电机连轴后，直流电动机在转速、转矩双闭环控制下运行时，控制直流电机拖动永磁同步电机运行，永磁同步电机作为发电机，电能通过可控整流电路回馈到电网。

4.通讯子***

通讯子***实现整个***数据传送的功能，它由三个部分构成：第一部分实现PC机与PLC的通讯，第二部分实现上位机与直流电机控制子***通讯的功能，第三部分实现上位机与永磁同步电机控制子***通讯功能。设置PLC为一类主站，PC机为二类主站。

在上位机操作***修改之后的电机或控制器参数值通过通讯子***下传到下位机来改变电机运行状态或控制器的控制性能。与此同时，下位机也可以把电机运行状态相关的一些参数通过该***的通讯子***的上传到上位机，使操作人员能够实时监控电机在各个实验中运行的状态和性能。在这里，通讯的性能关系到实验操作人员对电机状态把握的真实性和可靠性，是该自动化测试***重要部分之一。采用现场总线通讯技术，可以使现场控制器与监督计算机相互协调，既体现了PLC高可靠性的特性，保证了试验的稳定运行，又充分发挥了监督计 算机复杂运算处理能力强的特点，有效实现了监督优化控制。

在上位机中PC机与PLC的通讯中，使用的西门子PLC的CPU314C-2DP包含两个DP口，其中一个为Profibus总线接口，因此采用通用接口连接就可以把PLC连接到总线上。另一方面，通过插在PC的PCI插槽中CP5613通讯卡将PC机连接到Profibus总线上。在PC机的操作***WinCC中，添加了WinCC通讯驱动程序SIMATIC S7Protocol Suite，其中就包含Profibus通道单元，只要在通道内设置需要通讯的变量，并把变量地址与PLC中的实际地址连接起来，就可以通过PLC实现变量值的上载与下传。

在上位机与直流电机控制子***通讯部分中，采用的是Profibus总线通讯。西门子直流调速器6RA7025通过固有的通讯接口就可以连接到总线上，当通讯板CBP2的红、黄、绿等一起闪烁时表示与总线通讯正常。在西门子的PLC硬件组态中，对直流调速器6RA7250采用PPO1的通讯格式，它包含了两个控制字PZD_1和PZD_2，其中把PZD_1设置为读控制字，把PZD_2设置为写控制字，并把它们的地址定义到PLC数据块单元中。通过这两个字的通讯可以在转速、转矩双闭环中实现对转速的读和写或者在转矩单闭环中实现对转矩的读和写的功能。在程序实现中，采用西门子PLC通讯专用模块SFC14、SFC15来完成通讯功能。直流电机控制子***与上位机子***通讯步骤如下：

步骤1：主电路接触器动作；

步骤2：直流调速器合分闸使能；

步骤3：直流调速器端子激活；

步骤4：直流调速器速度控制字清零；

步骤5：启动电机运行；

步骤6：判断是否修改转矩设置参数，如果是进行步骤7，如果否转向步骤8；

步骤7：向直流电机施加上位机设置的转矩；

步骤8：直流调速器把直流电机的运行参数(电机实际转矩和转速)上传给上位机；

步骤9：判断是否停机，如果是转向步骤11，如果否进行步骤10；

步骤10：返回到步骤7，进行循环；

步骤11：停机。

而在上位机与永磁同步电机控制子***通讯部分中，采用了Profibus总线协议转串口通讯协议RS232及DSP2812的串口通信模块实现永磁同步电机及其控制器参数上传监控和下传修改的功能。

1)硬件上，采用了Profibus总线转串口通讯协议RS232的转接桥设备，其接口为RS232扁口9针，而下位机DSP RS232的通讯接口为圆口8针。这里，用特制的8针接口-9针接口 的串口通讯线将两个设备接口相连，实现上位机和下位机硬件上的通讯功能。在通讯的实现中，Profibus总线的数据传输速度最快可达12M/s，而用来实现Profibus总线转串口通讯协议RS232的转接桥设备发送/接收频率最快可达200HZ。这样就保证了数据的实时性传输的要求，可以使得操作者能够快速准确地把握永磁同步电机的运行状态。

2)软件上，通过上位机PLC的编程及DSP2812控制板的程序实现通信。DSP2812控制板软件采用中断方式实现了与下位机的半双工通信，在DSP软件程序中实现了对上位机下传通信数据的校验，针对不同情况如通讯故障处理模块、通讯正常处理模块，分别处理，确保可靠安全通信。

永磁同步电机控制子***与上位机子***通讯步骤如下：

上位机子***与永磁同步电机控制子***通讯主程序：

步骤1：接收到通讯中断信号；

步骤2：保护现场及CPU进行中断相关操作；

步骤3：判断是否通讯故障，如果是进行步骤4，如果否进行步骤5；

步骤4：调用通讯故障处理模块，然后进行步骤6；

步骤5：调用正常通讯处理模块；

步骤6：恢复现场；

步骤7：中断返回。

上位机子***与永磁同步电机控制子***通讯故障处理模块程序：

步骤1：清除SCI数据接受缓冲区；

步骤2：向上位机发送接收错误报文；

步骤3：使能SCI接受；

步骤4：复位接受错误标志位；

步骤5：调用结束。

上位机子***与永磁同步电机控制子***通讯正常处理模块程序：

步骤1：通讯报文类别判断；

如果是接受通讯确认报文，进行步骤2；

如果是接受的是电机参数报文1、2或控制报文，进行步骤3；

步骤2：向上位机回复通讯正常确认报文，然后进行步骤4；

步骤3：发送正常数据回复报文；

步骤4：再次使能SCI接受；

步骤5：调用结束。

该永磁同步电动机自动化测试***以下几方面优点：

1)同步电机控制子***的功率电路，既可验证通用变频器控制方案性能测试，也可实现功率因数为1、直流母线电压可调的、可逆运行的高品质专用变频器控制方案性能测试。

2)永磁同步电机拖动直流电机时，此时直流电机处于发电状态，能量通过直流调速器6RA7025回馈到电网。而传统的加减载是直流发电机-电阻组或磁粉制动器，这样会造成能量的浪费，而此种则节约了能量。

3)通讯的实现中，Profibus总线的数据传输速度最快可达12M/s，而用来实现Profibus总线转串口通讯协议RS232的转接桥设备发送/接收频率最快可达200HZ。这样就保证了数据的实时性传输的要求，可以使得操作者能够快速准确地把握永磁同步电机的运行状态。

4)由于将人机界面、逻辑控制、网络、数据处理等多种功能集成在了一台PC机中，使得原来复杂的网络结构变得更加清晰化，可以大大节省安装空间以及成本费用。

5)采用基于PC的控制时，硬件***可以与最先进的技术保持同步。而且采用基于PC的控制时，它是完全分享PC机的内存资源的，所以相比传统的PLC可以说是内存无限大。在CPU、内存等方面具有明显优势，当进行数据处理任务的时候，尤其是执行模拟量运算或用户算法时，PC在运算性能通常可以达到PLC的10倍或更高。

6)现在的控制***中，普遍要求网络通讯功能或连接以太网。而PLC连接以太网时通常会需要添额外硬件，从而造成***价格的升高。相比之下，一台PC集成了各种网络接口，如Profibus-DP、以太网等接口；所以在整个***的网络通讯方面就具有了成本低，连接方便，技术开放等特点。本***采用Profibus网。

7)***具有良好的扩充机制和扩充接口。一方面在确保***兼容性的前提下可以安全、快速的加入对新设备的支持；另一方面允许用户根据实际情况对***进行二次开发、升级，迅速适应新的应用需求，不断完善已有功能。

8)***具有节约能源的优势。良好的硬软件条件，使得能量可以安全可靠回馈到电网，达到节能的效果。

附图说明

图1***结构图；

图2永磁同步电机控制子***结构图；

图3功率电路图；

图4软启动控制电路图；

图5三相电流检测电路图；

图6母线电压检测电路图；

图7光电编码器ABZ信号检测电路图；

图8数字量输入接口电路图；

图9数字量输出接口电路图；

图10故障信号处理电路图；

图11全桥驱动电路图；

图12直流电机控制子***结构图；

图13转矩单闭环控制示意图；

图14通讯***示意图；

图15PLC与直流调速器通讯的程序图；

图16-a上位机子***与永磁同步电机控制子***通讯主程序流程图；

图16-b上位机子***与永磁同步电机控制子***通讯故障处理模块流程图；

图16-c上位机子***与永磁同步电机控制子***通讯正常处理模块流程图。

图12中：1断路器，2熔断器，3交流接触器。

具体实施方式

本发明选取如下规格的永磁同步电机和直流电机为例进一步说明该***。

采用的永磁同步电机基本参数：额定功率22KW，额定电压340V，额定电流43.8A，额定转速1500r/min，额定转矩140N·m，极对数2

采用的直流电机基本参数：额定功率18.5KW，额定电压400V，额定电流52.5A，额定转速2610r/min，励磁电压180V，励磁电流2.79A，额定转矩：68N·m

永磁同步电动机自动化测试***介绍，如图1所示

该***包括通讯子***、上位机子***、永磁同步电机控制子***、直流电机控制子***；通讯子***的硬件包括直流调速器通讯板卡CBP2和RS232转接桥设备，上位机子***包括PC机和可编程控制器(PLC)，永磁同步电机控制子***包括永磁同步电机及其控制器硬件电路，控制器硬件电路包括功率电路、控制电路、检测电路和全桥驱动电路，直流电机控制子***包括直流电机、断路器、熔断器、交流接触器、三相电抗器和西门子6RA7025直流调速器；永磁同步电机控制子***中控制电路中的DSP2812控制板连接通讯子***中的RS232转接桥设备，直流电机控制子***中的西门子6RA7025直流调速器连接通讯子***中的直流调速器通讯板卡CBP2，通讯子***中的直流调速器通讯板卡CBP2和RS232转接桥设备连接上位机子***中的可编程控制器(PLC)，直流电机控制子***中的直流电机主轴连接永磁同步电机控制子***中的永磁同步电机主轴；上位机子***通过通讯子***将永磁同步电机额定电压，额定电流，额定频率，母线电压，极对数，摩擦系数，转动惯量，定子电阻，D轴电感，Q轴电感，转子磁链，控制器的速度比例增益，速度积分增益，电流比例增益，电流积分增益传到永磁同步电机控制子***，永磁同步电机控制子***将控制字，永磁同步电机的实际速度，相电流有效值，相电压有效值通过通讯子***传到上位机子***；上位机子***通过通讯子***将直流电机速度给定，直流电机转矩给定传到直流电机控制子***，直流电机控制子***将直流电机实际速度，直流电机实际转矩参数通过通讯子***传到上位机子***；永磁同步电机子***中功率电路通过三相可控整流电路和三相不可控整流电路的切换实现永磁同步电机四个象限运行；直流电机控制子***中当直流电机作为永磁同步电机负载时，通过改变直流调速器6RA7025双闭环控制为转矩单闭环方式控制，能量通过直流调速器6RA7025回馈到电网。通讯子***采用Profibus总线协议，本发明中把永磁同步电机控制子***中的永磁同步电机和直流电机控制子***直流电机连轴，用直流电机模拟永磁同步电机的负载，通过修改直流电机控制子***中的直流调速器的运行参数就能达到改变永磁同步电机负载的效果，也可利用直流电机作为原动机带动永磁同步电机运转，实现永磁同步电机的四个象限运行。

1、上位机子***

上位机子***包括PC机和可编程控制器(PLC)，用于实现整个测试***的过程控制和数据管理与显示。PLC通过DP口与通讯子***中的Profibus总线相连，PC机通过CP5613板卡与通讯子***中的Profibus总线相连。PC机的人机界面的操作***由WinCC实现。可编程控制器采用西门子S7-300，它具有可靠、易于编程、抗干扰能力强，可网络优化控制等特点。它主要执行PC机的命令，完成数据的上传和下载。

在上位机操作主界面中，一共有操作用户登录、永磁同步电机及其控制器参数设置、空载试验、负载试验、试验操作***帮助五个链接。操作界面的链接通过按钮设置来完成。在整个试验运行之前操作者需要在主界面登陆，否则无法在界面进行实验操作。在WinCC操作***中可以对用户权限进行分级设置。而在本***中登陆权限由两个级别：操作用户和***维护人员。操作用户登陆主要进行实验操作，而***维护人员登陆主要对上位机子***进行维护操作。

在整个试验运行之前，操作者需要在永磁同步电机及其控制器参数设置界面中设置相关参数。其中包括永磁同步电机转动惯量、粘性摩擦系数，控制器比例环节增益、积分环节增益等。

在负载操作系链接界面中，操作者可以通过在上位机界面修改电机运行参数(如起、停电机，电机转速等)来改变电机的运行状态。由下位机上传到上位机的电机实际运行参数(如定子电压、电流、电机转速)，经过PC机上的WinCC操作***中的图形运行***处理后可以 以表格、趋势图等图形形式反映给操作者，使得操作者很容易监控电机实际运行的状态。另外，通过在WinCC中报警记录运行***的设置，使得超过警戒值的电机参数以红颜色的形式显示来提示操作者。这样整个上位机子***实现了整个永磁同步电机控制性能自动化测试***的可视化操作和控制。

由于PC机和PLC通过通讯子***直接连接到Profibus总线上，因此可以把WinCC中的电机及其控制器参数变量和PLC中的地址联系起来，使得下位机(DSP2812控制板和直流调速器6RA7025)中的数据可以通过通讯模块上传到上位机。

2、永磁同步电机控制子***，如图2所示

永磁同步电机控制子***包括永磁同步电机及其控制器硬件电路，控制器硬件电路包括功率电路、控制电路、检测电路和全桥驱动电路，可实现永磁同步电机四个象限运行。功率电路包括三相可控整流电路和三相不可控整流电路、软启动电路、泵升电路和逆变电路；检测电路包括三相电流检测电路、母线电压检测电路和光电编码器信号检测电路；控制电路包括数字量输入接口电路、数字量输出接口电路、软启动控制电路、DSP2812控制板和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。永磁同步电机控制子***功率电路为三相电源进线端连接第一熔断式刀开关DZ1，第一熔断式刀开关DZ1分别连接三相不可控整流电路和三相可控整流电路；三相不可控整流电路和可控整流电路连接软启动电路，软启动电路分别连接泵升电路，泵升电路连接逆变电路，逆变电路连接永磁同步电机定子绕组。检测电路为三相电流检测电路输入端连接逆变电路，输出端连接控制电路DSP2812控制板，三相电流检测电路的输入信号来自于功率电路中位于逆变电路之后的永磁同步电机定子电流信号，输出信号给控制电路中DSP2812控制板；母线电压检测电路输入端连接软启动电路的输出端，输出端连接控制电路DSP2812控制板，母线电压检测电路的输入信号来自于功率电路中位于软启动电路之后，泵升电路之前的母线电压信号，输出信号给控制电路中DSP2812控制板；光电编码器信号检测电路的输入信号来自于光电编码器(A，B，Z，U，V，W)六项的输出，输出信号给控制电路中的DSP2812控制板，把电机转速和转子位置信号传递给控制板。控制电路为数字量输入接口电路的输入端连接永磁同步机控制子***的外部按钮，输出端接DSP2812控制板；数字量输出接口电路的输入信号来自于输出端接DSP2812控制板，输出端接功率电路中的交流接触器KM1、第一直流接触器KM2和软启动控制电路；软启动控制电路输入端连接数字量输出接口电路，输出端连接软启动电路；故障信号处理电路的输入端连接全桥驱动电路，输出端接DSP2812控制板。全桥驱动电路输入端连接DSP2812控制板，输出端连接逆变电路和泵升电路。

(1)功率电路，如图3所示，其特点是可通过交流接触器KM1、第二熔断式刀开关DZ2和第一直流接触器KM2的接通和断开实现三相不可控整流电路与可控整流电路的切换，既可验 证通用变频器控制方案性能测试，也可实现功率因数为1、直流母线电压稳定600V、可逆运行的高品质专用变频器控制方案性能测试。

a)三相可控整流和不可控整流电路，三相不可控整流电路由图3中交流接触器KM1、三相进线电抗器L和二极管(VT1-VT6)桥式整流模块依次连接构成，三相可控整流电路由图3中第二熔断式刀开关DZ2、3组IGBT(V1-V6)整流桥和第一直流接触器KM2依次连接构成。主要作用是将工频交流电整流成稳定的直流电，三相可控整流电路也可实现能量回馈电网。

b)软启动电路，由图3中1Ω/100W的第一电阻R和第二直流接触器KM3并联构成，其输入端连接80A的熔断器FR，它由直流接触器控制的切换电路。当主电路开始通电时，在主电路中加入阻值为1K(30W)的电阻，防止启动过程中过大的充电电流对电容损害。当通电一段时间后，通过直流接触器再将该电阻切除。

c)泵升电路，由图3中一个IGBT(V7)与第二电阻R3和二极管VT2相并联的电路串联构成，它是由一能耗电阻和IGBT串联构成。当电机制动处于发电状态，此时将IGBT开通，将能量消耗电阻上。

d)逆变电路，由图3中第一电容Cd1和第二电容Cd2串联的电路与由PWM信号控制的3组IGBT的逆变桥并联构成，由PWM信号控制的6组IGBT构成的逆变电路，主要将直流电转化为所需要频率的交流电，且能够减小谐波分量。与通常硬开关电路相比，采用的软开关电路减小了开关损耗、感性关断电压尖峰、容性开通电流尖峰和电磁干扰。

(2)检测电路

a)三相电流检测电路，如图5所示，它的输入信号来自于功率电路中位于逆变电路之后的永磁同步电机电枢电流信号，大小在-70mA和+70mA之间。信号在经过滤波电路后转化为0-7V的电压信号，再通过两个电压偏置电路后值为0V-3V，最后输入DSP2812芯片的I/O引脚。

b)母线电压检测电路，如图6所示，它的输入信号来自于功率电路中位于软启动电路之后，泵升电路之前的母线电压信号，大小在0-50mA之间。信号经过滤波电路后转化为0-5V的电压信号，在通过两个电压偏置电路后的值为0V-3V，最后输入DSP2812芯片的I/O引脚。

c)光电编码器信号检测电路，如图7所示，它的输入信号来自于光电编码器(A，B，Z，U，V，W)六项的输出，再通过电平转换到DSP2812的I/O引脚的电压大小为(0-3.3V)。

(3)控制电路，它接受来自***电路信号，通过相应计算分析后，再向***电路发出相应的控制指令，实现对永磁同步电机稳定可靠的控制。

a)数字量输入接口电路、数字量输出接口电路，如图8、9所示，数字量输入接口电路的输入端连接永磁同步机控制子***的外部按钮，输出端接DSP2812控制板；数字量输出接口电路的输入信号来自于输出端接DSP2812控制板，输出端接功率电路中的交流接触器KM1和软启动控制电路，用于实现输入的模拟信号进行采集、转换和完成对一些执行机构的控制。

b)故障信号处理电路，如图10所示，输入端连接全桥驱动电路，输出端接DSP2812控制板，实现过温信号、驱动板故障信号的处理。

c)软启动控制电路，如图4所示，输入端连接数字量输出接口电路，输出端连接软启动电路，实现对软启动电路中第二直流接触器KM3的控制。

(4)全桥驱动电路，如图11所示，输入端连接DSP2812控制板，输出端连接逆变电路和泵升电路，它接受来自DSP2812芯片的PWM信号，经过CPLD与电压信号放大电路后，输出到驱动板。

在功率电路中，永磁同步电机控制子***可实现永磁同步电机四个象限运行。通过交流接触器KM1、第二熔断式刀开关DZ2和第一直流接触器KM2的接通和断开实现三相不可控整流电路与可控整流电路的切换，当第二熔断式刀开关DZ2和第一直流接触器KM2开通，交流接触器KM1断开，此时可控整流电路投入工作。当永磁同步电机作为原动机拖动直流电机，永磁同步电机运行于一、三象限。当直流电机拖动永磁同步电机，永磁同步电机作为直流电机负载，永磁同步电机的电能可通过可控整流电路实现能量回馈电网，永磁同步电机运行于二、四象限。传统的方式是通过泵升电路的电阻消耗，此种方式节约了能量，永磁同步电机运行于二、四象限。

3、直流电机控制子***，如图12所示

直流电机控制子***包括直流电机、断路器、熔断器、交流接触器、三相电抗器和西门子6RA7025直流调速器，三相电源进线端连接断路器，断路器连接熔断器，熔断器末端连接交流接触器，交流接触器连接三相电抗器，三相电抗器末端连接西门子6RA7025直流调速器入线段，西门子6RA7025直流调速器出线端连接直流电机的电枢绕组；对直流电机的控制一方面可模拟永磁同步电机负载，在测试中可实现能量回馈电网，另一方面控制直流电机作为原动机带动永磁同步电机运转，实现永磁同步电机四个象限运行。其中西门子直流调速器6RA7025采用了可逆的逻辑无环流的直流调速***。直流电机在做永磁同步电机负载时，通过改变直流调速器6RA7025双闭环控制为转矩单闭环方式控制，如图13所示。当永磁同步电机拖动直流电机时，直流电机给永磁同步电机加减载，此时直流电机处于发电状态，能量通过直流调速器6RA7025回馈到电网。而传统的加减载是直流发电机-电阻组或磁粉制动器，这样会造成能量的浪费，而此种则节约了能量。

由于直流调速器CBP2通讯板被连接在Profibus总线上，所以上位机可与直流调速器直接通过总线实现通讯，也就是说操作者可以从上位机直接监控并修改直流调速器运行参数从 而改变永磁同步电机的模拟负载参数。

其中西门子直流调速器6RA7025采用了可逆的逻辑无环流的直流调速***，可实现电机的四个象限运行。无环流控制逻辑与电流调节回路共同完成转矩改变符号时的逻辑控制。正组桥工作时与反组桥工作时电枢电流的方向是不同的，这样通过正反组桥的切换也就改变了直流电机转矩方向。其中逻辑无环流控制环节主要完成以下三点任务：

I、任何时候只允许一组整流桥有触发脉冲。

II、工作中的整流桥只有断流后才能封锁其脉冲，以防止在逆变工作时因触发脉冲的消失而导致逆变失败。

III、只有当原先工作的整流桥完全关断且延时后才开放另一组，以防环流出现。

当一组晶闸管工作时另一组触发脉冲被封锁处于阻断状态，这样就从根本上消除在正组桥和反组桥之间的环流，使得***无故障运行。另外，直流调速器还加有电机参数优化、转矩限幅等的附加功能，实现直流电机转速、转矩双闭环控制和转矩单闭环的稳定控制。

在永磁同步电机与直流电机连轴后，直流电动机在转速、转矩双闭环控制下运行时，控制直流电机拖动永磁同步电机运行，永磁同步电机作为发电机，电能通过可控整流电路回馈到电网。

在做负载实验时，通过直流调速器去掉转速、转矩双闭环控制的外环-速度环，使控制方式变成转矩单闭环方式控制。其中的电流调节器ACR是PI调节器，电流调节器将电流给定值与内部电枢电流实际值进行比较处理，输出为触发装置的控制角，经触发角限幅后送电枢触发单元。触发脉冲在时间上由电流调节器和预控制器的输出值决定，通过参数可设定控制角极限。同时作用于触发装置的还有预控制器。电流调节回路的预控制器用于改善调节***的动态响应。预控制器与电流给定值和电机的反电动势有关，并确保在电流连续和断续状态或转矩改变符号时所要求的触发角的快速变化。触发装置形成与电源电压同步的功率部分晶闸管控制触发脉冲。同步信号取自功率部分，因此与旋转磁场和电子板供电无关。触发脉冲在时间上由电流调节器和预控制器的输出值决定，通过参数可设定控制角极限。触发装置能自动适应频率为45-65Hz的电源。触发装置输出调制电压至电枢，从而改变电枢电流，实现电枢电流闭环控制。

在实验前的参数设置时，令直流电机转矩方向与永磁同步电机转速方向相反，模拟永磁同步电机的负载。当永磁同步电机拖动直流电机在第二象限运行时，实现直流电机的正向回馈制动，直流电能可以安全地通过直流电机电枢绕组经过直流调速器的反组桥逆变为三相交流电能，再回馈到电网；当永磁同步电机拖动直流电机在第四象限运行时，实现直流电机的反向回馈制动，交流电能可以安全地通过直流电机电枢绕组经过直流调速器的正组桥逆变为 三相交流电能，再回馈到电网。

4.通讯子***

通讯子***实现整个***数据传送的功能，它由三个部分构成：第一部分实现PC机与PLC的通讯，第二部分实现上位机与直流电机控制子***通讯的功能，第三部分实现上位机与永磁同步电机控制子***通讯功能。设置PLC为一类主站，PC机为二类主站。***如图14所示。

在上位机操作***修改之后的电机或控制器参数值通过通讯子***下传到下位机来改变电机运行状态或控制器的控制性能。与此同时，下位机也可以把电机运行状态相关的一些参数通过该***的通讯子***的上传到上位机，使操作人员能够实时监控电机在各个实验中运行的状态和性能。在这里，通讯的性能关系到实验操作人员对电机状态把握的真实性和可靠性，是该自动化测试***重要部分之一。采用现场总线通讯技术，可以使现场控制器与监督计算机相互协调，既体现了PLC高可靠性的特性，保证了试验的稳定运行，又充分发挥了监督计算机复杂运算处理能力强的特点，有效实现了监督优化控制。

在上位机中PC机与PLC的通讯中，使用的西门子PLC的CPU314C-2DP包含两个DP口，其中一个为Profibus总线接口，因此采用通用接口连接就可以把PLC连接到总线上。另一方面，通过插在PC的PCI插槽中CP5613通讯卡将PC机连接到Profibus总线上。在PC机的操作***WinCC中，添加了WinCC通讯驱动程序SIMATIC S7Protocol Suite，其中就包含Profibus通道单元，只要在通道内设置需要通讯的变量，并把变量地址与PLC中的实际地址连接起来，就可以通过PLC实现变量值的上载与下传。

在上位机与直流电机控制子***通讯部分中，采用的是Profibus总线通讯。西门子直流调速器6RA7025通过固有的通讯接口就可以连接到总线上，当通讯板CBP2的红、黄、绿等一起闪烁时表示与总线通讯正常。在西门子的PLC硬件组态中，对直流调速器6RA7250采用PPO1的通讯格式，它包含了两个控制字PZD_1和PZD_2，其中把PZD_1设置为读控制字，把PZD_2设置为写控制字，并把它们的地址定义到PLC数据块单元中。通过这两个字的通讯可以在转速、转矩双闭环中实现对转速的读和写或者在转矩单闭环中实现对转矩的读和写的功能。在程序实现中，采用西门子PLC通讯专用模块SFC14、SFC15来完成通讯功能。直流电机控制子***与上位机子***通讯步骤如下：如图15所示，

步骤1：主电路接触器动作；

步骤2：直流调速器合分闸使能；

步骤3：直流调速器端子激活；

步骤4：直流调速器速度控制字清零；

步骤5：启动电机运行；

步骤6：判断是否修改转矩设置参数，如果是进行步骤7，如果否转向步骤8；

步骤7：向直流电机施加上位机设置的转矩；

步骤8：直流调速器把直流电机的运行参数(电机实际转矩和转速)上传给上位机；

步骤9：判断是否停机，如果是转向步骤11，如果否进行步骤10；

步骤10：返回到步骤7，进行循环；

步骤11：停机。

而在上位机与永磁同步电机控制子***通讯部分中，采用了Profibus总线协议转串口通讯协议RS232及DSP的串口通信模块实现永磁同步电机及其控制器参数上传监控和下传修改的功能。

1)硬件上，采用了Profibus总线转串口通讯协议RS232的转接桥设备，其接口为RS232扁口9针，而下位机DSP RS232的通讯接口为圆口8针。这里，用特制的8针接口-9针接口的串口通讯线将两个设备接口相连，实现上位机和下位机硬件上的通讯功能。在通讯的实现中，Profibus总线的数据传输速度最快可达12M/s，而用来实现Profibus总线转串口通讯协议RS232的转接桥设备发送/接收频率最快可达200HZ。这样就保证了数据的实时性传输的要求，可以使得操作者能够快速准确地把握永磁同步电机的运行状态。

2)软件上，通过上位机PLC的编程及DSP2812控制板的程序实现通信。DSP2812控制板软件采用中断方式实现了与下位机的半双工通信，在DSP软件程序中实现了对上位机下传通信数据的校验，针对不同情况如通讯故障处理模块、通讯正常处理模块，分别处理，确保可靠安全通信。

永磁同步电机控制子***与上位机子***之间通过上位机PLC及DSP2812控制板的程序实现通讯，具体步骤如下：

上位机子***与永磁同步电机控制子***通讯主程序：如图16-a所示，

步骤1：接收到通讯中断信号；

步骤2：保护现场及CPU进行中断相关操作；

步骤3：判断是否通讯故障，如果是进行步骤4，如果否进行步骤5；

步骤4：调用通讯故障处理模块，然后进行步骤6；

步骤5：调用正常通讯处理模块；

步骤6：恢复现场；

步骤7：中断返回。

上位机子***与永磁同步电机控制子***通讯故障处理模块程序：如图16-b所示，

步骤1：清除SCI数据接受缓冲区；

步骤2：向上位机发送接收错误报文；

步骤3：使能SCI接受；

步骤4：复位接受错误标志位；

步骤5：调用结束。

上位机子***与永磁同步电机控制子***通讯正常处理模块程序：如图16-c所示，

步骤1：通讯报文类别判断；

如果是接受通讯确认报文，进行步骤2；

如果是接受的是电机参数报文1、2或控制报文，进行步骤3；

步骤2：向上位机回复通讯正常确认报文，然后进行步骤4；

步骤3：发送正常数据回复报文；

步骤4：再次使能SCI接受；

步骤5：调用结束。

Claims (4)

1.一种永磁同步电机控制性能自动化测试***，其特征在于该***包括通讯子***、上位机子***、永磁同步电机控制子***、直流电机控制子***；通讯子***的硬件包括直流调速器通讯板卡CBP2和RS232转接桥设备，上位机子***包括PC机和可编程控制器PLC，永磁同步电机控制子***包括永磁同步电机及其控制器硬件电路，控制器硬件电路包括功率电路、控制电路、检测电路和全桥驱动电路，直流电机控制子***包括直流电机、断路器、熔断器、交流接触器、三相电抗器和西门子6RA7025直流调速器；永磁同步电机控制子***中控制电路连接通讯子***中的RS232转接桥设备，直流电机控制子***中的西门子6RA7025直流调速器连接通讯子***中的直流调速器通讯板卡CBP2，通讯子***中的直流调速器通讯板卡CBP2和RS232转接桥设备连接上位机子***中的可编程控制器PLC，直流电机控制子***中的直流电机主轴连接永磁同步电机控制子***中的永磁同步电机主轴；上位机子***通过通讯子***将永磁同步电机额定电压，额定电流，额定频率，母线电压，极对数，摩擦系数，转动惯量，定子电阻，D轴电感，Q轴电感，转子磁链，控制器的速度比例增益，速度积分增益，电流比例增益，电流积分增益传到永磁同步电机控制子***，永磁同步电机控制子***将控制字，永磁同步电机的实际速度，相电流有效值，相电压有效值通过通讯子***传到上位机子***；上位机子***通过通讯子***将直流电机速度给定，直流电机转矩给定传到直流电机控制子***，直流电机控制子***将直流电机实际速度，直流电机实际转矩参数通过通讯子***传到上位机子***；永磁同步电机子***中功率电路通过三相可控整流电路和三相不可控整流电路的切换实现永磁同步电机四个象限运行；直流电机控制子***中当直流电机作为永磁同步电机负载时，通过改变直流调速器6RA7025双闭环控制为转矩单闭环方式控制，能量通过直流调速器6RA7025回馈到电网；

所述的永磁同步电机控制子***中功率电路主要由三相可控整流和不可控整流电路、软启动电路、泵升电路和逆变电路构成，三相电源进线端连接第一熔断式刀开关DZ1，第一熔断式刀开关DZ1分别连接三相不可控整流电路和三相可控整流电路；三相不可控整流电路和可控整流电路连接软启动电路，软启动电路连接泵升电路，泵升电路连接逆变电路；三相不可控整流电路由交流接触器KM1、三相进线电抗器L和二极管VT1-VT6桥式整流模块依次连接构成，三相可控整流电路由第二熔断式刀开关DZ2、3组IGBTV1-V6整流桥和第一直流接触器KM2依次连接构成，软启动电路由1Ω/100W的第一电阻R和第二直流接触器KM3并联构成，其输入端连接80A的熔断器FR，泵升电路由一个IGBT与第二电阻R3和二极管VT2相并联的电路串联构成，逆变电路由第一电容Cd1和第二电容Cd2串联的电路与由PWM信号控制的3组IGBT的逆变桥并联构成；

所述的永磁同步电机控制子***实现永磁同步电机四个象限运行，在功率电路中，通过交流接触器KM1、第二熔断式刀开关DZ2和第一直流接触器KM2的接通和断开实现三相不可控整流电路与可控整流电路的切换，当第二熔断式刀开关DZ2和第一直流接触器KM2开通，交流接触器KM1断开，此时可控整流电路投入工作，当永磁同步电机作为原动机拖动直流电机，永磁同步电机运行于一、三象限，当直流电机拖动永磁同步电机，永磁同步电机作为直流电机负载，永磁同步电机的电能通过可控整流电路实现能量回馈电网，此时永磁同步电机运行于二、四象限。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机控制性能的自动化测试***，其特征在于直流电机控制子***中当直流电机作为永磁同步电机负载时，通过改变直流调速器6RA7025双闭环控制为转矩单闭环方式控制，能量通过直流调速器6RA7025回馈到电网，其中直流调速器6RA7025采用了可逆的逻辑无环流的直流调速***，直流电机在做永磁同步电机负载时，通过改变直流调速器6RA7025双闭环控制为转矩单闭环方式控制，当永磁同步电机拖动直流电机时，直流电机给永磁同步电机加减载，此时直流电机处于发电状态，能量通过直流调速器回馈到电网。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机控制性能的自动化测试***，其特征在于通讯子***采用了Profibus总线转串口通讯协议RS232的转接桥设备，其接口为RS232扁口9针，下位机DSP RS232的通讯接口为圆口8针，采用8针接口-9针接口的串口通讯线将两个设备接口相连，实现上位机和下位机硬件上的通讯功能，在通讯的实现中，Profibus总线的数据传输速度达12M/s，用来实现Profibus总线转串口通讯协议RS232的转接桥设备发送/接收频率达200HZ。

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机控制性能的自动化测试***，其特征在于永磁同步电机控制子***与上位机子***之间通过上位机PLC的编程及DSP2812控制板的程序实现通讯，具体步骤如下：

上位机子***与永磁同步电机控制子***通讯主程序：

步骤1：接收到通讯中断信号；

步骤2：保护现场及CPU进行中断相关操作；

步骤3：判断是否通讯故障，如果是进行步骤4，如果否进行步骤5；

步骤4：调用通讯故障处理模块，然后进行步骤6；

步骤5：调用正常通讯处理模块；

步骤6：恢复现场；

步骤7：中断返回；

上位机子***与永磁同步电机控制子***通讯故障处理模块程序：

步骤1：清除SCI数据接受缓冲区；

步骤2：向上位机发送接收错误报文；

步骤3：使能SCI接受；

步骤4：复位接受错误标志位；

步骤5：调用结束；

上位机子***与永磁同步电机控制子***通讯正常处理模块程序：

步骤1：通讯报文类别判断；

如果是接受通讯确认报文，进行步骤2；

如果是接受的是电机参数报文1、2或控制报文，进行步骤3；

步骤2：向上位机回复通讯正常确认报文，然后进行步骤4；

步骤3：发送正常数据回复报文；

步骤4：再次使能SCI接受；

步骤5：调用结束。

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