CN102437756A - 电动设备及用以测量该设备的电动势的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括交流电动马达(3)和用以控制该马达的相的控制逆变器的电动装置(1)。该马达(3)包括，在至少一相(PA，PB，PC)的至少一个绕组上，用以测量相对于预定电势(M)的电压的点(Ma，Mb，Mc)，该测量点(Ma，Mb，Mc)被选择使得其分隔该绕组成为第一(Za1；Zb1；Zc1)和第二(Za2：Zb2；Zc2)部分，从而在两个部分中感应的电动势(e_a1，e_a2)彼此相关地相移，以及包括用以测量该测量点和该预定电势之间电压的部件(11A；11B；11C)。本发明也涉及测量电动势的相关方法。

Description

电动设备及用以测量该设备的电动势的方法

技术领域

本发明涉及一种包括交流电动马达和控制逆变器的电动设备，以及用以测量该设备的电动势的相应方法，并适用于交流电动马达领域。

本发明特别适用于电动机动车尤其是牵引逆变器以及它们相应的电动马达领域，或者更适用于空调压缩机逆变器以及它们相应的电动马达领域。

然而，尽管特别为这样的应用而准备，该设备以及相应的方法也可以使用在其它领域，例如，助力转向或风机电动马达。

背景技术

通常地，电动车辆被配备以高压电池传递直流电到逆变器，其将该直流电转换为交流电用以驱动电动马达，后者驱动该车辆的移动。

为了控制马达尤其控制逆变器的开关，必须要知道马达的角位置以在正确的时刻驱动马达的每一相位来获得最优的驱动扭矩。

这通常通过位置传感器来实现，例如霍耳效应编码器/传感器，位于电动马达的旋转轴，正如在例如文献US6307336中描述的。

然而，看来这些位置探测器在***中是薄弱点且如果传感器故障会引起车辆停止。此外，这些传感器价格昂贵。

在文献EP1564882中，辅助绕组被提议来直接测量马达每一相的电动势。

然而，这个解决方案给电动马达带来复杂的改变。

此外，至于位置传感器，例如，不知道测量信号的缺失是源于辅助配置的故障还是源于马达自身。

文献US7489097描述了一种包括交流马达和用以直接测量该马达各相的电动势的控制逆变器的电动***。为此，逆变器必须以一个特殊的方式控制马达，从而使得被测量EMF的相在测量期间不被驱动。

碰巧各相的梯形控制使得具有两个驱动的相和一个未驱动的相成为可能。在此情况下，在测量EMF且探测其零交点的足够长的期间内，电流是零。

然而，此方式不适于例如正弦马达控制。

发明内容

本发明的目标是提供了一种使直接获得马达各相的电动势且无需任何位置传感器成为可能的设备和方法。

为此，本发明的主题是一种包括交流电动马达和用以控制该马达各相的控制逆变器的电动设备，其特征在于该马达包括，在至少一相的至少一个绕组上，用以测量相对于预定电势的电压的点，该测量点选择使得其分割绕组成为第一和第二部分，从而在两个部分中感应的电动势彼此相关地相移，以及用以测量该测量点和该预定电势之间电压的部件。

通过直接在各相的绕组级别(level)上选择测量点，使得其分割绕组成为第一和第二部分，从而在两部分中感应的电动势彼此相关地相移，马达控制的形状变得无关紧要。

根据一个方面，用以测量该测量点和该预定电势之间电压的部件配置使得当逆变器已经转换关注的相为续流模式时测量该电压。

根据另一个方面，马达的绕组是具有中点的绕组，且该测量点是绕组的中点。

此外，对绕组两部分中的每一感应电动势可以规定实质上等幅。

然后，逆变器可以被设定为同时转换所有的相成为续流模式，以允许马达每一相的电压的同时测量。

根据一个方面，该逆变器是标准三相逆变器。

根据一个发展，该逆变器是H型三相桥式逆变器。

该交流电动马达是，例如，多相电动马达，其机械步进与机械角度的一部分相应。

该交流电动马达可以是交流三相电动马达。

该设备可以包括马达控制单元，其连接到所述测量部件且被设定为用以通过每一相的测量结果推断马达每一相的电动势，并且根据测量的电动势来控制该逆变器。

该控制单元是，例如，被设定为通过每一相的电动势的零交点来推断马达的角位置。

本发明的另一主题目标在于一种用于测量电动设备的电动势的方法，该电动设备包括交流电动马达和用以控制该马达的各相的控制逆变器，其特征在于

-在至少一相的绕组的测量点和预定电势之间的电压被测量，该测量点选择使得其分割绕组成为第一和第二部分，从而在两部分中感应的电动势彼此相关地相移。

根据一个方面，当逆变器已经将关注的相转换为续流模式时，在至少一相的绕组的测量点和预定电势之间的电压被测量。

根据另一个方面，该马达的绕组是具有中点的绕组，且该测量点是绕组的中点。

可能，例如，对绕组两部分中的每一感应电动势规定实质上等幅。

可能同时转换所有的相，例如通过脉宽调制，成为续流模式，以允许马达的每一相电压的同时测量。

该逆变器是，例如，标准三相逆变器或H型三相桥式逆变器。

该交流电动马达是，例如，多相电动马达，其机械步进与机械角度的一部分相应。

该交流电动马达可以是交流三相电动马达。

根据一个方面，马达每一相的电动势通过每一相的电压测量被推断，且根据测量的电动势来控制该逆变器。

根据另一个方面，马达的角位置通过每一相的电动势的零交点被推断。

诊断可以通过马达每一相电动势的测量来推断，且在其中一相故障的情况下产生报警信号。

附图说明

本发明通过参照附图阅读详细的典型实施例将被更好的理解，实施例通过无限制的范例给出，其中：

图1示意性地描述该设备的第一典型实施例，

图2示意性地描述图1中设备的细节，

图3展示根据图1中设备的PWM控制图形，

图4是三相马达的电动势测量的矢量图表示，

图5示意性地描述该设备第二典型实施例，

图6示意性地描述图5中的电路，在其中逆变器被转换以允许中点电压被测量，

图7是小功率步进交流电动马达的简图，

图8展示图7中马达绕组的第一范例，

图9展示图7中马达绕组的第二范例，

图10在图形上展示电动势的测量作为配备根据本发明的设备的机动车辆的速度的函数的代表性范例，

图11在图形上展示用以零交点检测的三相马达各相电动势的时间趋势，以及

图12展示作为速度的函数测量的EMF的两个零交点之间的延迟。

具体实施方式

在所有的图中，同一元件采用相同的附图标记。

图1展示根据本发明的设备1，一方面，其包括交流电动马达3以及，另一方面，其包括控制逆变器5用以控制马达3的PA，PB以及PC相。

该表述“电动马达”应该被理解为意味着一种电动机器，当被电流驱动时其转换电能成为机械运动，且其也可以转换机械运动成为电能(电流发生器)。

在本范例中，电动马达3是没有零压点的三相马达，其三相PA，PB以及PC均由具有中点Ma，Mb以及Mc的绕组产生。因此可以理解，在图1中马达只由它的担任电感的绕组部分地代表。

在此范例中，用以控制马达各相的控制逆变器5是H型电桥三相逆变器。

在此实施例中，逆变器包括三个H型电桥，Ha，Hb以及Hc。

每一H型电桥包括四个开关，Si，j(i＝1，2；j＝A，A’，B，B’，C，C’)，系数i＝1代表电桥的基(bottom)部，也被称为电桥的底部，且系数i＝2为电桥的顶部。系数j，具有或者不具有符号“’”，代表开关所属的相。

该开关Si，j(i＝1，2；j＝A，A’，B，B’，C，C’)是电源开关，例如IGBT(隔离栅双极晶体管)型，其相当于混合晶体管，结合了在输入端的金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)和在输出端的双极晶体管。

术语“H型电桥结构”或者“H型电桥”相当于已知的电动或者电子线路本身。

例如，对于H型电桥，Ha，它包括通常示意性地如图1所示以H形式安排的四个开关元件S1A，S2A，S1A’以及S2A’，在一边通过开关元件S1A，S2A，在另一边通过开关元件S1A’，S2A’各自形成两个垂直分支，并且设置在H水平分支的任一边，其相当于电桥的负载，这就是说，相当于电动马达1的PA相的绕组。

每一开关Si，j被连接到控制单元9，其提供PWM(脉宽调制)控制从而使得实现不同功能成为可能，例如，在一个或者另一个方向上马达的旋转以推进机动车辆。

电路连接到DC电压源E。在应用此电路到机动车辆的背景中，这是，例如，诸如电源电池的蓄电装置。

马达3包括，在至少一相的至少一个绕组上，用以测量相对于预定电势的电压的点，该测量点选择使得其分割绕组成为第一和第二部分，从而在两部分中感应的电动势相对于彼此被相移。

在本范例中，这些测量点被有利地规定与PA，PB以及PC相绕组的中点Ma，Mb以及Mc相同。

当逆变器已经，例如，转变关于PA，PB，PC的相成为续流模式(freewheeling mode)时，根据本发明的设备还包括部件11A，11B和11C用以测量该测量点Ma，Mb以及Mc与预定电势(例如电路的接地M)之间的电压。

PA，PB以及PC相成为续流模式的转变是可选择的，但是提供了消除偏移(offset)的优势。

更多细节，参考图2，其详细描述了作为范例的电桥Ha，它的转换元件示意性地由开关表示。

可以看出，电桥底部的开关，这就是说开关S1A和S1A’闭合，这就是说相A已经通过逆变器5被转换成为续流模式。

绕组的第一部分由它的阻抗Za1标出，第二部分由它的阻抗Za2标出。

在此情况下，可以假定如下的方程：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{OM}}=-e_{a1}-Z_{a1}*i_a\\ e_{a2}+Z_{a2}*i_a+e_{a1}+Z_{a1}*i_a=0\end{array}\right.$

其中：

-V_OM是在相位绕组中点与电路的接地之间测量的电压，

-e_a1是在阻抗Z_a1的第一部分中感应的部分电动势，

-e_a2是在阻抗Z_a2的第二部分中感应的部分电动势，

-i_a是如图2中所示当H型电桥被转换成为续流模式时感应的电流。

如果我们为了简化假设Za1＝Za2＝Z(注意Za1可以不同于Za2)，我们得到：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{OM}}={-e}_{a1}-Z_{a1}*i_a\\ Z*i_a=-\frac{e_{a2}+e_{a1}}{2}\end{array}\right.\⇒\{V_{\mathrm{OM}}=\frac{e_{a2}-e_{a1}}{2}$

如上所述，测量点选择使得部分电动势e_a1和e_a2彼此相关地相移。这可以以不同的方式获得，尤其通过使用多相交流电动马达，其机械步进与电气角度的一部分相应(对此解释，此型的马达被称为小功率步进电动马达)，将在下文解释更多细节。

为简化计算，假设相位的每一半线圈e_a1和e_a2幅度相等(同样的感应，同样的转数)但是彼此相移。

即使e_a1和e_a2包含谐波这也仍然有效，其相移对于所有将被测量的谐波相同。

然后e_a1和e_a2可以被展开如下：

其中E_k是谐波k的幅度(k是自然数)且w_k是谐波的脉冲或者角频率。

因此，当电桥底部的两个开关S1A和S1A’闭合时计算出作为测量点的中点的电压，PA相因此处于“续流”态，

我们得到：

其中

给出上式则相的总电动势可以被如下写出：

其中

此结果是，如果EMF不包含谐波，V_OM的测量提供交流马达3的每一相的电动势(EMF)的直接且可靠的测量。

EMF的图像因此获得，但在其中每一谐波分量通过因数

被消减，且相移角度

其中

作为范例，具有5对电极和12只锯齿(teeth)的机器，在现有技术中被称为12-10线圈(参见例如图10)，使得在两半线圈之间可能获得

的相移。

因而衰减因数和相位被获得：

衰减因数和相移是固定和已知的参数，仅依赖于马达3的构造。因此EMF可以容易地测量，且对于马达的每一相，且即不需要附加传感器也不需要复杂估算或计算。

因而具有不相等值的阻抗和/或具有不相等幅度的EMF的计算可以以相似的方式无难度地完成，只要EMF或阻抗的比率已知。

马达3的电动势因此被无耽搁地获得，没有阻碍且没有必需的任何特殊的过滤。

通过该布置，当逆变器已经转换关注的各相到续流模式时，用以测量电动势的方法因此被实施，其中在至少一相的绕组的测量点和预定电势之间的电压被测量，测量点被选择使得其分割绕组成为第一部分和第二部分，从而在两部分中感应的电动势彼此相关地相移。

然后马达每一相的电动势通过每一相的电压测量被推断，且根据测量的电动势来控制该逆变器。

根据一个典型实施例，逆变器5被设定是同时转变所有相成为续流模式以允许马达每一相的电压的同时测量。

此处，在展示了中心PWM(脉宽调制)控制的图3中通过范例示出。

在该图中，PWM S1A表示对开关S1A的PWM控制，PWM S1A’表示对开关S1A’的PWM控制，PWM S1B表示对开关S1B的PWM控制，PWM S1B’表示对开关S1B’的PWM控制，PWM S1C表示对开关S1C的PWM控制和PWM S1C’表示对开关S1C’的PWM控制。

图4展示这样的图，其解释了在每一相的EMF和在马达每一相的绕组中点的电压测量之间的联系。可以理解它是矢量关系(其解释了相移和增益的存在)。

本发明也可以以先前范例相似的方式应用于标准逆变器5和具有零压点并且包括具有中点的绕组的三相马达3，如图5中所示。

在此范例中逆变器5包括三个分支A，B以及C，每个分支各自具有两个转换元件，分别为S1a，S2a，S1b，S2b以及S1c，S2c。

马达3包括，在至少一相的至少一个绕组上，用以测量相对于预定电势的电压的点，该测量点被选择以使其分隔该绕组成为第一和第二部分(在此情况下Za1和Za2用于相位A，Zb1和Zb2用于相位B，以及Zc1和Zc2用于相位C)，从而在相的绕组的两部分中感应的电动势彼此相关地相移。

在本范例中，这些测量点被有利地规定与PA，PB以及PC相的绕组的中点Ma，Mb以及Mc相同。

当变换器已经转变关于A，B，C的相成为续流模式时，部件11A，11B和11C用以测量该测量点Ma，Mb以及Mc与预定电势(例如电路的接地M)，之间的电压，该部件被提供且连接到控制单元9。

更多细节，参考图6，其描述与图5相同的电路，在其中转换元件S1a，S2a，S1b，S2b以及S1c，S2c示意性地由开关表示。

可以看出，每一分支底部的开关，这就是说开关S2a，S2b以及S2c闭合，这就是说各相A，B以及C已经通过逆变器5被转换成为续流模式。此外，当开关S2A S2BS2C闭合时，零压点的电压是0，所以提供了等价于图2的图。

因此，以图1到图4的范例类似的方式，可以个别地或所有一起同时地决定每一相的电动势EMF。

如前述的解释，本发明的应用使必须以此方式选择测量点，从而相的绕组被分割成为第一部分和第二部分，从而在两部分中感应的电动势彼此相关地相移。

这可以通过例如使用小功率步进电动马达(小功率步进多相马达)来获得，这就是说，使用其机械步进对应于电气角度的一部分的机器。

小功率步进机器具有属于相同相的绕组的特殊特征，但却是电相移的。

图7给出通常称为12-10，或者十二凹槽的电动机器(马达)的范例，具有它们的绕组+UA，-UA，+VA，-VA，+WA，-WB，+UB，-UB，+VB，-VB，+WB，-WB，以及10电极(5对电极P1，P2，P3，P4，P5)。

该对电极被偏移间距2π/5，而绕组被偏移2π/12。

根据使用的名称，通过相同字母标出却具有相反符号的绕组在相反的方向缠绕。因此，+UA在与-UA相反的方向缠绕。

在此马达中，三相被标出U，V以及W，每一相具有四个绕组，其第一字母标出它所属的相，这就是说U相具有绕组+UA，-UA，+UB以及-UB。

根据马达被期望的特性，可能设想配线的两种方式用以实现本发明以直接测量每一相的电动势。

根据在图8中描述的第一种方式，同一个相的四个绕组被安排为串联，且用于测量对应于相的电动势的电压的测量点(Mu，Mv以及Mw)是一中点，该中点处在，在一方面，同一个相的两个相邻串联绕组(例如+UA和-UA)，和在另一方面，相同相的两个其它相邻串联绕组(被安排为面对第一绕组，这就是说+UB和-UB)之间。

因此，作为范例，可以看出对于U相的测量点Mu选择以使得相同相的绕组(相U的绕组通过绕组+UA，-UA，+UB，-UB形成)分割为由+UA和-UA形成的第一部分，以及由+UB和-UB形成的第二部分，因而在此两部分中感应的电动势被相移。

根据在图9中描述的第二种方式，同一个相的前进和返回绕组(例如UA和-UA)被安排为并联，且用于测量对应于相的电动势电压的测量点(Mu，Mv或Mw)是这样的中点，处在一方面，同一个相的两并联相邻绕组(例如+UA和-UA)，和另一方面，相同相的两个其它相邻并联绕组(被安排为面对第一绕组，这就是说+UB和-UB)之间。

图10通过范例展示了，对于电动车辆，作为速度的函数的沿着实线曲线50的电压测量V_OM的幅度，和沿着虚线曲线52的推断的电动势。

如图1和5中展示的，控制马达的单元9被连接到所述测量部件11A，11B以及11C，且配置为通过每一相的测量结果推断马达每一相的电动势，且根据测量的电动势来控制逆变器。

既然没有直接测量物理位置量的位置传感器，则术语“无需传感器的”控制适用了。

除了作为通过使用EMF的直接测量的结果的在控制机器中的简化，设想无需传感器的位置控制是可能的。

当然，当停止时，不知道位置，但所要求的是用足够的电流激励定子以启动转子转动，且如果产生的EMF足够大，则控制单元9也可以凭借EMF测量来推断位置。然后单元9通过PWM控制可以正确地计算将要加在每一相上的电压以获得，在一方面，需要的马达扭矩和旋转方向。

这样的开启相位，如果短路，对于驾驶员来说可以是觉察不到的。

如果我们举比率10的传动装置和直径70cm的轮子，处在40km/h的范例，则机器以3000rpm^-1旋转。在1km/h，机器以1.25rpm^-1旋转，其相当于(在1s中内0.125轮子旋转)。在现实中所需要的可能是一个电动旋转以容易鉴别转子的角度。在如上描述的12-10机器的范例中，所需要的可能是旋转的1/5或200ms(0.025轮子旋转)。这个位移对于驾驶员可以是觉察不到的因为它相当于5.5cm的位移。

测量的EMF可以是6.8V(参见图10)。如果测量旋转是足够的，电脑可以计算以找到该位置。

而且，控制单元9被设定为从每一相的电动势的零交点推断马达的角位置。

实际上，探测零交点是通过电子线路或软件执行的简单的操作。

参考图11，对于三相马达，每周期和每相位内两个零交点被计数。已知在各相间的相移，每相一共六个零交点被计数。在EMF测量的零交点上，关于马达3角位置的信息是直接可用的，且无需计算。因此对于每一电动周期六个位置采集被获得，其在很多应用中是远远足够的，在该些应用中转子的角位置不需要在任意时刻被精确地知道。

图12展示作为电动车辆的速度函数的测量的EMF的两个零交点之间的延迟，这针对关于具有12凹槽和具有10档和70cm直径轮子的5对电极的机器的应用。

仍根据另一方面，控制单元9设定为通过马达每一相的电动势的测量来推断诊断。

实际上，这些测量提供了检测故障的非介入方式，例如，检测马达的相，以及产生报警信号。

即使具有故障的相，仍然可以移动该车辆且使用者可以去服务站，且PWM控制可以适配于考虑故障的相位。

因此可以理解，凭借该发明，可以容易和直接地测量马达的每一相电动势。不再需要特殊的传感器。然后马达的控制线路被简化且减少成本。

明显地，本发明适用于任意的交流电动马达，不论相的数量。

应该再提醒该表述“电动马达”应该被理解为意味着广义上的电动机器，这就是说，如果机器是电驱动则是推进马达，或者如果逆变器被转变成充电模式以恢复由马达产生电能则它是电流发生器。

Claims (23)

1.包括交流电动马达(3)和用以控制该马达(3)的相的控制逆变器(5)的电动设备(1)，其特征在于：该马达(3)包括，在至少一相(PA，PB，PC)的至少一个绕组上，用于测量相对于预定电势(M)的电压的点(Ma，Mb，Mc)，该测量点(Ma，Mb，Mc)被选择使得其分割绕组成为第一(Za1；Zb1；Zc1)和第二(Za2；Zb2；Zc2)部分，从而在两个部分中感应的电动势(e_a1，e_a2)彼此相关地相移，以及包括用于测量在该测量点和该预定电势之间电压的部件(11A；11B；11C)。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：用于测量在该测量点和该预定电势之间电压的部件(11A；11B；11C)设定为当该逆变器(5)已经将关注的各相转换为续流模式时测量该电压。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于：该马达(3)的绕组是具有中点(Ma，Mb，Mc)的绕组且在其中该测量点是该绕组的该中点。

4.根据权利要求1-3的任一项所述的设备，其特征在于：在绕组的两个部分的每个部分中感应的该电动势本质上具有相等的幅度。

5.根据权利要求1-4的任一项所述的设备，其特征在于：该逆变器(5)设定为同时转换所有相成为续流模式以允许马达(3)的每一相的电压的同时测量。

6.根据权利要求1-5的任一项所述的设备，其特征在于：该逆变器(5)是标准三相逆变器。

7.根据权利要求1-5的任一项所述的设备，其特征在于：该逆变器是H型三相桥式逆变器(5)。

8.根据权利要求1-7的任一项所述的设备，其特征在于：交流电动马达(3)是多相电动马达，其机械步进与机械角度的一部分相应。

9.根据权利要求1-8的任一项所述的设备，其特征在于：交流电动马达(3)是交流三相电动马达。

10.根据权利要求1-9的任一项所述的设备，其特征在于：它包括马达控制单元(9)，其连接到所述测量部件(11A；11B；11C)且设定为通过每一相的测量结果，推断马达每一相的电动势，以根据测量的电动势来控制该逆变器(5)。

11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于：该控制单元(9)设定为通过每一相的电动势的零交点推断马达(3)的角位置。

12.用于测量包括交流电动马达(3)和用以控制该马达的相的控制逆变器(5)的电力设备(1)的电动势的方法，其特征在于：

-在至少一相(PA，PB，PC)的绕组的测量点(Ma，Mb，Mc)和预定电势(M)之间的电压被测量，该测量点选择使得其分割该绕组成为第一(Za1；Zb1；Zc1)和第二(Za2；Zb2；Zc2)部分，从而在两个部分中感应的电动势被此相关地相移。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：当该逆变器已经将关注的相转换到续流模式时，在至少一相(PA，PB，PC)的绕组的测量点(Ma，Mb，Mc)和预定电势(M)之间的电压被测量。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于：马达(3)的绕组是具有中点(Ma，Mb，Mc)的绕组且在其中该测量点是该绕组的该中点。

15.根据权利要求12-14的任一项所述的方法，其特征在于：在绕组的两个部分的每个部分中感应的电动势本质上具有相等的幅度。

16.根据权利要求12-15的任一项所述的方法，其特征在于：所有的相被同时转换，例如通过脉宽调制，成为续流模式以允许该马达(3)每一相的电压的同时测量。

17.根据权利要求12-15的任一项所述的方法，其特征在于：该逆变器(5)是标准三相逆变器。

18.根据权利要求12-15的任一项所述的方法，其特征在于：该逆变器(5)是H型三相桥式逆变器。

19.根据权利要求12-18的任一项所述的方法，其特征在于：交流电动马达(3)是多相电动马达，其机械步进与机械角度的一部分相应。

20.根据权利要求12-19的任一项所述的方法，其特征在于：交流电动马达(3)是三相电动马达。

21.根据权利要求12-20的任一项所述的方法，其特征在于：通过每一相(PA，PB，PC)的电压测量，推断该马达每一相的电动势，且根据测量的电动势控制该逆变器。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于：该马达的角位置通过每一相(PA，PB，PC)的电动势的零交点来推断。

23.根据权利要求12-22的任一项所述的方法，其特征在于：诊断是通过该马达的每一相的电动势的测量来推断，且在其中一相故障的情况下，产生报警信号。

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