CN113783476B - 一种单相电机控制方法、装置及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单相电机控制方法、装置及***,通过目标速度得到与目标速度对应的目标频率,然后将单相电机的工作频率在预设时间内调整至目标频率,以将单相电机的速度在预设时间内调整至目标速度。其中,将工作频率调整至目标速度的方式为,在预设时间内,基于单相电机的当前工作频率调整控制变频器动作的PWM信号,以调整输出至单相电机的主绕组和辅助绕组的电压值,从而实现对单相电机的频率的调节,也即可以实现对速度的调节。其中,由于在预设时间之内调节频率的方式为无级调节,从而可以实现对单相电机的连续调速。且使用了变频器的三相输出,可以避免出现由于桥臂功耗不平衡造成的桥臂损坏。
Description
技术领域
本发明涉及控制领域,特别是涉及一种单相电机控制方法、装置及***。
背景技术
目前对单相电机进行调速的方法有如下两种:
其一,调节电抗器实现调速,具体地,在单相电容电机输入电源侧串联一个带有多个抽头的电抗器,通过调节抽头改变电抗器对输入电源的分压值,进而改变单相电容电机的输入电压,从而实现变压调速。
其二,调节调速绕组实现调速,在单相电容电机定子槽中放置主绕组、副绕组及调速绕组,通过调节调速绕组与主绕组和辅助绕组的连接方式,以实现调速的目的。
在对单相电机进行调速时,上述两种调速方法均是有级调速,不能够实现连续调速。因此现有技术中还有一种调速方法为:使用变频器及电抗器进行调速,具体地,将变频器三相中的任意两相接入滤波器(滤波器为LC滤波器或LCL滤波器),然后再将滤波器的输出接入单相电机,通过调节变频器的频率及电压调节单相电机的速度。但是这种方式只用到变频器的两相输出,此时,变频器的六桥臂功耗不平衡,容易造成常用的4个桥臂损害,此外,使用此种方式还需要安装滤波器,在一定程度上增加成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种单相电机控制方法、装置及***,通过在预设时间之内调节频率的方式实现无级调节,从而可以实现对单相电机的连续调速。且使用了变频器的三相输出,可以避免出现由于桥臂功耗不平衡造成的桥臂损坏。
为解决上述技术问题,本发明提供了一种单相电机控制方法,应用于变频器中的处理器,所述单相电机包括主绕组和辅助绕组,所述变频器的输入端与单相交流电源连连接,所述变频器的三相输出端的第一相与所述主绕组的一端连接,所述变频器的三相输出端的第二相与所述辅助绕组的一端连接,所述变频器的三相输出端的第三相分别与所述主绕组的另一端及所述辅助绕组的另一端连接,所述处理器的输出端与所述变频器的控制端连接;
所述调速方法包括:
基于单相电机的目标速度计算与所述目标速度对应的目标频率;
控制所述单相电机的工作频率在预设时间内调节至所述目标频率;
在所述预设时间内,基于所述单相电机的当前工作频率生成PWM信号,以调节所述变频器的三相输出端的电压,以实现对所述单相电机的调速;
其中,基于所述当前工作频率表控制所述变频器的三相输出端的第一相的输出电压的矢量角度与第二相的输出电压的矢量角度的相位差为预设角度,及所述三相输出端的第三相的输出电压的矢量角度为零,所述预设角度不为零。
优选地,基于所述单相电机的当前工作频率生成PWM信号,包括:
基于所述单相电机的当前工作频率、额定电压及额定频率计算所述单相电机的输出电压;
基于所述单相电机的输出电压及所述变频器的三相输出端中每相的输出电压的矢量角度计算对应相的输出调制电压;
基于所述输出调制电压生成所述PWM信号。
优选地,基于所述输出调制电压生成所述PWM信号,包括:
基于所述输出调制电压使用SPWM方法生成所述PWM信号。
优选地,基于所述单相电机的输出电压及所述变频器的三相输出端中每相的输出电压的矢量角度计算对应相的输出调制电压,包括:
基于所述单相电机的当前工作频率计算所述变频器的三相输出端中的第一相的输出电压的矢量角度;
将所述第一相的输出电压的矢量角度加或减所述预设角度作为所述第二相的输出电压的矢量角度;
基于所述输出电压及所述第一相的输出电压的矢量角度计算所述第一相的输出调制电压;
基于所述输出电压及所述第二相的输出电压的矢量角度计算所述第二相的输出调制电压;
将所述单相电机的输出电压作为所述第三相的输出调制电压。
优选地,所述预设角度为90度。
优选地,在所述预设时间内,基于所述单相电机的当前工作频率生成PWM信号,以调节所述变频器的三相输出端的电压之后,还包括:
对所述单相电机进行制动。
优选地,对所述单相电机进行制动,包括:
采集所述变频器的三相输出端的第三相的输出电流;
计算所述输出电流与预设直流制动电流之间的差值;
基于所述差值控制所述变频器以使所述第三相的输出电流稳定在所述预设直流制动电流。
为解决上述技术问题,本发明还提供了一种单相电机控制装置,包括:
存储器,用于存储计算机程序;
处理器,用于在执行所述计算机程序时,实现上述所述的单相电机控制方法的步骤。
为解决上述技术问题,本发明还提供了一种单相电机控制***,包括上述所述的单相电机控制装置,还包括变频器;
所述变频器的输入端与单相交流电源连接,所述变频器的三相输出端的第一相与所述主绕组的一端连接,所述变频器的三相输出端的第二相与所述辅助绕组的一端连接,所述变频器的三相输出端的第三相分别与所述主绕组的另一端及所述辅助绕组的另一端连接。
本申请提供了一种单相电机控制方法、装置及***,通过目标速度得到与目标速度对应的目标频率,然后将单相电机的工作频率在预设时间内调整至目标频率,以将单相电机的速度在预设时间内调整至目标速度。其中,将工作频率调整至目标速度的方式为,在预设时间内,基于单相电机的当前工作频率调整控制变频器动作的PWM信号,以调整输出至单相电机的主绕组和辅助绕组的电压值,从而实现对单相电机的频率的调节,也即可以实现对速度的调节。其中,由于在预设时间之内调节频率的方式为无级调节,从而可以实现对单相电机的连续调速。且使用了变频器的三相输出,可以避免出现由于桥臂功耗不平衡造成的桥臂损坏。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种单相电机控制方法的流程示意图;
图2为本发明提供的一种单相电机控制***的结构示意图;
图3为本发明提供的一种单相电机控制装置的结构框图;
图4为本发明提供的另一种单相电机控制***的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种单相电机控制方法、装置及***,通过在预设时间之内调节频率的方式实现无级调节,从而可以实现对单相电机的连续调速。且使用了变频器的三相输出,可以避免出现由于桥臂功耗不平衡造成的桥臂损坏。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本申请在此先介绍一下的单相电机的原理,具体地,在单相电机的定子绕组中通入单相交流电时,在定子内会产生一个大小随时间按正弦规律变化而空间位置不动的脉动磁场,此交变脉动磁场可分解成两个转向相反、转速相同的旋转磁场,当转子静止时这两个旋转磁场在转子中产生两个大小相等,方向相反的转矩,使得合成转矩为零,所以电机无法旋转。若在定子中加上一个副绕组,副绕组与主绕组在空间上相差90度(使副绕组与主绕组在空间上相差90度的具体方式为:在副绕组串接一个合适的电容(也即是单相电容电机),使得与主绕组的电流在相位上近似相差90度,)此时两个在时间上相差90度的电流通入两个在空间上相差90度的绕组,将会在空间上产生(两相)旋转磁场,使得单相电机旋转起来。
基于上述单相电容电机起动原理可知,在副绕组中串接电容使得主、副绕组的电流在相位上相差90度,使得单相电机旋转。
请参照图1,图1为本发明提供的一种单相电机控制方法的流程示意图,该方法应用于变频器的处理器,单相电机包括主绕组和辅助绕组,变频器的输入端与单相交流电源的输出端连连接,变频器的三相输出端的第一相与主绕组的一端连接,变频器的三相输出端的第二相与辅助绕组的一端连接,变频器的三相输出端的第三相分别与主绕组的另一端及辅助绕组的另一端连接;
调速方法包括:
基于单相电机的目标速度计算与目标速度对应的目标频率;
控制单相电机的工作频率在预设时间内调节至目标频率;
在预设时间内,基于单相电机的当前工作频率生成PWM(Pulse WidthModulation,脉冲宽度调制)信号,以调节变频器的三相输出端的电压,以实现对单相电机的调速;
其中,基于当前工作频率表控制变频器的三相输出端的第一相的输出电压的矢量角度与第二相的输出电压的矢量角度的相位差为预设角度,及三相输出端的第三相的输出电压的矢量角度为零,预设角度不为零。
考虑到现有技术中的调速方式大部分为有级调速,通过调节变频器虽然能实现无级调速,但是由于只用到变频器三相输出中的两相,导致常用的两相输出的功耗较大,容易损坏对应的4个桥臂。
为解决上述技术问题,本申请在上述单相电机的工作原理的基础上,本申请的设计思路为:可以考虑去掉该单相电容电机中的电容,通过控制单相电机输入电压相位方法来实现主、副绕组电流相位相差90度,并采用VVVF(Variable Voltage and VariableFrequency,变压变频调速***),达到变频调速。
基于此,本申请中单相电机和变频器的连接关系为:具体请参照图2,图2为本发明提供的一种单相电机控制***的结构示意图。主绕组的一端和变频器的第一相连接,辅助绕组的一端与变频器的第二相连接,主绕组的另一端(公共端)和辅助绕组的另一端(公共端)与变频器的第三相连接。此时,对应的,若想让单相电机转动起来,则控制变频器使单相电机的第一相和第二相输出的电压存在90度的相位差即可。
具体地,通过此种连接方式对单相电机的速度进行调节的方式为:通过调节变频器每相的输出电压。进一步的,通过调节控制变频器的PWM信号以调节变频器每相的输出电压。具体的,单相电机的速度与单相电机的工作频率一一对应,根据用户设定的目标速度计算出对应的目标频率,然后通过控制单相电机的频率在预设时间之内改变至目标频率,从而实现将单相电机的速度在预设时间内调节至目标速度。在调节频率的过程中,通过当前的频率生成对应的PWM信号,并基于此PWM信号对变频器进行控制,以实现控制变频器的输出电压,实现对单相电机的调速。
需要说明的是,本申请中的变频器的第一相为变频器的W相,变频器的第二相为变频器的U相,变频器的第三相为变频器的V相。利用VVVF调速原理,控制变频器的输出频率、输出电压以控制单相电机的速度,同时通过控制主绕组W相电压与U相辅助绕组相电压的相位角度,使得W相(主绕组)和U相(辅助绕组)电压相位角一直保持90度差,从而使得主、辅助绕组电流相位也保持90度相位差,此时两个在时间上相差90度的电流通入两个在空间上相差90度的绕组,将会在空间上产生(两相)旋转磁场,使得单相电机旋转起来。
其中,上述提到使主绕组和辅助绕组上的电压或电流相位差为90度只是预设角度的一个最理想的实现方式。
此外,预设时间越长,对应调节速度至目标速度越快,预设时间越短,调节速度至目标速度越慢,具体根据实际情况而定,本申请在此不做特别的限定。
综上,通过在预设时间之内调节频率的方式实现无级调节,从而可以实现对单相电机的连续调速。且使用了变频器的三相输出,可以避免出现由于桥臂功耗不平衡造成的桥臂损坏。
在上述实施例的基础上:
作为一种优选的实施例,基于单相电机的当前工作频率生成PWM信号,包括:
基于单相电机的当前工作频率、额定电压及额定频率计算单相电机的输出电压;
基于单相电机的输出电压及变频器的三相输出端中每相的输出电压的矢量角度计算对应相的输出调制电压;
基于输出调制电压生成PWM信号。
本实施例旨在提供一种具体根据单相电机的当前工作频率生成PWM信号的方式,具体地,基于单相电机的当前工作频率、额定电压及额定频率计算电机的输出电压,然后基于所述单相电机的输出电压及所述变频器的三相输出端中每相的输出电压的矢量角度计算对应相的输出调制电压;基于所述输出调制电压生成所述PWM信号。
其中,假设单相电机的目标频率为RunAimFrq,当前工作频率为WmSet,额定电压为Volt、额定频率为Freq,单相电机的当前输出电压Vout为:
Vout=Volt*WmSet/Freq;
此时,相适应的,作为一种优选的实施例,基于单相电机的输出电压及变频器的三相输出端中每相的输出电压的矢量角度计算对应相的输出调制电压,包括:
基于单相电机的当前工作频率计算变频器的三相输出端中的第一相的输出电压的矢量角度;
将第一相的输出电压的矢量角度加或减预设角度作为第二相的输出电压的矢量角度;
基于输出电压及第一相的输出电压的矢量角度计算第一相的输出调制电压;
基于输出电压及第二相的输出电压的矢量角度计算第二相的输出调制电压;
将第三相的输出调制电压设置为预设电压。
具体地,在频率变化过程中,输出电压的矢量角的变化角度VolTheta为:
VolTheta=360°*T*WmSet,其中,T为载频周期;
此时,由于主绕组和辅助绕组的相位差90度,也即是W相和U相相差90度,若U相的输出电压的矢量角UTheta=VolTheta,V相的输出电压的矢量角VTheta=0°,W相的输出电压的矢量角WTheta=VolTheta±90°。
则此时基于单相电机的输出电压及变频器的三相输出端中每相的输出电压的矢量角度计算对应相的输出调制电压的具体方式为:
对应的U相的输出调制电压Upwmgen为:Wpwmgen=Vout*Sin(UTheta);
对应的V相的输出调制电压Vpwmgen为:Vpwmgen=Vout。
对应的U相的输出调制电压Wpwmgen为:Wpwmgen=Vout*Sin(WTheta);
然后再分别基于Upwmgen、Vpwmgen和Wpwmgen生成对应的PWM信号,分别基于各自的PWM信号控制对应桥臂的开关管动作,以实现调节变频器的三相输出电压,
需要说明的是,变频器包括自输入端至输出端连接的整流模块和逆变模块,其中,V相的输出调制电压最大为整流模块直流母线上的电压。
作为一种优选的实施例,基于输出调制电压使用SPWM(Sinusoidal Pulse WidthModulation,正弦脉宽调制)方法生成PWM信号。
具体地,使用SPWM信号生成PWM信号时,调制电压的幅值与生成PWM信号的占空比呈正相关,基于SPWM生成的PWM信号与调制电压几乎相同。
综上,本实施例中的方式可以基于单相电机的当前工作频率生成PWM信号,从而实现对单相电机速度的调剂,且调节的方式简单,可以实现对单相电机速度的准确控制。
作为一种优选的实施例,在预设时间内,基于单相电机的当前工作频率生成PWM信号,以调节变频器的三相输出端的电压之后,还包括:
对单相电机进行制动。
由于公共端V相的电流为主绕组(W相)和辅助绕组(U相)电流之和,可以以公共端V相的输出电流为控制目标,对单相电机进行直流制动,同时保持V相的输出电压矢量角为零。具体地,通过控制主绕组(W相)和辅助绕组(U相)的电压大小,达到控制V相的输出电流的目的,从而起到单相电机负载制动的作用。
使用本实施例中的方式对单相电机进行制动时的控制方式简单可靠,且易于操作。
作为一种优选的实施例,对单相电机进行制动,包括:
采集变频器的三相输出端的第三相的输出电流;
计算输出电流与预设直流制动电流之间的差值;
基于差值控制变频器以使第三相的输出电流稳定在预设直流制动电流。
具体的,输出电流可以但不限于为V相的瞬时电流CurrentV,可以但不限于为实时采集。
作为一种优选的实施例,基于所述差值控制所述变频器以使所述第三相的输出电流稳定在所述预设直流制动电流,包括:
基于所述差值得到单相电机的输出电压Vout;(也即是控制电机的输出电压随差值的变化而变化)。具体通过调节Vout调节V相的瞬时电流CurrentV稳定至预设直流制动电流,其中,调节Vout的方式可以但不限于为通过PI调节,也可以是其他的调节方式,本申请在此不作特别的限定。
具体地,在上述实施例的基础上,对单相电机进行直流制动步骤可以描述为:
1)实时采样V相的瞬时电流;
2)计算采集的V相的瞬时电流和预设直流制动电流之间的差值,基于差值及PI调节器得到单相电机的输出电压Vout;
3)将U相、V相和W相三相的矢量角度设定为固定角度,其中,V相矢量角度固定为0度。例如,将U相矢量角度固定为X度,X可以但不限于为90度。此时,W相矢量角度固定为(X±90)度。
4)从而以3)中的矢量角度及2)中的Vout计算U、W、V相输出调制电压,具体分别为:
U相的输出调制电压:Upwmgen=Vout*SinX;
V相的输出调制电压:Vpwmgen=Vout;
W相的输出调制电压:Wpwmgen=Vout*Sin(X±90)。
5)采用SPWM方法,将每相输出调制电压计算调制脉冲,并输出PWM波控制变频器中6桥臂分时动作,以驱动单相电机运行,从而完成对单相电机的制动。
请参照图3,图3为本发明提供的一种单相电机控制装置的结构框图,该装置包括:
存储器32,用于存储计算机程序;
处理器31,用于在执行计算机程序时,实现上述的单相电机控制方法的步骤。
为解决上述技术问题,本申请还提供了一种单相电机控制装置,对于单相电机控制装置的介绍请参照上述实施例,本申请在此不再赘述。
为解决上述技术问题,本发明还提供了一种单相电机控制***,包括上述的单相电机控制装置,还包括变频器;
变频器的输入端与直流电源的输出端连连接,变频器的三相输出端的第一相与主绕组连接,变频器的第二相与辅助绕组连接,处理器的输出端与变频器的控制端连接。
请参照图4,图4为本发明提供的另一种单相电机控制***的结构示意图。此时的单相交流电源可以但不限于为220V单相交流电。
上述提及的变频器可由两相六桥臂逆变模块组成,各个桥臂的动作受变频器内部的处理器控制,受处理器输出的PWM信号驱动,控制变频器中六路功率开关管分时动作,以将变频器内部的直流模块输出的直流电源逆变成频率和幅值可调的交流电,进而驱动电机旋转。
此外,单相电机控制***还可以包括设置于变频器内部的故障保护模块,该模块针对******进行监控,当出现异常时,将故障异常硬件信号发送给处理器,处理器对不同的故障信号进行相应处理,以起到对***的保护作用,其中包括过流保护、过压保护、欠压保护、过温保护等,本申请在此不在限定。
此外,单相电机控制***还可以包括***输入、输出模块,该模块为辅助***控制而提供***输入、输出信号,其中包括模拟量输入/输出,开关量输入/输出,继电器输出等。还可以包括键盘与显示模块,该模块为***提供人机界面,方便对***参数设置以及***参数监控。处理器即为***的核心模块,在该模块中主要完成故障处理、外部输入、输出数据处理、电流/电压采样、V/F计算、SPWM计算等。
对于本申请提供的一种单相电机控制***的其他介绍请参照上述实施例,本申请在此不再赘述。
需要说明的是,在本说明书中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
专业人员还可以进一步意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤,能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现,为了清楚地说明硬件和软件的可互换性,在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其他实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种单相电机控制方法,其特征在于,应用于变频器中的处理器,所述单相电机包括主绕组和辅助绕组,所述变频器的输入端与单相交流电源连接,所述变频器的三相输出端的第一相与所述主绕组的一端连接,所述变频器的三相输出端的第二相与所述辅助绕组的一端连接,所述变频器的三相输出端的第三相分别与所述主绕组的另一端及所述辅助绕组的另一端连接;
调速方法包括:
基于单相电机的目标速度计算与所述目标速度对应的目标频率;
控制所述单相电机的工作频率在预设时间内调节至所述目标频率;
在所述预设时间内,基于所述单相电机的当前工作频率生成PWM信号,以调节所述变频器的三相输出端的电压,以实现对所述单相电机的调速;
其中,基于所述当前工作频率表控制所述变频器的三相输出端的第一相的输出电压的矢量角度与第二相的输出电压的矢量角度的相位差为预设角度,及所述三相输出端的第三相的输出电压的矢量角度为零,所述预设角度不为零;
在所述预设时间内,基于所述单相电机的当前工作频率生成PWM信号,以调节所述变频器的三相输出端的电压之后,还包括:
采集所述变频器的三相输出端的第三相的输出电流;
计算所述输出电流与预设直流制动电流之间的差值;
基于所述差值控制所述变频器以使所述第三相的输出电流稳定在所述预设直流制动电流。
2.如权利要求1所述的单相电机控制方法,其特征在于,基于所述单相电机的当前工作频率生成PWM信号,包括:
基于所述单相电机的当前工作频率、额定电压及额定频率计算所述单相电机的输出电压;
基于所述单相电机的输出电压及所述变频器的三相输出端中每相的输出电压的矢量角度计算对应相的输出调制电压;
基于所述输出调制电压生成所述PWM信号。
3.如权利要求2所述的单相电机控制方法,其特征在于,基于所述输出调制电压生成所述PWM信号,包括:
基于所述输出调制电压使用SPWM方法生成所述PWM信号。
4.如权利要求2所述的单相电机控制方法,其特征在于,基于所述单相电机的输出电压及所述变频器的三相输出端中每相的输出电压的矢量角度计算对应相的输出调制电压,包括:
基于所述单相电机的当前工作频率计算所述变频器的三相输出端中的第一相的输出电压的矢量角度;
将所述第一相的输出电压的矢量角度加或减所述预设角度作为所述第二相的输出电压的矢量角度;
基于所述输出电压及所述第一相的输出电压的矢量角度计算所述第一相的输出调制电压;
基于所述输出电压及所述第二相的输出电压的矢量角度计算所述第二相的输出调制电压;
将所述单相电机的输出电压作为所述第三相的输出调制电压。
5.如权利要求1所述的单相电机控制方法,其特征在于,所述预设角度为90度。
6.一种单相电机控制装置,其特征在于,包括:
存储器,用于存储计算机程序;
处理器,用于在执行所述计算机程序时,实现如权利要求1-5任一项所述的单相电机控制方法的步骤。
7.一种单相电机控制***,其特征在于,包括如权利要求6所述的单相电机控制装置,还包括变频器;
所述变频器的输入端与单相交流电源连接,所述变频器的三相输出端的第一相与所述主绕组的一端连接,所述变频器的三相输出端的第二相与所述辅助绕组的一端连接,所述变频器的三相输出端的第三相分别与所述主绕组的另一端及所述辅助绕组的另一端连接。
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