JP6345386B2 - 回転角検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、回転角を検出するレゾルバにおける異常を検出することができる回転角検出装置に関するものである。

回転角検出装置は、たとえばモータ駆動されるロータの回転角の検出、自動車のパワーステアリング装置におけるトーションバーのトルク検出などにおいて使用される。こうした回転角検出装置では、たとえばロータに複数のレゾルバを装着し、これらレゾルバの電気角から、ロータの回転角やロータの駆動トルクを検出する。

たとえば自動車のパワーステアリング装置では、ステアリングホイールで回転操作されるトーションバーの両端の回転角の相違を検出することで、ステアリングホイールの操舵角を知ることができる。しかし複数のレゾルバを使用した回転角検出装置では、１つのレゾルバに異常（レゾルバの故障、レゾルバと回転角検出装置との間の配線の断線または短絡など）が発生すると、正しい回転角検出を行うことができないため、各レゾルバについて、それぞれ個別に異常検出を行なう必要があった。

これに対し、異なるレゾルバの、２相の各出力ライン（ｓｉｎ相成分出力ラインおよびｃｏｓ相成分出力ライン）に、それぞれ異なる直流バイアス電圧をプルアップ抵抗などを介して印加することで、同一のレゾルバにおける２相の出力ラインの何れかの断線、同一のレゾルバにおける２相の出力ライン間の短絡、および異なるレゾルバの異なる相の出力ライン間の短絡を検出することができる。しかし、異なるレゾルバの同相の出力ライン間（直流バイアス電圧が同電圧）で短絡が生じたときには、出力ラインにおけるバイアス電に変化が生じないため、上記短絡を検出することができない。

そこで、異なるレゾルバの同相の出力ライン間において、それらの電気角とロータの機械的回転とが一致するときの組み合わせが予め判っていることに着目し、これら電気角の組み合わせをテーブルなどに記憶しておき、異なるレゾルバの各同相の出力ライン間の信号が一致する場合には、これら信号から求められる電気角が記憶されているか否かを判定し、記憶されていないときには、異なるレゾルバの同相の出力ライン間が短絡したと判定する異常検出装置が開示されている（特許文献１）。

しかし、複数のレゾルバの異常を判定するために、信号ラインを直流バイアスして断線および短絡の複数のケースを識別し、さらに直流バイアスでは識別できない短絡を判定するために、正常時における複雑な電気角の組み合わせをテーブルで記憶する必要がある。そのため、異常判定処理が煩雑で処理時間がかかり、記憶データとレゾルバの回転角合わせにおける精度低下要因の存在という問題がある。付随的には、回路構成が複雑となり、部品点数や組立工数の増加などで製造コストがアップするという問題もある。

特開２００５−１４７７３３号公報

そこで本発明は、上記問題を解消するために、簡単な回路構成で、複数のレゾルバにおける、いずれかの異常を迅速かつ高精度で検出することができる回転角検出装置を実現することを課題とした。

上記課題を解決するために、本発明にかかる回転角検出装置は、回転体（ロータなど）の機械的回転角（以下、「機械角」と表記することがある）を検出するために、複数のレゾルバと、これら複数のレゾルバの出力信号を処理する信号処理回路とを備えている。信号処理回路は、複数のレゾルバの、それぞれの出力信号から、それぞれのレゾルバの電気角に対応する電気角信号を得るための検出信号処理部と、複数のレゾルバのうちの少なくとも１つのレゾルバからの入力信号の異常を検出することができる異常検出部とを備えている。

回転体の回転に応じて回転駆動される複数のレゾルバの、それぞれの電気角に対応する電気角信号の間には、相関関係が存在する。したがって異常検出部は、それぞれの電気角信号を、実質的な同時刻において比較することで、複数のレゾルバの、少なくとも１つのレゾルバからの出力信号に異常があるか否かを判定することができる。

なお、実質的な同時刻とは、レゾルバの機械角の時間的変化（機械角の角速度）を考慮して、機械角および電気角の検出に有意な誤差を生じない範囲の時間的誤差を許容するものである（本明細書では、「同時刻」と表記することがある。）。

また機械的回転は必ず連続的だから、レゾルバごとに、連続した時系列（複数の時刻）における電気角信号を比較して、電気角信号の時系列の変化を検出すれば、レゾルバごとに異常の有無を判定することができる（電気角信号の不規則的な変化が検出されたとき、異常と判定される。）。

このように異常検出部は、複数のレゾルバで得たそれぞれの電気角信号を、同時刻において比較する比較判定によって、少なくとも１つのレゾルバからの入力信号の異常を検出することができ、それぞれの電気角信号ごとに、電気角信号の時系列の変化を比較判定することで、複数のレゾルバの何れのレゾルバからの入力信号の異常を検出することができる。

また異常検出部が、電気角信号変換部および信号比較判定部を備えてもよい。電気角信号変換部は、軸倍角が異なる複数のレゾルバの、それぞれの電気角信号を、それら電気角信号の公倍数または公約数となる、それぞれの変換電気角信号に変換する。こうして、それぞれの変換電気角信号の電気角を一致させると、複数のレゾルバからの出力信号が正常であれば、いずれの変換電気角信号も実質的に一致する。したがって信号比較判定部によって、上記変換電気角信号が実質的に一致するか否かを比較判定すれば、少なくとも１つのレゾルバからの出力信号に異常があるか否かを判定することができる。なお、変換電気角信号の実質的な一致とは、当該回転角検出装置の構成要素に許容されるバラツキなどを考慮した変換電気角信号の許容誤差範囲内での一致である。

軸倍角が第１の整数（ｎＸ）である第１のレゾルバおよび軸倍角が第２の整数（ｍＸ）である第２のレゾルバを使用し、電気角信号変換部が、第１のレゾルバおよび第２のレゾルバの電気角信号を、第１の整数および第２の整数の公倍数（典型的には最小公倍数）となるそれぞれの変換電気角信号に変換してもよい。たとえば、第１のレゾルバの軸倍角が２であり、第２のレゾルバの軸倍角が３である場合には、第１のレゾルバの電気角を３倍の電気角に変換し、第２のレゾルバの電気角を２倍の電気角に変換することで、両者の電気角信号の最小公倍数となる変換電気角信号を得ることができる。

また異常検出部が、前後角度比較判定部を備えてもよい。前後角度比較判定部は、それぞれのレゾルバの電気角信号ごとに、連続した時系列の複数の時刻における複数の電気角信号の関係をそれぞれ比較し、レゾルバごとに、電気角信号が時間の経過に伴って規則的な変化を示しているか否かを判定する。

電気角は機械角と同じく必ず連続的に変化するから、上記判定において、不規則な変化（連続性なき変化）が検出されたならば、当該電気角信号を発生させたレゾルバからの出力信号には、異常があると判定できる。もちろん前後角度比較判定部は、当該回転角検出装置が備える複数のレゾルバの電気角信号を（たとえばタイムシェアリングによって）実質的に同時に比較判定する。

上記時系列において隣接する時刻は、レゾルバの機械角の角速度を考慮した充分に短い時間間隔で配列されればよく、等時間間隔であってもよく、または回転角検出装置が機械角の時間的変化を検出したときを、時系列における次の時刻としてもよい。

本発明によれば、シンプルな異常判定処理で、したがって簡単な回路構成で、異常判定処理に時間がかかることもなく、複数のレゾルバを備えた回転角検出装置における各レゾルバの異常を迅速かつ高精度で検出することができ、正常時における複雑な電気角の組み合わせをテーブルで記憶する必要はなく、また、記憶データとレゾルバの回転角合わせにおける精度低下要因が存在するといった問題もない。また本発明によれば、回路構成が簡単なため、回転角検出装置の部品点数の削減、組立工数の削減、および製造コストの低減も可能となる。

本発明にかかる回転角検出装置の一実施形態（実施例１）における概略構成を説明するための図である。 図１に示す回転角検出装置が有する異常検出部の電気角信号変換部の概略構成図である。 図１に示す回転角検出装置における異常検出手順を示すフローチャートである。 本発明にかかる回転角検出装置の他の実施形態（実施例２）における概略構成図である。 図４に示す回転角検出装置における異常検出手順を示すフローチャートである。 本発明にかかる回転角検出装置の他の実施形態（実施例３）における概略構成図である。

以下、図面を参照して、本発明にかかる回転角検出装置について説明する。

図１は、本発明にかかる回転角検出装置の一実施形態（実施例１）における概略構成図である。

＜回転角検出装置の概略構成＞
回転角検出装置１は、軸倍角（ｎＸ）が２倍の第１のレゾルバ２ａ、軸倍角（ｍＸ）が３倍の第２のレゾルバ２ｂ、および信号処理回路１０を有している。たとえば、第１のレゾルバ２ａは回転体（図示せず）の一端側に取り付けられる一方、第２のレゾルバ２ｂは同回転体の他端側に取り付けられる。両レゾルバは、それらの機械角のゼロ度が回転体の回転角ゼロ度の一致するように回転体に取り付けられる。

したがって、回転体がねじれることなく回転する場合には、第１のレゾルバ２ａおよび第２のレゾルバ２ｂの機械角が一致する（両レゾルバの機械角に位相差は生じない）。一方、回転時に回転体のねじれが生じる場合には、両レゾルバの機械角は、上記ねじれに対応して相違する（両レゾルバの機械角に位相差が生じる。）。

信号処理回路１０は、励磁信号制御部２０、検出信号処理部３０、電気角選択部４０および異常検出部５０を有して、第１のレゾルバ２ａおよび第２のレゾルバ２ｂの少なくとも一方からの出力信号に異常があるときには、この異常を検出する。

励磁信号制御部２０は、第１のレゾルバ２ａおよび第２のレゾルバ２ｂに励磁信号Ｓｅ（たとえば、正弦波信号）を出力する。励磁信号Ｓｅで励磁された第１のレゾルバ２ａは、その機械角に対応した振幅を有する正弦波信号Ｓｓ１および余弦波信号Ｓｃ１（これら信号を以下、「第１のレゾルバ２ａの出力信号」と表記することがある）を出力し、同じく励磁信号Ｓｅで励磁された第２のレゾルバ２ｂは、その機械角に対応した振幅を有する正弦波信号Ｓｓ２および余弦波信号Ｓｃ２（これら信号を以下、「第２のレゾルバ２ｂの出力信号」と表記することがある）を出力する。

検出信号処理部３０は、両レゾルバの出力信号をアナログ・ディジタル変換して、第１のレゾルバ２ａの電気角信号Ａ１および第２のレゾルバ２ｂの電気角信号Ａ２として出力する。第１のレゾルバ２ａの電気角信号Ａ１は、第１のレゾルバ２ａからの正弦波信号Ｓｓ１の振幅および余弦波信号Ｓｃ１の振幅から求められる電気角に対応した信号であり、第２のレゾルバ２ｂの電気角信号Ａ２も同様である。電気角選択部４０は、電気角信号Ａ１、Ａ２の、少なくとも一方の電気角信号情報Ａｘを選択して外部に出力する。

＜レゾルバからの出力信号における異常検出＞
信号処理回路１０は、第１のレゾルバ２ａおよび第２のレゾルバ２ｂからの出力信号の異常検出を、電気角信号変換部５１および信号比較判定部５２を有する異常検出部５０によって行う。

図２に示すように、検出信号処理部３０が出力した第１のレゾルバ２ａの電気角信号Ａ１は、電気角信号変換部５１が有する第１の公倍数変換部５３に入力され、同様に第２のレゾルバ２ｂの電気角信号Ａ２は、第２の公倍数変換部５４に入力される。第１の公倍数変換部５３は、第１のレゾルバ２ａの電気角信号Ａ１の電気角を３倍に変換して、変換電気角信号Ｂ１とする。第２の公倍数変換部５４は、第２のレゾルバ２ｂの電気角信号Ａ２の電気角を２倍に変換して、変換電気角信号Ｂ２とする（変換電気角信号Ｂ１およびＢ２は、いずれも機械角３６０度に対応する電気角が２１６０度となる。）。

こうして、変換電気角信号Ｂ１およびＢ２の電気角を一致させることで、第１のレゾルバ２ａおよび第２のレゾルバ２ｂからの出力信号が正常であれば、変換電気角信号Ｂ１およびＢ２の変換電気角が一致する。

したがって信号比較判定部５２は、同時刻に変換電気角信号Ｂ１およびＢ２が一致するか否かを比較判定し、両変換電気角信号が一致すれば、第１のレゾルバ２ａおよび第２のレゾルバ２ｂからの出力信号が正常であると判定することができる（両レゾルバ、両レゾルバと信号処理回路１０との間の配線、およびコネクタ等の電気的接続部品等が正常であると判定することができる。）。信号比較判定部５２は、正常と判定した場合、判定信号Ｓｊ１を出力しない（この場合には、信号比較判定部５２の出力レベルがＬｏｗレベルとなる。）。

一方、上記判定において、両変換電気角信号が一致しないときには、第１のレゾルバ２ａおよび第２のレゾルバ２ｂの少なくとも一方からの出力信号が異常であると判定することができる（少なくとも一方のレゾルバ、同レゾルバと信号処理回路１０との間の配線、およびコネクタ等の電気的接続部品等の何れかに、異常が発生したと判定することができる。）。この場合には、信号比較判定部５２は判定信号Ｓｊ１（Ｈｉｇｈレベル）を出力する。

なお、回転角検出装置１には、誤差が許容され、両レゾルバの変換電気角信号の一致は、許容誤差の範囲内での一致であればよい。また回転体のねじれによって両レゾルバの各機械角に相違が生じるが、こうした相違は、制御の目的から（たとえば自動車の操舵装置など）、想定内の範囲にとどまっていれば異常と判定されない。

＜異常検出手順＞
図３は、回転角検出装置１における異常検出手順を示すフローチャートである。

回転角検出装置１は、先ず、検出信号処理（ステップＳ１）を実行する。ステップＳ１では、信号処理回路１０の検出信号処理部３０が、第１のレゾルバ２ａからの出力信号（正弦波信号Ｓｓ１および余弦波信号Ｓｃ１）、および第２のレゾルバ２ｂからの出力信号（正弦波信号Ｓｓ２および余弦波信号Ｓｃ２）に基づいて、電気角信号Ａ１および電気角信号Ａ２を生成する。

次に回転角検出装置１は、信号変換処理（ステップＳ２）を実行する。ステップＳ２では、異常検出部５０の電気角信号変換部５１が、電気角信号Ａ１および電気角信号Ａ２を、これら電気角の公倍数の電気角信号である変換電気角信号Ｂ１およびＢ２に変換する。

次に回転角検出装置１は、信号比較判定部５２によって、変換電気角信号（変換信号）Ｂ１およびＢ２が一致している（ＹＥＳ）か否か（ＮＯ）を判定する（ステップＳ３）。変換信号が一致している場合には、回転角検出装置１は、第１のレゾルバ２ａからの出力信号および第２のレゾルバ２ｂからの出力信号に異常はないとして、ステップＳ１の処理に戻る。

変換信号が一致していない（ＮＯ）場合には、回転角検出装置１は、信号比較判定部５２から判定信号Ｓｊ１を出力する（ステップＳ４）。

次に本発明にかかる回転角検出装置の他の実施形態（実施例２）について、図４および図５を用いて説明する。

＜回転角検出装置の概略構成＞
図４に示す回転角検出装置１ａにおいて、回転角検出装置１と同様の機能を有する構成要素については、同一の符号を付してそれらの説明は省略する。

回転角検出装置１ａは、異常検出部５０（電気角信号変換部５１および信号比較判定部５２を有する）に替えて、異常検出部５０ａ（第１の前後角度比較判定部５５および第２の前後角度比較判定部５６を有する）を有する点で、回転角検出装置１と相違する。回転角検出装置１ａでは、信号処理回路１０ａの検出信号処理部３０が出力した第１のレゾルバ２ａの電気角信号Ａ１は第１の前後角度比較判定部５５に入力され、同様に第２のレゾルバ２ｂの電気角信号Ａ２は第２の前後角度比較判定部５６に入力される。

＜レゾルバからの出力信号における異常検出＞
第１の前後角度比較判定部５５は、電気角信号Ａ１が、時間の経過に伴う規則的な変化を示しているか否かを判定する。具体的には、第１の前後角度比較判定部５５は、時系列で連続して入力された電気角信号Ａ１の値を比較して、電気角信号Ａ１の連続性に異常が在るか否かを判定し、異常であると判定したときには、判定信号Ｓｊ２を外部に出力する。

たとえば、時系列上で第ｎ番目の電気角（たとえば２０度）に対応した電気角信号が得られた時刻を時系列の中心時刻とし、中心時刻の一つ前の時刻に対応した第（ｎ―１）番目の電気角（たとえば１５度）に対応した電気角信号、および中心時刻の一つ後の時刻に対応した第（ｎ＋１）番目の電気角（たとえば２５度）に対応した電気角信号の、３つの電気角信号を比較して、これら第（ｎ―１）、第（ｎ）および第（ｎ＋１）番目の電気角に対応したそれぞれの電気角信号が時刻の経過に伴って規則的な変化（１５度、２０度、２５度と連続性をもった変化）を示しているか否かを判定する。

電気角は機械角と同じく必ず連続的に変化するから、上記判定において、電気角信号Ａ１の不規則な変化（連続性なき変化）が生じたならば、第１のレゾルバ２ａで得られた電気角信号Ａ１は異常であると判定することができる（第１のレゾルバ２ａ、同レゾルバと信号処理回路１０との間の配線、およびコネクタ等の電気的接続部品等の何れかに、異常が発生したと判定することができる。）。同様にして、第２のレゾルバ２ｂで得られた電気角信号Ａ２の異常も判定することができる。

＜異常検出手順＞
図５は、回転角検出装置１ａにおける異常検出手順を示すフローチャートである。

回転角検出装置１ａは、先ず、検出信号処理（ステップＳ１１）を実行する。ステップＳ１１では、信号処理回路１０の検出信号処理部３０が、第１のレゾルバ２ａからの出力信号および第２のレゾルバ２ｂからの出力信号に基づいて、電気角信号Ａ１および電気角信号Ａ２を生成する。

次に回転角検出装置１ａは、前後角度比較処理（ステップＳ１２）を実行する。ステップＳ１２では、異常検出部５０ａが有する第１の前後角度比較判定部５５が、複数の電気角に対応した複数の電気角信号Ａ１を比較する。電気角信号Ａ２についても、第２の前後角度比較判定部５６が同様な比較を行う。

次に回転角検出装置１ａは、ステップ１２における比較の結果、電気角信号Ａ１およびＡ２が規則的な変化（連続的な変化）をしているか否かを判定する（ステップＳ１３）。両者が規則的に変化していた場合には（ＹＥＳのときには）、回転角検出装置１ａは、第１のレゾルバ２ａからの出力信号および第２のレゾルバ２ｂからの出力信号に異常はないと判定して、ステップＳ１１の処理に戻る。

ステップＳ１３における比較の結果、電気角信号Ａ１が規則的に変化していなかったときには（ＮＯのときには）、第１の前後角度比較判定部５５が判定信号Ｓｊ２を外部に出力し、また電気角信号Ａ２が規則的に変化していなかったときには（ＮＯのときには）、第２の前後角度比較判定部５６が判定信号Ｓｊ３を外部に出力する（ステップＳ１４）。もちろん、電気角信号Ａ１およびＡ２の両方が規則的に変化していなかったときには、判定信号Ｓｊ２およびＳｊ３の両方が出力される。

次に本発明にかかる回転角検出装置の他の実施形態（実施例３）について、図６を用いて説明する。

図６に示す回転角検出装置１ｂは、信号処理回路１０ｂの構成が、回転角検出装置１の信号処理回路１０および回転角検出装置１ａの信号処理回路１０ａと相違する。具体的には、回転角検出装置１ｂは、信号処理回路１０ｂの異常検出部５０ｂが、各レゾルバの電気角信号を変換して異常を検出するレゾルバ電気角信号変換部５１および信号比較判定部５２を有するとともに、各レゾルバの電気角信号が規則的な変化をしているか否かを判定する第１の前後角度比較判定部５５および第２の前後角度比較判定部５６を有する点において、回転角検出装置１および回転角検出装置１ａと相違する。

したがって、回転角検出装置１ｂは、回転角検出装置１と同様に、第１のレゾルバ２ａおよび第２のレゾルバ２ｂの少なくとも一方からの出力信号が異常であると判定することができるとともに、回転角検出装置１ａと同様に、第１のレゾルバ２ａで得られた電気角信号Ａ１の異常、および第２のレゾルバ２ｂで得られた電気角信号Ａ２の異常を判定することができる。

なお本発明にかかる回転角検出装置およびその異常検出処理手順は、上記各実施例に記載されたものに限定されず、その趣旨を変更することなく適宜変形して実施することができる。

例えば、レゾルバは、その数は２つに限定されず、また２相出力型に限定されない。

電気角信号変換部を有する回転角検出装置（実施例１）では、レゾルバの軸倍角は実施例のものに限定されず、各レゾルバが同じ軸倍角であってもよい。この場合には、各レゾルバの電気角は等倍（典型的には１倍）される。また電気角信号変換部は公倍数変換部に替えて、公約数変換部を有するものであってもよい。電気角信号変換部によって複数のレゾルバの各電気角が同一の電気角に変換されればよいのである。電気角信号の変換は、乗算処理等で行うことができるが、あらかじめ用意した変換テーブルによって行ってもよい。

前後角度比較判定部を有する回転角検出装置（実施例２）において、比較する電気角信号の数は、第（ｎ―１）番目、第（ｎ）番目および第（ｎ＋１）番目の３つに限定されず、少なくとも第（ｎ―１）番目および第（ｎ）番目の２つあればよい（第（ｎ）番目および第（ｎ＋１）番目の２つでもよい。）。そうすれば、電気角信号の変化における異常の有無および機械角の増減方向を判定することができる。また電気角信号の規則的な変化の判定における、電気角信号の変移量は、都度乗算処理等で求めることができるが、あらかじめ用意した変換テーブルで求めてもよい。

信号処理装置は、その一部または全部を集積回路としてもよく、検出信号処理部は、一般的なＲ／Ｄ（レゾルバ−デジタル変換）ＬＳＩであってもよい。回転角検出装置の各構成要素は、ハードウェアで構成することもでき、あるはソフトウェア処理によるものであってもよい。

本発明にかかる回転角検出装置は、工業的に製造および使用などすることができるから、また商取引の対象となるから、本発明は経済的価値を有して産業上利用することができる発明である。

１ａ、１ｂ、１ｃ 回転角検出装置
２ａ、２ｂ レゾルバ
１０、１０ａ、１０ｂ 信号処理回路
２０ 励磁信号制御部
３０ 検出信号処理部
４０ 電気角選択部
５０、５０ａ、５０ｂ 異常検出部
５１ 電気角信号変換部
５２ 信号比較判定部
５３、５４ 公倍数変換部
５５、５６ 前後角度比較判定部
Ａ１、Ａ２ 電気角信号
Ａｘ 電気角信号情報
Ｂ１、Ｂ２ 変換電気角信号
Ｓｃ１、Ｓｃ２ レゾルバの余弦波信号
Ｓｓ１、Ｓｓ２ レゾルバの正弦波信号
Ｓｊ１、Ｓｊ２、Ｓｊ３ 判定信号

Claims (2)

1. 回転体の機械的回転角を検出するための複数のレゾルバと、これらレゾルバの出力信号を処理する信号処理回路とを備える回転角検出装置において、
   前記信号処理回路は、前記複数のレゾルバの、それぞれの出力信号から、それぞれのレゾルバの電気角に対応する電気角信号を得るための検出信号処理部と、前記複数のレゾルバのうちの少なくとも１つのレゾルバからの入力信号の異常を検出することができる異常検出部とを備え、
   前記複数のレゾルバは、第１の整数の軸倍角を有する第１のレゾルバおよび第２の整数の軸倍角を有する第２のレゾルバであり、
   前記異常検出部は、前記第１のレゾルバの電気角信号および前記第２のレゾルバの電気角信号を、前記第１の整数および前記第２の整数の公倍数となるそれぞれの変換電気角信号に変換する電気角信号変換部と前記電気角信号変換部から出力された前記それぞれの変換電気角信号を比較する信号比較判定部とを備えて、
   実質的な同時刻における比較判定、および前記それぞれの電気角信号ごとに、電気角信号の規則的な変化を時系列で比較する比較判定の、一方または双方の比較判定を行うことによって、
   前記少なくとも１つのレゾルバからの入力信号の異常を検出することを特徴とする回転角検出装置。
2. 前記異常検出部が前後角度比較判定部を備え、
   前記前後角度比較判定部が、前記それぞれの電気角信号ごとに、連続した時系列の複数の時刻における複数の電気角信号の関係を比較判定して、
   前記複数のレゾルバからの入力信号ごとに、異常の検出を行うことを特徴とする請求項１に記載の回転角検出装置。

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