开关磁阻电机（SR电机）驱动系统（SRD）是一种先进的机电一体化装置，但是其较大的振动噪声和转矩脉动问题制约了SRD的广泛应用。本文以减小SR电机振动噪声和转矩脉动为主题展开理论分析和实验研究。主要内容有：由于径向力引起的定子径向振动是SR电机噪声的主要根源，因此径向力的分析和计算是研究SR电机振动噪声的基础。本文利用磁通管法推导出径向力的解析表达式，定性分析了径向力与电机结构参数等之间的关系。根据虚位移原理，推导出基于矢量磁势的电磁力计算公式。该计算方法求解电磁力时只需进行一次磁场计算，不但减小了计算量，同时计算精度较传统虚位移法高。利用这一计算方法，求出了实验样机的转矩及径向力的精确数值解。针对在SRD性能仿真时，传统的非线性插值不但耗时，而且对有限元计算数据量要求高的问题，本文利用人工神经网络强大的非线性模型辨识能力，成功进行了SR电机磁链反演和转矩计算的模型训练，最后建立了基于人工神经网络的SR电机精确解析数学模型。因为SR电机本体结构形式的选择问题与振动噪声大小有着密切的关系。本文从噪声辐射和振动幅值角度探讨了SR电机主要尺寸的确定；接着从对称性、力波阶数等角度研究了SR电机相数及绕组连接方式、极数、并联支路数的选择问题。并对一些常用的降低电机机械噪声的措施和方法进行了综述。系统振动特性的研究对于减小振动噪声十分重要。本文从振动系统的运动方程出发，导出了从激振力到振动加速度的传递函数和系统的自由振动解；然后利用机电类比法得出了SR电机定子系统的固有频率以及振动振幅的解析解，定性分析了影响振动振幅的各种因素；最后利用基于能量法的有限元解法，通过建立不同的散热筋结构形式、高度、根数以及形状的SR电机三维有限元模型，分析得出了最有利于降噪和散热的散热筋结构是高度高、根数多、上窄下宽的梯形截面的周向散热筋的结论。通过建立不同绕组装配工艺下的SR电机三维有限元模型，分析得出了加强绕组刚度可以提高系统低阶固有频率的结论。通过比较实验样机的模态分析结果和运行实验结果，证实了模态分析的有效性。仿真是计算SRD系统性能和预估电机振动的有效手段。本文在用MATLAB建立SRD系统的非线性动态仿真模型的基础上，对SRD系统进行了稳态性能仿真、动态性能仿真以及负载突变仿真。接着利用稳态性能仿真，综合考虑最大平均转矩和效率这两个优化目标，对SR电机的开关角进行了优化。最后结合由磁场有限元计算得到的径向力数据表和稳态性能仿真，通过非线性插值得到径向力的波形，然后对径向力波形进行了频谱分析，从而找到其主要的谐波分量。在电机设计阶段避免径向力波主要频谱分量与SR电机定子的固有频率接近而引起共振是降低SR电机噪声的首要条件。合适的控制策略对于SR电机减振降噪是必不可少的。本文理论推导出三步换相法的时间参数取值公式。仿真证明本取值公式较原先文献的结论在阻尼比较小时有更好的减振效果。针对SR电机运行中可能出现多个模态振形被激发出来的情况，利用数值优化法对三步换相法的时间参数进行了优化，使得减振效果整体最佳，所提的数值优化方法对两步换相法同样有效。在分析已有的直接瞬时转矩控制的基础上，针对其不足之处，提出了转矩定频控制取代内滞环的方法、开始重叠区域的转矩控制方法、最佳开关角度二次优化法和时间参数优化的三步换相法等新的控制方案。动态仿真证明这些方案是切实有效的，达到了预期效果。最后在直接瞬时转矩控制的每一次转矩斩波都使用三步换相法，和在相关断时刻根据实际电平灵活选用两步或三步换相法以减小电机振动噪声，并提出了考虑减振要求的开关频率设计方法，最终形成了一套完整的降低振动噪声和转矩脉动控制策略。设计并研制了基于TMS320LF2407DSP的SR电机控制器。根据控制策略要求，选用了不对称半桥功率电路拓扑结构；出于降低成本以及提高可靠性考虑，采用了MOSFET双路并联电路方案。在控制软件中实现了本文所提出的降低SR电机振动噪声和转矩脉动控制策略。本文最后对实验样机进行了静态转矩的测量实验，对比转矩测量值与转矩有限元计算值，验证了磁场有限元计算的有效性。然后对实验样机进行了空载与负载、电流控制与转矩控制、低速斩波与高速单波、是否采用两步或三步换相法等一系列对比运行实验，对比各种实验结果，充分证实了本文所提出的降低振动噪声和转矩脉动控制策略的有效性。本课题组承担了国家十·五863计划电动汽车重大专项：“EQ6110HEV混合动力城市公交车用电机及其控制系统”（2001AA501421）。本文的研究是在该项目的资助下完成，并且本文关于电机本体结构形式、散热筋结构和机械降噪措施等的结论已在该项目的60kW实验样机上得到证实。
上传时间： 2013-07-05
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以“混合式步进电动机驱动控制系统设计”和“电动座椅控制系统设计”作为实际应用背景，分析了两种不同种类电动机的原理特性和控制方法，阐述了这两个系统的开发过程，研究了单片机在这两个系统中的应用，进一步挖掘了单片机在电机运动控制领域中的应用潜力。 文中分两个部分分别对这两个系统进行了介绍。在混合式步进电动机驱动控制系统部分，介绍了步进电动机的运行特性和控制方法，建立了仿真模型并对步进电动机各主要的运行特性进行了仿真研究，着重叙述了步进电动机多步距角控制、斩波恒流控制和升降频控制等控制功能，以及上位机控制软件的实现过程。电动座椅控制系统部分，首先阐述了无刷直流电动机的运行特性，建立了仿真模型并对先进PID控制方法在无刷直流电动机中的应用进行了仿真研究，着重阐述了位置记忆功能的实现过程。 实验结果表明，系统硬件和软件设计合理可行，圆满的完成了既定的开发任务，实现了所有的预定功能，且运行性能良好。混合式步进电动机驱动控制系统可以通过上位机和控制面板分别控制，可以驱动不同种类的步进电动机且具备多种控制功能。电动座椅控制系统将无刷直流电动机应用到了电动座椅领域，且实现了电动座椅的智能化。这些也正是本文的创新之处。另外，结构化的硬件设计方法及模块化的软件设计法使得系统具有较好的通用性和可扩展性。
上传时间： 2013-05-26
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CAN与LIN车载网络测试CAN 总线在我国正在研发的电动汽车中得到广泛应用。为了制定我国自己的电动汽车通讯协议,基于提出的网络在环设计方法,研究开发了CAN 总线实时仿真测试平台。该平台可对CAN 总线通讯网络性能、单个ECU 通讯性能进行分析、测试及评价,用于车用CAN 总线相关技术的研发及总线通讯网络性能的测试。
上传时间： 2013-04-24
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本文对燃料电池车用DC/DC变换器的基本原理以及控制策略进行了较为详尽的分析和讨论，对基于ARM的DC/DC变换器控制系统的软硬件设计作了较为详尽的论述，对控制系统的电磁兼容作了详细的研究并给出了提高电磁兼容能力的措施。本文介绍了本课题研究的背景，燃料电池电动汽车的特性和研究的目的与意义并分析了大功率DC/DC变换器主电路的拓扑结构、工作原理和电磁兼容环境。在此基础上，从控制电路的最小系统、检测系统、脉冲发生系统以及驱动电路、CAN通讯电路等方面重点讨论了DC/DC变换器控制系统的硬件设计以及驱动电路的设计。本文在DC/DC变换器电感电流连续状态空间小信号数学模型的基础上，应用MATLAB软件对大功率DC/DC变换器单环控制系统进行了建模和仿真分析，给出了具有实际指导意义的结论，设计了基于ARM控制系统的软件结构并编写了相应的软件代码。此外，本文从硬件和软件两个方面重点讨论了控制系统的电磁兼容以及抗干扰措施。在系统硬件和软件基础上进行了功率试验并给出了试验结果以及今后改进的方向。
上传时间： 2013-05-28
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本课题来源于重点航空研究项目——某型飞机电动舵机用双余度隔槽嵌放式稀土永磁直流无刷电机的研制,进行双余度无刷直流电机的控制技术及性能研究具有理论意义、工程意义和显著的社会效益和经济效益.论文介绍以AT89C51单片机与SG3525脉宽调制控制器为核心的双余度稀土永磁无刷直流电机试验器的系统硬件结构,并对PWM调速控制、功率驱动输出及GAL逻辑综合等电路进行分析,提出并设计了电流截止负反馈电路实现电机堵转和起动时的电流限制功能.在控制器软件需求分析的基础上,介绍了基于KeilC51的RTXTiny实时多任务操作系统的软件工程化技术.按照控制设计、编程、测试、试验等规范,建立了完整的文档,提高软件的易读性、易理解性,以达到软件的高可靠性和强壮性.无刷直流电机是典型的强电与弱电相结合的系统,并且飞机系统的电磁环境复杂,本文对系统的干扰源、传播途径等问题进行了研究,并提出相应的软、硬抗干扰措施使系统性能达到总体设计要求.
上传时间： 2013-07-21
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隔离升压DC-DC变换器在电动汽车、储能系统、可再生能源发电以及超导储能系统等领域有广阔的应用前景。本文以隔离升压全桥变换器(Isolated Boost Full Bridge Converter,简称IBFBC)为研究对象，针对隔离升压型变换器的拓扑结构、起动问题、隔离变压器漏感问题、软开关问题和输入电感磁复位问题等进行了系统深入的研究，解决了这一类拓扑所共有技术问题。 提出了隔离升压DC-DC变换器拓扑族，分析比较了各种拓扑的特点，确定了以IBFBC为研究对象。对IBFBC进行了详细的稳态分析和小信号建模分析，为其分析、设计和搭建实验平台提供了电路理论基础。 理论上分析了IBFBC起动时存在电流冲击的原因。提出了二种数字化软起动方案，该方案对主电路进行了改造，利用DSP能灵活产生PWM波的特点采用了新的控制策略，成功实现了该系统的软起动。 理论上分析了IBFBC隔离变压器漏感引起功率开关管关断电压尖峰的原因，采用了有源箝位的方法，有效的解决电压尖峰问题。提出了带有源箝位IBFBC的九种PWM控制策略，提出了一种控制型软PWM方法，在不增加主电路元器件的基础上，通过控制PWM的发生方法，实现了有源箝位功率开关管和桥臂功率开关管的零电压开通。 从理论上分析了IBFBC输入电感磁复位问题。在正常停机时提出了一种数字化软停止的方法，控制变换器由Boost工作状态逐渐过渡到Buck工作状态，让输入电感存储的能量逐渐释放掉，最后停止工作。对于故障保护停机，采用了绕组磁复位的方法，把输入电感设计成反激式变换器形式，突然停机时，电感中存储的能量通过反激式绕组释放到输出端，这样保护了变换器不会损坏。 给出了主电路关键器件参数的设计方法，设计了以DSP-TMS320F2407为核心的数字控制单元，编写了DSP控制程序和CPLD逻辑处理程序。研制了一台输出功率5KW，输入电压直流24V，输出电压直流300V的IBFBC,通过全面的性能实验验证了理论分析和仿真结果。 本文立足于IBFBC的关键技术要求，并充分考虑工程应用中的实际因素，进行了理论分析和实验研究，为实际系统方案设计提供理论依据，并已经在实际应用中得到验证。
上传时间： 2013-04-24
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近年来，随着汽车工业的迅速发展，环境污染、全球变暖、能源短缺的压力使传统的内燃机汽车面临前所未有的挑战，燃料电池电动汽车已成为汽车工业新的热点。由于燃料电池输出特性的特殊性，输出端必须连接DC/DC变换器，使之与驱动器配合。因此，DC/DC变换器是燃料电池电动汽车的关键零部件之一。 本论文主要对燃料电池电动轿车FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)用DC/DC变换器的主电路拓扑结构、参数设计及电磁兼容(EMC)问题进行了研究。重点针对升降压和双向DC/DC变换器进行分析研究。 首先介绍分析了几种传统升降压直流变换器的工作原理和优缺点。针对燃料电池的特性和电动汽车对升降压DC/DC变换器的性能指标要求，分析比较了非隔离式直流变换器的一些优点和缺点，提出了Buck-Boost级联的升降压主电路方案并提出相关的控制策略。然后运用模拟仿真软件MATLAB仿真分析了控制策略的正确性。 其次分析研究了双向DC/DC变换器的应用与设计，综合比较现有的各种隔离与非隔离方案，结合车用要求，选择了非隔离式的Buck-Boost拓扑。针对其工作原理、特点进行了双向DC/DC变换器主电路与控制电路的设计研究，重点研究其过渡过程的控制策略。在利用MATLAB进行各种过渡过程的仿真分析的基础上，选取了最佳的过渡控制方案。并利用该控制策略编制DSP控制程序，制作了小功率1kW数字控制双向DC/DC变换器。 最后深入讨论了DC/DC变换器中的电磁兼容问题。分析了DC/DC变换器主电路中存在的主要干扰源、干扰产生的机理以及干扰传播途径，然后以此出发，重点讨论了各种抑制电磁骚扰(EMI)和电磁抗干扰(EMS)的方法及措施，给出具体方案。
上传时间： 2013-05-24
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高速电机由于转速高、体积小、功率密度高，在涡轮发电机、涡轮增压器、高速加工中心、飞轮储能、电动工具、空气压缩机、分子泵等许多领域得到了广泛的应用。永磁无刷直流电机由于效率高、气隙大、转子结构简单，因此特别适合高速运行。高速永磁无刷直流电机是目前国内外研究的热点，其主要问题在于：（1）转子机械强度和转子动力学；（2）转子损耗和温升。本文针对高速永磁无刷直流电机主要问题之一的转子涡流损耗进行了深入分析。转子涡流损耗是由定子电流的时间和空间谐波以及定子槽开口引起的气隙磁导变化所产生的。首先通过优化定子结构、槽开口和气隙长度的大小来降低电流空间谐波和气隙磁导变化所产生的转子涡流损耗；通过合理地增加绕组电感以及采用铜屏蔽环的方法来减小电流时间谐波引起的转子涡流损耗。其次对转子充磁方式和转子动力学进行了分析。最后制作了高速永磁无刷直流电机样机和控制系统，进行了空载和负载实验研究。论文主要工作包括： 一、采用解析计算和有限元仿真的方法研究了不同的定子结构、槽开口大小、以及气隙长度对高速永磁无刷直流电机转子涡流损耗的影响。对于2极3槽集中绕组、2极6槽分布叠绕组和2极6槽集中绕组的三台电机的定子结构进行了对比，利用傅里叶变换，得到了分布于定子槽开口处的等效电流片的空间谐波分量，然后采用计及转子集肤深度和涡流磁场影响的解析模型计算了转子涡流损耗，通过有限元仿真对解析计算结果加以验证。结果表明：3槽集中绕组结构的电机中含有2次、4次等偶数次空间谐波分量，该谐波分量在转子中产生大量的涡流损耗。采用有限元仿真的方法研究了槽开口和气隙长度对转子涡流损耗的影响，在空载和负载状态下的研究结果均表明：随着槽开口的增加或者气隙长度的减小，转子损耗随之增加。因此从减小高速永磁无刷电机转子涡流损耗的角度考虑，2极6槽的定子结构优于2极3槽结构。 二、高速永磁无刷直流电机额定运行时的电流波形中含有大量的时间谐波分量，其中5次和7次时间谐波分量合成的电枢磁场以6倍转子角速度相对转子旋转，11次和13次时间谐波分量合成的电枢磁场以12倍转子角速度相对转子旋转，这些谐波分量与转子异步，在转子保护环、永磁体和转轴中产生大量的涡流损耗，是转子涡流损耗的主要部分。首先研究了永磁体分块对转子涡流损耗的影响，分析表明：永磁体的分块数和透入深度有关，对于本文设计的高速永磁无刷直流电机，当永磁体分块数大于12时，永磁体分块才能有效地减小永磁体中的涡流损耗；反之，永磁体分块会使永磁体中的涡流损耗增加。为了提高转子的机械强度，在永磁体表面通常包裹一层高强度的非磁性材料如钛合金或者碳素纤维等。分析了不同电导率的包裹材料对转子涡流损耗的影响。然后利用涡流磁场的屏蔽作用，在转子保护环和永磁体之间增加一层电导率高的铜环。有限元分析表明：尽管铜环中会产生涡流损耗，但正是由于铜环良好的导电性，其产生的涡流磁场抵消了气隙磁场的谐波分量，使永磁体、转轴以及保护环中的损耗显著下降，整体上降低了转子涡流损耗。分析了不同的铜环厚度对转子涡流损耗的影响，研究表明转子各部分的涡流损耗随着铜屏蔽环厚度的增加而减小，当铜环的厚度达到6次时间谐波的透入深度时，转子损耗减小到最小。 三、对于给定的电机尺寸，设计了两台电感值不同的高速永磁无刷直流电机，通过研究表明：电感越大，电流变化越平缓，电流的谐波分量越低，转子涡流损耗越小，因此通过合理地增加绕组电感能有效的降低转子涡流损耗。 四、研究了高速永磁无刷直流电机的电磁设计和转子动力学问题。对比分析了平行充磁和径向充磁对高速永磁无刷直流电机性能的影响，结果表明：平行充磁优于径向充磁。设计并制作了两种不同结构的转子：单端式轴承支撑结构和两端式轴承支撑结构。对两种结构进行了转子动力学分析，实验研究表明：由于转子设计不合理，单端式轴承支撑结构的转子转速达到40，000rpm以上时，保护环和定子齿部发生了摩擦，破坏了转子动平衡，导致电机运行失败，而两端式轴承支撑结构的转子成功运行到100，000rpm以上。 五、最后制作了平行充磁的高速永磁无刷直流电机样机和控制系统，进行了空载和负载实验研究。对比研究了PWM电流调制和铜屏蔽环对转子损耗的影响，研究表明：铜屏蔽环能有效的降低转子涡流损耗，使转子损耗减小到不加铜屏蔽环时的1/2；斩波控制会引入高频电流谐波分量，使得转子涡流损耗增加。通过计算绕组反电势系数的方法，得到了不同控制方式下带铜屏蔽环和不带铜屏蔽环转子永磁体温度。采用简化的暂态温度场有限元模型分析了转子温升，有限元分析和实验计算结果基本吻合，验证了铜屏蔽环的有效性。
上传时间： 2013-05-18
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混合动力电动汽车(HEV)作为降低城市汽车尾气污染、减少油耗和调整能源结构的行业新技术，前景十分广阔，日益受到人们的关注，其开发也成为新的热点。驱动电机及其控制系统是HEV的核心部分，其性能的优劣很大程度上决定了车辆的动态性能，因此对其进行研究具有重要的理论意义和应用价值。 本文主要研究混合动力车用交流驱动电机控制系统，以高性能的数字信号处理器(DSP)为核心，采用转子磁链定向矢量控制(FOC)算法，设计了一种基于DSP的交流驱动电机控制器。主要研究内容如下： 首先，在分析国内外研究状况和比较几种常用驱动电机的基础上，结合HEV对驱动电机的特性要求，选择交流异步电机作为HEV的驱动电机和基于转子磁链定向的矢量控制技术作为系统开发方案。 其次，以交流异步电机的动态数学模型为基础建立了转子磁链位置的电流计算模型，实现交流电机转矩和励磁电流分量的有效解耦。结合矢量控制理论及电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术给出了混合动力车用驱动电机矢量控制系统结构框图。 最后，以一台5kw异步电机作为控制对象，搭建了系统主电路。系统控制电路以TMS32OLF2407A DSP为核心，由电流、电压及速度等检测模块和CAN总线通信模块组成。系统以CCS2集成开发环境为平台，采用汇编语言编程，设计了基于DSP的矢量控制具体的软件实现方法，实现了全数字化的HEV驱动电机矢量控制系统。论文给出了驱动电机运行的调试结果并进行了分析。 实验表明该控制系统响应速度快，电压利用率高，动态性能好，能够满足HEV对驱动电机动态和静态性能的要求，对开发出低成本、高性能的电机驱动控制系统具有实用价值。
上传时间： 2013-07-06
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在早期阶段，直流调速系统在传动领域中占统治地位。然而，从60年代后期开始，交流电动机在工业应用领域正在取代直流电动机，交流传动变得越来越经济和受欢迎。永磁交流伺服系统作为电气传动领域的重要组成部分，在工业、农业、航空航天等领域发挥越来越重大的作用。永磁同步电动机以其特点广泛应用于中小功率传动场合，成为研究的重要领域。然而，永磁同步电动机具有较大的转动脉动，而对于这些应用场合，转矩平滑通常是基本要求。因此，对永磁交流伺服系统的应用，必须考虑其转矩脉动的抑制问题。本文针对电机传动系统中参数变化对电机性能的影响，以永磁同步电机为例，围绕如何通过参数辨识来提高永磁同步电动机的控制性能，借助自行开发的全数字永磁交流伺服系统平台，对永磁同步电动机的磁场定向控制，参数辨识，神经网络和扩展卡尔曼滤波在控制系统中的应用，抑制转矩脉动，提高系统性能几个方面展开深入的研究。 本文从永磁同步电动机及其控制系统的基本结构出发，对通过参数辨识抑制转矩脉动进行了较为细致的分析。针对不同情况，通过改进电机的控制系统，提出了多种参数辨识方法。主要内容如下： 1、基于定子磁链方程，建立了永磁同步电动机的一般数学模型。经坐标变换，得出在静止两相（α—β）坐标系和旋转两相（d—q）坐标系下永磁同步电动机电压方程和转矩方程。 2、分析了永磁同步电动机id=0矢量控制系统的工作原理，介绍了永磁同步电动基于磁场定向的矢量控制的基本概念。经对永磁同步电动机系统进行分析，推导并建立了id=0控制时整个电机系统的数学模型。 3、基于超稳定性理论的模型参考自适应控制原理，设计了一种模型参考自适应控制系统，考虑电机参数的时变性，对永磁交流伺服系统的绕组电阻和电机负载转矩辨识进行了研究，以保持系统的动态性能。利用Matlab/Simulink建立仿真模型，对控制性能进行了验证，仿真实验证明这种方法的可行性。 4、人工神经网络具有很强的学习性能，经过训练的多层神经网络能以任意精度逼近非线性函数，因此为非线性系统辨识提供了一个强有力的工具。本章针对永磁同步电机提出了一种以电机输出转速为目标函数的神经网络控制方案，同时应用人工神经网络理论建立和设计了负载转矩扰动辨识的算法以及相应的控制系统的补偿方法，并应用MATLAB软件进行了计算机仿真，仿真证明和传统的控制方法相比，以电机输出转速为指导值和目标函数的神经网络控制方案能有效地提高神经网络的收敛速度，能有效地改善控制系统的动态响应，具有跟踪性能好和鲁棒性较强等优点。 5、电机的参数会随着温升和磁路饱和发生变化，需进行在线实时辨识。本文利用电机的定子电流、电压和转速，采用递推最小二乘法进行在线参数辨识，该方法不需要观测的磁链信号，消除了磁链观测和参数辨识的耦合。电机状态方程由于存在状态变量的乘积项，对电机参数辨识以后，仍然是非线性方程，为了对电机状态方程进行状态估计，得到电机的参数辨识值，本文采用扩展卡尔曼滤波进行状态估计，对以上方法的仿真实验得到了满意的结果。 6、本文基于数字电机控制专用DSP自行开发了全数字永磁交流伺服系统平台，通过软件实现扩展卡尔曼滤波对电阻和磁链的估计，以及基于磁场定向的空间矢量控制算法，获得了令人满意的实验结果，证明扩展卡尔曼滤波算法对电阻和磁链的实时估计是很准确的，由此构成的永磁交流伺服系统具有良好的静、动态性能。
上传时间： 2013-07-28
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