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【转载】国内常见电动自行车控制器整机电路图及原理分析  

2015-01-17 20:26:57|  分类: 电子,电工,家电 |  标签: |举报 |字号 订阅

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国内常见电动自行车控制器整机电路图及原理分析
国内常见电动自行车控制器整机电路图及原理分析 - 利和 - 雨沙 (2011-08-18 13:34:03)

目前流行的电动自行车、电动摩托车大都使用直流电机,对直流电机调速的控制器有很多种类。电动车控制器核心是脉宽调制(PWM)器,而一款完善的控制器,还应具有电瓶欠压保护、电机过流保护、刹车断电、电量显示等功能。
    电动车控制器以功率大小可分为大功率、中功率、小功率三类。电动自行车使用小功率的,货运三轮车和电摩托要使用中功率和大功率的。从配合电机分,可分为有刷、无刷两大类。关于无刷控制器,受目前的技术和成本制约,损坏率较高。笔者认为,无刷控制器维修应以生产厂商为主。而应用较多的有刷控制器,是完全可以用同类控制器进行直接代换或维修的。本文将分别介绍国内部分具有代表性的电动自行车控制器整机电路,并指出与其他产品的不同之处及其特点。所列电路均是根据实物进行测绘所得,图中元件号为笔者所标。通过介绍具体实例,达到举一反三的目的。

1.有刷控制器实例
(1)山东某牌带电量显示有刷控制器
    电路方框图见图1。


国内常见电动自行车控制器整机电路图及原理分析

 1)电路原理
    电路原理图见图2所示,该控制器由稳压电源电路、PWM产生电路、电机驱动电路、蓄电池放电指示电路、电机过流及蓄电池过放电保护电路等组成。

国内常见电动自行车控制器整机电路图及原理分析

稳压电源  由V3(TL431),Q3等元件组成,从36V蓄电池经过串联稳压后得到+12V电压,给控制电路供电,调节VR6可校准+12V电源。
    PWM电路以脉宽调制  器TL494为核心组成。R3、C4与内部电路产生振荡,频率大约为12kHz。
    H是高变低型霍尔速度控制转把,由松开到旋紧时,其输出端可得到4V—1V的电压。该电压加到TL494的②脚,与①脚电压进行比较,在⑧脚得到调宽脉冲。②脚电压越低,⑧脚输出的调宽脉冲的低电平部分越宽,电机转速越高,电位器VR2用于零速调节,调节VR2使转把松开时电机停转再过一点。
    电机驱动电路由Q1、Q2、Q4等元件组成。电机MOTOR为永磁直流有刷电机。TL494的⑧脚输出的调宽脉冲,经Q1反相放大驱动VDMOS管Q2。TL494的⑧脚输出的调宽脉冲低电平部分越宽,则Q2导通时间越长,电机转速越高。D1是电机续流二极管,防止Q2击穿。TL494的⑧脚输出低电平时,Q1、D2导通,Q4截止,Q2导通;TL494的⑧脚输出高电平时,Q1、D2截止,Q4导通,迅速将Q2栅极电荷泄放,加速Q2的截止过程,对降低Q2温度有十分重要的作用。
    蓄电池放电指示电路  由LM324组成四个比较器,12V由R24、VR1、VR4、VR3、VR5、R21分压形成四个不同基准电压分别加到四个比较器的反相端。蓄电池电压经R23和R22分压加到每个比较器的同相端,该电压和蓄电池电压成比例。VA=VB*R22/(R22+R23)。当蓄电池电压不低于38V时,LED1、LED2、LED3均点亮;当电池电压低于38V时,LED3熄灭;当电池电压低于35V时,LED2熄灭;当电池电压低于33V时,LED1熄灭,此时应给电池充电。调节VR1、VR4、VR3可分别设定LED3、LED2、LED1熄灭时的电压。LED4用作电源指示,LED5用作欠压切断控制器输出指示。
    蓄电池过放电保护当蓄电池放电到31.5V时.LM324的①脚输出低电平,三极管Q5导通,约5V电压加到TL494的死区控制端④脚.该脚电位≥3.5V,就会迫使TL494内部调宽脉冲输出管截止,从而使三极管Q1、Q2截止,电机停止运转,蓄电池放电停止,进入电池保护状态。此时LED5点亮,指示出该状态。VR5用于设定电池保护点电压。
    电机过流保护 R30为电机电流取样电阻,当过流时,取样电压经R14加到TL494的⑩脚。当⑩脚电位高于⑩脚电位时,TL494内部运放2输出高电平,迫使TL494内部调宽脉冲输出管截止,从而使Q1、Q2截止,电机停止运转,从而保护了电机。
     制动保护当刹车制动时,KEY2接通.5V电压加到TL494的死区控制端④脚,迫使TL494内部调宽脉冲输出管截止,从而使Q1、Q2截止,电机停止运转,实施制动保护。
    2)调试
    调速电路零速调试:速度转把完全松开.调节VR2使电机停转并再调过一点以保证可靠置零速。制动调试:转动速度转把,电机旋转。此时闭合制动开关KEY2,Q2栅极应立即变为低电平0V。过流保护调试:转动速度转把,Q2栅极为高电平12V。此时在源极对地之间加上0.8V左右的电压,栅极应很快变为低电平。
    蓄电池放电指示电路用可调电源代替蓄电池。电压为38V时,调节VR1,使LED3刚好熄灭;电压为35V时,调节VR2,使LED2刚好熄灭;电压为33V时,调节VR3,使LED1刚好熄灭;电压为31V时,调节VR5,使LED5刚好点亮,此时TL494的④脚应为高电平5V左右,进入电池欠压保护状态。通过上述设置,仅LED1点亮时,电压为33V-34V,应及时给蓄电池充电,不过LED1熄灭至LED5点亮这段时间,蓄电池还可维持运行,但LED5点亮时,进入欠压保护状态。此时应注意,过一会儿电池电压因电机停转而回升,保护解除,又恢复工作。如此反复保护-工作-保护的结果会损坏电池和控
制器,故应避免出现这种状况。

(2)上海伟显牌控制器
  使用LM324、LM393和LM339制作的有刷控制器可靠性是很高的,就是器件数量多些。该控制器仅用一片LM339制作有刷控制器部分。用另一块LM339制成电量显示部分。显示部分见图3,电路原理见图4所示。


国内常见电动自行车控制器整机电路图及原理分析
国内常见电动自行车控制器整机电路图及原理分析

上海伟星对该控制器的调速采用了光电速度转把。由于北方干燥,沙土灰尘大,影响了光电速度转把的使用。实践证明,完全可以用霍尔速度转把替代它。具体方法见图5。


国内常见电动自行车控制器整机电路图及原理分析

光电速度转把改为霍尔速度转把关键有两点:一是加装+5V稳压电源;二是根据原速度信号输出点信号变化规律,选用相应信号变化的霍尔调速转把。
    该有刷控制器以PWM电路为核心,前面有三角波发生器、电瓶欠压检测、电机过电流检测;后面有驱动、功率开关等。每部分都是独立的.检查调试都比较方便。三角波发生器由IC2A、R17、C5、D2、R9、R10等组成施密特振荡器,在C5上产生三角波。脉宽调制器是IC2B,它的输入之一⑥脚,为来自C5上的三角波,输入之二⑦脚,是来自速度转把(J1)①脚的速度信号。从IC2B①脚输出调宽脉冲,送互补推挽放大器。互补推挽驱动由T3、T4组成,脉冲高电平到来,上管NPN管T4导通,12V加到功率管T1、T2的栅极,T1、T2导通;脉冲低电平到来,上管NPN管T4截止.下管PNP管T2导通,将T1、T2栅极的电荷迅速放掉,T1、T2截止。电池欠压保护由IC2C组成电压比较器,当电瓶电压低于31.5V时,它的⒁脚变为低电位,相当于R13输入一端接地,将转把速度信号降到接近零伏.使IC2B①脚呈低电平,T4截止、T3导通;T1、T2截止。过电流保护由IC2D组成电压比较器,当过电流时。R4右端电位变低.通过R5加到IC2D⑾脚,比较器翻转⒀脚变为低电位,同样相当于R13输入一端接地.将转把速度信号降到接近零伏,使T1、T2截止。

(3)四川绵阳产某牌中功率有刷控制器
    该控制器采用无刷专用芯片,MC33035为核心制作的有刷控制器。


国内常见电动自行车控制器整机电路图及原理分析

控制器电路原理图见图6所示,该控制器的特点是刹车时三管齐下,具体工作原理如下:
    刹车电路主要由J、Q3、Q6等组成。继电器常开触点串联在电机的供电电路中,+24V通过R29、D8为Q3提供基极电流,Q3导通,J得电吸合,常开触点闭合,电机得电。
    1)当刹车时,左、右刹车开关闭合,+15V通过R25、R21为Q6提供基极电流,Q6导通,集电极电位降低,D4导通,使D8截止,Q3失去基极电流而截止,J失电,常开触点断开,电机失电停止转动。
    2)在Q6导通,集电极电位降低时,D5也导通,降低了U1的⑦脚电位。该脚低电平关断PWM输出。
    3)在Q6导通,集电极电位降低时,D6也导通,无论调速转把在低速或高速位置,均将霍尔调速转把转速信号对地短路而降低送往U1⑾脚的信号电压。
    欠压保护电路由欠压检测U2B和单端触发器U3组成。其输出经Q4倒相送U1的⑦脚,关断U1的输出。转把电压检测U2C的输出送单端触发器U3强制复位端④脚进行调速工作。

(4)北京某牌带防飞车功能有刷控制器
    电路原理图见图7。


国内常见电动自行车控制器整机电路图及原理分析

防飞车功能是靠串联在电机和电源正极之间继电器J的常闭触点J实现的。下面两种情况之一,都会使继电器得电,断开电机电源:一是电机过流;二是速度转把在零速位置时,VDMOS的漏极D为低电位(开关管击穿)。电机过流,电流取样电阻R1下端电压变低,电流检测IC1A的②脚变低,①脚变成高电位,经D5使T7、T8导通,J得电,常闭触点断开。
    当速度转把在零速位置时,PWM IC2的①脚低电位,D3截止,T6截止,其集电极高电位。一种情况:如果功率开关管没击穿则VDMOS的漏极D为高电位,经R6使T6导通,其集电极低电位,二极管D4是正与门,由于T5、T6集电极只有一个高电位,二极管D4截止,T7、T8截止,J不得电,其常闭触点闭合.使电机受控于T1、T2;另一种情况:如果功率开关管已击穿,则VDMOS的漏极D为低电位,经R6使T5截止,其集电极高电位,二极管D4是正与门,由于T5、T6集电极都是高电位,二极管D4导通;T7、T8导通,J得电,其常闭触点断开,使电机失电而达到防飞车保护。
    当速度转把不在零速位置时,PWM IC2的①脚是一串正脉冲,经积分电路R20、C7积分,C7电位升高,D3导通,T6导通.其集电极低电位,二极管D4是正与门,无论T5集电极电位是高还是低,二极管D4都截止,T7、T8截止。J不得电,其常闭触点使电机得电。保证了功率开关管VDMOS正常导通时的漏极D为低电位,电机只要不过流即可控制电机旋转。
(5)三友SAYO ZHD2大功率有刷控制器
    这款控制器是石家庄地区货运三轮主流控制器之一。电路原理方框图及接线图见图8所示。该电路的特点是:
(1)频率低,约150Hz,因而续流二极管采用了普通整流桥;
(2)没有欠压和过流保护;
(3)采用了简单的门电路作三角波发生器;
(4)采用5只大功率VDMOS并联,并且采用了简单均衡电路;
(5)速度转把是自制的光电速度把。


国内常见电动自行车控制器整机电路图及原理分析

该控制器有36V、48V、60V多种规格,主要区别在功率管部分,电路见图9。如此简明的控制器,主要损坏元件就是功率管。损坏的原因主要是串激电机碳刷接触不良,高压击穿功率管;还有堵转造成的过流和过热。


国内常见电动自行车控制器整机电路图及原理分析

(6)有刷控制小结
    无论更换原配套、还是换用其他品牌的有刷控制器,首先要搞清控制器的几条基本连线:电源正、负线,两条电机接线,三条速度转把接线,刹车把接线,钥匙接线。仪表接线等。进一步判断霍尔速度转把三条接线,具体到哪一条是+5V、地和速度信号,刹车把接线是断开有效还是短路有效等。
    修理有刷控制器,首先要根据现象粗略估计损坏部位,排除控制器外部接触不良等低级故障。例如:飞车现象可能是VDMOS击穿,也可能是霍尔速度转把的接地端悬空;加电不转可能是控制器故障,也可能是外部连线烧断或接触不良,特别是刹车开关、钥匙、电池等部位;加载无力可能是电流取样电阻脱焊,也可能是电机问题等。确实认定是控制器内部故障,再打开检查维修。
    要认清控制器内部关键器件,有些器件外形一样,例如TO-220封装的VDMOS、三端稳压器78xx、续流二极管等。生产厂商为保密往往把元器件的印刷标示打磨掉了,给维修增加了麻烦。小功率控制器,可根据连线部位等特征来认定,例如:续流二极管两端和电机两条线是并联关系,用万用表测一下就清楚了;VDMOS和三端稳压器78xx虽然都有一端接地,但VDMOS一端接电机,稳压器78xx则不接电机。集成块也可以从脚数和连线部位等特征来区分,例如:TL494是16脚的。LM324和LM339是14脚的,LM393和LM358是8脚的;虽然LM324和LM339都是14脚的,但是供电脚不同,LM324供电端是④脚,而接地端是⑾脚。LM339供电端是③脚.接地端是⑿。
    接有直径1mm长度大约1cm的镍铜丝或康铜丝的电阻,一般是电流取样电阻,一端接VDMOS的源极S,一端接电池负极(粗黑),康铜丝两端受热很易造成焊锡脱落。可能造成轻载正常、重载无力等故障。
    根据原理图可以进一步沿信号通路分析,有刷控制器核心部位就是PWM。它前面的输入信号,一路是三角波发生器的三角波,一路是霍尔速度转把的速度信号。PWM的驱动信号加到VDMOS栅极。
    维修重点:一是VDMOS。控制器中就是VDMOS损坏率高,多数为DS间击穿.造成加电就高速旋转。在不加电情况下,用万用表一测便知,一般换用好管故障就会排除。更换时,要注意绝缘和散热,要垫上导热绝缘片并涂上导热硅脂,固定好散热板的紧固件。伴随VDMOS击穿,还可能有其他周边元件损坏。如互补推挽下管PNP管等。另一个是稳压电源,可以带电检查其输出是否为额定稳压值,如没有,排除输出短路后,再沿电路向前检查。对于控制芯片采用TL494的电路,尽管内部复杂,只要检查关键点,就能判断大致情况。TLA94第⒁脚为+5V参考电源输出端,如⑿脚供电正确,⒁脚没有+5V。一般就是芯片坏了;③脚也是关键点,它为高电位时,芯片关闭输出,如果它为高电位,要检查造成原因,例如欠压保护,霍尔调速把故障等;④脚在有刷控制器中也是关键点,它为高电位(3.6V)时,芯片关闭输出,如果它为高电位,要检查造成原因。也可以检查后部的关键点,例如VDMOS栅极电压是否随霍尔速度转把转动变化等。

    功率开关管损坏的原因和对策:
    1)热损坏开关管过热后性能下降,极易损坏。开关管发热主要是导通损耗和开关损耗。导通压降和电流的乘积越大发热越多。压降大原因之一是器件本身问题,靠严格筛选解决,并联使用要经过配对;压降大原因之二不是器件本身问题,是开关通过放大区时间过长,通过改善(栅极驱动和泄放)电路设计解决。欠压保护和过流保护工作在临界(如堵转引起逐周过流保护动作)时,切换频繁,PWM频率升高,开关管开关损耗随频率升高而升高造成过热。关于欠压保护工作在临界切换频繁的改进,采用改进施密特电路,正反馈加一个二极管和一个电阻。
    2)电压击穿主要是开关管本身耐压不够,当电压过高的一瞬间,还没来得及将热传到散热器,管子DS就击穿了,所以也称冷击穿。器件本身应经过严格筛选,并联应用器件要经过配对,否则易损坏;外因主要是电机大电流工作时,突然关断,引起瞬间高反电势,例如有刷电机碳刷接触不良。解决方案是并联大电流、高速、低压降续流二极管.例如采用30A双快恢复(或肖特基)管。还有,在开关管DS间加阻容吸收保护。
    3)提高大功率控制器可靠性对策  大功率控制器要采用大电流高反压耐高温开关管。但是,大功率场效应管耐压和导通电阻制造时是有矛盾的,例如耐压60V左右的管子,导通电阻可以做到8mΩ,耐压升高到100V,导通电阻就成几倍增加。行之有效的措施是:一是降低振荡频率;二是增加并联器件数;三是增加驱动功率;四是加大散热板面积;五是振荡、三角波形成、PWM等电路不用WPM专用芯片TL494等,而选用故障率较低的比较器(LM339)、简单门电路等器件制作;六是功率冗余,就是功率管和续流管多只并联,但要特别注意分布参数;七是欠压保护改为欠压提示,不关断等。

2.无刷控制器
  有刷电机是靠换向器(也叫整流子)来保证转子(旋转部分)和固定部分的磁场保持连续朝一个方向的吸引力或排斥力。这套换向机构最重要的机件就是电刷,控制器无须改变电流方向,其控制器叫有刷控制器。换向器有触点,是有磨损的。而无刷直流电机本身没有换向器,靠控制器改变电机线圈内部电流方向,同样保证转子和固定部分的磁场,保持连续朝一个方向的吸引力或排斥力。控制器采用晶体管无触点开关,永不磨损,这就是无刷控制器。无刷控制器一般靠霍尔传感器确定转子磁场位置,在恰当时机给相应线圈改换电流方向。位置传感器除霍尔传感器,还有光电传感器等。采用霍尔传感器的无刷电机和无刷控制器之间一般有8条导线连接;三根粗线是线圈引线,5条细线中,一条+5V,一条公共地,三条转子位置信号线。
    当前市场上,无刷控制器有两大类:一类以单片机为核心,一类以专用芯片MC33035(MC33033)、A3932SEQ、LB11690、MC33039等为核心。

(1)采用无刷专用芯片MC33035(MC33033)的控制器
    MC33035是高性能单片无刷直流电机控制器,该控制器内含可用于正确整流时序的转子位置译码器,以及可对传感器温度进行补偿的参考电平,同时它还具有一个频率可编程的锯齿波振荡器、一个误差信号放大器、一个脉冲调制比较器、三个集电极开路驱动输出和三个非常适用于驱动功率场效应管(MOSFET)的大电流图腾柱式底部输出器。此外,MC33035还有欠压锁定功能,同时带有可选时间延迟锁存关断模式的逐周限流特性以及内部热关断等特性。其典型的电机控制功能包括开环速度、正向或反向、以及运行使能等。MC33035有多种封装,下面介绍24脚双向直列(DIP)封装的管脚排列及功能定义。
    ①、②、(24)脚为BT、AT、CT三个集电极开路驱动输出,用于驱动外部功率开关管。③脚为Fwd/Rev正向/反向输入,用于改变电机转向。(④、⑤、⑥脚为SA、SB、SC三个传感器输入,用于控制整流序列。输入逻辑0定义为小于85mV,逻辑1为高于115mV。MC33035内部的转子位置译码器主要用于*三个传感器输入,以便系统能够正确提供高端和低端驱动输入的正确时序。传感器输入可直接与集电极开路型霍尔效应开关或光电耦合器相连。此外,该电路还内含上拉电阻,其输入门限典型值为2.2V的TTL兼容电平。⑦脚为Output Enable输出使能,高电平有效。该脚为高电平时,可使电机转动。⑧脚为Reference Output参考电压输出,为振荡器定时电容CT提供充电电流,并为误差放大器提供参考电压,也可以向传感器提供电源。⑨脚为Current Sense Noninverting Input电流检测同相输入。在一个给定的振荡器周期中,一个相对于管脚⒂为100mV的信号可中止输出开关导通。通常此脚连接到电流检测的上端。⑩脚为Oscillator振荡器引脚,振荡频率由定时元件RT和CT所选择的参数值决定。⑾脚为Error Amp Nominverting Input误差信号放大器同相输入端。通常连接到霍尔速度控制器上。⑿脚为Error Amp Noninverting Input误差信号放大器反相输入端。在开环应用情况
下,此输入通常连接到误差放大器输出端。⒀脚为Error Amp Out/PWM Input误差放大器输出/PWM输入。在闭环应用情况下,此脚用作补偿。⒁脚为Fault Output故障输出端。当下列的任一或多个条件满足时,集电极开路输出端被触发而变为低;无效的传感器输入码,电流检测超过100mV,低电压锁定或热关断。⒂脚为Current Sense Inverting Input电流检测反相输入端。用于给内部100mV门限电压提供参考地,该管脚通常连接到电流检测电阻的底端。⒃脚为Gnd,该脚用于为控制电路提供一个分离的接地点,并可作为参考返回到电源地。⒄脚为Vcc正电源。Vcc在10V~30V的范围内,控制器均可正常工作。⒅脚为Vcc底部驱动输出的高端电压是由该脚提供的。工作范围从10V~30V。⒆珍、⒇、(21)脚为CB、BB、AB这三个图腾柱式底部驱动输出,被设计用于直接驱动外部底部功率开关管。(22)脚为60°/120°Select,此管脚的电气状态可决定控制电路是工作在60°(高电平状态)还是120°(低电平状态)的传感器电气相位输入状态下。(23)脚为Brake输出使能,该管脚为低时允许马达运行,为高时马达运行停止。
    读者可以查到芯片厂家给出的无刷控制器典型应用图。图中在无刷电机和MC33035之间,仅有个驱动电路的方框,没有具体电路,一般认为是典型三相桥式输出电路,上管为双极型三极管,下管为VDMOS场效应管。也有人认为上管为P沟道场效应管,下管为N沟道场效应管。由于大功率P沟道场效应管价格昂贵,限制了应用。国内在三相桥式输出电路中,上管、下管全部采用VDMOS场效应管,驱动有的采用IR2103(驱动一相),有的用IR2130(驱动三相,但价格昂贵)。有的采用分立元件,由此派生出了几种版本。
    关键问题是,在上管导通时,漏极和源极电位近似等于电源正极电位,要保持上管导通,必须使上管栅极电位高于电源正极电位12V左右。IR2103和IR2130 比较简单,通过外接一只隔离二极管和一只自举电容就解决了。当下管导通上管截止时,隔离二极管导通,自举电容充电,两端电压接近电源电压;当下管截止上管导通时,隔离二极管截止,自举电容储存的电荷给上管栅极供电,电位大大高于电源正极电位,使上管保持导通。
    图10是一个24V电动自行车用无刷控制器电路。图中三只接在VCC和VB之间的二极管为隔离二极管,接在VB和VS之间的电容为自举电容。


国内常见电动自行车控制器整机电路图及原理分析

2)采用单片机的无刷控制器
    图11是以89C2051为核心的控制器电路图。由于89C2051属低端产品,内部没有PWM和A/D转换,它借助了三个模拟比较器完成相应工作。IC8B作为电池欠压检测器,欠压时,给单片机(13)脚一个低电平;IC8D做过流检测器,过流时,给单片机⑦脚一个低电平;借助普通I/O口(11)脚输出,通过积分电路和转把模拟速度信号在IC8A进行比较后.输入单片机(12)脚,用软件完成PWM控制,然后分三相六路输出到三个专用驱动芯片IR2103。由IR2103驱动每相的上、下VDMOS管。

国内常见电动自行车控制器整机电路图及原理分析

单片机通过内部软件完成任务,不同产品的软件差异很大,写入程序时一般都进行了加密。市场上销售的单片机是空白的,内部程序需用专用设备进行烧写。因此,采用单片机的各种控制器,普通售后服务作维修只是更换外围元件,单片机本身损坏,更换工作要依靠原生产厂商进行,或供应写有程序的单片机。单片机就是单片微型计算机,它的加入可以很容易地增加一些所谓智能功能,例如巡航功能。巡航功能就是通过按一下巡航功能按钮,电动自行车就以刚才的速度继续前进,松开霍尔速度转把也不受影响。

3.其他控制器
(1)未涉及到的无刷控制器
    也有不需要位置传感器的无刷控制器,它是通过检测线圈电动势判断转子位置的。显然,电机未转动时,它是不能判断转子位置的,可以等电机转起来再加电,也可以按一定序列加电,试探出转子位置后,然后正确加电。

(2)未涉及到的开关磁阻电机的控制器
    开关磁阻电机是又一种电机,过去在纺织行业有应用,现在有人研究将它用到电动自行车上,它的控制器类似无刷控制器。

 

 


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