CN1527454A - 限制电路及使用该限制电路的电动机驱动装置 - Google Patents

Abstract

限制电路及使用该限制电路的电动机驱动装置。提供一种限制电路，其电路元件的偏差和对温度特性的影响小，可以把输入信号限制为规定值。比较输入信号Va和限制信号Vlim。当输入信号Va超过限制信号Vlim时，可以把该超过部分(Va－Vlim)作为超过信号Vext。在信号输出电路60中，从输入信号Va减去超过信号Vext，作为输出信号Vo输出。

Description

限制电路及使用该限制电路的电动机驱动装置

技术领域

本发明涉及一种利用规定值来限制所输入的电压及电流的限制电路，以及使用该限制电路有效驱动电动机的电动机驱动装置。

背景技术

以往使用主轴电动机等来驱动CD、DVD等盘。

图8表示以往进行上述驱动使用的三相无刷电动机M的驱动装置的结构图，记述在专利文献1中。该以往示例的电动机M由永久磁铁转子和定子构成，其中，定子是把U相、V相、W相的3相电枢线圈配置在圆周上，在各相的电枢线圈位置设置各相用转子位置检测器。而且把各相用转子位置检测器11统一表示在电动机M的外部。

在图8中，各相用晶体管开关由正极侧的P型MOS晶体管QUH、QVH、QWH和负极侧的N型MOS晶体管QUL、QVL、QWL构成，根据各自的栅极控制信号进行导通截止控制。

转子位置检测器11例如由霍尔元件构成，输出U相、V相、W相的正极输出信号和负极输出信号的6种正弦波信号，各相的输出信号的相位差是120°(＝360°/3)。

位置检测器/移相电路14对来自转子位置检测器11的输出信号HU、HV、HW的各相，取得正极和负极的各输出信号之差，去除重叠在信号线上的同相的噪声成分，然后求出各输出信号HU、HV、HW的相互差信号，输出例如具有30°的相位差Δθ的位移信号HU1、HV1、HW1。

另外，形成移相后的位移信号HU1、HV1、HW1主要基于以下理由。即，接受来自转子位置检测器11的信号，向电动机M的电枢施加电压，然后在实际上有电流流出之前，根据电枢的电感成分产生与时间常数对应的延迟，流过电枢的电流换流时间比正规的换流时间推迟，防止电动机驱动效率恶化或转矩不均增大。

振荡器13A内置有由运算放大器、恒流源、电容等构成的三角波发生电路，例如，产生可听频率区域(16kHz)以上的三角波高频基准信号OSC，输出给比较器16A。

比较器16A接受位移信号HU1、HV1、HW1和来自振荡器13A的三角波振荡信号OSC，将两信号进行比较，从这两信号之差输出PWM信号UPWM、VPWM、WPWM。

各相用前置驱动电路17AU、17AV、17AW按各个相接受来自比较器16A的PWM信号UPWM、VPWM、WPWM。从PWM信号UPWM～WPWM形成栅极控制信号VUGH～VWGL，提供给正极侧的P型MOS晶体管QUH、QVH、QWH和负极侧的N型MOS晶体管QUL、QVL、QWL。

转矩指令电路12用于输出控制指令，以使电动机M的旋转速度达到规定值，比较旋转速度的设定值Vs和实际旋转速度的测定值Vdet，根据该偏差控制位移信号HU1、HV1、HW1的振幅。

在以上结构中，检测与电动机M的实际旋转速度成比例的测定值Vdet，例如，电动机速度比规定设定值Vs过快时，把与该偏差对应的控制信号输出给位置检测器/移相电路14，使位移信号HU1、HV1、HW1的振幅降低。

通过降低位移信号HU1、HV1、HW1的振幅，缩短来自比较器16A的PWM信号UPWM、VPWM、WPWM的导通截止工作循环的脉冲宽度，通过U相、V相、W相的各相用晶体管开关QUH～QWL减少对电动机M的通电电流，使电动机减速。在旋转速度慢的情况也相同，增加对电动机M的通电电流，使电动机加速。由此来控制电动机速度。

专利文献1  特开2002-84772号公报

但是，例如想以最高转数驱动三相无刷电动机M时，为了得到大的转矩，需要加大设定值Vs(即基准电压)。随着电动机M转数的上升，电动机的旋转电动势变大，由于对电动机M的驱动电流减少，需要进行加大对电动机的施加电压的控制。如果施加电压过大，则由于旋转电动势和施加电压的关系，驱动电流波形发生变形，驱动效率变差。另外，由于不能进行正弦波状电流的电动机驱动，也具有噪声伴随电动机驱动而变大的问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种即使与转矩对应的输入电压变大时，驱动电流波形也难以变形、并能降低噪声的电动机驱动装置。

其目的还在于，提供一种电路元件的偏差和对温度特性的影响小、并且能把输入信号限制为规定值的限制电路。

权利要求1所述的限制电路的特征在于，具有：超过信号电路40，输入输入信号Va和限制信号Vlim并进行比较，当所述输入信号Va超过所述限制信号Vlim时，把超过部分(Va-Vlim)作为超过信号Vext进行输出；和信号输出电路60，输入所述输入信号Va和所述超过信号Vext，从所述输入信号Va减去所述超过信号Vext，作为输出信号Vo进行输出。

权利要求2所述的限制电路的特征在于，在权利要求1所述的限制电路中，具有限制信号电路20，其构成为恒流源21和电阻22串联连接，通过缓冲器23取出该串联连接点的电压，作为所述限制信号Vlim。

权利要求3所述的限制电路的特征在于，在权利要求2所述的限制电路中，所述超过信号电路40串联连接被供给所述输入信号Va来作为控制信号的晶体管41和电阻42，使流过与所述输入信号Va对应的第1电流I1，把所述晶体管41和电阻42的连接点的电压作为比较电压Vb，同时在该比较电压Vb超过所述缓冲器23的输出电压Vlim时，使流过与该超过部分对应的第2电流I2，所述信号输出电路60把与所述第1电流I1和所述第2电流I2之差对应的第3电流Io作为所述输出信号Vo进行输出。

权利要求4所述的限制电路的特征在于，在权利要求1所述的限制电路中，具有限制信号电路20，其构成为恒流源31和电阻32串联连接，把该串联连接点的电压作为所述限制信号Vlim取出。

权利要求5所述的限制电路的特征在于，在权利要求4所述的限制电路中，所述超过信号电路40A串联连接供给所述输入信号Va来作为控制信号的晶体管51和电阻52，使流过与所述输入信号Va对应的第1电流I1，同时把所述晶体管51和电阻52的连接点的电压Vb作为比较电压，与所述限制信号Vlim进行差分放大，在该比较电压Vb超过所述限制信号Vlim时，使流过与该超过部分对应的第2电流I2，所述信号输出电路60把与所述第1电流I1和所述第2电流I2之差对应的第3电流Io作为所述输出信号Vo进行输出。

权利要求6所述的电动机驱动装置的特征在于，具有：误差放大器110，产生与基准信号Vref和与流过电动机的电流对应的电流检测信号Vin之差对应的误差输出信号Va；限制电路200，输入所述误差输出信号Va，把其值限制为规定值，输出限制误差输出信号；和驱动电路，根据所述限制误差输出信号和与正弦波状电动机的旋转位置信号对应的信号，对所述电动机进行PWM驱动。

权利要求7所述的电动机驱动装置的特征在于，在权利要求6所述的限制电路中，所述驱动电路具有：乘法器120U～120W，对所述限制误差输出信号和正弦波状电动机的旋转位置信号进行乘法运算，输出PWM指令信号；PWM变换单元140，根据所述PWM指令信号形成PWM控制信号；和驱动级单元150，根据所述PWM控制信号输出电动机驱动电流。

权利要求8所述的电动机驱动装置的特征在于，在权利要求6所述的限制电路中，所述限制电路200是权利要求1～5中任一项所述的限制电路。

附图说明

图1是本发明的实施方式涉及的三相无刷电动机用驱动装置的结构图。

图2是表示本发明的限制电路的实施方式的结构方框图。

图3是说明图2的工作的图。

图4是表示本发明的限制电路的具体示例的图。

图5是表示限制电路中使用的恒流源的电路结构的示例图。

图6是表示图4的限制电路的工作特性的图。

图7是表示本发明的限制电路的其他具体示例的图。

图8是以往的三相无刷电动机用驱动装置的结构图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的电动机驱动装置及限制电路的实施方式。

图1是本发明的实施方式涉及的三相无刷电动机M的驱动装置的结构图。

在图1中，误差放大器110输入作为设定值的基准电压Vref和表示电动机M的电流值的检测电压|Vin|，产生与该差对应的误差输出信号。

乘法器120U、120V、120W对来自误差放大器110的误差输出信号和来自位置检测单元160的U相、V相、W相正弦波状位置检测信号进行乘法运算，形成脉冲宽度调制(PWM)用指令信号。该PWM用指令信号通过相位调整单元130进行相位调整后，被提供给PWM变换单元140。PWM变换单元140根据调整过相位的PWM指令信号形成PWM脉冲信号，提供给驱动级单元150。

驱动级单元150根据PWM脉冲信号对内部输出开关进行导通截止控制，并给电动机M的U相、V相、W相的驱动线圈Uc、Vc、Wc通电。电动机M以与驱动线圈Uc、Vc、Wc的通电电流的通电切换频率对应的速度及与其电流值对应的转矩进行旋转。

该电动机M的旋转状态由设在电动机M的三相上的位置检测元件(霍尔元件)Uh、Vh、Wh进行检测。霍尔元件Uh、Vh、Wh的输出作为正弦波状位置信号被输出，提供给乘法器120U、120V、120W。

另外，电动机M的电流值由电流检测单元170进行检测，向误差放大器110提供表示其电流的检测电压|Vin|。表示电流的检测电压是供给电动机M的电源电流。

在图1中，在误差放大器110和乘法器120U～120W之间还设有限制电路(以下称为限制器)200。

通过设置该限制器200，当来自误差放大器110的误差输出信号大时，该误差输出信号被限制成规定的限制值而输出。即使误差输出信号大时，也不会向乘法器120U～120W提供超过限制器200的限制值的信号，所以PWM指令信号也被限制为规定值。例如，可以设定限制器200的限制值，使PWM指令信号以和正弦波状信号相同的正弦波状提供给相位调整单元130。

因此，即使在基准信号Vref和检测电压|Vin|之差大时，施加给电动机M的电压也不会过大，可以避免驱动电流波形变形，所以能够避免驱动效率的降低。另外，由于能确保正弦波状电流的电动机驱动，所以能抑制伴随电动机驱动而产生的声音的增大。

图2是表示本发明的限制器200的第1实施方式的结构方框图，图3是说明其工作的图。该限制器200是作为图1的电动机驱动装置使用的限制器进行说明，但不限于此，可以广泛使用于一般的电气电路的电压或电流限制电路。

在图2中，输入信号Va(相当于图1的误差输出信号)被输入到超过信号电路40和信号输出电路60。另一方面，在限制信号电路20产生的限制信号Vlim被输入到超过信号电路40。

在超过信号电路40对输入信号Va和限制信号Vlim进行比较，当输入信号Va小于限制信号Vlim时，该超过信号Vext为零。当输入信号Va超过限制信号Vlim时，该超过部分(Va-Vlim)作为超过信号Vext输出。

信号输出电路60被输入输入信号Va和超过信号Vext，从输入信号Va减去超过信号Vext，作为输出信号Vo输出。

参照图3(a)(b)说明该图2的限制器200的工作。在输入信号Va小于限制信号Vlim的期间(～t1、t2～t3、t4～)，超过信号Vext为零。因此，输出信号Vo等于输入信号Va。

然后，在输入信号Va大于限制信号Vlim的期间(t1～t2、t3～t4)，超过信号Vext成为该超过部分(Va-Vlim)。在信号输出电路60，从输入信号Va减去超过信号Vext，该输出信号Vo成为Va-(Va-Vlim)，时常被限制信号Vlim高精度地限制着。

图4涉及本发明的限制器的第2实施方式，表示图2所示限制器200的具体示例，这些构成元件被装配在同一IC中。图5表示限制器200中使用的恒流源的电路结构的示例图。另外，图6表示图4的限制电路的工作特性。

在图4中，误差放大器11和图1的误差放大器110相同，其误差输出信号为输入信号(输入电压)Va。

在限制信号电路20中，恒流源21和电阻器22串联连接在电源电压Vcc和地之间。恒流源21流过恒定电流Ilim，电阻器22是电阻值R2。该串联连接点的电压Vlim作为基准电压被输入到电压跟随器连接的缓冲器23的非反转输入端子(+)，所以其输出是电压Vlim，并且是低阻抗。而且，在本发明中除非另有说明，各电压是指以地电位为基准的电压。

恒流源21的结构示例如图5所示。在图5中，电压源84是由带隙型恒压电路等构成的一定电压Vbg的恒压源，连接在电源电压Vcc和运算放大器83的非反转输入端子(+)之间。另外，在电源电压Vcc和恒流输出端之间串联连接电阻器81和PNP型晶体管(以下称为PNP)82。该串联连接点连接运算放大器83的反转输入端子(-)，运算放大器83的输出端连接PNP82的基极。由此输出恒流Ic(即Ilim)。

在恒流源21中，一定电压Vbg是从带隙型恒压电路获得，所以是稳定的。电阻器81与限制信号电路20的电阻器22在相同IC内，是由相同材料并在相同制造工序形成的，所以其温度特性等也相同。所谓具有成对性。因此，即使制造上出现偏差或环境温度发生变化时，限制基准电压Vlim几乎不变，维持在一定值。

再返回图4，在超过信号电路40中，基极被施加输入电压Ba的NPN型晶体管(以下称为NPN)41和电阻器42(电阻值R1)串联连接，流过与输入电压Va对应的第1电流I1。该串联连接点的电压Vb、即在电阻器42的电压降被输入到运算放大器43的非反转输入端子(+)。运算放大器43的反转输入端子(-)通过电阻器45(电阻值R1)连接缓冲器23的输出端。

在运算放大器43的反转输入端子(-)和电源电压Vcc之间串联连接NPN44和PNP46。NPN44的基极连接运算放大器43的输出端子，发射极连接运算放大器43的反转输入端子(-)。PNP46的基极和集电极连接，其发射极连接电源电压Vcc。这样，当输入电压Va、严格讲是减去PNP41的基极—发射极间电压Vbe后的串联连接点电压Vb超过限制基准电压Vlim时，与该超过部分成比例的第2电流I2流过NPN44和PNP46和电阻器45。

在信号输出电路60中，PNP61和PNP62并联连接在电源电压Vcc和NPN41的集电极之间。PNP61的基极连接PNP46的基极，形成所谓电流镜结构，所以如果各晶体管的尺寸相同，则PNP61流过第2电流I2。

另外，从第1电流I1减去第2电流I2后的第3电流Io(＝I1-I2)流过PNP62。PNP62的基极和集电极连接，尺寸和PNP62相同的PNP63的基极连接PNP62的基极，形成电流镜结构。因此，第3电流Io作为输出电流Io流过PNP63。可以直接利用该输出电流Io，也可以如图所述，连接电阻64，变换为输出电压Vo使用。

该图的晶体管和电阻器是由相同种类、相同材料、在相同制造工序形成的，并且是考虑了成对性的配置，所以即使有温度变化和制造偏差，相对误差也极小。因此，各电流和电压距规定值的精度偏差小。这一点在其他实施方式也相同。

参照图6的特性图说明图4的限制电路的动作。输入电压Va被提供给NPN41的基极，与输入电压Va对应的第1电流I1流过NPN41、电阻器42。该第1电流I1也流过PNP61、PNP62。

该第1电流I1受NPN41的基极—发射极间电压Vbe的影响，可以用下述公式正确表示。

I1＝(Va-Vbe)/R1                   (1)

在输入电压Va小于用于进行限制的限制基准电压Vlim的期间，运算放大器43出现负输出，使NPN44截止。因此，在该状态下，第2电流I2是零，所以输出电流Io等于第1电流I1。即，输出与输入电压Va成比例的输出电流Io(即输出电压Vo)。

输入电压Va大于用于进行限制的限制基准电压Vlim时，控制NPN44的导通程度，第2电流I2流过PNP46、NPN44、电阻器45。电阻器45的电压降I2×R1被加算到限制基准电压Vlim上，提供给运算放大器43的反转输入端子(-)。运算放大器43控制NPN44的导通程度即第2电流I2，以消除两个输入之差。

该第2电流I2用下述公式表示。

I2×R1+Vlim＝Vb

I2＝(Vb-Vlim)/R1              (2)

第2电流I2也流过与PNP46呈电流镜连接的PNP61。因此，从第1电流I1减去第2电流I2后的第3电流Io(＝I1-I2)流过PNP62。流过输出电流的PNP63与PNP62是电流镜连接，所以输出与第3电流Io相等的输出电流Io。

该输出电流Io根据公式(1)(2)表示如下。

Io＝I1-I2＝{(Va-Vbe)/R1}-{(Vb-Vlim)/R1}＝{Va-(Vbe+Vb)+Vlim}/R1

因为经常是Va＝(Vbe+Vb)

所以Io＝Vlim/R1               (3)

这样，输出电流Io与NPN41的基极—发射极间电压Vbe没有关系，所以即使该电压Vbe受输入电压Va和温度等的影响而变动时，输出电流Io也被限制在由限制基准电压Vlim和电阻值R1决定的一定值。

图7涉及本发明的限制器的第3实施方式，表示图2所示限制器200的其他具体示例，这些构成元件被装配在同一IC中。

在图7中，误差放大器12对应于图1的误差放大器110，在该示例中具有跨导gm，输出与基准电压Vref和检测电压|Vin|之差对应的输入电流Ia。该误差放大器12也可以适用于图4实施方式。反之，图4的误差放大器11也可适用于图7的实施方式。即，图4、图7可以适用于电压输入型、电流输入型中任一种。

在限制信号电路20A中，在电源电压Vcc和地之间串联连接恒流源31和电阻器32。恒流源31流过恒定电流Ilim，电阻器32是电阻值R2。该串联连接点的电压Vlim成为限制基准电压。

恒流源31使用图5所示的恒流源。另外，图5所示的恒流源根据需要也可以用于本发明中使用的其他恒流源。

在超过信号电路40A中，输入电流Ia从NPN51的基极被提供给电阻器52(电阻值R1)。而且，与NPN51的电流放大率hfe对应的第1电流I1流过NPN51和电阻器52的串联连接电路。作为其结果，产生NPN51的基极电压Va。

NPN51和电阻器52的串联连接点的电压Vb、即在电阻器52的电压降成为差分放大电路的比较电压。

差分放大电路如图所示，在电源电压Vcc和地之间分别设置恒流源49-1和PNP53的串联电路、恒流源49-2和PNP54和NPN57的串联电路、恒流源49-3和PNP55和NPN58的串联电路以及恒流源49-4和PNP56的串联电路。恒流源49-1、49-4可以是相同电流值，另外，恒流源49-2、49-3可以是相同电流值。

比较电压Vb被提供给PNP53的基极，其发射极连接PNP54的基极。限制基准电压Vlim被提供给PNP56的基极，其发射极连接PNP55的基极。NPN57的集电极和基极连接，其基极连接NPN58的基极，形成电流镜结构。NPN57的发射极和NPN58的发射极连接地。

另外，在PNP54的发射极和PNP55的发射极之间连接电阻器59(电阻值2R1)。NPN50与NPN58并联连接，该NPN50的集电极和基极连接NPN58的集电极。这样，在比较电压Vb超过限制基准电压Vlim时，与该超过部分成比例的第2电流I2流过NPN50。

在信号输出电路60A中，在电源电压Vcc和NPN51的集电极之间连接PNP72，其基极和集电极连接。另外，在电源电压Vcc和地之间串联设置大小分别和PNP72与NPN50的大小相同的PNP73和NPN71。

PNP73的基极连接PNP72的基极，构成电流镜电路。另外，NPN71的基极连接NPN50的基极，也构成电流镜电路。从PNP73和NPN71的连接点引出输出电流Io。

与PNP72相同，第1电流I1流过PNP73，另一方面，与NPN50相同，第2电流I2流过NPN71。因此，第1电流I1和第2电流I2之差的电流(I1-I2)作为输出电流Io流过。可以直接利用该输出电流Io，也可以如图所述，连接电阻74，变换为输出电压Vo使用。

下面说明图7的限制电路的工作。输入电流Ia被提供给NPN51的基极，与输入电流Ia对应的第1电流I1流过PNP72、NPN51、电阻器52。该第1电流I1也流过PNP73。比较电压Vb为Vb＝I1×R1。

在输入电流Ia小于用于进行限制的限制基准电压Vlim的期间，第2电流I2是零，所以输出电流Io等于第1电流I1。即，输出与输入电流Ia成比例的输出电流Io(即输出电压Vo)。

输入电流Ia大于用于进行限制的限制基准电压Vlim时，第2电流I2流过NPN50，因此，第2电流I2流过NPN71。此时，为了容易理解，可以作如下简化考虑，向PNP54的基极施加比较电压Vb，向PNP55的基极施加限制基准电压Vlim，忽略PNP54、55的基极发射极间电压。该场合时，向电阻器59施加下述电压。

Vb-Vlim＝2R1×(I2/2)＝R1×I2       (4)

因此，流过NPN71的第2电流I2表示如下。

I2＝(Vb-Vlim)/R1                   (5)

该比较电压Vb是与输入电流Ia成比例的电压，所以在输入电流Ia超过规定值时，第2电流I2开始流过，其大小与超过规定值的部分成比例。

这样，在输出端流过从第1电流I1减去第2电流I2后的输出电流Io(＝I1-I2)。该输出电流Io与NPN51的基极—发射极间电压Vbe等没有关系，被限制在由限制基准电压Vlim和电阻值R1决定的一定值。

发明效果

根据本发明，能够以限制信号的电平来高精度地限制输入信号并输出。

另外，使限制电路的晶体管和电阻考虑了成对性的结构，所以通过装配到集成电路中，可以针对温度变化和制造偏差维持其高精度。

而且，通过采用本发明的电动机驱动装置，可以用允许的限制值高精度地限制误差输出信号。因此，能够向电动机供给正弦波状驱动电流，所以能够有效并且以静音状态使电动机运转。

Claims (8)

1.一种限制电路，其特征在于，具有：

超过信号电路，输入输入信号和限制信号并进行比较，当所述输入信号超过所述限制信号时，把超过部分作为超过信号进行输出；和

信号输出电路，输入所述输入信号和所述超过信号，从所述输入信号减去所述超过信号，作为输出信号进行输出。

2.根据权利要求1所述的限制电路，其特征在于，具有限制信号电路，其构成为恒流源和电阻串联连接，通过缓冲器取出该串联连接点的电压，作为所述限制信号。

3.根据权利要求2所述的限制电路，其特征在于，

所述超过信号电路串联连接被供给所述输入信号来作为控制信号的晶体管和电阻，使流过与所述输入信号对应的第1电流，把所述晶体管和电阻的连接点的电压作为比较电压，同时在该比较电压超过所述缓冲器的输出电压时，使流过与该超过部分对应的第2电流，

所述信号输出电路把与所述第1电流和所述第2电流之差对应的第3电流作为所述输出信号进行输出。

4.根据权利要求1所述的限制电路，其特征在于，具有限制信号电路，其构成为恒流源和电阻串联连接，把该串联连接点的电压作为所述限制信号取出。

5.根据权利要求4所述的限制电路，其特征在于，

所述超过信号电路串联连接被供给所述输入信号来作为控制信号的晶体管和电阻，使流过与所述输入信号对应的第1电流，同时把所述晶体管和电阻的连接点的电压作为比较电压，与所述限制信号进行差分放大，在该比较电压超过所述限制信号时，使流过与该超过部分对应的第2电流，

所述信号输出电路把与所述第1电流和所述第2电流之差对应的第3电流作为所述输出信号进行输出。

6.一种电动机驱动装置，其特征在于，具有：

误差放大器，产生与基准信号和与流过电动机的电流对应的电流检测信号之差对应的误差输出信号；

限制电路，输入所述误差输出信号，把其值限制为规定值，输出限制误差输出信号；和

驱动电路，根据所述限制误差输出信号和与正弦波状电动机的旋转位置信号对应的信号，对所述电动机进行PWM驱动。

7.根据权利要求6所述的电动机驱动装置，其特征在于，所述驱动电路具有：

乘法器，对所述限制误差输出信号和正弦波状电动机的旋转位置信号进行乘法运算，输出PWM指令信号；

PWM变换单元，根据所述PWM指令信号形成PWM控制信号；

驱动级单元，根据所述PWM控制信号输出电动机驱动电流。

8.根据权利要求6所述的电动机驱动装置，其特征在于，所述限制电路是权利要求1～5中任一项所述的限制电路。

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