(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電動機の一端および電源間に介装されたスイッチング手段と、
上記スイッチング手段がオフ状態となったときに、それまで上記直流電動機に流れていた電流を、当該直流電動機に循環させる循環手段と、
上記直流電動機に流れる電流値を検出する電流検出手段と、
上記電流検出手段により検出された電流値が目標値と一致するように、上記スイッチング手段のオン／オフをPWM制御する制御手段とを備える直流電動機の制御装置において、
上記制御手段は、上記直流電動機を惰性で回転させる場合、上記目標値として微小値を設定し、この微少値の電流を上記直流電動機に供給することを特徴とする直流電動機の制御装置。
【請求項２】
上記制御手段は、上記電源のスイッチがオフになったときに上記目標値として微小値を設定し、この微少値の電流を上記直流電動機に供給することを特徴とする請求項１に記載の直流電動機の制御装置。
【請求項３】
上記制御手段は、上記目標値がゼロになる場合に上記目標値として微小値を設定し、この微少値の電流を上記直流電動機に供給することを特徴とする請求項１に記載の直流電動機の制御装置。
【請求項４】
上記制御手段は、上記微小値の電流の供給を開始した後、所定時間経過後に、上記微小値をゼロとすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の直流電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は、例えば、自転車を駆動する補助モータのような直流電動機をPWM制御するのに用いて好適な直流電動機の制御装置に関する。
技術背景
従来より、ペダルに与えられる踏力を検出するとともに、この踏力に見合った補助トルクをモータから発生させ、この補助トルクと人力による踏力との合力により車輪を駆動する補助モータ付き自転車が知られている。この種の補助モータ付き自転車にあっては、運転者が快適に運転することができるようにするために、ペダルに与えられる踏力に対応した補助トルクを正確に発生しなければならない。
補助トルクの制御は、一般にはモータに供給する電流をPWM制御することによって行われる。この場合、スイッチング素子（例えば、FETのゲート）に制御信号を出力することにより、マイクロコンピュータ等の制御装置により演算されたデューティ比のパルス電流がモータへ出力される。また、FETとモータとの間には、メインスイッチがオフにされたときや、FETが破損したときに駆動システムを停止するためのリレーが介装されていることが多い。
また、補助モータ付き自転車では、踏力に対する補助トルクの割合を第１所定速度Vth1（例えば、時速23km）以上では漸減させるとともに、第２所定速度Vth2（例えば、時速26km）に達するとゼロとするような制御が行なわれる。このため、車速が第１しきい値Vth1以上となると、PWMパルスのデューティ比がその超過分に応じて徐々に漸減し、第２所定速度Vth2に達すると、モータによる補助トルクが発生しないように、デューティ比がゼロになって、モータのPWM制御が中断される。
ところで、上記のようなリレーは、メインスイッチがオフにされることにより、励磁コイルへの通電が切れて回路を切るノルマルオープン型のものが使用されており、メインスイッチがオフになってから回路電圧が低下し、ある程度まで低下したときにリレーの接点が離れるようになっている。このため、リレーの接点が離れるまでの間にモータの誘起電圧がFETのゲート・ソース間に逆方向電圧として印加され、FETの故障の原因となっていた。
また、第２所定速度Vth2に達した際に補助トルクをゼロとするような制御を行なうと、その時点からモータに供給する電流のデューティ比がゼロとなる。このため、FETはオフ状態が継続されるよう制御される。この場合、モータへの電流供給が途絶えても、モータは惰性によりすぐには停止せずに発電機として作用するので、モータの端子間には、誘起電圧が継続して発生し、上述の場合と同様に、FETの故障の原因となっていた。
したがって、FETとしては、ゲート−ソース間の定格電圧が高いタイプを採用するか、あるいは、ツェナーダイオードを介挿してゲート−ソース間電圧の上限を一定とするなど何らかの対策が必要となる。
しかしながら、一般に高電圧に耐え得るツェナーダイオードやFETは高価であり、これらの対策では、高コストを招来するという問題があるため、低コストを図る場合には、これら以外の対策によりFETを保護する必要が生じた。
発明の開示
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、製造コストを増加させることなく、不意にメインスイッチがオフにされた場合等に、FETのようなスイッチング素子を保護することができる直流電動機の制御装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明においては、直流電動機の一端および電源間に介装されたスイッチング手段と、上記スイッチング手段がオフ状態となったときに、それまで上記直流電動機に流れていた電流を、当該直流電動機に循環させる循環手段と、上記直流電動機に流れる電流値を検出する電流検出手段と、上記電流検出手段により検出された電流値が目標値と一致するように、上記スイッチング手段のオン／オフをPWM制御する制御手段とを備える直流電動機の制御装置において、上記制御手段は、上記直流電動機を惰性で回転させる場合、上記目標値として微小値を設定し、この微少値の電流を上記直流電動機に供給することを特徴とする。
また、請求項２記載の発明においては、上記制御手段は、上記電源のスイッチがオフになったときに上記目標値として微小値を設定し、この微少値の電流を上記直流電動機に供給することを特徴とする。
また、請求項３記載の発明においては、上記制御手段は、上記目標値がゼロになる場合に上記目標値として微小値を設定し、この微少値の電流を上記直流電動機に供給することを特徴とする。
また、請求項４記載の発明においては、上記制御手段は、上記微小値の電流の供給を開始した後、所定時間経過後に、上記微小値をゼロとすることを特徴する。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１実施形態を適用した補助モータ付き自転車の構成を示すブロック図である。
図２は、同実施形態における補助モータ付き自転車のモータ近傍の回路構成を示す図である。
図３は、同実施形態の動作を示すフローチャートである。
図４は、第２実施形態の動作を示すフローチャートである。
図５は、第３実施形態を適用した補助モータ付き自転車の構成のうち、目標電流値演算手段の構成を示す図である。
図６は、同実施形態における目標電流値演算手段の特性を示す図である。
図７は、変形例における補助モータ付き自転車のモータ近傍の回路構成を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
A.第１実施形態
Ａ−1:第１実施形態の構成
以下、図１ないし図３を参照して本発明の一実施形態について説明する。図１は実施形態の直流電動機の制御装置が使用されている補助モータ付き自転車の駆動システムを示すブロック図である。図１に示すように、この駆動システムは、人の踏力によるトルクを発生する第１駆動源100と、電力に基づく補助トルクを発生する第２駆動源200と、第１駆動源および第２駆動源から発生させられる各トルクを合算して自転車の後輪へと伝達する駆動伝達機構300とから概略構成されている。
このうち、第１駆動源100は、運転者による踏力を受けるペダル101と、このペダル101を介して駆動伝達機構300へ与えられるトルクを検出するトルク検出手段102とを有している。また、第２駆動源200は、バッテリ（この図では図示せず）から供給される電力に基づいてトルクを発生するモータ201と、このトルクを補助トルクとして駆動伝達機構300へ伝達する減速機構202と、モータ201への電流を制御する制御装置250とを有している。ここで、制御装置250は、以下に説明するように、トルク検出手段102により検出されたトルクに見合った補助トルクを得るように、モータ201への電流を制御するようになっている。
入力I/F（インターフェイス）251は、人力によるトルクの大きさを示すトルク情報を、トルク検出手段102から入力する回路である。トルク演算手段252は、このトルク情報に対して所定の演算を施し、モータ201によって発生すべき補助トルクを示すトルクデータを算出する。目標電流値演算手段253は、目標たる電流値、すなわち前記補助トルクを、トルク演算手段252により求められたトルクデータおよび車速検出手段400により検出された車速データから演算して求める。
一方、入力I/F255は、電流検出手段203から出力される検出信号に基づいて、モータ201に実際に流れている電流を入力する。偏差演算手段256は、目標たる電流値と実際に流れている電流値との差分を求める。制御量演算手段257は、この差分をゼロとするような必要な制御量（例えばPWM制御の場合にあっては、モータ201に印加するパルスのデューティ比の補正量）の演算を行なう。出力調整手段258は、上記制御量に基づいてモータ201に流す電流の制御を行なう。
このような構成によって、運転者がペダル101を踏み込むことにより与えられるトルクは、トルク検出手段102により検出される。そして、このトルクに見合った補助トルクの大きさがトルク演算手段252により演算され、この補助トルクを得るのに必要な目標電流値が、目標電流値演算手段253により求められ、偏差演算手段256に出力される。そして、偏差演算手段256→制御量演算手段257→出力調整手段258→電流検出手段203→入力I/F255→偏差演算手段256という経路からなる閉ループよりモータ電流についての負帰還制御が行なわれ、この負帰還制御によりモータ201の電流が目標電流値と一致することとなる。
次に、モータ201近傍の電気的構成について図２を参照して説明する。この図に示すように、バッテリEBの正負両極間には、Nch（チャネル）型のFET206、モータ201（の巻線）およびシャント抵抗203aが直列に接続されている。このうちFET206は、モータ201への通電を制御する。また、FET206がオフ状態である場合に、モータ201による電流（循環電流）の経路を形成すべく、ダイオード201aが、モータ201およびシャント抵抗203aに対して並列に接続され、電流に対するフライホィール的な役割を担っている。
また、シャント抵抗203aには、モータ201に流れる電流と、FET206がオフ状態にあってはダイオード201aを介して流れる電流との総和、すなわちモータ201によって生ずる補助トルクを示す電流が流れる。このようなシャント抵抗203aの両端間において生ずる電圧降下が差動増幅器203bによって検出・増幅され、さらにローパスフィルタ203cにより平滑化される。このように、シャント抵抗203a、差動増幅器203bおよびローパスフィルタ203cからモータ電流の検出手段が構成されて、モータ201に流れる電流の平均値を示す電圧信号が制御装置250に供給されるようになっている。
ブートストラップ回路204およびゲートドライブ205は、FET206が制御装置250からのPWMパルスにしたがってオン／オフするための出力調整手段258を構成するものであり、これらの回路が設けられたのは、次の理由からである。すなわち、この例では、シャント抵抗203aをモータ201からみて低電位側に設けたので、スイッチング用のFET206を、モータ201とバッテリEBの正極との間に介装した構成となる。
ところで、図２に示すように、FET206のソースを接地せずにモータに接続する構成の場合では、FET206のソース電位がモータ201の動作によって変動することになる。この場合に、FET206のオン抵抗を安定させるには、FET206をオン状態とする際のソース電位の変動に拘わらず、ゲート−ソース間に常に一定のバイアス電圧を印加しておく必要がある。このため、ブートストラップ回路204およびゲートドライブ205が設けられているのである。
ブートストラップ回路204は、降圧回路204a、ダイオード204bおよびコンデンサ204cから構成されている。このうち、降圧回路204aは、バッテリEBから供給される24Vの直流電圧を降圧して12Vの直流電圧を出力するものであり、ダイオード204bは、そのアノードが降圧回路204aの出力端に、そのカソードがゲートドライブ205にそれぞれ接続され、また、コンデンサ204cは、その一端がダイオード204bのカソードに、その他端がFET206のソースにそれぞれ接続されている。このような構成によれば、コンデンサ204cへの充電が、降圧回路204aによってダイオード204bを介して行なわれるが、コンデンサ204cは、蓄積した電荷を放電する経路を有さないため、常に一定の電圧に充電されることとなる。ゲートドライブ205は、制御装置250によるPWMパルスに対して、ダイオード204bのカソード電圧（コンデンサ204cの他端に対する一端の電圧）を加えて、FET206のソースに供給する。
次に、FET206のソースとモータ201との間にはリレー210が介装されている。リレー210は、その励磁コイルに通電されることにより回路を接続し、通電が停止されることにより回路を切るノルマルオープン型のものである。このリレー210の励磁コイルには、制御装置250の制御に基づいて励磁電流の供給／停止が行われる。制御装置250は、バッテリEBから供給される電流により作動する。制御装置250とバッテリEBの間には、メインスイッチ220が介装されている。そして、メインスイッチ220がオフにされると、制御装置250は電源電圧の落ち込みを検出し、これによって制御を停止するための処理を行う。すなわち、制御装置250は、電源電圧の落ち込みを確認すると、リレー210の励磁コイルへの通電を停止するように制御する。なお、制御装置250は、内部に備えたコンデンサ等に蓄えられた電力によって、電源の供給が停止された後もしばらくは動作する。
Ａ−2:第１実施形態の動作
次に、図３等を参照して実施形態の直流電動機の制御装置の動作について説明する。図３は、補助モータ付き自転車が運転されて補助トルクが出力されているときに、メインスイッチ220がオフにされたときの動作を示すフローチャートである。メインスイッチ220がオフにされても、モータ201は惰性によりすぐには停止せずに発電機として作用するので、モータ201の端子間には、図２において矢印方向の誘起電圧Ｖφが発生する。FET206のオフ直後では、それまでモータ201に流れていた電流がダイオード201aにより図において反時計回りで循環し、FET206のゲート・ソース間に順方向電圧を印加するため、誘起電圧Ｖφが印加されても問題は生じない。
ところが、循環電流は急速に減衰する一方、それに比べてモータ201の回転はすぐには停止しないので誘起電圧Ｖφが継続して発生し続ける。したがって、循環電流がなくなった後では、FET206のゲート・ソース間に誘起電圧Ｖφがそのまま印加されることになる。一般には、FET206の逆方向の許容電圧は順方向の定格電圧に比べて低いため、FET206のゲート・ソース間に逆方向の誘起電圧Ｖφが印加されると、FET206が破壊される心配があった。
さて、実施形態の直流電流モータの制御装置では、制御装置250がメインスイッチ220がオフにされたか否かを監視し（ステップS1）、バッテリEBから供給される電源電圧が所定以下に達すると、ステップS2へ進んで内蔵したタイマ（図示略）による計時を開始させる。そして、タイマによる計時が所定時間に達したか否かを判定し（ステップS3）、所定時間に達していなければステップS4へ進み、目標電流値演算手段253が目標電流値を「ｂ」に設定する。この目標電流値ｂは、モータ201を回転させるには至らない微少電流である。
次いで、偏差演算手段256→制御量演算手段257→出力調整手段258→電流検出手段203→入力I/F255→偏差演算手段256という経路からなる閉ループによりモータ電流についての負帰還制御を行ない、この負帰還制御によりモータ201に供給される電流が目標電流値「ｂ」となるようにPWM制御を続行する（ステップS5）。このPWM制御の続行によりFET206はPWMの周期毎にオンされるので、循環電流が流れ続ける。これにより、誘起電圧ＶφがFET206のゲート・ソース間に直接印加されるのが防止され、よって、FET206が保護される。そして、以後は、タイマによる計時時間が所定時間に達するまでステップS1〜S5を循環する。
タイマによる計時時間が所定時間に達すると、ステップS3での判定結果は「YES」となり、ステップS6へ進んで目標電流値をゼロに設定する。これにより、以後、FET206はオフの状態となってモータ201のPWM制御は停止される。なお、メインスイッチ220がオフにされない場合には、ステップS1からステップS7へ進んで上記タイマをゼロリセットし、通常のPWM制御を行う。すなわち、実際の踏力トルクに対して所定の割合の補助トルクを発生するべく、モータ201に目標電流値を供給する（ステップS8,S5）。
上記構成の直流電動機の制御装置では、メインスイッチ220がオフになっても、微少な目標電流値「ｂ」を設定し、この微少値の電流をモータ201に供給するから、モータ201に循環電流が流れる。これにより誘起電圧が循環電流によって減殺され、FET206の破損が確実に防止される。しかも、この構成は、制御装置250において目標電流値として微小値「ｂ」を設定する構成のみで良いので、例えばソフトウエアの変更などの比較的小さな設計変更で実現可能となる。
特に、上記実施形態では、所定時間経過までは目標電流値として設定された微小値「ｂ」の電流が所定時間経過するまで直流電動機に供給され、所定時間経過後では、目標値がゼロとなってFET206が完全にオフとなるが、それまでモータ201に流れていた電流は微小値であり、この微小電流はモータ201の回転には寄与しないので、所定時間経過中に直流電動機の回転数は十分に低下する。このため、完全にオフされても、FET206のソース・ドレイン間には、誘起電圧Ｖφがほとんど印加されなくなるので、この場合でも、FET206が保護される。しかも、所定時間経過後では微小電流さえもモータ201に流れないので、消費電力を節約することができる。
B.第２実施形態
次に、図４を参照して本発明の第２実施形態を説明する。この実施形態は、微少電流値「ｂ」の電流の供給停止を、制御装置250が自然に停止することにより行うことを特徴としている。すなわち、制御装置250への電源電流の供給が停止された後は、しばらく制御装置250が動作して微少電流値「ｂ」の電流供給を続けるが（ステップS10〜S12）、制御装置250に蓄えられた電力が放電してしまうと一切の制御を停止する。これにより、微少電流値「ｂ」の設定が行われなくなり、モータ201への電流の供給も停止される。なお、この実施形態においても、メインスイッチがオフにされない場合には、通常のPWM制御を行う。
第２実施形態においても前記第１実施形態と同等の効果を得ることができるのは勿論のこと、この実施形態は、タイマを必要としないためハードの構成がより簡略化されるとともに、ソフトウエアの構成も簡単である。
C.第３実施形態
Ｃ−1:第３実施形態の構成
次に、この発明の第３実施形態の構成について図面を参照して説明する。この実施形態の構成は、図１に示す補助モータ付きの自転車のブロック図において、目標電流値演算手段253を、具体的に図５に示すように構成したものであり、他の構成部分については第1,第２実施形態と同様である。
図５において、トルク−電流変換テーブル253aは、実際の踏力トルクに対して一定割合の補助トルクをモータ201により発生させるべく、トルク演算手段252により算出されたトルクデータを、電流値を示すデータに変換するものである。
速度−トルク比変換テーブル253bは、車速検出手段により検出された車速をトルク比に変換するものであり、その変換特性を図６（ａ）に示す。この図に示すように、速度−トルク比変換テーブル253bでは、トルク比が、車速が第１しきい値Vth1以下では「１」であり、また、車速が第１しきい値Vth1以上第２しきい値Vth2以下では「１」から「０」まで直線的に漸減し、車速が第２しきい値Vth2以上では「０」となる。
速度−補正電流変換テーブル253cは、目標電流値がゼロにならないように、所定期間だけ車速に応じて補正電流を加えるものであり、図６（ａ）に対応する変換特性を図６（ｂ）に示す。この場合、車速が第２しきい値Vth2手前で補正電流が漸増し、車速が第２しきい値Vth2以上になると、補正電流が一定値i0となる。この補正電流i0は、モータ201に供給したとしても、補助トルクが発生しない程度のものである。
さらに、速度−補正電流変換テーブル253cは、車速が第２しきい値Vth2以上となって一定の補正電流i0を所定時間（例えば約２秒）出力したならば、この補正電流i0の供給もゼロとする。ここで所定期間とは、補正電流i0のみの供給においてモータ201の回転数が十分に低下するのに要する時間である。
乗算器253dは、トルク−電流変換テーブル253aにより変換されたデータに、速度−トルク比変換テーブル253bにより変換された乗算係数を乗算する。加算器253eは、乗算器253dの乗算結果と、速度−補正電流変換テーブル253cによる補正電流を加算する。そして、加算器253eの出力が、この目標電流値演算手段253による目標電流値として供給されるようになっている。
Ｃ−2:第３実施形態の動作
次に、第３実施形態の動作について図６を参照して説明する。上述したように、補助モータ付き自転車において、モータ201による補助トルクは、実際の踏力に対し一定の割合で発生するが、ここでは、説明の便宜上一定であるとする。
まず、車速が第１しきい値Vth1以下である場合には、速度−トルク比変換テーブル253bにより出力されるトルク比は「１」であるので（図６（ａ）参照）、通常の制御、すなわち、実際の踏力トルクに対して所定の割合の補助トルクを発生するべく、モータ201に目標電流値iaが供給される。
次に、車速が第１しきい値Vth1以上第２しきい値Vth2以下である場合に、速度−トルク比変換テーブル253bにより出力されるトルク比は、車速に応じて変化する（図６（ａ）参照）。すなわち、車速が第１しきい値Vth1以上となると、踏力に対する補助トルクの割合が漸減し、第２しきい値Vth2でちょうど「０」となる。この際、車速が第２しきい値Vth2手前となると、速度−補正電流変換テーブル253cは、補正電流を出力し始めるので、目標電流値はゼロとはならずに最低でも補正電流i0を維持する（図６（ｂ））。そして、車速が第２しきい値Vth2以上となって、乗算器253dの乗算結果がゼロとなる場合であっても、目標電流値は補正電流i0を維持する（図６（ｃ）参照）。
このため、制御装置250は、モータ201に補正電流i0を流すようにPWM制御を続行することとなる。このPWM制御の続行によりFET206はPWMの周期毎にオンされるので、循環電流が流れ続けて、誘起電圧がソースに直接印加されるのが防止される。これにより、FET206の保護は図られることとなるが、この際に流れる補正電流i0は、補助トルクの発生には寄与しないからまったくの無駄となる。
そこで、この実施形態では、さらに、車速が第２しきい値Vth2以上となって一定の補正電流i0を所定時間だけ出力したならば、この補正電流i0の供給もゼロとするのである。この場合、モータ201に流れる電流は補正電流i0だけであるので、車速が第２しきい値Vth2に達してそれまでモータ201が高回転で回転していたとしても、その回転数は低下する。この回転数低下を見込んで、速度−補正電流変換テーブル253cが補正電流i0の供給を停止し、PWM制御が行なわれなくなってFET206が完全にオフしても、モータ201の回転数が十分に低下しているので、誘起電圧は極めて低い。このため、循環電流がなくなっていたとしても、FET206の保護が図られるのである。
かかる第３実施形態によれば、従来の技術と比較してごくわずかな構成要素で、FET206を保護することが可能となる。しかも、その主な変更点たる目標電流値演算手段253は、ソフトウェア的による処置が可能であるので、ハードウェア的な構成を実質的に変更することなしに実現することができる。
D.変更例
本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、以下のような種々の変更が可能である。
▲１▼上述した第1,第２実施形態において、メインスイッチ220がオフにされたことを電源電圧の降下により検出しているが、メイスイッチ220の操作を機械的あるいは電気的に検出するようにしても良い。
▲２▼上述した第１〜第３実施形態において、スイッチング手段としては、前記FETの他にトランジスタなどその種類は任意である。
▲３▼上述した第３実施形態において、車速が第１しきい値Vth1以下であっても、強い補助トルクを発生している際に突如として踏力をゼロとした場合、しきい値の設定によっては、誘起される電圧が高くなる場合もあり得る。そこで、速度−補正電流変換テーブル253cが、車速だけではなく、トルク−電流変換テーブル253aの出力結果をも入力として、補正電流を出力するようにして良い。
▲４▼上述した第３実施形態において、車速が第２しきい値Vth2以上となった後に、補正電流i0が出力される時間は、第1,第２実施形態と同様に、図3,図４に示すフローチャートの動作を行なうことにより、求めても良い。
▲５▼上述した第３実施形態において、図２に示す補助モータ付き自転車のモータ近傍の回路構成から、リレー210を削除しても良く、この場合のモータ近傍の回路構成は図７に示すものとなる。
E.効果
以上説明したように、この発明によれば次のような効果がある。すなわち、請求項１に記載の発明によれば、直流電動機が惰性で回転している場合に、スイッチング手段の保護を低コストで確実に実現することが可能となる。特に、電源のスイッチがオフされた場合や、目標値がゼロに設定された場合であっても、微小電流を直流電動機に供給するから、スイッチング手段を確実に保護できる（請求項2,3）。さらに、請求項４に記載の発明によれば、スイッチング手段の保護とともに、電力の節約をも図ることが可能となる。
産業上の利用可能性
この発明は、例えば、自転車を駆動する補助モータのような直流電動機をPWM制御する場合に用いて好適であり、その他、PWM制御に用いられるスイッチング手段を保護する場合に用いることができる。
【図４】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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