CN102983806A - 基于电流模型的异步机定子磁通估计系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电流模型的异步机磁通估计系统，包括定子电流采样单元、定子电压采样单元、电机转速采样单元、坐标变换单元、定子磁通计算单元；其中：所述定子电流采样单元、定子电压采样单元、电机转速采样单元，分别用于采样三相电机的定子三相电流、电压以及电机转子转速；所述坐标变换单元，用于将采样获得的定子三相电流和定子三相电压进行变换得到α轴和β轴的定子电流和电压；所述定子磁通计算单元，用于根据所述α轴和β轴的定子电流、电压以及电机转子转速计算电机的定子磁通幅度。本发明还提供一种对应的方法。本发明通过解耦静止坐标系中α轴和β轴定子磁通估计的互耦项，得到了良好的磁通估计效果。

Description

基于电流模型的异步机定子磁通估计系统及方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，更具体地说，涉及一种基于电流模型的异步机定子磁通估计系统及方法。

背景技术

异步机矢量控制技术包括有速度传感器的矢量控制和无速度传感器的矢量控制。在有速度传感器的矢量控制模式下，为了实现良好的转矩控制线性度和转矩控制精度，通常需要进行磁通的闭环控制，该磁通幅度反馈通常是由磁通估计得到。无速度传感器的矢量控制模式下，为了得到磁场控制角度或者进行速度估计还需要估计电机当前的磁通角度，该磁通角度通常也是通过磁通估计获得。

由此可知，高精度的磁通估计对于异步机矢量控制具有十分重要的意义。现有的基于电流模型的异步机磁通估计方法由静止坐标系上的电机转子磁通公式和转子电压方程推倒而来。其首先采样三相电机电流，然后经过3相/2相交交变换分别得到转换后静止坐标系上α轴/β轴的电流i_sa和i_sβ。

由转子磁通计算公式可得α轴转子磁通ψ_ra、β轴转子磁通ψ_rβ分别为：

ψ_ra＝L_r*i_ra+L_m*i_sa                                  （1）

ψ_rβ＝L_r*i_rβ+L_m*i_sβ                              （2）

其中L_r、L_m、i_ra、i_sa、i_rβ、i_sβ分别电机转子电感、电机互感、α轴转子电流、α轴定子电流、β轴转子电流、β轴定子电流。

根据转子电压方程：

U_ra=R_r*i_ra+pψ_ra+ψ_rβ*w_r                           （3）

U_rβ＝R_r*i_rβ+pψ_rβ-ψ_ra*w_r                        （4）

其中，U_ra、U_rβ、R_r、p、w_r分别为α轴转子电压、β轴转子电压、电机转子电阻、微分算子、电机转子速度。

由于异步电机转子为闭环线圈，转子电压为0，所以U_ra=0；U_rβ=0，即：

0=R_r*i_ra+pψ_ra+ψ_rβ*w_r                        （5）

0=R_r*i_rβ+pψ_rβ-ψ_ra*w_r                       （6）

定子磁通计算公式：

ψ_sa=L_s*i_sa+L_m*i_ra                             （7）

ψ_sβ＝L_s*i_sβ+L_m*i_rβ                         （8）

其中，ψ_sa、ψ_sβ分别为α轴定子磁通、β轴定子磁通。

联合式（1）-（2）和式（7）-（8）可求解得到ψ_sa和ψ_sβ：

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sa}}=\frac{L_m}{L_r}*{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ra}}+{\mathrm{\σL}}_s*i_{\mathrm{sa}}---\left(9\right)$

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}=\frac{L_m}{L_r}*{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{r\β}}+{\mathrm{\σL}}_s*i_{\mathrm{s\β}}---\left(10\right)$

其中， ${\mathrm{\σL}}_s=L_s-\frac{L_m*L_m}{L_r}$ 为电机漏感系数。

由此可知，现有的磁通估计方案可以电机整个速度范围内估计得到正确的磁通幅度ψ_r和磁场同步角度θ_r。

然而，由于上述公式（9）和（10）中，α轴和β轴定子磁通计算需要使用转子磁通，因此该方案估计得到的的定子磁通仅在电机转子转速w_r为0hz附近时是准确的。随着电机转子转速w_r增大，定子磁通估计值和相位误差逐渐变大。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述磁通估计中随着电机转子转速增大而相位误差变大的问题，提供一种基于电流模型的异步机磁通估计系统及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种基于电流模型的异步机定子磁通估计系统，包括定子电流采样单元、定子电压采样单元、电机转速采样单元、坐标变换单元、定子磁通计算单元；其中：所述定子电流采样单元，用于采样三相电机的定子三相电流；所述定子电压采样单元，用于采样三相电机的定子三相电压；所述电机转速采样单元，用于采样电机转子转速；所述坐标变换单元，用于将采样获得的定子三相电流进行变换得到静止坐标系下的α轴和β轴的定子电流，并将采样获得的定子三相电压进行变换得到静止坐标系下的α轴和β轴的定子电压；所述定子磁通计算单元，用于根据所述α轴和β轴的定子电流、α轴和β轴的定子电压以及电机转子转速计算电机的定子磁通幅度。

在本发明所述的基于电流模型的异步机定子磁通估计系统中，所述定子磁通计算单元使用定子磁通表达式计算α轴定子磁通ψ_sa和β轴定子磁通ψ_sβ，并使用定子磁通幅度表达式计算定子磁通幅度ψ_s，其中：

所述定子磁通表达式为：

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sa}}=\frac{L_s*i_{\mathrm{sa}}*R_r^2-L_s*i_{\mathrm{s\β}}*L_r*R_r*w_r-L_m*R_r*A+w_r*L_r*L_m*B+{\mathrm{\σL}}_s*i_{\mathrm{s\β}}*L_r*R_r*w_r+{\mathrm{\σL}}_s*i_{\mathrm{s\α}}*{(L_r*w_r)}^2}{w_r^2*L_r^2+R_r^2},$

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}=\frac{L_s*i_{\mathrm{s\β}}*R_r^2+L_s*i_{\mathrm{s\β}}*L_r*R_r*w_r-L_m*R_r*B-w_r*L_r*L_m*A-{\mathrm{\σL}}_s*i_{\mathrm{s\α}}*L_r*R_r*w_r+{\mathrm{\σL}}_s*i_{\mathrm{s\β}}*{(L_r*w_r)}^2}{w_r^2*L_r^2+R_r^2},$

其中 $A=(U_{\mathrm{sa}}-R_s*i_{\mathrm{sa}}-\mathrm{\σLs}*{\mathrm{pi}}_{\mathrm{sa}})*\frac{L_r}{L_m},$ $B=(U_{\mathrm{s\β}}-R_s*i_{\mathrm{s\β}}-\mathrm{\σ}{L}_s*{\mathrm{pi}}_{\mathrm{s\β}})*\frac{L_r}{L_m},$ 上述Ls、Lr、L_m、R_r、i_sa、i_sβ、w_r、U_sa、U_sβ、R_s、p分别为电机定子电感、电机转子电感、电机互感、电机转子电阻、α轴定子电流、β轴定子电流、电机转子速度、α轴定子电压、β轴定子电压、电机定子电阻、微分算子，为电机漏感系数；

所述定子磁通幅度表达式为：

在本发明所述的基于电流模型的异步机定子磁通估计系统中，所述定子磁通估计系统还包括电机控制单元，用于根据所述定子磁通计算单元获得的定子磁通幅度并利用该定子磁通幅度与指令磁通幅度调节得到励磁电流，以控制电机磁通。

本发明还提供一种基于电流模型的异步机定子磁通估计方法，包括以下步骤：

（a）分别采样三相电机的定子三相电流、定子三相电压以及电机转子转速；

（b）根据所述定子三相电流变换得到静止坐标系下的α轴和β轴的定子电流，并根据所述定子三相电压变换得到静止坐标系下的α轴和β轴的定子电压；

（c）根据所述α轴和β轴的定子电流、α轴和β轴的定子电压以及电机转子转速计算电机的定子磁通幅度。

在本发明所述的基于电流模型的异步机定子磁通估计方法中，所述步骤（c）包括：

（c1）根据静止坐标系下的α轴和β轴的定子电流、静止坐标系下的α轴和β轴的定子电压以及电机转子转速计算α轴定子磁通和β轴定子磁通，所述α轴定子磁通β_sa和β轴定子磁通β_sβ分别为：

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sa}}=\frac{L_s*i_{\mathrm{sa}}*R_r^2-L_s*i_{\mathrm{s\β}}*L_r*R_r*w_r-L_m*R_r*A+w_r*L_r*L_m*B+{\mathrm{\σL}}_s*i_{\mathrm{s\β}}*L_r*R_r*w_r+{\mathrm{\σL}}_s*i_{\mathrm{s\α}}*{(L_r*w_r)}^2}{w_r^2*L_r^2+R_r^2},$

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}=\frac{L_s*i_{\mathrm{s\β}}*R_r^2+L_s*i_{\mathrm{s\β}}*L_r*R_r*w_r-L_m*R_r*B-w_r*L_r*L_m*A-{\mathrm{\σL}}_s*i_{\mathrm{s\α}}*L_r*R_r*w_r+{\mathrm{\σL}}_s*i_{\mathrm{s\β}}*{(L_r*w_r)}^2}{w_r^2*L_r^2+R_r^2},$

其中 $A=(U_{\mathrm{sa}}-R_s*i_{\mathrm{sa}}-\mathrm{\σLs}*{\mathrm{pi}}_{\mathrm{sa}})*\frac{L_r}{L_m},$ $B=(U_{\mathrm{s\β}}-R_s*i_{\mathrm{s\β}}-\mathrm{\σ}{L}_s*{\mathrm{pi}}_{\mathrm{s\β}})*\frac{L_r}{L_m},$ 上述Ls、Lr、L_m、R_r、i_sa、i_sβ、w_r、U_sa、U_sβ、R_s、p分别为电机定子电感、电机转子电感、电机互感、电机转子电阻、α轴定子电流、β轴定子电流、电机转子速度、α轴定子电压、β轴定子电压、电机定子电阻、微分算子，为电机漏感系数；

（c2）分别根据定子磁通幅度计算公式计算定子磁通幅度ψ_s，所述定子磁通幅度计算公式为： ${\mathrm{\ψ}}_s=\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sa}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}^2}.$

在本发明所述的基于电流模型的异步机定子磁通估计方法中，所述步骤（c）之后包括：根据所述步骤（c）中获得的定子磁通幅度并利用该定子磁通幅度与指令磁通幅度调节得到励磁电流，以控制电机磁通。

本发明的基于电流模型的异步机定子磁通估计系统及方法，通过解耦静止坐标系中α轴和β轴定子磁通估计的互耦项，解决了已有电流模型定子磁通估计在速度不为零时的不准确问题，得到了良好的磁通估计效果。

附图说明

图1是现有基于电流模型的异步机定子磁通估算方案的示意图。

图2是本发明基于电流模型的异步机定子磁通估计系统实施例的示意图。

图3是本发明基于电流模型的异步机定子磁通估计方法实施例的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2所示，是本发明基于电流模型的异步机磁通估计系统实施例的示意图。在本实施例中，磁通估计系统包括定子电流采样单元31、定子电压采样单元22、电机转速采样单元23、坐标变换单元24、定子磁通计算单元25。上述电流采样单元31、定子电压采样单元22、电机转速采样单元23、坐标变换单元24、定子磁通计算单元25可基于现有的电机控制装置并结合软件实现，也可采用新的硬件设备及软件实现。

定子电流采样单元21用于采样三相电机的定子三相电流。定子电压采样单元22用于采样三相电机的定子三相电压。电机转速采样单元23用于采样电机转子转速。

坐标变换单元24用于将采样获得的定子三相电流进行变换得到静止坐标系下的α轴和β轴的定子电流，并将采样获得的定子三相电压进行变换得到静止坐标系下的α轴和β轴的定子电压。具体地，该坐标变换单元24使用3相/2相交交变换实现坐标变换。在实际应用中，上述坐标变换单元24也可由两个子单元构成，该两个子单元分别用于实现电流变换和电压变换。

定子磁通计算单元25用于根据α轴和β轴的定子电流、α轴和β轴的定子电压以及电机转子转速计算电机的定子磁通幅度。该定子磁通计算单元25可解决已有电流模型磁通估计在速度不为零时的不准确问题，得到了良好的磁通估计效果。

上述定子磁通计算单元25使用定子磁通表达式计算α轴定子磁通ψ_sa、和β轴定子磁通ψ_sβ，并使用磁通定子磁通幅度表达式计算定子磁通幅度ψ_s，其中定子磁通表达式为：

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sa}}=\frac{L_s*i_{\mathrm{sa}}*R_r^2-L_s*i_{\mathrm{s\β}}*L_r*R_r*w_r-L_m*R_r*A+w_r*L_r*L_m*B+{\mathrm{\σL}}_s*i_{\mathrm{s\β}}*L_r*R_r*w_r+{\mathrm{\σL}}_s*i_{\mathrm{s\α}}*{(L_r*w_r)}^2}{w_r^2*L_r^2+R_r^2}---\left(11\right)$

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}=\frac{L_s*i_{\mathrm{s\β}}*R_r^2+L_s*i_{\mathrm{s\β}}*L_r*R_r*w_r-L_m*R_r*B-w_r*L_r*L_m*A-{\mathrm{\σL}}_s*i_{\mathrm{s\α}}*L_r*R_r*w_r+{\mathrm{\σL}}_s*i_{\mathrm{s\β}}*{(L_r*w_r)}^2}{w_r^2*L_r^2+R_r^2}---\left(12\right)$

其中 $A=(U_{\mathrm{sa}}-R_s*i_{\mathrm{sa}}-\mathrm{\σLs}*{\mathrm{pi}}_{\mathrm{sa}})*\frac{L_r}{L_m},$ $B=(U_{\mathrm{s\β}}-R_s*i_{\mathrm{s\β}}-\mathrm{\σ}{L}_s*{\mathrm{pi}}_{\mathrm{s\β}})*\frac{L_r}{L_m},$ 上述Ls、Lr、L_m、R_r、i_sa、i_sβ、w_r、U_sa、U_sβ、R_s、p分别为电机定子电感、电机转子电感、电机互感、电机转子电阻、α轴定子电流、β轴定子电流、电机转子速度、α轴定子电压、β轴定子电压、电机定子电阻、微分算子，

为电机漏感系数；

定子磁通幅度表达式为：上述定子磁通幅度可以作为定子磁场定向控制模式下的定子磁通闭环控制的反馈量。

上述定子磁通表达式可由定子磁通计算公式（7）、（8），定子电压方程（13）、（14），转子电压方程（5）、（6），定子磁通表达式（9）、（10）推导得出。其中，定子电压方程为：

U_sa=R_s*i_sa+pψ_sa                                      （13）

U_sβ＝R_s*i_sβ+pψ_sβ                                  （14）

上式中U_sa、U_sβ、R_s、分别为α轴定子电压、β轴定子电压、电机定子电阻。

具体地，上述定子磁通表达式可通过以下方式获取：首先将定子磁通表达式（9）、（10）代入定子电压方程（13）、（14）可得：

${\mathrm{p\ψ}}_{\mathrm{ra}}=(U_{\mathrm{sa}}-R_s*i_{\mathrm{sa}}-\mathrm{\σLs}*{\mathrm{pi}}_{\mathrm{sa}})*\frac{L_r}{L_m}---\left(15\right)$

${\mathrm{p\ψ}}_{\mathrm{r\β}}=(U_{\mathrm{s\β}}-R_s*i_{\mathrm{s\β}}-\mathrm{\σ}{L}_s*{\mathrm{pi}}_{\mathrm{s\β}})*\frac{L_r}{L_m}---\left(16\right)$

其中 ${\mathrm{\σL}}_s=L_s-\frac{L_m*L_m}{L_r}$ 为电机漏感系数。

并将由定子磁通计算公式（7）-（8）变换获得的i_ra、i_rβ的表达式代入转子电压方程（5）和（6）并通过公式（9）和（10）用ψ_sa、ψ_sβ表达式分别替代变量ψ_ra、ψ_rβ变形可得：

R_γ*ψ_sα-L_s*i_sα*R_γ+L_m*pψ_ra+w_γ*L_γ*(ψ_sβ-σL_s*i_sβ)=0       （17）

R_γ*ψ_sβ-L_s*i_sβ*R_γ+L_m*pψ_rβ-w_γ*L_γ*(ψ_sα-σL_s*i_sα)=0      （18）

再将公式（15）和（16）代入公式（17）和（18），然后求解一个二元一次方程组即可得到α轴定子磁通、β轴定子磁通的表达式（11）和（12）。

本发明通过引入定子电压方程，联合已有技术中的定子磁通计算公式和转子电压方程通过方程求解得到了α轴和β轴上相互独立的磁通计算公式。相对于已有技术仅能在电机转速为零估计得到准确的磁通幅度和相位，本发明克服了原有技术方案中随着电机转速增加定子磁通幅度和相位估计误差不断增大的问题。

上述定子磁通幅度

可以作为定子磁场定向控制模式下的定子磁通闭环控制的反馈量，利用估计的定子磁通幅度与指令磁通幅度做闭环调节得到控制电机磁通的励磁电流。该励磁电流可作为控制电机的励磁电流指令。同没有磁通闭环控制的方案比，可以提高控制电机的磁通控制精度。

如图3所示，是本发明基于电流模型的异步机磁通估计方法，包括以下步骤：

步骤S31：分别采样三相电机的定子三相电流、定子三相电压以及电机转子转速。

步骤S32：根据定子三相电流变换得到静止坐标系下的α轴和β轴的定子电流，并根据定子三相电压变换得到静止坐标系下的α轴和β轴的定子电压。

步骤S33：根据α轴和β轴的定子电流、α轴和β轴的定子电压以及电机转子转速计算电机的定子磁通幅度。

具体地，在该步骤中，首先根据静止坐标系下的α轴和β轴的定子电流、静止坐标系下的α轴和β轴的定子电压以及电机转子转速计算α轴定子磁通和β轴定子磁通，上述α轴定子磁通ψ_sa、和β轴定子磁通ψ_sβ分别为：

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sa}}=\frac{L_s*i_{\mathrm{sa}}*R_r^2-L_s*i_{\mathrm{s\β}}*L_r*R_r*w_r-L_m*R_r*A+w_r*L_r*L_m*B+{\mathrm{\σL}}_s*i_{\mathrm{s\β}}*L_r*R_r*w_r+{\mathrm{\σL}}_s*i_{\mathrm{s\α}}*{(L_r*w_r)}^2}{w_r^2*L_r^2+R_r^2}$

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}=\frac{L_s*i_{\mathrm{s\β}}*R_r^2+L_s*i_{\mathrm{s\β}}*L_r*R_r*w_r-L_m*R_r*B-w_r*L_r*L_m*A-{\mathrm{\σL}}_s*i_{\mathrm{s\α}}*L_r*R_r*w_r+{\mathrm{\σL}}_s*i_{\mathrm{s\β}}*{(L_r*w_r)}^2}{w_r^2*L_r^2+R_r^2},$

其中 $A=(U_{\mathrm{sa}}-R_s*i_{\mathrm{sa}}-\mathrm{\σLs}*{\mathrm{pi}}_{\mathrm{sa}})*\frac{L_r}{L_m},$ $B=(U_{\mathrm{s\β}}-R_s*i_{\mathrm{s\β}}-\mathrm{\σ}{L}_s*{\mathrm{pi}}_{\mathrm{s\β}})*\frac{L_r}{L_m},$ 上述Ls、Lr、L_m、R_r、i_sa、i_sβ、w_r、U_sa、U_sβ、R_s、p分别为电机定子电感、电机转子电感、电机互感、电机转子电阻、α轴定子电流、β轴定子电流、电机转子速度、α轴定子电压、β轴定子电压、电机定子电阻、微分算子，

为电机漏感系数；

然后计算定子磁通幅度：

在步骤S33之后，还可包括根据上述定子磁通幅度控制电机运转：利用估计的磁通幅度与磁通幅度指令做磁通闭环控制，计算励磁电流指令。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于电流模型的异步机定子磁通估计系统，其特征在于：包括定子电流采样单元、定子电压采样单元、电机转速采样单元、坐标变换单元、定子磁通计算单元；其中：所述定子电流采样单元，用于采样三相电机的定子三相电流；所述定子电压采样单元，用于采样三相电机的定子三相电压；所述电机转速采样单元，用于采样电机转子转速；所述坐标变换单元，用于将采样获得的定子三相电流进行变换得到静止坐标系下的α轴和β轴的定子电流，并将采样获得的定子三相电压进行变换得到静止坐标系下的α轴和β轴的定子电压；所述定子磁通计算单元，用于根据所述α轴和β轴的定子电流、α轴和β轴的定子电压以及电机转子转速计算电机的定子磁通幅度。 

2.根据权利要求1所述的基于电流模型的异步机定子磁通估计系统，其特征在于：所述定子磁通计算单元使用定子磁通表达式计算α轴定子磁通                                               

和β轴定子磁通

，并使用定子磁通幅度表达式计算定子磁通幅度

，其中：

所述定子磁通表达式为：

,

,

其中A =，B =

，上述

、

、

、

、

、

、

、

、

、

、

分别为电机定子电感、电机转子电感、电机互感、电机转子电阻、α轴定子电流、β轴定子电流、电机转子速度、α轴定子电压、β轴定子电压、电机定子电阻、微分算子，

为电机漏感系数；

所述定子磁通幅度表达式为：。

3.根据权利要求1或2所述的基于电流模型的异步机定子磁通估计系统，其特征在于：所述定子磁通估计系统还包括电机控制单元，用于根据所述定子磁通计算单元获得的定子磁通幅度并利用该定子磁通幅度与指令磁通幅度调节得到励磁电流，以控制电机磁通。

4.一种基于电流模型的异步机定子磁通估计方法，其特征在于：包括以下步骤：

（a）分别采样三相电机的定子三相电流、定子三相电压以及电机转子转速；

（b）根据所述定子三相电流变换得到静止坐标系下的α轴和β轴的定子电流，并根据所述定子三相电压变换得到静止坐标系下的α轴和β轴的定子电压；

（c）根据所述α轴和β轴的定子电流、α轴和β轴的定子电压以及电机转子转速计算电机的定子磁通幅度。

5.根据权利要求4所述的基于电流模型的异步机定子磁通估计方法，其特征在于：所述步骤（c）包括：

（c1）根据静止坐标系下的α轴和β轴的定子电流、静止坐标系下的α轴和β轴的定子电压以及电机转子转速计算α轴定子磁通和β轴定子磁通，所述α轴定子磁通

和β轴定子磁通

分别为：

,

,

其中A =

，B =，上述

、

、

、、

、

、

、

、、、分别为电机定子电感、电机转子电感、电机互感、电机转子电阻、α轴定子电流、β轴定子电流、电机转子速度、α轴定子电压、β轴定子电压、电机定子电阻、微分算子，

为电机漏感系数；

（c2）分别根据定子磁通幅度计算公式计算定子磁通幅度

，所述定子磁通幅度计算公式为：。

6.根据权利要求4或5所述的基于电流模型的异步机定子磁通估计方法，其特征在于：所述步骤（c）之后包括：根据所述步骤（c）中获得的定子磁通幅度并利用该定子磁通幅度与指令磁通幅度调节得到励磁电流，以控制电机磁通。

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