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    基于LabVIEW的微電機性能測試系統(tǒng)

    2014-08-20 18:24:03牟海濤李玉忍梁波
    現(xiàn)代電子技術(shù) 2014年16期
    關(guān)鍵詞:直流電機試驗臺濾波

    牟海濤+李玉忍+梁波

    摘 要: 利用虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW開發(fā)一種微電機性能測試系統(tǒng)平臺。該測試系統(tǒng)以測功機為核心,集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、波形顯示和試驗環(huán)境控制為一體。測試臺在工控機的控制下自動完成了對兩種規(guī)格無刷直流電動機動/靜態(tài)性能測試和試驗。利用LabVIEW內(nèi)嵌的C語言子程序使系統(tǒng)具有靈活而又強大的數(shù)據(jù)處理能力,且能為以后的數(shù)據(jù)處理提供一個很好的平臺。該試驗臺可較好地模擬現(xiàn)實工況條件,開展多種方式下的微電機性能試驗研究。

    關(guān)鍵詞: LabVIEW; 測功機; RS 232通信; 數(shù)據(jù)處理

    中圖分類號: TN98?34 文獻標識碼: A 文章編號: 1004?373X(2014)16?0117?03

    Micro?motor performance test system based on LabVIEW

    MOU Hai?tao, LI Yu?ren, LIANG Bo

    (College of Automation, Northwest Polytechnical University, Xian 710072, China)

    Abstract: A micro?motor performance test system was developed by means of the virtual instrument platform LabVIEW. The system takes the dynamometer as a core and integrates data acquisition, data processing, waveform display and test environment control as a whole. Under the control of an industrial personal computer, the test bench automatically completed dynamic/static performance testing and experiments of brushless DC electric motors with two specifications. The C language subroutine embedded in LabVIEW was utilized to make the system have extremely powerful and flexible ability of data processing, and provide a good platform for the later data processing. The test bench can simulate the actual working conditions, and carry out experimental study on the micro?motor performance test in various modes.

    Keywords: LabVIEW; dynamometer; RS232 communication; data processing

    隨著多電/全電飛機概念的提出,機載作動設(shè)備逐漸從液壓向電控、電動方向發(fā)展,作為飛機著陸滑跑時重要的機載設(shè)備——飛機剎車系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用[1]。電剎車系統(tǒng)作為一種新型剎車系統(tǒng)來取代傳統(tǒng)液壓剎車系統(tǒng),不僅可以減小剎車系統(tǒng)重量而且控制精度高、控制精確從而提高剎車效率和性能。作為電剎車系統(tǒng)作動機構(gòu)的核心部件——電機的性能好壞直接決定著極其重要的作用。本文設(shè)計一套用于測試電機性能的試驗測試系統(tǒng)。利用計算機軟件對試驗過程進行自適應(yīng)控制以及模糊控制等規(guī)律控制,實現(xiàn)試驗參數(shù)的實時獲取,并以曲線或表格的形式動態(tài)呈現(xiàn)實時參數(shù)等已成為測控領(lǐng)域的整體發(fā)展趨勢[2]。

    本文利用LabVIEW語言[3]編寫了測控系統(tǒng)程序,該測控系統(tǒng)實現(xiàn)了試驗參數(shù)的實時測量,可以實時參數(shù)進行曲線顯示、存儲和報表處理,編制的系統(tǒng)軟件具備人機對話功能,操作簡單、方便,是智能的人機交互系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)可以對兩種不同工作電壓的電機進行性能測試。

    1 系統(tǒng)組成

    該試驗臺主要用于對兩種規(guī)格無刷直流電動機的靜態(tài)和動態(tài)性能進行測試和試驗。一種用于其他小功率電機(160 V DC),另一種用于大功率電機(270 V DC)。

    系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。

    圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    檢測試驗臺可以采用交流220 V AC單相市電供電,也可選用標準的航空28 V DC或270 V DC直流電源供電或者自定義160 V DC,前者用于實驗室,即插即用,無須標準穩(wěn)壓直流電源;后者可用于按照航空直流電壓標準或自定義標準測試。檢測試驗臺由電源、無刷直流電機控制驅(qū)動器(可對無刷直流電機進行控制驅(qū)動)、連續(xù)可調(diào)的加載及控制器、測試顯示記錄臺、無刷電機試驗臺以及部分連接電纜組成[4]。

    2 系統(tǒng)硬件

    2.1 測功機

    測功機是測試電動機輸出參數(shù)的專用設(shè)備,結(jié)合本試驗臺的技術(shù)要求,選取ZC系列測功機,其具體型號和技術(shù)參數(shù)為:型號ZC40KB/W,轉(zhuǎn)速范圍為0~12 000 r/min,運行功率短時為1 200 W,連續(xù)運行功率為800 W。

    2.2 電參數(shù)測量儀

    電參數(shù)測量儀用于測量電機運行時直流穩(wěn)壓電源的電壓、電流等參數(shù)。結(jié)合試驗臺技術(shù)要求選擇DPA?9直流電參數(shù)測量儀。

    2.3 直流穩(wěn)壓電源

    試驗測試臺被測試對象為直流電機,且額定工作電壓為160 V DC和270 V DC功率不小于5 kW可調(diào)電源,為此選擇型號為WL?400,最大輸出電流為30 A的連續(xù)可調(diào)直流穩(wěn)壓電源。該電源體積小、重量輕、電壓范圍寬并可連續(xù)調(diào)節(jié),具有過壓保護和限流、穩(wěn)流作用,且過壓值和限流值可以設(shè)定。

    2.4 電機驅(qū)動控制器

    驅(qū)動控制器主要用來完成對電機的控制,由于本系統(tǒng)有兩種不同工作電壓的無刷直流電機,故需設(shè)計兩種電壓級別的驅(qū)動控制器。

    電機控制器是無刷直流電動機運行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的控制中心,它主要完成以下功能:對各種輸入信號進行邏輯綜合,為驅(qū)動電路提供各種控制信號;產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號,實現(xiàn)電機的調(diào)速;實現(xiàn)短路、過流、欠壓等故障保護功能。系統(tǒng)設(shè)計采用電流環(huán)和速度環(huán)的雙閉環(huán)控制。根據(jù)動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能要求確定PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)??刂破骺傮w框圖如圖2所示。

    3 系統(tǒng)軟件

    3.1 試驗臺測控系統(tǒng)程序流程

    試驗臺測控系統(tǒng)的控制流程如圖3所示。

    3.2 Front Panel 設(shè)計

    在LabVIEW中,程序由VI的Front Panel 和Block Diagram 兩部分組成,應(yīng)用程序的人機界面就是 Front Panel,利用LabVIEW提供的各種控件結(jié)合控件的屬性節(jié)點的設(shè)置可以設(shè)計出儀器化的用戶界面[5]。該試驗臺用戶界面如圖4所示。

    圖2 控制器框圖

    圖3 系統(tǒng)流程圖

    圖4 微電機性能測試臺用戶界面

    根據(jù)測控系統(tǒng)的功能設(shè)計界面為:試驗環(huán)境選擇部分;通信設(shè)置部分;曲線及數(shù)據(jù)顯示部分;狀態(tài)指示部分;電機參數(shù)設(shè)定部分;控制器參數(shù)設(shè)置部分;參數(shù)實際值部分。

    3.3 無刷直流電機的試驗項目

    在計算機的控制下完成無刷直流電機性能測試,并繪制無刷直流電機運行特性曲線,主要包括無刷直流電機輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流、功率、效率等參數(shù),主要功能如下:

    (1) 完成無刷直流電機空載試驗和負載試驗??蓽y試無刷直流電機的電壓、電流、負載轉(zhuǎn)矩,無刷直流電機的響應(yīng)速度以及調(diào)節(jié)的動態(tài)過程。

    (2) 無刷直流電正/反轉(zhuǎn)響應(yīng)頻率測試。無刷直流電機正/反轉(zhuǎn)情況下的響應(yīng)頻率是無刷直流電機的重要性能指標,也是無刷直流電機檢測試驗的主要內(nèi)容。

    (3) 無刷直流電機壽命試驗。可進行無刷直流電機壽命試驗,根據(jù)無刷直流電機的設(shè)計壽命,在計算機控制下,完成無刷直流電機的壽命試驗。也可以完成無刷直流電機帶載條件下的壽命試驗,并對試驗過程的數(shù)據(jù)進行記錄。

    3.4 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

    RS 232是美國電子工業(yè)聯(lián)盟(EIA)制定的串行數(shù)據(jù)通信的接口標準,全稱是EIA?RS?232(簡稱232,RS 232)。通過RS 232可以實現(xiàn)計算機之間、計算機與設(shè)備之間相互通信,目前仍是通信領(lǐng)域廣泛使用的方法之一。RS 232以其方便、經(jīng)濟的實現(xiàn)特點,一直深受工程界的青睞[6]。本文采取通信協(xié)議設(shè)定:端口為COM1,波特率為9 600 b/s,偶校驗,8位數(shù)據(jù)位,1位停止位。RS 232通信程序接收及發(fā)送程序如圖5和圖6所示。

    圖5 RS 232發(fā)送程序

    圖6 RS 232接收程序

    3.5 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計

    為了提高本測量系統(tǒng)的抗干擾性能和減小測量數(shù)據(jù)的誤差,在軟件里采取程序濾波的方法,通過計算機軟件來提高信噪比。

    (1) 中值濾波法:將每次采集的數(shù)據(jù)與前一個的數(shù)據(jù)做比較,當兩數(shù)值之間差大于一定范圍時則認為是干擾信號,此時采用上次的數(shù)值作為本次采集的結(jié)果,否則采用本次采集數(shù)據(jù)。

    [yn=xn-1, xn-xn-1xn-1≥δxn, xn-xn-1xn-1<δ] (1)

    (2) 平均值濾波法:平均值濾波是典型的線性濾波算法。采集幾個周期的數(shù)據(jù),并求其平均值,作為采集數(shù)據(jù)平均值濾波在連續(xù)域中的算法為:

    [yaverage=1Ttt+Tx(t)dt] (2)

    數(shù)字離散化之后的平均值算法為:

    [yaverage=1Ni=kk+Nx(i)] (3)

    通過利用LabVIEW中的移位寄存器實現(xiàn)了平均值濾波算法,先取15個數(shù)的和,再求其平均數(shù)。

    4 結(jié) 語

    本文利用LabVIEW語言編寫了用于微電機性能的測試系統(tǒng),該系統(tǒng)實現(xiàn)了試驗參數(shù)實時測量,參數(shù)曲線顯示、存儲和報表處理,編制的系統(tǒng)軟件具備良好的人機對話功能,操作簡單、方便。利用此測試系統(tǒng)可以對工作在不同工況下的電機進行性能測試。測試結(jié)果證明:該平臺能夠按照測試系統(tǒng)設(shè)計功能要求,成功實現(xiàn)對微電機性能的測試工作。

    參考文獻

    [1] 高凡,李玉忍,梁波.飛機防滑剎車實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2013(2):113?115.

    [2] 李玉忍,韓偉,楊崇剛.基于LabVIEW的墨彩磨損試驗機智能測控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,33(8):178?185.

    [3] 寇韻,李玉忍,梁波.基于LabVIEW的飛機電氣綜合試驗管理系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011,34(14):124?127.

    [4] 逯九利,李玉忍.無刷直流電動機在全電剎車系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微特電機,2005(1):24?26.

    [5] 王磊,陶梅.精通LabVIEW 8.X[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

    [6] 王丁磊.擴展RS?232通信距離的幾種方法[J].安陽大學學報,2003(3):21?22.

    2.4 電機驅(qū)動控制器

    驅(qū)動控制器主要用來完成對電機的控制,由于本系統(tǒng)有兩種不同工作電壓的無刷直流電機,故需設(shè)計兩種電壓級別的驅(qū)動控制器。

    電機控制器是無刷直流電動機運行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的控制中心,它主要完成以下功能:對各種輸入信號進行邏輯綜合,為驅(qū)動電路提供各種控制信號;產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號,實現(xiàn)電機的調(diào)速;實現(xiàn)短路、過流、欠壓等故障保護功能。系統(tǒng)設(shè)計采用電流環(huán)和速度環(huán)的雙閉環(huán)控制。根據(jù)動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能要求確定PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)??刂破骺傮w框圖如圖2所示。

    3 系統(tǒng)軟件

    3.1 試驗臺測控系統(tǒng)程序流程

    試驗臺測控系統(tǒng)的控制流程如圖3所示。

    3.2 Front Panel 設(shè)計

    在LabVIEW中,程序由VI的Front Panel 和Block Diagram 兩部分組成,應(yīng)用程序的人機界面就是 Front Panel,利用LabVIEW提供的各種控件結(jié)合控件的屬性節(jié)點的設(shè)置可以設(shè)計出儀器化的用戶界面[5]。該試驗臺用戶界面如圖4所示。

    圖2 控制器框圖

    圖3 系統(tǒng)流程圖

    圖4 微電機性能測試臺用戶界面

    根據(jù)測控系統(tǒng)的功能設(shè)計界面為:試驗環(huán)境選擇部分;通信設(shè)置部分;曲線及數(shù)據(jù)顯示部分;狀態(tài)指示部分;電機參數(shù)設(shè)定部分;控制器參數(shù)設(shè)置部分;參數(shù)實際值部分。

    3.3 無刷直流電機的試驗項目

    在計算機的控制下完成無刷直流電機性能測試,并繪制無刷直流電機運行特性曲線,主要包括無刷直流電機輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流、功率、效率等參數(shù),主要功能如下:

    (1) 完成無刷直流電機空載試驗和負載試驗??蓽y試無刷直流電機的電壓、電流、負載轉(zhuǎn)矩,無刷直流電機的響應(yīng)速度以及調(diào)節(jié)的動態(tài)過程。

    (2) 無刷直流電正/反轉(zhuǎn)響應(yīng)頻率測試。無刷直流電機正/反轉(zhuǎn)情況下的響應(yīng)頻率是無刷直流電機的重要性能指標,也是無刷直流電機檢測試驗的主要內(nèi)容。

    (3) 無刷直流電機壽命試驗。可進行無刷直流電機壽命試驗,根據(jù)無刷直流電機的設(shè)計壽命,在計算機控制下,完成無刷直流電機的壽命試驗。也可以完成無刷直流電機帶載條件下的壽命試驗,并對試驗過程的數(shù)據(jù)進行記錄。

    3.4 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

    RS 232是美國電子工業(yè)聯(lián)盟(EIA)制定的串行數(shù)據(jù)通信的接口標準,全稱是EIA?RS?232(簡稱232,RS 232)。通過RS 232可以實現(xiàn)計算機之間、計算機與設(shè)備之間相互通信,目前仍是通信領(lǐng)域廣泛使用的方法之一。RS 232以其方便、經(jīng)濟的實現(xiàn)特點,一直深受工程界的青睞[6]。本文采取通信協(xié)議設(shè)定:端口為COM1,波特率為9 600 b/s,偶校驗,8位數(shù)據(jù)位,1位停止位。RS 232通信程序接收及發(fā)送程序如圖5和圖6所示。

    圖5 RS 232發(fā)送程序

    圖6 RS 232接收程序

    3.5 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計

    為了提高本測量系統(tǒng)的抗干擾性能和減小測量數(shù)據(jù)的誤差,在軟件里采取程序濾波的方法,通過計算機軟件來提高信噪比。

    (1) 中值濾波法:將每次采集的數(shù)據(jù)與前一個的數(shù)據(jù)做比較,當兩數(shù)值之間差大于一定范圍時則認為是干擾信號,此時采用上次的數(shù)值作為本次采集的結(jié)果,否則采用本次采集數(shù)據(jù)。

    [yn=xn-1, xn-xn-1xn-1≥δxn, xn-xn-1xn-1<δ] (1)

    (2) 平均值濾波法:平均值濾波是典型的線性濾波算法。采集幾個周期的數(shù)據(jù),并求其平均值,作為采集數(shù)據(jù)平均值濾波在連續(xù)域中的算法為:

    [yaverage=1Ttt+Tx(t)dt] (2)

    數(shù)字離散化之后的平均值算法為:

    [yaverage=1Ni=kk+Nx(i)] (3)

    通過利用LabVIEW中的移位寄存器實現(xiàn)了平均值濾波算法,先取15個數(shù)的和,再求其平均數(shù)。

    4 結(jié) 語

    本文利用LabVIEW語言編寫了用于微電機性能的測試系統(tǒng),該系統(tǒng)實現(xiàn)了試驗參數(shù)實時測量,參數(shù)曲線顯示、存儲和報表處理,編制的系統(tǒng)軟件具備良好的人機對話功能,操作簡單、方便。利用此測試系統(tǒng)可以對工作在不同工況下的電機進行性能測試。測試結(jié)果證明:該平臺能夠按照測試系統(tǒng)設(shè)計功能要求,成功實現(xiàn)對微電機性能的測試工作。

    參考文獻

    [1] 高凡,李玉忍,梁波.飛機防滑剎車實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2013(2):113?115.

    [2] 李玉忍,韓偉,楊崇剛.基于LabVIEW的墨彩磨損試驗機智能測控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,33(8):178?185.

    [3] 寇韻,李玉忍,梁波.基于LabVIEW的飛機電氣綜合試驗管理系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011,34(14):124?127.

    [4] 逯九利,李玉忍.無刷直流電動機在全電剎車系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微特電機,2005(1):24?26.

    [5] 王磊,陶梅.精通LabVIEW 8.X[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

    [6] 王丁磊.擴展RS?232通信距離的幾種方法[J].安陽大學學報,2003(3):21?22.

    2.4 電機驅(qū)動控制器

    驅(qū)動控制器主要用來完成對電機的控制,由于本系統(tǒng)有兩種不同工作電壓的無刷直流電機,故需設(shè)計兩種電壓級別的驅(qū)動控制器。

    電機控制器是無刷直流電動機運行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的控制中心,它主要完成以下功能:對各種輸入信號進行邏輯綜合,為驅(qū)動電路提供各種控制信號;產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號,實現(xiàn)電機的調(diào)速;實現(xiàn)短路、過流、欠壓等故障保護功能。系統(tǒng)設(shè)計采用電流環(huán)和速度環(huán)的雙閉環(huán)控制。根據(jù)動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能要求確定PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)。控制器總體框圖如圖2所示。

    3 系統(tǒng)軟件

    3.1 試驗臺測控系統(tǒng)程序流程

    試驗臺測控系統(tǒng)的控制流程如圖3所示。

    3.2 Front Panel 設(shè)計

    在LabVIEW中,程序由VI的Front Panel 和Block Diagram 兩部分組成,應(yīng)用程序的人機界面就是 Front Panel,利用LabVIEW提供的各種控件結(jié)合控件的屬性節(jié)點的設(shè)置可以設(shè)計出儀器化的用戶界面[5]。該試驗臺用戶界面如圖4所示。

    圖2 控制器框圖

    圖3 系統(tǒng)流程圖

    圖4 微電機性能測試臺用戶界面

    根據(jù)測控系統(tǒng)的功能設(shè)計界面為:試驗環(huán)境選擇部分;通信設(shè)置部分;曲線及數(shù)據(jù)顯示部分;狀態(tài)指示部分;電機參數(shù)設(shè)定部分;控制器參數(shù)設(shè)置部分;參數(shù)實際值部分。

    3.3 無刷直流電機的試驗項目

    在計算機的控制下完成無刷直流電機性能測試,并繪制無刷直流電機運行特性曲線,主要包括無刷直流電機輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流、功率、效率等參數(shù),主要功能如下:

    (1) 完成無刷直流電機空載試驗和負載試驗??蓽y試無刷直流電機的電壓、電流、負載轉(zhuǎn)矩,無刷直流電機的響應(yīng)速度以及調(diào)節(jié)的動態(tài)過程。

    (2) 無刷直流電正/反轉(zhuǎn)響應(yīng)頻率測試。無刷直流電機正/反轉(zhuǎn)情況下的響應(yīng)頻率是無刷直流電機的重要性能指標,也是無刷直流電機檢測試驗的主要內(nèi)容。

    (3) 無刷直流電機壽命試驗。可進行無刷直流電機壽命試驗,根據(jù)無刷直流電機的設(shè)計壽命,在計算機控制下,完成無刷直流電機的壽命試驗。也可以完成無刷直流電機帶載條件下的壽命試驗,并對試驗過程的數(shù)據(jù)進行記錄。

    3.4 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

    RS 232是美國電子工業(yè)聯(lián)盟(EIA)制定的串行數(shù)據(jù)通信的接口標準,全稱是EIA?RS?232(簡稱232,RS 232)。通過RS 232可以實現(xiàn)計算機之間、計算機與設(shè)備之間相互通信,目前仍是通信領(lǐng)域廣泛使用的方法之一。RS 232以其方便、經(jīng)濟的實現(xiàn)特點,一直深受工程界的青睞[6]。本文采取通信協(xié)議設(shè)定:端口為COM1,波特率為9 600 b/s,偶校驗,8位數(shù)據(jù)位,1位停止位。RS 232通信程序接收及發(fā)送程序如圖5和圖6所示。

    圖5 RS 232發(fā)送程序

    圖6 RS 232接收程序

    3.5 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計

    為了提高本測量系統(tǒng)的抗干擾性能和減小測量數(shù)據(jù)的誤差,在軟件里采取程序濾波的方法,通過計算機軟件來提高信噪比。

    (1) 中值濾波法:將每次采集的數(shù)據(jù)與前一個的數(shù)據(jù)做比較,當兩數(shù)值之間差大于一定范圍時則認為是干擾信號,此時采用上次的數(shù)值作為本次采集的結(jié)果,否則采用本次采集數(shù)據(jù)。

    [yn=xn-1, xn-xn-1xn-1≥δxn, xn-xn-1xn-1<δ] (1)

    (2) 平均值濾波法:平均值濾波是典型的線性濾波算法。采集幾個周期的數(shù)據(jù),并求其平均值,作為采集數(shù)據(jù)平均值濾波在連續(xù)域中的算法為:

    [yaverage=1Ttt+Tx(t)dt] (2)

    數(shù)字離散化之后的平均值算法為:

    [yaverage=1Ni=kk+Nx(i)] (3)

    通過利用LabVIEW中的移位寄存器實現(xiàn)了平均值濾波算法,先取15個數(shù)的和,再求其平均數(shù)。

    4 結(jié) 語

    本文利用LabVIEW語言編寫了用于微電機性能的測試系統(tǒng),該系統(tǒng)實現(xiàn)了試驗參數(shù)實時測量,參數(shù)曲線顯示、存儲和報表處理,編制的系統(tǒng)軟件具備良好的人機對話功能,操作簡單、方便。利用此測試系統(tǒng)可以對工作在不同工況下的電機進行性能測試。測試結(jié)果證明:該平臺能夠按照測試系統(tǒng)設(shè)計功能要求,成功實現(xiàn)對微電機性能的測試工作。

    參考文獻

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