電機(jī)：俗稱“馬達(dá)”，依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。包括：電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)。

電動(dòng)機(jī)在電路中是用字母M表示，它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；作為用電器或各種機(jī)械的動(dòng)力源，發(fā)電機(jī)在電路中用字母G表示，它的主要作用是利用機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

電機(jī)控制：對電機(jī)的啟動(dòng)、加速、運(yùn)轉(zhuǎn)、減速及停止進(jìn)行的控制。

1.直流有刷電機(jī)

直流有刷電機(jī)(Brushed DC，簡稱BDC)，由于其結(jié)構(gòu)簡單，操控方便，成本低廉，具有良好的偏動(dòng)和調(diào)速性能等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于各種動(dòng)力器件中，小到玩具，按鈕調(diào)節(jié)式汽車座椅，大到印刷機(jī)械等生產(chǎn)機(jī)械中都能看到它的身影。

直流電源的電能通過電刷和換向器進(jìn)入電樞繞組，產(chǎn)生電樞電流，電樞電流產(chǎn)生的磁場與主磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)負(fù)載。

優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低、控制方便
缺點(diǎn)：由于電刷和換向器的存在，有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，故障多，維護(hù)工作量大，壽命短，換向火花易產(chǎn)生電磁干擾。

2.步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)就是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；更通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到個(gè)脈沖信號，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。我們可以通過控制脈沖的個(gè)數(shù)來控制電機(jī)的角位移量，從而達(dá)到精確定位的目的；同時(shí)還可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

優(yōu)點(diǎn)：控制簡單，低速扭矩大，成本低；
缺點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)存在空載啟動(dòng)頻率，所以步進(jìn)電機(jī)可以低速正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但若高于一定速度時(shí)就無法啟動(dòng)，并伴有尖銳的嘯叫聲；同時(shí)，步進(jìn)電機(jī)是開環(huán)控制，控制精度和速度都沒有伺服電機(jī)那么高。

3.伺服電機(jī)

伺服電機(jī)廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)中，能將輸入的電壓信號(或者脈沖數(shù))轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸上的機(jī)械輸出量，拖動(dòng)被控制元件，從而達(dá)到控制目的。伺服電機(jī)系統(tǒng)見下圖。一般地，要求轉(zhuǎn)矩能通過控制器輸出的電流進(jìn)行控制；電機(jī)的反應(yīng)要快、體積要小、控制功率要小。伺服電機(jī)主要應(yīng)用在各種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，尤其是隨動(dòng)系統(tǒng)。

伺服電機(jī)有直流和交流之分，最早的伺服電機(jī)是一般的直流有刷電機(jī)，在控制精度不高的情況下，才采用一般的直流電機(jī)做伺服電機(jī)。當(dāng)前隨著永磁同步電機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，絕大部分的伺服電機(jī)是指交流永磁同步伺服電機(jī)或者直流無刷電機(jī)。

優(yōu)點(diǎn)：可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，效率高，壽命長。
缺點(diǎn)：控制復(fù)雜，價(jià)格昂貴，需要專業(yè)人士才能控制。

4.無刷直流電機(jī)

無刷直流電機(jī)【BLDCM】是在有刷直流電機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展來的，但它的驅(qū)動(dòng)電流是不折不扣的交流。一般地，無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流有兩種，一種是梯形波(方波)，另一種是正弦一般的，把方波驅(qū)動(dòng)的叫做直流無刷電機(jī)(BLDC)；把正弦波驅(qū)動(dòng)的叫做永磁同步電機(jī)(PMSM)，這個(gè)實(shí)際上就是伺服電機(jī)。

直流無刷電機(jī)與伺服電機(jī)有類似的優(yōu)缺點(diǎn)。BLDC電機(jī)比PMSM電機(jī)造價(jià)便宜一些，驅(qū)動(dòng)控制方法簡單一些。

5.直流減速電機(jī)

減速電機(jī)的重要參數(shù)

電機(jī)一般還有一個(gè)最小啟動(dòng)電壓，就是可以使得電機(jī)(無負(fù)載)、開始旋轉(zhuǎn)的電壓值。為保證電機(jī)正常工作，一般需要接到電機(jī)兩端的電壓值范圍為：最小啟動(dòng)電壓至額定電壓。并且在這個(gè)電壓值范圍內(nèi)才認(rèn)為轉(zhuǎn)速與電壓成正比。

電機(jī)線圈是有銅導(dǎo)線繞線而成的，所以其電機(jī)電樞繞組電阻一般都是非常小這樣回路中電流一般都是比較大的。這對我們電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)有很大的影響。

另外，電機(jī)還有一個(gè)比較重要的參數(shù)：扭矩。簡化理解扭矩就是電機(jī)可以帶動(dòng)外部部件旋轉(zhuǎn)的力量，在物理上用轉(zhuǎn)矩來描述，單位為：N.m(常用單位有：Kg.cm)。大扭矩可以帶動(dòng)比較重的東西。一般認(rèn)為：直流電機(jī)的扭矩和電流成正比。

6.直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)：給電機(jī)兩根線供電電機(jī)就可以旋轉(zhuǎn)，給正電壓電機(jī)正轉(zhuǎn)，給相反電壓電機(jī)反轉(zhuǎn)；電壓越大，電機(jī)轉(zhuǎn)得越快，電壓越小，轉(zhuǎn)速也變小。 一般我們利用STM32單片機(jī)可以方便的調(diào)整電機(jī)速度，但STM32的IO接口電壓和電流一般都是非常有限的，電壓是3.3V，電流是8mA，所以為方便控制需要在微控制器和電機(jī)直接添加驅(qū)動(dòng)電路板，該電機(jī)驅(qū)動(dòng)板有兩種輸入線：電源輸入線和控制信號輸入線。電源輸入線一般要求是可以提供電機(jī)額定電源的大電流電源，一般來說電機(jī)所需要的電壓和額定電流是多少，那么就要給電機(jī)驅(qū)動(dòng)板提供多大的電壓和電流，它是給電機(jī)提供動(dòng)力的來源?？刂菩盘柧€與微控制器的信號線連接，是實(shí)現(xiàn)調(diào)速的方法，一般是PWM的可調(diào)方波信號。電機(jī)驅(qū)動(dòng)板還有一個(gè)輸出線，有兩個(gè)接口，它與直流電機(jī)的引腳直接連接。注意，這里的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板輸出線是應(yīng)該一系列電路之后才輸出的，也就是通過輸入信號調(diào)制后的輸出線。機(jī)控制都是必須有驅(qū)動(dòng)器的。

如果不需要正反轉(zhuǎn)控制(單向旋轉(zhuǎn))，可以用下圖驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)電機(jī)單向控速。

◆當(dāng)開關(guān)A和D閉合、B和C斷開時(shí)直流電機(jī)正常旋轉(zhuǎn)，記該旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎较颉?◆當(dāng)開關(guān)B和C閉合、A和D斷開時(shí)直流電機(jī)正常旋轉(zhuǎn)，記該旋轉(zhuǎn)方向?yàn)榉捶较颉?◆當(dāng)開關(guān)A和C閉合、B和D斷開或者當(dāng)開關(guān)B和D閉合、A和C斷開時(shí)直流電機(jī)不旋轉(zhuǎn)。此時(shí)可以認(rèn)為電機(jī)處于“剎車”狀態(tài)，電機(jī)慣性轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的電勢將被短路，形成阻礙運(yùn)動(dòng)的反電勢，形成“剎車”作用。 ◆當(dāng)開關(guān)A和B閉合或者當(dāng)開關(guān)C和D閉合時(shí)直接電源短路，會(huì)燒毀電源，這種情況嚴(yán)禁出現(xiàn)。 ◆當(dāng)開關(guān)A、B、C和D四個(gè)開關(guān)都斷開時(shí)候，認(rèn)為電機(jī)處于“惰行”狀態(tài)，電機(jī)慣性所產(chǎn)生的電勢將無法形成電路，從而也就不會(huì)產(chǎn)生阻礙運(yùn)動(dòng)的反電勢，電機(jī)將慣性轉(zhuǎn)動(dòng)較長時(shí)間。

這樣簡單的控制開關(guān)狀態(tài)就可以控制電機(jī)的選擇方向。從上圖中可以看到，其形狀類似于字母“H”，而作為負(fù)；載的直流電機(jī)是像“橋”一樣架在上面的；所以稱之為“H橋驅(qū)動(dòng)”。4個(gè)開關(guān)所在位置就稱為“橋臂”。在電路中可以做電子開關(guān)的有三極管和MOS管?？梢允褂眠@兩種器件代替開關(guān)從而實(shí)現(xiàn)。

7.H橋電路分析

下面以MOS管搭建的H橋電路解釋電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對MOS管導(dǎo)通。如下圖，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)(此時(shí)必須保Q2和Q3關(guān)斷)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

另一對MOS管2相Q3導(dǎo)通的時(shí)候(此時(shí)必須保證Q1和Q4關(guān)斷)，電流從右至左流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，保證H橋兩個(gè)同側(cè)的MOS管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要，如果MOS管Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會(huì)從電源正極穿過兩個(gè)MOS管直接回到負(fù)極，此時(shí)電路中除了MOS管外沒有其它任何負(fù)載，因此電路上的電流就達(dá)到最大值，燒壞MOS管和電源。Q3和Q4同時(shí)導(dǎo)通是同樣的道理。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，保證H橋兩個(gè)同側(cè)的MOS管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要，如果MOS管Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會(huì)從電源正極穿過兩個(gè)MOS管直接回到負(fù)極，此時(shí)電路中除了MOS管外沒有其它任何負(fù)載，因此電路上的電流就達(dá)到最大值，燒壞MS管和電源。Q3和Q4同時(shí)導(dǎo)通是同樣的道理。

簡單的開關(guān)只能控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，引入PWM控制可以實(shí)現(xiàn)方向和速度調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)占空比實(shí)現(xiàn)控速，占空比越大平均電壓(電流)越大，速度越快PWM頻率一般在10KHz~20KHz之間。頻率太低會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速過低，噪聲較大。頻率太高，會(huì)因?yàn)镸OS管的開關(guān)損耗而降低系統(tǒng)的效率。

根據(jù)不同橋臂的PWM控制方式不同，大致上可以分為三種控制模式：受限單極模式、單極模式、雙極模式。

1.受限單極模式

受限單極模式：電機(jī)電樞驅(qū)動(dòng)電壓極性是單一的

優(yōu)點(diǎn)：控制電路簡單。

缺點(diǎn)：不能剎車，不能能耗制動(dòng)，在負(fù)載超過設(shè)定速度時(shí)不能提供向力矩。調(diào)速靜差大，調(diào)速性能很差，穩(wěn)定性也不好。

2.單極模式

單極模式：電機(jī)電樞驅(qū)動(dòng)電壓極性是單一的。

優(yōu)點(diǎn)：啟動(dòng)快，能加速，剎車，能耗制動(dòng)，能量反饋，調(diào)速性能不如雙極模式好，但是相差不多，電機(jī)特性也比較好。在負(fù)載超速時(shí)也能提供反向力矩。

缺點(diǎn)：剎車時(shí)，不能減速到0，速度接近0速度時(shí)沒有制動(dòng)力。不能突然倒轉(zhuǎn)。動(dòng)態(tài)性能不好，調(diào)速靜差稍大。

PWM和PWMN是互補(bǔ)的PWM信號，一般用高級控制定時(shí)器的通道和互補(bǔ)通道控制。在PWM為高電平時(shí)：MOS管1和4都導(dǎo)通，MOS管2和3都截止，電流從電源正極，經(jīng)過MOS管1，從左到右流過電機(jī)、然后經(jīng)過MOS管4流入電源負(fù)極。在PWM為低電平時(shí)：MOS管2和4都導(dǎo)通，MOS管1和3都截止，根據(jù)楞次定律，存在自感電動(dòng)勢，電流還是從左到右流過電機(jī)，經(jīng)過MOS管4和MOS管2形成電流回路。

3.雙極模式

雙極模式：電樞電壓極性是正負(fù)交替的。

優(yōu)點(diǎn)：能正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，啟動(dòng)快，調(diào)速精度高，動(dòng)態(tài)性能好，調(diào)速靜差小，調(diào)速范圍大，能加速，減速，剎車，倒轉(zhuǎn)，能在負(fù)載超過設(shè)定速度時(shí)，提供反向力矩，能克服電機(jī)軸承的靜態(tài)摩擦力，產(chǎn)生非常低的轉(zhuǎn)速。

缺點(diǎn)：控制電路復(fù)雜。在工作期間，4個(gè)MOS管都處于工作狀態(tài)，功率損耗大，電機(jī)容易發(fā)燙。

PWM1和PWM1N、PWM2和PWM2N是PWM互補(bǔ)通道。使用高級控制定時(shí)器通道和互補(bǔ)通道控制雙極模式中，PWM1和PWM2周期相同，占空比相同，極性相反，使得對角線上的兩個(gè)MOS管同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)斷。

4.H橋硬件電路設(shè)計(jì)

H橋中一般使用4個(gè)N型MOS管來搭建。不用2個(gè)N型MOS管+2個(gè)P型MOS管的原因是：P型MOS管難做到高耐壓大電流的型號，導(dǎo)通電阻大。同樣性能的MOS，N型比P型便宜。

對于NMOS，當(dāng)外部給的柵源極Vgs電壓大于芯片的Vgs閾值(大部分在2V-10V之間)時(shí)，漏極D和源極S之間直接導(dǎo)通。如果外部給的Vgs電壓小于閾值，漏極D和源極S之間截止。

簡單認(rèn)為，就是一個(gè)由柵極G電壓控制的一個(gè)開關(guān)。

假設(shè)圖中N-MOS管的Vgs閾值為3V，VCC=24V。

對于下橋臂Q2MOS管可以使用STM32芯片引腳直接控制，因?yàn)镾TM32的PWM高電平是3.3V足夠使N-MOS管導(dǎo)通。

上橋臂Q1 MOS管無法直接使用STM32芯片引腳使其導(dǎo)通，因?yàn)榧僭O(shè)Q1導(dǎo)通，漏極D和源極S電壓幾乎相等(Rds非常小),即VA=VCC=24V，這樣要求Vg>=VA+Vgs=27V。簡單來說就是，Vg大于27V，Q1導(dǎo)通，小于27V，Q1截止。所以就需要一個(gè)這樣的電路：把STM32的3.3VPWM信號升壓到27V電壓上，這個(gè)電路可以用自舉電路來實(shí)現(xiàn)。

上橋臂驅(qū)動(dòng)：自舉電路

下橋臂驅(qū)動(dòng)：電平控制

實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，一般把Vgs設(shè)置為10~20V，因?yàn)檫@樣保證MOS管完全導(dǎo)通。

還有一個(gè)問題當(dāng)MOS管完全導(dǎo)通時(shí)，MOS管的內(nèi)阻Rds一般來說就比較小在幾毫歐，就相當(dāng)于一根導(dǎo)線。但是當(dāng)MOS管不完全導(dǎo)通時(shí)，也就是說Vgs小于開啟電壓時(shí)，MOS就處于不完全導(dǎo)通狀態(tài)，那么MOS管的內(nèi)阻就比較大，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的電流也比較大。那么MOS的發(fā)熱就會(huì)非常嚴(yán)重，很可能會(huì)燒壞芯片。

5.半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2104S

所謂半橋驅(qū)動(dòng)芯片，便是一塊驅(qū)動(dòng)芯片只能用于控制H橋一側(cè)的2個(gè)MOS管。因此采用半橋驅(qū)動(dòng)芯片時(shí)，需要兩塊該芯片才能控制一個(gè)完整的H橋。

相應(yīng)的，全橋驅(qū)動(dòng)芯片便是可以直接控制4個(gè)MOS管的導(dǎo)通與截止，一塊該芯片便能完成一個(gè)完整H橋的控制。

這里使用的IR2104便是一款半橋驅(qū)動(dòng)芯片，因此在原理圖中可以看到每個(gè)H橋需要使用兩塊此芯片。

1.典型電路設(shè)計(jì)(來源于數(shù)據(jù)手冊)

2.引腳功能(來源于數(shù)據(jù)手冊)

VCC為芯片的電源輸入，手冊中給出的工作電壓為10~20V。

IN和SD作為輸入控制，可共同控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)(轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速和是否轉(zhuǎn)動(dòng))。

VB和VS主要用于形成自舉電路。

HO和LO接到MOS管柵極，分別用于控制上橋臂和下橋臂MOS的導(dǎo)通與截止。

COM腳直接接地即可。

3.自舉電路

此部分是理解該芯片的難點(diǎn)，需要進(jìn)行重點(diǎn)講解。從上面的典型電路圖和最初的設(shè)計(jì)原理圖中均可發(fā)現(xiàn)：該芯片在Vcc和VB腳之間接了一個(gè)二極管，在VB和VS之間接了一個(gè)電容。這便構(gòu)成了一個(gè)自舉電路。

作用：由于負(fù)載(電機(jī))相對于上橋臂和下橋臂MOS位置不同，而MOS的開啟條件為Vgs>Vth，這便會(huì)導(dǎo)致想要上橋臂MOS導(dǎo)通，則其柵極對地所需的電壓較大。

因?yàn)橄聵虮跰OS源極接地，想要導(dǎo)通只需要令其柵極電壓大于開啟電壓Vth。而上橋臂MOS源極接到負(fù)載，如果上橋臂MOS導(dǎo)通，那么其源極電壓將上升到H橋驅(qū)動(dòng)電壓也就是MOS的供電電壓，此時(shí)如果柵極對地電壓不變，那么Vgs可能小于Vth，又關(guān)斷。因此想要使上橋臂MOS導(dǎo)通，必須想辦法使其Vgs始終大于或一段時(shí)間內(nèi)大于Vth(即柵極電壓保持大于MOS管的電源電壓+Vth)。

下圖是IR2104S的內(nèi)部原理框圖。此類芯片的內(nèi)部原理基本類似，右側(cè)兩個(gè)柵極控制腳(HO和LO)均是通過一對PMOS和NMOS進(jìn)行互補(bǔ)控制。

自舉電路工作流程：

以下電路圖均只畫出半橋，另外一半工作原理相同因此省略。假定Vcc=12V，VM=7.4V，MOS管的開啟電壓Vth=6V(不用LR7843的2.3V)。

(1)第一階段：首先給IN輸入PWM信號，使HO和LO通過左側(cè)的內(nèi)部控制電路(使上下兩對互補(bǔ)的PMOS和NMOS對應(yīng)導(dǎo)通)，分別輸出低電平和高電平。此時(shí)外部H橋的上橋臂MOS截止，小橋臂MOS導(dǎo)通，電機(jī)電流順著②線流通。同時(shí)VCC通過自舉二極管(①線)對自舉電容充電，使電容兩端的壓差為Vcc=12V。

(2)第二階段：此階段由芯片內(nèi)部自動(dòng)產(chǎn)生，即死區(qū)控制階段(在H橋中介紹過，不能使上下兩個(gè)MOS同時(shí)導(dǎo)通，否則VM直接通到GND，短路燒毀)。HO和LO輸出均為低電平，上橋臂MOS截止，之前加在下橋臂MOS柵極上的電壓通過①線放電。

(3)第三階段：通過IN引腳輸出PWM使左側(cè)的內(nèi)部MOS管如圖所示導(dǎo)通。由于電容上的電壓不能突變，此時(shí)自舉電容上的電壓(12V)便可以加到上橋臂MOS的柵極和源極上，使得上橋臂MOS也可以在一定時(shí)間內(nèi)保持導(dǎo)通。此時(shí)上橋臂MOS的源極對地電壓≈VM=7.4V，柵極對地電壓≈VM+Vcc=19.4V，電容兩端電壓=12V，因此上橋臂MOS可以正常導(dǎo)通。

注意：因?yàn)榇藭r(shí)電容在持續(xù)放電，壓差會(huì)逐漸減小。最后，電容正極對地電壓(即上橋臂MOS柵極對地電壓)會(huì)降到Vcc，那么上橋臂MOS的柵源電壓便≈Vcc-VM=12V-7.6V=4.4V< Vth=6V，高端MOS仍然會(huì)關(guān)斷。

★ 因此想要使高端MOS連續(xù)導(dǎo)通，必須令自舉電容不斷充放電，即循環(huán)工作在上述的三個(gè)階段(上下橋臂的MOS處于輪流導(dǎo)通的狀態(tài)，控制信號輸入PWM即可)，才能保證上橋臂MOS導(dǎo)通。自舉二極管主要是用來當(dāng)電容放電時(shí)，防止回流到VCC，損壞電路。

★ 但是，在對上面的驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行實(shí)際測試時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)，不需要令其上下橋臂MOS輪流導(dǎo)通也可以正常工作，這是因?yàn)榧词棺耘e電容放電結(jié)束，即上橋臂MOS的柵源電壓下降到4.4V仍然大于LR7843的Vth=2.3V。

那么在上述驅(qū)動(dòng)板中，自舉電路就沒有作用了嗎?當(dāng)然不是，由于MOS管的特性，自舉電路在增加?xùn)旁碐電壓的同時(shí)，還可令MOS管的導(dǎo)通電阻Rds減小，從而減少發(fā)熱損耗，因此仍然建議采用輪流導(dǎo)通的方式，用自舉電容產(chǎn)生的大壓差使MOS管導(dǎo)通工作。

8.原理圖和PCB

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路詳解

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