JP2013248903A - 車両の後輪トー角制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実トー角センサの出力が故障により一定値で固定した場合や、電動アクチュエータに電力を供給しているにもかかわらず後輪トー角が変化しない場合に、電動モータの過熱を予防するとともに、過大な電力供給を抑制できる後輪操舵装置を提供する。
【解決手段】左右の後輪にそれぞれ設けられ、後輪のトー角を変化させる電動アクチュエータ１１と、後輪の目標トー角δｒｔｇｔを設定する目標トー角設定部５１と、後輪の実トー角δｒａｃｔを検出する後輪トー角センサ１７と、目標トー角δｒｔｇｔと実トー角δｒａｃｔとの偏差Δδｒに基づいて電動アクチュエータ１１をＰＷＭ方式で駆動制御するＰＩＤ制御部５２とを備えた後輪操舵装置において、後輪トー角センサ１７の検出値から実トー角速度ｄδｒ／ｄｔを算出する微分器７０を更に備え、ＰＩＤ制御部５２が、実トー角速度ｄδｒ／ｄｔに応じてデューティー比Ｄの上限を規定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、電動アクチュエータを駆動制御して後輪を転舵する車両の後輪操舵装置に係り、電動アクチュエータへの過大な電力供給を抑制する技術に関する。

近年、車両の回頭性や操縦安定性を向上させるために、後輪のトー角を可変制御する後輪操舵装置を備えた４輪操舵車両が開発されている。後輪操舵装置としては、後輪を支持するサスペンションにおけるラテラルリンクあるいはトレーリングリンクの車体との連結部に電動アクチュエータを左右後輪にそれぞれ設け、これら電動アクチュエータを駆動制御することによって左右の後輪のトー角を個別に可変制御できるように構成したものが知られている（例えば、特許文献１）。

電動アクチュエータとしては、電動モータと送りねじ機構などとを用いたものが用いられることがある。このような電動アクチュエータは、実トー角センサにより検出した後輪の実トー角と設定した目標トー角との偏差に基づいて電動モータをＰＷＭ方式で駆動制御することで後輪を目標トー角に転舵する。

このような４輪操舵車両では、後輪操舵装置の故障によって運転者の期待しない舵角調整が実施されると運転フィールが悪化することになる。そこで、後輪駆動用の電動モータに温度を検出する過熱センサを設け、過熱センサが電動モータの過熱を検出した場合、後輪操舵制御を中止するとともに、後輪を中立位置に戻す方向に電動モータを駆動するようにした発明が提案されている（特許文献２）。

特開平９−３０４３８号公報 特開平８−２０７８０９号公報

ところで、４輪操舵車両では、実トー角センサの出力が故障により一定値で固定したり、電動アクチュエータに電力を供給しているにもかかわらず、後輪トー角が変化しない状態になったりすることがある。しかしながら、特許文献２の発明では、このような場合に電動モータが過熱した後に後輪操舵制御を中止することはできても、電動モータが過熱するまでの間は、過大な電流を流し続けることになる。

本発明は、このような従来技術に含まれる課題を解消するべく案出されたものであり、実トー角センサの出力が故障により一定値で固定した場合や、電動アクチュエータに電力を供給しているにもかかわらず後輪トー角が変化しない場合に、電動モータの過熱を予防するとともに、過大な電力供給を抑制することのできる後輪操舵装置を提供することをその目的とする。

このような課題を解決するために、本発明の一側面によれば、左右の後輪（５）にそれぞれ設けられ、後輪トー角を変化させる電動アクチュエータ（１１）と、後輪の目標トー角（δｒｔｇｔ）を設定する目標トー角設定手段（５１）と、後輪の実トー角（δｒａｃｔ）を検出する実トー角検出手段（１７）と、前記目標トー角と前記実トー角との偏差（Δδｒ）に基づいて前記電動アクチュエータをＰＷＭ方式で駆動制御する制御手段（５２）とを備えた後輪操舵装置（１０）であって、実トー角速度（ｄδｒ／ｄｔ）を検出する実トー角速度検出手段（１７・７０）を更に備え、前記制御手段（５２）が、前記実トー角速度に応じてＰＷＭ制御におけるデューティー比（Ｄ）の上限を規定する構成とする。

この構成によれば、制御手段が、実トー角速度に応じてＰＷＭ制御のデューティー比を上限値で規制するため、実トー角センサの出力が一定値で固定した場合や、電動アクチュエータに電力を供給しているにもかかわらず後輪トー角が変化しない場合に、過大な電力が供給されることを抑制できる。また、電動アクチュエータが作動していないにもかかわらず過大な電力が供給されると、発生する磁束により電動アクチュエータの永久磁石が減磁されることがあるが、デューティー比の上限が規定されるため、永久減磁も防ぐことができる。

また、本発明の一側面によれば、前記制御手段（５２）が、前記デューティー比（Ｄ）の上限を、前記実トー角速度が増加するにつれて大きくなるように設定する構成とすることができる。

この構成によれば、実トー角速度が比較的大きな場合にはデューティー比の制限を抑制し、実トー角速度が比較的小さな場合にはデューティー比の制限を促進するため、過大な電力供給を効果的に抑制することができる。

また、本発明の一側面によれば、前記実トー角速度検出手段は、前記実トー角検出手段（１７）が検出した実トー角を演算することにより前記実トー角速度を検出する構成とすることができる。

電動アクチュエータをＰＩ制御またはＰＩＤ制御する場合、実トー角センサが故障し、後輪が実トー角を発生させているにもかかわらずセンサ値として０が出力される場合、デューティー比が増加してしまい、大電力が消費されることになるが、このような構成とすることにより、実トー角センサの検出値に基づいて検出されるために実トー角速度も０となり、デューティー比の制限を促進するため、過大な電力供給を効果的に抑制することができる。さらに、このような場合に大きなデューティー比がそのまま出力された場合には、電動アクチュエータが高速作動して後輪の転舵速度が高くなるが、デューティー比が制限されることで、電動アクチュエータの作動速度を一定以下に抑えることができる。

このように本発明によれば、実トー角センサの出力が故障により一定値で固定した場合や、電動アクチュエータに電力を供給しているにもかかわらず後輪トー角が変化しない場合に、電動モータの過熱を予防するとともに、過大な電力供給を抑制することのできる後輪操舵装置を提供することができる。

実施形態に係る後輪トー角可変車両の概略構成図 図１に示す左側後輪トー角機構の斜視図 図２に示す電動アクチュエータの縦断面図 実施形態に係る後輪トー角制御装置の概略構成を示すブロック図 図４中のデューティー比補正部の詳細ブロック図

以下、本発明を適用した後輪トー角可変車両（以下、自動車Ｖと記す。）の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。説明にあたり、車輪やそれらに対して配置された部材、すなわち、タイヤや電動アクチュエータ等については、それぞれ数字の符号に左右を示す添字ＬまたはＲを付して、例えば、後輪５Ｌ（左）、後輪５Ｒ（右）と記し、左右を特定しない場合あるいは総称する場合には、後輪５などと記す。

図１に示すように、自動車Ｖの車体１には、タイヤ２Ｌ，２Ｒが装着された前輪３Ｌ，３Ｒと、タイヤ４Ｌ，４Ｒが装着された後輪５Ｌ，５Ｒとが設置されており、これら前輪３Ｌ，３Ｒおよび後輪５Ｌ，５Ｒが、左右のフロントサスペンション６Ｌ，６Ｒおよびリヤサスペンション７Ｌ，７Ｒによってそれぞれ車体１に懸架されている。

自動車Ｖには、ステアリングホイール８の操舵により、ラックアンドピニオン機構を介して左右の前輪３Ｌ，３Ｒを直接転舵する前輪操舵装置９と、左右のリヤサスペンション７Ｌ，７Ｒに対して設けられた左右の電動アクチュエータ１１Ｌ，１１Ｒを作動させることにより、後輪５のトー角δｒを個別に変化させる一対の後輪操舵装置１０Ｌ，１０Ｒとが設置されている。

また自動車Ｖには、各種システムを統括制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）１２の他、車速センサ１３や、前輪舵角センサ１４、前後加速度センサ１５、横加速度センサ１６が適所に設置されるとともに、左右の後輪トー角センサ１７Ｌ、１７Ｒが各電動アクチュエータ１１に設置されている。各センサ１３〜１７の検出信号は、ＥＣＵ１２に入力されて車両の各種制御に供される。なお、前輪舵角センサ１４はステアリングホイール８の操舵量を検出しており、その検出値から前輪３の操舵角δｆが算出される。各後輪トー角センサ１７は、対応する電動アクチュエータ１１の作動量を検出しており、その検出値から各後輪５の実トー角δｒａｃｔが算出される。

ＥＣＵ１２は一種のコンピュータであり、演算を実行するプロセッサ（ＣＰＵ）、各種データを一時記憶する記憶領域およびプロセッサによる演算の作業領域を提供するランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、プロセッサが実行するプログラムおよび演算に使用する各種のデータが予め格納されている読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、およびプロセッサによる演算の結果およびエンジン系統の各部から得られたデータのうち保存しておくものを格納する書き換え可能な不揮発性メモリの他、各種ドライバや周辺回路、入出力インタフェース等を備えている。

これらＥＣＵ１２と、各センサ１３〜１７や電動アクチュエータ１１等とは、通信回線（本実施形態では、ＣＡＮ（Controller Area Network））を介して互いに接続されており、ＥＣＵ１２は、各センサ１３〜１７の検出結果に基づいて電動アクチュエータ１１Ｌ，１１Ｒをパルス幅変調（Pulse Width Modulation、以下、ＰＷＭと記す）方式でフィードバック制御する制御手段を構成している。

次に、図２を参照して左側の後輪操舵装置１０の構成を説明する。なお、リヤサスペンション７や後輪操舵装置１０は左側と右側とが対称となっているため、後輪操舵装置１０および電動アクチュエータ１１（図３）の説明にあたっては、表記が煩雑になることを避けるため、添字を付さずにナックル２１、ＤＣモータ３８等と記す。

図２に示すように、リヤサスペンション７は、ダブルウィッシュボーン形式が採用されており、ナックル２１を車体１に上下動可能に連結するアッパアーム２２およびロアアーム２３、ナックル２１と車体１とを連結するダンパ２４、ダンパ２４の上部外周に巻装されたスプリング２５等から構成されている。後輪５は、ナックル２１によって回転自在に支持されており、ナックル２１とともに上下等に変位する。

アッパアーム２２およびロアアーム２３は、基端がそれぞれラバーブッシュ２６，２７を介して車体１に連結され、先端がそれぞれボールジョイント２８，２９を介してナックル２１の上部と下部とに連結されている。電動アクチュエータ１１は、基端が車体側ラバーブッシュ３０を介して車体１に連結され、先端がナックル側ラバーブッシュ３１を介してナックル２１の後部に連結されている。ダンパ２４は、上端がラバーブッシュ（図示せず）を介して車体１に連結され、下端がラバーブッシュ３２を介してナックル２１の上部に連結されている。

このように構成されたリヤサスペンション７では、電動アクチュエータ１１Ｌが伸長駆動されると、ナックル２１の後部が車幅方向外側に回動することにより、後輪５Ｌが車両進行方向に対して内向き（トーイン側）に転舵し、電動アクチュエータ１１Ｌが収縮駆動されると、ナックル２１の後部が車幅方向内側に回動することにより、後輪５Ｌが車両進行方向に対して外向き（トーアウト側）に転舵する。

次に、図３を参照して、電動アクチュエータ１１の構造を説明する。同図に示すように、電動アクチュエータ１１は、車体側ラバーブッシュ３０を支持する第１ハウジング３５ａ、及び複数のボルト３６で第１ハウジング３５ａに締結された第２ハウジング３５ｂからなるハウジング３５と、第２ハウジング３５ｂに伸縮自在に支持され、ナックル側ラバーブッシュ３１を支持する出力ロッド３７とを備えている。第１ハウジング３５ａの内部には、ＥＣＵ１２によりＰＷＭ制御されるブラシ付きのＤＣモータ３８が収容され、ボルト３９で第１ハウジング３５ａに締結されている。第２ハウジング３５ｂの内部には遊星歯車式の減速機４０と、弾性を有するカップリング４１と、台形ねじを用いた送りねじ機構４２とが収容されている。ＤＣモータ３８が駆動されると、その出力軸３８ａの回転が減速機４０によって減速され、送りねじ機構４２によって直線運動に変換されて出力ロッド３７が直線駆動される。

第２ハウジング３５ｂの外周面に設けられた後輪トー角センサ１７は、出力ロッド３７の外周面に取り付けられたボルト４５によって出力ロッド３７に固着されたマグネット４６と、センサハウジング４７内に収容された差動変圧器４８とから構成されている。差動変圧器４８は、出力ロッド３７の直線駆動方向と平行に延在するようにマグネット４６に近接して配置され、両端が第２ハウジング３５ｂに固着されている。差動変圧器４８には、図示しない１次コイルと、１次コイルの軸方向両端に近接する同一巻き数の２つの２次コイルとが巻装されており、マグネット４６が１次コイルの長手方向に移動した際に生じる差動電圧を検出することにより、各電動アクチュエータ１１のストローク量を検出し、その検出結果がＥＣＵ１２に入力して後輪５の実トー角δｒａｃｔとしてＤＣモータ３８のフィードバック制御に供される。

このように構成された自動車Ｖによれば、左右の電動アクチュエータ１１Ｌ，１１Ｒを同時に対称的に変位させることにより、両後輪５Ｌ，５Ｒのトーイン／トーアウトを適宜な条件の下に自由に制御することができる他、左右の電動アクチュエータ１１Ｌ，１１Ｒの一方を伸ばして他方を縮めれば、両後輪５Ｌ，５Ｒを左右に転舵することも可能である。具体的には、ＥＣＵ１２は、自動車Ｖの回頭性や操縦安定性を高めるべく、各種センサによって把握される車両の運動状態に基づき、加速時には後輪５をトーアウトに、減速時には後輪５をトーインに変化させ、所定の車速よりも高速での旋回走行時には後輪５を前輪３と同相に、所定の車速よりも低速での旋回走行時には後輪５を前輪３と逆相にトー変化（転舵）させる。

次に、図４を参照してＥＣＵ１２の機能について説明する。なお、図４では、電動アクチュエータ１１等について左右を区別することなく示しているが、実際にはＥＣＵ１２は左右の電動アクチュエータ１１のそれぞれについて同様の機能部を有し、同様の制御を行う。

ＥＣＵ１２は、図示しない入力インタフェースを介して入力された車速ｖや前輪３の操舵角δｆ、前後加速度Ｇｘ、横加速度Ｇｙなどに基づいて目標後輪トー角δｒｔｇｔを設定する目標後輪トー角設定部５１と、後輪トー角センサ１７によって検出された後輪５の実トー角δｒａｃｔと目標後輪トー角δｒｔｇｔとに基づいて電動アクチュエータ１１を駆動制御するＰＩＤ制御部５２とを備えている。

ＰＩＤ制御部５２は、デューティー比設定部５３と、デューティー比補正部５４とを備えている。デューティー比設定部５３は、後輪トー角センサ１７によって検出された後輪５の実トー角δｒａｃｔと目標後輪トー角δｒｔｇｔとの偏差Δδｒ、その積分値および微分値に基づいてＰＷＭ制御におけるデューティー比Ｄ（％）を設定する。デューティー比補正部５４は、所定の条件に応じて、デューティー比設定部５３が設定したデューティー比Ｄの上限を規定するように補正する。そしてＰＩＤ制御部５２は、デューティー比補正部５４が出力するデューティー比Ｄに基づいて供給電力を制御して電動アクチュエータ１１を駆動する。

図５を参照して、デューティー比補正部５４について詳細に説明する。まず、車速センサ１３で検出した車速ｖが、制限デューティー比設定回路６１に入力する。制限デューティー比設定回路６１は、車速別制限デューティー比マップを参照することなどにより、車速ｖに応じたデューティー比Ｄの最大値（以下、制限デューティー比Ｄｍａｘと称する。）を設定する。なお、制限デューティー比Ｄｍａｘは、例えば、駆動負荷が小さく急激なトー角変化が車両挙動を不安定にする高車速ほど小さくなるように設定することができる。制限デューティー比設定回路６１で設定された制限デューティー比Ｄｍａｘは、減算器６２に減算値として入力するとともに、加算器６６に加算値として入力する。

減算器６２は、１００から制限デューティー比Ｄｍａｘを減じた値、すなわち車速ｖに応じたデューティー比Ｄの制限量である車速別制限量Ｄｌｉｍを算出し、これを乗算器６４に入力させる。乗算器６４は、入力した車速別制限量Ｄｌｉｍに対し、メモリ６３に記憶された出力デューティーパラメータＣ１を乗じることで、後述する制限緩和デューティー比Ｄａを算出するための係数Ｋを算出し、この係数Ｋを乗算器６５に入力させる。

一方、後輪トー角センサ１７が検出した実トー角δｒａｃｔが微分器７０に入力している。微分器７０は、実トー角δｒａｃｔを時間微分することで後輪トー角速度ｄδｒ／ｄｔを求め、後輪トー角速度ｄδｒ／ｄｔを乗算器６５に入力させる。なお、ここでは後輪トー角速度ｄδｒ／ｄｔは、伸縮方向にかかわらずに正の値（絶対値）として出力される。

乗算器６５は、乗算器６４が算出した係数Ｋを後輪トー角速度ｄδｒ／ｄｔに乗じることで、デューティー比Ｄの制限を緩和するための値（以下、制限緩和デューティー比Ｄａと称する。）を算出し、これを加算器６６に入力させる。ここで、制限緩和デューティー比Ｄａは、後輪トー角速度ｄδｒ／ｄｔが増加するにつれて大きくなる（ここでは後輪トー角速度ｄδｒ／ｄｔに比例して大きくなる）ように設定される。

加算器６６は、制限デューティー比設定回路６１から入力した制限デューティー比Ｄｍａｘに、乗算器６５から入力した制限緩和デューティー比Ｄａを加算することで、制限デューティー比Ｄｍａｘを補正する。つまり、加算器６６は、後輪トー角速度ｄδｒ／ｄｔが増加するにつれて大きくなる制限緩和デューティー比Ｄａを加算することで、車速ｖに応じて設定された制限デューティー比Ｄｍａｘを、後輪トー角速度ｄδｒ／ｄｔが増加するにつれて大きくなる値に補正する。本明細書および図５では、加算器６６による補正後の制限デューティー比Ｄｍａｘを、補正前の制限デューティー比Ｄｍａｘと区別するために、ダッシュを付して「Ｄｍａｘ’」と表記するものとする。

加算器６６で補正された制限デューティー比Ｄｍａｘ’は、制限回路６７に入力し、制限回路６７にてその上限を１００に規定される。ここでは、入力した制限デューティー比Ｄｍａｘ’が１００を超える場合に、上限値の１００に変更される。制限回路６７から出力された制限デューティー比Ｄｍａｘ’は、低値選択回路６８に入力する。

他方、デューティー比設定部５３（図４参照）にて設定されたデューティー比Ｄが、絶対値回路７１および符号回路７２に入力する。絶対値回路７１は、入力したデューティー比Ｄの絶対値を出力して低値選択回路６８に入力させる。符号回路７２は、入力したデューティー比Ｄの正負に応じた符号値（＋１または−１）を出力し、乗算器６９に入力させる。なお、符号回路７２は、入力したデューティー比Ｄが正の値の場合には＋１を出力し、入力したデューティー比Ｄが負の値の場合には−１を出力する。

低値選択回路６８は、入力した制限デューティー比Ｄｍａｘ’とデューティー比Ｄの絶対値とを比較し、より低い値をデューティー比Ｄとして選択して出力し、乗算器６９に入力させる。乗算器６９は、入力したデューティー比Ｄに符号値を乗算し、最終的な目標値としてデューティー比Ｄを出力する。

これにより、デューティー比補正部５４は、デューティー比設定部５３が設定したデューティー比Ｄの上限を、実トー角速度ｄδｒ／ｄｔが増加するにつれて大きくなるように設定した値で規定する。

このように、デューティー比補正部５４が実トー角速度ｄδｒ／ｄｔに応じてＰＷＭ制御におけるデューティー比Ｄを上限値（制限デューティー比Ｄｍａｘ’）で規制するため、例えば、後輪５が轍にはまったり、後輪５の外側に障害物があったりして、電力を供給しているにもかかわらず後輪５のトー角が変化しない場合や、故障により後輪トー角センサ１７の出力が故障により一定値で固定した場合に、電動アクチュエータ１１に過大な電力が供給されることや、ＤＣモータ３８の過度な発熱が抑制される。

また、電動アクチュエータ１１が作動していないにもかかわらず過大な電力が供給されると、発生する磁束により電動アクチュエータ１１の永久磁石が減磁されることがあるが、デューティー比Ｄの上限が規定されるため、永久減磁も抑制される。

本実施形態では、デューティー比補正部５４がデューティー比Ｄの上限を、実トー角速度ｄδｒ／ｄｔが増加するにつれて大きくなるように設定しているため、実トー角速度ｄδｒ／ｄｔが比較的大きな場合にはデューティー比Ｄの車速別制限が軽減され、実トー角速度ｄδｒ／ｄｔが比較的小さな場合にはデューティー比Ｄの車速別制限が許容される。これにより、過大な電力供給が効果的に抑制される。

また、本実施形態では、後輪トー角センサ１７が検出した後輪トー角δｒａｃｔを微分器７０で微分した値を実トー角速度ｄδｒ／ｄｔとして用いるため、後輪トー角センサ１７の故障により、デューティー比設定部５３が大きなデューティー比Ｄを設定した場合であっても、デューティー比Ｄの制限が許容されるため、過大な電力供給が効果的に抑制される。さらに、このような場合に大きなデューティー比Ｄがそのまま出力された場合には、電動アクチュエータ１１が高速作動して後輪５が急激に転舵することになるが、デューティー比Ｄが制限されることで、電動アクチュエータ１１の作動速度を一定以下に抑えることが可能になる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、電動アクチュエータ１１として直動式のものを用いているが、他の形式のものを用いてもよい。また、上記実施形態では、デューティー比補正部５４が、後輪トー角速度ｄδｒ／ｄｔが小さいほど制限緩和デューティー比Ｄａを小さくして車速別制限量Ｄｌｉｍの許容度合いを大きくすることにより、デューティー比Ｄの上限を実トー角速度ｄδｒ／ｄｔが増加するにつれて大きくなるように規定しているが、車速ｖにかかわりなくデューティー比Ｄの上限を規定することも可能である。さらに、上記実施形態では、フィードバック制御に用いる後輪トー角センサ１７の検出結果を演算して実トー角速度ｄδｒ／ｄｔを求めているが、実トー角速度センサを別途設けてもよい。これら変更の他、各装置の具体的構成や配置など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。一方、上記実施形態に示した本発明に係るの各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜取捨選択することが可能である。

５ 後輪
１０ 後輪操舵装置
１１ 電動アクチュエータ
１２ ＥＣＵ
１７ 後輪トー角センサ（実トー角検出手段・実トー角速度検出手段）
５１ 目標後輪トー角設定部
５２ ＰＩＤ制御部（制御手段）
５３ デューティー比設定部
５４ デューティー比補正部
Ｖ 自動車
δｒａｃｔ 実トー角
δｒｔｇｔ 目標後輪トー角
Δδｒ 偏差
Ｄ デューティー比

Claims (3)

1. 左右の後輪にそれぞれ設けられ、後輪トー角を変化させる電動アクチュエータと、
   後輪の目標トー角を設定する目標トー角設定手段と、
   後輪の実トー角を検出する実トー角検出手段と、
   前記目標トー角と前記実トー角との偏差に基づいて前記電動アクチュエータをＰＷＭ方式で駆動制御する制御手段と
   を備えた後輪操舵装置であって、
   実トー角速度を検出する実トー角速度検出手段を更に備え、
   前記制御手段が、前記実トー角速度に応じてＰＷＭ制御におけるデューティー比の上限を規定することを特徴とする車両の後輪操舵装置。
2. 前記制御手段が、前記デューティー比の上限を、前記実トー角速度が増加するにつれて大きくなるように設定することを特徴とする、請求項１に記載の車両の後輪操舵装置。
3. 前記実トー角速度検出手段は、前記実トー角検出手段が検出した実トー角を演算することにより前記実トー角速度を検出することを特徴とする、請求項２に記載の車両の後輪操舵装置。

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