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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2018/1/23 Tuesday,#,专,题,1,直,流有刷电机控制,电机,电机:俗称“,马,达,”,依据,电磁感应定律,实现,电能,转换或传递的一种电磁装置,。包括:电动机和发电机。,电动机,在电路中是用字母,M,表,示,它的主要作用是产生,驱动转矩,,作为用电器或各种机械的,动力源,,,发电机,在电路中用字母,G,表示,它的主要作用是利,用机械能转,化,为电能。,电,机,控,制:对,电机的启动、加速、运转、减速及停止进行的控制,。,速度控制,位置控制,转,矩控制,直流有刷电机,伺服,电,机,步进电,机,交流电,机,电,机分类和原理,直流有刷电,机,直流有刷电机,(Brushed DC,),,由,于其,结构简单,,,操控方便,,,成本低廉,,具有良好的,启动,和,调速性能,等优势,被广泛应用于各种动力器件中,小到玩具,按钮调节式汽车座椅,大到印刷机械等生产机械中都能看到它的身影,。,直流电源,的电能通过,电刷和换向器,进入,电枢绕组,,产生电枢,电流,,电枢电流产生的,磁场,与,主磁场,相互作用产生,电磁转矩,,使电机旋转带动负载。,优点,:,价格低、控制方便,缺点,:由,于电刷和换向器的存在,有刷电机的结构复杂,可靠性差,故障多,维护工作量大,寿命短,换向火花易产生电磁干扰。,直流有刷电,机,在,有刷直流电机的,固定,部分有,磁铁,(,主磁,极,),和,电,刷,。,转动,部分有,环形铁芯,和绕在环形铁芯上的,绕组,。,两极有刷直流电机的,固定部分,(,定子,),上装设了一对直流励磁的静止的,主磁极,N,和,S,,在,旋转部分,(,转子,),上装设电枢,铁芯,。定子与转子之间有一,气隙,。在电枢铁芯上放置了,由导,体连成的电枢,线圈,,线圈的,首端,和,末端,分别连到两个,圆弧形的铜片,上,此铜片称为,换向片,。,换向片之间互相绝缘,,,由换向片构成的整体称为换向器,。,换向器固定在转轴上,,换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的,电,刷,A,和,B,,,当电枢旋转时,,电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通,。,伺,服电机,伺服电机广泛应用于,各种控制系统,中,能将,输入的电压信号,转换为,电机轴,上的,机械输出量,,,拖动被控制元件,,从而达到控制目的。伺服电机系统,见下图。,一般地,伺服电机要求,电机的转速,要受所加,电压信号,的控制;转速能够随着所加电压信号的变化而连续变化;,转矩,能通过控制器输出的,电流,进行控制;电机的反映要快、体积要小、控制功率要小。伺服电机主要应用在各种运动控制系统中,尤其是随动系统。,伺服电机有直流和交流之分,最早的伺服电机是一般的直流电机,在控制精度不高的情况下,才采用一般的直流电机做伺服电机。当前随着,永磁同步电机,技术的飞速发展,绝大部分的伺服电机是指,交流永磁同步伺服电机或者直流无刷电机,。,优点,:可使控制速度,位置精度非常准,确,效率高,寿命长。,缺点,:控制复杂,价格昂贵,需要专业人士才能控制。,步进电,机,步进电机就是一种将,电脉冲,转化为,角位移,的执行机构;更通俗一点讲:当步进驱动器接收到,一个脉冲信号,,它就驱动步进电机按设定的方向,转动一个固定的角度,。我们可以通过控制,脉冲的个数,来控制电机的,角位移量,,从而达到,精确定位,的目的;同时还可以通过控制,脉冲频率,来控制电机转动的,速度和加速度,,从而达到,调速,的目的。,优,点,:控制简单,低速扭矩,大,成,本,低;,缺,点,:步进电机存在空载启动频率,所以步进电机可以低速正常运转,但若高于一定速度时就无法启动,并伴有尖锐的啸叫,声;,同,时,步进电机是开环控制,控制精度和速度都没有伺服电机那么高。,直流无刷电,机,无刷直流电机,(BLDCM,),是,在有刷直流电机的基础上发展来的,但它的驱动电流是不折不扣的交,流。,一般地,,无刷电机的驱动电流,有两种,一种是,梯形波,(,方波,),,另一种是,正弦波,。有时候把前一种叫,直流无刷电,机,(BLDC),,,后一种,叫,永,磁同步电机,(PMSM),,,确切地讲也是交流伺服电机的一种。,一般的,把方波驱动的叫做直流无刷电机,(BLDC),;,把正弦波驱动的叫做永磁同步电机,(PMSM),,这个实际上就是伺服电机。,直流无刷电机与伺服电机有类似的优缺点。,BLDC,电机比,PMSM,电机造价便宜一些,驱动控制方法简单一些。,舵,机,舵机(英文叫,Servo,,伺服):它由,直流电机,、,减速齿轮组,、,传感器,和,控制电路,组成的一套,自动控制系统,。,通过,发送信号,,,指定输出轴旋转角度,。舵机一般而言都有最大旋转角度(比如,180,度。)与普通直流电机的区别主要在,直流电机是一圈圈转动的,,舵机只能在一定角度内转动,,,不能一圈圈转,。普通直流电机无法反馈转动的角度信息,而舵机可以。用途也不同,普通直流电机一般是整圈转动做动力用,,舵机是控制某物体转动一定角度用,(比如机器人的关节)。,三,个基本定,则,左手定则,左手定则,:,位,于,磁场中,的,载流导体,,,会受到力的作用,,力的方向可按左手定则确定,,如图所,示:伸开左手,使大拇指和其余四指垂直,把手心面向,N,极,四指顺着电流的方向,那么大拇指所指方向就是载流导体在磁场中的受力方向,。,磁,+,电,-,力,三,个基本定,则,右手定则,右手定则:在,磁场,中,运动的导体,因,切割磁力线,会感生出,电动势,E,磁生电,其大小为:,E=vBL sin,其中:,v,为导体的运动速度(单位,m/s,),,B,为磁感应强度(单位,T,),,L,为导体长度(单位,m,),,为:,B,和,L,的夹角。,三,个基本定,则,安,培定则,如果一条直的,金属导线,通过,电流,,那么在,导线周围的空间,将产生,圆形磁场,。,电生磁,导,线中流过的,电流越大,,产生的,磁场越强,。磁场成圆形,围绕导线周围。磁场的方向可以根据“右手螺旋定则”(又称安培定则),安培定,则:用,右手,握住通电螺线管,使四指弯曲与,电流,方向一致,那么大拇指所指的那一端就是通电螺旋管的,N,(北)极。,直流有刷电,机工作原理,最简单的,两极直流电机模型,:,固定部分,有,磁,铁,(主,磁,极)和,电,刷,。,转动部分,有,环形铁心,和绕在环形铁心上的,绕,组,,以及,换向片,。,直流有刷电,机工作原理,磁,场,:,图中,N,和,S,是一对,静止的磁极,,用以产生磁场,其磁感应强度沿圆周为,正弦,分布。,励磁绕组,容量较小,的电,机是用,永久磁铁,做磁极的。容量较大,的电,机的磁场是由,直流电流通过绕在磁极铁心上的绕组产生的,。用来形成,N,极和,S,极的绕组称为励磁绕组,励磁绕组中的电流称为励磁电流,If,。,电枢绕组,:在,N,极和,S,极之间,有一个能绕轴旋转的,圆柱形铁心,,其上紧绕着一个,线圈,称为,电枢绕组,(,图中只画出一匝线圈,),,电枢绕组中的电流称为电枢电流,Ia,。,换向器,:,电枢绕组,两端分别接在两个相互绝缘而和绕组同轴旋转的,半圆形铜片,换向片,上,组成一个,换向器,。换向器上压着固定不动的,炭质电刷,。,电枢,:铁心、电枢绕组和换向器所组成的,旋转部分,称为电枢。,直流有刷电,机工作原理,电,磁转矩产生,电枢,绕组,通过,电刷,接到,直流电源,上,绕组的,旋转轴,与机械,负载相联,。,电流,从,电刷,A,流入,电枢绕组,从,电刷,B,流出,。电枢电流,Ia,与磁场相互作用产生,电磁力,F,,其方向可用左手定则判定。这一对电磁力所形成的电磁转矩,T,,使电动机电枢逆时针方向旋转。,电磁转矩与电枢旋转方向关系:同,向,直流有刷电,机工作原理,换向,当,电,枢(旋转部分),转,到上图,b,所示位置时,,ab,边转到了,S,极下,,cd,边转到了,N,极下。这时线圈,电磁转矩,的方向发生了改变,但由于,换向器随同一起旋转,,使得电,刷,A,总是接触,N,极下的导线,而电刷,B,总是接触,S,极下的导线,故,电流流动方向发生改变,电磁转矩方向不变,。,电,动势与能量转换分析,反电动势,:电枢转动时,,割切磁力线,而产生,感应电动,势(磁生电),,,这个电动势,(,用,右手定则,判定,),的方向与,电枢电流,Ia,和,外加电压,U,的方向总是相反的,称为,反电动势,Ea,。,电源只有克服这个反电动势才能向电动机输入电流,。,可见,电动机向负载输出机械功率的同时,电源却向电动机输入电功率,电动机起着将电能转换为机械能的作用。,电动势方向与电流方向关系:反向,能量转换:,电源(电能),-,电磁转矩,-,负载(机械能),由此可见,加于直流电动机的直流电源,借助于换向器和电刷的作用,使直流电动机电枢线圈中,流过的电流,方向是交变的,,从而使,电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变,,确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。简单来说,直流电动机就是利用通电导体在磁场中受力运动而“切割”其磁力线的原理工作的。,直,流减速电机,直流减速电机,即齿轮减速电机,是在,普通直流电机,的基础上,加上配套,齿轮减速,箱,齿轮减速箱的作用是,提供,较低的转速,,,较大的力矩,。同时,齿轮箱,不同的减速比,可以提供,不同的转速和力矩,。这大大提高了,直流电机在自动化行业中的使用率,。,直,流减速电机,减速电机的特色首要有以下几点:,减,速电机节约空间,牢靠经用,能承受一定的过载能力,功率能满意的需求;,减,速电机能耗低,性能优越;,减,速电机振荡小,噪音低,节能高,选用优质锻钢资料,刚性铸铁箱体,齿轮外表颠末高频热出来;,颠,末精细加工,包管定位精度,这一切构成了齿轮传动总成的齿轮减速电机装备了各类电机,形成了机电一体化,彻底包管了产物的运用质量特征;,减,速电机采用了系列化、模块化的设计,有很广泛的适应性。同时可组合其他多种电机、装置方位和布局计划、可按实际需要挑选任意转速和各种布局方式。,减,速电机参,数,减速电机有几个重要参数在选型时作为参考,值:,直,流减速电机,减速电机有几个重要参数在选型时作为参考值:,空,载转速:电机正常通电无负载状态的转速(单位:,rpm,或转,/,分钟或,r/min),;,空载电流:电机正常通电无负载状态的电流(单位:,mA,毫安);,负载力矩:电机负载测试时候的额定扭矩,仅用于测试参考(单位:,g-cm,克,每厘米或,kg-cm,公斤每厘米);,负载转速:电机在负载力矩下的转速(单位:,rpm,或转,/,分钟或,r/min),;,负载电流:电机在负载力矩下的电流(单位:,mA,毫安或,A,安);,堵转力矩:又叫启动扭力,为电机所能承受的最大扭力标准,超过该扭力,电机将停转或堵转(单位:,g-cm,克每厘米或,kg-cm,公斤每厘米);,堵转电流:也叫启动电流,为电机遭到堵转停止时候的最大电流;(单位:,mA,毫安或,A,安);,减速比:减速装置的传动比,由减速齿轮结构决定;减速电机输出轴转速与直流电机转速之比,;,霍尔分辨率:电机输出轴旋转一圈霍尔编码器输出的脉冲,数。,直,流减速电机,很多时候我们更加关系电机的转速问题,下面我们分析电机转速影响因素:,U=Cen+IaRa,n=(U-IaRa)/(Ce),其中,n,为转速,,U,为电机端电压,,Ia,为电枢电流,,Ra,为电机电枢绕组电阻,Ce,为电机常数,与电机结构有关,,为电机气隙磁通。对一个电机来说,电机出厂时,Ce,和,这两个参数值已经是确定的。所以,很多时候通过调节电机电压来达到调速的目的。,一般认为:,直流电机的转速和电压成正比,;,直,流减速电机,减速电,机的重要,参,数:,电,机一般还有一个,最小启动电压,,就是可以使得电机,开始旋转,的电压值。为保证电机正常工作,一般需要接到电机两端的电压值范围为:,最小启动电压至额定电压,。并且在这个电压值范围内,才认为转,速与电压成正比。,电机线圈是有,铜导线,绕线而成的,所以其电机电枢绕组,电阻,一般都是非常小,这样回路中电流一般都是比较大的。这对我们电机驱动设计有很大的影响。,另外,电机还有一个比较重要的参数:,扭矩,。,简化理解扭矩就是,电机可以带动外部部件旋转的力量,,大扭矩可以带动比较重的东西。,一般认为:,直流电机的扭矩和电流成正比,;,直,流减速电机,关,于减速齿轮的简易说明:,直流减速电机由两部分组成:,减速齿轮,+,直流电机,。一般直流电机的空载转速是很高的(上千上万转每分钟),但实际应用中可能需要转速慢的电机,合适的做法是为电机加速减速齿轮,。并且可以提高转轴的输出转矩。,通过控制,直流电机的转速,就可以控制减速电机,输出轴的转速,。,直,流减速电机驱动设计,直流电机旋转:,给电机两根线供电电机就可以旋转,,给正电压电机正转,给相反电压电机反转;,电压越大,,电机转得,越快,,,电压越小,,转速也,变小,。,我,们希,望,STM32,可,以方便的,调整电机速度,,,但,STM32,的,IO,接口,电压和电流,一般都是非常有限的,,,电,压是,3.3V,,电流是,8mA,,所,以为方便控制需要在微控制器和电机直接添加一个,驱动电路板,,该电机驱动板有,两种输入线,:,电源输入线,和,控制信号输入线,。电源输入线一般要求是可以提供电机,额定电源,的,大电流电源,,它是给电机提供动力的来源。,控制信号线,与微控制器的信号线连接,是实现,调速的方法,。电机驱动板还有一个输出线,有两个端口,它与直流电机的引脚直接连接。注意,这里的电机驱动板输出线是应该一系列电路之后才输出的,也就是通过输入信号调制后的输出线,。,电,机控制都是必须有驱动器的。,STM32,控制器,电机驱动器,电机,外部电源,脉冲信号,电机引线,位,置反馈,可选部分,直,流减速电机驱动设计,最简,单电,机正反转的电路,当开关,A,和,D,闭合、,B,和,C,断开时直流电机正常旋转,记该旋转方向为正方向。,当开关,B,和,C,闭合、,A,和,D,断开时直流电机正常旋转,记该旋转方向为反方向。,当开关,A,和,C,闭合、,B,和,D,断开或者当开关,B,和,D,闭合、,A,和,C,断开时直流电机不旋转。此时可以认为电机处于,“,刹车,”,状态,电机惯性转动产生的电势将被短路,形成阻碍运动的反电势,形成“刹车”作用。,当开关,A,和,B,闭合或者当开关,C,和,D,闭合时直接电源短路,会烧毁电源,这种情况严禁出现。,当开关,A,、,B,、,C,和,D,四个开关都断开时候,认为电机处于,“,惰行,”,状态,电机惯性所产生的电势将无法形成电路,从而也就不会产生阻碍运动的反电势,电机将惯性转动较长时间。,这样简单的控制开关状态就可以控制电机的选择方向。从上图中可以看到,其形状类似于字母“,H,”,而作为负载的直流电机是像“桥”一样架在上面的,所以称之为“,H,桥驱动”。,4,个开关所在位置就称为“桥臂”。,直,流减速电机驱动设计,在电路中可以做,电子开关,的有,三极管,和,MOS,管,。可以使用这两种器件代替开关从而实现电路可控的效果,H,桥电路分析,下面开始,以,MOS,管,搭,建的,H,桥电路解释,电机正反转控制,。,要,使电机运转,必须使,对角线,上的,一对,MOS,管导通,。如图,,当,Q1,管和,Q4,管导通,时(此时必须保证,Q2,和,Q3,关断),,电流就从电源,正极,经,Q1,从左至右穿过电机,,然后再经,Q4,回到电源负极,。按图中电流箭头所示,该流向的电流将驱动电机,顺时针,转动,。,H,桥电路分析,另一,对,MOS,管,Q2,和,Q3,导通,的,时,候(此时必须保证,Q1,和,Q4,关断),,电流从右至左流过电机,,从,而驱动电机,沿,逆时针,方,向转动,。,H,桥电路分析,驱动电机时,保证,H,桥两个同侧的,MOS,管不会同时导通,非常重要,如,果,MOS,管,Q1,和,Q2,同时导通,那么电流就会,从电源正,极穿过两,个,MOS,管,直接回到负极,,此时电路中除,了,MOS,管,外没有其它任何负载,因此电路上的,电流,就达,到,最大,值,,,烧坏,MOS,管和电源,。,基于上述原因,在实际驱动电路中通常要用,硬件电路方便地控制,MOS,管的开关,。,下图所,示就是基于这种考虑的改进电路,它在基本的,H,桥电路的基础上增加了,4,个与门,和,2,个非门,。,4,个与门同一个,使能,导通信号相接,这样,用这,一个信号就能控制整个电路的开关,。而,2,个非门,通过提供一种,方向输入,,可以保证,任何时候在,H,桥的同侧都只有一个三极管导通,。,H,桥电路分析,采用以上方法,电机的运转只需要,三个信号控制,,如:,两个方向信号,和,一个使能信号,。,如,果,DIR,L,信号为,0,,,DIR,R,信号为,1,,并且使能信号是,1,,那么三极管,Q1,和,Q4,导通,电流从左至右流经电机,如,图所,示;,如果,DIR,L,信号变为,1,,而,DIR,R,信号变为,0,。那么,Q2,和,Q3,将导通,电流则反向流过电机。,电,机驱动芯片选型,H,桥电路虽然有着许多的优点,但是在实际的制作过程中,由于,元件较多,,电路和搭建也较为麻烦,增加了硬件设计的复杂度。所绝大多数制作中通常直接选用,专用的驱动芯,片,(,内部集成好了,H,桥电路,),。,目前市面上专用的驱动芯片很多,如,L298N,、,BST7970,、,MC33886,等,但到底我们应该选用哪咱芯片呢,当然每种芯片有自己的优势,我们应该根据设计需要从价格和性能上综合考虑才行,这里谈三个方面,。,驱,动效率的转化,所谓驱动效率高,就是要将输入的能量尽量多的输出给负载,而驱动电路本身最好不消耗或少消耗能量,具体到,H,桥上,也就是,4,个桥臂在导通时最好没有压降,越小越好。从电路上看,这主要取决于“开关”上的压降,其消耗为流过的电流乘以压降,电流大小主要取决于负载电机的需要,所以对于设计来说重点应考虑尽量减小开关上的电阻从而提高效率,而在选用驱动芯片时应当考虑所选用的芯片压降是否满足电机驱动力的需要。,能,够通过的驱动电流,每个芯片都有自身承受的最大电流,在设计时应保证电机的工作电流不会造成芯片的烧毁。,芯,片的价格,对于器件的价格,一般在业余的制作基本不会考虑太多,但真正在产品的设计中,价格却是除了性能外必须考虑的另一个关键因素。,L298N,电机驱动芯片,L298N,内部的组成其就是上面讲的,H,桥驱动电,路,,内部集成了两个,H,桥电,路(可以驱动两个电机),L298N,电机驱动芯片,L298N,是,ST,公司生产的一种高电压,大电流的电机驱动芯片。该芯片采用,15,脚封装。主要特点是:工作电压高,最高工作电压可达,46V,,输出电流大,瞬间峰值可达,3A,,持续工作电流为,2A,;额定功率为,25W,。内含两个,H,桥的高电压大电流全桥式驱动器,可以用来驱动直流电机和步进电机、继电器线圈等感性负载;采用标准逻辑电平信号控制;具有两个用控制端,在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端,使内部逻辑电路部分在低电压下工作;可以外接检测电阻,将变化量反馈给控制电路。,L298N,电机驱动芯片,L298N,芯片引脚图,L298N,电机驱动芯片,L298N,芯片引脚图,该电机驱动电路可以驱动,2,路直流电机,使能端,ENA,、,ENB,为高电平有,效,ENA,IN1,IN2,直流电机状态,(,OUT1,和,OUT2,),0,任意,任意,停止,1,0,0,刹车,1,0,1,正转,1,1,0,反转,1,1,1,刹车,在,驱,动模块的,ENA,和,ENB,引脚已经默认通过跳线帽短路至模块板上的,5V,上,即,ENA,和,ENB,已经默认设置为高电平了,开发板可以不需要再浪费两个,IO,引脚去控制它,们,25GA370,直流减速电,机驱动,25GA370,直流减速电,机驱动,1,、,6,引脚就是直流电机引脚,电机旋转和速度调节只需这两个引脚即可。,2,、,3,、,4,和,5,四个引脚是编码器功能引脚,开发板的电机控制接口,其中包括,TIM1,和,TIM3,部分通道功能引脚。使用高级控制定时器的互补通道功能可以非常方便的控制,H,桥电路。这里,我们就选择使用,TIM1,的,CH1,和,CH1N,连接,L298N,驱动模块的,IN1,和,IN2,,这样通过程序控制就可以实现电机旋转驱动以及调速控制。,当然这里也可以选择,TIM1,的,CH2,和,CH2N,与,IN1,和,IN2,连接,或者选择,TIM1,的,CH3,和,CH3N,与,IN1,和,IN2,连接,这些方案都是可行的,只要我们在程序稍作修改就可以实现电机控制的。,对于,CH1,和,CH1N,引脚与,IN1,和,IN2,的连接也没有严格的顺序要求,调换连接会导致电机旋转方向相反而已。,讲了这么多,,L298N,驱动模块与开发板连接只需三根导线而已:,IN1,、,IN2,和,GND,。注意这里需要连接,GND,,起到,“,共地,”,作用,不然无法正常控制。,STM32CubeMX,生成工程,直流电机控制代码实,现,bsp_L298N.h,文件,bsp_L298N.c,文,件,main.c,文,件,25GA370,减速电机编码器,5GA370,直流减速电,机上,集成了一个简易的,测速装置,,这个测速装置,与以前介绍的编码器结构(光电管)有,所不同,但它可以实现类似的功能,所以这里也叫做编码器,。减,速电机的编码器是由一个,霍,尔开关传,感器,+,铁氧体磁环,组成的装置。霍,尔开关传,感器是根据霍尔效应制作的一个磁场检测开,关,,霍尔传感器有,三根,引脚,一根是,VCC,(一般接,5V,供电),一根是,GND,(电源地),还有一根是,信号,线,。,25GA370,减速电机编码器,霍尔开关传感器:,单,极性霍尔开关的感应方式:磁场的一个磁极靠近它,输出低电位电压(低电平)或关的信号,磁场磁极离开它输出高电位电压(高电平)或开的信号,但要注意的是,单极性霍尔开关它会指定某磁极感应才有效,一般是正面感应磁场,S,极,反面感应,N,极。,双极性霍尔开关的感应方式:因为磁场有两个磁极,N,、,S,(正磁或负磁),所以两个磁极分别控制双极性霍尔开关的开和关(高低电平),它一般具有锁定的作用,也就是说当磁极离开后,霍尔输出信号不发生改变,直到另一个磁极感应。另外,双极性霍尔开关的初始状态是随机输出,有可能是高电平,也有可能是低电平。,全极性霍尔开关的感应方式:全极性霍尔开关的感应方式与单极性霍尔开关的感应方式相似,区别在于,单极性霍尔开关会指定磁极,而全极性霍尔开关不会指定磁极,任何磁极靠近输出低电平信号,离开输出高电平信号。,25GA370,减速电机编码器,铁氧体磁,环,25GA370,减速电机编码器,霍,尔编码器信号,减,速电机参,数,减速电机有几个重要参数在选型时作为参考,值:,输入捕获编码器信号采集实现,bsp_encoder.h,文件,bsp_encoder.c,文,件,main.c,文,件,编码器接口实现编码器信号采集,bsp_encoder.h,文件,bsp_encoder.c,文,件,main.c,文,件,谢谢观看!,
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