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Dokumentenidentifikation DE10126166A1 05.12.2002
Titel Verfahren zum Bestimmen der Drehstellung der Antriebswelle eines kommutierten Gleichstrommotors
Anmelder Leopold Kostal GmbH & Co KG, 58507 Lüdenscheid, DE
Erfinder Gerlach, Tobias, 58119 Hagen, DE
Vertreter Patentanwälte Schröter und Haverkamp, 58636 Iserlohn
DE-Anmeldedatum 30.05.2001
DE-Aktenzeichen 10126166
Offenlegungstag 05.12.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.12.2002
IPC-Hauptklasse H02P 5/00
IPC-Nebenklasse G01P 3/48   
Zusammenfassung Ein Verfahren zum Bestimmen der Drehstellung der Antriebswelle eines kommutierten Gleichstrommotors durch Auswerten der im Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippel, ist dadurch bestimmt, daß
- in einem ersten Schritt eine Spektralanalyse des Ankerstromsignals bezüglich der in dem Ankerstromsignal enthaltenen Frequenzanteile durchgeführt wird und
- anschließend aus der bei dem Betrieb des Gleichstrommotors auftretenden aktuellen, aus der Spektralanalyse gewonnenen Frequenz der im Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippel die Drehzahl ermittelt und über die Drehzahl die aktuelle Position der Antriebswelle des Gleichstrommotors bestimmt wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Drehstellung der Antriebswelle eines kommutierten Gleichstrommotors durch Auswerten der im Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippel.

Das Ankerstromsignal eines kommutierenden Gleichstrommotors umfaßt einen Gleichanteil sowie einen den Gleichanteil überlagernden Wechselanteil. Der Wechselanteil entsteht bei einem Betrieb des Gleichstrommotors infolge des Zusammenwirkens von Magnet (Feld), Ankerwicklung und Kommutator des Gleichstrommotors. Dies äußert sich in einer kurzzeitigen Änderung der induzierten Spannung, woraus sich die Welligkeit des Ankerstromsignals ergibt. Die in dem Ankerstromsignal enthaltenen Stromspitzen - im folgenden Stromrippel genannt - treten bei einer Umdrehung des Ankers in einer der Anzahl der Kollektorlamellen entsprechenden Häufigkeit auf. Weist beispielsweise der Anker zehn Kollektorlamellen auf, sind im Ankerstromsignal entsprechend zehn Stromrippel zu erkennen. Eine Zählung der Stromrippel kann somit Aufschluß über die aktuelle Drehstellung des Ankers des Gleichstrommotors und somit bezüglich des von ihm angetriebenen Elements innerhalb seiner vorbestimmten Bewegungsstrecke geben. Zu diesem Zweck wird das analoge Ankerstromsignal digitalisiert, um eine entsprechende Zählung vornehmen zu können.

Um eine möglichst fehlerfreie Stromrippeldetektion durchführen zu können, wird das analoge Ankerstromsignal vor und ggf. auch nach seiner Digitalisierung zum Unterdrücken von Störeinflüssen entsprechend aufbereitet. Zur Aufbereitung des Ankerstromsignales werden Filterungen durchgeführt, die als Tiefpaßfilterung und/oder als Frequenzfilterungen ausgestaltet sind. Ein derartiges Signalaufbereitungsverfahren ist beispielsweise beschrieben in DE 195 11 307 C1. Sinn und Zweck derartiger Signalaufbereitungsverfahren ist es, ein präzises Ankerstromsignal, möglichst befreit von Störeinflüssen, bereitzustellen, damit dieses aufbereitete Ankerstromsignal anschließend im Hinblick auf die darin enthaltenen Stromrippel ausgewertet werden kann. Zur Positionsbestimmung werden die Rippel gezählt, da das Zählergebnis unmittelbar Aufschluß über die aktuelle Drehstellung der Antriebswelle bzw. des Ankers des Gleichstrommotors gibt. Zum Zählen der in dem Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippel werden üblicherweise Minima- oder Maxima-Bestimmungsalgorithmen oder solche zur Bestimmung der Nulldurchgänge eingesetzt.

Es kommt jedoch vor, daß im Ankerstromsignal Fehl- und/oder Doppelrippel auftreten, durch die grundsätzlich das Stromrippelzählergebnis verfälscht wird. Zur entsprechenden Korrektur des Stromrippelzählergebnisses bei Auftreten von Fehl- und/oder Doppelrippel ist dem Signalaufbereitungsverfahren und dem Auswerteverfahren üblicherweise nachgeschaltet ein Korrekturverfahren, mit dem zunächst das Auftreten von Fehl- und/oder Doppelrippeln erkannt werden soll, um anschließend die gewünschte Korrektur des Stromrippelzählergebnisses vornehmen zu können. Der Einsatz derartiger Verfahren ist notwendig, da diese Fehler durch den Kommutator oder überlagernde Störeinflüsse, z. B. die Bordnetzwelligkeit bedingt sind, und somit nicht ohne weiteres durch eine Aufbereitung des Ankerstromsignales eliminiert werden können. Eine solche Korrekturmaßnahme ist beispielsweise aus DE 197 29 238 C1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird im Zeitpunkt einer Stromrippeldetektion anhand der aktuellen, aus Motorstrom- und Motorkenndaten ermittelten Drehzahl der Zeitpunkt der nächsten erwarteten Stromrippeldetektion berechnet. Dieser Zeitpunkt ist Teil eines bezüglich seiner Größe fest vorgegebenen Toleranzbereiches. Bei dem aus diesem Dokument bekannten Verfahren wird somit der berechnete Zeitpunkt des wahrscheinlich nächsten Kommutierungspunktes (Stromrippel) um die Größe des vorgegebenen Toleranzwertes erweitert. Auf diese Weise werden im oder vor dem berechneten Zeitpunkt nicht aufgetretene Stromrippel nur dann als Fehlrippel erkannt, wenn auch innerhalb des Toleranzbereiches ein Stromrippel nicht detektiert worden ist. Diese Verfahren sind jedoch rechenintensiv.

Mit den vorbekannten Signalaufbereitungs- und Korrekturverfahren lassen sich im Ankerstromsignal enthaltene Störeinflüsse jedoch nur dann hinreichend beseitigen oder minimieren, wenn die im Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippel prägnant im Ankerstromsignal vorhanden sind. Aus diesem Grunde werden zur sensorlosen Positionsbestimmung mittels der im Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippel nur solche Gleichstrommotoren eingesetzt, die hochwertige Kollektoren aufweisen und entsprechend sauber hergestellt bzw. verarbeitet worden sind. Daher kann eine solche sensorlose Positionsbestimmung mit kostengünstigen Gleichstrommotoren, die einen verzerrten Wechselanteil im Ankerstromsignal aufweisen, nicht vorgenommen werden.

Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Stromrippeldetektion bereitzustellen, bei deren Durchführung nicht nur der notwendige Rechenaufwand reduziert ist, sondern welches sich auch für eine sensorlose Positionsbestimmung bei kommutierten Gleichstrommotoren mit geringeren Anforderungen an deren Qualität geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

  • - in einem ersten Schritt eine Spektralanalyse des Ankerstromsignals bezüglich der in dem Ankerstromsignal enthaltenen Frequenzanteile durchgeführt wird und
  • - anschließend aus der bei dem Betrieb des Gleichstrommotors auftretenden aktuellen, aus der Spektralanalyse gewonnenen Frequenz der im Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippel die Drehzahl ermittelt und über die Drehzahl die aktuelle Position der Antriebswelle des Gleichstrommotors bestimmt wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Ankerstromsignal in einem ersten Schritt einer Spektralanalyse bezüglich der im Ankerstromsignal enthaltenen Frequenzanteile unterzogen. In der Spektralanalyse sind die Stromrippel in einer bestimmten Frequenz und auch mit einer bestimmten Amplitude enthalten. Die Frequenz der Stromrippel ist proportional zur aktuellen Drehzahl des Gleichstrommotors. Die bei einem Betrieb des Gleichstrommotors auftretende Frequenz bzw. die bei unterschiedlichen Drehzahlen auftretenden Frequenzen der in dem Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippel sind bei den unterschiedlichen Drehzahlen bekannt und können, wenn gewünscht, über eine Berechnung aus aktuellen Motorstrom- und Motorkenndaten bei Bedarf überprüft werden. Die für einen Betrieb des Gleichstrommotors auftretende Stromrippelfrequenz kann auf unterschiedliche Weise ermittelt werden, beispielsweise auch dadurch, daß bestimmte Frequenzen in der Spektralanalyse entweder aufgrund einer zu geringen Amplitude oder aufgrund einer durch den Gleichstrommotor nicht realisierbaren Drehzahl ausgeschieden werden und somit in die weitere Betrachtung nicht eingehen. Die auf diese Weise bei einem Betrieb des Gleichstrommotors bestimmte aktuelle Frequenz der im Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippel ist unmittelbar ein Maß für die aktuelle Drehzahl des Gleichstrommotors, über die sich sodann eine Drehwinkel- und Positionsbestimmung der Ankerwelle berechnen läßt.

Änderungen infolge des Betriebszustandes des Gleichstrommotors resultieren in einer Änderung der Frequenz der im Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippel. Folglich sind Änderungen in der Frequenz der Stromrippel unmittelbar auf eine Drehzahländerung des Gleichstrommotors zurückzuführen.

Zum Durchführen der Spektralanalyse kann das analoge Ankerstromsignal zunächst digitalisiert und anschließend mittels einer Fast-Fourier- Transformation in seinen Frequenzsbereich transformiert werden. Diese Verfahrensschritte können wenig rechenintensiv ausgestaltet sein. Dies hat auch zur Folge, daß ohne weiteres diese Berechnungen in jedem Zeitpunkt der digitalen Abtastung des analogen Ankerstromsignals vorgenommen werden können, so daß eine Drehwinkelbestimmung der Antriebs- bzw. Ankerwelle des Gleichstrommotors in einer zeitlich sehr hohen Auflösung erfolgen kann. Folglich kann dieses Verfahren auch eingesetzt werden, um für solche Korrekturverfahren benutzt werden zu können, bei denen die aktuelle Drehzahl des Gleichstrommotors benötigt wird. Insbesondere können mit diesem Verfahren bei einer Durchführung der Verfahrensschritte im Takt der digitalen Abtastung Betriebszustandsänderungen quasi in Echtzeit erfaßt werden und somit auch in der aktuellen Drehwinkelbestimmung berücksichtigt werden.

Im Gegensatz zum vorbekannten Stand der Technik wird bei dem beanspruchten Verfahren keine Frequenzfilterung vorgenommen, sondern es erfolgt eine direkte Ermittlung der aktuellen Stromrippelfrequenz unter Ausblendung solcher Frequenzanteile, die als Störeinflüsse ggf. das Ankerstromsignal überlagern. Die Beobachtung der Stromrippelfrequenz wird bei diesem Verfahren unmittelbar ausgewertet, ohne daß zu diesem Zweck zuvor eine eigene Stromrippeldetektion oder eine besondere Signalaufbereitung grundsätzlich notwendig wäre. Daher eignet sich dieses Verfahren insbesondere auch, um eine sensorlose Positionsbestimmung bei kommutierten Gleichstrommotoren mit geringeren Anforderungen an ihre Qualität unter Ausnutzung der im Ankerstrom enthaltenen Stromrippel durchführen zu können.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann jedoch nicht nur vorgesehen sein, die aktuelle Frequenz der Stromrippel bei einem Betrieb des Gleichstrommotors zu ermitteln und zu überwachen, sondern diese Betriebsfrequenz der im Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippel kann ebenfalls im Hinblick auf sprunghafte Änderungen der Stromrippelfrequenz überwacht werden. Bei Auftreten von Fehl- und/oder Doppelrippeln erfolgt eine sprunghafte Änderung der aktuellen Stromrippelfrequenz, so daß anschließend bei einer Detektion einer solchen sprunghaften Änderung der aktuellen Stromrippelfrequenz eine Korrektur des Stromrippelzählergebnisses und somit der aktuellen Positionsbestimmung durchgeführt werden kann.

Die Detektion einer solchen sprunghaften Änderung der aktuellen Stromrippelfrequenz kann einer Plausibilitätskontrolle unterworfen werden, etwa über die Dauer der Frequenzänderung oder über den Frequenzsprung, um auf diese Weise eine Interpretation von nicht durch Stromrippel induzierten Frequenzen zu vermeiden. Mit einem solchen Korrekturverfahren ist es somit auf einfache Weise möglich, eine Korrektur von auftretenden Fehl- und/oder Doppelrippeln vorzunehmen, ohne daß zu diesem Zweck aufwendige und rechenintensive Algorithmen zum Erkennen von Fehl- und/oder Doppelrippeln durchgeführt werden müßten.

Eine Bestimmung der Frequenz der im Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippel erfolgt zweckmäßigerweise durch eine Differenzbildung zwischen dem durch die Spektralanalyse des Ankerstromsignals gewonnenen Ergebnis und dem Ergebnis einer weiteren Spektralanalyse einer elektrischen Motorbetriebsgröße. Durch eine solche Maßnahme werden die das Stromrippelsignal überlagernden Störfrequenzen, die sich in beiden Spektralanalysen gleichermaßen bemerkbar machen, eliminiert, zumindest jedoch soweit minimiert, daß diese erkennbar nicht als Stromrippelfrequenz zu identifizieren sind. Eingesetzt werden Spektralanalysen, in denen das Stromrippelsignal in den beiden an der Differenzbildung beteiligten Spektralanalysen unterschiedlich enthalten sind, so daß diese bei einer Differenzbildung nicht eliminiert werden. Beispielsweise kann für die weitere Spektralanalyse als elektrische Motorbetriebsgröße die Motorspannung eingesetzt werden. In der Motorspannung machen sich gleichermaßen wie in dem Ankerstrom die Störfrequenzen bemerkbar. In der Motorspannung sind jedoch Stromrippel nicht enthalten, so daß bei einer Differenzbildung zwischen den Ergebnissen zweier solcher Spektralanalysen die Störfrequenzen eliminiert werden. Übrig bleibt die Stromrippelfrequenz. Die Differenzbildung kann bei einer derartigen Ausgestaltung durch zeitgleiche Betriebsdaten vorgenommen werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß in beide voneinander zu subtrahierende Spektralanalysen das Ankerstromsignal eingeht, wobei in diesem Falle sicherzustellen ist, daß das den Spektralanalyen zugrunde gelegte Ankerstromsignal in unterschiedlichen Betriebszuständen des Gleichstrommotors erfaßt worden ist. Beispielsweise können die Spektralanalaysen bei unterschiedlicher Drehzahl des Gleichstrommotors durchgeführt werden. Die Spektralanalysen basieren dann auf Ankerstromdaten, die zeitlich voneinander beabstandet sind. Bei dieser Ausgestaltung wird davon ausgegangen, daß die Störfrequenzen innerhalb des zweckmäßigerweise kleinen Zeitintervalls zwischen der Erstellung der ersten und der zweiten Spektralanalyse etwa konstant ist. Die Bestimmung der Stromrippelfrequenz kann beispielsweise bei jedem Anfahren des Gleichstrommotors durchgeführt werden.

Die Erfindung ist nachfolgend nochmals anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a, 1b Diagramme zur Darstellung der Stromrippelfrequenz in dem Ankerstromsignal eines kommutierten Gleichstrommotors und

Fig. 2a, 2b Diagramme zur Darstellung der Stromrippelfrequenz in dem Ankerstromsignal eines kommutierten Gleichstrommotors mit im Ankerstromsignal enthaltenen Störeinflüssen.

Fig. 1a zeigt das analoge Ankerstromsignal eines kommutierten Gleichstrommotors bei seinem Betrieb. Deutlich erkennbar ist der wellige Verlauf des Ankerstromsignales, durch den die Stromrippel ausgebildet sind. Die Frequenz der Stromrippel im Ankerstromsignal ist proportional zur Drehzahl des Gleichstrommotors, wobei bei steigender Drehzahl sich die Frequenz der Stromrippel erhöht und umgekehrt.

Nach einer digitalen Abtastung des in Fig. 1a gezeigten Ankerstromsignales wird diese einer Fast-Fourier-Transformation unterzogen, um die in dem Ankerstromsignal der Fig. 1a enthaltenen Frequenzanteile darstellen zu können. Die in dem Ankerstromsignal der Fig. 1a enthaltenen Frequenzanteile sind in Fig. 1b dargestellt. In diesem Diagramm ist auf der y-Achse die Amplitude der Frequenzen und auf der x-Achse die Frequenz in kHz aufgetragen. In dem Ankerstromsignal der Fig. 1a sind dieser Spektralanalyse zur Folge drei sich überlagernde Frequenzen beteiligt. Die beiden hohen etwa bei 1,2 kHz und 1,8 kHz befindlichen Anteile sind bereits aufgrund ihrer Amplitude nicht als Stromrippel zu bezeichnen. Vielmehr spiegelt sich in diesen beiden Frequenzen die auch in Fig. 1a erkennbare Schwankung wieder. Die Frequenz der Stromrippel liegt bei etwa 0,2 kHz und ist in Fig. 1b auch an der prägnanten Amplitude erkennbar. Daß es sich bei den Frequenzen bei 1,2 kHz und bei 1,8 kHz nicht um Stromrippelfrequenzen handelt, wird auch daraus deutlich, daß der Gleichstrommotor, dessen Ankerstromsignal in Fig. 1a wiedergeben ist, eine derartige Drehzahl, die zu den Frequenzen bei 1,2 und 1,8 kHz führen würde, nicht realisieren könnte.

Fig. 2a und 2b zeigen eine entsprechende Darstellung, wobei jedoch in Fig. 2a das Ankerstromsignal eines anderen kommutierten Gleichstrommotors wiedergegeben ist. Erkennbar ist, daß in diesem Ankerstromsignal Störeinflüsse die darin befindlichen Stromrippel überlagern.

Nach einer Digitalisierung dieses Ankerstromsignals und einer Transformierung in den Frequenzbereich erhält man das in Fig. 2b dargestellte Frequenzspektrum. Diese Frequenzspektrum weist eine Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzen auf, die am Zustandekommen des in Fig. 2a gezeigten Ankerstromsignals beteiligt sind. Durch eine zuvor vorgenommene Definition der Stromrippelfrequenz, etwa über einen Drehzahlvergleich oder zweckmäßigerweise durch eine Bestimmung der Frequenz der im Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippel über eine Differenzbildung zwischen dem durch die Spektralanalyse des Ankerstromsignals gewonnenen Ergebnis und dem Ergebnis einer weiteren Spektralanalyse einer elektrischen Motorbetriebsgröße, ist bekannt, daß bei der in Fig. 2a und 2b dargestellten Drehgeschwindigkeit die Stromrippel eine Frequenz von etwa 0,15 kHz aufweisen. Bei einer Auswertung des Frequenzspektrums hinsichtlich einer sich ändernden Drehzahl zur Positionsbestimmung der Antriebswelle wird nachfolgend ausschließlich diese Frequenz beobachtet. Die anderen Frequenzen gehen in die weitere Auswertung nicht ein.

Änderungen der Stromrippelfrequenz, die betriebsbedingte Drehzahländerungen des Gleichstrommotors widerspiegeln, äußern sich in einer allmählichen Änderung der Stromrippelfrequenz. Die die Stromrippelfrequenz überlagernde Störeinflüsse bleiben von einer solchen Änderung unberücksichtigt. Solche Störeinflüsse, die durch den Kommutator bedingt sind, verändern bei einer Drehzahländerung ebenfalls ihre Frequenz, so daß diese grundsätzlich auch beobachtet werden können.

Bei Auftreten von Fehl- oder Doppelrippeln verändert sich die Frequenz der Stromrippeln sprunghaft, so daß auch dieses ohne weiteres mit dem beschriebenen Verfahren detektierbar ist. Fehl- oder Doppelrippel machen sich nur kurzzeitig bemerkbar und können beispielsweise aufgrund dieser Eigenschaft im Störfrequenzspektrum erkannt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Bestimmen der Drehstellung der Antriebswelle eines kommutierten Gleichstrommotors durch Auswerten der im Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippel, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - in einem ersten Schritt eine Spektralanalyse des Ankerstromsignals bezüglich der in dem Ankerstromsignal enthaltenen Frequenzanteile durchgeführt wird und
    2. - anschließend aus der bei dem Betrieb des Gleichstrommotors auftretenden aktuellen, aus der Spektralanalyse gewonnenen Frequenz der im Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippel die Drehzahl ermittelt und über die Drehzahl die aktuelle Position der Antriebswelle des Gleichstrommotors bestimmt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Durchführen der Spektralanalyse das analoge Ankerstromsignal digitalisiert wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Durchführen der Spektralanalyse das digitalisierte Ankerstromsignal mittels einer Fast-Fourier-Transformation in seinen Frequenzbereich transformiert wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrenschritte in jeden Zeitpunkt der digitalen Abtastung des analogen Ankerstromsignals vorgenommen werden.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bei einem Betrieb des Gleichstrommotors auftretende Frequenz seiner Stromrippel im Hinblick auf Änderungen dieser Frequenz überwacht wird und eine weitere Auswertung durch eine Differenzbetrachtung zu einer oder mehreren zuvor ermittelten Stromrippelfrequenzen erfolgt.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die bei dem Betrieb des Gleichstrommotors auftretende aktuelle Frequenz der im Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippel im Hinblick auf sprunghafte Änderungen dieser Frequenz überwacht und bei einer Detektion einer solchen sprunghaften Änderung der aktuellen Stromrippelfrequenz eine Korrektur des Stromrippelzählergebnisses durchgeführt wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bestimmung der Frequenz der im Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippel über eine Differenzbildung zwischen dem durch die Spektralanalyse des Ankerstromsignals gewonnenen Ergebnis und dem Ergebnis einer weiteren Spektralanalyse einer elektrischen Motorbetriebsgröße erfolgt.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in die weitere Spektralanalyse als elektrische Motorbetriebsgröße die Motorspannung eingeht.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in die weitere Spektralanalyse als elektrische Motorbetriebsgröße gleichfalls das Ankerstromsignal eingeht, wobei die beiden Spektralanalysen bei unterschiedlichen Betriebszuständen des Gleichstrommotors durchgeführt werden.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bestimmung der Frequenz der im Ankerstromsignal enthaltenen Stromrippel bei jeden Anfahren des Gleichstrommotors durchgeführt wird.






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