DE3931962C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft eine Ansteuerelektronik für ein elek­ trisch verstellbares Stellglied gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Insbesondere zielt die Erfindung auf Stellglieder mit beliebiger, z. B. nichtlinearer oder auch linearer unstetiger Kennlinie bzw. Kennlinienfeld ab.
Obwohl die Erfindung nicht auf Stellglieder in hydraulischen Systemen beschränkt sein soll, sondern vielmehr auch für an­ dere Stellglieder, z. B. Transistoren oder Regeleinrichtungen schlechthin geeignet ist, also bei allen Einrichtungen mit einem Stellglied, das ein elektrisches Eingangssignal erhält und eine elektrische, mechanische, hydraulische oder pneuma­ tische Ausgangsgröße zur Betätigung eines Arbeitsgerätes liefert, wobei Eingangs- und Ausgangsgröße in einem nichtli­ nearen Zusammenhang stehen, soll die Erfindung nachstehend an Ausführungsbeispielen eines hydraulischen Systems erläu­ tert werden, da insbesondere Proportional-Wegeventile ein hochgradiges nichtlineares Verhalten aufweisen, so daß eine Kennlinienkorrektur erforderlich ist.
Zum Durchführen der Kennlinienkorrektur ist es bekannt, jeden an einem Sollwertgeber eingestellten Sollwert mit einem Korrekturwert zu verknüpfen, der aus einem Festwertspeicher abgerufen wird. Beispielsweise kann der Korrekturwert zu dem Sollwert hinzuaddiert werden (DE 29 16 172).
Eine Ansteuerelektronik der eingangs genannten Art ist aus der US 45 13 782 bekannt. Nach diesem Stand der Technik sind die zur Kennlinienkorrektur erforderlichen Rechenoperationen zu vermeiden, indem man zunächst die Kennlinie eines Servoventils und damit den funktionellen Zusammenhang zwischen der jeweiligen Eingangsgröße, nämlich dem Spulenstrom i des Servoventils und der zugehörigen Ausgangsgröße, nämlich dem Hub des Servoventils ermittelt und diese Werte paarweise in einem Tabellenspeicher abspeichert. Im Arbeitsbetrieb des Servoventils wird dann der Tabellenspeicher mit der gewünschten Ausgangsgröße, also dem Hub adressiert und die zugehörige Eingangsgröße, nämlich der Spulenstrom i ausgelesen, mit dem dann das Servoventil angesteuert wird. Dieser Sachverhalt ist im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 berücksichtigt.
Es ist auch bekannt (DE 29 03 978 A1), in einem Tabellenspeicher ein Kennlinienfeld abzuspeichern. Auch die Überlagerung eines Dithersignals auf das Ansteuersignal des Stellgliedes ist bekannt (VDI-Z. Bd. 128 [1986], Nr. 21, S. 859-864). Die Ansteuerung der Verstärkerstufe für das Stellglied mit einem impulsbreitenmodulierten Signal ist ebenfalls bekannt (DE 22 32 566).
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Ansteuerelektronik der eingangs genannten Art weiterzuentwickeln, indem die im Speicher abgelegten Daten willkürlich verändert werden, so daß sich eine entsprechende Änderung der Kennlinie ergibt.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen.
Erfindungsgemäß ist es möglich, die Kennlinie des Stellgliedes stufenlos zu verändern, um so die Feinfühligkeit bei der Betätigung eines Arbeitsgerätes anpassen zu können. So ist die Empfindlichkeit des Sollwertgebers zur Ansteuerung des Stellgliedes veränderbar. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht auch darin, daß eine Rückführung der Ausgangsgröße des Stellgliedes nicht mehr erforderlich ist, so daß der Aufwand durch Fortfall einer Regelung verringert ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer Ausführungs­ beispiele näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 die Kennlinie eines Proportional-Wegeventils,
Fig. 2 ein Schaltbild zur Abspeicherung der Kennlinie eines Proportional-Wegeventils in einem Festwertspeicher,
Fig. 3 ein Schaltbild für die Ansteuerung des Proportio­ nal-Wegeventils,
Fig. 4 zwei unterschiedliche Signalformen für das An­ steuersignal,
Fig. 5-8 unterschiedliche im Speicher abgelegte Kenn­ linien,
Fig. 9 und 10 Ventilkennlinien mit überlagertem Dither­ signal,
Fig. 11 ein Blockschaltbild zum Abspeichern einer Druck­ kennung im Speicher,
Fig. 12 ein Blockschaltbild zum Speichern einer Leistungs­ kennung im Speicher und
Fig. 13-15 Ventilkennlinien unterschiedlicher Steigung zur Einstellung der Empfindlichkeit.
Fig. 1 stellt die bekannte Kennlinie eines Proportional-We­ geventils dar. Wird der Strom i in der einen Magnetspule des Ventils stetig erhöht, so verläßt der Steuerkolben bei einem bestimmten Stromwert den Überdeckungsbereich, und es stellt sich zunächst im Bereich der Feinsteuernuten ein progressi­ ves Verhalten ein, d. h., verhältnismäßig kleine Stromände­ rungen führen zu großen Hubabweichungen. Am Ende des Ar­ beitsbereiches gelangt das Ventil zunehmend in einen Sätti­ gungsbereich, bis der Steuerkolben an einen Endanschlag ge­ langt. Auf Grund von Reibungsverlusten stellt sich außerdem ein Hystereseverhalten ein, wie dies durch die Pfeile in Fig. 1 angedeutet ist. Zusätzlich ändert sich die Kennlinie abhängig von der Viskosität des Strömungsmittels und dem Wi­ derstand der Magnetspule, die temperaturabhängig sind. Bei Ansteuerung der anderen Magnetspule und Auslenkung des Steu­ erkolbens in die andere Richtung ergibt sich ein entspre­ chender Kennlinienverlauf.
In Fig. 2 wird die in Fig. 1 dargestellte Kennlinie eines Proportional-Wegeventils 1 gemessen und werden die ermittel­ ten Werte paarweise in einen Tabellenspeicher 2 abgelegt. Hierzu dient ein Mikroprozessor 3, dem über einen Weggeber 4 der Hub x des Ventilsteuerkolbens sowie von einem Geber 5 der Stromwert i zugeführt werden, mit dem die Magnetspule des Ventils 1 erregt wird. Beide Werte, nämlich der Hub x und der Stromwert i werden digitalisiert und die paarweise zueinander gehörenden Werte werden in dem Festwertspeicher 2 in einer Tabelle abgespeichert. Bei dem Stromwert i handelt es sich im allgemeinen in bekannter Weise um ein impulsbrei­ tenmoduliertes Signal. Im Speicher 2 ist der Hub x die Adresse und am Adressenplatz ist der zugehörige Wert i abge­ legt. Hieraus ist auch erkennbar, daß es ausreicht, nur die sich bei Ansteuerung einer Magnetspule ergebende Kennlinie abzuspeichern, da die Kennlinie bei Ansteuerung der anderen Magnetspule durch die gleichen Werte für Strom und Hub ge­ kennzeichnet ist.
In Fig. 3 ist die Ansteuerelektronik für das Wegeventil 1 dargestellt. Die Ansteuerelektronik besteht aus dem Tabel­ lenspeicher 2, dem Mikroprozessor 3, einem aus zwei Transi­ storen bestehenden Darlington-Verstärker 6 und einem UND- Gatter 7, dessen Bedeutung später erläutert wird. So sei an­ genommen, daß der Eingang b des UND-Gatters mit einem Signal belegt ist, so daß der Eingang a der mit dem Mikroprozessor 3 verbundenen Ausgangsleitung durchgeschaltet ist.
Dem Mikroprozessor 3 wird ein Sollwert für einen bestimmten Hub x des Ventils 1 zugeführt. Mit diesem Sollwert für den Hub wird der zugehörige Adressenplatz im Tabellenspeicher 2 aufgerufen und der dieser Adresse zugehörige Stromwert i aus dem Speicher entnommen. Dieser Stromwert stellt ein impuls­ breitenmoduliertes Signal dar, das vom Mikroprozessor an den Verstärker geführt wird, dessen Ausgangsstrom ix die Mag­ netspule erregt, so daß der Steuerkolben den zu diesem Strom ix gehörenden Hub x ausführt. Verändert man nun den Sollwert für den Hub, so wird zu jedem Hub der im Speicher abgelegte Stromwert abgerufen und führt zu einer entsprechenden Hub­ verstellung des Ventils. Es wird somit die Magnetspule des Ventils in einer Weise angesteuert, daß sich eine lineare Kennlinie ergibt, wie sie gestrichelt in Fig. 1 eingezeich­ net ist.
Während beim Abspeichern der Daten gemäß Fig. 2 in den Speicher 2 der Strom den Eingangswert für das Ventil und der Hub x die Ausgangsgröße ist, wird bei der Ansteuerung des Ventils zur Wiedergabe der Sollwert für den Hub x über den Mikroprozessor 3 in den Speicher eingegeben und der zugehö­ rige Stromwert i als Ausgangsgröße gewonnen, die nach Ver­ stärkung der Magnetspule zugeführt wird. Auf diese Weise wird das lineare Verhalten des Ventils erzeugt.
In Fig. 4 ist das vom Mikroprozessor 3 gelieferte impuls­ breitenmodulierte Ansteuersignal dargestellt. Der Mittelwert dieses Ansteuersignals läßt sich verringern, wenn es mit einem höherfrequenten Signal überlagert wird, das ebenfalls impulsbreitenmoduliert ist. Diese Überlagerung erfolgt in dem UND-Gatter 7, in dem das höherfrequente Signal an den Eingang b angelegt wird. Nur solange der Impuls des höher­ frequenten Signals an dem UND-Gatter ansteht, kann das Aus­ gangssignal des Mikroprozessors 3 an den Verstärker 6 gelan­ gen. Über die Impulsbreite des höherfrequenten Signals läßt sich somit der Mittelwert des Ansteuersignals zum Verstärker zusätzlich verringern. Beispielsweise kann damit eine Stromanpassung erfolgen, wenn mit der gleichen Schaltungsanordnung ein Ventil mit geringerem Nennstrom betätigt werden soll.
Die Fig. 2 und 3 verdeutlichen das Abspeichern und die Wiedergabe einer Hubkennung für ein Magnetventil. Es kann im Speicher auch ein Kennlinienfeld des Wegeventils abgespeichert wer­ den, indem die Kennlinie bei verschiedenen Temperaturen, also entsprechend der Viskosität des Strömungsmittels, und bei verschiedenen Drücken zur Berücksichtigung der Durch­ fluß-Lastfunktion des Ventils abgespeichert wird.
In Fig. 5 ist dargestellt, daß sich die linearisierte Kenn­ linie des Ventils aus zwei überlagerten Halbkurven zusammen­ setzt, so daß mit einer Hub-Kennung im Speicher sowohl der eine wie auch der andere Proportionalmagnet ansteuerbar ist. Jede Halbkurve setzt sich aus im Speicher abgelegten Null­ werten für den linken bzw. rechten Ast der Abszisse in Fig. 5 und den Werten für die eigentliche Kennlinie zusammen, so daß sich die beiden in Fig. 5 dargestellten Halbkurven (durchgezogen und gestrichelt) für die gesamte Ventilkennli­ nie ergeben. Die "Nullstellung" des Ventils, in der beide Magnete des Ventils stromlos sind, läßt sich durch Defini­ tion eines OFF-SET-Wertes im Mikroprozessor 3 festlegen.
Durch Änderung der im Speicher an den Adressenplätzen abge­ legten Daten lassen sich die Kennlinien willkürlich ändern. So ist beispielsweise in Fig. 6 eine Kennlinie dargestellt, die ausgehend von einer Totzone zwei lineare Rampen auf­ weist.
In Fig. 7 ist anschließend an eine Totzone ein progressives Durchströmverhalten des Ventils dargestellt, wobei verhält­ nismäßig große Stromänderungen kleine Hubänderungen verursa­ chen, so daß sich ein Feinsteuerverhalten auf elektronischem Wege ergibt.
In Fig. 8 ist die Kennlinie so verschoben, daß sie einmal zum Steuern eines Arbeitsgerätes über das Stellglied (breite Totzone) oder zum Regeln eines Arbeitsgeräts (schmale Tot­ zone) geeignet ist.
In Fig. 9 erfolgt die Ansteuerung des Ventils mit einem überlagerten Dithersignal, wobei der aus dem Speicher ent­ nommene Stromwert i von einem Dithersignal überlagert wird. Dadurch wird die Hysterese des Ventils vermieden. Wird dage­ gen gemäß Fig. 10 ein Dithersignal dem Eingangssollwert x für den Hub überlagert, so bedeutet dies, daß abwechselnd unterschiedliche Adressen im Speicher 2 angewählt und damit abwechselnd unterschiedliche Stromwerte abgerufen werden. Damit erhält die Kennlinie die in Fig. 10 dargestellte Form. Dabei ist außer der Ausschaltung der Hysterese auch bedeutsam, daß über diese Dithersignal-Aufschaltung auf das Eingangssignal des Speichers die Totzone bzw. Überdeckungszone des Ventils in der Neutralstellung in die Kennlinie mit einbezogen werden kann. Über die Größe des überlagerten Dithersignals läßt sich so die Überdeckungszone vergrößern oder verkleinern sowie der Übergangsbereich so verändern, daß ein bestimmtes Verhalten im Überdeckungs- und Feinsteuerbereich erzielt wird.
Ferner ist aus Fig. 10 erkennbar, daß durch Anwahl entspre­ chender Speicherplätze die Kennlinie des Ventils parallel verschoben werden kann. So kann abhängig vom Auftreten einer Störgröße in dem hydraulischen System der Hub eines Ventils durch Anwahl eines entsprechenden Speicherplatzes inkremen­ tell verringert oder vergrößert werden. Dies ist beispiels­ weise bei hydraulischen Systemen vorteilhaft, bei der meh­ rere Verbraucher von einer Verstellpumpe mit Arbeitsmittel versorgt werden. Solange die Verbraucher einen erhöhten För­ derstrom signalisieren, kann über diese Störgröße und An­ steuerung eines entsprechenden Speicherplatzes das Ansteuer­ signal für die Pumpenregelung inkrementell vergrößert wer­ den, bis die Störgröße, also der erhöhte Förderstrombedarf verbraucherseitig wieder abgeschaltet ist, während anderer­ seits bei Unterversorgung, also nichtausreichendem Förder­ strom, weil beispielsweise die Pumpe bereits den maximalen Förderstrom liefert, ein Störsignal erzeugt werden kann, mit dem über die Ansteuerung eines entsprechenden Speicherplat­ zes im Tabellenspeicher das Ansteuersignal für die verbrau­ cherseitigen Ventile verringert wird, um deren Hub und damit den Durchfluß zu den Verbrauchern zu verringern.
Anstelle eines Kennlinienfeldes für die Hubkennung eines Ventils läßt sich im Tabellenspeicher auch ein Kennlinien­ feld für den Durchfluß durch ein Ventil, für den von einem Ventil eingesteuerten Druck oder für die Leistung beispiels­ weise einer Verstellpumpe einspeichern. Zum Einspeichern einer Durchflußkennung ist es lediglich erforderlich, den vom Ventil eingestellten Durchfluß zu messen und nebst den zugeordneten Stromwerten abzuspeichern. Zum Einspeichern einer Druck-Kennung wird gemäß Fig. 11 der das Druckregel­ ventil 10 ansteuernde Stromwert nebst dem zugeordneten in einem Sensor 11 gemessenen Druckwert über den Mikroprozessor 3 in den Tabellenspeicher 2 eingespeichert. Ein Beispiel für das Abspeichern einer Leistungs-Kennung ist in Fig. 12 dar­ gestellt. Eine Verstellpumpe 15 wird über eine Stellein­ richtung 16 von einem Pumpenregelventil 17 verstellt und fördert Arbeitsmittel in eine Druckleitung 18, die über eine verstellbare Blende 19 mit dem Tank T verbunden ist. Die Stelleinrichtung 16 bestimmt das Förderstromvolumen der Pumpe 15, ist also dem Schwenkwinkel α der Pumpe proportional. Über einen Weggeber 20 läßt sich somit der Durchfluß Q be­ stimmen. Der sich vor der Blende 19 einstellende Druck P wird in einem Druckgeber 21 gemessen. Die zugehörigen Werte von Druck P und Durchfluß Q werden über einen Mikroprozessor 3 wiederum in einem Tabellenspeicher 2 eingespeichert. Dies ergibt ein Kennlinienfeld für die Leistung der Pumpe. Mit diesem Kennlinienfeld aus dem Speicher läßt sich das Stell­ glied, nämlich das Pumpenregelventil 17 ansteuern, wenn der Durchfluß als Sollwert in den Mikroprozessor eingegeben wird und von diesem der im Speicher 2 abgespeicherte zugehörige Druckwert abgerufen wird und damit das Pumpenregelventil an­ gesteuert wird.
Die Veränderung der Kennlinien zur Einstellung der Empfindlichkeit des Sollwertgebers ist in den Fig. 13-15 dargestellt. In vielen Fällen soll die Empfindlichkeit eines Gebers zur Ansteuerung des Stellgliedes veränderbar sein, um beispielsweise je nach Empfindlichkeitsstufe eine Grob- bzw. Feinsteuerung zu erreichen. Im folgenden ist dargestellt, wie die Empfindlichkeit mit Hilfe des Tabellenspeichers korrigiert bzw. angepaßt werden kann. Als Anwendungsbeispiel dient ein Proportionalventil, dessen Kennlinie in Fig. 13 dargestellt ist, wobei auf der Abszisse der Kolbenweg x und auf der Ordinate der Strom i aufgetragen ist. In Fig. 14 ist der dazugehörige Drosselquerschnitt A abhängig vom Kolbenweg x dargestellt, wobei die Kennlinie K1 des Proportionalventils im Tabellenspeicher abgespeichert ist. Hieraus ergibt sich in Fig. 15 die Kennlinie K1 abhängig vom Strom i und dem Drosselquerschnitt A. Wie bereits erwähnt, ist die Nullstellung des Ventils durch den OFF-SET-Wert im Mikroprozessor festgelegt. Ausgehend von diesem OFF-SET-Wert soll nun willkürlich die Kennlinie K1 verändert werden, um beispielsweise die Kennlinien K2 oder K3 zu erhalten. Jede Kennlinie ist durch einen entspechenden Verzerrungsfaktor Vi, V2 oder V3 charakterisiert, so daß durch die Wahl entsprechender Verzerrungsfaktoren die Neigung der Kennlinie K1 veränderbar ist. Hierzu wird so vorgegangen, daß die re­ lative Adresse der im Tabellenspeicher abgespeicherten Kenn­ linie K1, nämlich eine Adresse auf der Kennlinie K1 minus der OFF-SET-Adresse mit dem gewünschten Verzerrungsfaktor multi­ pliziert wird, um so unterschiedliche Kennlinien K2 oder K3 zu erhalten. Die Verzerrungsfaktoren lassen sich in dem Mi­ kroprozessor zum Beispiel durch ein analoges Eingangssignal einstellen, so daß sich beliebige Kennfeldsteigungen erzeu­ gen lassen. Auf diese Weise ist es unter Verwendung des Ta­ bellenspeichers in einfacher Weise möglich, die Kennlinie des Stellgliedes stufenlos zu verändern, um so die Feinfüh­ ligkeit bei der Betätigung eines Arbeitsgerätes anpassen zu können. In entsprechender Weise lassen sich damit auch Fer­ tigungstoleranzen der Geber durch eine entsprechende Anpas­ sung der Empfindlichkeit, also der Kennlinie im Tabellen­ speicher kompensieren.

Claims (13)

1. Ansteuerelektronik für ein elektrisch verstellbares Stellglied zum Betätigen eines Arbeitsgerätes, insbesondere für ein Stellglied mit nicht-linearer oder linearer unstetiger Kennlinie, mit einem Mikroprozessor, dem von einem Sollwertgeber ein Sollwert zur Ansteuerung des Stellgliedes zugeführt wird und der ein Ansteuersignal für das Stellglied liefert und mit einem an den Mikroprozessor angeschlossenen Tabellenspeicher, in dem die Kennlinie des Stellgliedes abgespeichert ist, die aus einer Anzahl von Eingangsgrößen und den zugehörigen Ausgangsgrößen des Stellgliedes besteht, wobei zum Ansteuern des Stellgliedes eine gewünschte Ausgangsgröße als Sollwert in den Mikroprozessor eingespeist, daraus eine Adresse für den Tabellenspeicher ermittelt und zu diesem Sollwert die zugehörige Eingangsgröße als Ansteuersignal für das Stellglied abgerufen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfindlichkeit des Sollwertgebers durch die Multiplikation einer relativen Adresse, nämlich der Adresse minus einem OFF-SET-Wert im Tabellenspeicher (2) mit einem Verzerrungsfaktor stufenlos veränderbar ist.
2. Ansteuerelektronik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verändern des OFF-SET-Wertes im Tabellenspeicher (2) die Nullpunkt-Streutoleranzen des Sollwertgebers kompensierbar sind.
3. Ansteuerelektronik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Tabellenspeicher (2) ein Kennlinienfeld abgespeichert ist.
4. Ansteuerelektronik nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die im Tabellenspeicher (2) abgespeicherten Daten veränderbar sind und damit neue Kennlinien für das Stellglied gebildet werden.
5. Ansteuerelektronik nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Anwendung in einem hydraulischen System mit einer elektrisch ansteuerbaren Verstelleinrichtung als Stellglied, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Tabellenspeicher Kennlinien bzw. Kennlinienfelder für den Hub eines Ventils, den Durchfluß durch ein Ventil, den von einem Ventil geregelten Druck oder für die Leistung einer Pumpe jeweils als Eingangs- bzw. als Ausgangsgrößen abgespeichert sind.
6. Ansteuerelektronik nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch willkürliches Ändern der Daten im Speicher die Ventilkennlinie, insbesondere im Überdeckungsbereich des Steuerschiebers veränderbar ist.
7. Ansteuerelektronik nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Mikroprozessor dem aus dem Speicher abgerufenen Ansteuersignal ein Dithersignal überlagert wird.
8. Ansteuerelektronik nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Mikroprozessor dem in dem Speicher eingeschriebenen Sollwert ein Dithersignal aufgeschaltet wird.
9. Ansteuerelektronik nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Mikroprozessors ein impulsbreitenmoduliertes Signal ist, mit dem eine Verstärkerstufe für das Stellglied ansteuerbar ist.
10. Ansteuerelektronik nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsbreite des Ansteuersignals durch Überlagerung mit einem höherfrequenten, ebenfalls impulsbreitenmodulierten Signal veränderlich ist.
11. Ansteuerelektronik nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Mikroprozessor abgelieferte Ansteuersignal bei Auftreten einer Störgröße inkrementell nach oben oder unten veränderbar ist.
12. Ansteuerelektronik nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei Auftreten einer Störgröße der in den Tabellenspeicher eingegebene Sollwert erhöht bzw. verringert wird, um das Ansteuersignal zu vergrößern bzw. zu verringern.
13. Ansteuerelektronik nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch die Anwendung auf ein hydraulisches System mit einer Verstellpumpe und mehreren Verbrauchern zum Regeln der Förderstrommenge und zur Grenzstromregelung der Verbraucher bei Unterversorgung.
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