DE4315637A1 - Verfahren zur Erkennung der Position, der Drehrichtung und/oder der Drehgeschwindigkeit eines drehbar gelagerten Teils - Google Patents
Verfahren zur Erkennung der Position, der Drehrichtung und/oder der Drehgeschwindigkeit eines drehbar gelagerten TeilsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung der Position, der Dreh
richtung und/oder der Drehgeschwindigkeit eines drehbar gelagerten Teils,
das insbesondere bei der fremdkraftbetätigten Verstellung von Schließteilen
in Kraftfahrzeugen, z. B. bei einem elektrisch angetriebenen Fensterheber
mit Einklemmschutz angewendet werden kann. Das Verfahren erlaubt die
Reduzierung der Anzahl der Bauteile und des Bauraums.
Bekannte Vorrichtungen zur Positions- und Drehrichtungserkennung verwenden
2-kanalige Sensorsysteme, deren Signale phasenverschoben sind und in einer
Elektronikeinheit ausgewertet werden. Die verwendeten Sensoren können nach
sehr unterschiedlichen physikalischen Prinzipien (z. B.: elektrisch, magne
tisch, induktiv, optisch) arbeiten.
So verwendet der elektromotorische Antrieb gemäß der EP 0 359 853 B1 bei
spielsweise zwei zueinander winkelversetzte Hall-Sensoren, die einem auf
der Ankerwelle befestigten Ringmagneten zugeordnet sind. Bei Drehung der
Ankerwelle entstehen zwei entsprechend phasenverschobene vom Hall-Sensor
generierte Signale, die nach Digitalisierung in einer Elektronikeinheit
ausgewertet werden und die ausschließliche Grundlage für die Drehrichtungs
erkennung bilden. Da das entsprechende Signalmuster für jede Drehrichtung
charakteristisch (verschieden) ist, lassen sich die Zählimpulse ebenso ein
deutig einer Drehrichtung zuordnen.
Da die bekannte technische Lösung jedoch nicht mit weniger als zwei
Sensorkanälen auskommt, ist sie nur mit einem entsprechend hohen Aufwand an
Bauteilen und Leitungen zu realisieren. Auch der dafür freizuhaltende Bau
raum kann sich negativ auswirken und zwar insbesondere bei Verwendung
kleiner Antriebseinheiten mit integrierter Elektronik.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
Erkennung der Position, der Drehrichtung und/oder der Drehgeschwindigkeit
eines drehbar gelagerten Teils, insbesondere einer Motor- oder Getriebe
welle eines fremdkraftbetätigten Schließteils, z. B. für einen elektrischen
Fensterheber mit Einklemmschutz, zu entwickeln, das unter Verwendung nur
eines Sensorkanals eine sichere Auswertung gewährleistet. Das Verfahren
soll insbesondere in Verbindung mit industriellen Massenprodukten, z. B.
für Verstelleinrichtungen in Kraftfahrzeugen einsetzbar sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Flanken des
digitalisierten Signals in Abhängigkeit vom Steuerbefehl des Motors ausge
wertet werden. Dazu werden die Steuerbefehle des Motors der Auswertelogik
der Elektronikeinheit zugeführt, wo in Abhängigkeit von Richtung und Dauer
des Steuerbefehls darüber entschieden wird, ob die eintreffenden Signal
flanken der einen bzw. der anderen Drehrichtung zuzuordnen sind. Die Erfin
dung sieht zwei alternativ verwendbare Varianten vor:
Zum einen werden der einen Drehrichtung ausschließlich die high-Flanken und
der anderen Drehrichtung ausschließlich die low-flanken des digitalisierten
Signals zugeordnet, während zum anderen ausschließlich die high- oder die
low-Flanken der Signalauswertung zugrunde gelegt werden, jedoch in Verbin
dung mit dem Pegel des digitalisierten Signals zum Zeitpunkt des Motoran
laufs bzw. der Drehrichtungsumkehr des Motors.
Für den Fall, daß der Motor (rotierender oder linearer Antrieb) unter einer
so großen Belastung steht, daß beim Abschalten seiner Speisespannung mit
einem sofortigen Stillstand zu rechnen ist, also daß kein Nachlaufen er
folgt, so liefert die Benutzung der Merkmale des ersten Anspruchs sichere
Werte für die Erkennung der Position, der Drehrichtung und/oder der Drehge
schwindigkeit des entsprechenden Verstellteils. Die meisten technisch
relevanten Fälle sind jedoch wegen des Bewegungsimpulses des Motors mit
einem Nachlauf verbunden, weshalb gegebenenfalls eine Bewertung der Signal
flanken nach der Abschaltung des Motors vorgenommen werden muß.
Die in den Unteransprüchen aufgezeigten Signalanalysen und Korrekturmög
lichkeiten sind besonders vorteilhaft für Antriebe anwendbar, die nach Ab
schalten der Motorspeisespannung innerhalb weniger Ankerumdrehungen zum
Stillstand kommen.
Um eine gesicherte Zuordnung der Signalflanken zu der einen oder der
anderen Drehrichtung gewährleisten zu können, müssen neben der Einbeziehung
des Zeitpunktes t₁ des Steuerbefehls noch weitere Zeitmarken bzw. Zeitbe
reiche einbezogen werden welche von den kinematischen Gegebenheiten des
Systems (Verstelleinrichtung) abhängig sind und deshalb spezifisch durch
Berechnen (unter Zuhilfenahme der festen und variablen Einflußgrößen) und
durch Versuch ermittelt werden müssen. Die Zuordnung der Signalflanken er
folgt demnach in Abhängigkeit einer minimalen Nachlaufzeit Δtmin, in der
praktisch keine Drehrichtungsumkehr auftreten kann und in Abhängigkeit
einer maximalen Nachlaufzeit Δtmax, nach der spätestens eine Drehrichtungs
umkehr durch die Logik erkannt sein muß.
Die minimale Nachlaufzeit Δtmin stellt die Zeitdifferenz zwischen dem
Zeitpunkt t₁ des Startbefehls und dem vorzugsweise empirisch ermittelten
Zeitpunkt t₂ dar, wobei t₂ den Zeitpunkt repräsentiert, zu dem garantiert
noch keine Drehrichtungsumkehr erfolgt sein kann. Die maximale Nachlaufzeit
tmax repräsentiert die Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt t₁ des
Steuerbefehls und dem Zeitpunkt t₃, wobei t₃ dem Zeitpunkt der zweiten zu
registrierenden Flanke des digitalisierten Signals nach dem Zeitpunkt t₂
entspricht. Der Zeitpunkt t₃ steht somit nicht nur für den spätesten Zeit
punkt einer Drehrichtungsumkehr, sondern auch für eine Zeitgrenze, nach der
die eintreffenden Signalflanken immer der neuen Drehrichtung zugeordnet
werden.
Die Signalauswertung muß in Abhängigkeit von der Richtung des neuen Steuer
befehls und vom Zeitpunkt seines Auftretens sehr differenziert vorgenommen
werden.
Tritt beispielsweise ein Steuerbefehl nach dem Zeitpunkt t₃ auf, so werden
die Signale so ausgewertet, als handle es sich um einen Neustart nach dem
Stillstand des Systems.
Werden zwei Steuerbefehle in sehr kurzer Folge in gleicher Richtung gege
ben, wobei der zweite Steuerbefehl noch vor dem Zeitpunkt t₃ fällt, so sind
die Signalflanken der gleichen Bewegungsrichtung zuzuordnen wie die Signal
flanken des zuerst gegebenen Steuerbefehls. Beim Auftreten eines Steuerbe
fehls in die entgegengesetzte Bewegungsrichtung können hingegen die zwi
schen den Zeitpunkten t₂ und t₃ registrierten Signalflanken der neuen Bewe
gungsrichtung zugeordnet, und erforderlichenfalls korregiert werden. Anders
verhält es sich mit den Signalflanken, die bis zum Zeitpunkt t₂ bzw. erst
nach dem Zeitpunkt t₃ auftreten. Während die Signalflanken der zuerst ge
nannten Art der letzten Bewegungsrichtung zugeordnet werden, da ja noch
keine Bewegungsrichtungsumkehr erfolgt sein kann, werden die zuletzt ge
nannten komplementären Signalflanken der neuen, also der Gegendrehrichtung
zugeordnet.
Ein gegebenenfalls vorhandenes Korrekturbedürfnis des Zählerstandes für die
zwischen dem Zeitpunkt t₂ und dem Zeitpunkt t₃ registrierten Signalflanken
muß nach zwei verschiedenen Methoden ermittelt werden:
Zum einen wird der Zählerstand der vorherigen Bewegungsrichtung nur dann um
eine Zähleinheit korrigiert, wenn die Signalpegel (z. B. high) zum Zeit
punkt t₂ und einem zweiteren Zeitpunkt t₂₃, der dem Maximalen
(tatsächlichen) Nachlauf des Antriebes entspricht, mit der aktuellen
Flankenrichtung (high) für die neue (Gegen-) Drehrichtung übereinstimmt und
innerhalb dieses Zeitbereichs auch eine zu zählende Flanke erkannt wurde.
Zum anderen ist das Korrekturbedürfnis auch durch den Vergleich der
Pegeldauer aufeinanderfolgender Pegel ermittelbar. So ist der Zählerstand
der vorherigen Drehrichtung nur dann um eine Zähleinheit zu korrigieren,
wenn die Pegeldauer nach der ersten aus dem Zeitpunkt t2 folgenden Signal
flanke kürzer ist als die Pegeldauer des unmittelbar darauf folgenden
komplementären Pegels.
Nach einem durch die Steuerlogik, z. B. zum Zwecke der Positionsabschaltung
oder von Hand ausgelöstem Stop-Befehl, erfolgt die Signalauswertung derart,
daß die Nachlaufzeit des Antriebes bis zum Zeitpunkt t₂₃ ermittelt und beim
Erreichen des Zeitpunktes t₂₃ die Flankenerkennung umgeschaltet wird. Eine
Überprüfung des Zählerstandes erfolgt durch den Vergleich der Pegeldauer
vor dem Stop-Befehl mit der Pegeldauer nach dem Stop-Befehl, also nach dem
Zeitpunkt t₁. Ist die Pegeldauer vor dem Stop-Befehl größer als die danach,
so wird der Zählerstand um eine Zähleinheit korrigiert, da die Drehrich
tungsumkehr schon vor dem Zeitpunkt t₂₃ erfolgte. Ergibt die Auswertung
jedoch, daß die Pegeldauer vor dem Zeitpunkt t₁, also vor dem Stop-Befehl,
kleiner ist als die Pegeldauer danach, so wird der Zählerstand nicht
korrigiert, da die Drehrichtungsumkehr erst nach dem Zeitpunkt t23
erfolgte.
Wird die Verstelleinrichtung beispielsweise in einen Anschlag gefahren, so
muß trotz des Anliegens eines Steuerbefehls für eine Bewegungsrichtung mit
dem Ausbleiben von Sensorsignalen gerechnet werden. Registriert die
Auswerteeinheit für eine gewisse (vorgegebene) Zeitspanne keine Sensor
signale, so wird automatisch ein Stop-Befehl ausgelöst und die Flankener
kennung umgeschaltet. Ein neuer Steuerbefehl ist erst nach dem Stillstand
des Antriebes freigegeben. D. h., daß eine eventuelle gegenläufige, also
Rückstellbewegung verursacht, z. B. durch eine abtriebsseitige Belastung
oder eine Systemverspannung, zum Stillstand gekommen sein muß.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels für eine
elektrischen Fensterheber mit Einklemmschutz für Kraftfahrzeuge, sowie den
dargestellten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Blockschaltbild einer Verstelleinrichtung mit Kollisionsschutz
Fig. 2a Diagramm eines Eingangssignals Xe (z. B. aus Block 3 des Block
schaltbildes gemäß Fig. 1)
Fig. 2b Diagramm der aus dem Eingangssignal Xe resultierenden
Sprungantwort Xa (z. B. aus Block 4 des Blockschaltbildes gemäß
Fig. 1)
Fig. 3 zeitlich abhängige Stromkurve eines Fensterhebermotors, der zum
Zeitpunkt t₁ in die entgegengesetzte Bewegungsrichtung umge
schaltet wurde
Fig. 4 Ablaufdiagramm für die Positionserkennung eines elektrisch an
getriebenen Fensterhebersystems mit Einklemmschutz
Fig. 4a Teil des Ablaufdiagramms (Start)
Fig. 4b Teil des Ablaufdiagramms (Heben)
Fig. 4c Teil des Ablaufdiagramms (Senken)
Fig. 4d Teil des Ablaufdiagramms (Einklemmschutz)
Das Blockschaltbild gemäß Fig. 1 zeigt die prinzipielle Verschaltung der
einzelnen Funktionsblöcke 1, 2.1, 2.2, 3, 4, 5 der Verstelleinrichtung und
somit ihre Wechselwirkung untereinander sowie den Signal- bzw. Infor
mationsfluß.
Eine von Hand ausgelöste Steueranweisung wird an die Steuerlogik weiterge
geben und in Abhängigkeit der Signale aus der Auswertelogik verarbeitet.
Die Steuerbefehle werden einerseits der Auswertelogik zugeführt, wo sie mit
den Signalen des Sensors gemeinsam verarbeitet werden, und die andererseits
auf ein Stellglied (z. B. ein Relais) einwirken. Das Stellglied seinerseits
wirkt auf die zu steuernde physikalische Größe (z. B. die Position eines
Verstellteils oder den Motorstrom) ein.
Die Fig. 2a und 2b dienen der Verdeutlichung des Verhaltens realer Ver
stellsysteme, bei denen die Massenträgheit bzw. der Bewegungsimpuls zu
einem Nachlaufen des Verstellsystems führen. So zeigt Fig. 2a die Zeit
dauer des Eingangssignals zwischen t-Start und t-Stop während der bei
spielsweise ein Motor bestromt wird. Aus der Sprungantwort Xa von Fig. 2b
ist ersichtlich, daß die Verstellzeit des Antriebs um den Betrag Δt größer
ist als die Dauer des Eingangssignals. Die Zeit Δt entspricht der Nach
laufzeit des Antriebes.
Im Diagramm gemäß Fig. 3 sind neben der zeitabhängigen Stromkurve eines
Fensterhebermotors, der zum Zeitpunkt t₁ in die Gegenrichtung umgesteuert
wurde, auch weitere Zeitkonstanten eingetragen, die für die erfindungsge
mäße Bewertung der Signale von Bedeutung sind. Der Zeitpunkt t₂ stellt
danach den Zeitpunkt dar, zu dem praktisch noch keine Drehrichtungsumkehr
erfolgen konnte. Er liegt deshalb so nahe wie möglich am Zeitpunkt t₁ des
Steuerbefehls. Der Zeitpunkt t₃ repräsentiert hingegen die äußere zeitliche
Grenze einer Drehrichtungs- bzw. Bewegungsrichtungsumkehr, jedoch unter der
Bedingung, das die Auswertelogik zu diesem Zeitpunkt schon eine Drehrich
tungsumkehr anhand der analysierten Signale erkennen konnte. Deshalb kann
der tatsächliche maximale Nachlauf des Antriebs schon vor dem Zeitpunkt t₃
sein Ende finden. Der tatsächliche (aus technischen Gründen) maximale Nach
lauf des Antriebs ist vom Zeitpunkt t₂₃ begrenzt.
Alle genannten Zeitkonstanten lassen sich prinzipiell empirisch ermitteln
oder mathematisch berechnen. Welche der genannten Methoden zur Anwendung
kommen sollte hängt im wesentlichen von den zu betreibenden Aufwand ab.
Δtmin wird als Differenz zwischen dem Zeitpunkt t₁ des Steuerbefehls und
dem Zeitpunkt t₂ als minimaler Nachlaufzeit und Δtmax als Zeitdifferenz
zwischen dem Zeitpunkt t₁ und dem Zeitpunkt t₃ als maximaler Nachlaufzeit
bezeichnet.
Die Abhängigkeit von der Zeit dargestellte Stromkurve stellt den Fall eines
Einklemmvorganges eines elektrisch betriebenen Fensterhebersystems mit
Kollisionsschutz. Zunächst steigt der Stromverbrauch stark an bis der
Kollisionsschutz anspricht und zum Zeitpunkt t₁ des Stellbefehl für die
gegenläufige Drehrichtung des Elektromotors ausgegeben wird. Nach einigen
Millisekunden fällt das betreffende Relais ab und der Elektromotor befindet
sich im Kurzschlußbetrieb. Der Motor läuft nun für eine gewisse Zeit
weiterhin im stromlosen Zustand getrieben von seinem Drehimpuls als
Generator, wobei er eine Spannung induziert die sich bei Zuschaltung des
Relais für die gegenläufige Drehrichtung zur entsprechenden Bordspannung
hinzu addiert. Erst mit der Normalisierung des Betriebszustandes des Motors
kann sich wieder ein normaler Betriebsstrom einstellen. Dieser Vorgang ist
von den verwendeten Relaistypen abhängig. Im beschriebenen Falle ist die
Einschaltverzögerung größer als die Ausschaltverzögerung.
In den Fig. 4a bis 4d ist in Form eines Ablaufdiagramms das erfindungs
gemäße Verfahren zur Positionserkennung nach Alternative a bezogen auf
einen elektrischen Fensterheber mit Einklemmschutz zusammengefaßt. Dieses
Ablaufdiagramm berücksichtigt alle möglichen auftretenden Betriebszustände
eines elektrischen Fensterhebers mit Einklemmschutzerkennung und enthält
sämtliche Auswertevorschriften bzw. Entscheidungskriterien gemäß den
Patentansprüchen.
Claims (11)
1. Verfahren zur Erkennung der Position, der Drehrichtung und/oder
der Drehgeschwindigkeit eines drehbar gelagerten Teils, insbesondere einer
Motor- oder Getriebewelle eines fremdkraftbetätigten Schließteils mit
Kollisionsschutz (vorzugsweise für Verstelleinrichtungen in Kraftfahrzeu
gen), unter Verwendung wenigstens eines Wegsensors (Wegaufnehmer), dessen
digitalisierte Signale in einer Auswertelogik der Elektronikeinheit bewer
tet werden, wobei die Signalflanken der Auswertung zugrunde gelegt sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerbefehle des Motors auch der Auswertelogik zugeführt werden
und in Abhängigkeit von der Richtung und der Dauer des Steuerbefehls
- (a) die high- bzw. low-Flanken des digitalisierten Signals oder
- (b) eine der high- bzw. low-Flanken in Verbindung mit dem Pegel des Signals zum Zeitpunkt des Motoranlaufs bzw. der Drehrichtungsumkehr des Motors
der einen bzw. der anderen Bewegungsrichtung (Drehrichtung) zugeordnet
werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der
Signalauswertung ein eventuelles Nachlaufen des Motors infolge seines Bewe
gungsimpulses (z. B. seines Drehimpulses) berücksichtigt und bei Bedarf
eine Korrektur der Position vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zuordnung der Signalflanken zu einer Laufrichtung in Abhängigkeit von
einer minimalen Nachlaufzeit Δtmin und einer maximalen Nachlaufzeit Δtmax
erfolgt, wobei sich
- - Δtmin als Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt t₁ des Steuerbefehls und dem vorzugsweise empirisch ermittelten Zeitpunkt t₂ ergibt, wobei t₂ vom Bewegungsimpuls des Motors abhängig ist und so nahe an t₂ liegt, daß bis zum Zeitpunkt t₂ praktisch keine Drehrichtungsumkehr erfolgen kann, und
- - Δtmax als Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt t₁ des Steuerbefehls und dem Zeitpunkt t₃ ergibt, wobei t₃ dem Zeitpunkt der zweiten zu registrierenden Flanke nach t₂ entspricht und den Zeitraum repräsen tiert, nach dem spätestens eine Drehrichtungsumkehr durch die Logik erkannt wurde.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Signalauswertung nach einem neuen Steuerbefehl, der nach dem Zeitpunkt
t₃ auftritt, so erfolgt, als handle es sich um einen Neustart aus dem
Stillstand heraus.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Signalflanken bei der Auswertung der gleichen Drehrichtung (der Dreh
richtung des letzten Steuerbefehls) zugeordnet werden, wenn ein neuer
Steuerbefehl der gleichen Drehrichtung innerhalb des Zeitraums von t₁ und
t₃ auftritt.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Signalauswertung nach einem neuen Steuerbefehl in die entgegengesetzte
Drehrichtung des Systems derart erfolgt, daß
- - bis zum Zeitpunkt t₂ die Signalflanken (des letzten Steuerbefehls) der letzten (vorangegangenen) Drehrichtung zugeordnet werden,
- - zwischen t₂ und t₃ die Signalflanken der neuen Drehrichtung zugeord net und erforderlichenfalls korrigiert werden, und daß
- - nach t₃ alle komplementären (entgegengesetzten) Signalflanken der neuen (Gegen-) Drehrichtung zugeordnet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der
Zählerstand der vorherigen Drehrichtung erforderlichenfalls um eine
Zählereinheit korrigiert wird, wenn die Signalpegel (z. B. high) zu den
Zeitpunkten t₂ und t₂₃ der aktuellen Flankenrichtung (high) für die neue
(Gegen-) Drehrichtung entsprechen und innerhalb des Zeitbereiches zwischen
t₂ und t₂₃ eine zu zählende Flanke erkannt wurde, wobei t₂₃ dem maximalen
Nachlauf entspricht und vorzugsweise empirisch ermittelt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der
Zählerstand der vorherigen Drehrichtung um eine Zähleinheit korrigiert
wird, wenn die Pegeldauer nach der ersten zu registrierenden Signalflanke,
die auf t₂ folgt, kürzer ist als die Dauer des unmittelbar (in Richtung
t₃) folgenden komplementären Pegels.
9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Signalauswertung nach einem durch die Steuerlogik, z. B. zum Zwecke der
Positionsabschaltung, oder von Hand ausgelösten Stop-Befehl derart erfolgt,
daß
- - die Nachlaufzeit bis zum Zeitpunkt t₂₃ ermittelt wird,
- - bei t₂₃ die Flankenerkennung umgeschaltet wird und
- - der Zählerstand wie folgt überprüft wird:
- (a) Vergleich der Pegeldauer P₀₁ vor dem Stop-Befehl mit der Pegeldauer P₁₀ (gleichen Zustand, da Nachlauf) nach dem Stop- Befehl und
- (b) Entscheidung über Korrektur
- (ba) bei P₀₁ < P₁₀ wird der Zählerstand um eine Einheit korrigiert, da die Drehrichtungsumkehr schon vor t₂₃ erfolgte,
- (bb) bei P₀₁ < P₁₀ wird der Zählerstand nicht korrigiert, da die Drehrichtungsumkehr nach t₂₃ erfolgte und daß
- (c) ein neuer Steuerbefehl erst nach Motorstillstand freigegeben wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
bei Ausbleiben von Sensorsignalen für eine vorgegebene Zeitspanne bei an
liegendem Steuerbefehl für eine Bewegungsrichtung ein Stop-Befehl ausgelöst
und die Flankenerkennung umgeschaltet wird und daß ein neuer Steuerbefehl
erst nach Motorstillstand freigegeben wird, d. h., daß eine eventuelle ge
genläufige (Rückstell-) Bewegung, verursacht z. B. durch eine abtriebsei
tige Belastung oder eine Systemverspannung, zum Stillstand gekommen sein
muß.
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