DE9104638U1 - Drehzahlregelschaltung für einen elektrischen Gleichstrommotor - Google Patents

Description

DR. GISO MEVER-ROEDERN

Patentanwalt
European Patent Attorney

MESA GmbH & Co. KG, Maybachufer 4 8-51 1000 Berlin 44

Drehzahlregelschaltung für einen elektrischen Gleichstrommotor

Die Erfindung betrifft eine Drehzahlregelschaltung für einen elektrischen Gleichstrommotor.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine mit gegebenenfalls einfachen anwendungsspezifischen Modifikationen variabel einsetzbare Drehzahlregelschaltung für elektrische Gleichstrommotoren vorzugsweise hoher Leistungsaufnahme zu schaffen, die sich bei in weiten Grenzen variabler Motorbetriebsspannung und hohem geregeltem Motorstrom mit einem äußerst kompakten Aufbau und sehr geringer Schaltverlustleistung realisieren läßt und sich durch einen schnellen Regeltakt und eine hohe Regeldynamik and Regelgüte mit kleinem statischem Regelfehler auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch eine Drehzahlregelschaltung gelöst, die einen ersten Hybrid-Halbleiterbaustein (HDR 1-89) mit einer kaskadierten Regelschaltung nach dem Prinzip der überlagerten Drehzahlregelung und unterlagerten Stromregelung, an dem analoge Eingangssignale für Solldrehzahl, Istdrehzahl und Iststrom anliegen und der wenigstens ein vorzugsweise pulsbreitenmoduliertes digitales Stromsteuersignal abgibt, und einen zweiten Hybrid-Halbleiterbaustein (HAB 2-89) enthält, dem das Stromsteuersignal überstellt wird und der wenigstens einen anhanddessen gesteuerten Leistungsstrompegel für die Motorstromversorgung abgibt.

Die Zusammenfassung der genannten Funktionen in zwei Hybrid-Halbleiterbausteinen (Chips) sichert der erfindungsgemäßen Drehzahlregelschaltung ein hohes Maß an Integration. Die für die Hybridtechnik typischen Dickschichtwiderstände können auf engstem Raum realisiert werden. Einen Aufbau auf Platine wäre in vergleichbar kompakter Weise nicht möglich. Die Keramiksubstrate der Chips zeichnen sich durch eine hohe Durchbruchspannung aus.

Vorzugsweise sind auf dem ersten Chip (HDR 1-89) Eingangsverstärker für das Solldrehzahl-Eingangssignal und Istdrehzahl-Eingangssignal, ein PI-Drehzahlregelverstärker, ein PI-Stromregelverstärker und ein Pulsbreitenmodulator realisiert und gemäß Anspruch 2 verschaltet. Desweiteren können auf dem ersten

Chip (HDR 1-89) ein Eingangsverstärker für das Iststrom-Eingangssignal und eine Effektivstrombegrenzungsschaltung realisiert sein (Anspruch 3 und Anspruch 4). Letzere bildet die quadratische Funktion vorzugsweise mittels eines Differenzverstärkers nach, der über eine eingangsseitige Parallelschaltung von Z-Dioden unterschiedlicher Durchbruchspannung rückgekoppelt ist (Anspruch 5). Man erreicht so mit einfachen Mitteln einen glatten, genauen Verlauf der quadratischen Funktion.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist auf dem zweiten Chip (HAB 2-89) eine Logikschaltung realisiert, an der eingangsseitig wenigstens ein und vorzugsweise zwei von dem ersten Chip (HDR 1-89) kommende(s) pulsbreitenmodulierte(s) Stromsteuersignal(e) ansteht/anstehen und die wenigstens ein Steuersignal für wenigstens eine MOS-FET-Treiberstufe liefert (Anspruch 6). Der zweite Chip (HAB 2-89) kann insbesondere Treiberschaltungen für die Leistungs-MOS-FETs einer Vierquadranten-MOS-FET-H-Brückenschaltung haben, in der der Gleichstrommotor liegt, wobei die Logikschaltung phasenrichtige Steuersignale für die Treiberschaltungen liefert (Anspruch 7). Mit der H-Brückenschaltung erreicht man einen sehr hohen Motorwirkungsgrad und eine minimale Schaltverlustleistung. Auch läßt sich die Drehrichtung der Motorwelle auf einfach Weise umkehren .

Zur Leistungsversorgung der MOS-FET-Treiberschaltung sind auf dem zweiten Chip (HAB 2-89) wenigstens eine und vorzugsweise zwei Konstantstromquellen realisiert, die aus einer Ladepumpe (charge pump) gespeist sein können (Anspruch 8).

Sicherheitsfunktionen insbesondere gegen Unterspannung, Überspannung, Übertemperatur und Kurzschluß sind bei der erfindungsgemäßen Drehzahlregelschaltung vorzugsweise durch eine diskrete Beschaltung der Chips (HDR 1-89, HAB 2-89) realisiert (Anspruch 9). Das ermöglicht einfache anwendungsspezifische Modifikationen.

Die Drehzahlregelschaltung ist vorzugsweise auf einer Standardplatine, insbesondere Platine im halben Europakartenformat, aufgebaut, die mit Kontakten für ein Personalisierungsmodul zur Beeinflussung der Regelparameter und/oder für eine Optionsplatine mit anwenderspezifischen Optionen versehen sein kann (Anspruch 10). Dadurch können alle Anschlüsse über front- oder rückseitig angeordnete Steckverbinder realisiert werden, so daß eine einfache und schnelle Verdrahtung möglich ist. Die mechanische Befestigung kann durch Einschieben der Platine in ein 19 Zoll Racksystem oder durch direkte Befestigung auf einem geeigneten Träger erfolgen. Alle für den Abgleich der Drehzahlregelschaltung erforderlichen Einstellorgane befinden sich vorzugsweise auf der Frontseite der Platine, so daß sie leicht zugänglich sind. Durch die Verwendung eines Personalisierungsmoduls lassen sich die Regelparameter durch einfaches

Aufstecken ändern. Die Drehzahlregelschaltung kann über die Optionsplatine mit vorhandenen Optionen - Standard ab Werk oder mit anwenderspezifischen Optionen sehr flexibel an den jeweiligen Anwendungsfall angepaßt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Drehzahlregelschaltung mit

zwei Hybrid-Halbleiterbausteinen HDR 1-89 und HAB 2-89; Fig. 2 ein Blockschaltbild des ersten Hybrid-Halbleiterbau-

steins HDR 1-89; Fig. 3 als schaltungstechnische Einzelheit des ersten Hybrid-

Halbleiterbausteins HDR 1-89 einen analogen Quadrierer; Fig. 4 ein Blockschaltbild des zweiten Hybrid-Halbleiterbau-

steins HAB 2-89; und
Fig. 5 eine Applikationsschaltung des zweiten Hybrid-Halbleiterbausteins HAB 2-89.

Die Drehzahlregelschaltung ist ein auf einer Leiterplatte im halben Europakartenformat aufgebauter Servoverstärker. Alle Bedienungselemente sind frontseitig, und alle Steckkontak te 1 bis 14 front- oder rückseitig angeordnet. An den Steckkontakten 8 und 10 liegt die Versorgungsspannung - 15V an. Steck kontakt 13 ist der Spannungspol + U einer oder mehrerer zu einem Leistungsteil 15 gehöriger Konstantstromquellen 16.

Steckkontakte 9 und 14 sind Massekontakte.

Ein geregelter Leistungsstrompegel für die Speisung eines Gleichstrommotors M hoher Energieaufnahme steht an den Steckkontakten 11 und 12 an. Die Motorwelle ist mit einem Tachogenerator G verbunden, der ein analoges Ist-Drehzahlsignal liefert, das den Steckkontakten 3 und 4 überstellt wird. Letztere sind mit einem Istdrehzahl-Eingangsverstärker 17 verbunden, an dessen Eingängen über Brücken BrI und Br2 auch die vor den Steckkontakten 11 und 12 abgenommene Ankerspannung U des Motors M anliegt. Bei offenen Brücken BrI und Br2 erfolgt eine Erfassung der Ist-Drehzahl mit dem Tachogenerator G, und bei geschlossenen Brücken BrI und Br2 durch die Ankerspannungsrückführung mit IxR Kompensation.

An den Steckkontakten 1 und 2 liegt ein analoges Solldrehzahl-Eingangssignal an, das als externe Führungsgröße im Spannungsbereich - 10 V vorgegeben wird. Die Steckkontakte 1 und 2 sind mit einem Solldrehzahl-Eingangsverstärker 18 verbunden. Die Ausgangssignale des Solldrehzahl-Eingangsverstärkers und Istdrehzahl-Eingangsverstärker 17 werden am Knotenpunkt SUl überlagert, wobei zur Wichtung des Istdrehzahl-Anteils der Ausgang des Istdrehzahl-Eingangsverstärker 17 mit einem Potentiometer R55 beschaltet ist.

Das Überlagerungssignal des Knotenpunkts SUl liegt an dem einen Eingang eines PI-Drehzahlregelverstärkers 19 an, dessen anderer Eingang über ein Potentiometer R54 einen Offs.etpegel erhält. Das Ausgangssignal des PI-Drehzahlregelverstärkers· liegt am Mittelpunkt einer Widerstandsbrücke mit zwei Potentiometern R56 und R57. Über das Potentiometer R56 und den nachgeschalteten Begrenzungswiderstand R42 erfolgt eine Rückkopplung auf den Eingang des PI-Drehzahlregelverstärkers 19. Der Rückkoppelzweig ist durch einen Trennkondensator C8 unterbrochen, der durch ein Relais 20 überbrückt wird. Über das Potentiometer R57 erfolgt ein Abfall des PI-Drehzahlregelverstärkerausgangssignals gegen Masse. Das mit dem Potentiometer R57 abgegriffene Signal liegt über einen Begrenzer 21 an dem Knotenpunkt SU2 an. Die Potentiometerstellung R57 bestimmt den für die Motorstromversorgung zur Verfügung stehenden maximalen Leistungsstrompegel I_ft

Das Ausgangssignal des PI-Drehzahlregelverstärkers 19 am Knotenpunkt SU2 bildet die überlagerte Drehzahl-Führungsgröße für die unterlagerte Stromregelung der kaskadierten Drehzahlregelschaltung. Dem Ausgangssignal wird am Knotenpunkt SU2 ein analoges Iststrom-Signal I. überlagert, das anhand des Meßsignals im Ankerkreis des Motors M liegender Meßwiderstände 22 erhalten wird. Das Iststrom-Signal I_A liegt parallel an dem einen Eingang eines Quadrierers 23 an, dessen anderer Eingang über das Potentiometer R52 einen Referenzpegel erhält. Mit dem Quadrierer 23 erfolgt eine analoge Berechnung des

Effektivstroms, der mit dem Begrenzer 21 begrenzt und auf
den Knotenpunkt SU2 gegeben wird.

Das Überlagerungssignal des Knotenpunkts SU2 liegt am'Eingang eines Pl-Stromregelverstärkers 24 an, dessen Ausgang über
einen Zweig rückgekoppelt ist, in dem der Begrenzungswiderstand RIl und ein Trennkonvensator C3 liegen. Der Trennkondensator
wird mit einem Relais 25 überbrückt. Mit dem Ausgangssignal
des Pl-Stromregelverstärkers 24 wird ein Pulsbreitenmodulator 26 angesteuert, der von einem Dreieckgenerator 27 ein 8 kHz
Dreieckfrequenzsignal erhält und wenigstens ein, vorzugsweise aber zwei digitale pulsbreitenmodulierte Stromsteuersignale
abgibt, die über ein Tor 2&udiagr; (UND-Gatter) an dem Leistungsteil 15 anliegen. Letzteres liefert den gesteuerten Leistungsstrom pegel für die Versorgung des Motors M.

Das Leistungsteil 15 wird von einem Temperaturfühler 29 über-. wacht, der an eine Sicherheitsschaltung 30 angeschlossen ist. Diese erhält diverse andere Überwachungssignale insbesondere
gegen Unterspannung, Überspannung und Überstrom/Kurzschluß
und steuert die Relais 20, 25 und das Tor 28 an. Die ordnungsgemäße Funktion wird durch eine grüne LED 31, und das Vorliegen einer Störung durch eine rote LED 32 signalisiert. Mit den
Steckkontakten 6 und 7 steht ein potentialfreier Meldekontakt zur Verfügung. 5 ist ein optioneller Freigabekontakt mit + 24 V gegen Masse.

Wesentliche Teile der beschriebenen Drehzahlregelschaltung sind in zwei Hybrid-Halbleiterbausteinen (Chips HDR 1-89 und HAB 2-89) zusammengefaßt. Der erste Chip HDR 1-89 ist speziell zur analogen Signalverarbeitung in hochwertigen Servoverstärkern entwickelt. Zu seinem Hybridschaltkreis gehören die in dem Blockschaltbild Fig. 2 wiedergegebenen Baugruppen.

Das an den Meßwiderständen 22 des Ankerkreises abgenommene Strommeßsignal liegt an einem Strommeßverstärker 33 des Chips HDR 1-89 an, der das Iststrom-Signal I- liefert und dem Knoten punkt SU2 überstellt. Auch der Quadrierer 23 zur analogen Berechnung des Effektivstroms I_eff und der diesen begrenzende, im Prinzip als Komparatorschaltung aufgebaute Begrenzer 21 sind Teil des Chips HDR 1-89.

Fig. 3 zeigt als Einzelheit die Schaltung des Quadrierers 23. Dieser weist einen rückgekoppelten Differenzverstärker 34 auf, an dessen erstem Eingang über eine Parallelschaltung von Z-Dioden 35 unterschiedlicher Durchbruchspannung des Iststromsignal I ansteht, während an dem zweiten, über hochohmige Widerstände parallelgeschalteten Eingang der Effektivstrom I ,. abgenommen wird. In den Parallelzweigen liegen den Strom über die Z-Dioden 35 begrenzende Widerstände 36. Die quadratische Funktion wird durch die unterschiedlichen Durchbruchspannungen der Z-Dioden 35 und eine geeignete Dimensionierung der Widerstände 36 glatt nachgebildet. Der Ausgang des Differenzverstärkers 34 ist auf den ersten Eingang rückgekoppelt.

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Mit dem Chip HDR 1-89 läßt sich mit geringer Zusatzschaltung ein hochwertiger analoger Drehzahlregelkreis aufbauen.

Die analogen Eingangsgrößen im Bereich von - 10 V für das Solldrehzahl-Eingangssignal und das Istdrehzahl-Eingangssignal bzw. - 0,5V für das Iststrom-Eingangssignal werden so verarbeitet, daß am Ausgang ein pulsbreitehmoduliertes Stromsteuersignal zur Verfügung steht.

Die Vorteile des Chips HDR 1-89 sind folgende:

- wenige externe Komponenten

- hohe Flexibilität durch Eingriffsmöglichkeiten an allen regelungstechnisch wichtigen Punkten

- geringer Platzbedarf

- hohe Zuverlässigkeit

- hohe Genauigkeit

- großer Gleichtakteingangsbereich des PI-Stromregelverstärkers 24 mit bis zu 250 V

- großer Eingangsspannungsbereich des Istdrehzahl-Eingangsverstärkers 17 mit bis zu 70 V.

Der zweite Chip HAB 2-89 realisiert im wesentlichen das eine Eingangslogik 37 mit Zeitsteuerung enthaltende Leistungsteil 15 der Drehzahlregelschaltung. Es handelt sich um einen speziell zur Ansteuerung von Vierquadranten-MOS-FET-H-Brückenschaltungen entwickelten Baustein. Zu seinem Hybridschaltkreis

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gehören die in dem Blockschaltbild Fig. 4 wiedergegebenen Baugruppen.

Zwei Konstantstromquellen 16 sind aus einer Ladepumpe 38 (charge pump) gespeist und mit zwei von insgesamt vier MOS-FET-Treiberschaltungen 39 verbunden, die durch die Eingangslo gik 37 angesteuert werden. Letztere verarbeitet wenigstens ein und vorzugsweise zwei von dem Chip HDR 1-89 kommende pulsbreitenmodulierte Stromsteuersignale und liefert phasenrichtige Steuersignale zur direkten Ansteuerung einer aus vier Leistur,gs-MOS-FETs aufgebauten &EEgr;-Brücke, in der der Motor M liegt (vgl. Applikationsschaltung Fig. 5).

Fig. 5 zeigt die Pinbelegung des Chips HAB 2-89. Die Versorgungsspannung liegt zwischen Pin 8 und 17, und ein Aktivierungssignal an Pin 18 an. 7 ist der Pin für einen Clockpuls f . An den Pins 19 und 20 stehen die beiden pulsbreitenmodulierten Stromsteuersignale an. Pin 9 ist der Spannungspol für die Spannung + U der Konstantstromquellen 16, die gegen Masse Pin 16 anliegt. Die &EEgr;-Brücke ist zwischen die Pins 9 und 16 geschaltet. Zwischen den Pins 2 und 3 bzw. 5 und 6 bzw. 12 und 13 bzw. 14 und 16 liegen die MOS-FETs Tl bis T4 der Il-Brücke.

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Mit dem Chip HAB 2-89 läßt sich ein am Eingang angelegtes pulsbreitenmoduliertes digitales Stromsteuersignal so -aufbereiten, daß die vier Leistungs-MOS-FETs enthaltende H-Brücke direkt angesteuert werden kann.

Die Vorteile des Chips HAB 2-89 sind folgende:

- keine bzw. wenige externe Komponenten

- hoher Betriebsspannungsbereich der &EEgr;-Brücke bis zu 250 V Gleichstrom möglich

- sehr geringer Platzbedarf

- hohe Zuverlässigkeit

- layout-gerechtes Design der Ansteueranschlüsse, wodurch ein induktivitätsarmer Aufbau möglich ist

- einfach galvanische Trennung zwischen Signalelektronik und Leistungsteil.

Der erfindungsgemäße Drehzahlregelkreis hat bevorzugte Anwen dungen für die Drehzahl-, Drehmomenten- und Positionierregelung kompakter Mehrachsensysteme in Robotern, Werkzeugmaschinen, Handhabungsgeräten, Zuführeinrichtungen, Laborgeräten und der Medizintechnik.

Liste der Bezugszeichen

1 bis 14 Steckkontakt

15 Leistungsteil

16 Konstantstromquelle

17 Istdrehzahl-Eingangsverstärker

18 Solldrehzahl-Eingangsverstärker

19 Pl-Drehzahlregelverstärker

20 Relais

21 Begrenzer

22 Meßwiderstand

23 Quadrierer

24 Pl-Stromregelverstärker

25 Relais

26 Pulsbreitenmodulator

27 Dreieckgenerator

28 Tor

29 Temperaturfühler

30 Sicherheitsschaltung

31 grüne LED

32 rote LED

33 Strommeßverstärker

34 Differenzverstärker

35 Z-Diode

36 Widerstand

37 Eingangslogik 3 8 Ladepumpe

39 MOS-FET-Treiberschaltung

Claims (10)

DR. GISO MEVrfi-&eegr;&thgr;&Ggr;-&Ogr;&Egr;&Pgr;&Ngr; Patentanwalt European Patent Attorney MESA GmbH & Co. KG1 Maybachufer 48-51 1000 Berlin 44 Drehzahlregelschaltung für einen elektrischen Gleichstrommotor Ansprüche

1. Drehzahlregelschaltung für einen elektrischen Gleichstrommotor, gekennzeichnet durch einen ersten Hybrid-Halbleiterbaustein (HDR 1-89) mit einer kaskadierten Regelschaltung nach dem Prinzip der überlagerten Drehzahlregelung und unterlagerten Stromregelung, an dem analoge Eingangssignale für Solldrehzahl, Istdrehzahl und Iststrom anliegen und der wenigstens ein vorzugsweise pulsbreitenmoduliertes digitales Stromsteuersignal abgibt, und durch einen zweiten Hybrid-Halbleiterbaustein (HAB 2-89), dem das Stromsteuersignal überstellt wird und der wenigstens einen anhanddessen gesteuerten Leistungsstrompegel für die Motorstromversorgung abgibt.

2. Drehzahlregelschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Halbleiterbaustein (HDR 1-89) Eingangsverstärker (17, 18) für das Solldrehzahl-Eingangssignal und das von einem Tachogenerator (G) kommende oder durch Ankerspannungsrückführung mit IxR Kompensation erhaltene Istdrehzahl-Eingangssignal hat, daß das Ausgangssignal dieser Verstärker am Eingang eines PI-Drehzahlregelverstärkers (19) des ersten Halbleiterbausteins (HDR 1-89) anliegt, dessen Ausgangssignal mit einem Iststrom-Signal (I») überlagerbar ist, und daß das Überlagerungssignal am Eingang eines Pl-Stromregelverstärkers (24) des ersten Halbleiterbausteins (HDR 1-89) anliegt, dessen Ausgangssignal einem Pulsbreitenmodulator (26) des ersten Halbleiterbausteins (HDR 1-89) überstellt wird, der das Stromsteuersignal liefert.

3. Drehzahlregelschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Halbleiterbaustein (HDR 1-89) einen Eingangsverstärker (33) für das an einem Meßwiderstand (22) abgenommene Iststrom-Eingangssignal aufweist, an dessen Ausgang das Iststrom-Signal (I_Ä) ansteht.

4. Drehzahlregelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Halbleiterbaustein (HDR 1-89) eine Strombegrenzungsschaltung (21, 23) aufweist, an deren Eingang das Iststrom-Signal (I.) ansteht und mit der eine analoge Effektivstromberechnung und Grenzwertkomparation des Effektivstroms (I _ff) erfolgt.

5. Drehzahlregelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungsschaltung (21, 23) die quadratische Funktion mittels eines Differenzverstärkers (34) nachbildet, dem eingangsseitig eine rückgekoppelte Parallelschaltung von Z-Dioden (35) unterschiedlicher Durchbruchspannung vorgeschaltet ist.

6. Drehzahlregelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Halbleiterbaustein (HAB 2-89) eine Logikschaltung (37) aufweist, an der eingangsseitig wenigstens ein und vorzugsweise zwei von dem ersten Halbleiterbaustein (HDR 1-89) kommende(s) pulsbreitenmodulierte(s) Stromsteuersignal(e) ansteht/anstehen und die wenigstens ein Steuersignal für wenigstens eine MOS-FET-Treiberschaltung (39) liefert.

7. Drehzahlregelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Halbleiterbaustein (HAB 2-89) Treiberschaltungen (39) für die Leistungs-MOS-FETs (Tl, T2, T3, T4) einer Vierquadranten-MOS-FET-H-Brückenschaltung hat, in der der Gleichstrommotor (M) liegt, und daß die Logikschaltung (37) phasenrichtige Steuersignale für die Treiberschaltungen (39) liefert.

8. Drehzahlregelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Halbleiterbaustein (HAB 2-89) wenigstens eine und vorzugsweise zwei Konstantstromquellen (16) aufweist, die aus einer Ladepumpe (38) (charge pump) gespeist sein können.

9. Drehzahlregelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Sicherheitsfunktionen (30) insbesondere gegen Unterspannung, Überspannung, Übertemperatur und Kurzschluß durch eine diskrete Beschaltung der Halbleiterbausteine (HDR 1-89, HAB 2-89) realisiert sind.

10. Drehzahlregelschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf einer Standardplatine, insbesondere Platine im halben Europakartenformat, aufgebaut ist, die mit Kontakten für ein Personalisierungsmodul zur Beeinflussung der Regelparameter und/oder für eine Optionsplatine mit anwenderspezifischen Optionen ■ versehen sein kann.