基于STM32G474的变流器能量回馈装置设计与实现-北京尧图网络

在实际电力电子和嵌入式开发项目中变流器负载试验是验证功率变换装置性能的关键环节。无论是测试逆变器、整流器还是其他AC-DC、DC-AC转换设备都需要一个能够模拟真实负载并吸收其输出能量的装置。传统的负载通常采用电阻或电子负载它们将电能转化为热能消耗掉这不仅造成能源浪费还可能带来散热难题尤其是在大功率测试场景下。因此能量回馈装置应运而生其核心思想是将被测变流器输出的电能经过处理后回馈至电网或直流母线实现能量的循环利用显著降低测试成本和环境温度。本文将以2018年全国大学生电子设计竞赛电赛电源题A题为背景深入探讨一种用于变流器负载试验的能量回馈装置的设计与实现。我们将从系统拓扑选择、核心控制算法、硬件电路设计、软件程序编写到系统调试提供一个完整、可复现的技术方案。文章面向有一定电力电子和嵌入式基础的开发者、电子竞赛参赛者以及相关领域的工程师旨在帮助读者理解能量回馈的原理并掌握从理论到工程实现的全过程。通过本文你将能够搭建一个以STM32G474等高性能MCU为核心实现PWM整流/逆变控制具备稳定能量回馈功能的测试平台。1. 理解能量回馈装置的系统架构与工作原理能量回馈装置本质上是一个可双向运行的四象限变流器。在变流器负载试验中它扮演着“有源负载”的角色既能吸收被测设备DUT输出的能量又能将这些能量以可控的方式回送出去。1.1 核心拓扑两电平电压型PWM整流/逆变器最常用且成熟的拓扑是两电平电压型PWM整流器VSR也称为PWM逆变器当它运行在整流状态时从电网吸收能量运行在逆变状态时向电网回馈能量。其主电路由六个IGBT或MOSFET构成三相全桥、直流侧支撑电容、交流侧滤波电感以及采样调理电路组成。整流模式当装置作为负载吸收DUT能量时例如DUT是逆变器输出交流电装置工作在整流状态。它将DUT输出的交流电转换为直流电抬升直流母线电压。此时控制目标是稳定直流母线电压并保证网侧电流正弦且与电压同相位单位功率因数。逆变模式当直流母线电压高于设定值需要将能量回馈至电网时装置切换到逆变状态。它将直流电逆变成与电网同频、同相、同幅的交流电实现能量并网。此时控制目标是稳定并网电流实现精确的功率回馈。对于电赛A题这类中等功率等级的应用两电平拓扑在控制复杂度和性能之间取得了良好平衡是首选方案。1.2 控制系统双闭环电压外环与电流内环实现高性能能量回馈的核心是双闭环控制策略这是理解整个软件设计的基础。电流内环这是系统的快速环直接控制交流侧电感电流。通过采样三相电流与电流指令值进行比较经过PI调节器后产生电压指令再通过PWM调制生成驱动IGBT的开关信号。电流环的动态响应速度决定了系统的带宽和抗干扰能力。电压外环这是系统的慢速环控制直流母线电压的稳定。采样直流母线电压与电压设定值比较经过PI调节器后其输出作为电流内环的d轴电流指令对应有功电流。电压环保证了系统功率的平衡当吸收功率大于回馈功率时直流电压会上升电压环将增大d轴电流指令从而增加回馈功率使电压回落。对于并网逆变状态还需要通过锁相环PLL实时跟踪电网电压的相位和频率以确保并网电流与电网电压同步。1.3 调制策略SPWM与SVPWM的选择PWM调制策略决定了开关器件的动作序列和电压利用率。SPWM正弦脉宽调制原理简单易于实现。通过比较正弦波调制波与三角载波生成PWM。但其直流电压利用率较低理论最大为0.866在同样直流电压下输出的交流线电压幅值较小。SVPWM空间矢量脉宽调制基于电机控制中的空间矢量概念发展而来算法稍复杂。它能更充分地利用直流母线电压电压利用率比SPWM提高约15.5%理论最大为1。同时SVPWM的谐波特性更优开关损耗相对均衡。在能量回馈装置中为了提高效率和性能SVPWM是更优的选择。STM32G4系列MCU的HRTIM高分辨率定时器或高级定时器能够高效地实现SVPWM算法。2. 硬件系统设计与关键器件选型一个完整的能量回馈装置硬件系统包括功率主电路、采样调理电路、驱动电路、控制器核心及辅助电源。2.1 功率主电路设计主电路是能量流通的路径其设计直接关系到装置的功率等级、效率和可靠性。开关器件选型IGBT/MOSFET电压等级需考虑电网峰值电压如220VAC对应311V峰值并留有余量通常选择600V或1200V档位。电流等级根据最大回馈电流功率选择并考虑过载能力。需计算器件导通损耗和开关损耗。类型选择对于几kW以下的中小功率高速MOSFET如CoolMOS因其开关速度快、驱动简单而具有优势。对于更大功率或对导通压降要求高的场景IGBT是主流选择。电赛A题功率等级通常在1kW以内可选择集成度高的IPM智能功率模块以简化设计和提高可靠性。直流侧支撑电容作用缓冲瞬时功率不平衡稳定直流母线电压吸收开关过程产生的高频谐波电流。容值计算容值需满足电压纹波要求。一个经验公式是在额定功率P下允许的电压纹波ΔV为直流电压Vdc的百分之几则所需电容C ≈ P / (2πf * Vdc * ΔV)其中f为电网频率的2倍100Hz。实际项目中每千瓦功率通常配置470μF至1000μF的电解电容。类型采用电解电容与薄膜电容并联的组合。电解电容提供大容值薄膜电容提供低ESR以滤除高频纹波。交流侧滤波电感作用滤除PWM开关产生的高频电流谐波使网侧电流接近正弦波。同时它也是实现电流控制的关键元件。感值计算电感值影响电流纹波和系统动态响应。电流纹波ΔI与电感L、直流电压Vdc、开关频率fsw的关系为L Vdc / (4 * fsw * ΔI)。通常将电流纹波控制在额定电流的10%-20%。同时电感压降会影响最大输出电流能力需校验。2.2 采样与信号调理电路精确的采样是控制算法的基础主要包括电压采样和电流采样。直流母线电压采样采用电阻分压网络将高压如400V分压至MCU ADC量程内如0-3.3V。需使用高精度、低温漂的电阻并在ADC输入端加入RC低通滤波和钳位保护电路。交流侧电压采样用于PLL电网电压同样通过电阻分压降压。为了电气隔离和安全通常会在分压后使用线性光耦或隔离运放进行隔离采样。交流侧电流采样霍尔电流传感器如ACS712/ACS723基于霍尔效应或LAH-50P闭环霍尔它们提供电气隔离使用方便精度和带宽能满足一般要求。采样电阻隔离运放在低侧串联采样电阻通过隔离运放如AMC1301将差分电压信号隔离放大后送入MCU。这种方式成本较低但需要精心设计以避免共模干扰。所有调理电路的输出应匹配MCU ADC的输入范围如0-3.3V并注意阻抗匹配和抗混叠滤波。2.3 驱动与保护电路驱动电路负责将MCU产生的弱电PWM信号转换为能快速、可靠地驱动开关器件的强电信号。驱动芯片选择专用的IGBT/MOSFET驱动芯片如IR2110/IR2113半桥驱动、2ED020I12-F带隔离。它们集成自举电路、欠压锁定UVLO和互锁死区时间生成功能。隔离驱动信号必须与MCU侧进行电气隔离常用光耦如6N137、TLP350或磁耦如ADuM3223实现。保护功能硬件过流保护通过比较器实时监测电流采样信号一旦超过阈值立即通过驱动芯片的故障引脚关断所有PWM输出。这个环路必须在微秒级内动作是最后的安全防线。过温保护在散热器上安装温度开关或NTC信号送入MCU或直接控制继电器。软件保护在ADC中断服务程序中检查电压、电流值实现二级保护。2.4 控制器核心选型为什么是STM32G474STM32G474是STMicroelectronics推出的基于Arm® Cortex®-M4内核的高性能微控制器特别适合数字电源和电机控制应用。高分辨率定时器HRTIM这是其最大亮点。HRTIM提供高达184ps的分辨率可以产生极其精确和复杂的PWM波形轻松实现SVPWM、移相控制等高级调制算法且抖动极小。高速ADC内置多个4Msps的12位ADC支持同步采样、过采样等功能能满足多路电压电流高速采样的需求。运算放大器OPAMP和比较器COMP片内集成可直接连接外部传感器简化模拟前端设计并可用于构建快速的硬件保护环路。数学加速器Cortex-M4内核自带FPU和DSP指令集STM32G474还集成了CORDIC和FMAC单元能高效执行三角函数、滤波、PI运算等控制算法。丰富通信接口多个USART、SPI、I2C便于连接触摸屏、数码管、上位机等进行人机交互和调试。对于电赛或类似快速开发项目STM32G474 Discovery Kit或Nucleo开发板是理想的起点它们提供了完善的调试接口和部分外设。3. 软件设计与核心算法实现软件是系统的“大脑”需要在STM32G474上实现双闭环控制、PWM生成、保护逻辑等。3.1 开发环境与工程结构使用STM32CubeIDE或Keil MDK进行开发。利用STM32CubeMX进行图形化引脚配置、时钟树配置和外设初始化特别是HRTIM和ADC可以极大提高开发效率。一个典型的工程目录结构如下Energy_Feedback_Project/ ├── Core/ │ ├── Inc/ // 头文件 │ │ ├── pll.h // 锁相环算法 │ │ ├── svpwm.h // SVPWM算法 │ │ ├── pi_reg.h // PI调节器 │ │ ├── dq_trans.h // 坐标变换Clark, Park │ │ └── protect.h // 保护函数 │ └── Src/ // 源文件 │ ├── main.c │ ├── pll.c │ ├── svpwm.c │ ├── pi_reg.c │ ├── dq_trans.c │ └── protect.c ├── Drivers/ │ └── STM32G4xx_HAL_Driver/ // HAL库 └── STM32CubeMX/ // CubeMX生成的初始化代码3.2 关键算法模块详解3.2.1 锁相环PLL实现准确的电网相位是并网控制的前提。软件锁相环SPLL常用基于二阶广义积分器SOGI的锁相环或同步旋转坐标系锁相环SRF-PLL。以下是SRF-PLL的一种简化实现思路// pll.c typedef struct { float theta; // 锁相角度弧度 float freq; // 估计频率Hz float kp, ki; // PI参数 float integral; // 积分项 float u_alpha, u_beta; // 静止坐标系电压 float u_d, u_q; // 旋转坐标系电压 } PLL_HandleTypeDef; void PLL_Update(PLL_HandleTypeDef *hpll, float ua, float ub, float uc) { // 1. Clarke变换 (3相 - 2相静止αβ) hpll-u_alpha (2.0f/3.0f) * (ua - 0.5f*ub - 0.5f*uc); hpll-u_beta (2.0f/3.0f) * (0.8660254f*ub - 0.8660254f*uc); // sqrt(3)/2 // 2. Park变换 (αβ - dq, 使用上一次的theta) float sin_theta sinf(hpll-theta); float cos_theta cosf(hpll-theta); hpll-u_d hpll-u_alpha * cos_theta hpll-u_beta * sin_theta; hpll-u_q -hpll-u_alpha * sin_theta hpll-u_beta * cos_theta; // 3. PI调节器目标是让u_q为0使d轴与电网电压矢量重合 float error 0 - hpll-u_q; // 目标u_q_ref 0 hpll-integral hpll-ki * error; float output hpll-kp * error hpll-integral; // 4. 输出为角频率积分得到角度 hpll-freq output 314.159265f; // 加上额定角频率50Hz * 2PI hpll-theta hpll-freq * Ts; // Ts为控制周期如100us if (hpll-theta 2*PI) { hpll-theta - 2*PI; } }此PLL在电网电压平衡时效果良好。在实际应用中需要加入低通滤波、抗电网跌落等增强措施。3.2.2 坐标变换Clark Park双闭环控制通常在同步旋转坐标系dq坐标系下进行因为交流量电压、电流被转换为直流量便于PI调节器实现无静差控制。// dq_trans.c // Clarke变换三相静止abc - 两相静止αβ void Clarke_Transform(float ia, float ib, float ic, float *i_alpha, float *i_beta) { *i_alpha ia; // 对于三相对称系统有时简化为ia *i_beta (ib - ic) * ONE_BY_SQRT3; // 1/sqrt(3) } // Park变换两相静止αβ - 两相旋转dq void Park_Transform(float i_alpha, float i_beta, float sin_theta, float cos_theta, float *i_d, float *i_q) { *i_d i_alpha * cos_theta i_beta * sin_theta; *i_q -i_alpha * sin_theta i_beta * cos_theta; } // 反Park变换两相旋转dq - 两相静止αβ void Inv_Park_Transform(float v_d, float v_q, float sin_theta, float cos_theta, float *v_alpha, float *v_beta) { *v_alpha v_d * cos_theta - v_q * sin_theta; *v_beta v_d * sin_theta v_q * cos_theta; }3.2.3 数字PI调节器实现离散化的PI调节器是控制环的核心。需要注意积分抗饱和和输出限幅。// pi_reg.c typedef struct { float kp; float ki; float integral; float integral_limit; // 积分限幅 float output; float output_limit; // 输出限幅 } PI_Regulator_HandleTypeDef; float PI_Update(PI_Regulator_HandleTypeDef *hpi, float error) { // 比例项 float proportional hpi-kp * error; // 积分项带限幅 hpi-integral hpi-ki * error; if (hpi-integral hpi-integral_limit) { hpi-integral hpi-integral_limit; } else if (hpi-integral -hpi-integral_limit) { hpi-integral -hpi-integral_limit; } // 计算输出并限幅 hpi-output proportional hpi-integral; if (hpi-output hpi-output_limit) { hpi-output hpi-output_limit; } else if (hpi-output -hpi-output_limit) { hpi-output -hpi-output_limit; } return hpi-output; }3.2.4 SVPWM算法实现SVPWM通过合成八个基本电压矢量来逼近目标电压矢量。其步骤包括扇区判断、相邻矢量作用时间计算、以及PWM占空比生成。// svpwm.c // 输入目标电压矢量在αβ坐标系下的分量 (Ualpha, Ubeta) 直流母线电压 Vdc // 输出三相占空比 Ta, Tb, Tc (范围 0-1) void SVPWM_Gen(float Ualpha, float Ubeta, float Vdc, float *Ta, float *Tb, float *Tc) { // 1. 计算中间变量 float U1 Ubeta; float U2 (SQRT3 * Ualpha - Ubeta) / 2.0f; float U3 (-SQRT3 * Ualpha - Ubeta) / 2.0f; // 2. 扇区判断 int sector 0; if (U1 0) sector | 1; if (U2 0) sector | 2; if (U3 0) sector | 4; // sector 现在为1-6的数字对应不同扇区 // 3. 计算X, Y, Z (基于不同扇区的公式) float T1, T2; // ... 此处省略根据扇区选择计算公式的代码 ... // 例如扇区1: T1 Z, T2 Y // 公式参考T1 (SQRT3 * Ts / Vdc) * (Ualpha - Ubeta / SQRT3); // T2 (SQRT3 * Ts / Vdc) * (2 * Ubeta / SQRT3); // 4. 计算占空比 float T0 (Ts - T1 - T2) / 2.0f; // Ts为PWM周期对应的时间 // 根据扇区计算Ta, Tb, Tc的导通时间 // ... 此处省略占空比分配代码 ... // 最终将导通时间转换为占空比 *Ta (T0 Tx) / Ts; }在实际项目中STM32的HRTIM可以直接通过配置通道比较寄存器来输出SVPWM波形无需软件计算每个脉冲的占空比只需在每个PWM周期中断中更新比较值即可。3.3 主控制流程与中断设计控制系统需要高实时性因此采用中断驱动架构。ADC中断设置为与PWM中心对齐或下溢事件同步触发。在中断服务程序ISR中读取直流电压、三相电流的ADC值并转换为物理量。执行锁相环PLL算法更新电网角度。执行Clarke和Park变换得到dq轴电流。执行电压外环PI计算得到d轴电流指令Id_refq轴指令Iq_ref通常设为0以实现单位功率因数。执行电流内环PI计算得到dq轴电压指令Vd_ref,Vq_ref。执行反Park变换得到αβ坐标系电压指令Valpha_ref,Vbeta_ref。调用SVPWM模块计算新的PWM占空比。更新HRTIM的比较寄存器值。执行软件保护判断二级保护。主循环处理人机交互按键、显示。与上位机通信发送状态数据。执行慢速任务如参数保存、故障记录。监控系统状态处理非紧急故障。4. 系统调试、验证与常见问题排查硬件焊接和软件编写完成后必须遵循严格的调试步骤避免直接上电导致炸机。4.1 分级上电与调试步骤控制器单独上电断开所有功率部分仅给控制板供电。使用调试器连接MCU确保程序能正常下载、运行GPIO能输出PWM信号用示波器测量占空比先设为固定值如50%。验证ADC采样值是否正确可通过注入已知电压测试。驱动电路测试给驱动电路供电连接好驱动芯片与开关管栅极但主功率电路仍不加高压。用示波器观察驱动波形确保其幅值、上升下降沿、死区时间符合预期。开环测试带假负载主电路接入一个阻性假负载如大功率灯泡。直流侧通过可调直流源供给一个较低电压如50V。让控制器运行在开环状态输出一个固定幅值和频率的SPWM/SVPWM。用示波器测量负载两端的电压应为正弦波。逐步提高直流电压和调制比观察波形。闭环测试整流模式连接电网通过隔离变压器更安全让装置工作在整流模式目标是为直流侧电容充电至某一电压。务必先确保电流环PI参数从很小值开始缓慢增加。用示波器观察网侧电压和电流应逐渐趋于同相位正弦波。调整PI参数直至动态响应和稳态性能达标。能量回馈测试逆变模式在直流侧接入一个可编程直流电子负载或另一个直流源模拟被测变流器向直流母线注入能量。当直流电压超过设定值装置应自动切换到逆变模式向电网回馈电流。同样需要精细调整PI参数并验证并网电流的质量THD和相位。4.2 关键波形与性能指标验证调试过程中需要使用示波器重点观察以下波形驱动波形确保无重叠死区时间足够。直流母线电压纹波是否在允许范围内动态响应是否平稳。网侧电压与电流是否同频同相功率因数接近1电流波形是否正弦THD低。开关管Vds/Vce电压开关瞬间有无过压尖峰这关系到吸收电路Snubber是否合理。主要性能指标包括效率在不同负载下测量输入输出功率。总谐波畸变率THD使用功率分析仪或示波器的FFT功能测量网侧电流THD通常要求低于5%。功率因数PF满载时应接近1。动态响应负载阶跃变化时直流电压的恢复时间和超调量。4.3 常见问题与排查路径在调试能量回馈装置时以下几个问题是高频出现的问题现象可能原因检查与排查步骤解决方案与建议上电瞬间炸保险或开关管1. 主电路短路焊接错误。2. 驱动异常导致上下管直通。3. 缓冲电路Snubber缺失或参数不当导致关断过压击穿。1. 断电用万用表蜂鸣档检查主电路各点间电阻排除短路。2. 单独测试驱动板观察上下管驱动信号是否在任何时候都存在死区且无异常毛刺。3. 检查开关管Vds/Vce波形看关断尖峰是否超过器件耐压。1. 仔细检查PCB和焊接。2. 确保驱动芯片供电稳定死区时间设置合理通常数百纳秒。3. 增加或调整RCD缓冲电路或选择开关速度更慢但更稳健的器件。直流母线电压剧烈振荡或不稳定1. 电压环PI参数不合理通常是积分过大或比例过大。2. 直流侧电容容值不足或ESR过大。3. 电流环响应太慢无法跟踪电压环指令。1. 先将电压环PI参数设为零让系统在纯电流环恒流模式下运行看是否稳定。2. 用示波器测量直流电压纹波频率和幅值判断是否与电容或控制频率相关。3. 检查电流采样是否准确、延迟是否过大。1.遵循“先内环后外环”的调参原则先调好电流环响应快再调电压环响应慢。从很小参数开始逐步增加。2. 增加电容容值或并联低ESR的薄膜电容。3. 优化电流采样和算法执行速度减少控制延迟。网侧电流波形畸变严重THD高1. 电流环PI参数不佳跟踪能力差。2. 调制算法SVPWM实现有误或PWM分辨率不够。3. 电网电压采样不准或PLL锁相不稳导致坐标变换错误。4. 交流侧电感值不合适或饱和。1. 观察电流指令来自电压环与实际电流的跟踪波形。2. 检查SVPWM生成的占空比波形是否对称、平滑。3. 检查PLL输出的角度是否平滑增长在电网电压波动时是否稳定。4. 测量电感电流看是否在峰值处出现平顶饱和迹象。1. 精细调整电流环PI参数可尝试使用PR比例谐振控制器改善对特定频率50Hz的跟踪。2. 验证SVPWM代码提高PWM定时器的计数频率和分辨率。3. 校准电压采样电路增强PLL的抗干扰能力如加入低通滤波。4. 更换更大感量或更高饱和电流的电感。无法从整流模式切换到逆变模式或反之1. 模式切换逻辑有bug。2. 直流电压设定值或回滞区间设置不合理。3. 在切换点附近控制不稳定导致模式震荡。1. 单步调试检查模式切换的标志位和条件判断。2. 打印或通过DA输出直流电压、模式标志等关键变量观察动态过程。3. 在切换边界附近观察控制量如d轴电流指令是否平滑变化。1. 明确模式切换条件并加入回滞比较器避免在边界频繁切换。例如设置“启动逆变电压”高于“停止逆变电压”一个差值。2. 在切换瞬间对PI调节器的积分项进行清零或限幅防止积分饱和导致冲击。ADC采样值跳动大控制噪声大1. 模拟地AGND与数字地DGND处理不当引入噪声。2. 采样电路滤波不足或布局走线不合理。3. ADC参考电压不稳。1. 用示波器观察ADC输入引脚波形看是信号本身噪声还是采样值跳动。2. 检查PCB布局模拟部分应远离数字开关部分如MCU、驱动地平面分割要合理。3. 测量ADC的VREF电压。1. 确保模拟地单点连接到数字地。在采样信号入口处增加RC低通滤波。2. 优化PCB布局布线采样走线尽量短远离干扰源。3. 使用ADC的过采样和求平均功能来抑制噪声。5. 进阶优化与生产环境考量当基本功能实现后可以从以下几个方面提升装置的可靠性、性能和智能化水平使其更接近产品级应用。5.1 软件算法增强前馈控制在电流环中引入电网电压前馈可以抵消电网扰动提高动态响应速度。公式为Vd_ref Vd_ref w*L*Iq - UgdVq_ref Vq_ref - w*L*Id - Ugq其中w为电网角频率L为滤波电感Ug为电网电压。重复控制/谐振控制器在传统的PI控制基础上并联一个针对特定谐波频率如5次、7次的谐振控制器可以显著降低并网电流的THD。软启动与预充电上电时通过控制调制比从0缓慢增加避免对直流电容和电网的冲击电流。无缝模式切换通过设计平滑的参考指令过渡算法避免整流与逆变模式切换时的电流冲击。5.2 硬件可靠性设计EMC设计功率回路布局紧凑以减小寄生电感开关管并联RC吸收电路交流输入输出端加装共模和差模电感、X电容、Y电容组成EMI滤波器。热设计根据损耗计算选择合适的散热器必要时加强制风冷。在关键功率器件如IGBT、电感附近布置温度传感器实现过温降额或保护。保护冗余除了硬件比较器过流保护在软件中实现多级保护如逐周期限流、软关断、故障锁存与记录。绝缘与安全确保强弱电之间足够的爬电距离和电气间隙。对于非隔离采样必须使用隔离运放或线性光耦。5.3 系统级功能扩展并网标准符合性深入研究并实现相关并网标准如IEEE 1547, GB/T 19964要求的低电压穿越LVRT、高电压穿越HVRT、频率支持、无功功率调节等功能。上位机监控与参数整定通过CAN、RS485或以太网连接上位机实时监控电压、电流、功率、温度等参数并支持在线修改PI参数、模式设定等极大方便调试。效率优化在不同负载点调整开关频率变频调制轻载时降低频率以减少开关损耗或采用更先进的调制策略如DPWM不连续PWM来降低开关次数。对于电赛或学术研究完成前四章的内容已经能够构建一个功能完整、性能达标的能量回馈装置。而要将其转化为一个稳定可靠的产品则需要在第五章的各个方面进行持续的打磨和测试。无论目标如何理解从拓扑原理、硬件选型、算法实现到调试排错的完整链条是掌握电力电子系统设计能力的核心。建议从一个小功率如几百瓦的平台开始实践逐步增加功率等级和功能复杂度在动手过程中深化对理论的理解。

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