JP7414436B2 - モータ制御装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、モータの制御、特にモータの回転異常の検知に関するものである。

洗濯槽兼脱水槽のドラムを回転駆動する洗濯機用のモータや、扇風機・送風機等のファンを回転駆動する扇風機用のモータには、一般的に三相ブラシレスＤＣモータが使用されている。この三相ブラシレスＤＣモータには、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相のステータがあり、これら三相のステータに印加する電圧を制御することでモータを回転させることができる。また、このモータの回転負荷等に応じて変化する回転速度を検知し、制御にフィードバックする事で安定した回転速度を実現している。

従来は、三相ブラシレスＤＣモータ内部にあるホールセンサ等のセンサを用いて回転速度を検知もしくは測定していた。しかしながら、近年はこれらのセンサを用いずに三相にかかる電流値から回転速度を推定する方式（センサレスベクトル制御）が広く用いられるようになってきた。

しかし、センサを用いずにモータを制御する場合、モータに回転異常があった場合であっても直接その異常を検知できないという課題がある。そこで、例えば特許文献１では、角周波数の推定値と指令値に基づいて回転異常を判定している。また特許文献２では、電流のトルク成分の符号および有効電力の符号に基づいて回転異常を判定している。

特許第４１１２２６５号公報 特開２００１－２８６１９７号公報

しかしながら、センサレスベクトル制御で行う回転速度推定はモータが正常に回転していることを前提としており、異常時は正しい推定が得られないという課題がある。さらに推定した速度を用いる方法は、モータ起動時などの速度推定の安定していない期間に回転異常と誤検知する課題がある。

また、モータ電流を用いた検知方法は、回転異常時にモータに流れる電流に複数のパターンがあり判断の切り分けが困難という課題がある。例えば、モータが外部要因によって停止したとしても、モータ制御によって正弦波電流を流し続けてしまう場合や、直流電流を流し続けてしまう場合がある。前者の場合はモータが異常停止しているにも関わらず正常回転していると判定してしまうおそれがある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、モータの回転異常をより好適に検出可能とする技術を提供することを目的としている。

上述の問題点を解決するため、本発明に係るモータ制御装置は以下の構成を備える。すなわち、モータを制御するモータ制御装置は、
前記モータを駆動する駆動手段と、
前記モータの各相の端子に流れる電流値を測定する測定手段と、
前記モータの正常回転の周期に応じた期間だけ前記駆動手段による前記モータの駆動中に前記モータの各相の端子を短絡し、該短絡された期間において前記測定手段により測定された電流値に基づいて、前記モータの回転異常を検知する異常検知手段と、
を有する。

本発明によれば、モータの回転異常をより好適に検出することができる。

モータ制御装置の全体構成を示す図である。 モータ制御装置に含まれるフィードバック制御部の構成を示す図である。 モータ制御装置に含まれるドライバ部の構成を示す図である。 通常駆動モードにおけるフローチャートである。 異常検知モードにおけるフローチャートである。 回転異常の判断方法を説明する図である（第１実施形態）。 回転異常の判断方法を説明する図である（第２実施形態）。

以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものでするものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

（第１実施形態）
本発明に係るモータ制御装置の第１実施形態として、三相ブラシレスＤＣモータを駆動するモータ制御装置１００を例に挙げて以下に説明する。

＜装置構成＞
図１は、モータ１０１を制御するモータ制御装置１００の全体構成を示す図である。モータ制御装置１００は、統括制御・処理部１０２、フィードバック制御部１０３、ドライバ部１０６、モータ回転異常推定部１０９、モータ回転異常検知部１１０を含む。

モータ１０１は、駆動対象のモータであり、例えば三相ブラシレスＤＣモータである。統括制御・処理部１０２は、モータ制御装置１００各部の制御を司る。

フィードバック制御部１０３は、モータの状態を推定しながら、駆動に必要な信号を所定のモータ制御周期毎に演算・出力する。フィードバック制御部１０３は、モータの速度や電流の状態に応じた閉ループ制御の演算を行なうモータ制御部１０４と、モータ速度等を推定する状態推定部１０５と、を含む。状態推定部１０５は、公知の任意の手法で速度推定を行い、例えば後述するモータ電流情報からモータに生じている誘起電圧を推定し速度推定を行なう。

ドライバ部１０６は、モータ１０１を駆動する電気部品に相当する。ドライバ部１０６は、フィードバック制御部１０３からの指令信号を基に電圧のスイッチングを行なうモータドライバ１０７と、モータ１０１に流れる電流を測定するモータ電流測定部１０８と、を含む。モータドライバ１０７は、例えばＦＥＴを用いて電圧のスイッチングを行なう。モータ電流測定部１０８は、モータ１０１に流れる電流を例えばシャント抵抗で検出し、Ａ／Ｄ変換を経てモータ制御装置１００内各部にて電流情報として使用可能にする。

モータ回転異常推定部１０９は、状態推定部１０５やモータ電流測定部１０８の情報を基に、モータ１０１の異常が疑われるか否かを一次判定する機能を有し、詳細は図４を参照して後述する。モータ回転異常検知部１１０は、異常検知モード時に、モータ回転異常を判定する機能を有し、詳細は図５を参照して後述する。

図２は、モータ制御装置１００に含まれるフィードバック制御部１０３の構成を示す図である。内部は代表的なベクトル制御と呼ばれる手法を適用しており、所定のモータ制御周期毎に演算を行なう。

３相２相変換部２００は、モータ電流測定部１０８の３相分の電流情報を、３相平衡正弦波であるという前提の基に、互いに直行する成分の２相電流成分に変換する。回転座標変換部２０１は、正弦波状に動作している２相電流を、固定座標系から回転座標系に変換し、磁束成分を示すｄ軸電流とトルク成分を示すｑ軸電流とに変換する。

状態推定部１０５は、前述の通りモータ電流情報から速度推定を行なう。ｄ軸ＰＩ制御部２０２は、測定されたｄ軸電流と状態推定部１０５より決定される目標ｄ軸電流との差分に応じたフィードバック演算を行なう。ｑ軸ＰＩ制御部２０３は、測定されたｑ軸電流と状態推定部１０５より決定される目標ｑ軸電流との差分に応じたフィードバック演算を行なう。

固定座標変換部２０４は、ｄ軸ＰＩ制御部２０２およびｑ軸ＰＩ制御部２０３より算出された電圧指令値を、回転座標系から固定座標系に変換する。動作としては回転座標変換部２０１の逆の動作を行う。２相３相変換部２０５は、固定座標変換部２０４からの２相電圧を、３相平衡正弦波であるという前提の基に３相電圧に変換する。動作としては３相２相変換部２００の逆の動作を行う。

なお、図２に示すフィードバック制御部１０３の構成は一例であり、例えば目標ｄ軸電流を０（ゼロ）に固定化してもよいし、磁束補償などのその他の仕組みを入れてもよい。

図３は、モータ制御装置１００に含まれるドライバ部１０６の構成を示す図である。ドライバ部１０６は、モータドライバ１０７とモータ電流測定部１０８とを有する。

上述のように、モータドライバ１０７は、電源をスイッチングすることでモータ１０１に電力を供給する。具体的には、モータ１０１の３相（Ｕ相Ｖ相Ｗ相）それぞれに、ＦＥＴ３００を介して電源とＧＮＤを接続し、ＦＥＴ３００をフィードバック制御部１０３からの信号に基づいて制御することでモータ１０１を駆動する。なお、図３においては、ＦＥＴ３００は、３相それぞれにおいて電源側及びＧＮＤ側に配置されるため計６個のＦＥＴが存在する。

また、上述のように、モータ電流測定部１０８は、モータ電流３０１を検出し、モータ制御装置１００内の各部にて電流情報として使用可能にする。具体的には、モータ電流３０１を電圧として検出するための抵抗３０２を配置し、ＦＥＴ３００のうちＧＮＤ側がＯＮになっているタイミングにて抵抗３０２におけるモータ電流３０１の測定を行う。Ａ／Ｄ変換部３０３は、抵抗３０２に生じる電圧をデジタル値に変換する。また代表的には電圧を増幅するアンプ機能も含む。

＜装置の動作＞
図４は、通常駆動モードにおけるモータ動作のフローチャートである。本フローの各実行指示や分岐判断は統括制御・処理部１０２が行う。

Ｓ４００では、統括制御・処理部１０２は、モータ電流測定部１０８を制御しモータ電流の測定結果を取得する。Ｓ４０１では、統括制御・処理部１０２は、フィードバック制御部１０３を制御しモータ制御に必要な演算を行う。

Ｓ４０２では、統括制御・処理部１０２は、モータ回転異常推定部１０９により状態異常が推定されたか否かに応じて動作を分岐する。状態異常が推定された（Ｓ４０２でＹｅｓ）場合は、Ｓ４０５へ進み異常検知モードへと移行する。状態異常が推定されなかった（Ｓ４０２でＮｏ）場合はＳ４０３に進み通常駆動を継続する。

Ｓ４０２の分岐はモータ回転異常判断の一次判定にあたり、異常推定の判定にはフィードバック制御部１０３での演算内部値を用いればよい。例えば、状態推定部１０５で推定したモータ回転速度（推定速度）と、目標としている速度（目標速度）との差分が閾値を超えるか否かに基づいて判定する。あるいは、差分を所定の期間積算し、積算値が閾値を超えるかどうかで判定する。別の例では、モータ電流測定部１０８から得られる電流値またはそれを変換した値が、閾値を超えるかどうか、もしくは所定の期間積算して閾値を超えるかどうかで判断する。

Ｓ４０３では、統括制御・処理部１０２は、フィードバック制御部１０３による演算結果に基づいてモータドライバ１０７を駆動する。

Ｓ４０４では、統括制御・処理部１０２は、駆動終了するか否かを判定する。駆動終了する（Ｙｅｓ）であれば処理を終了し、駆動終了しない（Ｎｏ）場合はＳ４００に戻り処理を継続する。Ｓ４００～Ｓ４０４のループは、所定のモータ制御周期にて繰り返される。

図５は、異常検知モードにおけるモータ動作のフローチャートである。本フローの各実行指示や分岐判断は統括制御・処理部１０２が行なう。

Ｓ５００は図４のＳ４０５から繋がるノードである。またＳ５０１は図４のＳ４０６へと繋がるノードである。

Ｓ５０２では、統括制御・処理部１０２は、モータ制御部１０４を介してモータドライバ１０７に対しショートブレーキの設定を行なう。ここで、ショートブレーキとは、モータ１０１の各端子を短絡する動作である。具体的には、モータドライバ１０７にあるＦＥＴ３００のうち、電源側のＦＥＴをＯＦＦ（通電停止）に設定しＧＮＤ側のＦＥＴをＯＮ（ＧＮＤに短絡）に設定することで実現する。

ショートブレーキを行った際に、モータ１０１が回転していたら、モータ１０１の慣性およびインダクタンス成分によって電流が流れることになる。そのため、モータ抵抗（不図示）や電流検出用の抵抗３０２等によってモータ１０１のエネルギーが熱として消費される。そのため、この電流の有無を検出することでモータの回転異常の確定判断を行う。。

Ｓ５０３では、統括制御・処理部１０２は、状態推定部１０５を介してモータ電流測定部１０８の結果を取得する。取得した電流値は、モータの回転異常の確定判断に用いる。

Ｓ５０４では、統括制御・処理部１０２は、ショートブレーキを所定時間実行しモータ電流を測定したか否かを判定する。ショートブレーキを所定時間実行した場合（Ｙｅｓ）はＳ５０５へと進む。ショートブレーキを所定時間実行していない場合（Ｎｏ）はＳ５０３に戻り、所定のモータ制御周期にてループ（Ｓ５０３及びＳ５０４）を繰り返す。

Ｓ５０５では、統括制御・処理部１０２は、モータ回転異常検知部１１０に対して、モータ回転異常を確定判断するよう制御する。モータ回転異常検知部１１０は、Ｓ５０３で測定されたショートブレーキ時のモータ電流３０１の情報に基づいてモータ回転異常の確定判断を行う。モータ回転異常が検知された（Ｙｅｓ）場合はＳ５０６へと進み、モータ制御装置１００全体をエラー処理へと移行する。モータ回転異常が検知されなかった（Ｎｏ）場合はＳ５０１に進み通常駆動モードへと戻り、モータ回転制御を継続する。

Ｓ５０６では、統括制御・処理部１０２は、エラー処理を実行する。エラー処理の内容は任意であり、例えば、モータ制御装置１００全体の再起動、モータ制御装置１００の緊急停止、モータ制御装置１００からアクセス可能な外部又は内部のメモリ（不図示）へのエラー情報の記録、などがある。

＜回転異常判定の詳細＞
図６は、第１実施形態における回転異常の判断方法を説明する図である。すなわち、モータ回転異常検知部１１０が図５のＳ５０５で実施する判断を説明する図である。図６（ａ）は、モータ１０１が正常に駆動していた場合の電流値の時間変化の例を示している。一方、図６（ｂ）は、モータ１０１が異常停止していた場合の電流値の時間変化の例を示している。なお、図６（ｂ）では、ショートブレーキ設定期間６０１に先行する期間において電流波形６００が正弦波を維持している状態を示しているが、回転異常が生じている時の電流波形は正弦波とは限らない。

電流波形６００は、例えばモータ１０１に流れる３相（Ｕ相Ｖ相Ｗ相）電流のうちの１相（例えばＵ相）電流の波形である。ショートブレーキ設定期間６０１は、図５のループ（Ｓ５０３～Ｓ５０４）に相当する期間である。（ショートブレーキ設定期間６０１の期間内に設定された）回転異常判断期間６０２及び回転異常判断範囲６０３は、それぞれ、回転異常か否かの判定するための時間方向及び振幅方向の電流値範囲を規定する。

例えば、Ｕ相電流６００が回転異常判断期間６０２内で回転異常判断範囲６０３内に収まっている場合は回転異常と判断し、そうでなければ正常と判断する。これは、モータ１０１が停止していた場合は、モータ慣性に起因する電流は生じないためＵ相電流６００の振幅は収束するためである。一方、モータ１０１が回転していた場合、ショートブレーキ設定期間６０１においてもモータ１０１の慣性およびインダクタンス成分によって電流が流れることになる。そのため、ショートブレーキ設定期間６０１においても正弦波状のＵ相電流６００がある程度維持されることになる。

なお、ショートブレーキ設定期間６０１において回転異常判断期間６０２を短く設定しすぎると、モータが回転している場合であってもＵ相電流の変化が回転異常判断範囲６０３内に収まることがある。そのため、回転異常判断期間６０２をある程度長くする（例えば正常回転時の正弦波周期の１／２に相当する時間以上）ことが望ましい。また、回転異常判断範囲６０３は、例えば正常回転時の正弦波振幅の１／３に相当する振幅以下に設定するとよい。

モータの回転が正常と判断された場合は、ショートブレーキ設定期間６０１終了後に通常駆動を再開することになる。その際には、ショートブレーキ設定期間６０１によるモータ動作の変化を補償すべく、フィードバック制御部１０３の内部で管理している情報（内部パラメータ）を変更ないし更新する追加制御を行ってもよい。例えば、モータ１０１の推定位置情報（角度、積分値など）を、回転異常判断期間６０２に応じて補正してもよい。また、ショートブレーキ設定期間６０１で低下した速度や電流を速やかに通常状態に復帰するため、フィードバック制御のゲイン設定を変更してもよい。

以上説明したとおり第１実施形態によれば、モータ制御装置１００はモータ１０１駆動中にショートブレーキ動作を挿入する。そして、ショートブレーキ動作期間（ショートブレーキ設定期間６０１）における３相（Ｕ相Ｖ相Ｗ相）電流の１つの経時変化に着目してモータ１０１の回転異常状態を判定する。この構成により、センサレスベクトル制御にて駆動するモータにおいても、モータの回転異常を高精度に検出することができる。

なお、上述の説明では、モータ回転異常推定部１０９によるモータ回転異常判断の一次判定を行った後に、モータ回転異常検知部１１０によるショートブレーキによる確定判断を行う構成としたが、一次判定を行わない構成としてもよい。例えば、ユーザにより指示された場合にショートブレーキによる確定判断を行う構成でもよいし、定期的にショートブレーキによる確定判断を行う構成でもよい。

（第２実施形態）
第２実施形態では、モータの回転異常の確定判断における別の形態について説明する。具体的には、ショートブレーキ動作期間（ショートブレーキ設定期間６０１）における３相（Ｕ相Ｖ相Ｗ相）電流の２つの経時変化に着目してモータ１０１の回転異常状態を判定する。なお、装置構成及び動作は第１実施形態（第１～図５）と同様であるため説明は省略する。

＜回転異常判定の詳細＞
図７は、第２実施形態における回転異常の判断方法を説明する図である。すなわち、モータ回転異常検知部１１０が図５のＳ５０５で実施する判断を説明する図である。図７（ａ）は、モータ１０１が正常に駆動していた場合の電流値の時間変化の例を示している。一方、図７（ｂ）は、モータ１０１が異常停止していた場合の電流値の時間変化の例を示している。

電流波形７００および７０１は、例えばモータ１０１に流れる３相（Ｕ相Ｖ相Ｗ相）電流のうちの２相（例えばＵ相およびＶ相）の電流の波形である。ショートブレーキ設定期間６０１は、図５のループ（Ｓ５０３～Ｓ５０４）に相当する期間である。回転異常判断範囲６０３は、回転異常か否かの判定するための振幅方向の範囲を規定する。

すなわち、第２実施形態においては、第１実施形態における回転異常判断期間６０２は使用されない。第２実施形態では、ショートブレーキ設定期間６０１の終了タイミングにおけるＵ相の電流波形７００およびＶ相の電流波形７０１が回転異常判断範囲６０３に収まっているかに基づいて回転異常を確定判断する。具体的には、Ｕ相およびＶ相の両方が回転異常判断範囲６０３に収まっている場合に回転異常と確定判断し、そうでなければ正常と確定判断する。すなわち、３相（Ｕ相Ｖ相Ｗ相）電流が３相平衡正弦波電流であるという前提から、２相の電流に対して判定を行うことにより回転異常による電流収束が発生しているか否かの判定をすることが出来る。

そのため、第２実施形態においては、第１実施形態における回転異常判断期間６０２は不要であり、ショートブレーキ設定期間６０１も第１実施形態に比較して短く設定することが出来る。ただし、モータが正常回転している際に、Ｕ相電流とＶ相電流に関して一方が範囲内に収まるタイミングでう一方が範囲外になるよう回転異常判断範囲６０３を調整して設定する。

以上説明したとおり第２実施形態によれば、モータ制御装置１００はモータ１０１駆動中にショートブレーキ動作を挿入する。そして、ショートブレーキ動作期間（ショートブレーキ設定期間６０１）終了時における２相の電流値に着目してモータ１０１の回転異常状態を判定する。この構成により、センサレスベクトル制御にて駆動するモータにおいても、モータの回転異常を高精度に検出することができる。

（変形例）
ショートブレーキ動作の挿入は、上述のように通常駆動中に実施する他に、通常駆動から停止状態に遷移するための停止シーケンスである減速中に実施することも考えられる。この場合、モータ１０１が正常回転していたか回転異常だったかの結果に応じて、次回起動の許可を判断（つまり、回転異常の場合は次回起動を不許可）したり、ユーザに故障判定を通知したりしてもよい。また、判定結果が正常回転であってもその後の回転継続が必要ないので、ショートブレーキを再度実行しモータを停止させるよう構成してもよい。

（その他の実施例）
本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

発明は上記実施形態に制限されるものではなく、発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。

１００ モータ制御装置； １０１ モータ； １０２ 統括制御・処理部； １０３ フィードバック制御部； １０４ モータ制御部； １０５ 状態推定部； １０６ ドライバ部； １０７ モータドライバ； １０８ モータ電流測定部； １０９ モータ回転異常推定部； １１０ モータ回転異常検知部

Claims (13)

1. モータを制御するモータ制御装置であって、
   前記モータを駆動する駆動手段と、
   前記モータの各相の端子に流れる電流値を測定する測定手段と、
   前記モータの正常回転の周期に応じた期間だけ前記駆動手段による前記モータの駆動中に前記モータの各相の端子を短絡し、該短絡された期間において前記測定手段により測定された電流値に基づいて、前記モータの回転異常を検知する異常検知手段と、
   を有することを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記異常検知手段は、前記測定手段により測定された１相の端子の電流値が前記短絡された期間内の所定の期間において所定の電流値範囲に収まっている場合に、前記モータに回転異常が発生していると判断する
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
3. 前記異常検知手段は、前記測定手段により測定された異なる２相の端子の電流値の両方が前記短絡された期間の終了時において所定の電流値範囲に収まっている場合に、前記モータに回転異常が発生していると判断する
   ことを特徴とする請求項１に記載のモータ制御装置。
4. 前記測定手段により測定された電流値にしたがって前記モータの状態を推定する状態推定手段と、
   前記状態推定手段によって推定された前記モータの状態に応じて所定の周期で前記モータのモータ制御を行う制御手段と、
   を更に有し、
   前記制御手段は、前記状態推定手段により状態異常が推定された場合に、前記異常検知手段に対して前記モータの各相の端子を短絡を指示する
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のモータ制御装置。
5. 前記状態推定手段は、推定速度と目標速度との差分が第１の閾値を超えた場合又は該差分を所定の期間積算した積算値が第２の閾値を超えた場合に、状態異常であると推定する
   ことを特徴とする請求項４に記載のモータ制御装置。
6. 前記制御手段は、前記駆動手段が前記モータを通常駆動している間に前記短絡が実行された場合、前記異常検知手段が回転異常を検知した場合は所定のエラー処理を実行し、前記異常検知手段が回転異常を検知しなかった場合は前記通常駆動に復帰する、よう制御する
   ことを特徴とする請求項４又は５に記載のモータ制御装置。
7. 前記所定のエラー処理は、前記モータ制御装置の再起動、前記モータ制御装置の緊急停止、前記モータ制御装置からアクセス可能なメモリへのエラー情報の記録、の１つ以上を含む
   ことを特徴とする請求項６に記載のモータ制御装置。
8. 前記制御手段は、前記通常駆動に復帰する場合、前記短絡に起因するモータ動作の変化を補償する追加制御を行う
   ことを特徴とする請求項７に記載のモータ制御装置。
9. 前記追加制御は、前記短絡を実行した期間に応じた前記状態推定手段の内部パラメータの調整を含む
   ことを特徴とする請求項８に記載のモータ制御装置。
10. 前記制御手段は、前記駆動手段が前記モータを通常駆動から停止状態に遷移させる間に前記短絡が実行された場合、前記異常検知手段が回転異常を検知した場合は所定のエラー処理を実行し、前記異常検知手段が回転異常を検知しなかった場合は前記短絡を再度実行することにより前記停止状態に遷移させる、よう制御する
    ことを特徴とする請求項４に記載のモータ制御装置。
11. 前記所定のエラー処理は、前記モータ制御装置の次回起動の不許可を含む
    ことを特徴とする請求項１０に記載のモータ制御装置。
12. モータを制御するモータ制御装置の制御方法であって、
    前記モータ制御装置は、前記モータを駆動する駆動手段と、前記モータの各相の端子に流れる電流値を測定する測定手段と、を含み、
    前記制御方法は、
    前記モータの正常回転の周期に応じた期間だけ前記駆動手段による前記モータの駆動中に前記モータの各相の端子を短絡し、該短絡された期間において前記測定手段により測定された電流値に基づいて、前記モータの回転異常を検知する異常検知工程を含む
    ことを特徴とする制御方法。
13. コンピュータを、請求項１乃至１１の何れか１項に記載のモータ制御装置の各手段として機能させるためのプログラム。

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