CN1213532C - 用于驱动多相直流电机的装置 - Google Patents

Abstract

用于驱动多相直流电机(8)的装置，包括一个多相变换器(11)，该变换器用于为电机绕组(2，4，6)提供驱动信号。该多相变换器在给定顺序的至少一个相位内均被为至少一个电机绕组(2)提供一个第一和一个第二驱动信号。此第一和第二驱动信号在此至少一个绕组(2)中以相反的方向流动。该装置还有脉宽调制装置(40.1-40.6)为第一驱动信号提供第一脉宽调制，并为第二驱动信号提供第二脉宽调制。该脉宽调制装置(40.1-40.6)适于改变脉宽调制的脉宽，以便能加速、有效减速或保持电机(8)的速度，和用于选择电机的旋转方向。所述第一脉宽调制的脉冲和所述第二脉宽调制的脉冲是不重叠的。

Description

用于驱动多 相直流电机的装置

技术领域

本发明涉及一种用于驱动多相直流电机的装置，该装置包括一种多相变换器，而该变换器以下述方式将驱动信号施加于电机绕组上：由驱动信号按给定的顺序循环地驱动这些绕组，且对该驱动信号进行脉宽调制，以用来控制电机速度。

背景技术

在开头段落中定义的这类装置见欧洲专利申请0419303。

在所述已知的装置中，借助于脉宽调制来控制施加于电机的功率。为提高电机的速度，通过增加脉宽调制的脉宽来增加施加于电机的功率。为降低电机的速度，通过减小脉宽来减少施加于电机的功率，其结果是，电机因其内部摩擦力而造成电机速度的降低。

这种已知装置的缺点是：电机的减速相当慢，即比提高电机速度要慢得多。因此，就这种已知装置来说，电机不是有效减速或制动的。如果电机的速度暂时过快，那么在电机能以所要求的速度重新开始运行之前，就需要等待电机在摩擦力的作用下充分减速。对CD-ROM驱动来说，这是特别不希望出现的。

为了解决这个问题，曾建议使施加于电机绕组的驱动信号的流向暂时反向来有效制动电机。该解决方案的缺点是：从正常运转到有效制动，不可能得到平滑过渡。如果使用速度控制，为了得到平滑过渡，就需要首先使电流降至0，然后采取该换向点，再增加电流。这是很困难的。

发明内容

本发明的目的是提供一种上文所述问题的解决方法。为此目的，根据本发明的装置，除了包括文章开头所说的技术特征之外，其特征还在于：在所述顺序的至少一个相位内将一个第一和一个第二驱动信号均加在电机的至少一个绕组上，在该至少一个绕组中，该第一和第二驱动信号以相反的方向流动，并且该装置还包括脉宽调制装置，用于对第一驱动信号进行第一脉宽调制，以及对第二驱动信号进行第二脉宽调制，根据第二脉宽调制的脉宽，该脉宽调制装置相应地改变第一脉宽调制的脉宽，用以加速、有效减速或保持电机的速度，或用于选择电机的旋转方向，其中所述第一脉宽调制的脉冲和所述第二脉宽调制的脉冲是不重叠的。

由于能彼此独立地控制第一脉宽调制和第二脉宽调制的脉宽，所以能在电机有效加速和有效减速(制动)之间实现平滑过渡。根据本发明的这种装置能够实现有效减速，这样，在电机的有效减速、稳定和加速的过程中便能实现平缓过渡。实际上，在有效减速和驱动之间不再有任何区别。此外，根据本发明的电机能以两个方向驱动，并且在每个驱动方向上，电机的速度均能根据要求进行加速、有效减速和保持不变。

特别是，当选择第一占空比等于第二占空比时便制动电机。

根据本发明装置的另一实施方案，其特征在于：多相变换器包括至少一个第一和一个第二可控开关元件，用于将第一绕组的第一接线端与直流电源的第一和第二接线端分别相连，并且包括至少一个第二和一个第三可控开关元件，用于将第二绕组的第一接线端与该直流电源的第一和第二接线端分别相连，第一绕组的第二接线端与第二绕组的第二接线端电气相连，脉宽调制装置产生一个用于切换第一开关元件的第一控制信号、一个用于切换第二开关元件的第二控制信号、一个用于切换第三开关元件的第三控制信号和一个用于切换第四开关元件的第四控制信号，第一和第二控制信号以如下方式进行脉宽调制，即：第一和第二开关元件不同时导通，第三和第四控制信号以如下方式进行脉宽调制，即：第三和第四开关元件不同时导通，且用第一占空比分别对第一和第四控制信号进行脉宽调制，用第二占空比分别对第二和第三控制信号进行脉宽调制，第一和第二占空比相对于彼此进行变化，以用于加速、有效减速和保持电机的速度。该另一实施方案的优点是：由所述开关元件组成的开关电路是公知的，且是频繁成功应用的。因此，可以使用已知的、且根据本发明能由所述控制信号驱动的开关电路来驱动电机，使电机速度能够平缓过渡地交替完成加速、有效减速和保持不变。

最好是，第一和第四控制信号彼此相同，并且第二和第三控制信号同样彼此相同。根据这种方案，只形成两种互不相同的控制信号。

附图说明

现参考附图对本发明作更详细的描述。图中：

图1所示为根据本发明装置的实施方案；

图2为一列表，它说明了当图1所示装置以公知的方式驱动一个多相直流电机时，该装置的运行情况；

图3用图解的方法表示了由图1所示装置提供给电机的驱动信号；

图4用一些图形说明了当电机根据图2列表驱动时，图1所示装置的运行情况；

图5用一些图形说明了当电机根据本发明驱动时，图1所示装置的运行情况；

图6用图解示出了图1中所示装置的一部分；

图7示出了一些与图6所示本发明的部分装置有关的控制图；

图8示出了一些与图6所示本发明的部分装置有关的选择控制方法图；和

图9示出了一种包含图1所示装置的CD-ROM驱动器。

具体实施方式

首先，参考图1描述一种现有技术装置的操作，该装置用于驱动无电刷多相直流电机。随后，参考图1描述根据本发明的装置。

图1所示的装置用于给无电刷多相直流电机提供驱动信号，标有参考数字1。在本例中，该装置给三相无电刷直流电机8的三个绕组2，4，6提供驱动信号。绕组2，4，6为电机定子9的一部分。在图1中还示例性地示出了电机8的转子10。转子10包含一个永磁铁，它的北极用阴影表示。无阴影的表示是南极。

驱动信号按给定的顺序以如下方式循环地提供给电机8的定子绕组2，4，6，使得电机的磁性转子被旋转，且在给定的空闲周期内至少有一个绕组没有被提供驱动信号。本例中，在给定的空闲周期内，所有三个绕组都是循环地且非同时地没有驱动信号进行励磁。

装置1包括驱动装置11，用于以所说的方式将驱动信号加在电机8的绕组2，4，6上。本例中，驱动装置11采用多相变换器11的形式。驱动信号由多相变换器11产生，并通过导线12，14，16加在电机8的绕组2，4，6上以驱动电机。因为本例中要驱动的是一个三相直流电机，所以本例中的多相变换器11是一个三相变换器。在该例子中，多相变换器11包含一个供电电路18和一个顺序发生器20。顺序发生器20经导线22.1-22.6以如下方式顺序地驱动供电电路：供电电路18顺序地—即以给定的循环顺序—为绕组2，4，6提供驱动信号以实现电机驱动。供电电路18由常规的三联半H桥电路组成。供电电路18有三个串联的电流通路24，24’，24”，该通路位于电源线26和零电位28之间。本例中，电源线26接电源电压V₀，零电位线接地。

每个电流通路24，24’，24”由以晶体管30，32；30’，32’；30”，32”形成的两个串联的开关元件组成。每个晶体管30，30’，30”，32，32’，32”可以包含一个诸如目前已知的FET，或是其他任何已知的开关元件。此外，每个开关元件30，30’，30”，32，32’，32”相应还有一个辅助反馈二极管34，34’，34”，36，36’，36”。每个反馈二极管与相应开关元件作反并联连接。每个反馈二极管均可作为该开关元件的一个寄生二极管，并与之并联连接。在绕组的空闲周期内，反馈二极管能够消耗该绕组内反电势电压所产生的反馈信号。电源线12，14，16与各自位于开关元件30，32；30’，32’；30”，32”之间的节点A，B，C相连。

供电电路18的一种可能工作方式将参考图2的表和图3及图4进行更详细的描述，该供电电路由顺序发生器20以目前已知的方式进行控制。在图3中，绕组2，4，6的接线端由节点A，B和C表示，且相当于图1和图2中的节点A，B，C。一般来讲，当电机旋转时，一个节点(例如节点A)与电源线26相连，另一个节点(例如节点B)与零电位线路28相连，最后一个节点(例如节点C)保持浮置。因此，可得到六个不同的相位。例如，在第一相位F，供电电路18由线路22.3以如下方式控制，即：开关元件30导通，其结果是，节点A与电源线26相连。同时，在此第一相位F，开关元件32’由线路22.5以如下方式控制，即：节点B与零电位线路28相连。在此第一相位F期间，其他开关元件则以如下方式控制：它们均被断开。其结果是，在第一相位F，驱动电流开始从电源线26经开关元件30流至节点A，从节点A经绕组2和4流至节点B，并且又从节点B经开关元件32’流至线路28。节点C仍保持浮置。图2和图3说明了该第一相位。图2中的第一行表示电流由节点A流至节点B，这时节点C保持浮置。在图3中，该电流用标有参考数字(1)的环形箭头表示。在第二相位—以完全相似的方式—电流由节点A流至节点C，这时节点B保持浮置。其他相位—第三至第六—相应地如图2和图3所示。此外，驱动周期P_a可定义成这样一个周期：在此周期内驱动信号施加于电机的一个绕组上。而且，空闲周期P_V可定义成这样一个周期：在此周期内没有驱动信号施加于绕组。图3还示出了该驱动周期P_a和空闲周期P_v。从图中可以很明显地看出，在给定的驱动周期P_a内，驱动信号以如下方式施加于电机绕组上，即：在本例中，在两个绕组的驱动周期P_a内有一个绕组没有被施加驱动信号。此外，空闲周期的开始和结束与驱动周期的开始和结束相一致，每个驱动周期长度是空闲周期的两倍。在每个驱动周期内，均有一个驱动脉冲施加于相应绕组上，该驱动脉冲的持续时间与相应驱动周期的持续时间相等。

如上所述，在空闲周期P_v内，节点A、节点B或节点C之一保持浮置。但是，例如，如果节点C在第一相位保持浮置，由于电机转子的旋转，将在绕组6中产生一个感应电压。该感应电压存在于节点C和三个绕组的星节点S间，它在后文被称为反电势信号。同样，在第二相位F，节点B和三个绕组的星节点S之间会产生反电势信号，并且，在第三相位F，节点C和三个绕组的星节点S之间也会产生反电势信号等等。

通常，已知类型的顺序发生器20根据时钟37产生、并经线路38施加的时钟信号的节奏，在线路22.1-22.6上产生控制信号，按图3表中给出顺序循环导通开关元件30，30’，30”，32，32’，32”。例如，顺序发生器20可以包括一个目前已知的移位寄存器，该移位寄存器在电机的一个电旋转中经过两个周期。

图4中标记F的第一列所示为：当电机完成一个完整的电旋转时，相继产生的六个不同相位。A、B和C行所示为：对应于电机节点A、B和C的电压时间函数。例如，该图说明了：在第一和第二相位时，节点A的电压等于电源电压V₀。在第三相位时，节点A浮置，且绕组2中将产生反电势信号。在第四相位开始时，由于节点A与零电位线路28相连，所以节点A的电压变为零电压。在第四和第五相位中一直保持该状态。在第六相位中，节点A再次变为浮置，并再次产生一个反电势信号。在节点B中产生的信号与节点A相同，但节点B中的信号相对于节点A中的信号有120度相移。同样，节点C中的信号相对于节点A中的信号有240度相移。

根据本发明，用特定方法对驱动信号进行脉宽调制，以便用于电机8的加速和有效减速。为了该目的，多相位变换器11还包括脉宽调制装置40.1-40.6，用于对驱动信号进行脉宽调制，该信号通过线路12，14和16施加于电机绕组。该装置按如下方法操作。在第一相位F(见图5)，完全相同的控制信号经线路22.2和22.4分别施加于开关元件30’和开关元件32。借助于脉宽调制装置40.2和40.4，对线路22.2和22.4上的、施加于开关元件30’和32的控制信号用完全相同的方法进行脉宽调制。这使第一驱动信号从A经绕组2和4流至B，该信号由连续脉冲Q组成，且该脉冲的脉宽可变(可调制)。该脉冲重复频率通常高于20kHz。已调制脉宽的信号在图3中为标有参考数字(1)的弧线。图5中的节点A其阴影部分表示：在第一相位，经过重复频率大约为20KHz的脉宽调制后，电源电压交替地施加于节点A上。

然而，两个完全相同的控制信号经线路22.3和22.5同时施加于开关元件30和32’。这些控制信号已通过脉宽调制装置40.3和40.5进行了完全相同的脉宽调制。这使第二驱动信号4(见图3)通过被切换的开关元件30和32’，并且通过绕组2和4，该第二驱动信号与流经绕组2和4的第一驱动信号流向相反。该第二驱动信号也是由连续脉冲组成的，该脉宽可变(可调制)。图5中的节点B用阴影部分说明了：在第一相位，电源电压V₀以所述重复频率大约为20KHz的脉冲施加于节点B。

多相变换器11以如下方式设计：对线路22.2和线路22.5上的控制信号进行脉宽调制，以确保开关元件30’和32’不同时导通。这是为了防止线路26和28之间短路。同样，对线路22.3和22.4上的控制信号进行脉宽调制，使开关元件30和32’不同时导通，以防止线路26和28之间短路。通过图6也对此进行了说明。为了说明多相变换器11在第一相位F时的工作，图6仅示出了电机8的绕组2和4，开关元件30，30’，32，32’和二极管34，34’，36，36’。

在图3中，前文提及的第一和第二驱动信号也为标有参考数字(1)和(4)的弧线。图7所示为经线路22.2，22.3，22.4和22.5分别施加于开关元件30，32，30’和32’的控制信号。图7中状态I表示：线路22.2-22.5上的控制信号在一个脉宽调制周期内的可能脉宽调制。如上所述，线路22.3和22.5上的控制信号确实看来完全一致。线路22.2和22.4上的控制信号确实看来也完全一致。另外，开关元件30和32决不同时导通，其方法为，线路22.3和22.4上的控制信号不同时导通其相应的开关元件。线路22.2和22.4上的控制信号使已调制过脉宽的第一驱动信号通过电机8的绕组2和4，而线路22.3和22.5上的控制信号使已调制脉宽的第二驱动信号沿着与第一驱动信号相反的方向通过电机8的绕组2和4。如状态I的脉宽调制所示，由于开关元件30’和32的导通平均时间比开关元件30和32’长，所以第一驱动信号(1)的平均电流将大于第二驱动信号(4)的平均电流(并具有与其相反的方向)。因此，线路22.2和22.3上控制信号的占空比大于线路22.3和22.5上控制信号的占空比。其结果是：电机将按预定的旋转方向驱动。当需要电机有效减速时，线路22.2和22.4上的控制信号的占空比逐渐缩短，而线路22.3和22.5上的控制信号的占空比逐渐增加。其结果如图7中的III状态所示。当前，由于第二驱动信号(4)强度的时间平均值大于第一驱动信号(1)强度的时间平均值，所以电机将会有效减速。当达到所需速度时，占空比恢复到I所示的状态。

如前所述，当如状态I所示的控制信号的占空比逐渐变化成图7中状态III所示信号的占空比时，引起有效减速。但如果控制信号的占空比继续维持以保持如图7中所示的状态III，最终电机将会开始向相反方向旋转。这样，根据本发明，用该装置可以以第一方向有效地驱动电机旋转，也可以以第二方向有效地驱动其旋转，并且每个方向上均可进行有效减速。

当选择线路22.2和22.4上的控制信号的占空比等于线路22.3和22.5上的控制信号的占空比时，第一驱动信号(1)和第二驱动信号(4)将相互抵消，且驱动信号没有时间平均值经过绕组2和4。该状态如图7中II所示。

图7中还用三个状态说明了：流经绕组2和4、方向由A至B的各种驱动信号的电流总和Q。该图显示了在状态I中，电流Q随线路22.2和22.4上的控制信号逐渐增加，且随后受线路22.3和22.5上的控制信号的影响而逐渐减少。而这样便产生了由A至B的电流Q的时间平均值。如前所述，在状态II中得到由A至B的电流时间平均值等于零，而在状态III中，时间平均电流Q的流向与状态I中的电流Q相反。

在前面描述的实施方案中，线路22.2及22.4上控制信号的占空比与线路22.3及22.5上控制信号的占空比总和为100％。但这不是必须的。换句话说，如果需要，占空比总和可以小于100％，例如，在状态I中，将线路22.2和22.4上的控制信号的占空比选择得小一些(虚线所示)。

通过图6和7已示出在第一相位F如何将第一和第二驱动信号(1)，(4)施加于电机绕组2和4上，两个绕组上的第一和第二驱动信号(1)和(4)的方向相反，且脉宽调制装置对第一驱动信号进行第一脉宽调制，并对第二驱动信号进行第二脉宽调制，该脉宽调制装置适于相互独立地对第一脉宽调制和第二脉宽调制进行脉宽改变，以便加速、有效减速或保持电机的旋转速度，且如果需要，也可用来选择电机旋转的方向。

与图5中所示的完全相似，在第二相位F，如图7所示的线路22.2和22.4上的控制信号施加于开关元件30’和32上。然而，当前图7中所示的、线路22.3和22.5上的控制信号被施加于线路22.1和22.6上。因此，当前位于第二相位F的第一驱动信号就是图3中弧线(2)所指示的驱动信号，而位于第二相为F的第二驱动信号就是图3中弧线(5)所指示的驱动信号。此外，这两个驱动信号方向相反且分别进行脉宽调制。这完全类似于所描述的第一相位F。如前文所述，若要以前述预定方向来驱动电机，驱动信号(2)的时间平均值也要大于驱动信号(5)。为使电机有效减速，这两个驱动信号的占空比均要采用如下方式，即驱动信号(50)要大于驱动信号(2)的时间平均值。类似地，在第三相位F，第一驱动信号标有参考数字(3)，而第二驱动信号标有参考数字(6)。在第四相位F，第一驱动信号标有参考数字(4)，且第二驱动信号标有参考数字(1)。其后，在第五相位F，第一驱动信号标有参考数字(5)，且第二驱动信号标有参考数字(2)。最后，在第六相位F，第一驱动信号标有参考数字(6)，且第二驱动信号标有参考数字(3)。这样，根据本发明，用于驱动三相直流电机的装置的每个相位均已考虑到了。

图8中所示为在第一相F的另一实施方案，根据该方案，控制信号能够在线路22.2-22.5上产生。同样在本例中，线路22.2上的控制信号和线路22.5上的控制信号还如此地切换开关元件30’和32’，即不同时导通它们。线路22.3和22.4上的控制信号也不同时导通开关元件30和32。而在本例中，控制信号互有差异，即：线路22.2上控制信号脉冲的开始每次都与线路22.4上控制信号脉冲的结束相一致。同样，线路22.3上控制信号脉冲的开始与线路22.5上控制信号脉冲的结束相一致。

如果按上文所述来改变线路22.2-22.5上每个控制信号的占空比，电机将会以一种完全类似的方式驱动。因此，对于所选择的占空比，如图8中状态I所示，其时间平均电流Q也等于图7中状态I所示的时间平均电流Q。在图8所示状态II和状态III中，产生于相应绕组中的平均电流也与图7状态II和III中产生的平均电流一致。

同样对于图8所示的实施方案，线路22.2和22.4上的控制信号的占空比和线路22.3和22.5上控制信号的占空比总和为100％。而另一种可能是占空比总和小于100％，例如，如果减小线路22.2和22.4上的控制信号的脉宽(如图8中的虚线部分所示)。所得到的脉宽如阴影区域所示。这些变型均在本发明范围之内。

本例中，脉宽调制器40.1-40.6由控制装置42控制。控制装置42产生控制信号S，并施加于脉宽调制器40.1-40.6上。控制装置42还在线路44上产生用于控制顺序发生器20的控制信号。

此外，线路12，14，16上的控制信号可施加于控制装置42。以目前已知的方式，控制装置42能够根据线路12，14，16上的反电势信号确定电机的速度。如果所要求的速度经线路46输入到控制装置41中，控制装置42便能如前文所述，通过控制驱动信号的脉宽调制使电机加速或有效减速，以调整速度达到期望值。控制装置42还能通过控制脉宽调制来选择电机的旋转方向。图1所示的装置1和电机8能有利地应用到图9所示的CD ROM磁盘驱动器50中。CD ROM磁盘驱动器50具有读磁头和可选的写磁头，用于从CD ROM 54中读取信息以及在CD ROM 54上写信息(如果需要的话)。由于CD ROM磁盘驱动器50的电机速度变化频繁且迅速，所以在CD ROM磁盘驱动器中使用本发明装置尤其有利。这些变型均属于本发明的范围。

Claims (13)

1.一种用于驱动多相直流电机的装置，该装置包含一个多相变换器，该变换器以如下方式为电机绕组提供驱动信号，即所述绕组由驱动信号按给定的顺序进行周期性驱动，对驱动信号进行脉宽调制以便控制电机的速度，其特征在于：第一和第二驱动信号在所述顺序的至少一个相位内均被提供给至少一个电机绕组，该第一和第二驱动信号在此至少一个绕组中以相反的方向流动，并且该装置还包括脉宽调制装置，用于为第一驱动信号提供第一脉宽调制和为第二驱动信号提供第二脉宽调制，此脉宽调制装置根据第二脉宽调制的占空比来改变第一脉宽调制的占空比，以便用于使电机加速、有效减速或是保持速度，或者用于选择电机的旋转方向，其中所述第一脉宽调制的脉冲和所述第二脉宽调制的脉冲是不重叠的。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：相对于第二驱动信号的第二占空比，增加第一驱动信号的第一占空比使电机加速或有效减速，而相应地，相对于第二驱动信号的第二占空比，缩短第一驱动信号的第一占空比使电机有效减速或加速。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：分别增加第一占空比和缩短第二占空比，以便使电机加速或有效减速，而相应地，分别缩短第一占空比和增加第二占空比，以便使电机有效减速或加速。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于：选择第一占空比等于第二占空比，以便停止电机。

5.根据前述权利要求之一的装置，其特征在于：第一驱动信号在该至少一个绕组两端产生的电压差与第二驱动信号在该至少一个绕组两端产生的电压差相等，且方向相反。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：该多相变换器包括至少一个第一和一个第二可控开关元件，用于相应地将第一绕组的第一接线端与直流电源的第一和第二接线端相连接，还包括至少一个第三和一个第四可控开关元件，用于相应地将第二绕组的第一接线端与直流电源的第一和第二接线端相连接，第一绕组的第二接线端与第二绕组的第二接线端电气相连，该脉宽调制装置产生一个用于切换第一开关元件的第一控制信号、一个用于切换第二开关元件的第二控制信号、一个用于切换第三开关元件的第三控制信号和一个用于切换第四开关元件的第四控制信号，并以如下方式对此第一和第二控制信号进行脉宽调制，即此第一和第二开关元件不同时导通，在对第三和第四控制信号进行脉宽调制时，此第三和第四开关元件不同时导通，并且以第一占空比分别对第一和第四控制信号进行脉宽调制，以第二占空比分别对第二和第三控制信号进行脉宽调制，第一和第二占空比相对于彼此进行变化，以便用于加速、有效减速和保持电机的速度。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：分别增加第一占空比和缩短第二占空比，以便使电机加速或有效减速，而相应地，分别缩短第一占空比和增加第二占空比，以便使电机有效减速或加速。

8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于：第一和第四控制信号彼此相等，同样第二和第三控制信号也彼此完全相等。

9.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于：第一控制信号脉冲的开始每次都与第四控制信号脉冲的结束相一致，并且，第三控制信号脉冲的开始每次都与第二控制信号脉冲的结束相一致。

10.根据权利要求6至9之一的装置，其特征在于：选择第一占空比等于第二占空比，以便停止电机。

11.根据权利要求6至10之一的装置，其特征在于：第一和第二占空比之和为100％。

12.一种驱动系统，包括一个多相直流电机和前述权利要求之一所述的装置。

13.一种磁盘驱动器，包括如权利要求12所述的驱动系统。

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