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Title:
CONTROL DEVICE FOR CONTROLLING AN ELECTRIC MOTOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/154801
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a control device (1) for controlling an electric motor (2), said control device comprising: an interface (3) having a first connection pole (3a) and a second connection pole (3b), the interface (3) being designed to connect a measuring resistor (4) and to connect a digital sensor (5), the control device (1) being designed to evaluate a resistance value of the measuring resistor (4) in order to monitor the temperature of the electric motor (2) when the measuring resistor (4) is connected to the interface (3), and the control device (1) being designed to receive digital data from the digital sensor (5) at the interface (3) when the digital sensor (5) is connected to the interface (3).

Inventors:
DÜSTERBERG, Dirk (Jahnstrasse 9, Emmerthal, 31860, DE)
Application Number:
EP2019/052763
Publication Date:
August 15, 2019
Filing Date:
February 05, 2019
Export Citation:
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Assignee:
LENZE AUTOMATION GMBH (Hans-Lenze-Straße 1, Aerzen, 31855, DE)
International Classes:
H02P29/64; G05B19/05
Foreign References:
US20170264295A12017-09-14
EP2098930A12009-09-09
EP2413554A22012-02-01
Other References:
ANONYMOUS: "TI Designs Two-Wire Interface to a HIPERFACE DSL Encoder", 1 September 2015 (2015-09-01), XP055581791, Retrieved from the Internet [retrieved on 20190416]
SICK-STEG: "HIPERFACE-Beschreibung. Description of the HIPERFACE Interface", INTERNET CITATION, 1 January 2008 (2008-01-01), XP007905326, Retrieved from the Internet [retrieved on 20080730]
None
Attorney, Agent or Firm:
PATENTANWÄLTE RUFF, WILHELM, BEIER, DAUSTER & PARTNER MBB (Kronenstraße 30, Stuttgart, 70174, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Steuergerät (1 ) zum Ansteuern eines Elektromotors (2), aufweisend:

eine Schnittstelle (3) mit einem ersten Anschlusspol (3a) und einem zweiten Anschlusspol (3b),

dadurch gekennzeichnet, dass

die Schnittstelle (3) zum Anschluss eines Messwiderstands (4) und zum Anschluss eines digitalen Gebers (5) ausgebildet ist, wobei das Steuergerät (1 ) dazu ausgebildet ist, einen Widerstandswert des Messwiderstands (4) zur Temperaturüberwachung des Elektromotors (2) auszuwerten, wenn der Messwiderstand (4) an der Schnittstelle (3) angeschlossen ist, und wobei das Steuergerät (1 ) dazu ausgebildet ist, digitale Daten von dem digitalen Geber (5) an der Schnittstelle (3) zu empfangen, wenn der digitale Geber (5) an der Schnittstelle (3) angeschlossen ist.

2. Steuergerät (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (1 ) weiter aufweist:

ein Netzteil (6) mit einem Eingangsanschluss (6a) und einem Ausgangsanschluss (6b), der galvanisch vom Eingangsanschluss (6a) getrennt ist, und

ein Element (7) mit steuerbarem Widerstand,

wobei das Element (7) mit steuerbarem Widerstand zwischen den Ausgangsanschluss (6b) des galvanisch trennenden Netzteils (6) und den ersten Anschlusspol (3a) eingeschleift ist.

3. Steuergerät (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass

das Element (7) mit steuerbarem Widerstand ein Feldeffekttransistor ist.

4. Steuergerät (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (1 ) weiter aufweist:

einen Komparator (8) mit einem ersten Eingangsanschluss (8a), der mit einer Referenzspannung (Vx) beaufschlagt ist, einem zweiten Eingangsanschluss (8b), der mit einer Messspannung (Vm) beaufschlagt ist, wobei die Messspannung (Vm) von dem Widerstandswert des Messwiderstands (4) abhängig ist, und einem Ausgangsanschluss (8c), an dem eine Ausgangsspannung (Vo) ansteht, deren Pegel davon abhängig ist, ob die Messspannung (Vm) größer oder kleiner als die Referenzspannung (Vx) ist, und einen Optokoppler (9) mit einem Eingangsanschluss (9a) und einem Ausgangsanschluss (9b), wobei der Eingangsanschluss (9a) des Optokopplers (9) mit dem Ausgangsanschluss (8c) des Komparators (8) verbunden ist.

5. Steuergerät (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (1 ) weiter aufweist:

einen Transformator (14) mit einer ersten Wicklung (14a) und einer zweiten Wicklung (14b), die von der ersten Wicklung (14a) galvanisch getrennt ist,

eine erste Spule (10), die zwischen das Element (7) mit steuerbarem Widerstand und den ersten Anschlusspol (3a) eingeschleift ist,

eine zweite Spule (1 1 ), die zwischen den zweiten Anschlusspol (3b) und ein Bezugspotential eingeschleift ist,

einen ersten Kondensator (12), der zwischen den ersten Anschlusspol (3a) und einen ersten Anschluss der ersten Wicklung (14a) eingeschleift ist, und

einen zweiten Kondensator (13), der zwischen den zweiten Anschlusspol (3b) und einen zweiten Anschluss der ersten Wicklung (14a) eingeschleift ist.

6. Steuergerät (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (1 ) weiter aufweist:

einen Sende-Treiber (15), der dazu ausgebildet ist, die zweite Wicklung (14b) mit einem Spannungsverlauf zu beaufschlagen, der von zu sendenden Daten abhängig ist, und einen Empfangs-Verstärker (16), der dazu ausgebildet ist, aus einem an der zweiten Wicklung (14b) anstehenden Spannungsverlauf von dem digitalen Geber (5) gesendete Daten zu extrahieren, die über die Schnittstelle (3) empfangen werden.

7. Steuergerät (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (1 ) dazu ausgebildet ist, digitale Daten von dem digitalen Geber (5) an der Schnittstelle (3) gemäß dem Hiperface DSL Standard, dem SCS open link Standard und/oder dem BISS Line Standard zu empfangen, wenn der Geber (5) an der Schnittstelle (3) angeschlossen ist.

8. Steuergerät (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (1 ) ein Frequenzumrichter ist.

Description:
Steuergerät zum Ansteuern eines Elektromotors

Die Erfindung betrifft ein Steuergerät zum Ansteuern eines Elektromotors.

Herkömmliche, mittels eines Steuergeräts angesteuerte Elektromotoren können einen Messwiderstand aufweisen, dessen Widerstandswert von dem Steuergerät zur Temperaturüberwachung des Elektromotors ausgewertet wird. Hierzu weisen herkömmliche Steuergeräte typisch eine dedizierte zweipolige analoge Schnittstelle auf, an die der Messwiderstand, typisch ein PTC-Widerstand, angeschlossen wird.

Weiter sind digitale Geber bzw. Sensoren bekannt, die ihren Messwert, beispielsweise eine Drehwinkelstellung des Motors, digital an das Steuergerät übertragen. Zum Anschluss dieser digitalen Geber weisen die herkömmlichen Steuergeräte üblicherweise eine dedizierte digitale Schnittstelle auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuergerät zur Verfügung zu stellen, das einen möglichst flexiblen Anschluss unterschiedlicher Sensoren ermöglicht.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Steuergerät nach Anspruch 1. Das Steuergerät dient zum Ansteuern eines Elektromotors, beispielsweise eines Synchronmotors oder eines Asynchronmotors.

Das Steuergerät weist eine, insbesondere genau, zweipolige Schnittstelle mit einem ersten Anschlusspol und einem zweiten Anschlusspol auf.

Die Schnittstelle ist sowohl zum Anschluss eines Messwiderstands als auch zum Anschluss eines digitalen Gebers ausgebildet. Bevorzugt sind der Messwiderstand und der digitale Geber nicht gleichzeitig mit der Schnittstelle koppelbar, d.h. zu einem Zeitpunkt ist entweder der Messwiderstand oder der digitale Geber mit der Schnittstelle koppelbar bzw. gekoppelt.

Das Steuergerät ist dazu ausgebildet, einen Widerstandswert des Messwiderstands zur Temperaturüberwachung des Elektromotors auszuwerten, wenn bzw. solange der Messwiderstand an der Schnittstelle angeschlossen ist. Beispielsweise kann eine Übertemperatur des Elektromotors ermittelt werden, wenn bzw. sobald der Widerstandswert einen Schwellenwert überschreitet. Das Steuergerät ist weiter dazu ausgebildet, digitale Daten von dem digitalen Geber an der bzw. über die Schnittstelle zu empfangen, wenn bzw. solange der digitale Geber an der Schnittstelle angeschlossen ist.

Gemäß einer Ausführungsform weist das Steuergerät ein Netzteil mit einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss auf, der galvanisch vom Eingangsanschluss getrennt ist. Das Netzteil kann aus einer Eingangsspannung an seinem Eingangsanschluss beispielsweise eine Ausgangsspannung an seinem Ausgangsspannungsanschluss erzeugen, beispielsweise eine Gleichspannung mit einem Pegel in einem Bereich zwischen 5 V und 48 V. Das Steuergerät weist für diesen Fall ein (Bau-) Element mit steuerbarem Widerstand auf, wobei das Element mit steuerbarem Widerstand zwischen den Ausgangsanschluss des galvanisch trennenden Netzteils und den ersten Anschlusspol eingeschleift ist. Das Element kann beispielsweise derart angesteuert werden, dass ein minimaler bzw. im Idealfall verschwindender Widerstandswert bewirkt wird, wenn der digitale Geber an der Schnittstelle angeschlossen ist. Wenn der Messwiderstand an der Schnittstelle angeschlossen ist, kann das Element beispielsweise derart angesteuert werden, dass ein definierter, von Null verschiedener Widerstandswert bewirkt wird. Der sich einstellende Widerstand bildet dann gemeinsam mit dem Messwiderstand einen Spannungsteiler, wobei die sich am Mittenabgriff des Spannungsteilers einstellende Spannung ein Maß für den Widerstandswert des Messwiderstands ist.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Element mit steuerbarem Widerstand ein Feldeffekttransistor.

Gemäß einer Ausführungsform weist das Steuergerät weiter einen Komparator mit einem ersten Eingangsanschluss, einem zweiten Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss auf. Der erste Eingangsanschluss ist mit einer Referenzspannung mit definiertem Pegel beaufschlagt. Der zweite Eingangsanschluss ist mit einer Messspannung beaufschlagt, wobei die Messspannung von dem Widerstandswert des Messwiderstands abhängt. An dem Ausgangsanschluss wird mittels des Komparators eine Ausgangsspannung erzeugt, deren Pegel davon abhängig ist, ob die Messspannung größer oder kleiner als die Referenzspannung ist. Gemäß dieser Ausführungsform weist das Steuergerät weiter einen Optokoppler mit einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss auf, wobei der Eingangsanschluss des Optokopplers mit dem Ausgangsanschluss des Komparators verbunden ist. Der Ausgangsanschluss des Optokopplers weist daher einen Zustand auf, der davon abhängt, ob die Messspannung größer oder kleiner als die Referenzspannung ist, d.h. der davon abhängt, ob eine Temperatur des Messwiderstands einen Schwellenwert überschreitet. Gemäß einer Ausführungsform weist das Steuergerät weiter einen Transformator mit einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung auf, wobei die zweite Wicklung von der ersten Wicklung galvanisch getrennt ist. Weiter ist eine erste Spule vorgesehen, die zwischen das Element mit steuerbarem Widerstand und den ersten Anschlusspol eingeschleift ist. Entsprechend ist eine zweite Spule vorgesehen, die zwischen den zweiten Anschlusspol und ein Bezugspotential eingeschleift ist. Weiter ist ein erster Kondensator vorgesehen, der zwischen den ersten Anschlusspol und einen ersten Anschluss der ersten Wicklung eingeschleift ist. Entsprechend ist ein zweiter Kondensator vorgesehen, der zwischen den zweiten Anschlusspol und einen zweiten Anschluss der ersten Wicklung eingeschleift ist. Die Spulen dienen der AC-Entkopplung und die Kondensatoren dienen der DC-Entkopplung von Signalen, die an den Schnittstellenpolen anstehen.

Gemäß einer Ausführungsform weist das Steuergerät weiter einen Sende-Treiber auf, der dazu ausgebildet ist, die zweite Wicklung mit einem Spannungsverlauf zu beaufschlagen, der von an den digitalen Geber zu sendenden Daten abhängig ist. Entsprechend ist ein Empfangs- Verstärker vorgesehen, der dazu ausgebildet ist, aus einem an der zweiten Wicklung anstehenden Spannungsverlauf bzw. Signalverlauf Daten zu extrahieren, die von dem digitalen Geber an das Steuergerät gesendet werden und an der Schnittstelle empfangen werden.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Steuergerät dazu ausgebildet, digitale Daten von dem digitalen Geber an der Schnittstelle gemäß dem Hiperface DSL Standard, dem SCS open link Standard bzw. dem BISS Line Standard zu empfangen, wenn ein Geber gemäß einem der genannten Standards an der Schnittstelle angeschlossen ist.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Steuergerät ein Frequenzumrichter.

Die Erfindung wird nachfolgend detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Hierbei zeigt: Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Steuergerät zum Ansteuern eines Elektromotors.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Steuergerät 1 in Form eines Frequenzumrichters zum Ansteuern eines Elektromotors 2.

Das Steuergerät 1 weist eine Schnittstelle 3 mit einem ersten Anschlusspol 3a und einem zweiten Anschlusspol 3b auf. Die Schnittstelle weist zwei Bereich A und B auf, die voneinander galvanisch getrennt sind.

Die Schnittstelle dient sowohl zum Anschluss eines Messwiderstands 4, hier exemplarisch in Form eines PTC-Widerstands (PTC: Positive Temperature Coefficient), als auch zum Anschluss eines digitalen (Einkabel-) Gebers (Encoder) 5. An der Schnittstelle 3 ist zu einem Zeitpunkt entweder der Messwiderstand 4 oder der digitale Geber 5 angeschlossen.

Bei dem digitalen Geber 5 kann es sich beispielsweise um einen digitalen Drehgeber mit einer Hiperface DSL Schnittstelle, einer SCS open link Schnittstelle oder einer BISS Line Schnittstelle handeln. Der digitale Geber kann mehrere unterschiedliche Messgrößen digital übertragen, beispielsweise eine Drehwinkelstellung und zusätzlich eine Motortemperatur.

An Abhängigkeit davon, ob der Messwiderstand 4 oder der digitale Geber 5 an der Schnittstelle 3 angeschlossen sind, wertet das Steuergerät 1 einen Widerstandswert des Messwiderstands 4 zur Temperaturüberwachung des Elektromotors aus bzw. empfängt digitale Daten von dem digitalen Geber 5.

Das Steuergerät 1 bzw. dessen Schnittstelle 3 weist weiter ein Netzteil 6 mit einem Eingangsanschluss 6a und einem Ausgangsanschluss 6b auf, der galvanisch vom Eingangsanschluss 6a getrennt ist.

Weiter ist ein Element 7 mit steuerbarem Widerstand in Form eines Feldeffekttransistors (FET) vorgesehen, wobei der FET 7 zusammen mit einer ersten Spule 10 zwischen den Ausgangsanschluss 6b des galvanisch trennenden Netzteils 6 und den ersten Anschlusspol 3a eingeschleift ist. Dem FET ist ein Widerstand 18 parallel geschaltet.

Ein Widerstandswert des FET 7 wird mittels eines lowaktiven Signals /PTC eingestellt, das über einen Optokoppler 17 an einen Gate-Anschluss des FET 7 übertragen wird. Solange der Messwiderstand 4 an der Schnittstelle 3 angeschlossen ist, wird das Signal /PTC derart gewählt, dass die Drain-Source-Strecke des FET 7 einen hochohmigen Widerstandswert aufweist. Der sich ergebende Widerstand wird in diesem Fall von dem Widerstandswert des Widerstands 18 definiert. Solange der digitale Geber 5 an der Schnittstelle 3 angeschlossen ist, wird das Signal /PTC derart gewählt, dass die Drain-Source-Strecke des FET 7 idealisiert kurzgeschlossen ist.

Das Steuergerät 1 weist weiter einen Transformator 14 mit einer ersten Wicklung 14a und einer zweiten Wicklung 14b auf, die von der ersten Wicklung 14a galvanisch getrennt ist. Neben der ersten Spule 10, die zwischen den FET 7 und den ersten Anschlusspol 3a eingeschleift ist, weist das Steuergerät 1 weiter eine zweite Spule 11 auf, die zwischen den zweiten Anschlusspol 3b und ein Bezugspotential, beispielsweise Masse, eingeschleift ist.

Das Steuergerät 1 weist weiter einen ersten Kondensator 12 auf, der zwischen den ersten Anschlusspol 3a und einen ersten Anschluss der ersten Wicklung 14a eingeschleift ist. Das Steuergerät 1 weist weiter einen zweiten Kondensator 13 auf, der zwischen den zweiten Anschlusspol 3b und einen zweiten Anschluss der ersten Wicklung 14a eingeschleift ist.

Das Steuergerät 1 bzw. dessen Schnittstelle 3 weist weiter einen Komparator 8 mit einem ersten Eingangsanschluss 8a, einem zweiten Eingangsanschluss 8b und einem Ausgangsanschluss 8c auf. Der erste Eingangsanschluss 8a ist mit einer Referenzspannung Vx beaufschlagt, der zweite Eingang 8b ist mit einer Messspannung Vm beaufschlagt und an dem Ausgangsanschluss 8c wird eine Ausgangsspannung Vo ausgegeben, deren Pegel davon abhängig ist, ob die Messspannung Vm größer oder kleiner als die Referenzspannung Vx ist.

Die Messspannung Vm ist bei angeschlossenem Messwiderstand 4 von dem Widerstandswert des Messwiderstands 4 abhängig, da der FET 7 bzw. dessen Drain-Source-Strecke hochohmig ist und der dem FET 7 parallel geschaltete Widerstand 18 mit dem Messwiderstand 4 einen Spannungsteiler bildet, so dass der Pegel der Messspannung Vm von der Temperatur des Messwiderstands 4 abhängt.

Das Steuergerät 1 bzw. dessen Schnittstelle 3 weist weiter einen Optokoppler 9 mit einem Eingangsanschluss 9a und einem Ausgangsanschluss 9b auf, wobei der Eingangsanschluss 9a des Optokopplers 9 mit dem Ausgangsanschluss 8c des Komparators 8 verbunden ist. Ein Zustand eines Ausgangssignal PTC_ERR am Ausgangsanschluss 9b des Optokopplers 9 hängt folglich davon ab, ob die Temperatur des Messwiderstands 4 kleiner oder größer als ein Temperaturschwellenwert ist, der der Referenzspannung Vx entspricht.

Das Steuergerät weist weiter einen Sende-Treiber 15 auf, der dazu ausgebildet ist, die zweite Wicklung 14b mit einem Spannungsverlauf zu beaufschlagen, der von zu sendenden Daten Tx abhängig ist. Der Sende-Treiber 15 wird mittels eines Freigabesignals TxEN freigegeben.

Entsprechend ist ein Empfangs-Verstärker 16 vorgesehen, der dazu ausgebildet ist, aus einem an der zweiten Wicklung 14b anstehenden Spannungsverlauf von dem digitalen Geber 5 gesendete Daten RX zu extrahieren, die über die Schnittstelle 3 empfangen werden. Herkömmliche Steuergeräte weisen eine dedizierte analoge Schnittstelle auf, an die ein Messwiderstand, sofern im Elektromotor vorhanden, angeschlossen werden kann. Ein Einkanal-Geber, sofern im Elektromotor vorhanden, wird an eine von der analogen Schnittstelle getrennte, digitale Schnittstelle des herkömmlichen Steuergeräts angeschlossen. Erfindungsgemäß ist stattdessen für beide Anwendungsfälle lediglich eine einzelne Schnittstelle 3 vorgesehen, an die sowohl analoge Messwiderstände 4 als auch digitale (Einkabel-) Geber 5 anschließbar sind.

Der digitale Geber 5, sofern angeschlossen, wird mittels des Netzteils 6 isoliert vom Bereich A der Schnittstelle 3 mit Betriebsenergie versorgt. Die Datenübertragung erfolgt über den isolierten Übertrager bzw. Transformator 14. Die Kondensatoren 12 und 13 und die Spulen bzw. Induktivitäten 10 und 1 1 trennen Versorgung und Daten voneinander. Über die beiden Anschlusspole 3a und 3b, die einen zweipoligen Stecker bilden können, kann der digitale Geber 5 angeschlossen werden.

Eine Auswertung des Messwiderstands 4, sofern angeschlossen, erfolgt ebenfalls galvanisch getrennt mittels isoliertem Netzteil 6, Komparator 8 und Optokoppler 9. Alternativ kann dies per induktiver Speisung und Messung eines Primärstroms des Transformators 14 erfolgen.

Der in diesem Fall nicht leitende FET 7 sorgt für das wirksam werden des hochohmigen Arbeitswiderstands 18, der mit dem Messwiderstand 4 einen Spannungsteiler bildet und die Auswertung des Messwiderstands 4 über den Komparator 8 ermöglicht.

Die Umschaltung der Betriebsmodi„Widerstandsmessung“ bzw.„digitaler Geber“ erfolgt mittels des lowaktiven Signals /PTC. Bei nicht aktivem Signal /PTC wird mittels des Optokopplers 17 der Kreis des Gebers 5 aktiviert, indem der FET 7 durchgeschaltet wird. Zur Umschaltung lässt sich auch das Signal TxEN auswerten, da Daten nur im Betriebsmodus „digitaler Geber“ gesendet werden. Beim Betriebsmodus„Widerstandsmessung“ ist das Signal TxEN konstant, d.h. das Signal /PTC kann aus dem Signal TxEN abgeleitet werden.

Aufgrund der dynamisch umschaltbaren Betriebsmodi ist eine hohe Integrationsdichte erzielbar, da nur ein einzelner Stecker am Steuergerät 1 für beide Betriebsmodi notwendig ist. Weiterhin sind keine Varianten vorzuhalten, da beide Betriebsmodi mittels desselben Steuergeräts realisierbar sind. Beide Betriebsmodi können über eine Motorleitung realisiert werden.

Es versteht sich, dass das Steuergerät 1 bzw. der Frequenzumrichter neben der in Fig. 1 gezeigten Schnittstelle 3 noch weitere Komponenten aufweisen kann, beispielsweise eine H6- Brückenschaltung zur Erzeugung von Ansteuersignalen für den Elektromotor 2, analoge und digitale Schaltkreise, weitere Sensoren usw. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.

Bei dem digitalen Geber 5 kann es sich um einen sogenannten Einkabel-Geber handeln. Insoweit sei ebenfalls auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.

Es versteht sich, dass das Steuergerät 1 weitere Schnittstellen zum Ansteuern des Elektromotors 2 aufweisen kann, beispielsweise Schnittstellen zum Ausgeben von Phasenspannungen, usw. Anders als in Fig. 1 dargestellt, kann/können der Messwiderstand 4 und/oder der digitale Geber 5 nicht Bestandteil des Motors 2 sein, d.h. getrennt vom Motor 2 ausgeführt sein, jedoch mit dem Motor 2 in Wirkverbindung stehen.