JP2687624B2

JP2687624B2 - 電子天びん

Info

Publication number: JP2687624B2
Application number: JP25616289A
Authority: JP
Inventors: 晟河本
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1989-09-29
Filing date: 1989-09-29
Publication date: 1997-12-08
Anticipated expiration: 2012-12-08
Also published as: JPH03115931A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は電磁力平衡式の天びんに関する。

＜従来の技術＞磁界中に設けたフォースコイルに電流を流すことによ
って発生する電磁力を被測定荷重と平衡させ、その平衡
状態を得るに要する電流値から被測定荷重の大きさを求
める、いわゆる電磁力平衡式の天びんにおいては、その
フォースコイルへの電流の流し方やその電流値の測定の
仕方等により、以下に示すような方式に分類することが
できる。

１つの帰還ループで、500〜1000Hzのパルス電流の
デューティを変えて荷重とバランスさせ、そのときのパ
ルス幅を、そのパルス幅内に通過するクロックパルスを
カウントすることによって測定する。（例えば特開昭54
−41772号）あらかじめ規定したＮ段階のデューティを選択でき
るパルス電流を流して荷重と大雑把にバランスさせ、残
りの偏差をサーボ系でバランスさせる。電流値の測定は
選択されているパルスデューティ値とサーボ系のPID出
力のＡ−Ｄ変換値との重み付け加算による。（特公昭63
−653号）全体をDCサーボによってバランスさせ、そのときの
電流値をＡ−Ｄ変換する。

＜発明が解決しようとする課題＞以上の従来の方式のうち、の方式では、分解能と応
答性の点で限界がある。すなわち、フォースコイルに流
すパルス電流の周期は、天びんメカニズムの固有振動数
に起因して、最大2ms程度に限定される。これを越える
と天びんビームが大きく振動してしまうわけである。そ
こでこの2msの周期内で変化するパルスの幅を、クロッ
クパルスのカウントによって測定することになるが、30
MHzのクロックパルスをカウントしたとしても最大60,00
0カウント（16ビット）としかならず、これが汎用ICを
用いた場合の限界の分解能である。この限界を越えて分
解能を上げるため、例えば特開昭54−482770号等が提案
されているが、この技術では構成が複雑化するととも
に、積算を必要とするため原理的に応答性が悪化すると
いう欠点がある。

また、の方式では、分解能は向上できるものの、刻
々と変化する重量の測定やはかり取り測定等において
は、サーボ系の測定範囲を越えた瞬間にＮ段階に規定さ
れているパルスデューティを１ステップ変化させること
になるが、その時、サーボ系のPID制御出力の応答性に
起因して、一時的な力の過補償が生じ、天びんメカニズ
ムに揺れを生じて計量表示値が一時的に大きく変動する
という欠点があった。

更に、の方式では、高精度のＡ−Ｄ変換機能が必要
であり、サーボ系とＡ−Ｄ変換器の双方に高安定度が要
求され、分解能、安定性ともに得にくいという欠点があ
る。

本発明の目的は、従来の各方式に比して分解能および
応答性がともに高く、しかも、はかり取り作業等の荷重
の変動時に際しての不自然さがなく、更には外乱に対す
る安定性も高い電磁力平衡式の天びんを提供することに
ある。

なお、本発明者は既に、上記と同様の目的を達成べ
く、荷重受部の変位検出値のデジタル変換データをデジ
タルPID処理し、そのPID出力を複数のビット群に分割し
て、それぞれに対応して設けられている複数のパルス電
流発生手段に供給してそれぞれのパルスデューティを制
御するように構成した電子天びんを提案している（特願
平１−199748号）。本発明は、この特願平１−199748号
と異なる構成により上記の目的を達成しようとするもの
で、しかも特願平１−199748号に比して、Ａ−Ｄ変換器
の分解能はより大きいものが必要となるものの、より演
算速度の遅いCPUを用いて同等の目的を達成しようとす
るものである。

＜課題を解決するための手段＞上記の目的を達成するため、本発明では、実施例に対
応する第１図に示すように、入力したデータ（PD₁，P
D₂）に基づくデューティのパルス電流を発生してそれぞ
れフォースコイル13,14に供給する複数のパルス電流発
生手段（パルスデューティ変換回路7a,電子スイッチ
S_a，定電流発生回路2a;パルスデューティ変換回路7b,電
子スイッチS_b，定電流発生回路2b）を設けるとともに、
荷重Ｗによる荷重受部12の変位の検出信号を入力して比
例、積分および微分処理を行うPID制御器４と、そのPID
制御器４の出力のデジタル変換データを採り込んで、そ
のデータから複数のパルス電流発生手段が発生すべきパ
ルス電流の各デューティを決定してそれぞれ所定ビット
のデータPD₁，PD₂として各パルス電流発生手段に供給す
るするデータ処理部61と、その複数のパルスデューティ
データPD₁，PD₂を相互に重み付け加算して重量値に変換
する重み付け演算部62を設けている。

＜作用＞荷重Ｗによる荷重受部12の変位検出値のPID処理結果
から、単純に所定ビットのパルスデューティデータを作
るのではなく、これを例えば上位および下位ビットに分
け、その２種類のパルスデューティデータを、それぞれ
個別に設けたパルス電流発生手段に供給することによ
り、荷重受部12の位置は実質的に上位ビットと下位ビッ
トのそれぞれに対応する電磁力の合計で補償される。な
お、各パルス電流発生手段からのパルス電流が発生する
電磁力は、例えば各パルス電流発生手段からのパルス波
高値を適当に選択しておく等によって重み付けをするこ
とができ、これにより上位と下位とのビットへの対応が
できる。

各パルス電流発生手段の分解能（ビット数）に前記し
たような限界があっても、全体としての分解能はこれら
を合計したものとなり、パルス電流発生手段の数とパル
スデューティデータの分割数とを増やしていくことによ
り、分解能の向上に限界はなくなる。

また、フォースコイルに加えられる電流（フィードバ
ック電流）のループは複数となるものの、これらのデュ
ーティは荷重受部12の変位検出値のPID処理結果を上記
のように例えば上位と下位のビットに分割して決定され
るので、全体としての発生電磁力は実質的に１種のパル
ス電流のデューティを変化させる場合と同様、荷重の変
化時において従来のの方式のように一時的な過補償は
生じない。

＜実施例＞第１図は本発明実施例の構成を示すブロック図であ
る。

天びん機構部１は公知の電磁力平衡式の荷重検出メカ
ニズムで、第１と第２のフォースコイル13と14が磁界中
に置かれ、これらで発生する電磁力を皿11に係合する荷
重受部12に作用させ、皿11上の荷重Ｗと釣り合わせるた
めの機構である。この釣り合いは、天びん機構部１内の
荷重受部12の変位を検出する変位センサ15（レバーを有
する天びん機構の場合は、フォースコイル近傍の変位を
検出する変位センサ）の出力をPID制御器４によってPID
処理を行った後、これをデジタル化してマイクロコンピ
ュータ６に採り込み、そのPID出力データＱから第１と
第２のフォースコイル13と14に流す電流のパルスデュー
ティを変化させることによって得られる。

変位センサ15による荷重受部12の変位検出信号は、プ
リアンプ３で増幅された後、PID制御器４に入力され、
比例、積分および微分処理、いわゆるPID処理が施され
る。

このPID制御器４の出力はＡ−Ｄ変換器５によってデ
ジタル化された後、マイクロコンピュータ６に採り込ま
れる。このデータ採り込み周期は、サーボ系を安定に制
御するため例えば1ms等の天びん機構部１の固有振動数
に比べて充分に速くしておく。

なお、この図においては、説明の便宜上、マイクロコ
ンピュータ６をその機能毎に分けてブロック図で図示し
ている。

さて、デジタル化されたPIDデータＱはまずデータ処
理部61に採り込まれる。データ処理部61は、このPIDデ
ータＱを用いて上位パルスデューティデータPD₁と下位
パルスデューティデータPD₂を作成する。このPD₁および
PD₂はそれぞれデジタルデータであって、例えばPD₁は12
ビット、PD₂は13ビットである。

上位パルスデューティデータPD₁および下位パルスデ
ューティデータPD₂は、それぞれ第１および第２のパル
スデューティ変換回路7aおよび7bに供給されると同時
に、重み付け演算部62に送られる。

第１と第２のパルスデューティ変換回路7aと7bは、そ
れぞれ、入力されたデジタル値PD₁もしくはPD₂に応じ
て、一定周期内でH,Lの比率が変化するデューティ信号
を出力する。この第１と第２のパルスデューティ変換回
路7aと7bからのデューティ信号はそれぞれ電子スイッチ
S_aとS_bをON・OFFする。

電子スイッチS_aは、第１のフォースコイル13に接続さ
れた第１の定電流発生回路2aからの直流電流i₁をチョッ
ピングし、電子スイッチS_bは第２のフォースコイル14に
接続された第２の定電流発生回路2bからの直流電流i₂を
チョッピングする。これにより、第１のフォースコイル
13には、パルスデューティデータPD₁に応じたデューテ
ィで波高がi₁のパルス電流が流れ、第２のフォースコイ
ル14にはパルスデューティデータPD₂に応じたデューテ
ィで波高がi₂のパルス電流が流れることになる。この２
つのパルス電流は、それぞれの波高値と第１、第２のフ
ォースコイル13、14の巻き数に基づき、それぞれのデュ
ーティに応じた電磁力を発生し、その合計力が荷重受部
12に作用する。なお、第１と第２の定電流発生回路2aと
2bは天びん機構部１内に設けられた温度センサ16の出力
によって温度補償されている。

ここで、上位と下位のパルスデューティデータPD₁とP
D₂と、これらに基づく第１と第２のフォースコイル13と
14の発生電磁力との関係は、基本的には、下位のパルス
デューティデータPD₂13ビットが全て“0"から“1"にな
ったときに第２のフォースコイル14で発生する力が、上
位パルスデューティデータPD₁12ビットの最下位ビット
が“0"から“1"になったときに第１のフォースコイル13
が発生する力と等しくなるようにしておく。ただし、相
互に余裕を持たせてオーバーラップさせることを拒まな
い。この関係の正確な比率は、例えば天びん起動時にPD
₁を強制的に１ビット変え、その時に元のバランス状態
に戻すにはPD₂をどれだけ変えれば良いかを自己診断す
るようにすることによって把握することができる。

重み付け演算部62では、以上のような第１と第２のフ
ォースコイル13と14の発生電磁力の関係に基づく所定の
重み付けをして、データPD₁とPD₂を加算した後、質量値
に換算したデータＷを表示器７に出力する。

第２図はマイクロコンピュータ６におけるデータ処理
の仕方を示すフローチャートで、データ処理部61および
重み付け演算部62における各処理は、実際にはこのフロ
ーチャートに従ったCPUを主体とする動作によって実行
されるわけで、以下に具体的に説明する。

Ａ−Ｄ変換器５からのPIDデータＱを採り込むごと
に、そのデータＱを、基本的には上位と下位のビットに
分割してそれぞれを上位と下位のパルスデューティデー
タPD₁とPD₂とするわけであるが、PIDデータＱをそのま
ま分割せずに、その前に、Ｑを移動平均化処理すること
が好ましい。この移動平均化処理は必ずしも必要ではな
いが、安定化に極めて有効である。ただし、Ｑの変化が
大きい時にはこの移動平均化処理をパスさせると応答性
を損なうことがなく、より好適である。

また、重み付け演算部62では、基本的には上位と下位
のパルスデューティデータPD₁とPD₂を重み付け加算して
質量値に換算するが、パルスデューティデータPD₁とPD₂
をそのまま用いず、これらを平均処理等の外乱除去処理
を施した後に重み付け加算するか、あるいは同じタイミ
ングのPD₁，PD₂同志を加算後、外乱除去処理を施すこと
が好ましい。

重み付け演算の方法は、質量をＷ、スパン係数をS₁、
PD₁とPD₂による発生電磁力の比をS₂とすると、更に機械
的なアンバランス等によるゼロ点の補正量および風袋量
をＺおよびＴとすると、例えば次の通りである。

Ｗ＝S₁×（PD₁＋S₂・PD₂）−Ｚ−Ｔなお、実際には、温度センサ16の出力をデータ処理部
62に採り込み、温度によるゼロ点やパルスの変化の補正
演算も行われるが、本発明とは関連がないのでここでは
省略する。

また、パルス電流発生手段は２つに限定されることな
く、３〜４と増やしていくことができ、この点が本発明
の最も特徴とする点であり、Ａ−Ｄ変換器５の有効桁数
（分解能）を天びんのひょう量／感量と同等なだけ設け
ることにより、例えばパルスデューティデータを上位、
中位、下位のビットに分割し、それに対応してパルスデ
ューティ変換部を３つ設けることによって、例えば14×
３＝42ビット等、原理的には分解能をいくらでも大きく
していくことができる。ここで、Ａ−Ｄ変換器５は天び
んのひょう量／感量と同じ有効桁数、つまり天びんの表
示桁数の分解能が必要ではあるものの、基本的に零位法
に基づく測定であって天びん機構部１の平衡時には変位
検出値が０となるので、ゼロドリフトやスパンドリフ
ト、あるいはリニアリティ誤差等は問題にはならない。
具体的には、Ａ−Ｄ変換器５の出力とパルスデューティ
値は一定の関係であり、バランスに見合うＡ−Ｄ入力が
PID制御部から出力され、しかもPID制御入力が零のとこ
ろでつり合うことになる。

また、本発明では、マイクロコンピュータ６はデジタ
ル化されたPIDデータＱを採り込んでこれを上位ビット
と下位ビット等に分割するだけであって、特願平１−19
9748号のようにデジタルPID演算等を行う必要がなく、
従ってあまり速い演算速度は必要としない。そして、本
発明では、最大変位に対して最大測定量に対応するＡ−
Ｄ出力が得られる関係上、応答性は特願平１−199748号
に比して良好となる。

なお、フォースコイルの数はパルス電流発生手段の数
だけ設ける必要はなく、１つのフォースコイルに各パル
ス電流発生手段からのパルス電流を重畳して流し得るこ
とは勿論である。また、パルス電流はON・OFF電流でな
く、正負交番する電流であってもよいことはいうまでも
ない。

また更に、本発明の方式によれば、キーボード等によ
ってはかり取り重量を設定するようにして、あらかじめ
パルスデューティデータにセットしてフォースコイルで
その重量に対応する力を発生させるておくように構成す
ることにより、次のような利点がある。

すなわち、単に設定値と測定値の差を表示する方式の
場合は、天びんの応答性は何ら改善されないのに対し
て、重量に対応した力を発生させておけば、その重量近
くのものが載った場合にただちに偏差を表示することが
でき、応答性をアップできる。すなわち、設定重量に相
当するパルスデューティの電流を流してその重量に相当
する電磁力を発生させておくことにより、設定重量近く
のものが載ればただちにバランスし、はかり取り作業に
おける応答性が大幅に向上する。この場合、Ａ−Ｄ変換
器の出力に注目し、出力の変化がなくなれば、言い換え
ればPID出力が安定すればバランス状態と判定すればよ
い。

＜発明の効果＞以上説明したように、本発明によれば、荷重受部の変
位検出値のPID処理後のデジタル変換データを、複数の
ビットに分割して、それぞれに対応して設けられている
複数のパルス電流発生手段に供給してそれぞれのデュー
ティを制御するよう構成したので、各パルス電流のデュ
ーティの分解能（ビット数）に限界があっても、全体と
しての分解能はこれらのビット数を合計したものとな
り、パルス電流発生手段の数とパルスデューティデータ
の分割数とを増やしていくことにより、分解能の向上に
限界はなくなる。

しかも、このように分解能を向上させても、特開昭47
−41772号や特開昭54−48277号のように積算することな
く、1ms〜2msごとに全桁の有効データが揃い、応答性が
高いと同時に、一定時間内の有効データが多いことか
ら、平均化処理によって外乱に対して安定した天びんが
得られる。また、PIDデータを直接パルスデューティの
セット値として用いず、これを平均化した後にパルスデ
ューティデータに変換するように構成することによっ
て、あるいは一時的な外乱ならばパルスデューティ値は
一定値に固定しておく等の方法を採用することにより、
外乱に対する安定度を従来の電子天びんに比べて大幅に
向上させることも可能である。

更にまた、本発明によれば、天びんメカニズムの荷重
受部の変位を平衡させるためのフィードバック電流のル
ープは複数となるものの、これらのパルスデューティは
PIDデータを例えば上位と下位のビットに分割したもの
であって、あたかも１つのフィードバックループである
ようにコントロールされることになり、一つのパルスデ
ューティの変化時には他のもののパルスデューティが同
時にそれに関連して適宜に変化することになり、従来の
複数のフィードバックループを持つ天びんのように一時
的なメカニズムの揺れを生じることもない。

そして、本発明によれば、アナログ演算によってPID
処理を行い、デジタル演算ではそのPIDデータを基本的
には分割するだけでいいから、特願平１−199748号に比
してＡ−Ｄ変換器に関してはその有効桁の多いものが必
要となるものの、より演算速度の遅いCPUを使用できる
という点で効果がある。

また、本発明では、有効桁の多いＡ−Ｄ変換器を使用
する関係上、測定範囲全域のデジタル入力があるので、
特願平１−199748号に比して応答性の点でも有利であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の構成を示すブロック図、第２図
はそのマイクロコンピュータ６の動作を表すフローチャ
ートである。１……天びん機構部 12……荷重受部 13……第１のフォースコイル 14……第２のフォースコイル 15……変位センサ４……PID制御器５……Ａ−Ｄ変換器６……マイクロコンピュータ 61……データ処理部 62……重み付け演算部 7a……第１のパルスデューティ変換回路 7b……第２のパルスデューティ変換回路 S_a，S_b……電子スイッチ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】磁界中に設けたフォースコイルに発生する
力を荷重と平衡させ、その状態でフォースコイルに流れ
る電流値から荷重の大きさを求める天びんにおいて、入
力データに基づくデューティのパルス電流を発生して上
記フォースコイルに供給する複数のパルス電流発生手段
と、荷重による荷重受部の変位の検出信号を入力して比
例、積分および微分処理を行うPID制御器と、そのPID制
御器の出力のデジタル変換データを採り込んで、そのデ
ータから上記複数のパルス電流発生手段が発生すべきパ
ルス電流の各デューティを決定してそれぞれ所定ビット
のデータとして上記各パルス電流発生手段に供給するす
るデータ処理部と、その複数のパルスデューティデータ
を相互に重み付け加算して重量値に変換する重み付け演
算部を備えたことを特徴とする電子天びん。