JP2687625B2 - 電子天びん - Google Patents

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54−48277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、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PI
D（比例，積分，微分）処理のうち少なくともＰとＤを
行うアナログPD演算回路４を設け、そのアナログ演算回
路４の出力のデジタル変換データを採り込み、デジタル
演算によりＩ処理を行うデジタルＩ演算部61と、その各
演算結果を用いて、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62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63を設けている。

＜作用＞ 荷重Ｗによる荷重受部12の変位検出結果のＰおよびＤ
演算およびデジタルＩ演算結果から、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の変位検出結果をアナログP,D演算
とデジタルＩ演算したデータ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）の出力をアナログPD演算回路４に入
力して比例および微分演算処理を行った後、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、そこで
デジタル積分演算を施して全体としてPID出力を得た
後、データ処理し、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、PD演算回路４によって比例
および微分演算が施され、その出力がＡ−Ｄ変換器５で
デジタル化され、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ＰおよびＤ処理後のデータx_n
は、Ｉ演算部61およびデータ処理部62に採り込まれ、Ｉ
演算部61でデジタル積分処理を受ける。

データ処理部62では、変位検出信号の比例および微分
演算結果のデジタル変換データx_nとＩ演算部61の出力I_x
とを後述するように加算することによって変位検出値の
PID出力Ｑを得た後、これ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63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63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。

Ａ−Ｄ変換器５は、例えば第２図に例示するように、
のこぎり波発生器51コンパレータ52によって構成された
パルス幅変調器50とANDゲート53、およびカウンタ54に
よって構成することがでる。すなわち、PD演算回路４を
経た比例および微分処理後の変位検出信号を、コンパレ
ータ52で一定周期ののこぎり波と比較し、のこぎり波の
スタートから、変位検出信号をのこぎり波が越えるまで
の時間だけＨとなるコンパレータ出力を得る。そして、
ANDゲート53はそのコンパレータ出力をゲータ信号とし
て、クロックパルスを通過させ、カウンタ54に導く。カ
ウンタ54はのこぎり波の１周期ごとに係数値をリセット
しつつ、入力パルスを計数する。これにより、のこぎり
波の１周期ごとに変位検出信号のデジタル変換データが
得られる。なお、実際にはカウンタ54はマイクロコンピ
ュータ６の機能を使用することができ、クロックパルス
もマイクロコンピュータ６用のものを共用することがで
きる。

ここで、第２図に示すような片極性のＡ−Ｄ変換器５
を用いる場合には、PD演算回路４での処理後の出力に、
このＡ−Ｄ変換器５の容量の1/2程度の一定の基準電圧x
_oをプラスしておく必要がある。そしてこの場合、Ａ−
Ｄ変換器５の出力x_nは、マイクロコンピュータ６におい
てそのままの値を用いず、上記の基準電圧x_o分を減じた
後のものを使用する必要があり、以下の説明においてこ
の点の説明を省略するが、データx_nはこの点を考慮した
ものである。

第３図はマイクロコンピュータ６におけるデータの処
理の仕方を示すフローチャートで、以上説明したＩ演算
部61、データ処理部62、および重み付け演算部63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からのデータx_nを採り込むごとに、そ
のデータに一定の係数K₂を乗じて、その値に前回の積分
出力I_(x)を加算した値により積分出力I_xを得る。

そして、この積分出力I_xに、比例および微分出力の合
計であるデータx_nを加算し、PID出力Ｑを得るわけであ
るが、このとき、アナログ回路による比例および微分出
力とデジタル演算による積分出力との相互に関連付ける
ために、例えば比例および微分出力の方に係数K₁を乗じ
る。

すなわち、PID出力Ｑは、 Ｑ＝K₁x_n＋（I_(x)＋K₂x_n） によって算出する。

この係数K₁の大きさを適宜に選択することによって、
前記の係数K₂およびPD演算回路４の回路定数の選択と併
せてサーボ系に最適なPID処理が行われるよう調整する
ことができる。

次に、以上のようにして求められたPID出力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出力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63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。

ところで、第２図に示したＡ−Ｄ変換器５において、
のこぎり波の周期を1msとし、クロックパルスを30MHzと
すると、カウンタ54の最大カウント値は30,000カウント
となる。これは、天びんの秤量を200g、最小表示桁を0.
01mgとしたとき、その最大表示カウント数20,000,000カ
ウントに比べて大幅に小さいが、次のようにうまく測定
が行われる。

すなわち、天びんの秤量に相当する20,000,000カウン
ト分の荷重が加わったとき、Ｉ演算部61への入力はＡ−
Ｄ変換器５の最大値30,000カウント以上とはならいが、
この入力を、データ採り込みごとに演算する積分動作に
より、具体的には、前記した基準電圧値x₀を15,000カウ
ント相当分とすると、1334回の積算により、（30,000−
15,000）×1334＝20,010,000となり、この時点からフィ
ードバックする力の方が入力を上回ることになる。従っ
て、この時点から変位は逆方向に動いていくこととな
り、これによって変位検出値が減少してＡ−Ｄ出力が小
さくなる。そして最終的にはPID出力が20,000,000カウ
ントで、かつ、Ａ−Ｄ変換器５の出力が15,000カウント
となったところに落ち着く。このとき、比例出力P_x＝0,
積分出力I_x＝20,000,000、微分出力D_x＝０となる。

この場合、Ａ−Ｄ変換器５の出力が15,000になるため
の変位センサ15の出力を得る荷重受部12の変位が中立位
置となっており、荷重の大きさに拘らず安定状態ではＡ
−Ｄ出力は15,000となる。このことから明らかなよう
に、Ａ−Ｄ変換器５のリニアリティエラーは誤差にはな
らない。

なお、正負両極の出力を有するＡ−Ｄ変換器を使用し
た場合は、PD演算回路４の出力に上記の基準電圧x₀を加
算する必要はなく、変位センサ出力０が変位の中立位置
になることは勿論である。

ところで、前記した例においては、０〜20,000,000カ
ウントまでの測定で1334回以上のとＡ−Ｄ変換が必要で
あり、Ａ−Ｄ変換周期を1msとすれば1.334秒以上の時間
が必要となる。これをスピードアップするには、非線型
制御を行えば良い。すなわち、第３図のフローチャート
において、データx_nを採り込んだ後、例えばx_nが10,000
カウント以上であるか否かを判別し、以上である場合に
限ってその超過部分のゲインを５倍にする等により、す
なわち、 x_n＝x_n＋（x_n−10,000）×５ としてＩ演算を行うことによって、変位が大きくなるに
従いPID出力の割合を増加させればそれだけ速やかに最
終値に近づく。この場合、平衡に近づけばＡ−Ｄ出力が
小さくなるので、元のゲインに戻ることになり、ハンチ
ングを生じることなく応答性を改善できる。この場合の
Ａ−Ｄ出力x_nとPID出力の関係を第４図に示す。この例
では、前記した時間の約1/2となる。もちろん、折れ線
でなく２乗等の適当な関数を用いることもできる。

なお、以上の実施例において、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、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。

更に、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。具体的には、Ｉ演算部61
におけるI_xの値を設定値に固定しておくことにより、一
時的にPD（比例＋微分）動作となって、設定重量近くの
ものが載れば積分動作による追従時間を必要とせず、た
だちにPID出力が安定する。この場合、設定値±ある範
囲（Ａ−Ｄ変換器が測定できる範囲）しか測定できない
ことになるので、表示部は設定値とそれに対応する測定
重量を±で表示することが望ましい。その表示部の例を
第５図（ａ）および（ｂ）に示す。第５図（ａ）では、
設定値の表示および偏差の表示をそれぞれデジタル表示
器81および82によって行うように構成した例で、同じく
（ｂ）は設定値の表示をデジタル表示器83で、偏差の表
示については、例えば複数の表示素子を連続的に配列し
てなるアナログ表示器84で行うように構成した例を示し
ている。

このような表示方法は、一定量のはかり取りや基準重
量に対する試料重量の±偏差量の測定に効果的である。

なお、本発明は、アナログ段階でPIDまで行って、デ
ジタル化後に再び積分処理を行ってもよい。これは、一
見無駄のように見えるが、このデジタル化後に積分処理
を行う点が本発明の特徴の一つでもあり、これが前記し
たように小容量のＡ−Ｄ変換器を使用できるという点に
おいて重要な役割を果たすものである。

＜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
位検出値を少なくとも比例および微分処理した後、これ
をデジタル演算にて積分処理を行い、これらから変位検
出値のPID出力を得て、そのPID出力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出力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、
更に外乱に対して安定化することができる。

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出力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、デジタル演算によって積分
処理のみを行えばいいから、特願平１−199748号に比し
て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。

【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Ａ−Ｄ変換器５の構成例を示すブロック図、第３
図は本発明実施例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、第４図は本発明の他の実施例におけ
るＩ演算処理の説明図、第５図は本発明の更に他の実施
例の表示部の構成例を示す正面図である。 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……PD演算回路 ５……Ａ−Ｄ変換器 ６……マイクロコンピュータ 61……Ｉ演算部 62……データ処理部 63……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 (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【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のうち少なくとも比例と微分処
   理をおこなうアナログ演算回路と、そのアナログ演算回
   路の出力のデジタル変換データを採り込み、デジタル演
   算により積分処理を行うデジタル演算部と、その各演算
   結果を用いて、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。