KR20050076617A

KR20050076617A - 전자천칭

Info

Publication number: KR20050076617A
Application number: KR1020050003331A
Authority: KR
Inventors: 시마우치쿠니오; 다무라키미토시; 하마모토히로시
Original assignee: 가부시키가이샤 시마즈세이사쿠쇼
Priority date: 2004-01-19
Filing date: 2005-01-13
Publication date: 2005-07-26
Also published as: US20050159918A1; CN1645067A; CN100365396C; JP2005201850A; US7227089B2; KR100681870B1

Abstract

전자천칭에서, 아날로그 연산처리 부분은 빔의 변위량에 따른 적어도 미분 제어신호를 결정한다. 디지털 연산처리 부분은 적어도 적분 제어신호가 빔의 변위량이 디지털 변환된 후에 결정됨을 결정한다. 제어신호 성분은 디지털 연산처리 부분이 아날로그 변환됨에 의해 결정된다. 그 후에, 합성 PID 제어신호가 합성신호와 제어신호 성분으로부터 합성됨에 의해 결정되고, 아날로그 연산처리 부분에 의해 결정된다. 따라서, 합성 PID 제어신호에 의거한 코일전류는 코일을 통해 흐른다. 중량치는 디지털 연산처리 부분에 의해 결정된 제어신호 성분에 따라 얻어진다.

Description

전자천칭{ELECTRONIC BALANCE}

본 발명은 전자기력 평형형태의 전자천칭에 관한 것으로, 특히 전자천칭의 빔(beam)의 제어와 중량치의 측정에 관한 것이다.

전자기력 평형형태의 전자천칭에서, 코일은 측정되는 중량에 따라 변위되는 빔의 이동부분에 부착된다. 이 코일은 영구자석에 의해 생성되는 자기장에 위치된다. 코일을 통해 전류를 통과시켜 생성되는 전자기력과 측정되는 중량은 평형이 이루어진다. 따라서, 측정되는 중량의 크기는, 측정되는 중량과 전자기력이 평형을 이룰 때 얻어지는 코일전류나, 그러한 코일 전류를 결정하기 위해 사용되는 제어신호에 따라 결정된다.

코일 전류는 빔의 이동부분의 변위를 검출하기 위한 변위 검출기에 의해 검출되는 빔의 변위량에 따라 결정되고 피드백-제어되어, 빔의 이동부분이 평형점(또는 영점)을 유지하는 방식으로 변위된다.

보통, PID(비례, 적분, 및 미분) 제어는 코일전류에 인가되는 피드백 제어로서 수행된다. 전자천칭의 PID제어에 따라, 제어되는 변수의 값은 다음의 방정식에 의해 결정되고 코일전류의 양으로 출력된다.

[방정식 1]

여기에서, "Y"는 코일전류의 양을 나타내고, "X"는 빔의 변위량을 나타내고, "P"는 비례상수를 나타내고, "I"는 적분상수를 나타내고, "D"는 미분상수를 나타낸다.

즉, 합성 PID 제어신호는 빔의 변위량 X, 그 변위량 X의 적분성분 및 그 변위량 X의 미분성분에 비례하는 성분으로부터(또는 이를 추가하여) 합성되고, 코일전류량 Y로 출력된다.

종래의 전자천칭의 PID 제어는, 아날로그량으로써 변위 검출기에 의해 그리고 그 후 제어신호들에 따른 코일전류를 생성함으로써 검출되는, 빔의 변위량에 따라 아날로그 연산처리를 실행함으로써, 아날로그량들을 나타내는 신호로써 P 제어신호, I 제어신호 및 D 제어신호를 결정하는 아날로그 방법을 사용한다. 그러나, 디지털 제어 기술이 발전됨에 따라, 빔의 변위량을 A/D 변환(또는 디지털로 변환)함에 의해, 디지털량을 나타내는 신호로써 P 제어신호, I 제어신호 및 D 제어신호를 결정하는 디지털 PID 제어방법을 사용하는 전자천칭이 확산되었으며, 상기 빔의 변위량은 아날로그량으로써 변위 검출기에 의해 그리고 그 후 P 제어신호, I 제어신호 및 D 제어신호로 디지털 계산을 수행하고, 디지털량을 나타내는 P 제어신호, I 제어신호 및 D 제어신호를 D/A 변환(또는 아날로그로 변환)을 하여, 그에 의해 코일전류를 생성하여 검출된다(예로, JP-A-10-19642에서 나타냄).

상기 디지털 방법은 사용자 환경에 따라 비례상수(P), 적분상수(I) 및 미분상수(D)의 설정값이 변경되는 경우에(예를 들어, 상수들이 극소진동의 영향을 억제하도록, 극소진동이 주기적으로 일어나는 사용자 환경에서 변경되는 경우) 사용자가 쉽게 방정식 (1)에서 비례상수(P), 적분상수(I) 및 미분상수(D)의 설정값을 변경할 수 있다는 장점이 있다. 즉, 아날로그 방법에서의 상수의 설정값의 변경은 아날로그 연산처리 회로에 포함되는 반-고정된(semi-fixed) 저항 등의 조정을 요구하고 사용자 스스로 반-고정된 저항 등을 조정하는 어려운 동작을 수행하여야만 했다. 대조적으로, 디지털 방법이, 디지털 연산처리 회로에 설정값을 입력하기 위한 키 스위치(key switch)와 같은, 입력 장치를 필요로 할지라도, 사용자는 입력장치를 이용하여 대략적인 상수값을 입력하기만 하면 된다. 따라서, 사용자는 상수들의 설정값을 쉽게 변경할 수 있다.

그러나, 아날로그 PID 제어방법과 디지털 PID 제어방법은 위에서 설명한 것 외에 장점들과 단점들을 가지고 있다.

아날로그 PID 제어방법은 A/D 변환, 연산처리 및 D/A 변환을 위한 처리 시간이 필요하지 않고 빔의 변위에 따른 시간 지연없이 제어동작을 수행할 수 있다는 장점이 있다.

그 동안, 아날로그 방법은 중량치가 디지털값으로 나타내어진 경우에(아날로그 피드백제어를 사용하는 경우에, 디지털값으로 중량치를 나타내는 것이 일반적이다) 아날로그량을 디지털화할 필요가 있다. 그 때에, A/D 변환에 기인한 에러(양자화 에러)가 피드백 코일전류에 대응하는 중량치(아날로그량)와 측정결과에 따라 지시기에서 나타내어지는 중량치(디지털값) 사이에서 발생된다. 즉, 피드백제어를 위해 필요한 코일전류는 A/D 변환이 수행되지 않는 아날로그량에 따라 결정되는 반면에, 지시기에서 나타내는 중량치는 A/D 변환 후에 얻어지는 디지털값에 따라 결정된다. 따라서, 양자화 에러가 그 사이에서 발생된다.

그 때에, 디지털 PID 제어방법은 A/D 변환 후에 얻어지는 동일한 디지털 양에 따라 코일전류치와 중량치를 결정한다(지시된 중량치를 결정하기 위해 사용되는 것과 동일한 디지털값을 D/A 변환함으로써 얻어지는 양은 코일전류(아날로그량)를 결정하기 위해 사용되는 아날로그량으로 사용되기 때문에, 양자화 에러는 코일전류에 대응하는 중량치와 지시된 중량치 사이에서 발생되지 않는다). 따라서, 상기 디지털 방법은 디지털화에 기인한 에러가 발생하지 않는 장점을 가진다. 그러나, 상기 디지털 방법에 따라, 아날로그 방법에 따라 수행되는 것과 비교하여, 빔의 변위에 대응하여 수행되는 제어동작이 지연된다. 따라서, 제어 안정성이 떨어진다.

따라서, 아날로그 제어방법과 디지털 제어방법은 피드백 제어 안정성과 측정 정확성에 관련된 모순된 특성을 가진다. 더욱이, 디지털 제어방법은 PID 상수들의 설정값들이 전자천칭에 입력 기구를 부가함에 의해 쉽게 변화될 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 최근 전자천칭은 사용목적에 따라 아날로그 제어방법과 디지털 제어방법 중 하나를 사용한다.

작은 측정 에러(양자화 에러를 포함하는)를 가진 정확한 측정을 이루기 위한 능력뿐만 아니라 우수한 측정 응답성을 가진 안정한 측정을 가능하게 하는 능력이 전자천칭에 동시에 요구된다.

앞에서 언급한 2개의 방법을 비교하여, 아날로그 제어방법은 변위와 관련된 응답성에 있어 우수하고 안정성에 있어 뛰어나다. 그러나, 아날로그 방법은 측정 해상도와 측정 정확도에서 뒤떨어진다. 반대로, 디지털 제어 방법은 측정 해상도와 측정 정확도에서 우수하고 안정성에서 뒤떨어진다. 따라서, 종래의 아날로그 제어방법과 종래의 디지털 제어방법에 따라, 높은 안정성을 가지면서 높은 해상도와 정확도를 가지는 측정을 수행하는 것이 가능한 전자천칭을 제공하는 것은 어려웠다.

따라서, 본 발명의 목적은 보다 정교한 PID 제어방법을 고안함으로써 높은 안정성을 가지면서 높은 해상도와 정확성을 가지는 전자천칭을 실현하는 것이다.

또, 수단의 변위량은 부하의 중량치에 따라 변화한다. 따라서, 본 발명의 또 다른 목적은 빔의 변위량에 관계없이, 빔이 빨리 상황에 의존하는 빔의 이동을 감쇠시킴으로서 평형점(영점)에 도달하도록 야기하는 것이 가능해지고, 또한 빔의 위치가 안정해질 때까지 심지어 천이상태에서, 가능한한 정확하게 중량치의 빠른-지시를 성취하도록 하는 전자천칭을 제공하는 것이다.

상기 문제들을 해결하기 위하여, 본 발명에 따라, 전자기력과 중량을 평형시킴에 의해 사용되는 전자천칭로서:

중량에 따라 변위되는 빔;

빔에 부착되고 자기장에 위치되는 코일;

빔의 변위량을 검출하기 위한 변위 검출기;

빔의 변위량에 따라 적어도 미분(D) 제어신호를 결정하는 아날로그 연산처리 부분;

빔의 변위량이 디지털 변환한 후 적어도 적분(I) 제어신호를 결정하는 디지털 연산처리 부분; 및

합성 PID 제어신호를 결정하기 위하여 아날로그 연산처리 부분에 의해 결정되는 제어신호 성분과 디지털 연산처리 부분에 의해 결정되는 제어신호 성분을 아날로그 변환함으로써 얻어지는 결과신호로부터 합성되는 합성부분을 포함하고,

전자기력을 생성하기 위해 합성 PID 제어신호에 의거한 코일전류는 코일을 통하여 흐르고, 중량치는 디지털 연산처리 부분에 의해 결정된 제어신호 성분에 따라 얻어지는 전자천칭을 제공한다.

본 발명의 전자천칭에 따라, 비례(P) 제어신호, 미분(D) 제어신호 및 적분(I) 제어신호는 변위 검출기에 의해 검출되는 빔의 변위량에 따라 결정된다. 코일전류는 비례(P) 제어신호, 미분(D) 제어신호 및 적분(I) 제어신호로부터 합성되는 합성 PID 제어신호에 따라 코일을 통해 흐른다. 그 때에, 적어도 미분(D) 제어신호는 아날로그 연산처리 부분에 의해 결정된다. 그 후, 아날로그 피드백 제어동작은 미분(D) 제어신호 성분에 대응하는 코일전류 상에서 수행된다. 미분(D) 제어신호 성분은 빔의 빠른 이동에 응답하여 출력되는 제어신호이고 빔이 이동되는 천이상태에서 그것에 빠른 응답을 가능하도록 사용된다. 그러나, 빔이 평형 조건에 도달하고 안정된 상태에서(즉, 중량의 정확한 측정이 이루어질 수 있는 단계에서), 미분(D) 제어신호 성분의 크기는 0이다. 따라서, 미분(D) 제어신호 성분은 코일 전류에 기여하지 않는다. 따라서, 중량치가 얻어지면, 미분(D) 제어신호 성분은 중량치에 영향을 주지 않는다.

따라서, 미분(D) 제어신호는 중량치의 계산에 통합되지 않으므로, 그 디지털화가 수행되지 않는다.

그러므로, 천이 기간에서 빠른 응답은 미분(D) 제어신호 성분에 아날로그 피드백제어를 수행함으로써 확실해질 수 있다. 부가적으로, 중량치를 측정하기 위한 디지털화는 미분(D) 제어신호에 수행되지 않는다. 따라서, 디지털화에 기인한 양자화 에러는 측정 정확도에 영향을 주지 않는다.

더욱이, 적어도 적분(I) 제어신호는 빔의 변위량을 디지털 변환하고 빔의 디지털화된 변위량을 사용하므로써 디지털 연산처리 부분에 의해 결정된다. 따라서, 디지털 피드백 제어동작은 거기서 수행된다. 적분(I) 제어신호 성분은 빔이 평형점에 도달하고 안정된 상태(영점 상태)에서 평형조건으로(평형조건에서, 비례(P) 제어신호 성분과 미분(D) 제어신호 성분의 초기는 0) 빔을 유지하도록 제어동작을 수행하기 위해 출력되는 제어신호이고, 중량치의 계산에 영향을 준다.

그러므로, 피드백 제어동작은 A/D 변환에 의해 얻어진 후 디지털 신호에 따라 적분(I) 제어신호 성분에 수행된다. 게다가, 이 디지털 신호에 따라 얻어진 중량치가 지시된다. 따라서, 코일전류에 대응하는 중량치와 디지털화에 기인하여 발생되는 지시된 중량치 사이의 양자화 에러들이 억제된다. 따라서, 높은-정확도의 중량치가 얻어질 수 있다.

그 후, 디지털 연산처리 부분에 의해 결정되는 디지털 제어신호 성분들(적어도 적분(I) 제어신호 성분을 포함하는)은 아날로그 변환된다. D/A 변환 후, 합성 PID 제어신호는 아날로그 연산처리 부분에 의해 결정된 아날로그 제어신호 성분(미분(D) 제어신호 성분을 포함하여)과 D/A 변환의 결과신호로부터 합성됨에 의해 결정된다. 그 후, 합성 PID 제어신호에 따라 코일을 통해 코일전류가 흐르는 피드백 제어동작이 수행된다.

부수적으로, 바람직하게, 비례(P) 제어신호는 또한 빔의 변위량이 디지털 변환된 후 디지털 연산처리 부분에 의해 결정된다. 만일 빔의 변위량이 문턱치보다 크다면, 중량치는 디지털 연산처리 부분에 의해 결정되는, 비례(P) 제어신호에 의해 나타내어진 값과 적분(I) 제어신호에 의해 나타내어진 값의 총합에 따라 얻어진다. 만일 빔의 변위량이 문턱치보다 적거나 같다면, 중량치는 디지털 연산처리 부분에 의해 결정되는, 적분(I) 제어신호에 의해 나타내어진 값에 따라 얻어진다.

따라서, 만일 빔의 변위량이 문턱치보다 크다면, 적분(I) 제어신호보다 빠르게 빔의 변위에 응답하는, 비례(P) 제어신호가 적분(I) 제어신호에 부가된다. 따라서, 빔이 크게 이동하는 천이 상태에서, 중량치는 비례(P) 제어신호를 부가함에 의해 얻어지는 신호에 따라 지시된다. 따라서, 전자천칭은 중량치가 적분(I) 제어신호만 따라 지시되는 경우와 비교하여 좋은 사후 성능(followability)을 가지는 중량치의 지시를 성취할 수 있다.

여기에서, 본 발명을 수행하기 위한 실시예들은 첨부된 도면들을 사용하여 설명된다. 또, 아래에서 설명되는 실시에들은 단지 예시되고 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 변형될 수 있다.

제 1 실시예

도 1은 본 발명의 실시예인 전자천칭의 제어시스템과 일반적인 구조를 나타내는 구성 블럭 다이어그램이다. 측정되어질 중량(W)을 가지는 부하가 놓여질 접시(13)는 회전될 수 있는 방식으로 받침대(fulcrum)(11)에 지지되는 빔(12)의 한 단부에 제공된다. 코일(14)은 빔(12) 상의 위치에 부착되고, 빔(12)은 받침대(11)를 지나 접시(13) 반대편에 위치된다. 코일(14)은 영구자석(15)에 의해 생성되는 자기장에 위치되고 전자기력이 전류를 코일(14)을 통해 흐름으로써 영구자석(15)의 자기장으로 코일(14)의 상호작용에 기인하여 생성된다.

빔(12)의 변위를 검출하는 위치검출 증폭기(16)는 빔(12)의 단부 근방에 장착되고, 접시(13)가 부착되는 측면 반대편에 있다. 이 위치검출 증폭기(16)는 평형점(또는 영점)으로부터 빔의 변위량을 검출하고 아날로그 신호(아래에서 변위량 아날로그 신호로 불림)를 출력하도록 조정된다.

위치검출 증폭기(16)로부터 출력되는 변위량 아날로그 신호는 아날로그 연산처리 부분(17)과 디지털 연산처리 부분(18)으로 보내진다. 아날로그 연산처리 부분(17)은 위치검출 증폭기(16)로부터 출력된 변위량 아날로그 신호상에 미분 동작을 수행하고 미분(D) 아날로그 신호(아래에서 D 아날로그 신호로 불림)로서의 미분 제어신호 성분을 출력하기 위해 미분동작 부분(19)이 제공된다. 이 미분동작 부분(19)은 알려진 미분 회로로 구성되고, 미분(D) 상수의 설정값이 미분회로에서 반도체 저항(나타나지 않음)에 의해 조정될 수 있도록 적응된다.

디지털 연산처리 부분(18)은 A/D 변환기(20), 비례동작 부분(21), 적분동작 부분(22), PI 합성동작 부분(23) 및 D/A 변환기(24)가 제공된다. A/D 변환기(20)는 빔의 변위량에 대응하여 위치검출 증폭기(16)로부터 출력된 변위량 아날로그 신호를 디지털 신호(아래에서 변위량 디지털 신호로 불림)로 변환한다. 비례동작 부분(21)은 이 변위량 디지털 신호에 비례동작을 수행하고 비례 디지털 신호(아래에서 P 디지털 신호로 불림)로 비례(P) 제어신호 성분을 출력한다. 적분동작 부분(22)은 변위량 디지털 신호에 적분동작을 수행하고 적분 디지털 신호(아래에서 I 디지털 신호로 불림)로 적분(I) 제어신호 성분을 출력한다. PI 합성동작 부분(23)은 비례동작 부분(21)으로부터 출력된 P 디지털 신호와 적분동작 부분(22)으로부터 출력된 I 디지털 신호로부터 합성하거나 그 합을 수행하고 결과 디지털 신호(아래에서 합성 PI 디지털 신호로 불림)를 출력한다. D/A 변환기(24)는 PI 합성동작 부분(23)으로부터 출력된 합성 PI 디지털 신호를 아날로그 신호(아래에서 합성 PI 아날로그 신호로 불림)로 아날로그 변환한다.

또, A/D 변환기(20)와 D/A 변환기(24) 사이의 각각의 동작 부분들(비례동작 부분(21), 적분동작 부분(22) 및 PI 합성동작 부분(23))은 마이크로컴퓨터에 의해 구성된다.

또한, 전자천칭은 PI 합성동작 부분(23)의 출력인, 합성 PI 디지털 신호와 적분동작 부분(22)의 출력인 I 디지털 신호를 선택적으로 추출하는 스위치(25)를 제공한다.

스위치(25)에 의해 선택된 출력 신호는 부하 데이터를 나타내는 신호로써 출력된다. 중량치(부하 데이터를 변환함으로써 얻어지는 값)는 출력된 부하 데이터에 따라 지시기(나타내지 않음)에 의해 지시된다. 스위치(25)는 빔의 변위량(예를 들어, A/D 변환에 의해 얻어진 변위량 디지털 신호에 의해 나타낸 양)와 프리셋(preset) 문턱치 사이를 비교하여 변환하도록 조정된다.

또, 예시적으로, 스위치(25)는 마이크로컴퓨터를 사용하여 소프트웨어로 수행되는 데이터 선택 스위치에 의해 구성된다.

비례동작 부분(21)의 비례상수(P)와 적분동작 부분(22)의 적분상수(I)는 알려진 디지털 입력 기술들을 사용하여 설정된다. 예시적으로, 이 상수들은 키, 버튼 또는 스위치(나타내지 않음)를 사용하여 수 입력동작을 수행하도록 설정될 수 있다.

D/A 변환기(24)로부터 출력되는 합성 PI 아날로그 신호와 미분동작 부분(19)으로부터 출력되는 D 아날로그 신호는 전력증폭기(26)로 보내지므로, 비례(P) 제어신호 성분, 적분(I) 제어신호 성분 및 미분(D) 제어신호 성분은 그에 더해지고 그로 인해 후속하여, 합성 PID 제어신호는 코일(14)에 공급될 대응 피드백 균일전류로 변환된다.

그 다음, 이 실시예에 따른 전자천칭의 피드백 제어동작이 아래에서 설명된다.

중량이 측정되는 물체가 접시(13)에 놓여지는 경우, 빔(12)는 그 평형을 잃고 이동중심이었던 받침대 둘레에서 변위된다. 이 때의 빔의 변위량은 변위검출 증폭기(16)에 의해 검출되고, 그 후 변위검출 증폭기는 크기가 빔의 변위량에 대응하는, 변위량 아날로그 신호를 출력한다.

위치검출 증폭기(16)로부터 출력되는 변위량 아날로그 신호는 미분동작 부분(19)으로 보내지고 또한 디지털 연산처리 부분(18)의 A/D 변환기(20)로 보내진다.

그 후에, 아날로그 연산처리 부분(17)의 미분동작 부분(19)은 변위량 아날로그 신호에 따라, 아날로그 양을 나타내는 미분 제어신호(D 아날로그 신호)를 출력한다. 출력된 미분 제어신호(D 아날로그 신호)는 전력 증폭기(26)에 보내진다.

그 동안, 디지털 연산처리 부분(18)에서, 변위량 아날로그 신호는 A/D 변환기(20)에 의해, 비례동작 부분(21)과 적분동작 부분(22)으로 보내지는 변위량 디지털 신호로 디지털 변환된다. 비례동작 부분(21)은, 비례(P) 제어신호 성분을 나타내는 신호를 P 디지털 신호로써 출력한다. 적분동작 부분(22)은 적분(I) 제어신호 성분을 나타내는 신호를 I 디지털 신호로써 출력한다.

출력된 P 디지털 신호와 출력된 I 디지털 신호는 PI 합성동작 부분(23)으로 보내지고, 거기에서 합쳐진다. 따라서, 결과신호가 합성 PI 디지털 신호로 출력된다.

그 후, PI 합성동작 부분(23)으로부터 출력되는 합성 PI 디지털 신호는 D/A 변환기(24)로 보내지고, 전력증폭기(26)로 보내지는 합성 PI 아날로그 신호로 아날로그 변환된다.

전력증폭기(26)는 아날로그 연산처리 부분(17)으로부터 출력된 D 아날로그 신호와, 디지털 연산처리 부분(18)으로부터 출력되는 합성 PI 아날로그 신호를 합한다. 따라서, 비례 제어신호, 적분 제어신호 및 미분 제어신호로부터 합성된 합성 PID 제어신호가 얻어진다. 그 후, 전력증폭기(26)는 합성 PID 제어신호에 대응하는 피드백 코일전류를 출력한다.

D 아날로그 신호에 대응하는, 이 합성 PID 제어신호의 성분에 대한 빠른 응답은 아날로그 피드백을 이용하여 이루어지는 반면에, 합성 PI 아날로그 신호에 대응하는 이 합성 PID 제어신호의 성분에 대한 응답은 A/D 변환, 디지털 연산처리 및 D/A 변환을 통하여 디지털 피드백을 이용하여 이루어진다.

그 후, 전력증폭기(26)로부터 출력된 피드백 코일전류는 코일(14)에 공급된다. 따라서, 피드백 제어가 제공되므로 영구자석(15)의 자기장을 가지는 코일(14)의 상호작용에 기인한 전자기력은 접시에 인가되는, 측정되어질 부하의 중량(W)을 평형시킨다.

다음에, 이 실시예에 따른 전자천칭의 중량 측정동작이 아래에서 설명된다.

위에서 설명한 것처럼, PI 합성동작 부분(23)의 출력인 합성 PI 디지털 신호와 적분동작 부분(22)의 출력인 I 디지털 신호 중 하나가 스위치(25)에 의해 선택된다. 중량치는 선택된 합성 PI 디지털 신호 또는 선택된 I 디지털 신호에 따라 얻어진다. 도 2는 중량치를 지시하는 단계까지의 동작을 나타내는 플로우차트이다.

부하가 접시(13) 위에 인가되고 빔(12)이 위를 향하여 변위되면, 위치검출 증폭기(16)는 빔의 변위량을 검출한다. 그 후에, 빔의 변위량은 프리셋 문턱치(d_TH)와 비교된다(단계 s101).

그 때, 변위량이 문턱치(d_TH)보다 크다면, 스위치(25)는 PI 합성동작 부분(23)으로부터 출력되는 합성 PI 디지털 신호를 선택한다(단계 s102). 만일 변위량이 문턱치(d_TH)와 같거나 그보다 작다면, 스위치(25)는 적분동작 부분(22)으로부터 출력되는 I 디지털 신호를 선택한다(단계 s103).

그 후에, 평탄화는 합성 디지털 신호 또는 I 디지털 신호의 이동평균을 계산하여 수행된다(단계 s104). 따라서, 신호의 크기에 변화가 발생한다.

그 후, 중량치의 변환은, 계수들이 교정(calibration) 중량들을 이용하여 교정동작을 선택적으로 수행함에 의해 결정되는 변환 방정식을 사용함으로써 평탄화된 디지털 신호 데이터에 따라 수행된다(단계 s105).

변환된 중량치가 디지털 지시기에 지시된다(단계 s106).

그 때에 지시된 중량치와 코일 피드백 전류 모두 디지털 신호에 따라 결정된다(합성 PI 디지털 신호 또는 I 디지털 신호). 따라서, 디지털화에 기인한 양자화 에러들이 피드백 전류와 지시된 중량치 사이에 발생되지 않는다.

제 2 실시예

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예인 전자천칭의 제어시스템과 일반적인 구조를 나타내는 구성 블럭 다이어그램이다. 또, 도 1에서 나타낸 것들과 동일한 각각의 요소들은 그러한 요소로 나타내기 위해 사용된 것처럼 동일한 문자에 의해 나타내어진다. 따라서, 그러한 요소들의 설명은 여기에서 생략한다.

제 2 실시예에서, 아날로그 연산처리 부분(17a)은 미분동작 부분(19a)과 비례동작 부분(21a)이 제공된다. 디지털 연산처리 부분(18a)은 적분 연산처리 부분(22a)이 제공된다.

아날로그 연산처리 부분(17a)에서, 미분동작과 비례동작은 위치검출 증폭기(14)로부터 출력되는 변위량 아날로그 신호에 수행된다. 미분 제어신호 성분은 그로부터 D 아날로그 신호로써 출력된다. 비례 제어신호 성분은 그로부터 P 아날로그 신호로써 출력된다. 이 아날로그 신호들은 전력증폭기(26a)로 보내진다.

디지털 연산처리 부분(18a)에서, 변위량 아날로그 신호는 적분동작 부분(22a)으로 보내진 변위량 디지털 신호로 A/D 변환기(20)에 의해 디지털 변환된다. 적분동작 부분(22a)은 I 디지털 신호로써 적분 제어신호 성분들로 출력된다.

I 디지털 신호는 중량치를 계산하기 위해 사용되고, I 디지털 신호를 아날로그 변환하고 I 아날로그 신호로써 결과신호를 출력한다.

I 아날로그 신호는 전력증폭기(26a)로 보내지고 아날로그 연산처리 부분(18a)으로부터 출력되는 D 아날로그 신호와 P 아날로그 신호에 부가된다. 즉, 비례 제어신호, 적분 제어신호 및 미분 제어신호로부터 합성된 합성 PID 아날로그 신호는 전력증폭기(26a)에 입력되고, 합성 PID 아날로그 신호에 대응하는 피드백 코일전류가 출력된다.

개별적으로 D 아날로그 신호 및 P 아날로그 신호에 대응하는, 합성 PID 아날로그 신호의 각 성분들에 대한 빠른 응답은 아날로그 피드백을 이용하여 이루어진다. I 아날로그 신호에 대응하는, 합성 PID 아날로그 신호의 성분에 대한 응답은 A/D 변환, 디지털 연산처리 및 D/A 변환을 통하여 디지털 피드백을 이용하여 이루어진다.

앞에서 언급된 2개의 실시예 사이에서, 제 1 실시예가 비례(P) 상수와 적분(I) 상수가 그에 수치들을 직접 입력하여 설정될 수 있도록 적응된다. 그러나, 제 2 실시예의 경우에서, 적분(I) 상수만이 그에 수치를 직접 입력하여 설정될 수 있다. 따라서, 제 1 실시예는 상수들을 설정하기 쉽고 상수들을 설정하기에 융통성이 있는 장점이 있다. 비록 제 2 실시예가 상수들을 설정하기 쉽고 설정하는 데 있어서의 융통성에서 제 1 실시예보다 조금 뒤떨어지지만, 아날로그 피드백은 미분(D) 성분뿐만 아니라 비례(P) 제어성분에서도 사용된다. 따라서, 제 2 실시예가 제 1 실시예와 비교하여, 보다 더 개선된 것이다.

본 발명은 안정성이 우수한, 고-해상도 전자천칭을 제조하는 경우에 응용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예인 전자천칭의 제어시스템과 일반적인 구조를 나타내는 구성 블럭 다이어그램,

도 2는 도 1에 나타내는 전자천칭의 중량 측정동작을 나타내는 플로우차트,

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예인 전자천칭의 제어시스템과 일반적인 구조를 나타내는 구성 블럭 다이어그램이다.

Claims

전자기력과 중량을 평형시켜 사용되는 전자천칭에서:

상기 중량에 따라 변위되는 빔;

상기 빔에 부착되고 자기장에 위치되는 코일;

상기 빔의 변위량을 검출하는 변위 검출기;

상기 빔의 상기 변위량에 따라 적어도 미분(D) 제어신호를 결정하는 아날로그 연산처리 부분;

상기 빔의 상기 변위량이 디지털 변환된 후 적어도 적분(I) 제어신호를 결정하는 디지털 연산처리 부분; 및

합성 PID 제어신호를 결정하기 위해 상기 아날로그 연산처리 부분에 의해 결정되는 상기 제어신호 성분과 상기 디지털 연산처리 부분에 의해 결정되는 상기 제어신호 성분을 아날로그 변환함으로써 얻어지는 결과신호로부터 합성하기 위한 합성부분을 포함하고,

상기 합성 PID 제어신호에 의거한 코일전류가 상기 전자기력을 생성하도록 상기 코일을 통하여 흐르고, 중량치는 상기 디지털 연산처리 부분에 의해 결정되는 상기 제어신호 성분에 따라 얻어지는, 전자천칭.
제 1 항에 있어서,

상기 디지털 연산처리 부분은 상기 빔의 상기 변위량이 디지털 변환된 후에 비례(P) 제어신호를 결정하고;

만일 상기 빔의 상기 변위량이 문턱치보다 크면, 상기 디지털 연산처리 부분에 의해 결정되는, 상기 비례(P) 제어신호에 의해 나타내어지는 값과 상기 적분(I) 제어신호에 의해 나타내어지는 값의 총합에 따라 얻어지고,

만일 상기 빔의 상기 변위량이 문턱치와 같거나 그보다 작으면, 상기 디지털 연산처리 부분에 의해 결정되는 상기 적분(I) 제어신호에 의해 나타내는 값에 따라 얻어지는, 전자천칭.