JPH0532684B2

JPH0532684B2 -

Info

Publication number: JPH0532684B2
Application number: JP1199748A
Authority: JP
Inventors: Akira Kawamoto
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1989-07-31
Filing date: 1989-07-31
Publication date: 1993-05-17
Also published as: DE69019256D1; CN1029028C; DE69019256T2; US5115877A; CN1050609A; EP0411920A3; JPH0363526A; EP0411920B1; EP0411920A2

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＞磁界中に設けたフオースコイルに電流を流すこ
とによつ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、そのフオースコイルへの電
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
電流のデユーテイ変えて荷重とバランスさせ、
そのときのパルス幅を（これは荷重に対応した
アナログ量である）、そのパルス幅内に通過す
るクロツクパルスをカウントすることによつて
測定する。すなわち、測定値そのものはアナロ
グ量で、それをデジタル変換している。（例え
ば特開昭54−41772号）あらかじめ規定したＮ段階のデユーテイを選
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（これはデジタル量である）、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ユーテイ値とサ
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サーボによつてバランスさせ、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、フオー
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２ｍ
ｓの周期内で変化するパルスの幅を、クロツクパ
ルスのカウントによつて測定することになるが、
30MHzのクロツクパルスをカウントしたとしても
最大60000カウント（16ビツト）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ユーテイを１ステ
ツ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
点があつた。

更に、の方式でな、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
高安定性が要求され、分解能、安定性ともに得に
くいという欠点がある。

も本発明の目的は、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。

＜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，PD₂）に基づくデユーテイのパルス電
流を発生してそれぞれフオースコイル１３，１４
に供給する複数のパルス電流発生手段（パルスデ
ユーテイ変換回路６ａ、電子スイツチS_a、定電流
発生回路２ａ；パルスデユーテイ変換回路６ｂ、
電子スイツチ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
出信号のデジタル変換データを採り込み、デジタ
ル演算によりPID処理を行うPID演算部５１と、
そのPID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ユーテイを
決定してそれぞれ所定ビツトのデータPD₁，PD₂
として各パルス電流発生手段に供給するデータ処
理部５２と、その複数のパルスデユーテイデータ
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５３を設けている。

＜作用＞荷重Ｗによる荷重受部１２の変位結果のデジタ
ルPID演算データから、単純に所定ビツトのパル
スデユーテイ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ツトに分け、その２種類の
パルスデユーテイデータを、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ツトと下位ビ
ツトのそれぞれに対応する電磁力の合計で補償さ
れる。この補償量はデジタル量であり、従来の
およびの方式ではアナログ量、の方式がデジ
タル量＋アナログ量であることに対して異なつて
いる点も大きな特徴である。すなわち、本発明に
おいてはフイードバツク量＝デジタル量＝測定値
となつている。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
しておく等によつ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ツトへの対応ができ
る。

各パルス電流発生手段の分解能（ビツト数）に
前記したような限界があつても、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ユーテイデータの分解数
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、フオースコイルに加えられる電流（フイ
ードバツク電流）のループは複数となるものの、
これらのデユーテイは荷重受部１２の変位検出結
果をデジタルPID演算したデータを上記のように
例えば上位と下位のビツ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
パルス電流のデユーテイ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ツク図
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のフオースコイル１
３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の出
力のデジタル変換データを後述するマイクロコン
ピユータ５でデータ処理し、第１と第２のフオー
スコイル１３と１４に流す電流のパルスデユーテ
イを変化させることによつて得られる。

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、Ａ−Ｄ変
換器４でデジタル化され、マイクロコンピユータ
５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
クロコンピユータ５をその機能毎に分けてブロツ
ク図で図示している。

さて、デジタル化された変位データは、PID演
算部５１に採り込まれ、ここで後述するようなデ
ジタルPID処理を受ける。

データ処理部５２は、PID出力Ｑ、つまりPID
演算処理された変位データを用いて、上位パルス
デユーテイデータPD₁と下位パルスデユーテイデ
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つて、例えばPD₁は12ビ
ツト、PD₂は13ビツトである。

上位パルスデユーテイデータPD₁および下位パ
ルスデユーテイデータPD₂は、それぞれ第１およ
び第２のパルスデユーテイ変換回路６ａおよび６
ｂに供給されると同時に、重み付け演算部５３に
送られる。

第１と第２のパルスデユーテイ変換回路６ａと
６ｂ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
が変化するデユーテイ信号を出力する。この第１
と第２のパルスデユーテイ変換回路６ａと６ｂか
らのデユーテイ信号はそれぞれ電子スイツチS_aと
S_bをON・OFFする。

電子スイツチS_aは、第１のフオースコイル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をチヨツピングし、電子スイツチS_bは第
２のフオースコイル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をチヨツピング
する。これにより、第１のフオースコイル１３に
は、パルスデユーテイデータPD₁に応じたデユー
テイで波高がi₁のパルス電流が流れ、第２のフオ
ースコイル１４にはパルスデユーテイデータPD₂
に応じたデユーテイで波高が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のフオースコイル１
３，１４の巻き数に基づき、それぞれのデユーテ
イ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の出力によつて温度補償されて
いる。

ここで、上位と下位のパルスデユーテイデータ
PD₁とPD₂と、これらに基づく第１と第２のフオ
ースコイル１３と１４の発生電磁力との関係は、
基本的には、下位のパルスデユーテイデータPD₂
１３ビツトが全て“０”から“１”になつたとき
に第２のフオースコイル１４で発生する力が、上
位パルスデユーテイデータPD₁１２ビツトの最下
位ビツトが“０”から“１”になつたときに第１
のフオースコイル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
オーバーラツプ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PD₁を強制
的に１ビツト変え、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つて把握することがで
きる。

重み付け演算部５３では、以上のような第１と
第２のフオースコイル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４は、例えば第２図に例示するよ
うに、のこぎり波発生器４１コンパレータ４２に
よつて構成されたパルス幅変調器４０とANDゲ
ート４３、およびカウンタ４４によつて構成する
ことがでる。すなわち、プリアンプ３を経た変位
検出信号を、コンパレータ４２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４３はそのコンパレータ出力をゲート信号
として、クロツクパルスを通過させ、カウンタ４
４に導く。カウンタ４４はのこぎり波の１周期ご
とに計数値をリセツトしつつ、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４４はマイクロコンピユー
タ５の機能を使用することができ、クロツクパル
スもマイクロコンピユータ５用のものを共用する
ことができる。

PID演算部５１におけるデジタルPID演算処理
の仕方は公知であり、特に詳細な説明は省略する
が、その一例を第３図に示すフローチヤートに基
づいて以下に説明する。

Ａ−Ｄ変換器４からの変位データｘを採り込む
ごとに、所定の基準値x₀に対する偏差x_oを算出す
る。そして、その偏差x_oに一定の係数K₁を乗じ
た値を比例出力P_xとし、今回の偏差x_oに係数K₂
を乗じて前回の積分出力I_(x)を加算した値を積分
出力I_xとし、更に、今回の偏差x_oと前回の偏差
x_o-1の差に係数K₃を乗じた値を微分出力D_xとす
る。そして、これらの合計ＱＱ＝P_x＋I_x＋D_x ＝K₁x_o＋（I_(x)＋K₂x_o）＋K₃（x_o−x_o-1）をPID出力としてデータ処理部５２に供給する。

第４図はデータ処理部５２と重み付け演算部５
３における動作を示すフローチヤートである。

データ処理部５２は、基本的にはPID出力Ｑを
上位と下位のビツトに分割してそれぞれを上位と
下位のパルスデユーテイデータPD₁とPD₂とする
わけであるが、PID出力Ｑをそのまま分解せず
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５３では、基本的には上
位と下位のパルスデユーテイデータ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
ユーテイデータ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
み付け加算することが好ましい。

重み付け演算の方法は、質量をＷ、スパン計数
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５２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４にお
いて、のこぎり波の周期を１ｍｓとし、クロツク
パルスを30MHzとすると、カウンタ４４の最大カ
ウント値は30000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20000000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20000000カ
ウント分の荷重が加わつたとき、PID演算部５１
への入力はＡ−Ｄ変換器４の最大値30000カウン
ト以上とはならないが、この入力を、データ採り
込みごとに積算することにより（積分動作に相
当）、具体的には、前記した基準値x₀を15000カウ
ントとすると、1334回の積算により、（30000×
15000）×1334＝20010000となり、この時点からフ
イードバツクする力の方が入力を上回ることにな
る。従つて、この時点から変位は逆方向に動いて
いくこととなり、これによつて変位検出データｘ
も減少してPID入力が小さくなる。そして最終的
にはPID出力が20000000カウントで、かつ、変位
検出データ（Ａ−Ｄ変換器４の出力）は15000カ
ウントとなつ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＝20000000、微分出力
D_x＝０となる。

この場合、Ａ−Ｄ変換器４の出力が15000にな
るための変位センサ１５の出力を得る荷重受部１
２の変位が中立位置となつており、荷重の大きさ
に拘らず安定状態ではＡ−Ｄ出力は15000となる。
このことから明らかなように、Ａ−Ｄ変換器４の
リニアリテイエラーは誤差にはならない。なお、
15000の点が変動すると、変位エラーを生じるの
で、この点がずれないような回路構成が望まし
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、PID演算の基準値x₀を０として
Ａ−Ｄ出力が０、すなわち変位センサ出力０が変
位の中立位置になることは勿論である。この場
合、Ａ−Ｄ変換器は０点の安定度さえよければ、
スパン変化やリニアリテイ誤差、リニアリテイ変
化等があつても測定値に影響しないことが利点と
して言える。

ところで、前記した例においては、０〜
20000000カウントまでの測定で1334回以上の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
をスピードアツプするには、非線型制御を行えば
良い。すなわち、第３図のフローチヤートにおい
て、偏差x_oを求めた後、例えばx_oが10000カウン
ト以上であるか否かを判別し、以上である場合に
限つ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_o＝x_o＋（x_o−10000）×５としてPID演算を行うことによつて、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PID入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PID入力とPID
出力の関係を第５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。ま
た、K₁，K₂，K₃をx_oの大きさに応じて変化させ
れば、応答性を速くしたり外乱に強くする等、よ
り効果的なコントロールを行うことができる。

なお、以上の実施例において、変位の検出に
CCDラインセンサ等のデジタル出力型のセンサ
を用いると、Ａ−Ｄ変換器４は不要とすることが
できる。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、
例えばパルスデユーテイデータを上位、中位、下
位のビツトに分割し、それに対応してパルスデユ
ーテイ変換部を３つ設けることによつて、例えば
14×３＝42ビツト等、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、フオ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つのフオースコ
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
流であつ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
等によつ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ユーテイデータにセツト
してフオースコイルでその重量に対応する力を発
生させ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、質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つた場合にただち
に偏差を表示することができ、応答性をアツプで
きる。具体的には、PID処理の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）動作となつて、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６図ａおよびｂに示す。
第６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６１および６２によつて
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６３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６４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。

＜発明の効果＞以上説明したように、本発明によれば、荷重受
部の変位検出値のデジタル変換データを、デジタ
ルPID演算処理し、そのPID出力を複数のビツト
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
デユーテイを制御するよう構成したので、各パル
ス電流のデユーテイの分解能（ビツト数）に限界
があつても、全体としての分解能はこれらのビツ
ト数を合計したものとなり、パルス電流発生手段
の数とパルスデユーテイ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
算することがなく、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
によつ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ユ
ーテイデータに変換するように構成することによ
つて、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イードバ
ツク電流のループは複数となるものの、これらの
パルスデユーテイはPID出力を例えば上位と下位
のビツトに分割したものであつて、あたかも１つ
のフイードバツクループであるようにコントロー
ルされることになり、一つのパルスデユーテイの
変化時には他のもののパルスデユーテイが同時に
それに関連して適宜に変化することになり、従来
の複数のフイードバツ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。

【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ツク
図、第２図はそのＡ−Ｄ変換器４の構成例を示す
ブロツク図、第３図はそのPID演算部５１におけ
る演算手法の例を示すフローチヤート、第４図は
データ処理部５２と重み付け演算部５３における
動作を示すフローチヤート、第５図は本発明の他
の実施例におけるPID演算処理による作用説明
図、第６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。１２……荷重受部、１３……第１のフオースコ
イル、１４……第２のフオースコイル、１５……
変位センサ、２ａ……第１の定電流発生回路、２
ｂ……第２の定電流発生回路、４……Ａ−Ｄ変換
器、５……マイクロコンピユータ、５１……PID
演算部、５２……データ処理部、５３……重み付
け演算部、６ａ……第１のパルスデユーテイ変換
回路、６ｂ……第２のパルスデユーテイ変換回
路、S_a，S_b……電子スイツチ。

Claims

【特許請求の範囲】

１磁界中に設けたフオースコイルに発生する力
を荷重と平衡させ、その状態でフオースコイルに
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ユーテイのパルス
電流を発生して上記フオ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
の変位の検出信号のデジタル変換データを採り込
み、デジタル演算によりPID処理を行うPID演算
部と、そのPID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
ユーテイを決定してそれぞれ所定ビツトのデータ
として上記各パルス電流発生手段に供給するデー
タ処理部と、その複数のパルスデユーテイデータ
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。