PWMセンサーの理解：機能とテストガイド

増え続ける産業システムが、従来のアナログ信号をクリーンでノイズ耐性のあるパルス幅変調に置き換えています。

PWM出力が一定のアナログレベルを維持する代わりにオン/オフを切り替えるため、消費電力が低く、発熱も少なくなります。オンとオフの動作については後で説明します。

パルス幅変調（PWM）センサーは今や至る所にあります。この記事では、PWMセンサー信号がプロセス変数をどのように表現できるかを詳細に説明し、信頼できるデジタルマルチメーターでテストする方法を紹介します。

PWMセンサーはさまざまな用途で使用されます。例えば、位置と変位、圧力と力の測定、速度とRPMの監視などです。

アナログセンサーとPWMセンサー

PWMセンサーに置き換えられている2つのアナログセンサーを特定することから始めましょう。

ポテンショメータ

ポテンショメータはかつて多くの位置測定用途で第一選択でした。

ジョイスティック、レバー、ペダルでも一般的でした。

なぜPWMデバイスに置き換えられているのか？ポテンショメータには抵抗材料に擦れる金属ワイパーがあり、可変抵抗を作ります。時間が経つと汚れて摩耗します。清掃はほぼ不可能なので、よく交換されます。

しかし、完全に姿を消したわけではなく、まだしばらくは存在し続けるでしょう。

シャフトエンコーダ

では、シャフトエンコーダはどうでしょう？光学エンコーダは数十年にわたりシャフト位置の決定に使用されてきました。LED光源とコードディスクに依存せず出力信号を生成するPWM絶対エンコーダは、ほこり、油、振動、衝撃に対する耐性が優れています。

PWMセンサーの仕組み

では、PWMセンサーがどこで見つかりなぜなのかを議論したので、どうやって動作するかを説明しましょう。

簡単に言うと、PWMは一定周波数のデジタル波形のデューティサイクルを調整することです。PWMセンサーでは、デューティサイクルの変化が回転、位置、圧力などの物理パラメータの変化を反映します。

デューティサイクルと周波数

では、デューティサイクルとは何でしょう？まず周波数について議論しましょう。

北米では、交流ライン電圧の60Hz周波数に誰もが慣れています。

オシロスコープでは、交流ライン電圧が1秒間に60サイクルで繰り返される正弦波として表示されます。

簡単な数学で、1サイクルを完了する時間、すなわち周期は16.67ミリ秒だとわかります。どうやって出したか？周期は周波数の逆数です。

Pは1サイクルの周期です。

波形タイプ

すべての繰り返し波形がライン電圧のように正弦波的または極性が交互であるわけではありません。ノコギリ波や矩形波などがあります。

PWMは、各半サイクルの持続時間が変化する繰り返し波形です。

波形の各サイクルには、電圧がオンの時間とオフの時間があります。

デューティサイクルは、オン時間と周期、または1サイクルの持続時間の比率です。デューティサイクルはパーセンテージで表されます。

PWMセンサーの例

例を見てみましょう。

周期2秒、オン時間0.5秒のPWMセンサーがあります。デューティサイクルはオン時間と全周期の比率です。この例では、0.5秒を2秒で割ります。デューティサイクルはパーセンテージで表すので、25%です。

Megatron HTP36シリーズデバイスは、PWM出力を持つシングルターンアブソリュートエンコーダです。

244Hzの周波数で動作します。デューティサイクルは10%から90%の範囲で、これは0から360度の回転に対応します。5V DCの電源電圧で、オン時間の電圧パルスは5V DCと仮定できます。

なぜデューティサイクルが10%から90%なのか？この範囲はPWMセンサーで一般的ですが、5%から95%も典型的です。完全な0%から100%の範囲は診断目的で使用されません。10%未満または90%以上の信号は潜在的な故障状態を示します。

オシロスコープでのPWM信号観察

このエンコーダの出力に接続されたFluke 190ポータブルバッテリー駆動オシロスコープで観察される波形を調べましょう。

0度回転では、10%のデューティサイクルを観察します。波形周期は4.0ミリ秒、オン時間は0.4ミリ秒です。

360度回転では、90%のデューティサイクルを観察します。いつものように波形周期は4.0ミリ秒。オン時間は3.6ミリ秒です。

ここで仕様では最大デューティサイクル90%、約3.5msと述べていることに注目です。

なぜ違いがあるのか？本質的に、これはデータシートでの標準的な慣習です。メーカーは値を丸めて簡潔にしています。

デジタルマルチメーターでのPWM信号測定

あなたやあなたの会社が高価なポータブルオシロスコープを購入できるなら素晴らしいですが、多くは購入できません。

本当に必要なのは、Fluke 87Vのような、周波数とデューティサイクルを測定する特別なオプションをいくつか備えたDMM（デジタルマルチメーター）だけです。

PWMセンサーはポテンショメータのような受動デバイスとは異なる能動デバイスです。動作には電力が必要です。それが使用可能かどうかを判断するために実行できるオームメーターテストはありません。

この特定のDMMには、%パーセント記号付きのHzラベルのボタンがあります。

このボタンで、一度押すだけでヘルツ単位の周波数とパーセンテージのデューティサイクルを測定できます。

周波数を測定するには、リードをVAC DMM端子に接続し、セレクターをACボルトに設定します。オシロスコープと同じようにリードを接続します。Hzボタンを一度押すと、ディスプレイにヘルツ単位の周波数が表示されます。

PWM周波数は一定なので、エンコーダを回転させても読み取りは変わらないはずです。

デューティサイクルを測定するには、同じリードを接続したままにします。Hzボタンをもう一度押すと、ディスプレイにパーセンテージのデューティサイクルが表示されます。エンコーダを0から360度回転させると、デューティサイクル値が10%から90%に変化するのがわかります。

DMMの読み取りから、センサーが故障しているか、疑わしいか、不安定かが明らかになります。

DC電圧を使用したPWMセンサーテスト

DMMに周波数やデューティサイクル測定オプションがない場合でも、すべては失われていません。メーターをDCボルト測定に設定することで、PWMセンサーの動作の大まかな把握が可能です。このモードでは、DMMはパルス波形の平均値を表示します。

エンコーダ回転に伴いデューティサイクルが変化すると、平均DC電圧もそれに応じて変化します。デューティサイクルが増加すると、測定DC電圧も上昇します。

この方法ではデューティサイクルを特定できません。しかし、エンコーダを回転させてもDC電圧が変化しない場合、PWMセンサーは疑わしいと見なすべきです。

まとめ

PWMセンサーは、デューティサイクルと周波数を理解していれば、デジタルマルチメーターで現場で驚くほど簡単にテストできます。