PWM センサーについて:機能とテストガイド

従来のアナログ信号をクリーンでノイズに強いパルス幅変調に置き換える産業用システムが増えています。

PWM 出力は安定したアナログレベルを維持するのではなくオンとオフを切り替えるため、消費電力と発熱が少なくなります。 ON と OFF の操作については後ほど説明します。

パルス幅変調 (PWM) センサーは今やどこにでもあります。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すことが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を使用してそれをテストする方法を示します。

PWM センサーはさまざまなアプリケーションで使用されます。たとえば、位置と変位、圧力と力を測定し、速度と RPM を監視するなどの機能があります。

アナログおよび PWM センサー

まずは、PWM センサーに置き換えられる 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、かつては多くの位置測定アプリケーションで好まれる選択肢でした。

ジョイスティック、レバー、ペダルでもよく見られました。

なぜ PWM デバイスに置き換わっているのでしょうか?ポテンショメータには、抵抗材料をこすって可変抵抗を生成する金属ワイパーが付いています。時間が経つと汚れたり、磨耗したりします。掃除するのはほぼ不可能なので、頻繁に交換されます。

ただし、完全に消えたわけではなく、おそらくかなり長い間存在し続けるでしょう。

シャフトエンコーダ

さて、シャフトエンコーダはどうでしょうか？光学式エンコーダは、シャフトの位置を決定するために数十年にわたって使用されてきました。防塵、油、振動、衝撃に対する優れた耐性を備えた PWM アブソリュートエンコーダがあります。出力信号の生成に LED 光源やコードディスクに依存しません。

PWM センサーの仕組み

さて、PWM センサーの場所とその理由について説明しました。次は、PWM センサーがどのように機能するかを説明しましょう。

簡単に言えば、PWM には、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が含まれます。 PWM センサーでは、デューティサイクルの変化は、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か?まずは頻度について説明しましょう。

北米では、AC 線間電圧の周波数が 60 Hz であることは誰もがよく知っています。

オシロスコープでは、AC 電源電圧は 1 秒あたり 60 サイクルで繰り返される正弦波として表示されます。

簡単な計算を使用すると、周期と呼ばれる 1 サイクルを完了するのにかかる時間が 16.67 ミリ秒であることがわかります。どうやってそれを手に入れたのでしょうか？周期は周波数の逆数です。

P は 1 サイクルの期間です。

波形の種類

すべての繰り返し波形が正弦波であるか、線間電圧のように極性が交互になるわけではありません。いくつか例を挙げると、ノコギリ波や方形波などがあります。

PWM は、各半サイクルの持続時間が異な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、周期、つまり 1 サイクルの持続時間に対する ON 時間の割合です。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。

周期が 2 秒、オン時間が 0.5 秒の PWM センサーがあります。デューティサイクルは、合計期間に対するオン時間の比率です。この例では、0.5 秒を 2 秒で割った値になります。デューティサイクルはパーセンテージで表すので、25% であることを覚えておいてください。

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

244 Hz の周波数で動作します。デューティサイクルの範囲は 10% ～ 90% で、これは 0 ～ 360 度の回転に相当します。供給電圧が 5V DC の場合、オン時間の電圧パルスは 5V DC であると想定できます。

デューティサイクルが 10% から 90% まで変化するのはなぜですか?この範囲は PWM センサーでは一般的ですが、5% ～ 95% も一般的です。 0% ～ 100% の範囲全体は診断目的には使用されません。信号が 10% 未満または 90% を超える場合は、潜在的な障害状態を示します。

オシロスコープで PWM 信号を観察する

このエンコーダーの出力に接続された Fluke 190 ポータブルのバッテリー駆動オシロスコープで観察する波形を調べてみましょう。

0 度の回転では、10% のデューティサイクルが観察されます。波形周期は 4.0 ミリ秒、オン時間は 0.4 ミリ秒です。

360 度回転すると、90% のデューティサイクルが観察されます。いつものように、波形周期は 4.0 ミリ秒です。オン時間は 3.6 ミリ秒です。

ここで注目に値するのは、仕様では最大デューティサイクルが 90%、つまり約 3.5 ミリ秒であると記載されていることです。

なぜ違いがあるのでしょうか?基本的に、これはデータシートにおける標準的な慣行です。メーカーは簡単にするために値を四捨五入しています。

デジタルマルチメーターを使用した PWM 信号の測定

あなたまたは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のであればそれは素晴らしいことですが、そうできる人は多くありません。

本当に必要なのは、周波数とデューティサイクルを測定できる、Fluke 87V などの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、受動的なポテンショメータとは異なり、能動的なデバイスです。動作するには電力が必要です。保守可能かどうかを判断するために実行できる抵抗計テストはありません。

この特定の DMM には、Hz というラベルのボタンがあります。 % パーセント記号付き。

このボタンを押すと、1 回押すだけで周波数 (ヘルツ) とデューティサイクル (パーセンテージ) を測定できます。

周波数を測定するには、リード線を VAC DMM 端子に接続し、セレクターを AC ボルトに設定します。オシロスコープの場合と同じようにリード線を接続します。 Hz ボタンを 1 回押すと、ディスプレイに周波数がヘルツ単位で表示されます。

PWM 周波数は一定のままであることに注意してください。したがって、エンコーダを回転させても読み取り値が変化しないはずです。

デューティサイクルを測定するには、同じリード線を接続したままにしてください。もう一度 Hz ボタンを押すと、ディスプレイにデューティサイクルがパーセンテージで表示されます。エンコーダーを 0 度から 360 度まで回転させると、デューティサイクル値が 10% から 90% に変化することがわかります。

センサーが故障しているか、疑わしいか、不安定であるかは、DMM の測定値から明らかです。