Понимание PWM датчиков: функциональность и руководство по тестированию

Все больше промышленных систем заменяют традиционные аналоговые сигналы чистыми, шумоустойчивыми широтно-импульсными модуляциями.

Поскольку PWM выход переключает ВКЛ и ВЫКЛ вместо поддержания стабильного аналогового уровня, это приводит к более низкому потреблению энергии и меньшему выделению тепла. Мы объясним ВКЛ и ВЫКЛ операции позже в статье.

Датчики Широтно-Импульсной Модуляции (PWM) теперь везде. В этой статье мы подробно объясним, как сигнал PWM датчика может представлять процессную переменную, и покажем вам, как протестировать его с вашим надежным цифровым мультиметром.

PWM датчики используются в различных применениях. Например, они измеряют позицию и смещение, давление и силу, мониторят скорость и RPM, среди других функций.

Аналоговые и PWM датчики

Давайте начнем с идентификации двух аналоговых датчиков, которые заменяются PWM датчиками.

Потенциометры

Потенциометры когда-то были предпочтительным выбором для многих применений измерения позиции.

Они также были распространены в джойстиках, рычагах и педалях.

Почему они заменяются PWM устройствами? Потенциометр имеет металлический скользящий контакт, который терется о резистивный материал для создания переменного сопротивления. Со временем они грязнеют и изнашиваются. Их чистка практически невозможна, поэтому их часто заменяют.

Однако они не исчезли полностью и, вероятно, будут вокруг еще довольно долго.

Валовые энкодеры

Хорошо, а как насчет валовых энкодеров? Оптические энкодеры использовались десятилетиями для определения позиции вала. Существуют PWM абсолютные энкодеры, которые предлагают лучшую стойкость к пыли, маслу, вибрации и удару; они не полагаются на источник света LED и кодовый диск для генерации выходного сигнала.

Как работают PWM датчики

Хорошо, теперь, когда мы обсудили, где вы можете найти PWM датчики и почему, давайте двинемся дальше и объясним, как они работают.

Простыми терминами, PWM включает регулировку коэффициента заполнения постоянной частотной цифровой волны. С PWM датчиком, изменения в коэффициенте заполнения отражают вариации в физическом параметре, таком как вращение, позиция или давление.

Коэффициент заполнения и частота

Итак, что такое коэффициент заполнения? Давайте начнем с обсуждения частоты.

В Северной Америке мы все знакомы с частотой 60 Гц напряжения линии переменного тока.

На осциллографе напряжение линии переменного тока показывает как синусоиду, повторяющуюся на 60 циклов в секунду.

Используя простую математику, мы можем определить, что время завершения одного цикла, называемое Периодом, составляет 16.67 миллисекунд. Как мы получили это? Период — обратная величина частоты.

P — период одного цикла.

Типы волнформ

Не все повторяющиеся волнформы синусоидальны или чередуются в полярности как напряжение линии. Существуют пилообразные волнформы и квадратные волнформы, чтобы назвать несколько.

PWM — повторяющаяся волнформа, где каждая полу-волна может варьироваться в длительности.

Каждый цикл волнформы имеет время, когда напряжение ВКЛ и другое, когда оно ВЫКЛ.

Коэффициент заполнения — пропорция ВКЛ времени к периоду, или длительности одного цикла. Коэффициент заполнения выражается в процентах.

Пример PWM датчика

Давайте посмотрим на пример.

У нас есть PWM датчик с периодом 2 секунды и ВКЛ временем 0.5 секунды. Коэффициент заполнения — отношение ВКЛ времени к общему периоду. В этом примере это 0.5 секунд деленное на 2 секунды. Помните, мы выражаем коэффициент заполнения в процентах, так что это 25%.

Устройство серии Megatron HTP36 — однократный Абсолютный Энкодер с PWM выходом.

Он работает на частоте 244 Гц. Коэффициент заполнения варьируется от 10% до 90%, что соответствует вращению 0 до 360 градусов. С напряжением питания 5В DC, мы можем предположить, что ВКЛ время импульса напряжения 5В DC.

Почему коэффициент заполнения варьируется от 10% до 90%? Этот диапазон распространен для PWM датчиков, хотя 5% до 95% также типичен. Полный диапазон 0% до 100% не используется для диагностических целей. Сигнал ниже 10% или выше 90% указывает на потенциальное состояние неисправности.

Наблюдение PWM сигнала с осциллографом

Давайте изучим волнформу, которую мы бы наблюдали на переносимом, батарейно-питаемом осциллографе Fluke 190, подключенном к выходу этого энкодера.

При 0-градусном вращении мы наблюдаем 10% коэффициент заполнения. Период волнформы 4.0 миллисекунд, и ВКЛ время 0.4 миллисекунд.

При вращении 360 градусов мы наблюдаем 90% коэффициент заполнения. Как обычно, период волнформы 4.0 миллисекунд. ВКЛ время 3.6 миллисекунд.

Стоит отметить здесь, что спецификация указывает максимальный коэффициент заполнения 90%, что примерно 3.5 мс.

Почему разница? По сути, это стандартная практика на спецификациях. Производитель округляет значения для простоты.

Измерение PWM сигналов с цифровым мультиметром

Хорошо, это отлично, если вы или ваша компания можете позволить себе дорогой переносимый осциллограф, но не многие могут.

Вам действительно нужен только DMM (цифровой мультиметр) с парой специальных опций, как Fluke 87V, который может измерять частоту и коэффициент заполнения.

PWM датчик — активное устройство, в отличие от потенциометра, который пассивен. Ему нужно питание для работы. Нет тестов омметром, которые вы можете выполнить для определения, пригоден ли он.

У этого конкретного DMM есть кнопка, помеченная Hz с % процентным знаком.

Эта кнопка позволяет измерять частоту в герцах и коэффициент заполнения в процентах с одним нажатием.

Для измерения частоты, подключите зонды к клеммам VAC DMM и установите селектор на AC вольты. Подключите зонды как вы делали с осциллографом. Нажмите кнопку Hz один раз, и дисплей покажет частоту в герцах.

Помните, PWM частота остается постоянной; поэтому показание не должно меняться при вращении энкодера.

Для измерения коэффициента заполнения, держите те же зонды подключенными. Нажмите кнопку Hz снова, и дисплей теперь покажет коэффициент заполнения в процентах. Вы увидите значение коэффициента заполнения меняться от 10% до 90% по мере вращения энкодера от 0 до 360 градусов.

Будет очевидно, мертв ли датчик, сомнителен или нестабилен из показаний DMM.

Тестирование PWM датчиков с использованием DC напряжения

Если ваш DMM не имеет опции измерять частоту или коэффициент заполнения, всё не потеряно. Вы все еще можете получить грубое представление о работе PWM датчика, установив измеритель на измерение DC вольт. В этом режиме DMM показывает среднее значение импульсной волнформы.

По мере вариации коэффициента заполнения с вращением энкодера, среднее DC напряжение также меняется. Когда коэффициент заполнения увеличивается, измеренное DC напряжение поднимается соответственно.

Вы не сможете определить коэффициент заполнения этим методом. Однако, если DC напряжение остается неизменным при вращении энкодера, PWM датчик должен считаться подозрительным.

Резюме

PWM датчики удивительно легко тестировать в поле с цифровым мультиметром, при условии, что вы понимаете коэффициент заполнения и частоту.