PWM-Sensoren verstehen: Funktionsweise und Testanleitung

Eine zunehmende Anzahl industrieller Systeme ersetzt traditionelle analoge Signale durch saubere, rauschresistente Pulsbreitenmodulation.

Da der PWM-Ausgang EIN und AUS schaltet, anstatt einen stetigen analogen Pegel aufrechtzuerhalten, resultiert dies in geringerem Stromverbrauch und weniger Wärmeentwicklung. Wir werden die EIN- und AUS-Operationen später im Artikel erklären.

Pulsbreitenmodulations (PWM) Sensoren sind jetzt überall. In diesem Artikel erklären wir detailliert, wie ein PWM-Sensorsignal eine Prozessvariable darstellen kann, und zeigen Ihnen, wie Sie es mit Ihrem vertrauenswürdigen Digitalmultimeter testen können.

PWM-Sensoren werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Zum Beispiel messen sie Position und Verschiebung, Druck und Kraft, überwachen Geschwindigkeit und RPM, unter anderen Funktionen.

Analoge und PWM-Sensoren

Lassen Sie uns beginnen, indem wir zwei analoge Sensoren identifizieren, die durch PWM-Sensoren ersetzt werden.

Potentiometer

Potentiometer waren einmal die bevorzugte Wahl für viele Positionsmessanwendungen.

Sie waren auch häufig in Joysticks, Hebeln und Pedalen.

Warum werden sie durch PWM-Geräte ersetzt? Ein Potentiometer hat einen Metallschleifer, der an einem Widerstandsmaterial reibt, um einen variablen Widerstand zu erzeugen. Mit der Zeit werden sie schmutzig und verschleißen. Sie zu reinigen ist fast unmöglich, also werden sie oft ersetzt.

Jedoch sind sie nicht vollständig verschwunden und werden wahrscheinlich noch eine Weile bleiben.

Wellengeber

Okay, was ist mit Wellgebern? Optische Encoder werden seit Jahrzehnten verwendet, um Wellenposition zu bestimmen. Es gibt PWM-Absolutencoder, die bessere Beständigkeit gegen Staub, Öl, Vibration und Stoß bieten; sie verlassen sich nicht auf eine LED-Lichtquelle und Codierscheibe, um ein Ausgangssignal zu generieren.

Wie PWM-Sensoren funktionieren

Okay, jetzt, da wir besprochen haben, wo Sie PWM-Sensoren finden könnten und warum, lassen Sie uns weitermachen und erklären, wie sie funktionieren.

In einfachen Begriffen involviert PWM das Anpassen des Tastverhältnisses (Duty Cycle) einer konstanten Frequenz digitalen Wellenform. Mit einem PWM-Sensor reflektieren Änderungen im Tastverhältnis Variationen in einem physischen Parameter, wie Rotation, Position oder Druck.

Tastverhältnis und Frequenz

Also, was ist Tastverhältnis? Lassen Sie uns beginnen, indem wir Frequenz diskutieren.

In Nordamerika sind wir alle mit der 60 Hz Frequenz einer AC-Netzspannung vertraut.

Auf einem Oszilloskop zeigt die AC-Netzspannung als Sinuswelle, die sich mit 60 Zyklen pro Sekunde wiederholt.

Mit einfacher Mathematik können wir bestimmen, dass die Zeit für einen Zyklus, die Periode genannt, 16,67 Millisekunden beträgt. Wie haben wir das bekommen? Die Periode ist der Kehrwert der Frequenz.

P ist die Periode eines Zyklus.

Wellenformtypen

Nicht alle sich wiederholenden Wellenformen sind sinusförmig oder wechseln in Polarität wie Netzspannung. Es gibt Sägezahn- und Rechteckwellenformen, um nur einige zu nennen.

PWM ist eine sich wiederholende Wellenform, wo jede Halbwelle in der Dauer variieren kann.

Jeder Zyklus der Wellenform hat eine Zeit, in der die Spannung EIN ist, und eine andere, in der sie AUS ist.

Tastverhältnis ist der Anteil der EIN-Zeit zur Periode, oder der Dauer eines Zyklus. Tastverhältnis wird als Prozentsatz ausgedrückt.

PWM-Sensor Beispiel

Lassen Sie uns ein Beispiel ansehen.

Wir haben einen PWM-Sensor mit einer Periode von 2 Sekunden und einer EIN-Zeit von 0,5 Sekunden. Das Tastverhältnis ist das Verhältnis der EIN-Zeit zur Gesamtperiode. In diesem Beispiel sind das 0,5 Sekunden geteilt durch 2 Sekunden. Denken Sie daran, wir drücken das Tastverhältnis als Prozentsatz aus, also ist es 25%.

Der Megatron HTP36 Serien-Device ist ein Einzeldreh-Absolutencoder mit PWM-Ausgang.

Er arbeitet mit einer Frequenz von 244 Hz. Das Tastverhältnis reicht von 10% bis 90%, was einer Rotation von 0 bis 360 Grad entspricht. Mit einer Versorgungsspannung von 5V DC können wir annehmen, dass der EIN-Zeit-Spannungspuls 5V DC beträgt.

Warum variiert das Tastverhältnis von 10% bis 90%? Dieser Bereich ist üblich für PWM-Sensoren, obwohl 5% bis 95% auch typisch ist. Der volle 0% bis 100% Bereich wird nicht für Diagnosezwecke verwendet. Ein Signal unter 10% oder über 90% deutet auf einen potenziellen Fehlerzustand hin.

PWM-Signal mit einem Oszilloskop beobachten

Lassen Sie uns die Wellenform untersuchen, die wir auf einem Fluke 190 tragbaren, batteriebetriebenen Oszilloskop beobachten würden, verbunden mit dem Ausgang dieses Encoders.

Bei 0 Grad Rotation beobachten wir ein 10% Tastverhältnis. Die Wellenformperiode beträgt 4,0 Millisekunden, und die EIN-Zeit ist 0,4 Millisekunden.

Bei einer Rotation von 360 Grad beobachten wir ein 90% Tastverhältnis. Wie üblich beträgt die Wellenformperiode 4,0 Millisekunden. Die EIN-Zeit ist 3,6 Millisekunden.

Es ist erwähnenswert, dass die Spezifikation ein maximales Tastverhältnis von 90% angibt, was ungefähr 3,5 ms entspricht.

Warum der Unterschied? Im Wesentlichen ist dies Standardpraxis auf Datenblättern. Der Hersteller rundet Werte für Einfachheit.

PWM-Signale mit einem Digitalmultimeter messen

Nun, es ist toll, wenn Sie oder Ihre Firma sich ein teures tragbares Oszilloskop leisten können, aber nicht viele können.

Alles, was Sie wirklich brauchen, ist ein DMM (Digitalmultimeter) mit ein paar speziellen Optionen, wie dem Fluke 87V, das Frequenz und Tastverhältnis messen kann.

Ein PWM-Sensor ist ein aktives Gerät, im Gegensatz zu einem Potentiometer, das passiv ist. Es braucht Strom zum Betrieb. Es gibt keine Ohmmeter-Tests, die Sie durchführen können, um zu bestimmen, ob es funktionsfähig ist.

Dieses spezielle DMM hat einen Button mit der Beschriftung Hz mit einem % Prozentzeichen.

Dieser Button lässt Sie Frequenz in Hertz und Tastverhältnis als Prozentsatz mit einem einzigen Druck messen.

Um Frequenz zu messen, verbinden Sie die Leitungen mit den VAC DMM-Anschlüssen und stellen den Selektor auf AC Volt ein. Verbinden Sie die Leitungen wie beim Oszilloskop. Drücken Sie den Hz-Button einmal, und das Display zeigt die Frequenz in Hertz an.

Denken Sie daran, die PWM-Frequenz bleibt konstant; daher sollte sich die Anzeige nicht ändern, wenn Sie den Encoder drehen.

Um das Tastverhältnis zu messen, behalten Sie die gleichen Leitungen angeschlossen. Drücken Sie den Hz-Button erneut, und das Display zeigt nun das Tastverhältnis als Prozentsatz an. Sie werden den Tastverhältniswert von 10% bis 90% ändern sehen, während Sie den Encoder von 0 bis 360 Grad drehen.

Es wird offensichtlich sein, ob der Sensor tot, fragwürdig oder instabil ist, basierend auf den DMM-Ablesungen.

PWM-Sensoren mit DC-Spannung testen

Wenn Ihr DMM nicht die Option hat, Frequenz oder Tastverhältnis zu messen, ist nicht alles verloren. Sie können immer noch eine grobe Vorstellung von der Operation eines PWM-Sensors bekommen, indem Sie das Messgerät auf DC-Volt-Messung einstellen. In diesem Modus zeigt das DMM den Durchschnitt der gepulsten Wellenform an.

Während das Tastverhältnis mit der Encoder-Rotation variiert, ändert sich auch die durchschnittliche DC-Spannung entsprechend. Wenn das Tastverhältnis steigt, steigt die gemessene DC-Spannung entsprechend an.

Sie werden nicht in der Lage sein, das Tastverhältnis mit dieser Methode zu bestimmen. Jedoch, wenn die DC-Spannung unverändert bleibt, während der Encoder rotiert, sollte der PWM-Sensor als verdächtig betrachtet werden.

Zusammenfassung

PWM-Sensoren sind überraschend einfach im Feld mit einem Digitalmultimeter zu testen, vorausgesetzt, Sie verstehen Tastverhältnis und Frequenz.