Comprendre les capteurs PWM : Fonctionnement et guide de test

Un nombre croissant de systèmes industriels remplacent les signaux analogiques traditionnels par une modulation de largeur d'impulsion (PWM) propre et résistante au bruit.

Parce que la sortie PWM commute ON et OFF au lieu de maintenir un niveau analogique stable, elle entraîne une consommation d'énergie plus faible et une production de chaleur réduite. Nous expliquerons les opérations ON et OFF plus loin dans l'article.

Les capteurs à modulation de largeur d'impulsion (PWM) sont maintenant partout. Dans cet article, nous expliquerons en détail comment un signal de capteur PWM peut représenter une variable de processus, et vous montrerons comment le tester avec votre multimètre numérique de confiance.

Les capteurs PWM sont utilisés dans diverses applications. Par exemple, ils mesurent la position et le déplacement, la pression et la force, surveillent la vitesse et les RPM, parmi d'autres fonctions.

Capteurs analogiques et PWM

Commençons par identifier deux capteurs analogiques qui sont remplacés par des capteurs PWM.

Potentiomètres

Les potentiomètres étaient autrefois le choix privilégié pour de nombreuses applications de mesure de position.

Ils étaient aussi courants dans les joysticks, leviers et pédales.

Pourquoi sont-ils remplacés par des dispositifs PWM ? Un potentiomètre a un balai métallique qui frotte contre un matériau résistif pour créer une résistance variable. Avec le temps, ils s'encrassent et s'usent. Les nettoyer est presque impossible, donc ils sont souvent remplacés.

Cependant, ils n'ont pas disparu entièrement et seront probablement encore là pendant un certain temps.

Encodeurs d'arbre

D'accord, qu'en est-il des encodeurs d'arbre ? Les encodeurs optiques ont été utilisés pendant des décennies pour déterminer la position d'arbre. Il existe des encodeurs absolus PWM qui offrent une meilleure résistance à la poussière, l'huile, les vibrations et les chocs ; ils ne dépendent pas d'une source lumineuse LED et d'un disque de code pour générer un signal de sortie.

Comment fonctionnent les capteurs PWM

Ok, maintenant que nous avons discuté où vous pourriez trouver des capteurs PWM et pourquoi, passons à l'explication de leur fonctionnement.

En termes simples, le PWM implique l'ajustement du cycle de service (duty cycle) d'une forme d'onde numérique à fréquence constante. Avec un capteur PWM, les changements de cycle de service reflètent les variations d'un paramètre physique, comme la rotation, la position ou la pression.

Cycle de service et fréquence

Alors, qu'est-ce que le cycle de service ? Commençons par discuter de la fréquence.

En Amérique du Nord, nous sommes tous familiers avec la fréquence de 60 Hz d'une tension alternative.

Sur un oscilloscope, la tension alternative apparaît comme une onde sinusoïdale qui se répète à 60 cycles par seconde.

En utilisant des mathématiques simples, nous pouvons déterminer que le temps pour compléter un cycle, appelé la Période, est de 16,67 millisecondes. Comment l'avons-nous obtenu ? La Période est l'inverse de la fréquence.

P est la période d'un cycle.

Types de formes d'onde

Toutes les formes d'onde répétitives ne sont pas sinusoïdales ou n'alternent pas en polarité comme la tension de ligne. Il y a des formes d'onde en dents de scie et des formes d'onde carrées, pour n'en nommer que quelques-unes.

Le PWM est une forme d'onde répétitive où chaque demi-cycle peut varier en durée.

Chaque cycle de la forme d'onde a un moment où la tension est ON et un autre où elle est OFF.

Le cycle de service est la proportion du temps ON par rapport à la période, ou la durée d'un cycle. Le cycle de service est exprimé en pourcentage.

Exemple de capteur PWM

Regardons un exemple.

Nous avons un capteur PWM avec une période de 2 secondes et un temps ON de 0,5 seconde. Le cycle de service est le rapport du temps ON sur la période totale. Dans cet exemple, c'est 0,5 seconde divisé par 2 secondes. Rappelez-vous, nous exprimons le cycle de service en pourcentage, donc c'est 25 %.

Le dispositif Megatron série HTP36 est un encodeur absolu monodirectionnel avec une sortie PWM.

Il fonctionne à une fréquence de 244 Hz. Le cycle de service varie de 10 % à 90 %, ce qui correspond à une rotation de 0 à 360 degrés. Avec une tension d'alimentation de 5V DC, nous pouvons supposer que l'impulsion de tension ON est de 5V DC.

Pourquoi le cycle de service varie-t-il de 10 % à 90 % ? Cette plage est courante pour les capteurs PWM, bien que 5 % à 95 % soit aussi typique. La plage complète de 0 % à 100 % n'est pas utilisée à des fins de diagnostic. Un signal en dessous de 10 % ou au-dessus de 90 % indique une condition de panne potentielle.

Observer un signal PWM avec un oscilloscope

Examinons la forme d'onde que nous observerions sur un oscilloscope portable Fluke 190, alimenté par batterie, connecté à la sortie de cet encodeur.

À une rotation de 0 degré, nous observons un cycle de service de 10 %. La période de la forme d'onde est de 4,0 millisecondes, et le temps ON est de 0,4 milliseconde.

À une rotation de 360 degrés, nous observons un cycle de service de 90 %. Comme d'habitude, la période de la forme d'onde est de 4,0 millisecondes. Le temps ON est de 3,6 millisecondes.

Il vaut la peine de noter ici que la spécification indique un cycle de service maximum de 90 %, soit environ 3,5 ms.

Pourquoi la différence ? Essentiellement, c'est une pratique standard sur les fiches techniques. Le fabricant arrondit les valeurs pour la simplicité.

Mesurer les signaux PWM avec un multimètre numérique

C'est génial si vous ou votre entreprise pouvez vous permettre un oscilloscope portable coûteux, mais peu le peuvent.

Tout ce dont vous avez vraiment besoin est un DMM (multimètre numérique) avec quelques options spéciales, comme le Fluke 87V, qui peut mesurer la fréquence et le cycle de service.

Un capteur PWM est un dispositif actif, contrairement à un potentiomètre, qui est passif. Il a besoin d'énergie pour fonctionner. Il n'y a pas de tests à l'ohmmètre que vous pouvez effectuer pour déterminer s'il est fonctionnel.

Ce DMM particulier a un bouton étiqueté Hz avec un signe de pourcentage %.

Ce bouton vous permet de mesurer la fréquence en hertz et le cycle de service en pourcentage avec une seule pression.

Pour mesurer la fréquence, connectez les pointes aux bornes VAC du DMM et mettez le sélecteur sur volts AC. Connectez les pointes comme vous l'avez fait avec l'oscilloscope. Appuyez sur le bouton Hz une fois, et l'affichage montrera la fréquence en hertz.

Rappelez-vous, la fréquence PWM reste constante ; donc la lecture ne devrait pas changer lors de la rotation de l'encodeur.

Pour mesurer le cycle de service, gardez les mêmes pointes attachées. Appuyez sur le bouton Hz à nouveau, et l'affichage montrera maintenant le cycle de service en pourcentage. Vous verrez la valeur du cycle de service changer de 10 % à 90 % alors que vous faites tourner l'encodeur de 0 à 360 degrés.

Il sera évident si le capteur est mort, douteux ou instable à partir des lectures du DMM.

Tester les capteurs PWM en utilisant la tension DC

Si votre DMM n'a pas l'option de mesurer la fréquence ou le cycle de service, tout n'est pas perdu. Vous pouvez encore avoir une idée approximative du fonctionnement d'un capteur PWM en réglant le multimètre sur la mesure de volts DC. Dans ce mode, le DMM montre la moyenne de la forme d'onde pulsée.

Alors que le cycle de service varie avec la rotation de l'encodeur, la tension DC moyenne change aussi. Quand le cycle de service augmente, la tension DC mesurée augmente en conséquence.

Vous ne pourrez pas déterminer le cycle de service avec cette méthode. Cependant, si la tension DC reste inchangée alors que l'encodeur tourne, le capteur PWM devrait être considéré comme suspect.

Résumé

Les capteurs PWM sont surprenamment faciles à tester sur le terrain avec un multimètre numérique, à condition de comprendre le cycle de service et la fréquence.