PWM 센서 이해: 기능과 테스트 가이드

점점 더 많은 산업 시스템이 기존 아날로그 신호를 깨끗하고 노이즈에 강한 펄스 폭 변조로 대체하고 있습니다.

PWM 출력이 꾸준한 아날로그 레벨을 유지하는 대신 켜짐과 꺼짐을 전환하기 때문에 전력 소모가 적고 발열이 줄어듭니다. ON/OFF 동작은 뒤에서 자세히 설명하겠습니다.

펄스 폭 변조(PWM) 센서는 이제 어디에나 있습니다. 이 글에서는 PWM 센서 신호가 공정 변수를 어떻게 나타내는지 자세히 설명하고, 신뢰할 수 있는 디지털 멀티미터로 테스트하는 방법을 보여드리겠습니다.

PWM 센서는 다양한 용도에 사용됩니다. 예를 들어 위치와 변위, 압력과 힘 측정, 속도와 RPM 모니터링 등 다양한 기능을 수행합니다.

아날로그와 PWM 센서

PWM 센서로 대체되고 있는 두 가지 아날로그 센서를 식별하며 시작하겠습니다.

포텐셔미터

포텐셔미터는 한때 많은 위치 측정 용도의 선호 선택이었습니다.

조이스틱, 레버, 페달에서도 흔했습니다.

왜 PWM 장치로 대체되고 있을까요? 포텐셔미터는 금속 와이퍼가 저항성 소재에 마찰해 가변 저항을 만듭니다. 시간이 지나면 더러워지고 마모됩니다. 청소가 거의 불가능해 종종 교체됩니다.

그러나 완전히 사라진 것은 아니며 꽤 오랫동안 남아 있을 것입니다.

샤프트 인코더

샤프트 인코더는 어떨까요? 광학 인코더는 수십 년간 샤프트 위치 결정에 사용됐습니다. LED 광원과 코드 디스크에 의존하지 않고 출력 신호를 생성하는 PWM 절대 인코더가 먼지, 오일, 진동, 충격에 더 강한 내성을 제공합니다.

PWM 센서 작동 원리

좋습니다, PWM 센서를 어디서 찾을 수 있고 왜 그런지 논의했으니 이제 어떻게 작동하는지 설명하겠습니다.

간단히 말해 PWM은 일정 주파수 디지털 파형의 듀티 사이클을 조정하는 것입니다. PWM 센서로 듀티 사이클 변화는 회전, 위치, 압력 같은 물리적 매개변수 변화를 반영합니다.

듀티 사이클과 주파수

듀티 사이클이 무엇일까요? 주파수부터 논의해보겠습니다.

북미에서는 우리 모두 AC 라인 전압의 60Hz 주파수에 익숙합니다.

오실로스코프에서 AC 라인 전압은 초당 60사이클로 반복되는 사인파로 나타납니다.

간단한 수학으로 한 사이클을 완료하는 시간인 주기(Period)는 16.67밀리초임을 알 수 있습니다. 어떻게 구했을까요? 주기는 주파수의 역수입니다.

P는 한 사이클의 주기입니다.

파형 유형

모든 반복 파형이 라인 전압처럼 정현파이거나 극성이 번갈는 것은 아닙니다. 톱니파와 사각파 등이 있습니다.

PWM은 각 반주기가 지속 시간이 다를 수 있는 반복 파형입니다.

파형의 각 사이클에는 전압이 켜져 있는 시간과 꺼져 있는 시간이 있습니다.

듀티 사이클은 켜진 시간과 주기, 즉 한 사이클 지속 시간의 비율입니다. 듀티 사이클은 백분율로 표현됩니다.

PWM 센서 예시

예시를 살펴보겠습니다.

주기 2초, ON 시간 0.5초인 PWM 센서가 있습니다. 듀티 사이클은 ON 시간과 총 주기의 비율입니다. 이 예에서 0.5초를 2초로 나눈 값입니다. 듀티 사이클은 백분율로 표현하므로 25%입니다.

Megatron HTP36 시리즈 장치는 PWM 출력을 가진 단일 회전 절대 인코더입니다.

244Hz 주파수로 작동합니다. 듀티 사이클은 10%에서 90% 범위이며, 이는 0~360도 회전에 해당합니다. 5V DC 공급 전압으로 ON 시간 전압 펄스가 5V DC라고 가정할 수 있습니다.

왜 듀티 사이클이 10%~90%로 변할까요? 이 범위는 PWM 센서에서 흔하며, 5%~95%도 일반적입니다. 전체 0%~100% 범위는 진단 목적으로 사용되지 않습니다. 10% 미만이나 90% 초과 신호는 잠재적 결함 조건을 나타냅니다.

오실로스코프로 PWM 신호 관찰

이 인코더 출력에 연결된 Fluke 190 휴대용 배터리 구동 오실로스코프에서 관찰할 파형을 살펴보겠습니다.

0도 회전에서 10% 듀티 사이클을 관찰합니다. 파형 주기는 4.0밀리초, ON 시간은 0.4밀리초입니다.

360도 회전에서 90% 듀티 사이클을 관찰합니다. 평소처럼 파형 주기는 4.0밀리초입니다. ON 시간은 3.6밀리초입니다.

사양에 최대 듀티 사이클 90%가 명시돼 있는데 이는 대략 3.5ms입니다. 차이가 나는 이유는 데이터시트에서 제조사가 단순화를 위해 값을 반올림하는 것이 표준 관행이기 때문입니다.

디지털 멀티미터로 PWM 신호 측정

귀사나 귀하가 비싼 휴대용 오실로스코프를 구매할 수 있다면 좋겠지만, 많은 곳은 그렇지 않습니다.

Fluke 87V처럼 주파수와 듀티 사이클을 측정할 수 있는 특수 옵션이 있는 DMM(디지털 멀티미터)만 있으면 됩니다.

PWM 센서는 포텐셔미터처럼 수동 소자가 아닌 능동 소자입니다. 작동하려면 전원이 필요합니다. 서비스 가능 여부를 판단하기 위해 수행할 수 있는 옴미터 테스트는 없습니다.

이 특정 DMM에는 % 백분율 기호가 있는 Hz 버튼이 있습니다.

이 버튼으로 헤르츠 단위 주파수와 백분율 듀티 사이클을 한 번 눌러 측정할 수 있습니다.

주파수 측정하려면 리드를 VAC DMM 단자에 연결하고 셀렉터를 AC 볼트로 설정합니다. 오실로스코프와 같이 리드를 연결합니다. Hz 버튼을 한 번 누르면 디스플레이에 헤르츠 단위 주파수가 표시됩니다.

PWM 주파수는 일정하게 유지되므로 인코더를 회전해도 판독값은 변하지 않아야 합니다.

듀티 사이클 측정하려면 같은 리드를 연결한 채로 Hz 버튼을 다시 누르면 디스플레이에 백분율 듀티 사이클이 표시됩니다. 인코더를 0~360도 회전하며 듀티 사이클 값이 10%~90%로 변하는 것을 볼 수 있습니다.

DMM 판독값에서 센서가 고장났는지, 의심스러운지, 불안정한지 명백해질 것입니다.

DC 전압으로 PWM 센서 테스트

DMM에 주파수나 듀티 사이클 측정 옵션이 없다 해도 모든 게 끝난 건 아닙니다. 미터를 DC 볼트 측정으로 설정해 PWM 센서 작동의 대략적 아이디어를 얻을 수 있습니다. 이 모드에서 DMM은 펄스 파형의 평균을 표시합니다.

인코더 회전에 따라 듀티 사이클이 변하면 측정된 DC 평균 전압도 그에 따라 변합니다. 듀티 사이클이 증가하면 측정된 DC 전압도 그에 따라 상승합니다.

이 방법으로 듀티 사이클을 결정할 수는 없습니다. 그러나 인코더가 회전해도 DC 전압이 변하지 않으면 PWM 센서를 의심해야 합니다.

요약

듀티 사이클과 주파수를 이해하면 PWM 센서를 디지털 멀티미터로 현장에서 놀라울 정도로 쉽게 테스트할 수 있습니다.