Dépannage du codeur : est-ce le codeur ou la chaîne ?

Si vous êtes venu ici pour réparer le bouton de réglage du volume d'un clavier, la molette d'une souris ou une carte d'encodage vidéo, cet article ne vous concerne pas. Nous parlons ici d'un codeur rotatif industriel fixé à un moteur ou à l'arbre d'une machine. C'est la pièce qui indique à votre contrôleur la distance parcourue et la vitesse à laquelle un élément se déplace. Et en ce moment, elle ne dit plus la vérité.

Dans ce cas, la première réaction est généralement de commander un nouveau codeur. Parfois, cela résout le problème. Mais souvent, ce n’est pas le cas. Ce qui ressemble à une défaillance du codeur est généralement dû à un problème situé ailleurs dans la chaîne de signal qui achemine les impulsions du codeur vers votre contrôleur. Ce guide passe en revue cette chaîne maillon par maillon, depuis les impulsions que le codeur devrait produire jusqu’aux spécifications que vous devez vérifier avant de commander une pièce de rechange.

Signaux des codeurs incrémentaux : les bases. Que transmet un codeur en bon état de fonctionnement ?

La plupart des codeurs industriels équipant les machines de production sont de type incrémental. À l'intérieur, un disque optique ou magnétique tourne avec l'arbre. Le circuit électronique de détection convertit son motif en impulsions carrées : deux canaux, A et B, décalés de 90° l'un par rapport à l'autre, auxquels s'ajoute, sur la plupart des modèles, un troisième canal Z qui émet une impulsion par tour et marque la position de référence.

Les chiffres importent moins que la forme. Si votre codeur est calibré à 100 PPR, un appareil en bon état produit exactement 100 paires d’impulsions par tour de l’arbre, les signaux A et B se chevauchant d’un quart de largeur d’impulsion. Les fiches techniques autorisent généralement un décalage de phase compris entre 45° et 135° (90° ± 45°) avant que l'appareil ne soit considéré comme hors spécifications. Mais comme vous le verrez, un appareil respectant les tolérances indiquées dans sa fiche technique peut tout de même s'avérer inutilisable dans une installation réelle.

Deux éléments à prendre en compte dans tout diagnostic :

• Les codeurs incrémentaux ne disposent pas de mémoire. Ils comptent les impulsions pendant que l'arbre tourne. En cas de coupure de courant, le compteur est remis à zéro et le contrôleur ne sait plus où en est la machine. Ce n'est pas un dysfonctionnement. C'est une caractéristique de conception. Cette distinction aura son importance par la suite.
• La qualité du signal de sortie dépend entièrement de celle du circuit qui le transmet. Les codeurs se distinguent par le mode de pilotage de leurs sorties : sortie en tension, collecteur ouvert NPN ou PNP, configuration complémentaire (push-pull) ou circuit d'attaque différentiel. C'est ce choix, et non le disque interne, qui est à l'origine de la plupart des défaillances sur le terrain.

À quoi ressemble donc un dysfonctionnement, et comment le vérifier à l'aide des outils disponibles sur l'établi ?

Premières vérifications : comment tester un codeur avant de l'accuser d'être défectueux

Avant de soupçonner le capteur lui-même, effectuez ces cinq vérifications dans l'ordre. Chacune d'entre elles permet d'éliminer une branche entière de la chaîne. Au total, elles prennent environ cinq minutes à l'aide d'un multimètre :

1. Mesurez la tension d'alimentation au niveau du codeur. Ne vous fiez pas à vos suppositions. Les gammes à collecteur ouvert et à amplificateur de ligne ont des exigences d'alimentation différentes, et une alimentation qui affiche un niveau bas ou qui présente du bruit sous charge peut provoquer tous les problèmes possibles et imaginables.
2. Vérifiez le câblage et les bornes. Des bornes à vis desserrées, des connecteurs oxydés et une ligne commune ou de 0 V “ flottante ” constituent les diagnostics les plus courants de « capteur de position défectueux », qui s'avèrent en réalité être des problèmes de connexion.
3. Faites tourner lentement l'arbre et observez les signaux A et B par rapport à la masse. Sur une sortie à collecteur ouvert avec résistance de rappel haut, chaque canal doit osciller entre une valeur proche de 0 V et une valeur proche de la tension d'alimentation à mesure que l'arbre tourne. Un canal qui reste stable est défectueux : le problème provient soit du canal lui-même, soit de son câble, soit de son entrée.
4. Si votre modèle dispose d'un canal Z, faites tourner l'arbre d'un tour complet et vérifiez qu'une seule impulsion est générée.
5. Remplacez-le par un câble dont vous êtes sûr qu'il fonctionne et refaites le test. Les pannes de câble sont peu coûteuses à réparer, mais leur diagnostic erroné peut coûter cher.

La limite réelle du multimètre : il vous indique si des impulsions sont présentes et, approximativement, leur amplitude. Il ne permet pas de détecter les déphasages, les cycles de service faussés, les impulsions manquantes ou les bruits intermittents, alors que ces quatre défauts sont à l'origine de la plupart des problèmes de production intermittents. Si les cinq vérifications s'avèrent concluantes et que la machine continue de présenter des dysfonctionnements, la question suivante n'est pas de savoir quel codeur commander, mais quel maillon de la chaîne est défaillant.

Est-ce le codeur ou la chaîne ? Où se situent réellement les défaillances du codeur ?

La chaîne de signal comporte cinq maillons : le mécanisme de détection à l'intérieur du codeur, l'étage de sortie électrique, le câble reliant le codeur au contrôleur, le circuit d'entrée ou de comptage du contrôleur, et le support mécanique qui assure le bon positionnement du codeur. Les pannes survenant en conditions réelles se répartissent de manière inégale entre ces maillons, et le codeur lui-même est souvent innocent.

L'interface électrique : lorsque les circuits de sortie ne sont pas compatibles

Les codeurs industriels transmettent leurs signaux de sortie selon quelques modes normalisés, et chacun d'entre eux nécessite un type spécifique de circuit d'entrée côté contrôleur :

• NPN à collecteur ouvert Il absorbe le courant. Il met sa sortie à l'état bas et nécessite l'entrée du contrôleur, ou une résistance de tirage vers le haut, pour fournir le niveau haut. Si vous l'associez à une entrée de type « sourcing » ou PNP, vous n'obtiendrez aucun signal exploitable.
• PNP à collecteur ouvert sources en courant. Il s'agit d'une version symétrique et il nécessite une entrée à masse.
• Complémentaire (push-pull) Il pilote activement aussi bien les signaux hauts que les signaux bas, ce qui lui permet de prendre en charge les deux types d'entrée. C'est pourquoi il est recommandé par défaut pour les câbles de grande longueur ou les environnements soumis à des interférences électriques.
• Circuit d'attaque de ligne (différentiel RS-422) transmet chaque canal sous forme de paire symétrique, ce qui permet d'annuler le bruit induit. C'est la solution standard pour les longues distances et les fréquences d'impulsion élevées.

Lorsque la topologie de sortie ne correspond pas à l’entrée du contrôleur, les symptômes vont de l’absence totale de signal à un comptage dans un seul sens, en passant par des erreurs aléatoires qui apparaissent et disparaissent en fonction de la température. Il suffit de remplacer le codeur par un autre exemplaire du même type non compatible pour que le problème réapparaisse immédiatement. C’est exactement ainsi que les machines se retrouvent avec un tiroir rempli de codeurs “ défectueux ” qui avaient pourtant passé les tests avec succès sur banc d’essai.

La liaison par câble : là où se produisent réellement les défauts intermittents

Les erreurs de comptage intermittentes indiquent avant tout un problème au niveau du câble et de son environnement. La machine fonctionne pendant des heures, puis perd soudainement sa position ou génère un défaut. Le scénario classique est celui d’un fil de signal entaillé ou pincé à l’intérieur du moteur, provoquant un court-circuit contre une partie métallique sous tension. Un constructeur a précisément documenté ce cas après avoir “ grillé ” trois codeurs sur le même moteur. Chacun d’entre eux est tombé en panne avec le message suivant : « sortie toujours présente, mais oscillant de quelques impulsions autour de zéro » (Dépannage du codeur rotatif, MowerProject). Ses essais au banc se sont révélés concluants à 12 V. Le défaut n'est apparu qu'à 24 V sur la machine.

Lorsqu'un axe CNC déclenche une alarme de codeur à la mise sous tension, les premières mesures prises par les constructeurs de machines sont révélatrices : vérifier le blindage des câbles, contrôler la mise à la terre de l'équipement et inspecter le cheminement des câbles (Erreur de signal du codeur incrémental SINUMERIK 840D, Siemens SiePortal). Le blindage n'est efficace que s'il est relié à la terre à son extrémité droite, et les câbles de l'encodeur qui circulent dans le même conduit que le câble d'alimentation du moteur captent des parasites qu'aucun encodeur ne peut filtrer. Si vous choisissez un produit de remplacement pour un câblage long ou sujet aux parasites, le choix du circuit de sortie (circuit complémentaire ou amplificateur de ligne par opposition à un circuit à collecteur ouvert) relève d'une décision technique, et non d'un critère de prix.

Les liaisons de réception et de montage : quand le problème ne vient pas du codeur

C’est le côté « contrôleur » qui prime. Les cartes de comptage et les entrées de servomoteurs ont parfois besoin d’être redémarrées, et les programmes d’automates programmables peuvent être écrits de manière à mal interpréter des impulsions valides. Une discussion sur la maintenance concernant un problème tenace lié à un codeur a conclu que la carte du codeur elle-même devait être remplacée, ou au moins redémarrée (Question de dépannage, r/IndustrialMaintenance). Si vous disposez d'un axe de rechange, le test le plus économique en maintenance industrielle consiste à remplacer le codeur par un autre dont le bon fonctionnement est avéré. Si le défaut se déplace avec le codeur, c'est que celui-ci est en cause. S'il persiste, ce n'est pas le codeur qui est en cause.

Le support mécanique est l'autre coupable silencieux. Les codeurs sont des instruments de précision fixés à des machines soumises à des vibrations. Un support mal aligné ou déformé génère des comptages erronés qui ressemblent en tous points à une défaillance électronique. Un observatoire a pu retracer des années d'erreurs de pointage de son télescope à un support de codeur pressé contre le carter du moteur, alors que le codeur lui-même était en parfait état (Problèmes liés aux codeurs incrémentaux, IfA Hawaii). Avant de conclure à une défaillance du codeur, vérifiez si l'accouplement présente un glissement, si l'arbre subit une charge excessive et si le support est déformé. Un accouplement desserré glisse sous l'effet de la charge et génère des erreurs de comptage, exactement comme un canal mort.

Lorsque les cinq liaisons s'avèrent conformes mais que le problème persiste, l'oscilloscope est l'outil de référence. Dans une installation en bon état de fonctionnement, le déphasage doit se situer autour de 90° ± 5 à 10°, ce qui est plus strict que la tolérance indiquée dans la fiche technique. L'amplitude doit être proche de la tension d'alimentation, et les impulsions doivent être uniformes (Défaut du codeur de l'automate programmable, Conseils techniques). Les impulsions manquantes, les cycles de service irréguliers ou les canaux qui changent d'état simultanément indiquent finalement que le problème provient bien du disque interne ou de l'électronique du codeur.

Réparer ou remplacer — et pourquoi la perte de position après la mise hors tension change la donne

Une fois que vous avez confirmé que le problème provient bien du codeur lui-même, les possibilités de réparation sur site sont limitées. Le repositionnement ou la refabrication des connecteurs et le remplacement du câble constituent des réparations valables. Sur certains modèles, il est possible de nettoyer une fenêtre optique encrassée. En cas de défaillance du disque, de la source lumineuse ou de l'étage de sortie, un remplacement s'impose. Dans la pratique, pour la plupart des codeurs incrémentaux industriels, “ réparer ” revient à “ remplacer par un modèle aux caractéristiques identiques ”.”

Cela soulève la question qui distingue une intervention de cinq minutes d'une intervention récurrente. Les codeurs incrémentaux perdent leur position en cas de coupure de courant. Si votre machine effectue automatiquement un retour à l’origine au démarrage et que cette perte ne vous coûte rien, achetez le même modèle incrémental et passez à autre chose. En revanche, si la perte de position implique un réajustement manuel, la mise au rebut d’une pièce en cours de fabrication ou une chaîne de production qui doit attendre un opérateur, ce coût récurrent justifie pleinement le passage à un codeur absolu, qui mémorise sa position d’un cycle d’alimentation à l’autre.

Cette mise à niveau présente des limites strictes. Un codeur absolu est inutile si votre variateur ne prend en charge que le comptage incrémental des impulsions. Les codeurs absolus multitours nécessitent une batterie ou un système de secours mécanique que certaines installations ne peuvent pas prendre en charge. Vérifiez la compatibilité du variateur avant l'achat. Un “ meilleur ” codeur que votre variateur ne peut pas lire est pire que le codeur incrémental dont vous disposiez déjà.

Que commander ? Décryptage du circuit de sortie, de la tension et du rapport PPR de l'ancien encodeur

Vous avez retiré l'ancien codeur de l'arbre. À présent, la seule question qui compte est de savoir exactement quel modèle commander. La réponse figure sur la plaque signalétique de l'ancien appareil, si vous savez comment la déchiffrer.

Lisez le suffixe de la référence. Dans les gammes de codeurs incrémentaux les plus courantes du secteur, le bloc de suffixe de la référence indique le type de circuit de sortie et la tension d'alimentation. Une gamme dont la plate-forme de base est commune à toutes les variantes utilise des lettres finales pour désigner la variante électrique : un même codeur mécanique est proposé avec une sortie en tension, un collecteur ouvert NPN ou PNP, un circuit complémentaire ou un amplificateur de ligne, chacun avec sa propre plage d'alimentation.

Voici l'habitude la plus utile qui soit lors du remplacement d'un encodeur : convertissez la référence en trois caractéristiques (circuit de sortie × tension d'alimentation × PPR) avant de rechercher un prix. Ces trois caractéristiques constituent le produit. La référence n'est qu'une abréviation de celles-ci.

Si la plaque signalétique est manquante ou illisible, l'ancien module peut tout de même être identifié par ses caractéristiques électriques. Alimentez-le à l'aide d'une alimentation de table et observez la sortie à l'aide d'un multimètre ou d'un oscilloscope. Une sortie à collecteur ouvert reste au niveau bas, sauf si une résistance de tirage vers le haut est installée. Une sortie complémentaire ou à circuit d'attaque de ligne commande activement les deux niveaux. Ce comportement statique suffit à lui seul à distinguer les principales familles.

Circuit de sortie × entrée du régulateur : tableau de correspondance

Les familles à collecteur ouvert sont les plus courantes sur les machines anciennes, car elles s'adaptent directement aux entrées des automates programmables. Elles constituent également la source la plus fréquente de “ signal absent ” lorsque l'entrée du contrôleur présente une polarité inverse. Les sorties complémentaires et à amplificateur de ligne existent pour une bonne raison : un contrôleur incapable de lire une longue ligne à collecteur ouvert lira sans problème un signal complémentaire ou différentiel. Si votre câblage est long, s’il partage un chemin de câbles avec le câblage d’alimentation ou s’il alimente un servomoteur, laissez la longueur du câblage déterminer le type de sortie. Ne laissez pas la liste des prix en décider.

PPR et nombre de canaux : correspondre à l'ancien appareil

Le PPR est la résolution sur laquelle reposent les calculs de position et de vitesse du contrôleur. Si vous le modifiez, vous modifiez toutes les valeurs d’affichage de vitesse et de position de la machine, à moins de modifier également les paramètres du contrôleur. Ainsi, pour un remplacement à l’identique, il faut faire correspondre exactement le PPR de l’ancien appareil. Il est tout aussi facile de se tromper sur le nombre de canaux. Si la machine effectue son retour à l’origine sur une impulsion Z, un remplacement sans canal Z désactive silencieusement le retour à l’origine. Vérifiez ces deux éléments par rapport à la fiche technique, et non pas en vous basant sur le fait qu“” ils semblent identiques ».”

Il existe une limite stricte à la notion de “ compatibilité ” : “ compatible ” ne signifie pas « visuellement identique ». Un codeur dont le circuit de sortie, la tension et le rapport PPR correspondent, mais dont le diamètre d'arbre, la longueur de câble ou le schéma de montage diffèrent, ne constitue pas un remplacement direct. Et tout fournisseur incapable de fournir un tableau technique répertoriant ces paramètres ne fait que vendre un produit au hasard.

C’est là que la structure par famille de sorties prend tout son sens. Dans la gamme de codeurs incrémentaux d’OMCH, le suffixe permet d’effectuer le même décodage que celui que cet article vient de vous expliquer. Une même plate-forme mécanique couvre les variantes à sortie en tension, à collecteur ouvert NPN et PNP, à sortie complémentaire et à amplificateur de ligne. La classe “ -6C ” correspond à une sortie à collecteur ouvert NPN de 5 à 24 VCC. La variante à sortie complémentaire est recommandée pour des longueurs de câble supérieures à 10 m ou dans des environnements à fortes interférences ; son tableau de caractéristiques techniques figure sur une page dédiée. Les options de résolution vont de 10 à 1 200 PPR sur l’ensemble de la gamme. La fiche technique de chaque variante indique son circuit de sortie, sa tension d’alimentation, sa tension résiduelle et son courant de sortie en circuit ouvert ; les trois caractéristiques que vous venez d’apprendre à déterminer sont donc les trois mêmes que celles que nous publions (Présentation de notre gamme de codeurs incrémentaux, Tableau des caractéristiques techniques de la version à sortie complémentaire).

Où acheter un encodeur de rechange : ce qu'il faut vérifier en premier lieu

Vos trois critères sont fixés. Avant de verser de l'argent à un vendeur, qu'il s'agisse d'une marque, d'un produit générique ou d'une plateforme de vente en ligne, vérifiez trois points :

1. Une fiche technique qui précise les paramètres suivants : circuit de sortie, tension d’alimentation, PPR, nombre de canaux, tension résiduelle, courant de sortie. “ Compatible avec la marque X ” est un argument marketing. Un tableau des paramètres constitue une preuve.
2. Une garantie écrite et une procédure de retour. Même les acheteurs les plus attentifs peuvent se tromper lors de la commande. La question est de savoir ce qui se passe dans ce cas-là ; il faut donc vérifier les conditions avant de passer commande, et non après.
3. Quelqu'un capable de répondre à une question sur un contrôleur. Posez la question suivante : “ Mon entrée est une carte API de 24 V en mode source. De quelle variante ai-je besoin ? ” Un fournisseur qui répond en indiquant un numéro de variante plutôt qu'en haussant les épaules est un fournisseur sur lequel vous pourrez compter quand cela comptera vraiment.

Un fournisseur qui dispose en stock de l'ensemble de la gamme de produits, et pas seulement du modèle qui s'est avéré populaire, est également un fournisseur capable de livrer la bonne variante lorsque la plaque signalétique indique une référence inhabituelle.

Le point de vue du distributeur : stocker et vendre des codeurs par famille de spécifications, et non par référence

Tout ce qui précède s'adresse à la personne chargée de réparer une machine. Si vous vendez des composants d'automatisation industrielle, vous lisez ces lignes pour une autre raison. Vos clients sont ces personnes, et la question qu'elles posent le plus souvent au sujet des codeurs n'est pas “ qu'avez-vous à proposer ? ”, mais “ le codeur de ma machine est en panne, lequel me faut-il ? ”.”

Cette question relève d'une demande récurrente, et non d'une demande ponctuelle. Les machines sur le terrain continuent de fonctionner, et chaque machine en service équipée d'un codeur incrémental représente une future demande de remplacement.

Stock par famille de spécifications, et non par référence

Les données relatives aux pannes présentées dans cet article mettent en évidence un enseignement à tirer en matière de gestion des stocks. Le parc installé présente une grande diversité électrique : des pilotes de ligne 5 V sur les axes servo, des collecteurs ouverts NPN à large plage de tension sur les lignes contrôlées par API, et des sorties complémentaires sur les nouvelles lignes sujettes au bruit. Les références qui codifient cette diversité se multiplient plus vite que n’importe quel stockiste ne peut les mémoriser. Organisez plutôt votre stock d’encodeurs selon la formule : circuit de sortie × tension × PPR. Une seule famille de capteurs complémentaires ou NPN offrant une large plage de tension permet de répondre à la majeure partie des demandes de remplacement. Une famille de pilotes de ligne couvre les demandes liées aux séries de grande longueur et aux servomoteurs. Les modèles absolus ne justifient leur place en stock que lorsque les machines de vos clients régionaux ont des difficultés à revenir à leur position de référence.

Indiquez les trois caractéristiques techniques avant le prix

La démarche professionnelle, celle qui instaure la confiance plutôt que de viser le profit, consiste à refuser d’établir un devis tant que ces trois spécifications n’ont pas été précisées. Demandez la référence de l’ancien appareil. Expliquez la signification du suffixe au client. Vérifiez la tension et le nombre de pas par tour (PPR). Ensuite seulement, établissez le devis. Les vendeurs qui proposent “ un codeur compatible ” sans ces trois paramètres sont la raison pour laquelle les acheteurs cités dans les exemples d’échecs de cet article ont des tiroirs remplis de codeurs “ défectueux ” testés sur banc d’essai. Proposez le service de traduction et la couverture complète de la gamme, et la gamme de codeurs cessera d’être une référence à faible marge. Elle deviendra la raison pour laquelle un client vous enverra également le reste de sa demande concernant l’armoire.

Si le suffixe figurant sur votre ancien encodeur ne vous dit rien, envoyez-nous la référence de la pièce ou une photo de la plaque signalétique, et nous le traduirons en trois spécifications avant que vous ne passiez commande (notre aide au choix des produits, contactez notre équipe).

Références

1. Fluke. Dépannage d'un codeur rotatif à l'aide d'un multimètre — Au-delà du multimètre, 3e partie.
2. MSC Industrial Direct. Diagnostiquer les problèmes liés aux codeurs rotatifs à l'aide d'un oscilloscope.
3. Siemens SiePortal. SINUMERIK 840D : erreur de signal du codeur incrémental à la mise sous tension.
4. Un conseil. Défaut du codeur de l'automate programmable.
5. Reddit r/IndustrialMaintenance. Question relative au dépannage.
6. MowerProject. Dépannage des codeurs rotatifs.
7. IfA Hawaii (TCS). Problèmes liés aux codeurs incrémentaux.
8. Tout savoir sur les circuits. Sortie du codeur incrémental.
9. OMCH. Présentation de la gamme de codeurs incrémentaux.
10. OMCH. Tableau des caractéristiques techniques du codeur à sorties complémentaires E6B2-CWZ5G.
11. OMCH. Aide à la sélection des produits.
12. OMCH. https://www.omch.com/.