Qu'est-ce qu'un codeur rotatif ? Types, fonctionnement et applications

La précision est devenue un besoin essentiel dans le monde de l'ingénierie d'aujourd'hui, où rien n'est un luxe. Dans l'automatisation industrielle, l'électronique grand public et tous les autres appareils, il est possible de contrôler le mouvement, mais il doit être précis. L'élément le plus important de cette capacité est un composant électromécanique vital : le codeur rotatif. Ce didacticiel présente le codeur rotatif en profondeur, en expliquant son objectif, ses mécanismes internes, ses catégories clés ainsi que son utilisation fondamentale dans un éventail d'applications/systèmes dans des scénarios de la vie réelle.

Qu'est-ce qu'un codeur rotatif et pourquoi est-il important ?

Un codeur rotatif est un dispositif électromécanique, ou un capteur électromécanique, qui mesure l'angle de rotation ou le mouvement d'un arbre en rotation et met cette information à disposition sous la forme d'un signal électrique. Ce signal est de nature analogique ou peut être un signal numérique qui fournit des informations exploitables concernant la position angulaire de l'équipement fixé, le sens de rotation d'un arbre, la vitesse et l'accélération. Sa capacité opérationnelle est inestimable dans de nombreux mécanismes divers où un retour d'information précis sur la rotation est nécessaire dans un mécanisme de contrôle en boucle fermée ou une méthode de mesure précise.

Un codeur rotatif est fondamentalement différent d'un potentiomètre, bien qu'ils soient tous deux couramment comparés. Un potentiomètre est un simple capteur analogique absolu, produisant une sortie de tension qui augmente avec la position d'un racleur mobile, et qui a une limite d'angle de rotation inférieure à 360A}}$S à environ 270 degrés, le zéro de la sortie correspondant à une valeur comprise entre 0 et 360 degrés (en fonction du fabricant). La plupart des codeurs rotatifs, en revanche, sont sans contact ou sont capables d'un degré de rotation théoriquement illimité, et les techniques de détection sans contact utilisées évitent l'usure mécanique inhérente au racleur d'un potentiomètre. Cela les rend parfaits pour être utilisés dans des applications à rotation continue et augmente considérablement leur durée de vie.

Les codeurs rotatifs fournissent les données de base de millions de procédures automatisées. Ces dispositifs, utilisés dans le contrôle industriel, la robotique, l'usinage CNC et ailleurs, sont essentiels pour donner à un système une idée de ses performances afin qu'il puisse s'y adapter et avoir une idée de son propre état. L'étude de leur fonctionnement est importante pour tout ingénieur ou technicien appelé à travailler dans ces domaines.

Comprendre le fonctionnement des capteurs rotatifs

Dans sa forme la plus simple, le rôle d'un codeur rotatif est de transformer une rotation mécanique en une série d'impulsions électriques. Un codeur rotatif fonctionne en réalisant cette opération grâce à une interaction intelligente entre un élément codé et un élément de détection.

L'élément le plus important est un disque à motifs ou une roue codeuse qui est pressé sur l'essieu en question. Ce disque présente un motif répétable avec des caractéristiques particulières qu'un capteur fixe peut détecter. L'application de ce principe se décline en trois technologies principales :

• Codeur rotatif optique : C'est le plus courant des différents types de codeurs et, la plupart du temps, il a les résolutions les plus élevées. La roue codeuse est un disque transparent sur lequel sont disposées des lignes ou des coupes opaques. Une diode électroluminescente (DEL) est utilisée pour projeter son faisceau à travers le disque, puis un photodétecteur enregistre les coups dans le faisceau lumineux lorsque les lignes opaques se déplacent sur la ligne de détection, ce qui produit une impulsion.
• Encodeurs magnétiques : Dans cette conception, un rotor magnétisé est utilisé sous la forme d'une roue codeuse comportant une série de pôles nord et sud. Les variations des champs magnétiques sont détectées par un capteur magnétique stationnaire à effet Hall ou magnéto-résistif lorsque la roue tourne. Les codeurs magnétiques peuvent être très robustes et présenter des niveaux élevés de fiabilité. Ils ne tolèrent pas les facteurs environnementaux tels que la poussière, l'humidité et l'huile, ce qui les rend adaptés aux applications industrielles salissantes.
• Encodeurs mécaniques : Il s'agit de la méthode la moins chère et la plus facile à utiliser. Un motif de traces conductrices sur un disque entre en contact physique avec un ensemble fixe de brosses. Un changement dans les motifs lorsque l'arbre tourne interpénètre et rompt les circuits pour développer un signal. Ils sont surtout désavantagés par l'usure mécanique, la courte durée de vie et le rebond de contact qui nécessite un débouclage du signal.

La plus grande innovation de la plupart des codeurs incrémentaux est l'utilisation de signaux en quadrature, d'où le nom de codeur en quadrature. Ils génèrent deux trains d'impulsions distincts (l'un est appelé phase A et l'autre phase B), qui sont déphasés de 90 degrés. En comparant la phase du signal qui précède l'autre, il est possible de déterminer avec certitude le sens de rotation. Lorsque A précède B, la rotation sur le plan se fait dans le sens des aiguilles d'une montre ; lorsque B précède A, elle se fait dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. On peut également mesurer la fréquence de ces impulsions afin d'obtenir la vitesse de rotation de l'arbre.

Plus un codeur est précis, plus sa résolution est élevée, ce qui se traduit par des impulsions par révolution (PPR) ou des comptes par révolution (CPR). Un codeur 1000 PPR émet 1000 impulsions par rotation de 360 degrés sur ses canaux A et B. Les codeurs multicanaux comprennent également un troisième canal, le signal Z ou signal d'index, qui émet une seule impulsion à chaque tour. Ce signal est très utile dans le cas de séquences de positionnement et d'étalonnage de la position.

Principaux types de codeurs et leurs principales différences

Bien que les codeurs aient plusieurs autres formes d wildyne en fonction de la manière dont ils détectent, leur catégorisation la plus importante est celle de la sortie. La décision d'utiliser un codeur incrémental ou un codeur absolu est une décision de conception majeure dans le système et dépend de l'exigence de position et du coût de l'application en question.

Codeur rotatif incrémental: Un codeur rotatif incrémental est un codeur qui émet un flux d'impulsions indiquant le mouvement relatif. Il ne projette pas la position réelle de l'arbre, mais indique qu'il est déplacé et dans quelle direction. Le contrôleur du système devra enregistrer ces impulsions par rapport à un point de départ connu. Ce point de départ doit être localisé, généralement par le biais d'une routine de localisation sur le signal Z. Le premier point fort des codeurs incrémentaux est qu'ils sont simples et bon marché. Néanmoins, l'inconvénient majeur est qu'en cas de coupure de courant, toutes les informations sur les positions sont effacées. Après le rétablissement de l'alimentation électrique, le système doit être réorienté afin de retrouver sa position.

Codeur rotatif absolu : Le codeur rotatif absolu, quant à lui, émet un signal différent - un mot numérique ou un code - pour chaque position de l'arbre. Dans un codeur absolu, la roue codeuse est plus complexe en ce sens que chaque position est codée selon un ensemble particulier de codes binaires. Cela signifie que lorsque le système a été mis hors tension, puis remis sous tension, le codeur fournira la position réelle dès que le courant sera rétabli. Il n'est donc plus nécessaire d'effectuer une séquence de retour et les données de positionnement ne sont pas perdues lors d'un cycle d'alimentation, ce qui est nécessaire dans la plupart des applications critiques de sécurité et de positionnement élevé. Les codeurs absolus sont encore plus divisés en deux catégories : les codeurs absolus et les codeurs absolus :

• Monotour : Fournit la position absolue à l'intérieur d'une révolution de 360 degrés.
• Multi-tour : Comprend un mécanisme d'engrenage supplémentaire qui compte également le nombre de tours complets, fournissant un code unique sur une vaste gamme de mouvements.

Sans surprise, la complexité et les capacités supplémentaires des codeurs absolus les rendent plus coûteux que leurs homologues incrémentaux.

Sorties de signaux et décodage des codeurs rotatifs

La sortie rectangulaire dérivée d'un codeur doit être correctement décodée au niveau du contrôleur récepteur (généralement un automate programmable, un microcontrôleur ou un variateur). La classification correcte des différents types de signaux de sortie est très importante pour assurer la compatibilité du matériel et l'intégrité du signal.

Le signal dominant produit est le signal en quadrature (phases A/B) comme expliqué dans les paragraphes précédents. Cependant, le circuit de commande de sortie détermine les propriétés électriques de la manière dont ces signaux sont commandés. Les exemples typiques sont les suivants :

• Push-Pull (HTL - High-Threshold Logic) : Il s'agit d'une sortie générale très répandue. Elle fait osciller positivement le signal vers le haut (vers la tension d'alimentation) et vers le bas (vers la masse) de manière à produire un signal fort et insensible au bruit. Elle est couramment utilisée dans les systèmes industriels 24V.
• TTL (Logique transistor-transistor): Ce pilote donne une sortie carrée de 5V et est destiné à des longueurs de câble plus importantes grâce à sa sortie A et A-not, B et B-not, Z et Z-not qui est un pilote de ligne différentiel. Les signaux différentiels assurent une excellente réjection du bruit en mode commun.
• Collecteur ouvert (NPN/PNP) : L'un des types de sortie est le collecteur ouvert (NPN/PNP), qui est utilisé comme un interrupteur. Il est capable de conduire la ligne de signal à la terre (NPN) ou à la tension d'alimentation (PNP), mais pas activement dans l'autre sens. Cela nécessite une résistance pull-up ou pull-down externe à l'extrémité du contrôleur, qui est généralement liée à une broche commune telle que VCC ou la masse, et qui est utilisée pour établir un état logique défini. Ce schéma d'interfaçage est avantageux entre les systèmes dont les tensions logiques varient.

Le processus de décryptage des signaux A / B est logique. Le contrôleur vérifie en permanence lequel des deux canaux est disponible. Le canal opposé ou le même canal entraîne une vérification de la direction. Si l'état du canal A n'est modifié que maintenant, le contrôleur examine l'état actuel du canal B. Si B diffère de l'état précédent, le contrôleur vérifie l'état actuel du canal B. Si B diffère de l'état précédent de A, la direction sera dans le sens des aiguilles d'une montre et la même situation se produit dans l'autre sens (lorsque l'état précédent de A est similaire à celui de B, la direction sera dans le sens inverse des aiguilles d'une montre). La logique est généralement appliquée à des compteurs matériels ou par le biais d'un logiciel avec l'utilisation d'interruptions externes pour assurer un contrôle fiable en temps réel. La quantité de fils (par exemple, 3 fils, 5 fils) qu'un codeur transporte est liée à son type de sortie (un codeur avec une sortie de type CC doit avoir plus de fils), à sa capacité à utiliser l'énergie et au fait que le codeur a ou non un signal Z ou des sorties différentielles.

Spécifications importantes pour le choix d'un codeur rotatif

Une analyse approfondie des besoins de l'application doit être effectuée pour déterminer le type de codeur à utiliser. Avant de prendre une décision incrémentale (par opposition à une décision absolue), il convient de tenir compte de certaines spécifications importantes :

• Résolution (PPR/CPR) : Il s'agit du nombre d'impulsions ou du nombre de tours. Une plus grande résolution permet une plus grande précision des mesures, mais elle nécessite l'utilisation d'un contrôleur capable d'envoyer et de recevoir des données à un débit plus élevé. Elle doit être couplée à la précision de positionnement nécessaire au système.
• Précision : Il ne faut pas confondre cette notion avec celle de précision. La précision est l'erreur la plus importante entre la position indiquée par le codeur et la position physique réelle. Elle est généralement mesurée en minutes ou secondes d'arc.
• Sortie Type : Le type de sortie Push-Pull, TTL ou Open Collector sélectionné doit être compatible avec les circuits d'entrée du contrôleur, comme indiqué ci-dessus.
• Spécifications mécaniques : Ceci (inclus avec le diamètre de l'arbre et le schéma de montage (par exemple, montage sur bride, montage sur servo) et la taille physique du corps d'un codeur). Il doit s'adapter physiquement à la conception de la machine.
• Environnement Classe de protection (IP Rating) : L'indice IP (Ingress Protection) est une définition du codeur qui détermine sa résistance à la poussière et aux liquides. Il peut être classé IP65, ce qui signifie qu'il est étanche à la poussière et aux jets d'eau, et qu'il peut donc être utilisé dans la plupart des environnements industriels. Résistance aux vibrations et aux chocs : elle est également essentielle pour les machines soumises à de fortes contraintes mécaniques.

Un amateur disposant d'une imprimante 3D de bureau pourrait renoncer au coût élevé et utiliser un codeur incrémental mécanique plus simple ou optique à faible résolution. À l'inverse, un ingénieur concepteur développant un bras robotique destiné à être construit sur une chaîne de fabrication doit se concentrer sur un positionnement absolu, une grande précision et un indice de protection IP suffisamment élevé, et s'orientera donc vers un codeur absolu magnétique ou optique de haute spécification.

Applications réelles dans les systèmes industriels et grand public

Les codeurs rotatifs ont des applications très diverses et nombreuses, qui dépendent des différentes applications et de presque tous les domaines technologiques.

• Automatisation industrielle: Les codeurs sont la clé du retour d'information du moteur. Ils peuvent être montés à l'arrière de l'arbre d'impact d'un servomoteur, d'un moteur pas à pas ou d'un moteur à courant continu pour transmettre des informations sur la vitesse et la position au variateur, afin d'offrir un meilleur contrôle des bandes transporteuses, des machines d'emballage et des lignes collectives automatisées.
• Systèmes robotiques : Les bras robotiques multiaxes utilisent des codeurs absolus le long de chaque articulation pour mesurer avec précision l'angle et la position de chaque segment. Ces informations sont importantes pour connaître l'emplacement de l'effecteur du robot et permettre au contrôleur d'effectuer des mouvements corrects.
• CNC & L'impression 3D : Impression 3D Dans les outils à commande numérique par ordinateur (CNC) et les imprimantes 3D, les codeurs sont montés sur les servomoteurs qui actionnent les vis à billes et les portiques. Ils garantissent que la tête de l'outil ou la buse d'impression fonctionne avec une précision de l'ordre du micron.
• Automobile : Dans les automobiles contemporaines, on trouve des encodeurs dans des applications telles que la détection de l'angle du volant dans les systèmes électroniques de contrôle de la stabilité, jusqu'aux boutons tactiles d'un système d'infodivertissement.
• Électronique grand public: Un codeur incrémental bon marché peut être trouvé dans la molette de défilement d'une souris d'ordinateur à une échelle plus petite. Les encodeurs peuvent également être utilisés pour tourner de manière fluide et continue les boutons de volume d'un équipement audio de haute catégorie avec une précision numérique.

Comment connecter des capteurs rotatifs à des microcontrôleurs ?

L'une des tâches d'ingénierie les plus typiques est de savoir comment interfacer ce type de capteur de position avec quelque chose qui peut l'interpréter, un contrôleur tel que Arduino, Raspberry Pi, ou un contrôleur logique programmable (PLC). Pour ce faire, il faut établir les contacts électriques appropriés et programmer une routine pour lire les signaux.

Tout d'abord, il faut s'assurer des niveaux de tension. Un codeur industriel HTL de 24 V a besoin d'une interface de 5 V. Pour les sorties à collecteur ouvert, il faut prévoir des résistances externes pour atteindre le niveau haut afin d'assurer un niveau haut solide dans les zones où la sortie n'est pas activée.

Les interruptions matérielles constituent l'approche logicielle la plus solide pour lire un codeur. Les broches du microcontrôleur auxquelles les sorties des canaux A et B sont connectées peuvent être interrompues. Chaque front montant et descendant des signaux active une routine de service d'interruption (ISR). La routine du système d'inventaire (ISR) Dans l'ISR, la logique de décodage décide de la direction et augmente ou diminue une variable du compteur de position. Cette technique est nettement meilleure que le polling (vérification répétée de l'état d'une broche au cours d'une boucle), qui peut en effet manquer une impulsion, même lorsque le programme principal est occupé ailleurs.

Les pièges typiques sont un mauvais câblage (mélange des canaux A/B ou alimentation chaude/neutre) et le fait de ne pas prendre en compte le rebond du signal lors de l'utilisation d'encodeurs mécaniques. Un petit condensateur dans le matériel ou écoute pendant quelques millisecondes et change un état dans le logiciel en répondant à un algorithme de “débouclage” Le rebond peut également être contré par une impédance relativement élevée sur une ligne de signal commune entre plusieurs dispositifs. Il est très important de suivre la méthode définie de câblage, de codage et de test.

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