Comment choisir le bon codeur absolu ou incrémental pour l'automatisation industrielle ?

L'automatisation industrielle est une question de précision, et le choix d'un codeur absolu ou d'un codeur incrémental pour votre système détermine l'efficacité de cette dépense. Que vous conceviez des applications complexes de contrôle de mouvement ou de simple surveillance de la vitesse, il est essentiel de comprendre les types spécifiques de codeurs. Trouver la bonne adéquation entre un codeur absolu et une technologie incrémentale revient souvent à trouver un équilibre entre le coût, les raisons de sécurité et les besoins de performance.

Ce guide couvre un large éventail d'applications afin de vous aider à choisir le type de codeur qui convient à votre système de commande de mouvement.

Codeurs incrémentaux : Principes et nécessité du repérage

Vous devez savoir comment fonctionne le codeur incrémental pour connaître le choix que vous êtes sur le point de faire. C'est le cheval de bataille de l'industrie, qui se caractérise par la simplicité du matériel.

Le processus est basé sur le disque d'un encodeur incrémental - typiquement un disque transparent avec un ensemble de lignes ou de trous opaques. Une source lumineuse passe à travers ces fentes lorsque le disque tourne, et un photodétecteur produit un flux continu d'impulsions électriques. Ce signal de sortie est généralement organisé en trois canaux : Signal A, Signal B et Signal Z (le signal d'index).

Ces signaux se présentent sous la forme d'ondes carrées. La fréquence de ces impulsions détermine la vitesse du système et le nombre d'impulsions est lié à la distance. En comparant la différence de phase entre le signal A et le signal B, le système détermine la direction du mouvement (par exemple, lorsque A précède B, l'arbre tourne dans le sens des aiguilles d'une montre). Le contrôleur compte ces impulsions pour déterminer la position de l'arbre.

Mais la résolution d'un codeur incrémental s'accompagne d'une contrainte opérationnelle spécifique : la notion de “homing”.”

Un système incrémental mesure essentiellement une position relative. Il est seulement conscient qu'il s'est déplacé. La mémoire volatile contenant le nombre d'impulsions est effacée lorsque le système est mis hors tension. Lorsque le contrôleur est redémarré, il lit une position de zéro, quelle que soit la position réelle du bras ou de l'arbre mécanique.

Pour fonctionner, la machine doit effectuer une séquence de positionnement pour trouver un point de référence. Elle doit physiquement déplacer l'axe jusqu'à ce qu'il déclenche un capteur pour établir une position de référence. C'est ce qui caractérise les codeurs incrémentaux.

Codeurs absolus : Codes uniques et protocoles de communication

Le codeur rotatif absolu est une solution au problème de la perte de position car il modifie le langage de la mesure. Il n'émet pas un flux d'impulsions identiques. Au lieu de cela, il attribue un code unique à chaque position dans sa rotation.

Le disque optique d'un codeur absolu est beaucoup plus complexe que celui d'un codeur incrémental. Il comporte plusieurs bandes concentriques de parties opaques et transparentes. Lorsque la lumière traverse ces pistes, elle crée un mot numérique parallèle, un modèle particulier de uns et de zéros.

Cela signifie qu'il existe un code unique pour chaque angle particulier de l'arbre. Le contrôleur n'a pas besoin de compter les mouvements précédents pour connaître la position d'un objet ; il lit simplement la position actuelle.

Ce système absolu s'étend sur deux catégories distinctes :

1. Codeur absolu monotour : Ces codeurs fournissent un code unique pour chaque position à l'intérieur d'une rotation de 360 degrés. Si l'arbre effectue un tour complet, la valeur est réinitialisée. Cela suffit pour les bras robotiques ou les vannes qui fonctionnent dans un arc de cercle limité.
2. Codeur absolu multitour : Ces instruments enregistrent les informations relatives à la position sur 360 degrés ainsi que le nombre de rotations complètes. Le codeur mémorise le nombre de tours par l'intermédiaire d'un engrenage interne ou d'une mémoire à pile. Cette fonction est nécessaire dans les applications linéaires actionnées par des vis sans fin, où la distance totale de déplacement est supérieure à une rotation complète de l'arbre du moteur.

Avec les codeurs absolus, vous passez d'une incertitude relative à une position absolue. L'appareil fournit immédiatement des positions spécifiques et des données de position.

Différences critiques en matière de performances : Incrémentales ou absolues

Lorsque nous allons au-delà de la fiche technique, les différences théoriques dans la comparaison entre codeurs incrémentaux et absolus se manifestent comme des facteurs de performance critiques. Nous devons les évaluer sur la base de trois réalités techniques spécifiques : le comportement au démarrage, la stabilité du signal (ou l'immunité au bruit) et la vitesse de traitement.

Comportement au démarrage et mémoire de position

La première différence opérationnelle est la plus immédiate : le comportement au démarrage.

En utilisant un codeur incrémental, le système démarre en aveugle. Comme expliqué, la machine entre dans un état improductif parce qu'elle n'a pas de mémoire de position. Elle ne peut pas reprendre son travail, elle doit s'orienter. Ce besoin d'orientation n'est pas seulement un inconvénient dans les opérations à grande échelle, comme dans le cas des grues à portique, des systèmes d'entreposage automatisés ou des presses à imprimer lourdes ; il s'agit d'un risque opérationnel sérieux. Lorsqu'une panne de courant survient alors qu'un bras robotisé est profondément enfoncé dans le châssis d'une voiture sur une chaîne d'assemblage, il n'est pas possible d'effectuer un autoguidage sans risque de collision. Le bras doit savoir où il doit se retirer en toute sécurité.

Le codeur absolu permet de mémoriser la position et de se préparer instantanément. La position étant déterminée par le motif physique du disque, les données sont fournies quelques millisecondes après le rétablissement de l'alimentation. Aucun mouvement n'est nécessaire. L'encodeur est sollicité par le contrôleur et la coordonnée précise est fournie. Cette fonction de mémoire de position modifie essentiellement la mesure de sécurité de la machine. Elle permet des “redémarrages à chaud”. Il ne s'agit pas d'un luxe dans les infrastructures critiques, comme les équipements de balayage médical ou les systèmes de contrôle des ascenseurs, mais d'une exigence de sécurité. On ne peut pas demander à un robot chirurgical de recalibrer son point zéro lorsqu'un patient est sur la table.

Stabilité du signal dans des environnements très bruyants

L'environnement électrique des industries est hostile. On y trouve des variateurs de fréquence (VFD), des équipements de soudage lourds et des appareillages de commutation à haute tension. Ces gadgets provoquent de nombreuses interférences électromagnétiques (IEM). C'est ici que la notion de robustesse sera le facteur déterminant dans le choix d'un codeur absolu ou incrémental.

Les codeurs incrémentaux sont sensibles aux interférences électromagnétiques. Lorsqu'un pic de bruit est causé par un soudeur voisin et qu'il provoque une fausse tension dans le câble de signal, le contrôleur peut interpréter le pic de bruit comme une impulsion. En revanche, une impulsion légitime peut être supprimée par de fortes interférences.

Le risque dans ce cas est l'erreur cumulative. Lorsque le contrôleur ne reçoit pas une impulsion sur des milliers, la position enregistrée n'est pas la même que la position réelle. Le contrôleur n'est pas conscient du fait qu'il a manqué un battement. Il continue à compter le mauvais nombre. Ces petites erreurs s'accumulent au fil des heures de travail. Un jour, un robot soudeur peut se tromper de 2 mm par rapport à sa cible, ce qui entraîne un lot entier de déchets. L'erreur se poursuit jusqu'à ce que la machine soit éteinte et relogée.

Les codeurs absolus sont dotés d'une fonction d'autocorrection. Ils ne sont pas basés sur un décompte en cours. Ils envoient un mot numérique de la position actuelle.

Prenons l'exemple d'une transmission de données corrompue par un bruit électrique pendant plus de 10 millisecondes. Le contrôleur peut recevoir des données non valides pendant cette courte fenêtre. Mais lorsque le bruit a cessé, le paquet de données suivant du codeur absolu est le nouveau code de position correct en fonction de l'angle de l'arbre à ce moment-là. L'erreur n'est pas aggravée. Le système se rétablit instantanément. Dans les applications à haute fiabilité où l'intégrité du signal est primordiale, une telle validation robuste des données rend le codeur absolu plus performant.

Limites de vitesse et latence du traitement des données

Bien que les codeurs absolus soient plus fiables, la physique du traitement des données impose diverses limitations en termes de vitesse par rapport aux systèmes incrémentaux.

La fréquence des impulsions limite les codeurs incrémentaux. Plus la vitesse de l'arbre est élevée, plus les impulsions sont fréquentes. À un moment donné, on atteint une limite physique où l'électronique ne peut pas s'allumer et s'éteindre assez rapidement, ou la capacité du câble transforme les ondes carrées en un désordre illisible. Mais, dans leur plage, les signaux incrémentaux sont pratiquement instantanés.

Les codeurs absolus sont limités par la latence et la vitesse de transmission. Étant donné que le codeur doit lire le modèle, le coder selon un protocole numérique (tel que SSI ou EtherCAT) et envoyer ce paquet de données au contrôleur, il a un petit délai de calcul. Même dans les applications à très grande vitesse, ce temps de latence, même en microsecondes, doit être pris en compte dans la boucle de contrôle.

En outre, le temps de cycle de communication détermine le taux de rafraîchissement des données de position. Lorsque vous avez besoin d'un retour de vitesse en temps réel d'un servomoteur extrêmement dynamique, vous devez vous assurer que le taux de communication du codeur absolu est supérieur à la boucle d'asservissement de votre variateur. Cette lacune a été comblée par les codeurs absolus modernes, bien qu'en cas de contrôle simple de la vitesse brute, l'impulsion directe d'un codeur incrémental reste une solution valable et à faible latence.

Normes d'interface : Connectivité et intégration des contrôleurs

Le choix du matériel d'encodage n'est pas tout, vous devez vous assurer qu'il est compatible avec votre contrôleur. La complexité de l'intégration des deux technologies est très différente.

Le codeur incrémental est câblé pour être connecté. Vous avez généralement trois fils de sortie (A, B, Z) et leurs inverses, l'alimentation et la masse. Vous avez besoin d'un module de compteur à grande vitesse (HSC) du côté du contrôleur. Le processeur interne de l'automate est nécessaire pour traiter la logique et il doit être programmé pour lire les impulsions en quadrature. Le câblage est standard, mais c'est à l'unité centrale de votre contrôleur de compter.

Les codeurs absolus sont des nœuds de réseau intelligents. Ils ont besoin de certains protocoles de communication. C'est là qu'il n'y a pas de compromis possible avec votre architecture actuelle.

• Interfaces série (SSI/BiSS) : L'interface série synchrone (SSI) est la norme de connexion point à point. Elle est également efficace, utilise moins de fils et transmet les données de position en synchronisation avec une impulsion d'horloge envoyée par le contrôleur. Elle évolue de manière bidirectionnelle en BiSS, qui prend en charge des débits de données plus élevés.
• Bus de terrain et Ethernet (Modbus, EtherCAT, PROFINET): Les codeurs absolus modernes sont souvent directement reliés au réseau industriel. Un exemple typique est celui d'un codeur EtherCAT qui s'insère simplement dans le port Ethernet d'un variateur ou d'un automate. Cela permet au contrôleur d'obtenir non seulement des données de position, mais aussi des données de diagnostic telles que des alertes de température ou de vibration.

Analyse des coûts : Prix initial et valeur à long terme

C'est un fait objectif : le prix d'achat d'un codeur absolu est plus élevé que celui d'un codeur incrémental. Le disque optique complexe et les puces de traitement embarquées coûtent plus cher à fabriquer. Cependant, les décisions d'ingénierie intelligentes ne sont jamais prises sur la base du seul prix d'achat. Elles sont basées sur le coût total de possession (TCO).

C'est un fait objectif : le prix d'un codeur absolu est plus élevé que celui d'un codeur incrémental. Le disque optique complexe et les puces de traitement qu'il contient sont plus chers à produire. Néanmoins, le prix d'achat n'est jamais utilisé pour prendre des décisions d'ingénierie intelligentes. Celles-ci sont fondées sur le coût total de possession (TCO).

Lorsque vous décidez d'économiser de l'argent sur le composant en choisissant un codeur incrémental, vous ne faites en fait que déplacer les dépenses vers d'autres parties du système. Vous devrez acheter des interrupteurs de fin de course. Vous devez payer le montage et le câblage de ces interrupteurs. Le temps de programmation de l'automate pour écrire la routine de positionnement doit être payé.

Plus important encore, vous devez prendre en compte le coût des temps d'arrêt. Si l'on suppose qu'une machine nécessite 15 minutes pour être remise en place à chaque changement d'équipe ou à chaque coupure de courant, et que la machine produit $1000 de produit par heure, le codeur incrémental le moins cher vous coûte 250 euros par jour en perte de productivité.

Les implications financières réelles sont les suivantes :

Le codeur absolu peut également être amorti en quelques mois dans les systèmes complexes à plusieurs axes, où le matériel et la main-d'œuvre nécessaires à l'initialisation de la position sont supprimés.

Applications industrielles : Choisir en fonction du scénario

La technologie est définie, mais c'est l'utilisation qui détermine la décision. Tous les arbres ne nécessitent pas une adresse absolue. L'ingénierie intelligente s'intéresse à la quantité de technologie appropriée au problème, sans sur-ingénierie ni sous-spécification.

Ce qui suit est un guide de référence sur le type de codeur qui est le plus susceptible de correspondre à une situation industrielle typique lorsque l'on envisage des solutions de codeurs absolus ou incrémentaux :

Verdict final : Optimiser votre système d'automatisation

Le choix entre un codeur absolu et un codeur incrémental n'est pas une bataille entre le meilleur et le pire. Il s'agit d'un calcul d“”adéquation“ et de ”friction".”

Si votre application implique un contrôle continu de la vitesse, un simple comptage, ou des machines à budget limité où le homing est un inconvénient mineur, le Codeur incrémental reste une norme fiable et rentable.

Toutefois, si votre système exige un démarrage immédiat, fonctionne dans des environnements électriques très bruyants, coordonne plusieurs axes ou présente un risque de sécurité en cas de perte de position, le Codeur absolu n'est pas seulement une mise à niveau, c'est une nécessité. L'investissement initial plus élevé est rentabilisé par une conception mécanique simplifiée, un effort de programmation réduit et l'élimination des temps d'arrêt.

Votre liste de contrôle pour la sélection :

1. Sécurité: Un mouvement inattendu pendant le homing présente-t-il un risque ? (Si oui -> Absolu)
2. Temps d'arrêt : Le temps consacré à l'adaptation de la machine vous coûte-t-il des revenus de production ? (Si oui -> Absolu)
3. Environnement: L'installation se trouve-t-elle à proximité de variateurs de vitesse, de soudeurs ou de lignes à haute tension (si oui -> Absolu pour l'immunité au bruit) ?
4. Fonction : Le besoin principal est-il le contrôle de vitesse (incrémental) ou le contrôle de position (absolu) ?

Chez OMCH, nous ne nous contentons pas d'assembler des capteurs, nous concevons des certitudes. Forts de plus de 38 ans d'expérience dans la fabrication, nous proposons une gamme complète de codeurs personnalisés pour répondre aux besoins du monde entier. Plus important encore, nos codeurs ont une conception de compatibilité universelle, qui est compatible avec les principaux protocoles de l'industrie afin d'assurer une bonne communication avec une variété d'interfaces de contrôleurs. Nous soutenons cette flexibilité par des normes de qualité sans compromis. Nous appliquons un processus de production strict basé sur le système de gestion ISO 9001, et toutes les unités sont conformes aux certifications CE, CCC et ROHS. Cette fiabilité n'est pas le fruit du hasard, elle est la conséquence de notre procédure d'inspection rigoureuse en quatre étapes, qui commence par la précision des tests sur les matières premières et se termine par un test de vieillissement obligatoire à 100 % en pleine charge.

Ne laissez pas l'incertitude de la position compromettre les performances de votre machine. Contacter un ingénieur OMCH et laissez-nous vous aider à sélectionner la solution de retour d'information précise que votre système d'automatisation mérite.