Sélection de codeur - première partie: Propriétés

Comment choisir le codeur adapté à votre application? Nous présentons certaines solutions dans ce billet de blog.

Le codeur de prédilection pour de nombreuses applications à petits moteurs est le codeur incrémental digital. Ce billet de blog commence par un réexamen des principales propriétés d'un codeur, avant de considérer dans le détail les applications de commande de positionnement et de la vitesse.

Quelles sont les exigences caractéristiques?

Chaque application est unique. La tâche principale peut être le contrôle du positionnement ou le contrôle de la vitesse. Le niveau d'exactitude de la commande de la vitesse ou du positionnement peut varier énormément, et il est nécessaire de le définir avant de sélectionner le codeur. Le contrôle de la vitesse à vitesse réduite (inférieure à 100 tr/min) exige un meilleur feedback que celui réalisé à grande vitesse (1000 tr/min et plus).

La charge s'accouple directement au moteur ou bien un système de transformation est installé, de type réducteur, vis ou autre. Les codeurs, typiquement, se montent sur l'arbre moteur ou bien directement sur la charge. Les propriétés mécaniques du mécanisme de transformation influent sur la sélection du codeur, car il est nécessaire de prendre en compte la réduction et le jeu mécanique.

Les facteurs environnementaux de type température, vibration, interférence électromagnétique peuvent eux aussi influencer la sélection du codeur. Par exemple, les codeurs sans contact doivent impérativement protégés de la poussière. Les codeurs magnétiques peuvent être sensibles aux champs magnétiques extérieurs, y compris à ceux du moteur, et exigent éventuellement un blindage.

Quelles sont les propriétés clé des codeurs incrémentaux?

Le paramètre caractéristique d'un codeur incrémental est le nombre d'impulsions rectangulaires émises par tour du moteur. En règle générale, deux canaux fournissent le même nombre d'impulsions. Le décalage relatif de phase des deux signaux correspond à un quart de longueur d'impulsion. Cette configuration permet de détecter la direction de rotation du moteur et indique 4 états distincts par impulsion. Ces états sont parfois désignés par quadcounts. Ils représentent la résolution réelle, qui est 4 fois supérieure au nombre d'impulsions d'un canal. Un codeur à 1000 cpt (counts ou impulsions par tour) donne 4000 états par tour ou une résolution nominale de 360°/4000 = 0,09°.

Note: Lorsqu'il est question de la résolution d'un codeur, assurez-vous que tout le monde évoque la même chose, le nombre d'impulsions par canal (cpt) ou le nombre d'états (les quadcounts).

Les signaux d'un codeur incrémental digital. Le décompte des changements d'état (les flancs de signal des canaux A et B) donne une résolution 4 fois supérieure au nombre de quadcounts par tour de l'un des canaux du codeur.

La résolution du codeur peut varier énormément. D'un cpt (ou 4 états) du codeur servant simplement à détecter le mouvement à plusieurs dizaines de milliers de cpt pour un positionnement ou un retour de vitesse extrêmement précis. De nombreux facteurs influencent la résolution du codeur qu'il est possible d'atteindre: le principe physique de base utilisé (optique, magnétique, inductif, ...), le type de signal primaire (analogique ou digital), le traitement du signal (l'interpolation par ex.) et la configuration mécanique, entre autres. Ce billet de blog ne concerne certes pas la construction du codeur, mais la manière dont il est possible de combiner les exigences spécifiques de commande de l'application avec les codeurs appropriés.

Quelle est la précision des codeurs?

La résolution, donc le nombre d'états, donne la précision nominale, et la position est connue à une erreur d'1 état près. Mais la longueur d'impulsion du codeur peut varier en fonction de tolérances mécaniques (par ex. alignement d'arbre, longueur des pôles magnétiques et autres). Dans une plage de rotation moteur, les impulsions peuvent être plus courtes que celles des autres plages. Par conséquent, la position mesurée diffère de la position réelle selon une certaine périodicité au cours d'une révolution du moteur. 

Exemple de non-linéarité mesurée d'un codeur magnétique interpolé avec 256 cpt. La déviation par rapport à la position parfaite est représentée sous forme d'une fonction du signal du codeur (1024 quadcounts). Le diagramme consiste en 25 mesures d'un tour. Il apparaît clairement que la déviation se répète après un tour. La déviation par rapport à la position absolue est d'environ +/- 0,45° ou, en termes d'INL, d'environ 0,9°. À une position donnée du codeur, le bruit du signal (gigue) est d'environ 0,3°, correspondant exactement à une variation d'un état (360° / 1024 = 0,35°).

La déviation maximum (de pic à pic) est désignée par le terme Integrated Non-Linearity (INL, non-linéarité intégrée). L'INL est importante dans les applications qui exigent une exactitude absolue du positionnement. La répétabilité – ce qui signifie atteindre toujours la même position avec une valeur définie donnée – ne dépend pas de l'INL. Elle dépend plutôt de la gigue du signal, qui est normalement inférieure à un état.

Codeurs incrémentaux et positions absolues?

Les codeurs incrémentaux donnent seulement des changements de position. Pour obtenir un positionnement absolu, il est nécessaire d'établir d'abord une position de référence ou position initiale. Déplacez pour cela le mécanisme sur une référence extérieure; il peut s'agir d'une butée mécanique ou d'un interrupteur de fin de course.

Certains codeurs disposent d'un troisième canal avec une impulsion par tour. Les flancs de ce canal d'index donnent les références de position absolue dans un tour. Il est possible d'améliorer la précision limitée des références extérieures en effectuant un mouvement supplémentaire vers l'un des flancs du canal d'index. En revanche, gardez à l'esprit que le canal d'index n'est pas une condition préalable au positionnement. En fait, le fabricant de machine tente d'éviter d'utiliser l'index pour le référencement, qui implique un nouveau calibrage en cas de remplacement d'une unité moteur-codeur. Certains contrôleurs utilisent aussi le canal d'index pour contre-vérifier le signal du codeur et superviser les comptes de codeur par tour.

Amélioration de la précision de la position de référence en ajoutant un mouvement vers le flanc du signal de canal d'index.

Qu'observer lors de la transmission du signal?

Il est recommandé d'utiliser des attaques de ligne pour la transmission sur des lignes prolongées et l'obtention d'un signal de meilleure qualité. Une attaque de ligne est incontournable pour le positionnement, elle évite de négliger des impulsions de codeur.

Les attaques de ligne génèrent des signaux inversés (Ā, B̄, Ī) pour chacun des canaux (A, B, I). Les signaux sont transmis par paire et la différence est évaluée, éliminant ainsi par filtrage toute interférence électromagnétique pendant la transmission du signal. Les effets secondaires bénéfiques en sont l'amélioration de la qualité du signal, la définition plus claire des flancs de signal et le fait que la fonction d'attaque permet de transmettre le signal sur des distances plus longues (jusqu'à 30 m).

Une tension d'alimentation minimum est indispensable aux codeurs. Lorsque les lignes de codeur sont longues, la résistance de ligne et la chute de tension correspondante peuvent être un problème. Vérifiez la section des câbles et la tension d'alimentation.

Conditions ambiantes, robustesse

La plage de température de service standard des codeurs est comprise entre -30 °C et +100 °C. Elle couvre la plupart des applications et des échauffements générés par le moteur.

Dans les applications à fortes vibrations et à chocs mécaniques, un boîtier mécanique robuste et un bon soulagement de traction des câbles sont essentiels.

Alors que les codeurs optiques sont moins sensibles aux interférences électromagnétiques, les codeurs magnétiques doivent être suffisamment protégés des champs magnétiques. Les codeurs optiques sont sensibles à la poussière si le boîtier n'est pas correctement fermé et ajusté.

Dans les billets suivants, je souhaite présenter en détail la sélection des codeurs pour le positionnement et le contrôle de la vitesse.