Les codeurs sont les capteurs d'asservissement les plus fréquemment utilisés dans les servomécanismes industriels de haute précision. Découvrez les principes de fonctionnement et les applications appropriées pour les codeurs linéaires, rotatifs et sinusoïdaux, ainsi que la manière d'atténuer le bruit EMI/RFI pour bénéficier du contrôle de l'asservissement le plus précis et le plus fiable.
Codeurs : le choix idéal pour un asservissement de haute résolution
Les codeurs sont classés en trois catégories principales : rotatif ou linéaire, incrémental ou absolu, et selon que le signal est généré par des moyens optiques, magnétique ou de contact. Les codeurs sans contact sont plus courants que ceux avec contact et dans cette catégorie, nous nous concentrerons sur les codeurs optiques, eux-mêmes plus fréquemment utilisés et plus précis que les modèles magnétiques.
Lorsque les codeurs optiques ont fait leur apparition, leur aptitude à offrir une haute précision dans les applications à faible comme à haute vitesse ont suscité un grand enthousiasme. Toutefois, les premières versions étaient parfois considérées comme peu fiables. Le problème venait en grande partie d'un usage inadéquat : lorsqu'ils étaient installés sur des équipements industriels lourds, les vibrations et la température perturbaient parfois l'électronique fragile et les disques en verre du codeur.
Les versions actuelles sont plus robustes et les systèmes électroniques et optiques sont mieux protégés. Malgré cela, la plupart des fabricants recommandent toujours de choisir des codeurs optiques pour les applications industrielles légères, où ils sont exposés à des températures inférieures à 90 °C et à des vibrations de moins de 20 G.
Codeurs linéaires
Les codeurs linéaires comprennent une piste linéaire et une tête de lecture et sont généralement utilisés avec des systèmes qui suivent le mouvement linéaire, comme les plateaux X-Y et les tables de positionnement. La longueur de la piste linéaire peut varier de quelques centimètres à plus d'un mètre. Elle porte des graduations incrustées qui sont lues par la tête de lecture lorsque les composants de mouvement se déplacent. La tête de lecture détecte de multiples canaux qui lui permettent de fournir les données de position et de direction. Les codeurs dotés de sorties sinusoïdales utilisent des circuits d'interpolation supplémentaires pour améliorer la résolution de manière électronique.
Pour les équipements qui nécessitent une résolution particulièrement élevée, les codeurs linéaires représentent le meilleur choix dans leur catégorie. Les résolutions de 0,1 micron sont courantes, certains systèmes offrant même une résolution de 20 nanomètres. La précision, généralement de 20 microns par mètre, peut diminuer de manière linéaire au cours du déplacement de la piste. Cela peut néanmoins être compensé par une correction de l'erreur de pente qui permet de ramener toute erreur à moins de 5 microns par mètre.
Les machines fonctionnant à haute vitesse utilisent des codeurs linéaires, car elles fonctionnent généralement à une vitesse supérieure à celle des autres capteurs d'asservissement. La vitesse peut éventuellement être limitée par la capacité du circuit électronique du compteur à suivre le rythme.
Codeurs rotatifs optiques
Les codeurs rotatifs optiques se composent d'une source de lumière, d'un disque rotatif et d'un détecteur de lumière. Le disque est doté de fentes ou de graduations qui le divisent en zones sombres et claires également espacées. Ces marques sont souvent appelées des lignes, d'où l'unité de mesure, en lignes par révolution (LPR). Cette mesure indique la résolution, ou granularité, d'un codeur.
La précision des codeurs est définie comme plus ou moins (±) un nombre donné de lignes ou de coups. Il est important de noter que la précision et la résolution sont des caractéristiques différentes, même si elles sont souvent liées. Avec les codeurs, lorsque la résolution augmente, la précision dans un nombre de coups spécifique augmente également. Cela les différencie des résolveurs, dans lesquels l'augmentation de la résolution par une interpolation supérieure — 16 bits contre 12 bits par exemple — n'améliore pas la précision. En fait, il arrive fréquemment que la précision des résolveurs soit 100 fois moindre que leur résolution.
Lorsque les composants d'un codeur tournent, le détecteur de lumière enregistre les temps de passage et de masquage de la lumière qui passe à travers le disque. Le détecteur convertit ce modèle marche-arrêt en un signal électronique qui ressemble à des ondes carrées. Généralement, deux lignes de fentes ou de marques sont décalées de la moitié de leur largeur ou d'un quart d'un cycle complet (90 degrés électriques), générant deux signaux électriques appelés Canal A et Canal B. Ce décalage permet aux commandes de déterminer le sens de rotation de l'arbre, une information importante pour le variateur au démarrage et essentielle pour les systèmes d'asservissement qui fournissent un mouvement bidirectionnel.
Au lieu d'utiliser seulement deux canaux, certains codeurs disposent de canaux supplémentaires pour suivre la position de l'arbre ou favoriser l'immunité au bruit. Ces canaux comprennent ce que l'on appelle les canaux d'index et de complément. L'ajout d'une commutation ou d'un canal à effet Hall constitue un autre moyen de suivre la position de l'arbre. Ils représentent l'alignement de la force contre-électromotrice des phases A, B et C (également appelées U, V et W) vers le moteur.
Selon la manière dont le codeur compte les canaux A et B, la résolution peut être multipliée par quatre. Cette capacité est présente lorsque le circuit de comptage suit à la fois les bords descendant et montant des deux signaux : on parle également dans ce cas de détection de la quadrature. L'augmentation de la résolution améliore la répétabilité du système. La haute résolution permet également de gagner en gain dans les boucles de position et de vitesse, ce qui garantit au système une bande passante complète.
Les résolutions de codeur de 50 à 5 000 lignes par révolution sont standard chez la plupart des fournisseurs, mais il est également possible d'obtenir un nombre de lignes allant jusqu'à 100 000. Dans les applications de haute précision, l'exactitude du système est affectée par les erreurs provenant d'autres sources, telles que les erreurs cumulées provenant de la tige vis mère, de l'expansion thermique ou du jeu de l'écrou. Les codeurs linéaires sont en mesure de surmonter ces obstacles.
Codeurs sinusoïdaux
Les codeurs sinusoïdaux sont les plus coûteux et les plus précis des capteurs de position : autrement dit, le haut de gamme. Ils sont similaires aux codeurs incrémentaux, si ce n'est que les canaux de données A et B sont généralement envoyés au contrôleur sous forme d'ondes sinusoïdales d'un volt crête à crête au lieu d'ondes carrées.
L'avantage tient au fait que ces appareils peuvent interpoler chaque onde sinusoïdale complète, augmentant la résolution du système et fournissant plus d'informations au contrôleur de vitesse. Cela réduit les erreurs de troncature et de quantification, permettant des gains de boucle supérieurs.
Les codeurs sinus peuvent atteindre plus de 2 millions coups par révolution, soit une résolution d'environ 0,62 seconde d'arc. Cette capacité est idéale pour les applications qui nécessitent une haute précision ou qui comprennent des charges à forte inertie.
Comme les autres modèles, les codeurs sinus peuvent avoir des pistes de commutation, des pistes à émulation d'effet Hall ou des canaux sinusoïdaux auxiliaires appelés C et D, qui fournissent une position absolue pendant une révolution. Les canaux C et D sont similaires aux signaux sinusoïdaux et cosinusoïdaux utilisés dans les résolveurs.
Le codeur sinus multitour est une variante des codeurs sinusoïdaux. Les versions multitour utilisent une boîte de vitesses mécanique interne, un capteur Wiegand ou un mécanisme de batterie de secours. Cela fournit un positionnement absolu sur de nombreuses révolutions de l'appareil. Ces codeurs sont capables de fournir jusqu'à 8 192 pas par révolution et jusqu'à 8 192 tours d'arbre, offrant au total 26 bits de résolution absolue avant interpolation.
Les codeurs sinusoïdaux offrent une résolution et une précision optimales pour des applications diverses, comme le positionnement à grande vitesse, le pelliculage et le contrôle Web, par exemple. Les codeurs sinusoïdaux sont également adaptés aux opérations à basse vitesse dans lesquelles une rotation fluide est essentielle. Ils aident les systèmes de mouvement à atteindre une performance élevée, une rigidité supérieure et un positionnement précis dans les tables circulaires, les assembleuses à indexation et les entraînements de rouleau.
Amortissement du bruit
Les capteurs d'asservissement peuvent émettre des signaux électriques ou optiques. Un avantage de l'utilisation de lignes de transmission optiques pour les signaux d'asservissement tient au fait qu'elles sont protégées dans les environnements à haut bruit ou à interférences électromagnétiques/par radiofréquences (EMI/RFI). Ces environnements pourraient autrement perturber les signaux clairs et déformer les données envoyées au variateur, et ainsi compromettre son aptitude à fournir un contrôle hautement précis de la position, de la vitesse et du couple.
Lors de l'envoi de signaux par voie électrique, des amplificateurs ou appareils de conditionnement du signal peuvent être nécessaires pour modifier les signaux bruyants. Les capteurs de position plus récents utilisent des puces IC pour convertir et interpoler les signaux vers des formes d'onde plus robustes qui ne sont pas corrompues par le bruit et ne diminuent pas en se propageant via le câble jusqu'au variateur.
En savoir plus
Afin de vous familiariser avec ce sujet crucial du mouvement, assurez-vous de lire les trois articles de notre blogue sur les dispositifs d'asservissement : Critères de sélection de haut niveau, Capteurs à effet Hall et résolveurs, en plus de celui traitant des codeurs linéaires, rotatifs et sinusoïdaux abordés ici. N'hésitez pas à contacter un ingénieur Kollmorgen pour parler de votre application spécifique et obtenir des recommandations sur la technologie d'asservissement la mieux adaptée à vos besoins.
