Un encodeur optique.

Comparaison des technologies d’encodeur | Conception de la machine

Les codeurs sont largement utilisés dans l’industrie du contrôle de mouvement et de l’automatisation pour surveiller la position et la vitesse des moteurs. Ces informations peuvent être utilisées par l’électronique de commande de mouvement pour détecter si le moteur et la charge sont à la position et à la vitesse attendues et pour commander des actions correctives si elles ne le sont pas.

Voici une comparaison des six types d’encodeurs les plus couramment utilisés.

Encodeurs optiques

Les codeurs optiques utilisent la présence ou l’absence de lumière pour déterminer la position de l’arbre. Il y a un disque avec des fentes qui tourne avec l’arbre. Lorsque le disque passe entre une source de lumière et un capteur photoélectrique, les fentes laissent régulièrement passer la lumière vers le capteur ou il bloque la lumière. Les encodeurs optiques les plus précis utilisent des disques en verre avec des lignes noires pour bloquer la lumière créée par des techniques photolithographiques précises. Les encodeurs à faible résolution utilisent des disques métalliques avec des emplacements estampés ou gravés.

Un encodeur optique.CUI, Inc.

Les encodeurs optiques standard ont deux ou plusieurs photocapteurs, décalés d’un pas de ½ fente, ce qui augmente la résolution grâce à une technique appelée «décodage en quadrature» intégrée à la plupart des microcontrôleurs. La quadrature permet également à l’appareil de déterminer dans quelle direction l’arbre tourne. Le décodage en quadrature n’ajoute aucun décalage et comprend généralement un filtre numérique pour éliminer les interférences dues au bruit électrique.

La résolution d’un codeur est généralement indiquée par le fabricant en lignes par tour ou en ppr (impulsions par tour). Il s’agit de la résolution des signaux bruts A et B qui sont introduits dans un décodeur en quadrature pour déterminer les comptes / tour, et les comptes / tour sont les mêmes que les lignes 4X / tour.

Ce graphique montre l'erreur de position d'un codeur optique typique. Les graphiques de cet article ont été produits par Applied Motion Products dans ses laboratoires de mouvement de Californie en mesurant l'encodeur sous test par rapport à un encodeur de qualité instrument à haute résolution et haute précision avec son propre système de roulements.Ce graphique montre l’erreur de position d’un codeur optique typique. Les graphiques dans cet article ont été produits par Applied Motion Products dans ses laboratoires de mouvement de Californie en mesurant l’encodeur sous test par rapport à un encodeur de haute qualité et de haute précision pour instrument avec son propre système de roulements.

Les encodeurs optiques sont généralement disponibles dans des résolutions de 128 à 20 000 comptes / tour. Certains modèles plus grands ont des résolutions plus élevées. La précision typique est de ± 0,1 deg.

Lorsque des codeurs de tout type sont utilisés comme dispositifs de rétroaction dans des configurations basées sur un moteur pas à pas, la résolution est importante car le nombre élevé de pôles du moteur pas à pas entraîne un cycle électrique court. Par exemple, un 1,8 degrés. le moteur pas à pas a 50 cycles électriques par révolution mécanique et la différence entre le couple complet et aucun couple est de 1,8 degrés. Un encodeur de 4000 points / tour fournit 20 comptes discrets au-delà de 1,8 deg. de mouvement, ce qui est suffisant pour permettre la détection de décrochage, la prévention de décrochage et le maintien de la position. Pour les opérations d’asservissement en temps réel, un encodeur de 20 000 points / tour est un bien meilleur choix.

Lorsqu’il est appliqué à des moteurs triphasés sans balais, les codeurs incluent souvent trois signaux de commutation supplémentaires (appelés U, V et W) qui indiquent au conducteur quand commuter le courant dans les enroulements du stator.

Ce chronogramme pour un codeur avec des pistes de commutation d'asservissement montre les signaux des codeurs ABZ et UVW pour contrôler et commuter un servomoteur triphasé à 4 pôles.Ce chronogramme pour un codeur avec des pistes de commutation d’asservissement montre les signaux des codeurs ABZ et UVW pour contrôler et commuter un servomoteur triphasé à 4 pôles.

Les codeurs optiques produisent un signal immédiat sans décalage, donc l’arbre est là où le codeur le dit en termes de position et de temps. Le temps est important lors de l’utilisation de l’encodeur pour mesurer la vitesse et pour la servocommande en temps réel.

Encodeurs magnétiques

Les éléments d'un codeur magnétique comprennent un aimant à 2 pôles et un circuit intégré contenant des dispositifs à effet Hall et des circuits de traitement.Les éléments d’un codeur magnétique comprennent un aimant à 2 pôles et un circuit intégré contenant des dispositifs à effet Hall et des circuits de traitement.RLS

Les codeurs magnétiques coûtent beaucoup moins cher que les versions optiques et sont plus compacts. La plupart utilisent des appareils à effet Hall analogiques montés sur une carte de circuit imprimé. Les appareils Hall sont actionnés par un aimant bipolaire monté à l’extrémité d’un arbre. Les appareils Hall produisent deux signaux alternatifs déphasés avec un cycle par tour d’arbre. Ces signaux sont interpolés pour créer jusqu’à 65 536 comptes / tour. Cependant, cette interpolation est sujette à de nombreuses erreurs, telles que le bruit électrique dans les circuits, la magnétisation imparfaite, le faux-rond de l’arbre et le désalignement radial et axial de l’aimant. La plupart des encodeurs magnétiques incluent un moyen de les calibrer pour compenser autant d’erreurs que possible.

Table codeur 1

Parce que les codeurs magnétiques ont un cycle par tour d’arbre, ils mesurent intrinsèquement la position absolue dans un tour d’arbre.

Les encodeurs magnétiques ont toujours besoin de temps pour interpoler les signaux. Les premiers codeurs magnétiques avaient un décalage de conversion variable (non déterministe), ce qui les rend inadaptés au suivi de la vitesse et de la position en temps réel sur des machines à grand nombre de pôles telles que les moteurs pas à pas. Les encodeurs plus récents ont des décalages de conversion prévisibles. Sachant cela, le CPU peut ajuster automatiquement les lectures de position et de vitesse pour compenser le décalage.

Comparaison des encodeurs optiques et magnétiques

Ce graphique montre la précision de position d'un codeur magnétique à effet Hall.Ce graphique montre la précision de position d’un codeur magnétique à effet Hall.

Le premier encodeur est un modèle au début de 12 bits largement utilisé qui s’est avéré fiable, peu coûteux et raisonnablement précis. Il comprend une interface ABZ en quadrature, fournissant 4096 comptes / tour, ce qui facilite le travail avec les modules d’interface d’encodeur en quadrature (QEI) communs aux microcontrôleurs et aux processeurs de signaux numériques.

L’encodeur 12 bits a été jugé inadapté à certaines applications car sa faible résolution ne fournit pas suffisamment d’informations pour une régulation correcte de la vitesse à basse vitesse.

Ce graphique montre la précision de position d'un codeur magnétorésistif 16 bits.Ce graphique montre la précision de position d’un codeur magnétorésistif 16 bits.

Le second est un encodeur magnétique 16 bits qui utilise des capteurs à effet Hall. La résolution est beaucoup plus élevée que le modèle 12 bits (65 536 coups / tour contre 4 096), mais sa précision est nettement pire. Cela est dû à plusieurs facteurs. Premièrement, la technique d’étalonnage du fabricant ne produit pas une erreur suffisamment petite. Deuxièmement, son interpolation des signaux à effet Hall est intrinsèquement inexacte. Et troisièmement, le rapport signal / bruit fait varier le décompte d’au moins deux bits même lorsqu’il ne bouge pas, ce qui peut créer un tramage et un bruit dérivé dans la boucle d’asservissement. Lors de l’évaluation d’un encodeur, il est important de considérer la résolution et précision. Ne présumez jamais qu’un encodeur de résolution supérieure est également plus précis.

Ce graphique montre la précision de position d'un codeur magnétorésistif.Ce graphique montre la précision de position d’un codeur magnétorésistif.

Le troisième encodeur magnétique utilise une technologie magnétorésistive qui est intrinsèquement plus précise et moins sensible aux influences extérieures que les modèles à effet Hall. Les champs magnétiques externes, y compris ceux du moteur lui-même, peuvent affecter le fonctionnement des codeurs magnétiques.

Cet encodeur magnétique offre un choix d’interface ABZ ou SPI (série synchrone à haute vitesse). L’interface SPI est courante sur les DSP et les microcontrôleurs et préférable à ABZ. Mais l’utilisation de SPI empêche d’envoyer un signal en quadrature ABZ à un autre appareil (tel qu’un contrôleur de mouvement) car les deux interfaces partagent les mêmes broches IC.

Encodeurs capacitifs

Un codeur capacitif.Un codeur capacitif.CUI Inc.

Les codeurs capacitifs mesurent la position en surveillant le changement de capacité dans un circuit lorsque l’arbre du moteur tourne. Ils sont immunisés contre les champs magnétiques externes, ainsi que contre la poussière et les débris. Les codeurs capacitifs ont des résolutions jusqu’à 16 384 comptes / tour (14 bits) et une précision de ± 0,2 deg.

Les codeurs capacitifs fournissent un signal de quadrature AB standard adapté à une utilisation en temps réel avec la plupart des microcontrôleurs et la plupart des pilotes standard qui incluent une option de rétroaction du codeur.

La précision de position d'un codeur capacitif.La précision de position d’un codeur capacitif.

Les codeurs capacitifs sont plus immunisés contre les interférences électromagnétiques que les codeurs magnétiques et tolèrent plus de contamination que les types optiques.

Encodeurs multitours

Les encodeurs multitours sont utiles pour suivre la position de l’arbre lorsque le contrôleur ou l’entraînement est éteint. Par exemple, si une usine ou des techniciens ne veulent pas réinstaller un système à chaque mise sous tension, des encodeurs absolus multitours sont essentiels. (S’il est seulement nécessaire de suivre la position pendant que le conducteur est sous tension, le conducteur suit la position et un encodeur multitours n’est pas nécessaire.)

Il existe trois types courants:

Encodeurs multi-tours à batterie utilisez une batterie pour maintenir en vie suffisamment de circuits pendant la mise hors tension pour suivre la position de l’encodeur sur plusieurs tours. L’inconvénient est que les informations de position seront perdues lorsque la batterie est épuisée. La batterie de secours a également tendance à être volumineuse.

Un codeur absolu multitours avec engrenage.Un codeur absolu multitours avec engrenage.

Encodeurs à engrenages utilisez un encodeur secondaire qui se déplace d’un ou plusieurs comptes à chaque fois que l’encodeur principal termine un tour. Les codeurs à engrenages ne nécessitent aucune batterie mais sont complexes et coûteux, et les engrenages peuvent s’user avec le temps.

Encodeurs à récupération d’énergie Wiegand utilisez l’effet Weigand pour produire une impulsion d’électricité chaque fois que l’encodeur termine un tour. Cette énergie est constante quelle que soit la vitesse à laquelle l’arbre tourne lorsqu’il passe une transition magnétique, de sorte que cette impulsion peut être utilisée de manière fiable pour alimenter un petit circuit et compter les tours.

Un codeur absolu multi-tours à effet Wiegand à l'intérieur d'un moteur.Un codeur absolu multi-tours à effet Wiegand à l’intérieur d’un moteur.

Les encodeurs Wiegand utilisent un encodeur magnétique primaire qui fournit 131 072 comptes / tour (également appelé 17 bits car 217 = 131 072). Le compteur de tours est de 16 bits, il peut donc suivre 216 = 65 536 tours d’arbre. La précision est de ± 0,1 deg.

Ce graphique montre la précision de positionnement d'un codeur absolu Wiegand multitours à l'intérieur du moteur intégré.Ce graphique montre la précision de positionnement d’un codeur absolu Wiegand multitours à l’intérieur du moteur intégré.

L’interface pour les codeurs Weigand est souvent BISS-C. Peu de microcontrôleurs ont une interface BISS-C native, donc un périphérique FPGA externe est utilisé pour convertir le signal.

Les codeurs sont largement utilisés dans les applications de mouvement en boucle fermée. Le choix du meilleur codeur pour votre application nécessite une expertise, qui se trouve souvent derrière le comptoir chez les fournisseurs de codeurs.

Table codeur 2

L’effet Wiegand

le Effet Wiegand est un effet magnétique non linéaire nommé d’après son découvreur, John R. Wiegand. Il se produit dans un fil recuit et durci spécialement appelé fil Wiegand.

Le fil Wiegand est fait de bas carbone Vicalloy, un alliage ferromagnétique de cobalt, de fer et de vanadium. Initialement, le fil est recuit. Il est attiré par les aimants et les lignes de champ magnétique sont tirées dans le fil. Mais le fil ne conserve qu’un très petit champ magnétique résiduel lorsque le champ externe est supprimé.

Le fil est ensuite torsadé et non torsadé pour travailler à froid la coque extérieure tandis que le noyau reste mou. Le fil est ensuite vieilli. Cela rend la coercivité magnétique de la coque extérieure beaucoup plus élevée que celle du noyau interne. La coercivité élevée de la coque lui permet de conserver un champ magnétique externe même lorsque la source d’origine du champ est supprimée.

Le fil affichera maintenant une grande hystérésis magnétique: Si un aimant est amené près du fil, la coque externe à haute coercivité maintient le champ magnétique du noyau mou interne. Mais si le champ magnétique dépasse un seuil spécifié, le fil entier – à la fois la coque externe et le noyau interne – change rapidement de polarité de magnétisation. Ce basculement (effet Wiegand) se produit en quelques microsecondes.

Une comparaison d’encodeur instantané

  • Codeurs optiques offrent une haute résolution et sont les plus précises. Ils sont assez immunisés contre les interférences électromagnétiques mais sont sensibles à la contamination.
  • Codeurs magnétiques sont compacts et peu coûteux. Ils sont sensibles aux interférences électromagnétiques à moins d’être correctement protégés. La résolution est bonne. La précision varie selon le fabricant. Les rapports signal / bruit peuvent réduire la résolution utilisable.
  • Codeurs capacitifs sont peu coûteux et ne sont pas significativement affectés par la saleté, la poussière et les interférences électromagnétiques. La précision est bonne.
  • Codeurs absolus multitours sont utiles lorsque la position d’une charge doit toujours être suivie, même lorsque l’alimentation électrique est coupée du système.

Jeff Kordik est directeur technique chez Applied Motion Products.

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