Intelligence et codeurs de commutation

Nouvelle approche, nouvelles opportunités

Les utilisateurs de codeurs ont toujours été réticents aux changements, et ce, à juste titre. La commande moteur dans une usine ou une installation industrielle n'est pas propice aux innovations qui promettent performances et fiabilité, mais n'affichent pas de palmarès ni d'historique significatif pour les soutenir. Bien que les codeurs optiques et magnétiques existent de longue date et utilisent des concepts physiques en apparence « plus tangibles », les codeurs capacitifs ont également recours à des principes entièrement testés, démontrés par les nombreuses années de succès sur le terrain. De type numérique, cette approche différente à la détection de mouvements donne accès à une foule d'avantages et offre un niveau inédit d'intelligence aux concepteurs utilisant des codeurs de commutation rotatifs.

Les codeurs rotatifs sont essentiels pour la quasi-totalité des applications de contrôle de mouvement et sont de plus en plus nécessaires en raison de l'utilisation accrue de moteurs CC sans balais (BLDC), offrant des avantages en termes de contrôle, de précision et de rendement. La mission du codeur est en principe simple : indiquer la position de l'axe du moteur au contrôleur système (Figure 1). Grâce à cette information, le contrôleur peut commuter de manière précise et efficace les enroulements du moteur, et déterminer les paramètres nécessaires à la boucle de contrôle de mouvement, tels que la vitesse, la direction et l'accélération, pour maintenir les performances souhaitées du moteur.

Figure 1 : Les codeurs rotatifs fournissent des informations sur la position, la vitesse, l'accélération et la direction de l'axe d'un moteur.

Les codeurs peuvent être basés sur une large gamme de technologies qui offrent, sans exception, les sorties numériques standard des signaux A et B en quadrature, plus une sortie d'indice pour certains modèles (Figure 2a). Les codeurs de commutation (description complète ci-dessous) fournissent également des sorties de canaux à phase de commutation U, V et W (Figure 2b).

Figure 2a : Illustration des signaux standard A et B en quadrature plus un signal d'indice pour un codeur optique.

Figure 2b : Formes d'ondes U, V et W produites par un codeur de commutation.

Technologies de codeurs

Les trois approches de codeurs les plus connues utilisent des techniques optiques, magnétiques ou capacitives. En résumé, l'approche optique fait appel à un disque à encoches avec une LED d'un côté et des phototransistors de l'autre. Lorsque le disque tourne, le trajet de la lumière est interrompu et les impulsions qui en résultent indiquent la rotation et la direction de l'axe. Bien que le codeur optique soit économique et efficace, deux facteurs nuisent à sa fiabilité : les contaminants, comme la saleté, la poussière et les huiles pouvant perturber la trajectoire de la lumière, et la durée de vie limitée des LED, qui perdent habituellement la moitié de leur luminosité en quelques années et finissent par s'user.

Le codeur magnétique, dont la construction est similaire à celle du codeur optique, utilise un champ magnétique au lieu d'un rayon de lumière. Au lieu de la roue optique à encoches, il fonctionne avec un disque magnétisé qui tourne au-dessus d'une matrice de capteurs magnétorésistifs. La rotation du disque génère une réponse dans ces capteurs, qui est transmise au circuit d'entrée de mise en forme des signaux, pour déterminer la position de l'arbre. Malgré un niveau supérieur de durabilité, le codeur magnétique n'offre pas une grande précision et il est sensible aux interférences magnétiques que les moteurs électriques produisent.

Le codage capacitif, une troisième approche, offre tous les avantages des modèles optiques et magnétiques, sans leurs inconvénients. Cette technique utilise le même principe que le célèbre pied à coulisse numérique, qui est peu onéreux et pourtant précis. Il comporte deux motifs à barres ou lignes, une série sur l'élément fixe et une autre sur l'élément mobile, qui forment ensemble un condensateur variable configuré en tant qu'appairage émetteur-récepteur (Figure 3). Lorsque le codeur tourne, un circuit ASIC intégré compte ces changements de lignes et effectue un calcul pour déterminer la position de l'axe et le sens de rotation, afin de créer les sorties standard en quadrature, ainsi que les sorties de commutation fournies par les autres codeurs pour contrôler les moteurs CC sans balais (BLDC).

Cette technologie capacitive n'est affectée par aucune usure, et les habituels contaminants des environnements industriels, comme la saleté, la poussière et les huiles, n'ont pas d'effet, ce qui en fait une technologie intrinsèquement plus fiable que les dispositifs optiques. Les codeurs capacitifs offrent également des avantages de performances découlant de leurs caractéristiques de contrôle numérique. Cela inclut la capacité d'ajustement de la résolution du codeur (nombre d'impulsions par rotation) sans recourir à un codeur à résolution inférieure ou supérieure.

Figure 3 : Un codeur capacitif compte les impulsions reçues résultant de la modulation du signal émis par le rotor fixé à l'axe du moteur.

Le meilleur de tous les mondes

La nouvelle série AMT31 de Same Sky est un exemple de codeur capacitif de pointe, avec des signaux A et B en quadrature, un signal d'indice, ainsi que des signaux de phase de commutation U, V et W. Vingt résolutions incrémentales et sélectionnables allant de 48 à 4096 impulsions par rotation (PPR) et sept paires de pôles moteur de 2 à 20 sont disponibles. La série AMT31 présente également un moyeu verrouillable pour faciliter l'installation, fonctionne à partir d'un rail de 5 V et ne requiert que 16 mA de courant d'alimentation.

Toutefois, les avantages du codeur capacitif vont bien au-delà des performances et de la flexibilité supérieures, et de la fiabilité à court et long termes. Contrairement aux codeurs optiques et magnétiques, le côté sortie numérique fait entrer la conception du système dans le 21^e siècle et offre plusieurs avantages uniques dans toutes les phases d'utilisation du codeur, allant du développement de produits à l'installation, en passant par la maintenance.

Quelle en est la raison ? La sortie du codeur optique ou magnétique est fonctionnelle, mais « bête », et n'offre ni flexibilité, ni aperçu, ni avantages opérationnels aux utilisateurs. En revanche, le codeur capacitif est de type numérique et utilise un circuit ASIC intégré et un microcontrôleur pour fournir des fonctionnalités supplémentaires et des performances améliorées. Cette sortie intelligente change le scénario d'utilisation et de performances de bien des façons, tout en restant totalement compatible avec les sorties standard de codeur.

Des changements importants et bénéfiques sont mis en place

Regardons de plus près les améliorations rendues possibles par le circuit ASIC et le microcontrôleur, intégrés au codeur capacitif comme la série AMT31 de Same Sky :

• La nature numérique du codeur capacitif de Same Sky permet d'effectuer une mise à zéro simple et rapide par simple pression (fonction One Touch Zero). Le processus est très simple : verrouillez l'axe à la position souhaitée en alimentant les phases moteur appropriées et envoyez une commande pour que le codeur se mette à zéro à cette position. Il vous faut au total une à deux minutes sans instrument spécial.

Par contre, la mise à zéro pour aligner mécaniquement les signaux de commutation avec les enroulements de moteur à l'aide d'un codeur optique ou magnétique est un processus complexe à plusieurs étapes, souvent frustrant. Pour cela, il faut verrouiller le rotor, effectuer un alignement physique, puis inverser le moteur tout en utilisant un oscilloscope pour observer la force contre-électromotrice et les formes d'ondes du codeur pour obtenir un alignement de passage à zéro adéquat. Ce processus est souvent itératif, avec des étapes qui doivent habituellement être répétées pour obtenir un réglage précis et pour la vérification. Le cycle entier peut, par conséquent, prendre de 15 à 20 minutes.

• Les fonctionnalités numériques de la série AMT améliorent considérablement le processus de conception du système en offrant plus de flexibilité et des fonctions de diagnostic, et en permettant l'évaluation des performances du moteur et du contrôleur moteur. Comme un seul codeur capacitif peut prendre en charge une plage étendue de résolutions et de valeurs de paires de pôles, les concepteurs peuvent utiliser cette capacité de résolution programmable pour ajuster dynamiquement la réponse et les performances de la boucle de contrôle PID pendant le développement du contrôleur et de l'algorithme sans avoir à acheter ni installer un codeur neuf.

L'intelligence intégrée à la série AMT permet également d'effectuer des diagnostics embarqués pour une analyse des défaillances sur le terrain plus rapide, ce qui constitue une première dans l'industrie. Il est possible de demander au codeur d'indiquer s'il fonctionne correctement ou s'il connaît une défaillance quelconque due à un décalage mécanique de l'axe ou tout autre problème. Par conséquent, le concepteur peut rapidement déterminer si le codeur est défaillant et, dans le cas contraire, rechercher le problème ailleurs, écartant ainsi toute possibilité de problème sur le codeur. Par ailleurs, les ingénieurs peuvent utiliser cette fonctionnalité dans le cadre de mesures préventives, par exemple l'exécution d'une séquence de tests de « codeur OK » avant de lancer l'application. Ces capacités, dont les codeurs optiques et mécaniques sont dépourvus, permettent aux concepteurs de maintenir le temps d'inactivité à son minimum, tout en anticipant sur les problèmes susceptibles de se produire sur les unités sur le terrain.

• Finalement, l'interface numérique simplifie également la nomenclature (BOM). Comme le codeur peut faire l'objet d'une adaptation logicielle en fonction des variations spécifiques souhaitées (PPR, paires de pôles et sens de commutation), il est inutile de répertorier et conserver les différentes versions requises dans un produit à plusieurs moteurs, pour plusieurs produits ou à l'emplacement installé.

Codeur intelligent plus interface utilisateur graphique : une combinaison puissante

Le logiciel AMT Viewpoint™ pour PC Windows pour les codeurs capacitifs de Same Sky permet d'accélérer le développement et de transformer les tâches banales et fastidieuses, telles que l'identification de numéro de modèle et de version, en opérations simplifiées. Un simple câble USB permet de se connecter au codeur et de mettre en œuvre un format simple de données série.

L'interface utilisateur graphique (GUI) permet à l'utilisateur d'adapter et de personnaliser le codeur selon les besoins de l'application (Figure 4).

Figure 4 : Le logiciel AMT Viewpoint de Same Sky fournit une interface de développement conviviale.

Un écran de paramètres dans l'interface GUI permet à l'utilisateur de visualiser les principales formes d'ondes du codeur et la temporisation, avec des réglages automatiques au fur et à mesure des modifications apportées aux options du codeur. La programmation d'un codeur par le biais de l'interface GUI se fait en quelques frappes de touches et en laissant le cycle s'achever en environ 30 secondes. Il faut seulement quelques secondes pour l'alignement et la mise à zéro d'un codeur en mode A, B, indice ou commutation, ce qui contraste fortement avec la réalisation de cette tâche à l'aide d'un codeur non programmable.

En mode démo, les utilisateurs peuvent accéder à l'interface GUI et effectuer des opérations liées au codeur, comme si un vrai codeur était présent. Ils peuvent ainsi se familiariser avec les codeurs et les outils avant tout achat ou une expérimentation concrète. L'interface GUI prend également en charge la création de numéros de référence disponibles pour des versions spécifiques de codeur qui incluent, entre autres, des options de format de sortie, d'adaptateur de manchon et de base de montage.

Résumé

Les avantages des codeurs basés sur la technologie capacitive offrent bien plus qu'une amélioration des performances et de la fiabilité. Un dispositif tel que l'AMT31 de Same Sky, avec son circuit ASIC et son microcontrôleur intégrés, fournit une fonction intelligente qui prend en charge des fonctionnalités de configuration et d'installation programmables, permettant d'obtenir un aperçu du fonctionnement et simplifiant la gestion des stocks. La combinaison de ces fonctionnalités à l'interface GUI d'un PC offre une option conviviale et néanmoins sophistiquée, qui simplifie grandement tous les aspects de l'utilisation de codeurs, qu'il s'agisse de la conception de prototypes, de l'évaluation, du débogage, du diagnostic, de l'installation et de la configuration, et de la réduction du stock. De plus, l'ensemble est disponible à un coût comparable aux autres codeurs, tout en maintenant la compatibilité avec les types et les formats standard de sortie et en garantissant une consommation d'énergie réduite. L'AMT31, avec ses adaptateurs simples à installer pour différentes tailles d'axe (Figure 5), représente la suite logique dans l'exploitation de la puissance d'une interface intelligente pour offrir des avantages de grande ampleur que les autres technologies de codeur n'offrent pas.

Figure 5 : Le codeur AMT31 de Same Sky offre une combinaison unique de durabilité et de flexibilité.