Évaluation des avantages et des compromis des technologies de codage

Les codeurs rotatifs sont des éléments clés dans la boucle de rétroaction de contrôle de mouvement de diverses applications, notamment les équipements d'automatisation industrielle et le contrôle de processus, la robotique, les dispositifs médicaux, l'énergie, l'aérospatiale, etc. En tant que dispositifs qui convertissent les mouvements mécaniques en signaux électriques, les codeurs fournissent aux ingénieurs des données essentielles, telles que la position, la vitesse, la distance et la direction, qui peuvent être utilisées pour optimiser les performances de leur système global.

Les technologies optique, magnétique et capacitive sont les trois principales technologies de codage dont dispose un ingénieur, mais le choix de la technologie qui servira le mieux l'application finale dépend de plusieurs considérations. Pour faciliter ce processus de sélection, cet article donne un aperçu des technologies de codeurs optiques, magnétiques et capacitifs, tout en soulignant les avantages et les compromis de chacun.

Aperçu des technologies de codeurs

Codeurs optiques

Les codeurs optiques constituent le choix le plus populaire sur le marché du contrôle de mouvement depuis de nombreuses années. Ils sont composés d'une source de lumière LED (généralement infrarouge) et de photodétecteurs placés sur les faces opposées d'un disque codeur. Ce disque est construit en plastique ou en verre et contient une série de lignes ou de fentes transparentes et opaques alternées. Pendant la rotation du disque, le trajet de lumière LED est interrompu par les lignes ou les fentes alternées du disque, qui à leur tour produisent les impulsions en quadrature A et B en ondes carrées typiques utilisées pour déterminer la rotation et la vitesse de l'arbre.

Figure 1 : Impulsions en quadrature A et B typiques d'un codeur optique, y compris une impulsion d'index. (Source de l'image : Same Sky).

Bien que largement utilisés, les codeurs optiques présentent plusieurs inconvénients. Dans les environnements exposés à la poussière et à la saleté, comme les applications industrielles, des contaminants peuvent s'accumuler sur le disque et empêcher la lumière LED de traverser le capteur optique. Cela a un impact considérable sur la fiabilité et la précision des codeurs optiques, car le disque contaminé peut provoquer des impulsions carrées sporadiques ou totalement absentes. Les LED ont également une durée de vie limitée et finissent par s'éteindre, ce qui entraîne une défaillance du codeur. En outre, le disque en verre ou en plastique est susceptible d'être endommagé par des vibrations ou des températures extrêmes, ce qui limite sa portée d'utilisation dans les applications difficiles, tandis que son montage sur des moteurs peut prendre du temps et l'exposer à un risque accru de contamination. Enfin, à des résolutions plus élevées, les codeurs optiques peuvent consommer jusqu'à 100 mA du courant, ce qui a un impact supplémentaire sur leur utilité dans les dispositifs mobiles ou alimentés par batterie.

Codeurs magnétiques

Avec une structure similaire à celle des codeurs optiques, les codeurs magnétiques utilisent un champ magnétique plutôt qu'un faisceau de lumière. Au lieu du disque optique à fentes, les codeurs magnétiques sont dotés d'un disque magnétisé à pôles alternés qui tourne sur un réseau de capteurs à effet Hall ou 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. Les codeurs magnétiques présentent l'avantage d'être beaucoup plus durables et résistants aux chocs et aux vibrations que les codeurs optiques. Là où les codeurs optiques sont également confrontés à des contaminants tels que la poussière, la saleté et les huiles, les codeurs magnétiques ne sont pas affectés, ce qui les rend bien adaptés aux environnements difficiles.

Toutefois, les codeurs magnétiques sont fortement affectés par les interférences magnétiques causées par les moteurs électriques, notamment les moteurs pas-à-pas, et ils subissent une dérive de position due aux changements de température. Ils ne sont pas non plus à la hauteur des alternatives optiques et capacitives en raison de leur résolution et de leur précision relativement faibles.

Codeurs capacitifs

Les trois principaux composants d'un codeur capacitif sont un rotor, un émetteur stationnaire et un récepteur stationnaire. La détection capacitive utilise des motifs à barres ou à lignes, avec une série sur l'élément fixe et une autre sur l'élément mobile, pour former un condensateur variable configuré en tant qu'appairage émetteur-récepteur. Le mouvement du rotor et son motif sinusoïdal fixé à l'arbre du moteur produisent un signal unique mais prévisible qui est interprété par le circuit ASIC embarqué du codeur pour calculer la position de l'arbre et le sens de rotation.

Figure 2 : Comparaison de disques codeurs. (Source de l'image : Same Sky)

Avantages des codeurs capacitifs

Les codeurs capacitifs sont dérivés des mêmes principes que ceux utilisés pour développer le pied à coulisse numérique, ce qui permet d'obtenir une solution qui surmonte bon nombre des défauts des codeurs optiques et magnétiques. La série de codeurs AMT de Same Sky met en œuvre cette technologie capacitive qui s'est avérée très fiable et précise. Sans LED ni ligne de visée, les codeurs capacitifs fonctionnent comme prévu, même lorsqu'ils sont exposés à des contaminants environnementaux tels que la poussière, la saleté et les huiles qui ont un impact négatif sur les codeurs optiques. Ils sont également moins sensibles aux vibrations que le disque en verre d'un codeur optique, et aux températures extrêmes, hautes ou basses. Comme mentionné précédemment, sans LED, les codeurs capacitifs ont une durée de vie plus longue que leurs homologues optiques. Il en résulte un boîtier plus petit et une consommation de courant inférieure, de 6 mA à 18 mA sur la plage de résolution complète, ce qui les rend mieux adaptés aux applications fonctionnant sur batterie. Les interférences magnétiques et le bruit électrique qui posent problème pour les codeurs magnétiques sont moins problématiques pour la technologie capacitive, ce qui leur confère une plus grande robustesse par rapport aux codeurs magnétiques ainsi qu'une meilleure précision et une haute résolution.

La flexibilité et la programmabilité sont d'autres avantages clés offerts par la nature numérique des codeurs capacitifs. Comme la résolution d'un codeur optique ou magnétique est déterminée par le disque codeur, un nouveau codeur doit être utilisé chaque fois qu'une nouvelle résolution est requise. Cela peut avoir un impact sur le temps et les coûts de conception et de production. Avec un choix de résolutions programmables, les codeurs capacitifs éliminent la nécessité pour le concepteur de remplacer le codeur chaque fois qu'une nouvelle résolution est requise, ce qui réduit les stocks et simplifie le réglage fin d'une boucle de commande PID et l'optimisation du système. En matière de commutation BLDC, les codeurs capacitifs permettent l'alignement numérique et le réglage d'une impulsion d'index, une tâche itérative et fastidieuse pour les codeurs optiques. Les capacités de diagnostic intégrées donnent aux concepteurs un accès supplémentaire aux données du système utilisées pour l'optimisation ou le dépannage sur le terrain.

Figure 3 : Comparaison des indicateurs de performances clés des technologies capacitive, optique et magnétique. (Source de l'image : Same Sky)

Comparer les options

La température, les vibrations et les contaminants environnementaux sont des facteurs importants qu'un codeur doit gérer dans de nombreuses applications de contrôle de mouvement. Les codeurs capacitifs ont prouvé qu'ils permettaient de surmonter ces défis, offrant aux concepteurs une solution fiable, précise et flexible par rapport aux technologies optique et magnétique. Leur nature numérique fait également entrer les codeurs capacitifs dans l'ère moderne de l'Internet des objets (IoT) et de l'Internet industriel des objets (IIoT) avec des possibilités de programmabilité et de diagnostic supplémentaires.