Des codeurs innovants fournissent durabilité et précision sans compromis

Les codeurs rotatifs fournissent des informations stratégiques sur la position des arbres de moteur et donc sur leur sens de rotation, leur vitesse et leur accélération. Ce sont des composants cruciaux dans la boucle de rétroaction de contrôle de mouvement pour les applications industrielles, robotiques, aérospatiales, énergétiques et d'automatisation. Dans ces installations, les codeurs doivent fournir une fiabilité à long terme, une durabilité étendue et de hautes performances bien qu'ils fonctionnent souvent dans des conditions difficiles, exposés à la poussière, la saleté, les graisses, les températures variables et les fortes vibrations. La demande en codeurs a enregistré une forte hausse en raison de la multiplication des applications nécessitant un contrôle de mouvement précis.

Le défi pour les ingénieurs de conception est de choisir entre les compromis qu'offrent les deux technologies de codeurs les plus répandues : optique et magnétique. L'approche optique offre la meilleure précision, mais avec une fiabilité moindre, tandis que l'approche magnétique offre une meilleure fiabilité, mais une précision inférieure. Même si certaines conceptions peuvent se passer de codeurs, la réalité est que ces derniers sont un lien vital pour l'immense majorité des boucles de rétroaction/contrôle (voir l'Annexe 1 « Qu'en est-il des conceptions sans capteur ? »).

‏Les technologies de codeurs exigent des compromis

Les codeurs standard émettent typiquement entre 48 et 2048 impulsions par révolution (ppr), alors que la plupart des applications n'ont besoin que de 800 à 1024 ppr. Bien qu'une plus grande plage ppr puisse sembler offrir une plus grande précision, cette spécificité se révèle être plus coûteuse et plus complexe, imposant des charges supplémentaires de calcul et de traitement au contrôleur système ou au processeur numérique en bout de chaîne. Non seulement une précision excessive est inutile, mais elle peut s'avérer préjudiciable en raison du bruit, des vibrations et de la gigue dans la position de l'axe qu'elle peut générer.

La plupart des codeurs de position angulaire sont basés sur un principe optique ou magnétique. La méthode optique utilise un disque en verre ou en plastique avec deux ensembles de fenêtres sur sa périphérie (Figure 1). Une source lumineuse LED et des photodétecteurs sont placés de part et d'autre du disque ; à mesure que ce dernier tourne, la lumière passant de manière alternative à travers les fenêtres offre les impulsions d'ondes carrées A et B en quadrature typiques.

Figure 1 : Un codeur optique fonctionne en détectant la lumière à travers les fenêtres à mesure que l'axe tourne.

Bien qu'elle fonctionne correctement, cette approche optique n'est pas sans inconvénient. En termes de robustesse, certains facteurs, tels que la poussière, les huiles et d'autres contaminants, introduits au moment de l'assemblage et au fil du temps sur le terrain, peuvent facilement altérer le disque et les fentes et, par voie de conséquence, la sortie du codeur. L'approche traditionnelle afin de limiter l'exposition aux contaminants est de placer le codeur sous cloche. Malheureusement, cette approche ne permet pas d'éliminer complètement l'exposition aux contaminants environnementaux. En outre, cela ajoute de nouveaux facteurs au problème, notamment des températures élevées et des coûts d'application supérieurs.

De plus, les LED présentes dans les codeurs optiques ont une durée de vie limitée et leur luminosité peut faiblir de moitié après 10 000 à 20 000 heures (environ 1 à 2 ans) et elles finissent par s'éteindre définitivement. Si un disque en plastique a été choisi afin de minimiser les coûts, sa plage de température sera limitée et toute distorsion ou déformation altérera sa précision.

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. Toute rotation de la roue entraîne une réponse au niveau des capteurs, qui va jusqu'au circuit d'entrée de mise en forme des signaux, pour déterminer la position de l'axe. Malgré un niveau supérieur de durabilité, le codeur magnétique n'offre pas une grande précision et il est très sensible aux interférences magnétiques que les moteurs électriques, particulièrement les moteurs pas-à-pas, produisent.

Outre les codeurs optiques et magnétiques, les capteurs à effet Hall peuvent servir au codage de position. Bien qu'efficaces et fiables, ils ne conviennent qu'à une détermination de la position de l'axe faible précision/basse résolution.

Une approche novatrice basée sur une conception éprouvée

Devant la nécessité d'un codage de position rotatif exact, précis et robuste, Same Sky a décidé de se mettre en quête d'autres techniques électroniques exploitables. La solution a été d'adapter les principes de fonctionnement capacitifs d'un codeur de position linéaire standard, comme cela a été fait pour les pieds à coulisse il y a plus de 30 ans (voir l'Annexe 2 « Du pied à coulisse au codeur »). Le résultat est une plateforme de codeur rotatif précise et extrêmement robuste, connue sous le nom AMT.

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 (Figure 2). Lorsque le codeur tourne, un circuit intégré spécifique à l'application (ASIC) compte le nombre de changements de ligne et interpole également afin de déterminer la position précise du codeur et le sens de rotation.

Figure 2 : Un codeur capacitif fonctionne en détectant les changements capacitifs à mesure que l'axe tourne.

Par essence, la sortie électrique du circuit ASIC du codeur est 100 % compatible avec les codeurs optiques et magnétiques. L'implémentation de ce codeur sans contact présente divers avantages majeurs pour l'utilisateur :

• Il n'est pas sensible à la poussière, à la saleté ou aux huiles, et il est donc plus fiable que l'approche optique.
• Il est moins sensible à la chaleur et au froid, donc, encore une fois, plus fiable même au fil du temps.
• Il est moins sensible aux vibrations qu'un disque en verre.
• Le problème des LED perdant en luminosité ou s'éteignant ne se pose pas.
• Ce codeur ne requiert que 6 à 10 mA de courant de fonctionnement, soit beaucoup moins que les 20 à 50 mA requis par les unités optiques ; cela en fait un composant efficace pour les applications mobiles et alimentées par batterie.

Étant donné que la gamme de codeurs AMT fonctionne sans LED ni visibilité directe, elle est idéale pour toutes les applications dans lesquelles les codeurs existants ne sont pas à la hauteur. Voici un exemple où un fabricant d'équipement automatisé pour la pâtisserie enregistrait des interruptions fréquentes et répétées sur les installations de ses clients à cause de la poussière de farine et d'autres contaminants affectant le codeur optique de l'une des principales unités de production, ce qui les contraignait à des fermetures mensuelles, des remplacements et des remises à zéro. Une fois que l'unité optique a été remplacée par une unité capacitive, le problème a disparu. Dans un autre cas, un fabricant d'équipement de forage en mer avait besoin que l'assemblage moteur complet soit immergé dans l'huile en raison des hautes pressions engendrées par l'application. Le fabricant a choisi un codeur capacitif pour sa capacité à fonctionner sans interruption dans des fluides non conducteurs, tels que l'huile.

Il existe un autre avantage, même s'il est moins évident, à la régulation de la boucle de contrôle PID par les concepteurs : la possibilité d'ajuster le nombre d'impulsions par révolution du codeur afin d'optimiser les performances sans avoir à changer le codeur. La possibilité de modifier la résolution de manière dynamique simplifie grandement le processus d'optimisation du système, qui passe habituellement par des ajustements de code ou par la modification du nombre de lignes dans le codeur (résolution). Avec un codeur optique, ce dernier processus nécessite d'acheter et d'installer plusieurs codeurs, ce qui augmente le coût global et allonge le cycle de conception. Avec un codeur capacitif, il suffit à l'ingénieur de contrôle d'ordonner un changement dans le paramètre de nombre de lignes du codeur jusqu'à ce qu'il obtienne le résultat escompté au niveau de la boucle de contrôle.

Même au niveau de l'installation et de la production, le codeur capacitif présente des avantages. D'un point de vue mécanique, ses orifices de montage correspondent à ceux des autres types de codeurs, ce qui en fait une unité compatible et opérationnelle (Figure 3). Par conséquent, il est possible d'adapter un même codeur à des axes de différents diamètres simplement en utilisant des douilles, ce qui réduit le nombre d'UGS (unité de gestion des stocks) à gérer en production et en réparation.

Figure 3 : Image des orifices de montage des codeurs AMT, compatibles avec des codeurs non capacitifs.

La polyvalence d'un codeur conçu à partir d'un transducteur capacitif et d'une interface électrique ASIC personnalisée est illustrée par l'AMT11 de Same Sky (Figure 4). Cette unité compacte de 37 mm de diamètre et de 10,34 mm d'épaisseur fonctionne avec une alimentation simple de 5 V. Elle fournit à la fois une quadrature de position incrémentale (90°) CMOS asymétrique et des sorties de circuit d'attaque de ligne différentielles compatibles électriquement avec des signaux de codeur optique ou magnétique conventionnels. De plus, un vaste choix de résolutions programmables, s'étendant de 48 à 4096 ppr, ainsi qu'une impulsion d'indexation une fois par révolution sont fournis. Pour répondre aux besoins de l'application, des orientations de connexion axiale et radiale sont disponibles, avec une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +105°C pour une durabilité supérieure.

Figure 4 : Codeur AMT11 de CUI Devices.

Comme tous les transducteurs électroniques et les circuits associés, les codeurs capacitifs présentent un inconvénient potentiel : ils sont sensibles au bruit électrique et aux interférences électromagnétiques (EMI). Néanmoins, la conception minutieuse des circuits d'interface ASIC associée à un ajustement précis des algorithmes de démodulation du codeur réduisent ces effets. Le circuit ASIC offre également des opportunités futures pour les conceptions afin d'inclure des modules de diagnostic intégrés visant à vérifier les performances du mécanisme du codeur et du circuit ASIC lui-même, constituant ainsi un codeur et un sous-système plus intelligents.

Grâce à la disponibilité de codeurs testés sur le terrain et basés sur des principes de détection capacitive, l'ingénieur de conception n'est plus soumis au choix difficile entre les attributs des codeurs optiques et des codeurs magnétiques : précision de sortie contre fiabilité à court et long terme. Le codeur capacitif excelle dans les deux domaines et offre, en plus, des avantages au niveau du montage mécanique, de l'inventaire, de la sélection ppr, de la remise à zéro et de la consommation énergétique, et ce, avec une compatibilité intégrale avec les sorties standard.

Annexe 1 : Qu'en est-il des conceptions sans capteur ?

Il existe une autre tendance plus ténue, outre celle d'utiliser des moteurs BLDC : l'utilisation de conceptions sans capteur, lesquelles ne nécessitent pas de codeur indiquant la position de l'axe. Ces moteurs sont contrôlés par plusieurs algorithmes, y compris le contrôle à champ orienté (FOC, ou contrôle vectoriel).

Même si la perspective de se passer de codeur est séduisante en théorie, la méthode FOC présente plusieurs inconvénients : elle n'est pas aussi précise qu'une conception avec capteur, elle peut se dérégler et nécessiter une réinitialisation, plusieurs problèmes de contrôle surviennent à certains points de la plage de couples et elle requiert un effort de calcul considérable de la part du processeur système. Par conséquent, elle est principalement utilisée dans des applications dans lesquelles une précision supérieure et une régularité de la position et de la vitesse de l'axe ne sont pas indispensables, comme les appareils électroménagers (machines à laver, sèche-linge). Pour la plupart des applications industrielles, cependant, le « coût » apparent du codeur est plus que rentable au regard des exigences de performances.

Annexe 2 : Du pied à coulisse au codeur

La détection capacitive est fréquemment utilisée pour les interrupteurs tactiles, où le doigt de l'utilisateur agit comme seconde plaque d'un condensateur. Toute variation de capacité est détectée par les circuits d'interface, émulant ainsi la fonction d'un bouton-poussoir électromécanique traditionnel. Ils sont souvent utilisés dans des applications « ouvertes » ou publiques, comme des ascenseurs et des passages pour piétons. Les interrupteurs tactiles sont réputés pour leur résistance à la poussière, à l'eau et aux utilisations abusives, étant donné qu'ils n'ont aucune pièce interne mobile et que la seule partie exposée est une petite plaque métallique qui se fond avec la surface de montage.

Les utilisations de la détection capacitive dépassent les simples interrupteurs marche/arrêt (tant sous forme d'unité individuelle qu'en matrice). L'omniprésent pied à coulisse numérique en est un exemple de grande consommation. Ingvar Andermo, ingénieur électricien à l'institut IM Research Institute de Stockholm, travaillait sur une application de lecture de billets utilisant la technologie capacitive il y a plus de 30 ans. C.E. Johansson a approché Ingvar Andermo pour évoquer l'idée de développer un pied à coulisse numérique utilisant une technologie magnétorésistive, mais Andermo a estimé que cette approche était trop compliquée et il décida d'utiliser son expérience en détection capacitive.

Le premier pied à coulisse Johansson, appelé également Jocal, a été présenté à une exposition à Chicago en 1980. Johansson a, par la suite, octroyé la licence de cette technologie à la société Mitutoyo au Japon, qui a lancé son premier pied à coulisse numérique utilisant cette technologie quelques années plus tard. Depuis, des millions de pieds à coulisse de ce modèle ont été vendus dans le monde.

Figure 5 : Pied à coulisse numérique Mitutoyo.

Andermo a finalement collaboré avec la société CUI Devices, basée à Tualatin dans l'Oregon, pour développer le codeur capacitif série AMT utilisant la même technologie, cette fois appliquée aux mesures de rotation à grande vitesse. Ces codeurs sont composés de trois éléments : un émetteur haute fréquence, un rotor sur lequel est gravé un motif métallique sinusoïdal et une carte de récepteur. Le rotor est placé entre l'émetteur et les cartes de récepteur. Lorsque le rotor tourne, son motif métallique sinusoïdal module le signal haute fréquence de manière prévisible. La carte de récepteur lit ces modulations et un circuit ASIC propriétaire les convertit en incréments de mouvement rotatif à des résolutions de codeur pouvant atteindre 4096 pas/tour.