Comment utiliser des codeurs rotatifs pour convertir rapidement la rotation mécanique en signaux numériques

Par Art Pini

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

À l'ère numérique, la mesure de la rotation d'un arbre mécanique sur un moteur ou un bouton d'instrument rotatif doit être effectuée rapidement et efficacement. Les méthodes analogiques comme les potentiomètres et les commutateurs rotatifs cèdent la place aux codeurs rotatifs qui permettent de numériser directement le mouvement rotatif, mais les concepteurs doivent savoir différencier les nombreux types de codeurs et interpréter leurs sorties numériques avec précision.

Cet article décrit le rôle des codeurs rotatifs et leur mode de fonctionnement. Il explique ensuite la méthode d'interprétation des signaux, puis présente des solutions de codeurs et leur application réelle.

Le rôle des codeurs rotatifs

Le codeur rotatif est un type de capteur qui mesure la rotation d'un arbre mécanique. Il peut s'agir d'un arbre de moteur, auquel cas les codeurs mesurent la position angulaire ou la vitesse de rotation. Ils peuvent également mesurer la position angulaire d'un cadran, d'un bouton ou d'un autre contrôle électronique sur le panneau avant d'un instrument ou d'un appareil, remplaçant ainsi les potentiomètres et les commutateurs rotatifs.

Prenons l'exemple d'une minuterie sur un appareil. La méthode analogique traditionnelle utilisait une résistance variable ou un potentiomètre pour détecter la position de ce contrôle. Avec les conceptions à microprocesseur actuelles, les entrées numériques générées par un codeur rotatif sont plus efficaces.

Les codeurs peuvent également être utilisés dans les systèmes de contrôle pour indiquer qu'une pièce mécanique bouge correctement en réponse à une commande de contrôle. Qu'il s'agisse d'un système de contrôle dans un dispositif robotique ou automobile, les codeurs fournissent la détection nécessaire au microprocesseur de commande. Les anciennes solutions comme les potentiomètres monotours ne détectent pas la rotation complète de l'arbre, mais les codeurs rotatifs peuvent détecter la rotation complète en continu.

Les codeurs rotatifs convertissent ces déplacements mécaniques en signaux électriques qui peuvent être envoyés à un processeur pour être interprétés. En fonction des sorties électriques du codeur, il est possible de déduire le sens de rotation, la position angulaire et la vitesse de rotation. Les sorties numériques des codeurs rotatifs simplifient ce processus par rapport aux potentiomètres.

Mode de fonctionnement des codeurs

Il existe deux types principaux de codeurs : les codeurs incrémentaux et les codeurs absolus. Le codeur incrémental mesure les changements de déplacement angulaire, tandis que le codeur absolu mesure l'angle absolu de l'arbre codé. Leur implémentation se fait grâce à trois technologies courantes : optique, mécanique ou magnétique.

Les codeurs optiques sont conçus avec un disque à segments translucides et opaques configurés pour laisser passer la lumière à certains endroits. En plaçant une LED et des photodiodes de part et d'autre du disque (Figure 1), les photodiodes détectent la lumière traversant le disque et génèrent des formes d'ondes impulsionnelles correspondant aux formes translucides et opaques sur les segments du disque.

Image des disques optiques incrémentaux et absolus

Figure 1 : Exemples d'un disque optique incrémental et d'un disque optique absolu. Le disque incrémental génère deux signaux à onde carrée avec une différence de phase de 90° entre eux. Le disque absolu génère des données codées binaires. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

Le disque absolu de la Figure 1 présente 4 sorties fournissant un code binaire unique pour chaque segment du disque, qui sont ici au nombre de 16 (Tableau 1). Le code Gray peut constituer une alternative au code binaire. C'est un code binaire où les mots binaires adjacents diffèrent uniquement d'une transition d'un seul bit.

Numéro de segment Plage de secteur (degrés) Code binaire
0 360/0 - 22,5 0000
1 22,5 - 45 0001
2 45 - 67,5 0010
3 67,5 - 90 0011
4 90 - 112,5 0100
5 112,5 - 135 0101
6 135 - 157,5 0110
7 157,5 - 180 0111
8 180 - 202,5 1000
9 202,5 - 225 1001
10 225 - 247,5 1010
11 247,5 - 270 1011
12 270 - 292,5 1100
13 292,5 - 315 1101
14 315 - 337,5 1110
15 337,5 - 360/0 1111

Tableau 1 : Les 16 états binaires d'un codeur absolu à 4 bits. (Source du tableau : Digi-Key Electronics)

La forme générée par le disque incrémental consiste en deux ondes carrées avec une différence de phase de 90°. Il s'agit d'une sortie en quadrature. Cela peut également s'obtenir en utilisant un modèle à rangée unique et deux capteurs photoélectriques séparés d'un intervalle équivalent au décalage de phase de 90°.

Les sorties des codeurs incrémentaux en quadrature se nomment généralement « A » et « B ». Le codeur peut également inclure une troisième impulsion, générée à chaque tour, appelée impulsion d'index et servant de référence physique connue. L'orientation absolue de l'arbre peut être calculée en combinant l'impulsion d'index et les sorties en quadrature.

Grâce aux deux sorties avec un décalage de phase de 90°, il est possible de détecter non seulement la rotation angulaire, mais aussi le sens de rotation (Figure 2).

Image des signaux en quadrature déterminant le sens de déplacement du disque du codeur

Figure 2 : La relation de phase entre les signaux en quadrature détermine le sens de déplacement du disque du codeur. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

Lorsque l'arbre du codeur tourne dans le sens horaire, la forme d'onde A précède la forme d'onde B. Si le sens de rotation devient anti-horaire, le signal B précède le signal A.

Avec les deux signaux en quadrature, il est possible de résoudre 4 états par cycle. Les états au sein d'un cycle sont les suivants : A = 1 et B = 0, A = 1 et B = 1, A = 0 et B = 1, et enfin A = 0 et B = 0. Cela signifie que la résolution angulaire d'un codeur à sortie en quadrature équivaut à quatre fois celle des impulsions nominales par tour (PPR).

L'affichage et la mesure des sorties en quadrature d'un codeur optique sur un oscilloscope indiquent la relation de phase entre les sorties (Figure 3). Le signal A correspond au tracé du haut et le signal B au tracé du bas. Le paramètre de phase P1 de l'oscilloscope est configuré pour mesurer la différence de phase entre les signaux A et B. La différence de phase moyenne entre les deux signaux est de 90,4°.

Image des sorties en quadrature de 512 PPR

Figure 3 : Les sorties en quadrature d'un codeur optique de 512 PPR montrent la relation de phase entre les sorties de signaux A et B. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

Seule la sortie A unique a été utilisée dans cet exemple, le codeur ayant servi de tachymètre pour mesurer la vitesse de rotation d'un moteur. La fréquence du signal A est mesurée à 28,87 kHz à l'aide du paramètre P2 de l'oscilloscope. Elle est convertie en vitesse de l'arbre en la divisant par les 512 PPR et en multipliant le résultat par 60 afin de mesurer la vitesse de rotation en tours par minute (tr/min). Ici, selon le paramètre P3, la vitesse de rotation s'élève à 3383 tr/min.

D'après ces chiffres, les 512 PPR de ce codeur fournissent une résolution de base de 0,7 degré. L'interprétation des états A/B donne une résolution de 0,175°.

Les codeurs optiques offrent l'avantage d'avoir la résolution maximale parmi tous les types de codeur. Leurs coûts s'adaptent bien aux applications d'entrée de gamme économiques. Par contre, ils peuvent être encombrants.

Les codeurs mécaniques utilisent un disque rotatif contenant des anneaux concentriques identiques aux formes utilisées dans les codeurs optiques. Les anneaux présentent une succession de zones conductrices et isolées. Les contacts à curseur fixe glissent sur le disque rotatif en établissant le contact avec chaque anneau pour servir de commutateurs. Le contact est établi lorsque les contacts glissant sur la surface du disque passent sur une région conductrice, et il est rompu lors du passage sur une zone isolée. De cette manière, une forme numérique est créée pour chaque anneau.

Le bruit engendré par le rebondissement des contacts figure parmi les problèmes potentiels des codeurs mécaniques. Ce bruit peut être éliminé en utilisant un filtrage passe-bas ou un logiciel pour vérifier l'état de la sortie après la diminution du bruit de rebondissement.

Les codeurs mécaniques constituent généralement le type de codeur le moins coûteux. Ils peuvent servir de dispositifs d'interface utilisateur sur les panneaux avant électroniques, pour remplacer les potentiomètres.

Les codeurs rotatifs magnétiques utilisent un aimant circulaire multipolaire. Les pôles magnétiques alternatifs nord et sud sont détectés par des capteurs à effet Hall ou magnétorésistifs, générant ainsi des sorties électriques en quadrature lorsque l'aimant tourne. Les codeurs magnétiques, comme les codeurs optiques, sont sans contact et peuvent être utilisés à des vitesses supérieures et plus longtemps que les codeurs mécaniques à contact.

Utilisation des codeurs rotatifs

La nature électromécanique du codeur rotatif nécessite son interfaçage avec des dispositifs mécaniques ou avec l'utilisateur. Lorsque les codeurs servent d'interfaces de contrôle sur des dispositifs électroniques, ils utilisent un arbre solide et sont généralement installés sur un panneau de commande à l'aide d'une douille à montage sur panneau et du matériel associé.

Les concepteurs peuvent définir des options comme des crans pour générer un clic mécanique lors de la rotation du codeur, afin d'indiquer clairement à l'utilisateur que l'arbre du codeur est en mouvement. Ils peuvent également opter pour un commutateur de contact momentané qui s'active en appuyant sur l'arbre du codeur.

Les codeurs conçus pour un montage sur des machines rotatives comme les moteurs ou les servomoteurs présentent des arbres creux ou borgnes (Figure 4).

Schéma de codeurs à arbre creux ou borgne

Figure 4 : Les codeurs à arbre creux ou borgne sont conçus pour un montage sur moteurs ou sur d'autres machines électromécaniques. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

Un codeur à arbre creux s'installe sur l'arbre d'un moteur ou d'un dispositif mécanique similaire. Cela permet de garantir un montage concentrique par rapport au dispositif à surveiller et d'éliminer le risque de décalage angulaire ou asymétrique. Les arbres borgnes sont des arbres creux à profondeur limitée servant à installer le codeur à l'extrémité d'un arbre de moteur.

Sélection et application de codeurs

La sélection d'un codeur rotatif dépend des exigences de l'application et de l'environnement, ainsi que des contraintes de coûts.

Le 291V1022F832AB de CTS Electronic Components est un codeur incrémental optique avec une résolution angulaire de 8 PPR fonctionnant sur une alimentation de 5 V (Figure 5). La série 291 prend en charge des résolutions PPR allant de 4 à 64 PPR, avec la possibilité de choisir le type d'arbre et sa longueur, les crans et un commutateur intégral. Le codeur présente une durée de vie nominale atteignant 3 millions de cycles de rotation.

Image du 291V1022F832AB de CTS avec douille filetée, rondelle de blocage et écrou de blocage

Figure 5 : Le 291V1022F832AB de CTS avec douille filetée, rondelle de blocage et écrou de blocage est conçu pour être utilisé comme contrôle à montage sur panneau. (Source de l'image : CTS)

Les codeurs optiques série 291 de CTS sont parfaits pour les applications de contrôle d'instrument, notamment les équipements audio, industriels, médicaux et de laboratoire, de communication, de CVC, de transport, de sécurité et de divertissement à domicile.

L'EMS22Q51-D28-LT4 de Bourns Inc. est un codeur magnétique incrémental de 32 PPR à 256 PPR fonctionnant sur une alimentation de 5 V ou de 3,3 V. Le dispositif fait partie de la série EMS22Q de codeurs sans contact qui prend en charge une résolution angulaire de 32 à 256 PPR. Comme les codeurs précédents, il présente une variété de configurations à arbre et à douille, mais avec une durée de vie nominale de 50 millions de cycles de rotation. Ces codeurs sont adaptés à un usage en environnements industriels difficiles présentant une température extrême, de l'humidité et une contamination par particules.

En outre, à l'instar de nombreux autres codeurs, la connexion et l'utilisation du dispositif sont simples (Figure 6).

Schéma des broches de l'EMS22Q51-D28-LT4 de Bourns

Figure 6 : Le détail des broches de l'EMS22Q51-D28-LT4 (à gauche) et le schéma fonctionnel montrent la simplicité de connexion d'un codeur magnétique incrémental sans contact de 256 PPR à un microcontrôleur. (Source de l'image : Digi-Key Electronics)

La série EMS22Q présente six broches : une broche pour l'alimentation et une pour la terre, une broche de sélection de circuit actif bas qui est reliée au microcontrôleur ou au microprocesseur, une broche d'index et deux broches de données (A et B). La sortie en quadrature obtenue est illustrée à la Figure 7.

Image de l'EMS22Q produisant une sortie en quadrature

Figure 7 : L'EMS22Q produit une sortie en quadrature avec une plage de 32 à 256 PPR. (Source de l'image : Bourns Inc.)

Les concepteurs de dispositifs pour les applications économiques et de loisirs peuvent faire un bon usage des codeurs mécaniques comme le codeur de 20 PPR EN11-HSM1AF15 de TT Electronics. Ce codeur fait partie de la série EN11 qui offre une résolution angulaire de 15 ou 20 PPR, une variété de longueurs d'arbre et de douille, un choix de commutateurs en option et une sélection de configurations de crans. Ce codeur fonctionne avec une alimentation de 5 V, coûte environ dix fois moins cher que les codeurs optiques et présente une durée de vie de 30 000 cycles de rotation.

Conclusion

Les codeurs rotatifs répondent aux besoins de détection et de numérisation rapides et efficaces de la rotation angulaire d'une commande de panneau avant, d'un bras robotique ou d'un arbre de moteur rotatif. Les codeurs incrémentaux ou absolus fournissent l'interface essentielle avec les microprocesseurs ou les microcontrôleurs pour permettre la détection et le contrôle des composants des systèmes électromécaniques.

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À propos de l'auteur

Art Pini

Arthur (Art) Pini est un auteur-collaborateur chez Digi-Key Electronics. Il est titulaire d'une licence en génie électrique du City College of New York et d'un master en génie électrique de la City University of New York. Il affiche plus de 50 ans d'expérience en électronique et a occupé des postes clés en ingénierie et en marketing chez Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek et Nicolet Scientific. Il s'intéresse aux technologies de mesure et possède une vaste expérience des oscilloscopes, des analyseurs de spectre, des générateurs de formes d'ondes arbitraires, des numériseurs et des wattmètres.

À propos de l'éditeur

Rédacteurs nord-américains de Digi-Key