Codeurs rotatifs : absolus ou incrémentaux ?

Par Jeff Smoot, Vice-président, Ingénierie des applications et contrôle de mouvement, CUI Inc.

Le codeur rotatif est une solution éprouvée et populaire pour mesurer la vitesse, la direction de mouvement ou la position d'un arbre tournant. Plusieurs types différents sont disponibles, les deux principaux étant le codeur absolu et le codeur incrémental. Comment fonctionnent-ils ? Quelles sont leurs différences ? Comment faire le bon choix pour votre application ?

Principes de fonctionnement du codeur

Comme son nom l'indique, un codeur absolu délivre directement la position exacte de l'arbre qu'il mesure. Chaque point de rotation possède une valeur de position unique, ou mot de données, qui est codée sur un disque qui tourne avec l'arbre. Le nombre de codes uniques sur le disque détermine la précision avec laquelle la position peut être exprimée. Le codeur lit le code à l'aide d'un capteur optique, capacitif ou magnétique dès qu'il est allumé et génère une sortie valide. Il n'est pas non plus nécessaire d'établir une référence ou de faire tourner l'arbre pour permettre au capteur de déterminer la position, et il peut suivre la position même en cas de coupure de courant temporaire.

Schéma du disque d'un codeur absolu avec un code unique pour chaque position

Figure 1 : Le disque d'un codeur absolu présente un code unique pour chaque position, ce qui permet de produire une sortie immédiatement valide et de déterminer la résolution du codeur. (Source de l'image : CUI Inc.)

La résolution du codeur est exprimée en termes de bits correspondant au nombre de mots de données uniques au cours d'un tour. Les codeurs absolus sont disponibles en types monotour ou multitour. Les versions monotours fournissent des données de position pour un tour complet de 360°, qui se répètent à chaque tour de l'arbre. Le type multitour possède un compteur de tours qui permet au codeur d'indiquer non seulement la position de l'arbre, mais également le nombre de tours.

Les codeurs incrémentaux, quant à eux, fonctionnent en générant des impulsions lors de la rotation de l'arbre. La sortie correspond généralement à deux ondes carrées de 90° hors phase et des circuits supplémentaires sont nécessaires pour suivre ou compter ces impulsions.

Image d'un codeur incrémental qui génère des formes d'impulsions

Figure 2 : Un codeur incrémental génère des formes d'impulsions de 90° hors phase. (Source de l'image : CUI Inc.)

La résolution d'un codeur incrémental est exprimée en nombre d'impulsions par tour (PPR), ce qui correspond au nombre d'impulsions hautes émises par l'une des sorties d'ondes carrées. Pour plus d'informations sur ce sujet, vous pouvez lire le blog de CUI sur PPR.

En examinant la Figure 2, vous pouvez voir qu'il n'y a que quatre états de sortie distincts et répétés. Pour cette raison, un codeur incrémental doit être associé à un emplacement fixe connu pour fournir des informations de positionnement significatives. Cet emplacement de référence est l'impulsion d'index du codeur. La position absolue de l'arbre est ensuite calculée en suivant le changement incrémental relatif de rotation par rapport à l'impulsion d'index. Ce processus de référencement est nécessaire chaque fois que le codeur est mis sous tension ou après une perte de puissance temporaire. Il est donc nécessaire de faire tourner l'arbre pour pouvoir connaître sa position. Ce processus est plus lent que l'obtention de la position grâce à un codeur absolu qui ne nécessite aucune rotation initiale.

Codeur absolu ou codeur incrémental : critères de sélection

Les codeurs absolus sont plus complexes que les codeurs incrémentaux et sont donc généralement plus coûteux. Bien que l'écart de prix diminue, un codeur incrémental est généralement privilégié pour une simple surveillance de la vitesse, de la direction ou de la position relative. Mais il existe certaines situations dans lesquelles un codeur absolu constitue un meilleur choix.

L'un des principaux avantages du codeur absolu réside dans le fait que la position de l'arbre est maintenue, de sorte que les données de position sont immédiatement disponibles sans attendre la fin de la séquence de référencement ou d'étalonnage. Cela permet au système de démarrer plus rapidement ou de récupérer après une panne de courant, même si la position de l'arbre a changé pendant que le codeur était éteint.

Le codeur absolu est également privilégié lorsque les informations de position sont nécessaires immédiatement au démarrage, avant l'activation ou le déplacement des mécanismes. Il pourrait s'agir d'un scénario dans lequel la rotation de l'arbre dans le mauvais sens depuis la position de départ pourrait endommager l'équipement ou présenter un danger pour l'utilisateur.

De plus, comme un codeur absolu indique la vraie position en temps réel, un système numérique peut interroger le codeur via un bus de communication central pour capturer la position avec une latence minimale. Le suivi en continu de la position est plus difficile avec un codeur incrémental, car un circuit externe est généralement nécessaire pour suivre toutes les impulsions à l'aide du décodage en quadrature, ce qui alourdit le système hôte, notamment dans les cas où il est nécessaire de surveiller plusieurs codeurs.

Image de codeurs absolus générant un « mot » numérique unique pour chaque position du disque codeur

Figure 3 : Les codeurs absolus génèrent un « mot » numérique unique, équivalent à la résolution indiquée, pour chaque position du disque codeur. (Source de l'image : CUI Inc.)

Autre avantage : l'utilisation d'un codeur absolu contribue à réduire la vulnérabilité du système au bruit électrique. Contrairement aux codeurs incrémentaux à comptage d'impulsions, les codeurs absolus permettent au système de lire un code vérifié à partir d'une sortie binaire, ou numériquement via un bus série, pour calculer la position.

En outre, la combinaison de plusieurs codeurs absolus dans le même système est également plus facile qu'avec des codeurs incrémentaux. Les exemples typiques incluent l'automatisation en usine ou les robots à plusieurs axes. La surveillance des sorties de plusieurs codeurs incrémentaux peut devenir compliquée et nécessiter une puissance de traitement importante, alors que les mesures à partir de codeurs absolus individuels sont plus faciles à interpréter, notamment lorsque les codeurs peuvent être reliés à un bus de communication central.

Opportunités pour les codeurs absolus

Vous devriez maintenant avoir une bonne compréhension des principales différences entre les codeurs absolus et incrémentaux. Examinons quelques domaines d'application dans lesquels des codeurs absolus sont généralement utilisés.

Parmi eux, la robotique est un domaine en pleine expansion qui fait son apparition dans de nombreux secteurs, des soins de santé (par exemple pour la chirurgie à distance, qui repose sur de grandes quantités d'informations de position précises pour surveiller et contrôler les bras robotiques chirurgicaux) aux utilisations industrielles comme l'assemblage automatisé, la soudure, la peinture au pistolet, etc. Pour l'avenir, les possibilités des robots d'assistance à domicile sont particulièrement intéressantes et bénéficieront de la vitesse et de la facilité d'utilisation offertes par les codeurs absolus.

Alors que les entreprises poursuivent leur transformation numérique et que l'écart de prix entre les codeurs incrémentaux et absolus diminue, les applications pour les codeurs absolus sont presque illimitées. Il existe également de nombreuses opportunités sur les marchés grand public. Qu'ils soient utilisés pour commander des mécanismes comme des portes automatisées, des commandes de caméra, des commandes intelligentes de CVC, des automatismes d'usine ou des sous-systèmes automobiles motorisés, les codeurs absolus représentent une option hautement performante et de plus en plus économique pour les concepteurs d'équipements.

Le choix de l'ingénieur pour la rétroaction de position

En raison des différences de performances, de prix et d'expérience utilisateur entre les codeurs absolus et les codeurs incrémentaux, il est essentiel de choisir le bon type de codeur pour toute nouvelle conception de produit. À mesure que l'écart de prix se réduit et que les technologies évoluent, les avantages offerts par les codeurs absolus par rapport aux codeurs incrémentaux pourraient en faire l'option privilégiée des concepteurs pour les fonctions de rétroaction de position dans un nombre croissant de secteurs.

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À propos de l'auteur

Jeff Smoot, Vice-président, Ingénierie des applications et contrôle de mouvement, CUI Inc.

Article fourni par Jeff Smoot de CUI Inc.