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Codeur magnétique
Le codeur magnétique s’appuie sur des aimants multipolaires et des capteurs magnétiques pour convertir un déplacement rotatif ou linéaire en signal électrique. Il se distingue par sa résistance à l’huile, à la poussière et aux vibrations, son large intervalle de température et de généreuses tolérances d’installation. C’est un dispositif de retour de position très courant en automatisation industrielle, automobile et engins lourds, robotique et équipements extérieurs.
Qu’est-ce qu’un codeur magnétique (What is a Magnetic Encoder)
Un codeur magnétique est un système de mesure de position et de vitesse fondé sur la variation périodique du champ magnétique. Sa structure typique associe un aimant (anneau/courroie multipolaire, ou aimant magnétisé radialement ou axialement) et une tête de lecture (puce capteur magnétique et circuit de conditionnement). Dans un entrefer spécifié, la tête capte deux signaux proches du sinus/cosinus (sin/cos) qui évoluent avec le déplacement ; après le front-end analogique et l’interpolation/le décodage, le système fournit des sorties incrémentales A/B/Z, sin/cos 1 Vpp (ou 11 µA_pp en courant), ou une position absolue via SSI/BiSS/SPI/EnDat, etc.
Comparés aux codeurs optiques, les codeurs magnétiques offrent une meilleure robustesse environnementale, une longue durée de vie et un coût inférieur ; en revanche, à l’extrême en résolution, linéarité et erreur de subdivision (SDE), ils restent en général légèrement en-deçà des solutions optiques haut de gamme.
Principe de fonctionnement (Working Principle)
1) Technologies de détection magnétique
- Hall : faible coût, technologie mature et fiable ; précision position/angle moyenne ; nécessite une compensation de la dérive thermique.
- AMR (magnétorésistance anisotrope) : sensibilité supérieure au Hall, meilleure immunité au bruit.
- GMR/TMR (magnétorésistance géante / à effet tunnel) : sensibilité maximale et faible bruit, permettant de très hautes résolutions et de petits entrefers ; TMR présente une plus faible dérive thermique mais un coût plus élevé.
- Détection différentielle : canaux en phase/opposition annulant les champs parasites externes et les dérives de mode commun, améliorant l’immunité.
2) Formation du signal et calcul d’angle
- Un aimant polarisé N/S en alternance le long d’un cercle ou d’une ligne génère un champ périodique ; la tête de lecture acquiert deux voies proches de sin/cos. L’angle peut être calculé par :
theta = atan2(V_sin, V_cos) - Interpolation numérique ou PLL (boucle à verrouillage de phase) pour sous-diviser angle ou déplacement ; les versions absolues délivrent un code unique via codage mono/multitours, comptage redondant ou trame de protocole.
3) Relation vitesse–fréquence (formules en texte)
- Rotation :
f ≈ (tr/min / 60) × pole_pairs × edges_per_cycle - Linéaire :
f ≈ (v / p) × edges_per_cycle
où tr/min est la vitesse de rotation (tours/minute), pole_pairs le nombre de paires de pôles, edges_per_cycle le nombre de fronts utiles par période électrique ; v la vitesse linéaire et p le pas polaire de la bande magnétique.
Classification (Classification)
- Selon le mouvement : codeurs rotatifs (anneau/aimant radial/axial, on-axis/off-axis = coaxial/hors axe) / codeurs linéaires (bande/échelle magnétique multipolaire).
- Selon la sortie : incrémental (A/B/Z ; TTL/HTL/RS422 ; sin/cos 1 Vpp, 11 µA_pp) / absolu (SSI, BiSS-C, SPI, EnDat ; passerelle possible vers CANopen/EtherCAT, etc.).
- Selon l’aimant : anneaux multipolaires (montage alésage/portée, pas fixe), aimants magnétisés radialement/axialement (peu de paires de pôles, compacts), bandes flexibles (longue course, pose aisée).
- Selon la puce capteur : capteur d’angle monopuces (intégrant AFE + CORDIC/SIN/COS) / architecture discrète (AFE + ADC + MCU/FPGA pour interpolation et codage).
Sorties & interfaces (Outputs & Interfaces)
| Catégorie | Style de signal | Scénario typique |
|---|---|---|
| Onde carrée incrémentale | A/B (+Z), TTL/HTL/RS422 | Compteurs rapides PLC, boucles de vitesse/position |
| Sinus/Cosinus | 1 Vpp, 11 µA_pp | Interpolation haute résolution, applications à faible SDE |
| Série absolue | SSI, BiSS-C, SPI, EnDat 2.2 | Position absolue, comptage multitours, diagnostic |
| Bus / Ethernet industriel | CANopen, EtherCAT, PROFINET (via module d’interface) | Synchronisation multi-axes, longues distances, diagnostic en ligne |
Spécifications clés (Key Specifications)
| Indicateur | Plage typique / Remarques |
|---|---|
| Résolution | Rotatif : 12–18 bits (Hall/AMR), 18–20+ bits (GMR/TMR avec interpolation). Linéaire : pas d’échelle 5–50 µm, interpolé à 1–5 µm ; les meilleurs atteignent le sub-micron. |
| Précision angulaire | Absolu rotatif : ±0,05° à ±0,5° (dépend de l’aimant et de l’excentricité). |
| Répétabilité / Gigue | Répétabilité meilleure que ±0,05° ; la gigue dépend du RSB (SNR) et de l’horloge d’interpolation. |
| SDE (Sub-Division Error) | Généralement meilleure que ±0,1° (haut de gamme ≤ ±0,03°) ; pour les linéaires, exprimée en µm. |
| Entrefer magnétique | 0,5–2,5 mm (selon l’énergie de l’aimant et le réseau de capteurs). |
| Pas / paires de pôles | Anneaux : 2–64 paires fréquentes ; bandes : pas de 2–5 mm. |
| Vitesse maximale | Vitesse mécanique > 10 000 tr/min ; linéaire > 3 m/s (selon l’interface). |
| Plage de température | −40 °C à +125/150 °C (niveau automobile), compensation thermique nécessaire. |
| Protection / milieux pollués | IP50–IP67 ; tolérant au brouillard d’huile, à la poussière et aux fluides de coupe. |
| CEM/ESD | Conforme aux exigences industrielles/automobiles ; conception différentielle et blindage essentiels. |
Note : Les performances réelles dépendent conjointement du matériau et de la qualité de magnétisation, de l’excentricité/inclinaison, de l’entrefer, du blindage et des algorithmes de compensation.
Aimant & mécanique (Magnet & Mechanics)
- Choix du matériau magnétique : NdFeB (néodyme-fer-bore, produit d’énergie élevé ; sensible à la démagnétisation, contrôle thermique requis), SmCo (samarium-cobalt, excellente stabilité thermique ; coût élevé), ferrite (coût faible, volume plus important).
- Mode de magnétisation : radiale/axiale ou multipolaire en anneau ; l’uniformité du pas polaire influence directement la linéarité et les harmoniques.
- Erreurs géométriques : le faux-rond/excentricité (runout) induit des erreurs angulaires harmoniques d’ordre 1 et 2 ; inclinaison/battement provoquent des déséquilibres d’amplitude/phase et de la distorsion.
- Tolérances d’entrefer : trop grand → atténuation d’amplitude et baisse du RSB ; trop petit → risque de frottement et désaccord thermique.
- Immunité aux champs parasites : structures différentielles, concentration de flux ou bague de blindage ; s’éloigner des harmoniques de dents du stator moteur ; évaluer l’immunité aux champs parasites (stray-field immunity) si nécessaire.
Erreurs & compensation (Error Sources & Compensation)
- Déséquilibre amplitude/phase & ellipticité : réduire la SDE via AGC (contrôle automatique de gain), égalisation de phase et compensation d’ellipticité.
- Dérive thermique : modéliser le coefficient thermique du capteur et la rémanence de l’aimant vs température ; corriger en ligne via mesure de température.
- Excentricité / erreur de pas polaire : linéarisation par LUT en usine ou étalonnage in-situ (ajustement multipoint/compensation harmonique).
- Champs parasites / EMI : routage différentiel, transmission RS422, blindage et mise à la terre en point unique ; ajouter un blindage en fer doux si besoin.
- Comptage multitours : rétention hors tension via récupération d’énergie / engrenages / FRAM/NVRAM avec contrôles de cohérence redondants.
Comparaison avec d’autres technologies (Comparisons)
| Technologie | Résolution/précision | Robustesse env. | Coût | Applications typiques |
|---|---|---|---|---|
| Codeur magnétique | ★★★☆ (jusqu’à 18–20+ bits) | ★★★★★ | ★★☆ | Industrie/automobile, environnements sévères, longue durée |
| Codeur optique | ★★★★★ (niveau nm/arcsec) | ★★☆ | ★★★★ | Machine-outil de précision, métrologie, semi-conducteurs |
| Codeur inductif | ★★★ | ★★★★ | ★★★ | Haute T° / CEM forte, machines lourdes |
| Résolveur | ★★☆ (démodulation analogique) | ★★★★★ | ★★★ | Forte vibration/haute T°, retour moteur |
| Potentiomètre | ★ | ★★ | ★ | Faible coût, courte durée / précision modeste |
Applications (Applications)
- Automatisation industrielle : convoyage et mécanismes lourds, systèmes hybrides servo/pas à pas, ascenseurs et engins portuaires.
- Automobile/transport : commutation et position moteur, direction et pédales, position châssis/siège (environnement ISO 26262).
- Robotique & cobots : angle d’articulation, codeur de roue AGV/AMR, plateformes mobiles extérieures.
- Énergies renouvelables & équipements outdoor : suivi solaire/éolien, vannes et actionneurs, machines minières et de chantier.
Points clés d’installation & d’intégration (Installation & Integration)
- Centrage/coaxialité : en rotatif, privilégier épaulement/outil de positionnement et contrôler le faux-rond radial et axial ; en linéaire, assurer la rectitude de la bande/échelle et la stabilité du support.
- Réglage de l’entrefer : suivre la fiche technique en gardant de la marge sur toute la plage thermique ; vérifier la marge d’amplitude à RSB minimal et à la vitesse maximale.
- Câblage & terminaison : préférer RS422 différentiel ou interface courant ; adaptation d’impédance, blindage et mise à la terre en point unique pour éviter les boucles.
- Paramètres de protocole : longueur de trame, CRC, temporisations et bits d’alarme en SSI/BiSS/SPI/EnDat doivent correspondre au contrôleur.
- Redondance & sécurité : sur les axes critiques, double canal/double capteur avec contrôle de cohérence (SIL/PL ou ASIL).
Normes & conformité (Standards & Compliance)
- IEC 60529 (indices IP) / IEC 60068-2 (vibration/choc/haute-basse T°/humidité)
- IEC 61000-6-2 / 6-4 (immunité/émission CEM industrielle), ISO 7637 (transitoires véhicules)
- ISO 13849-1 / IEC 61800-5-2 / ISO 26262 (sécurité fonctionnelle machines/entraînements/automobile)
- AEC-Q100/Q200 (fiabilité composants grade automobile pour capteurs/passifs)
La liste finale des exigences de conformité est à adapter au secteur et aux besoins du projet.
Guide de sélection (Selection Guide)
- Objectifs de précision : précision/linéarité angulaire, résolution, SDE et gigue.
- Technologie de détection : Hall (priorité coût) / AMR / GMR / TMR (priorité résolution & stabilité thermique).
- Solution aimant : anneau/bande/aimant unique ; pas polaire & dimensions, matériau & classe thermique.
- Interface de sortie : incrémental/sin-cos ou SSI/BiSS/SPI/EnDat ; besoin d’une passerelle bus et de diagnostic en ligne.
- Environnement & endurance : indice IP, huile/poussière/fluides, immunité aux champs parasites ; en automobile/outdoor, exigences de durabilité « grade auto ».
- Mécanique & entrefer : erreur de centrage admissible, fenêtre d’entrefer, limite de vitesse ; outillage de montage et constance en série.
- Compensation & étalonnage : support des compensations thermique/harmonique/linéarisation LUT ; stratégie en usine ou in-situ.
- Sécurité & redondance : niveau de sécurité fonctionnelle, fail-safe et interfaces de supervision de défauts.
Glossaire (Glossary)
- Pas/paires de pôles (pole pitch/pairs) : longueur spatiale d’un cycle N–S / nombre de paires.
- SDE (Sub-Division Error) : erreur de subdivision ; erreur périodique résiduelle après interpolation.
- Stray-Field Immunity : immunité aux champs magnétiques externes/parasitaires.
- CTE : coefficient de dilatation thermique ; influe sur l’ajustement thermique entre l’aimant et les pièces mécaniques.
Conclusion : En maîtrisant les principes de détection magnétique, la conception de l’aimant et de la mécanique, les interfaces et les stratégies de compensation—et en les alignant aux objectifs de précision et aux conditions d’usage—on obtient un retour de position fiable, durable et diagnosticable même en environnement sévère.