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Explication des paramètres clés du codeur
Pour évaluer correctement et sélectionner un codeur, il est nécessaire de comprendre en profondeur les paramètres clés qui influencent la précision de mesure, la plage de vitesse, l’adaptabilité environnementale, la durée de vie, etc. Cette page fournit une analyse détaillée et professionnelle des paramètres électriques, mécaniques et environnementaux courants des différents types de codeurs.
1. Résolution (Resolution)
1.1 Définition et modes de représentation
- Codeur incrémental : Généralement exprimé en PPR (Pulses Per Revolution) ou CPR (Counts Per Revolution) ; des valeurs courantes sont 1 000, 2 500, 5 000 PPR. Avec décodage 4× (quatre fronts), le comptage effectif peut atteindre 4× PPR.
- Codeur absolu : Exprimé en bits pour la résolution par tour (p. ex., 13 bits = 8 192 positions). En multitours, on indique souvent (bits multitours) + (bits par tour), p. ex. 12 + 13 bits.
- Codeur linéaire : Exprimé en LPI/CPI ou en métrique (p. ex. µm par incrément).
1.2 Résolution et performance du système
- Plus la résolution est élevée, plus le système capte de petits mouvements, améliorant la tenue en position/vitesse.
- Une résolution trop élevée impose un contrôleur rapide et une chaîne d’acquisition adaptée, sinon risque de perte de fronts.
- À grande vitesse, une haute résolution augmente la fréquence d’impulsions, d’où besoin de câbles/entrées à bande passante suffisante.
1.3 Détails supplémentaires
- Certains codeurs offrent une interpolation interne, augmentant la résolution de sortie.
- Distinguer résolution mécanique (lignes/disque ou pas magnétique) et résolution électronique (après interpolation).
2. Précision (Accuracy)
2.1 Précision système et précision capteur
- Précision système : Écart max. entre sortie et position réelle, incluant disque/échelle, montage, jeux de roulements, etc.
- Précision capteur : Certains fabricants ne donnent que la précision du motif (grille/aimant) ou de la lecture, hors erreurs mécaniques.
2.2 Unités de mesure typiques
- Codeur angulaire : seconde d’arc (arcsec), minute d’arc (arcmin), degré (°) ou % de la résolution.
- Codeur linéaire : µm/m, ppm, etc.
2.3 Sources d’erreur
- Motif disque/échelle : pas non uniforme, excentricité.
- Non-linéarité capteur : distorsions optiques/magnétiques.
- Montage mécanique : excentricité, désalignement, jeux.
- Environnement : dérive thermique, vibrations, dépôts.
2.4 Amélioration & compensation
- Motifs/éléments optiques ou magnétiques de haute qualité.
- Interféromètre laser pour caractériser et générer des tables de compensation (LUT).
- Rigidité et qualité des roulements pour réduire faux-ronds.
3. Répétabilité (Repeatability)
3.1 Concept
- Cohérence des mesures en revenant sur la même position (indépendante de l’exactitude absolue).
3.2 Facteurs influents
- Chaîne mécanique : jeux/élasticité (engrenages, accouplements, vis à billes).
- Bruit du signal : déclenchements aux seuils.
- Environnement : température, CEM, vibrations.
3.3 Mesures d’amélioration
- Optimiser transmission/accouplements et alignement des axes.
- Moyennage/filtrage des échantillons.
- Réduire sources de vibrations et interférences.
4. Vitesse maximale et fréquence de réponse (Max Speed & Frequency Response)
4.1 Vitesse maximale
- Codeur rotatif : exprimée en tr/min (p. ex., 6 000 tr/min).
- Codeur linéaire : m/s ou mm/s.
Un dépassement peut causer perte/distorsion de signal.
4.2 Fréquence de réponse
- Capacité du codeur à conserver un signal complet quand la vitesse augmente.
- Incrémental :
f ≈ (tr/min × PPR × edges_par_période) / 60. - Absolu : limitée par la vitesse de la liaison série / fréquence de rafraîchissement.
4.3 Remarques
- Entrées du contrôleur aptes au comptage haute vitesse / série rapide.
- Câblage et récepteurs doivent offrir la bande passante adéquate.
5. Tension d’alimentation et consommation d’énergie (Supply Voltage & Power Consumption)
5.1 Plage de tension d’alimentation
- Typiques : 5 V DC (TTL), 10–30 V DC (HTL). Certains modèles : 4,5–30 V.
- Les codeurs Ethernet industriels sont généralement alimentés en 24 V DC (évent. PoE selon produits).
5.2 Évaluation de la consommation
- L’optique consomme plus (source lumineuse).
- Magnétique/capacitif : plus faible, mais sensible au froid (pré-chauffage).
- Vitesse et résolution élevées ↑ charge numérique/driver.
5.3 Compatibilité & stabilité
- Ondulations/creux d’alim. peuvent causer reset ou pertes.
- Sur systèmes étendus : chutes de tension et section de câble à considérer.
6. Types de sorties et niveaux de signal (Output Types & Signal Levels)
6.1 Sortie incrémentale
- A/B/Z en onde carrée : niveaux TTL/HTL (single-ended) ou RS-422 (différentiel).
- Sinus/cosinus 1 Vpp : pour interpolation haute résolution.
6.2 Sortie absolue
- Parallèle : plusieurs bits (Gray, binaire…).
- Série : SSI, BiSS, EnDat (synchrone), câblage réduit, meilleure immunité.
- Bus/Ethernet : CANopen, PROFIBUS, EtherCAT, PROFINET pour contrôle distribué.
6.3 Sortie analogique
- Tension 0–5 V / 0–10 V ou courant 4–20 mA.
- Sensible aux ondulations et à l’impédance de ligne.
7. Indice de protection (IP Rating)
7.1 Norme IP
- IP65 : Étanche à la poussière, jets d’eau faibles.
- IP67 : Immersion temporaire.
- IP68 : Immersion prolongée selon conditions spécifiées par le fabricant.
7.2 Stratégie de sélection
- Extérieur/lavage/humidité/poussières : IP plus élevé.
- IP élevé = coût/contraintes thermiques ↑ ; attention aux roulements.
8. Charge de roulement et durée de vie mécanique (Bearing Load & Mechanical Life)
8.1 Types de roulements et charges
- Roulements à billes de précision / contact angulaire.
- Charge radiale : perpendiculaire à l’axe ; axiale : parallèle à l’axe.
8.2 Durée de vie et maintenance
- Vitesse/charge élevées ou températures extrêmes réduisent la vie.
- Modèles haut de gamme : roulements céramique / graisses haute T°.
8.3 Remarques d’installation
- Accouplements flexibles et paliers externes pour limiter la charge radiale.
- Alignement soigné pour éviter couples/vibrations parasites.
9. Paramètres environnementaux (Environment Parameters)
9.1 Plage de température
- Fonctionnement : p. ex. −20 °C à +85 °C.
- Stockage : plus large, mais éviter T° extrêmes nuisibles (optique/lubrifiants).
9.2 Humidité, condensation et corrosion
- En forte humidité/condensation : étanchéité et protections anticorrosion.
- Milieux corrosifs : boîtier inox ou revêtement adapté.
9.3 Résistance aux vibrations et chocs
- Exprimée en g ou m/s² ; applications sévères (broches, bancs d’essai) exigent spécifs renforcées.
- Amortisseurs/supports externes utiles.
9.4 CEM/ESD
- Câbles blindés et mise à la terre appropriée.
- Protection ESD (anneaux de masse, TVS, etc.).
10. Sécurité fonctionnelle et redondance (Functional Safety & Redundancy)
10.1 Niveau d’intégrité de sécurité (SIL / PL)
- SIL : IEC 61508, IEC 62061 ; PL : ISO 13849.
- Applications critiques (AGV, ascenseurs, cobots) : recommander SIL2/PL d voire SIL3 selon risque.
10.2 Conception redondante
- Double tête / double canal : comparaison croisée ou bascule en cas de défaut.
- Réduit le risque de défaillance unique.
10.3 Autodiagnostic intégré
- Alarmes : atténuation optique, anomalies magnétiques, T° élevée.
- Prise en charge d’arrêt sûr / rampe de sécurité côté variateur/système.
11. Erreur linéaire et calibration (Linearity & Calibration)
11.1 Sources d’erreur linéaire
- Pas non uniforme (disque/échelle/bande magnétique).
- Jeu d’entrefer (air gap) et micro-guidage de la tête de lecture.
11.2 Calibration et compensation
- Pour haute précision (semi-conducteurs, métrologie) : interféromètres laser et courbes d’erreur.
- LUT embarquées appliquant une correction en ligne.
11.3 Erreurs locales & intégration système
- Sur petite plage de travail, calibrer localement la compensation.
- Avec bonne répétabilité, la précision de position peut être très élevée.
12. Suggestions de sélection et d’intégration complètes
12.1 Exigences des applications cibles
- Type de mouvement : rotation/linéaire, plage de vitesse, profils d’accélération/décélération.
- Précision système : résolution, précision, répétabilité.
- Contraintes environnementales : IP, T°, poussière/humidité, vibrations/CEM.
12.2 Connexion mécanique et électrique
- Vérifier diamètres d’axe, types de brides, charges de roulements vs transmission.
- Alimentation, niveaux de signal, protocoles compatibles contrôleurs.
- Longueur de câbles, chutes de tension, atténuation ; préférer paires torsadées blindées si nécessaire.
12.3 Installation, configuration et maintenance
- Alignement précis pour éviter efforts radiaux/axiaux excessifs.
- Accouplements flexibles pour compenser les petites excentricités.
- Contrôles périodiques : étanchéité, joints anti-poussière, connectique/câbles.
13. Références et conclusions
Comprendre en profondeur les paramètres clés des codeurs est essentiel pour la sélection des systèmes. Ces paramètres incluent :
- Résolution, précision, répétabilité : finesse du contrôle et précision de localisation
- Vitesse maximale & fréquence de réponse : éviter pertes d’impulsions/distorsions à grande vitesse
- Indice de protection, charge des roulements : durée de vie stable en milieux sévères et sous charge
- Compatibilité électrique & interfaces : intégration fluide avec contrôleurs, API, réseaux industriels
- Sécurité fonctionnelle & redondance : fiabilité exigée par les applications critiques
En maîtrisant ces paramètres et leurs méthodes de test, il est possible de décider plus rationnellement lors de la sélection, de l’intégration et de la maintenance des codeurs, tout en garantissant une meilleure efficacité et sécurité des systèmes d’automatisation industrielle.