Explication des paramètres clés de l’encodeur
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 1000, 2500, 5000 PPR, etc. ; en cas de quadruplement de la fréquence, le comptage réel peut atteindre 4×PPR.
- Codeur absolu : Habituellement exprimé en bits pour la résolution par tour (par exemple, 13 bits = 8192 positions discrètes), ou sous la forme nombre de bits multi-tours + nombre de bits par tour (par exemple, 25 bits pour multi-tours).
- Codeur linéaire : Couramment exprimé en LPI (Lines Per Inch), CPI (Counts Per Inch), ou “µm/pulsation”.
1.2 Résolution et performance du système
- Plus la résolution est élevée, plus le système peut capturer de petits mouvements, offrant ainsi un contrôle de position et de vitesse plus précis.
- Une résolution trop élevée nécessite un contrôleur haute performance et un processeur plus rapide, sinon des impulsions risquent d’être perdues ou retardées.
- Dans les applications à grande vitesse, une haute résolution entraîne une fréquence d'impulsions plus élevée, ce qui nécessite de s'assurer que les câbles et les pilotes ont la bande passante appropriée.
1.3 Détails supplémentaires
- Certains codeurs prennent en charge la technologie d'interpolation (Interpolation), permettant d'augmenter considérablement la résolution par une subdivision interne.
- Il est important de distinguer entre la résolution mécanique (nombre réel de lignes sur le disque codeur) et la résolution électronique (sortie après interpolation interne).
2. Précision (Accuracy)
2.1 Précision large et précise
- Précision large : L'écart maximal entre la valeur de sortie du codeur et la position réelle, influencé par divers facteurs (erreur du disque codeur, assemblage mécanique, jeu des roulements, etc.).
- Précision précise : Certains fabricants ne fournissent que la précision des lignes du codeur ou la précision de lecture du capteur, sans inclure les erreurs liées à l'assemblage ou aux roulements.
2.2 Unités de mesure typiques
- Codeur angulaire : arcsec (seconde d'arc), arcmin (minute d'arc), degré (°) ou pourcentage de la résolution.
- Codeur linéaire : µm/m, ppm (partie par million) ou d'autres indices de précision.
2.3 Sources d'erreur et de précision
- Erreur de fabrication du disque/rasters : Périodes de lignes inégales ou excentricité.
- Non-linéarité du capteur : Distorsion aux bords des capteurs optiques ou magnétiques.
- Erreur d'installation mécanique : Excentricité, jeu des roulements ou non-alignement des brides.
- Influences environnementales : Dérive de température, vibrations, accumulation de poussières.
2.4 Amélioration de la précision et compensation
- Utilisation de disques de haute précision ou d'éléments optiques/magnétiques de qualité.
- Calibrage des erreurs à l'aide de laser interféromètre et établissement de tables de compensation.
- Amélioration de la rigidité des roulements pour réduire les oscillations radiales/axiales.
3. Répétabilité (Repeatability)
3.1 Concept
- La répétabilité se concentre sur la cohérence des résultats de mesure lorsque la même position est mesurée plusieurs fois, sans tenir compte de l'écart absolu.
- Même si la précision absolue est moyenne, une bonne répétabilité permet d'obtenir une haute précision de localisation par correction logicielle.
3.2 Facteurs influents
- Jeu mécanique : Jeux ou déformations élastiques dans les engrenages, accouplements, vis à billes.
- Bruit du signal : Mauvais déclenchement des capteurs optiques ou magnétiques à des points critiques.
- Perturbations environnementales : Changements de température, interférences électromagnétiques, vibrations, etc.
3.3 Mesures d'amélioration
- Optimisation de la chaîne de transmission, choix de coupleurs de bonne qualité, et garantie du bon alignement des axes.
- Moyenne des échantillons multiples ou utilisation de filtres pour améliorer la précision.
- Réduction des sources de vibrations et des interférences.
4. Vitesse maximale et fréquence de réponse (Max Speed & Frequency Response)
4.1 Vitesse maximale
- Codeur rotatif : Exprimé en RPM (révolutions par minute), par exemple 6000 RPM.
- Codeur linéaire : Exprimé en m/s ou mm/s.
- Un dépassement de la vitesse maximale peut entraîner la perte ou la distorsion du signal, ce qui affecte la précision de la mesure.
4.2 Fréquence de réponse
- Cela représente la capacité de l'encodeur à garantir un signal complet et des comptages corrects à mesure que la vitesse de mouvement augmente.
- La fréquence des impulsions d'un codeur incrémental peut être calculée par RPM × PPR / 60.
- La fréquence de réponse d'un codeur absolu dépend de la vitesse de communication série ou de la fréquence de rafraîchissement.
4.3 Remarques
- Le contrôleur doit disposer d'une capacité de comptage à haute vitesse ou d'une capacité de détection série rapide.
- Le câblage de transmission du signal et les circuits récepteurs doivent être capables de supporter la bande passante correspondante, afin d'éviter une perte de signal ou un bruit excessif.
5. Tension d'alimentation et consommation d'énergie (Supply Voltage & Power Consumption)
5.1 Plage de tension d'alimentation
- Valeurs typiques : 5V DC (codeur TTL), 10-30V DC (HTL), certains produits haut de gamme peuvent fonctionner dans une plage plus large de 4,5 à 30V.
- Les codeurs Ethernet industriels sont généralement compatibles avec les systèmes industriels de 24V.
5.2 Évaluation de la consommation d'énergie
- Les codeurs optiques consomment généralement plus d'énergie en raison de la présence de la source lumineuse.
- Les codeurs magnétiques/capacitifs consomment moins d'énergie, mais peuvent nécessiter un préchauffage dans des environnements froids.
- Un fonctionnement à haute vitesse et une haute résolution augmentent la consommation d'énergie des processeurs internes et des pilotes.
5.3 Compatibilité et stabilité
- Les ondulations de l'alimentation et les baisses temporaires peuvent provoquer un redémarrage du codeur ou la perte d'impulsions.
- Les systèmes multiaxes de grande taille doivent tenir compte de la chute de tension sur les lignes d'alimentation et d'une largeur de câble suffisante.
6. Types de sorties et niveaux de signal (Output Types & Signal Levels)
6.1 Sortie incrémentale
- A/B/Z signal carré : La sortie la plus courante des codeurs incrémentaux, les niveaux peuvent être TTL, HTL, RS422.
- Sortie sinusoïdale (1 Vpp) : Mesure de haute précision pour les grilles optiques/magnétiques, avec interpolation pour augmenter la résolution.
6.2 Sortie absolue
- Sortie parallèle : Utilise plusieurs bits parallèles pour coder les informations de position absolue (code Gray, binaire, etc.).
- Sortie série : Protocole synchrone série comme SSI, BiSS, EnDat, réduisant le câblage et augmentant la résistance aux interférences.
- Bus/Ethernet : CANopen, Profibus, EtherCAT, Profinet, permettant un contrôle en réseau sur plusieurs nœuds.
6.3 Sortie analogique
- Signal de tension (0~5V, 0~10V) ou courant (4~20mA), adapté aux systèmes de contrôle analogiques traditionnels.
- La précision peut être affectée par les ondulations de l'alimentation et l'impédance du câblage.
7. Indice de protection (IP Rating)
7.1 Norme IP
- IP65 : Résistant à la poussière et protégé contre les jets d'eau à faible pression ;
- IP67 : Immersion temporaire dans l'eau possible, étanchéité renforcée ;
- IP68 : Fonctionne même sous l'eau pendant des périodes prolongées ou dans des environnements sous-marins.
7.2 Stratégie de sélection
- Les environnements extérieurs, alimentaires, de lavage ou avec une humidité ou poussière élevée nécessitent des codeurs avec un indice IP élevé.
- Un indice IP élevé entraîne souvent des coûts plus élevés, il est donc essentiel de prendre en compte le refroidissement et la résistance des roulements.
8. Charge de roulement et durée de vie mécanique (Bearing Load & Mechanical Life)
8.1 Types de roulements et charges
- Les roulements à billes de précision ou les roulements à contact angulaire sont couramment utilisés.
- Charge radiale : Force appliquée perpendiculairement à l'axe ; Charge axiale : Force appliquée parallèlement à l'axe.
8.2 Durée de vie et maintenance
- Une vitesse élevée, une charge importante ou des environnements à température extrême réduisent la durée de vie des roulements.
- Certains codeurs haut de gamme utilisent des roulements en céramique ou des graisses spéciales pour améliorer leur durabilité.
8.3 Remarques d'installation
- Des accouplements flexibles ou des supports externes peuvent aider à réduire les forces radiales.
- Lors de l'installation, il est essentiel de garantir un alignement correct pour éviter des couples ou des vibrations supplémentaires.
9. Paramètres environnementaux (Environment Parameters)
9.1 Plage de température
- Température de fonctionnement : Par exemple, de -20°C à +85°C pour garantir la précision de mesure.
- Température de stockage : Peut être plus large, mais il est important d'éviter une température trop élevée ou trop basse qui pourrait détériorer les composants optiques ou les lubrifiants.
9.2 Humidité, condensation et corrosion
- Dans des environnements à forte humidité ou avec condensation, il est nécessaire d'améliorer l'étanchéité et de traiter contre la rouille.
- Dans des environnements corrosifs (acides, bases, brume saline), un boîtier en acier inoxydable ou avec un revêtement anticorrosion est requis.
9.3 Résistance aux vibrations et chocs
- Mesurée en g ou m/s², les codes doivent supporter les conditions de vibration élevées, comme celles des broches de machine ou des bancs d'essai automobile, et nécessitent des spécifications plus strictes.
- Les amortisseurs ou les supports externes peuvent également améliorer la résistance aux chocs.
9.4 EMC/ESD résistance
- Dans les environnements électromagnétiques élevés, il est nécessaire d'utiliser des câbles blindés et des solutions de mise à la terre appropriées.
- Les mesures anti-ESD (comme les anneaux de mise à la terre, les TVS, etc.) peuvent protéger les circuits internes.
10. Sécurité fonctionnelle et redondance (Functional Safety & Redundancy)
10.1 Niveau d'intégrité de sécurité (SIL / PL)
- SIL : Défini dans les normes IEC 61508, IEC 62061 ; PL : Niveau de sécurité fonctionnelle selon ISO 13849.
- Pour des applications critiques de sécurité comme les AGV, les ascenseurs ou la collaboration des robots, il est recommandé d'utiliser des codeurs certifiés SIL2 ou SIL3.
10.2 Conception redondante
- Double tête de lecture ou double canal : Comparaison croisée des données des deux capteurs ou changement automatique en cas de défaillance.
- Cela réduit considérablement le risque de panne du système en cas de défaillance du capteur.
10.3 Autodiagnostic intégré
- Alerte en cas de diminution de l'intensité lumineuse, anomalies magnétiques ou température excessive.
- Implémentation de la logique « arrêt sécurisé » ou « protection contre la décélération » pour améliorer la sécurité du système global.
11. Erreur linéaire et calibration (Linearity & Calibration)
11.1 Sources d'erreur linéaire
- Distribution inégale des périodes du disque codeur ou des bandes magnétiques.
- Écarts ou ajustements fins de mouvement mécanique dans l'écart entre la tête de lecture et l'échelle.
11.2 Calibration et compensation
- Pour des applications de haute précision (comme les semi-conducteurs, les tests de précision), les interféromètres laser sont couramment utilisés pour calibrer le codeur et générer des courbes d'erreur.
- Certains codeurs intègrent des tables de compensation stockées qui corrigent automatiquement les données de sortie avant leur émission.
11.3 Erreurs locales et intégration du système
- Lorsque le mouvement mécanique se fait sur une petite plage, il est possible de se concentrer sur la calibration des valeurs de compensation dans cette zone de travail spécifique.
- Combiné avec une bonne répétabilité, il est possible d'obtenir une précision de localisation extrêmement élevée.
12. Suggestions de sélection et d'intégration complètes
12.1 Exigences des applications cibles
- Type de mouvement : Rotation/linéaire, plage de vitesse, caractéristiques d'accélération/décélération.
- Précision du système : Exigences de résolution, de précision et de répétabilité.
- Contraintes environnementales : Niveau de protection, plage de température, poussière/humidité, interférences vibratoires, etc.
12.2 Connexion mécanique et électrique
- Vérifier la compatibilité des diamètres d'axe, types de brides et charges des roulements avec le système de transmission mécanique.
- La tension d'alimentation, le niveau du signal et les protocoles de communication doivent être compatibles avec les contrôleurs.
- Estimer la longueur du câblage, les chutes de tension et l'atténuation du signal, en sélectionnant des câblages blindés ou à paires torsadées si nécessaire.
12.3 Installation, configuration et maintenance
- Garantir l'alignement précis des axes pour éviter les forces radiales ou axiales excessives sur les roulements des codeurs.
- Il est recommandé d'utiliser des accouplements flexibles pour compenser les petites excentricités.
- Effectuer une inspection régulière de l'étanchéité du boîtier, des joints anti-poussière, et de la solidité des câbles et des connexions.
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 : Détermine la finesse du contrôle des mouvements et la précision de la localisation
- Vitesse maximale et fréquence de réponse : Assure la non-perte d'impulsions et l'absence de distorsion du signal dans les applications à grande vitesse
- Protection, charge des roulements : Garantit une durée de vie stable dans des environnements complexes et avec de fortes charges
- Compatibilité électrique et interfaces de communication : Assure une intégration efficace avec les contrôleurs de systèmes, PLC et réseaux industriels
- Sécurité fonctionnelle et redondance : Répond aux exigences de fiabilité des applications critiques
En maîtrisant ces paramètres et leurs normes de test, il est possible de prendre des décisions plus rationnelles lors de la sélection, de l'intégration et de la maintenance des codeurs, tout en garantissant une plus grande efficacité et sécurité des systèmes d'automatisation industrielle.