Types de codeurs

Les codeurs sont les « yeux » des systèmes d’automatisation industrielle et de contrôle de mouvement de précision, capables de convertir avec exactitude le mouvement mécanique en signaux électriques. Selon les besoins applicatifs et la technologie employée, on peut les classer selon trois critères : type de signal de sortie, forme de mesure et principe de détection. Voici une analyse professionnelle et détaillée.

I. Classification par type de signal de sortie

1. Codeur incrémental (Incremental Encoder)

• Principe de fonctionnement : Génère des impulsions en quadrature A/B via détection optique ou magnétique, et une impulsion Z unique pour la remise à zéro.
• Indicateurs clés :
  • Résolution : Typiquement 500–10 000 PPR ; décodage 4× et/ou interpolation numérique possibles jusqu’à des dizaines de milliers voire au-delà.
  • Qualité du signal : Erreur de phase < 5°, jitter < ±1 LSB.
• Normes de sortie : TTL (0–5 V), HTL (10–30 V), RS-422 différentiel.
• Avantages & limites :
  • Avantages : Coût modéré, réponse rapide ; idéal pour le contrôle de vitesse/position en boucle fermée.
  • Limites : Perte de la position après coupure d’alimentation ; nécessite un compteur et une procédure d’indexation initiale.
• Applications typiques : Servomoteurs, mesure de vitesse de moteur, suivi de course dans des mécanismes alternatifs.

2. Codeur absolu (Absolute Encoder)

• Principe de fonctionnement : À chaque position correspond un code binaire ou Gray unique, permettant la lecture directe sans remise à zéro ; les versions multitours utilisent engrenage ou comptage électronique.
• Indicateurs clés :
  • Résolution single-turn : 8–20 bits ; plage multi-turn : 16–32 bits (selon implémentation).
  • Formats de code : Gray, binaire, BCD, Excess-3, etc.
• Interfaces : SSI, BiSS-C, EnDat 2.2 (synchrones), CANopen, PROFINET (réseaux).
• Avantages & limites :
  • Avantages : Conserve la position hors tension ; adapté aux systèmes multi-axes à haute fiabilité ; télémétrie/diagnostic possibles selon protocole.
  • Limites : Coût plus élevé ; les interfaces série exigent une intégration contrôleur rigoureuse (timings, CRC, bande passante).
• Applications typiques : Articulations de robots, machines CNC multi-axes, systèmes critiques de position.

3. Codeur hybride (Hybrid Encoder)

• Définition : Combine sorties incrémentale et absolue dans un même boîtier, alliant impulsions rapides et mesure absolue.
• Caractéristiques : Fournit simultanément des impulsions haute fréquence et une valeur absolue ; pertinent pour redondance et sécurité fonctionnelle.
• Applications typiques : Systèmes à exigences SIL/PL, AGV/AMR, axes nécessitant diagnostic et secours.

II. Classification par forme de mesure

1. Codeur rotatif (Rotary Encoder)

• Construction : Axe plein, creux ou semi-creux, montage sur bride ou face avant.
• Caractéristiques mécaniques : Diamètre d’axe φ3–φ20 mm ; charge radiale 10–50 N ; charge axiale 5–20 N ; durée de vie L10 ≥ 10⁷ révolutions (selon charge et vitesse).
• Conseils d’installation : Concentricité < 0,05 mm ; éviter les charges latérales et fortes vibrations.
• Exemples d’application : Rétroaction servomoteur, contrôle de plateau tournant, positionnement de vanne.

2. Codeur linéaire (Linear Encoder)

• Types : Règle/échelle optique, magnétique ou capacitive.
• Jeu tête-règle & environnement :
  • Optique : jeu de quelques dizaines à centaines de µm ; exige un environnement propre.
  • Magnétique : entrefer typique 0,5–2,5 mm ; tolère poussières/huiles.
  • Capacitif : jeu réduit similaire à l’optique ; sensible aux conditions électrostatiques.
• Précision : Résolution jusqu’à 0,01–1 µm (optique) ; typiquement 1–10 µm (magnétique) selon interpolation.
• Exemples d’application : Tables CN, MMT (machines à mesurer tridimensionnelles), équipements de micro-fabrication.

3. Codeur à câble (Draw-Wire Encoder)

• Construction : Bobine à ressort avec câble acier, portée de plusieurs mètres.
• Précision : Résolution ~0,1 mm ; répétabilité < ±0,5 mm (selon course et mécanique).
• Cas d’utilisation : Mesure de hauteur de plateformes élévatrices, position de stores enrouleurs, relevés en galeries.
• Conseils d’installation : Maintenir le câble vertical et bien tendu ; éviter les tractions obliques et flexions.

III. Classification par principe de détection

1. Codeur optique (Optical Encoder)

• Méthode de détection : Source lumineuse → disque/règle → photodétecteurs ; impulsions générées par variations de transmission/réflexion/interférences.
• Avantage en résolution : Résolutions très élevées (jusqu’à des millions de PPR), SDE très faible.
• Inconvénients : Sensible à la contamination (poussière/huiles) et aux conditions thermiques.
• Conformité typique : IEC 60529 (IP), IEC 60068-2 (environnement), IEC 61000-6-x (CEM) ; profils bus ex. CiA 406 (CANopen) selon interface.

2. Codeur magnétique (Magnetic Encoder)

• Méthode de détection : Capteurs Hall/AMR/GMR/TMR mesurant les variations de champ d’un aimant multipolaire.
• Fiabilité : Résistant à la pollution, aux vibrations et aux dérives thermiques ; précision typique 0,1–0,5°.
• Exemples d’application : Position de cabine d’ascenseur, angle de machines lourdes, axes outdoor.
• Conformité typique : IEC 60529, IEC 60068-2, IEC 61000-6-x ; profils bus selon protocole (CANopen/EtherCAT/PROFINET).

3. Codeur capacitif (Capacitive Encoder)

• Méthode de détection : Variation de capacité mesurée avec excitation AC et lecture synchrone.
• Caractéristiques : Faible consommation, encombrement réduit, bonne résistance aux vibrations ; précision µm à sub-µm sur courte course.
• Inconvénients : Sensible aux environnements métalliques et charges électrostatiques ; blindage et mise à la terre soignés.
• Exemples d’application : Micro-robots, bras robotiques médicaux, nanopositionnement.

4. Codeur inductif (Inductive Encoder)

• Méthode de détection : Variation du couplage inductif entre bobinages et cible métallique (reluctance).
• Avantages : Tolère températures/pressions élevées et fortes CEM.
• Précision : Généralement ±10 µm (selon fréquence et géométrie) ; adapté à l’industrie lourde et au ferroviaire.
• Conformité typique : IEC 60529, IEC 60068-2, IEC 61000-6-x (CEM).

IV. Recommandations de sélection

1. Clarifier les besoins : Type de mouvement (rotatif/linéaire), type de signal (incrémental/absolu).
2. Accorder précision et vitesse : Haute résolution ⇒ bande passante et interpolation adaptées côté contrôleur.
3. Adapter à l’environnement : Optique pour environnements propres ; magnétique/inductif pour milieux sévères.
4. Fiabilité mécanique : Charges de roulements, durée de vie L10, centrage/alignement à l’installation.
5. Compatibilité des communications : Vérifier protocoles/interfaces (SSI, BiSS-C, EnDat, CANopen, PROFINET), temporisations et diagnostics.

Grâce à cette classification à trois dimensions et à cette comparaison de performances, vous pourrez choisir rapidement le codeur le plus adapté, optimiser la performance de vos équipements et réduire les coûts de développement et de maintenance.