Liens rapides pour notre sélection de codeurs incrémentaux et absolus :

Qu’est-ce qu’un codeur incrémental ?

Les codeurs incrémentaux sont des composants d’automatismes rotatifs (capteurs angulaires).
Ils sont le premier maillon d’une chaîne d’automatismes.
Ils existent en plusieurs technologies :

  • En technologie optique (les plus courants)
  • En technologie magnétique
  • En technologie inductive

Quelle que soit la technologie utilisée, ils fournissent un signal incrémental traité par un automate ou un calculateur (unité de traitement) par fonction de comptage / décomptage des impulsions générées par le codeur incrémental.
Le codeur incrémental est mécaniquement solidaire de l’axe d’entrainement (moteur ; axes de machines-outils ; capteurs à câble ; robots, etc.).
Les signaux de sorties sont des trains d’impulsions généralement sur 6 voies pour le comptage décomptage et 12 (6+6) s’ils sont également utilisés pour la commutation des phases U ; V ; W des moteurs électriques.

Codeur à axe creux
Codeur à axe mâle

Fonctionnement d’un codeur incrémental : systèmes de lecture

Coupe d'un codeur incrémental
Coupe d'un codeur

Le codeur incrémental optique

Le codeur incrémental optique, comme son nom l’indique, fonctionne avec la technologie optique. La pièce maîtresse du système de lecture est le disque en verre ou en polycarbonate. Sur le disque sont gravées des fentes très précises et équidistantes qui définissent le nombre d’impulsions (résolution) par tour du codeur. Un composant d’émission de lumière, la plupart du temps une LED (Diode Electro Luminescente) qui émet de la lumière dans l’infrarouge c’est-à-dire avec une longueur d’onde de 850 nm et d’un récepteur sensible à la lumière infrarouge.
Le récepteur est un composant électro-optique de très haute intégration. Par exemple, on trouve sur un chip de 5×5 mm des photodiodes, des amplis op, des triggers de Schmitt, des comparateurs, des régulateurs, etc. sans oublier le diaphragme, partie essentielle qui est souvent collée sur le chip et qui a une fonction de « guide de la lumière » pour bien canaliser les photons vers les photodiodes réceptrices.

Le codeur incrémental magnétique

Il existe deux principes bien connus pour la lecture magnétique :

  • La lecture par aimant central
  • La lecture par disque magnétique
Principe de fonctionnement avec l’aimant central

Un chip programmable de 5×5 mm situé au centre d’un circuit imprimé est le composant principal d’un codeur incrémental magnétique. Ce composant de très haute intégration est composé de cellules en matériaux semi-conducteurs sensibles aux champs d’inductions magnétiques.

Un aimant cylindrique en samarium cobalt (SmCo) ou néodyme (NdFeB) placé au centre de l’axe d’entrainement du codeur incrémental est composé de 2 pôles (nord et sud).

Lorsque l’aimant tourne, il provoque une différence de potentiel aux bornes des cellules Hall. Ce signal (différence de potentiel) est de forme sinusoïdale et équivaut à une sinusoïde par tour de codeur (0 à 360°).

Principe du codeur à aimant central

Avantages de la lecture magnétique :

  • Tenue en température élevée (120° et plus)
  • Conception simple
  • Facilité de montage et de réglage
  • moindre exigence en précision
  • miniaturisation possible
  • fonctionnement en environnements sévères (moteurs électriques)
  • coût de fabrication réduit

Inconvénients de la lecture magnétique :

  • Précision moindre
  • Faible résolution (1024 points par tour)
  • Jitter élevé dû à l’interpolation du signal sinusoïdal unique pour un tour de codeur
Principe de fonctionnement avec disque magnétique

Ce principe fonctionne comme le codeur optique mais la technologie utilisée est magnétique.

Disque magnétique
Le disque magnétique est réparti en plusieurs zones (64 pôles paires nord et sud) magnétiques.

  • Meilleure précision sur les rapports cycliques et sur le déphasage. Moindre que le disque optique mais nettement supérieur à la lecture avec l’aimant central
  • Une seule carte de traitement au lieu de 2 sur la lecture optique
  • Possibilité de résolution élevée (jusqu’à 65536 points par tour)

Le codeur incrémental inductif

Les codeurs inductifs sont des codeurs remarquables tant par leur robustesse, leur tenue en température, vibrations, accélérations et leur précision.
La technologie utilisée pour lire une cible (disque) est l’induction.
La cible constituée en matériaux ferromagnétiques conducteurs (cuivre) est gravée sur un substrat (FR4 le plus courant).
La technologie inductive est connue depuis 1833, énoncé par Heinrich Emil LENZ, physicien russe. Mais les éléments essentiels de ce type de codeur sont les bobines différentielles parcourues par un courant de haute fréquence qui produisent dans l’espace environnant ses extrémités un champ électromagnétique variable.
Lorsque la piste conductrice du disque gravé entre dans cette zone, elle sera le siège de courants de Foucault, et d’après la loi de LENZ, ces courants s’opposent à la cause qui leur a donné naissance et créent donc une induction de sens contraire à l’induction des bobines, ce qui entraine une réduction de son coefficient d’auto-induction.

Disque inductif à lecture standard
Disque inductif à lecture différentielle

Au regard des 2 photos ci-dessus deux principes de lecture sont possibles :

  • La lecture standard qui fonctionne comme un détecteur de proximité inductif
  • La lecture différentielle est la mieux adaptée pour les codeurs inductifs, elle garantit une meilleure immunité aux perturbations électromagnétiques générées par les charges externes inductives telles que les moteurs, variateurs, électrovannes etc. La lecture différentielle fonctionne selon le principe du transformateur différentiel qui est bien connu, et a depuis longtemps fait ses preuves avec les capteurs LVDT (Linear Variable Differential Transformer). Une onde sinusoïdale de haute fréquence (1 – 2 MHz) parcourt la bobine primaire du transformateur et génère un champ électromagnétique. Les deux bobines secondaires sont disposées dans une configuration différentielle parfaitement symétrique par rapport à la bobine primaire. Le champ électromagnétique alternatif généré par la bobine primaire induit dans chacune des bobines secondaires une tension selon la loi de Michael Faraday (1791-1867 Physicien, chimiste anglais) :(E = -dΦ / dt).

Chaque technologie a ses avantages et ses inconvénients

Caractéristiques et précision des signaux de sortie

On distingue les 2 signaux appelés la voie A (en jaune) et la voie B (en vert). Pour un sens de rotation horaire (sens des aiguilles d’une montre avec vue sur l’axe du codeur) nous constatons que le 1er front montant du signal B (vert) monte avant le 1er front montant de A (jaune). C’est grâce à cet ordre que l’électronique de traitement du signal peut connaître le sens de rotation du codeur. Cela s’appelle la discrimination de sens de rotation.

Signaux A, B, Z d'un codeur incrémental relevés sur un oscilloscope

Signaux de sortie :

Codeur / traitement
Etape NPN
Codeur / traitement
Etage PNP
Codeur / traitement
Etage Push-Pull

Les étages de sorties transistors ne sont plus que très rarement utilisés. Ils sont remplacés par des circuits intégrés spécifiques avec des protections contre les inversions de polarités ; les surtensions ; les courts-circuits ; les températures excessives et permettent des fréquences de sortie très élevées, de l’ordre du MHz.

Étages de sortie avec circuits imprimés :

Etage Driver de ligne
Etage push-pull

Foire aux questions

Qu’est-ce qu’un rapport cyclique

Sur le diagramme ci-dessous, le rapport cyclique correspond à T. le rapport cyclique s’exprime en % .
Si T = 100% alors T/2=50% et correspond à twhi sur le diagramme.
La tolérance maximum étant de +/- 10% soit twhi max=60% et twhi mini = 40%. Soit AArel =20%

Qu’est-ce qu’un déphasage ?

Le déphasage est la position de la voie A par rapport à la voie B. Ce qui correspond à la valeur TAB sur le diagramme ci-dessus. La valeur théorique de TAB est de 90° électriques. La tolérance de la valeur TAB est de 25%. Soit TAB max = 112.5° et TAB mini = 67.5°

Signaux incrémentaux

Qu’est-ce que le jitter ?

En théorie, les voies A et B devraient avoir exactement le même rapport cyclique. En réalité, il y a un écart, appelé « jitter ». Le jitter provient de nombreux facteurs : type de codeur (qualité et placement du disque ou de l’aimant), de la vitesse de rotation, de la résolution du codeur, etc.

Capture d'écran d'un oscilloscope

Qu’est-ce qu’une fréquence de sortie ?

La fréquence de sortie d’un codeur incrémental correspond à la résolution multipliée par la vitesse de rotation de l’axe du codeur.
F=R*T/mn (F= la fréquence ; R= Résolution du codeur ; T/mn= rotation du codeur en tour par mn)
Exemple : pour un codeur de résolution de 5000 points par tour et qui tourne à une vitesse de 3000 T/mn
5000×3000 = 15 000 000 points par mn soit 15000000/60=250000 hz = 250 khz

Comment vérifier le bon état de fonctionnement d’un codeur ?

Il faut un minimum de matériel : tout le monde a dans sa trousse à outil de dépanneur au minimum un multimètre.
Une valeur très importante, c’est la consommation à vide du codeur et pour la plupart des codeurs de conception récente, cette consommation se situe entre 30 et 90mA.
Si le codeur incrémental consomme 0 mA, il y a de fortes chances que la diode de protection contre les inversions de polarités soit défectueuse mais avant cela il faut vérifier si la tension d’alimentation 5 à 32 volts DC est bien présente à l’entrée du codeur. Sur les machines-outils, les câbles d’alimentation des codeurs sont soumis à des vapeurs d’huiles et des lubrifiants qui sont souvent la cause d’un durcissement du câble. C’est cette rigidification du câble qui provoque la rupture de celui-ci et bien souvent à ras du connecteur.
Si le codeur devait consommer plusieurs ampères, il y a de forte chance qu’une TVS a amorcé et s’est mise en court-circuit. Dans ce cas je conseille de le renvoyer à l’usine pour expertise approfondie. Si une TVS s’est court-circuitée, il faut rechercher la cause sur le site.

Ce premier test effectué (5 à 32 Vdc OK, consommation à vide entre 30 et 90 mA OK) et toujours pas de signal de sortie, on conseille vivement de regarder directement à la sortie du codeur pour être sûr d’éliminer tous les problèmes qui pourraient être liés au câble de transmission entre codeur et automate.
Il faut vérifier les signaux de sorties.
Pour ce test on peut utiliser plusieurs types d’instruments : Le multimètre ; l’oscilloscope ou tout simplement une LED avec une résistance en série.

Qu’est-ce qu’un codeur absolu

Les codeurs absolus existent sous différentes variantes mais on distingue deux grandes familles

  • Les codeurs absolus monotours
  • Les codeurs absolus multitours

Généralités

Les codeurs absolus sont, comme les codeurs incrémentaux, des composants d’automatismes dont la fonction principale est de fournir un signal, ou plutôt un code absolu, à une unité centrale (calculateur, automate programmable etc.) afin de pouvoir positionner un axe angulaire ou linéaire.

Quelle est la différence entre un codeur incrémental et un codeur absolu ?

Sur le plan de l’interface mécanique, il n’y en pratiquement pas, à part les dimensions pour les codeurs absolu multitours (il faut dire qu’il y a quand même un nombre de composants supplémentaires pour compter le nombre de tours selon la technologie utilisée). Tous les fabricants actuels s’efforcent de développer des codeurs absolus avec les mêmes encombrements que les codeurs incrémentaux.
Sur le plan de l’interface électronique, tout change. Un codeur absolu génère un code sur x bits selon sa position angulaire et selon n tours pour les multitours.
La différence remarquable entre un codeur incrémental et un codeur absolu est dans la gestion du process de l’automatisme de la machine. Contrairement au codeur incrémental, le codeur absolu ne nécessite pas, lors de mise sous tension, d’un cycle de mise en référence des différents axes d’une machine. A la mise sous tension d’une machine équipée en codeurs absolus, celle-ci est immédiatement prête à produire quelle que soit la position mécanique des axes de celle-ci. Ce qui permet un gain de temps précieux au démarrage d’une unité de production.

Les codeurs absolus monotours

Comme leur nom l’indique ils ne fournissent l’information angulaire que sur 360° mécaniques

  • En technologie magnétique
  • En technologie optique (les plus courants)
  • En technologie inductive

Quelle que soit la technologie utilisée, ils fournissent un code absolu qui sera traité par un automate ou un calculateur (unité de traitement).
Le codeur absolu est mécaniquement solidaire de l’axe d’entrainement (moteur ; axes de machines-outils ; capteurs à câble ; Robots etc.)
Les codes de sortie peuvent être en parallèle, en série, ou en Bus de terrain.

Le code parallèle
Le code GRAY, également appelé Binaire réfléchi

C’est le code le plus courant en liaison parallèle parce qu’il à un avantage indéniable sur le code binaire et le BCD.
Dès la fin des années 1940, le physicien Frank Gray, employé dans le service R&D de BELL était confronté à un problème de fiabilité de codage. Le 17 03 1953, la société BELL TELEPHONE LABOR INC dépose le brevet US2632058A dont Frank Gray est désigné comme inventeur.
La particularité du code GRAY est que 1 seul bit change d’état quel que soit le nombre de bit délivré par le codeur, contrairement au code Binaire pur où lorsque le bit de poids fort change d’état, n bit de poids plus faibles changent également d’état.
(Voir tableau ci-dessous).

Tableau code Binaire / Gray

Le code Binaire

Sur le diagramme ci-dessus on voit clairement cet inconvénient. En passant de la valeur décimale 0 à la valeur 31 on constate que 5 bits changent d’état en même moment ce qui est un problème très important avec un codeur angulaire. Des vibrations de machines et du jitter plus ou moins important peuvent conduire à des erreurs de lecture très importantes. C’est la raison principale de l’abandon progressif du code Binaire en liaison parallèle dans la fabrication des codeurs angulaires absolus. Pour pallier ce défaut les codeurs absolus binaires étaient souvent proposés avec un signal complémentaire appelé LATCH et qui permettait du lire le code sans ambigüité.

Le code BCD

C’est le code binaire codé en décimal.
Pendant les années 1960 – 1970, quelques fabricants de codeurs ont fabriqué des codeurs absolus avec un code de sortie en BCD. Ce code était très pratique et surtout utilisé avec les afficheurs de position avec tubes NIXIES sur les DIVISIONS (système de contrôle de position) comme par exemple dans les scieries.
Un exemple de code BCD ci-dessous :

Code BCD

Le code série, ou plutôt liaison SSI (Synchronous Serial Interface)

Les codes en parallèle sont certes très rapides. Mais les longueurs de câbles entre le capteur et le système d’acquisition sont limités à une trentaine de mètres.
Mais la liaison SSI a un avantage indéniable de coût.
Quel que soit le nombre de bits à transmettre, un câble de 6 conducteurs (2 pour l’horloge ; 2 pour les datas et 2 pour l’alimentation) suffit alors que pour la liaison en parallèle, il faut 26 conducteurs (24 pour les datas et 2 pour l’alimentation).
Malheureusement la SSI ne permet aucun dialogue entre le codeur et l’automate. La transmission est unidirectionnelle càd uniquement dans le sens du codeur vers l’automate. Il n’est donc pas possible de surveiller le bon fonctionnement du codeur comme par exemple la température, la fréquence, les niveaux logiques des signaux, etc. Et c’est pour pallier à ces inconvénients que l’on a développé les BUS de terrain.

Ci-dessous un exemple de trame SSI :


Ci-dessous exemple de trame SSI relevé sur oscilloscope :

Trame SSI sur oscilloscope

Les bus de terrain

Généralités

Le bus est l’abréviation pour « Binary Unit System ». Ce système est utilisé au sein d’un réseau pour la transmission de données entre codeurs (capteurs) et actionneurs. Cet échange de données s’effectue via un chemin de transmission commun, mais les transmissions de données individuelles sont clairement séparées les unes des autres.
Les systèmes de bus de terrain créés dans les années 1980 sont aujourd’hui indispensables dans l’industrie. En tant que partie intégrante de machines et de systèmes complexes, ils sont principalement utilisés dans l’automatisation de la production. Mais le bus de terrain est également utilisé dans l’automatisation des bâtiments (domotique) ainsi que dans la technologie automobile.
À l’aide du bus de terrain en ligne et en série, des capteurs (codeurs ; détecteurs de proximité ; cellules photoélectriques, etc.) et des actionneurs (électrovannes ; relais ; contacteur moteur etc.) sont connectés à des contrôleurs logiques programmables (API) ou encore Automate Programmable Industriel et à des ordinateurs de contrôle et de traitement. Le bus de terrain prend donc en charge l’échange rapide de données entre les différents composants du système, même sur de grandes distances. Comme le bus de terrain ne communique que via un seul câble, l’effort de câblage a été considérablement réduit par rapport au câblage de capteurs et codeurs parallèle. Un bus de terrain fonctionne en mode dit maître-esclave. Alors que le maître est responsable du contrôle des processus, les stations esclaves traitent les sous-tâches individuelles.

Avantages du BUS de terrain

Efficacité : Grace à un câblage réduit (un seul câble), les délais de mise en route des installations et des machines sont raccourcis
Fiabilité : Augmentation de la fiabilité des communications entre capteurs et l’unité centrale grâce à un câblage réduit au minimum. Des liaisons courtes augmentent à la fois la disponibilité et la fiabilité des systèmes.
Immunité aux bruits électromagnétique (parasites) : en particulier avec les valeurs analogiques, les bus de terrain offrent une protection accrue contre le bruit électromagnétique.
Uniformité : Grâce aux protocoles de bus normalisés et à la technologie de connexion standardisée, les codeurs de différents fabricants peuvent être utilisés et interchangés plus facilement. Cela signifie que tous les composants individuels ne doivent pas nécessairement provenir du même fabricant et ça facilite également l’approvisionnement en cas de maintenance urgente dans une usine à l’arrêt à cause d’un codeur en panne.
Flexibilité : Même les extensions et les modifications de système ou de machines peuvent être effectuées rapidement et facilement avec les bus de terrain. De cette façon, les systèmes peuvent être adaptés de manière variable aux nouvelles exigences et réutilisés pour l’amélioration de la performance des machines et systèmes.

Inconvénients du BUS de terrain

Complexité : Un bus de terrain étant un système complexe, du personnel hautement qualifié est nécessaire pour la mise en route et la maintenance des installations.
Coût : Les composants d’automatismes individuels du bus de terrain sont beaucoup plus chers
Danger : en cas de panne du bus, le système de commande peut être coupé des capteurs, des codeurs et actionneurs. Pour éviter cela, des systèmes de bus redondants peuvent être installés si nécessaire.
Temps de réponse : plus long par rapport aux interfaces parallèles.

BUS de terrain les plus utilisés

Il existe actuellement une multitude de bus de terrain comme par exemple :
BISS Interface ; CANopen ; DeviceNet ; EtherCAT ; EtherNet ; Interbus; Modbus; Profibus ; Profinet sont les plus courant dans les codeurs absolus.

BiSS Interface : Développé et commercialisé par la Ste IC HAUS, c’est une interface spécialement bien adaptée pour la liaison et la communication entre codeurs ; capteurs et divers systèmes de traitement y compris les asservissements de vitesse. Il s’agit d’un protocole gratuit, compatible avec l’interface synchrone série SSI. Cette interface est la version avec des améliorations dans la vitesse et la longueur de ligne. En plus des capteurs de position, l’interface BiSS est également utilisée pour les commandes d’entraînements et les capteurs intelligents.
CANopen : CANopen (Controller Area Network développé par Bosch) est un protocole de communication utilisé pour les systèmes embarqués dans l’automatisation des processus. Il peut donc être utilisé pour la mise en réseau au sein d’appareils complexes. Cette norme comprend l’adressage, plusieurs petits protocoles de communication et une couche d’application, qui est définie par un périphérique. Les protocoles de communication prennent en charge la gestion du réseau, la surveillance des appareils et la communication entre les différents nœuds.
DeviceNet : est un système de réseau utilisé dans l’automatisation industrielle pour connecter différents appareils. La base est le bus CAN (Controller Area Network). DeviceNet est généralement utilisé pour les dispositifs de sécurité, dans l’échange d’informations et pour un nombre important d’entrée / sortie. Ce système de réseau est principalement utilisé aux États-Unis et en Asie. En Europe, cependant, le Profibus et CANopen ont prévalu.
EtherCAT : (Ethernet pour Control Automation Technology), est un système de bus de terrain basé sur Ethernet ouvert. L’objectif de ce développement était d’adapter Ethernet aux applications d’automatisation qui nécessitent des temps de cycle courts.
EtherNet : Mis sur le marché en 1980 et normalisé en 1985 comme IEEE 802.3. La norme comprend des spécifications pour plusieurs types de câbles et connecteurs ainsi que des protocoles de signal des modèles OSI.
Interbus : A été développé par Phoenix Contact et commercialisé depuis 1987.
C’est un système de transmission de données en série qui transfère des données entre différents systèmes, tels qu’ordinateurs et contrôleurs, et qui est connecté à des actionneurs et des codeurs ; capteurs, par exemple pour contrôler la température ou la position absolue d’un axe sur une machine.
Modbus : Mis sur le marché en 1979 par la Ste Gould-Modicon. Le protocole d’information garantit qu’un périphérique maître (il s’agit généralement d’un ordinateur) et un ou plusieurs esclaves capteurs, codeurs sont connectés les uns aux autres. Par exemple, divers appareils de mesure peuvent être contrôlés par un ordinateur ou des données peuvent y être retransférées.
Profibus : Process Field Bus Un système de bus de terrain qui a l’ambition de s’imposer dans l’automatisation doit être en mesure de proposer à un panel très large de participants de s’y connecter. Cette exigence est parfaitement satisfaite par le Profibus.
Les systèmes qui permettent la communication et l’échange de données entre les participants (composants d’automatisme) d’une topologie de réseau via un bus de terrain sont utilisés en particulier depuis les années 1990, car ils sont considérés comme peu coûteux et flexibles et sont hautement compatibles avec les appareils de n’importe quel fabricant (interchangeabilité). Afin de suivre un processus aussi complexe, l’utilisation de protocoles s’est avérée utile, car elle détermine dans un système à quel moment dans le temps quel participant reçoit ou envoie des datas. Un tel protocole existe bien sûr dans le système de bus de terrain PROFIBUS bien connu.
RS422 et RS485 : jusque dans les années 1980, les étages de sorties des codeurs incrémentaux étaient alors soit des PNP ou des NPN. C’étaient les UDN2980 fabriqué par Allegro, remplacés progressivement par les drivers pushpull L293 dans les années 1990. Au fur et à mesure de l’évolution des codeurs, les résolutions ont constamment augmenté ainsi que les vitesses de rotation ce qui déboucha sur des fréquences de sortie de plus en plus élevées (de quelques dizaines de KHz dans les années 1980 à plusieurs Mhz actuellement).
Les interfaces RS422 et RS485 ont été développées et mises au point pour la transmission de données série à haute vitesse sur de longues distances (jusqu’à 1200 mètres) et deviennent de plus en plus populaires dans le secteur industriel et notamment dans le transfert de données des codeurs.

Schéma de principe d’une liaison RS422

Tableau comparatif entre RS422 et RS485

PARAMETRE RS422 RS485 Unité
Nombre de drivers et récepteurs 1 Driver /10 Récepteurs En Bus 32 récepteurs
Longueur max théorique du câble de liaison 1200 1200 Mètres
Fréquence maximum de transmission 10 >10 Mbps
Tension maximum en mode commun ±7 –7 to +12 Volts
Niveau de sortie des drivers en différentiel 2 ≤ |VOD| ≤ 10 1.5 ≤ |VOD| ≤ 5 Volts
Charge ohmique sur 1 driver ≥100 ≥60 Ω
Courant max en court-circuit 150 to GND 250 to –7 V or 12 V mA
Impédance de sortie hors tension 60 12
Résistance d’entrée du driver 4 12
Sensibilité du récepteur (signal valide) ±200 ±200 mV

Copies d’écran

Sur la copie d’écran ci-dessus on constate que pour une alimentation de 24 Volts et une longueur de câble d’un mètre et une fréquence de 10khz

  • Le temps de montée (Rise Time) du signal est de 154 ns
  • Le temps de descente (Fall Time) du signal est de 350 ns
  • La chute de tension provoquée par l’étage de sortie et l’impédance du câble de 1 mètre et de (V Max) 21.15 V pour une alimentation de 24 Volts

Au bout de 10 mètres de câble (capture d’écran ci-dessus)

  • Le temps de montée (Rise Time) du signal est de 557 ns au lieu de 154 ns pour 1 mètre
  • Le temps de descente (Fall Time) du signal est de 460 ns au lieu de 350 ns pour 1 mètre