Les codeurs sont courants dans les produits de contrôle de mouvement, et les codeurs rotatifs sont des composants clés des boucles de rétroaction de contrôle de mouvement, y compris les équipements d'automatisation industrielle et le contrôle des processus, la robotique, les équipements médicaux, l'énergie, l'aérospatiale, etc.
En tant que dispositifs qui convertissent le mouvement mécanique en signaux électriques, les codeurs fournissent aux ingénieurs des données de base telles que la position, la vitesse, la distance et la direction qui peuvent être utilisées pour optimiser les performances du système global.
Optique, magnétique et capacitif sont les trois principales technologies de codeurs disponibles pour les ingénieurs. Il y a un certain nombre de facteurs à considérer, cependant, pour déterminer quelle technologie est la meilleure pour une application éventuelle.
Cet article donnera un aperçu des technologies de codeurs optiques, magnétiques et capacitifs, et discutera brièvement des avantages et des inconvénients de chaque technologie.
1. Encodeur optique
Les codeurs optiques sont un choix populaire sur le marché des applications de contrôle de mouvement depuis de nombreuses années. Il se compose d'une source de lumière LED (généralement une source de lumière infrarouge) et d'un photodétecteur, qui sont situés des deux côtés de la plaque de code de l'encodeur.
La plaque de code est en plastique ou en verre, avec une série de lignes ou de fentes transparentes et opaques disposées à intervalles. Lorsque le disque de code tourne, le chemin optique de la LED est bloqué par les lignes ou les fentes disposées à intervalles sur le disque de code, générant ainsi deux impulsions orthogonales typiques d'onde carrée A et B, qui peuvent être utilisées pour déterminer la rotation et la vitesse de l'axe .
Analyse technique des codeurs optiques, magnétiques et capacitifs
Figure 1 : Impulsions orthogonales typiques A et B pour les codeurs optiques, y compris les impulsions d'index (Crédit photo : CUI Devices)
Bien que les codeurs optiques soient largement utilisés, ils présentent encore plusieurs inconvénients. Dans les environnements poussiéreux et sales tels que les applications industrielles, des contaminants peuvent s'accumuler sur la plaque signalétique, bloquant ainsi la transmission de la lumière LED au capteur optique.
La fiabilité et la précision du codeur optique sont grandement affectées car le disque de code contaminé peut entraîner la discontinuité ou la perte complète de l'onde carrée.
Les leds ont une durée de vie limitée et finiront par s'éteindre, entraînant une panne de l'encodeur. De plus, les disques de code en verre ou en plastique sont susceptibles d'être endommagés par des vibrations ou des températures extrêmes, limitant ainsi l'applicabilité des codeurs optiques dans les applications en environnement difficile ; Son assemblage dans un moteur prend non seulement du temps, mais comporte également un plus grand risque de contamination.
Enfin, si la résolution de l'encodeur optique est élevée, il consommera plus de 100 mA de courant, affectant davantage son application dans les appareils mobiles ou alimentés par batterie.
2. Encodeur magnétique
Les encodeurs magnétiques ont une structure similaire aux encodeurs optiques, mais utilisent un champ magnétique plutôt qu'un faisceau lumineux. Les encodeurs magnétiques remplacent les disques de code optique à fentes par des disques de code magnétique avec des pôles magnétiques espacés qui tournent sur une rangée de capteurs à effet Hall ou de capteurs à réluctance.
Toute rotation de la plaque de code entraînera la réponse de ces capteurs et le signal résultant sera transmis au circuit frontal de conditionnement du signal pour déterminer la position de l'arbre.
Par rapport aux encodeurs optiques, les encodeurs magnétiques ont l'avantage d'être plus durables, résistants aux vibrations et aux chocs. De plus, les performances des encodeurs optiques sont grandement compromises dans le cas de contaminants tels que la poussière, la saleté et les taches d'huile, tandis que les encodeurs magnétiques ne sont pas affectés, ce qui les rend idéaux pour les applications dans des environnements difficiles.
Cependant, les interférences électromagnétiques générées par les moteurs (en particulier les moteurs pas à pas) auront un impact important sur l'encodeur magnétique, et les changements de température entraîneront également sa dérive de position.
De plus, la résolution et la précision des codeurs magnétiques sont relativement faibles et bien inférieures à celles des codeurs optiques et capacitifs à cet égard.
3. Encodeur capacitif
Le codeur capacitif se compose de trois parties principales : rotor, émetteur fixe et récepteur fixe. La détection capacitive utilise une bande ou un motif linéaire avec un pôle sur un élément fixe et l'AUTRE pôle sur un élément MOBILE pour former un condensateur variable configuré comme une paire de récepteurs/émetteurs.
Le rotor est gravé avec un motif sinusoïdal qui produit un signal spécifique mais prévisible lorsque l'arbre du moteur tourne. Ce signal est ensuite converti par l'ASIC embarqué du codeur pour calculer la position et le sens de rotation de l'axe.
Analyse technique des codeurs optiques, magnétiques et capacitifs
Figure 2 : Comparaison des disques d'encodeur (Crédit photo : CUI Devices)
4. Encodeur capacitif
L'encodeur capacitif fonctionne sur le même principe que le pied à coulisse numérique, il fournit donc une solution qui surmonte de nombreux inconvénients des encodeurs optiques et magnétiques.
La technologie capacitive utilisée dans la gamme d'encodeurs AMT de CUI Devices s'est avérée extrêmement fiable et extrêmement précise.
Étant donné qu'aucune LED ou ligne de visée n'est requise, les codeurs capacitifs peuvent obtenir les résultats souhaités même lorsqu'ils rencontrent des contaminants environnementaux qui peuvent affecter négativement les codeurs optiques, tels que la poussière, la saleté et les taches d'huile.
De plus, il est moins sensible aux vibrations et aux températures extrêmement élevées/basses que les disques de code en verre utilisés dans les codeurs optiques.
Comme mentionné précédemment, les encodeurs capacitifs ont tendance à avoir une durée de vie plus longue que les encodeurs optiques car les LED ne brûlent pas.
En conséquence, le codeur capacitif a une taille de boîtier plus petite et consomme moins de courant sur toute la plage de résolution de seulement 6 à 18 mA, ce qui le rend plus adapté aux applications alimentées par batterie.
La robustesse, la précision et la résolution de la technologie capacitive étant supérieures à celles du codeur magnétique, les interférences électromagnétiques et le bruit électrique auxquels ce dernier est confronté n'ont pas un grand impact sur celui-ci.
De plus, la nature numérique des codeurs capacitifs offre des avantages clés en termes de flexibilité et de programmabilité. Étant donné que la résolution d'un codeur optique ou magnétique est déterminée par la plaque de codeur, un nouveau codeur est utilisé chaque fois que d'autres résolutions sont requises, ce qui entraîne une augmentation du temps et du coût du processus de conception et de fabrication.
Cependant, les codeurs capacitifs ont une gamme de résolutions programmables, ce qui évite aux concepteurs d'avoir à remplacer le codeur chaque fois qu'une nouvelle résolution est nécessaire, ce qui non seulement réduit les stocks, mais simplifie également le réglage fin de la boucle de contrôle PID et l'optimisation du système.
Les codeurs capacitifs permettent l'alignement numérique et l'indexation des paramètres d'impulsion lorsque le moteur BLDC démarre, une tâche qui peut être répétitive et chronophage pour les codeurs optiques.
Les capacités de diagnostic intégrées permettent aux concepteurs d'accéder davantage aux données du système pour optimiser le système ou dépanner sur le terrain.
Analyse technique des codeurs optiques, magnétiques et capacitifs
Figure 3 : Comparaison des indicateurs de performance clés pour les technologies capacitives, optiques et magnétiques (Crédit photo : CUI Devices)
5. Pesez vos options
Dans de nombreuses applications de contrôle de mouvement, la température, les vibrations et les contaminants environnementaux sont des facteurs de défi importants auxquels les codeurs doivent faire face. Il s'avère que les codeurs capacitifs peuvent surmonter ces défis.
Par rapport aux technologies optiques ou magnétiques, elle apporte aux concepteurs des solutions fiables, précises et flexibles.
De plus, les codeurs capacitifs ajoutent de la programmabilité et des diagnostics, une fonctionnalité numérique qui les rend plus adaptés aux applications modernes de l'Internet des objets (IoT) et de l'Internet industriel des objets (IIoT).