Codeurs rotatifs industriels

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Codeurs rotatifs industriels

Lyce Lislet GeoffroyCodeurs rotatifs industriels1TSMAI, 2009 2010

Codeurs rotatifs industriels

1. Pour quelles utilisations?

La croissance de la puissance des systmes de traitement ainsi que les impratifs de productivit appellent dans tous les domaines de production industrielle un besoin dinformation continue sur:

le dplacement,

la position,

la vitesse des outils ou des produits.

Les systmes de dtection conventionnels (interrupteurs et dtecteurs de positions), qui ne peuvent fournir que des informations Tout Ou Rien des endroits prdtermins ne rpondent que partiellement aux besoins de prcision et de flexibilit.

Dans le cas dun codeur, le positionnement du mobile est entirement matris par les systmes de traitement et non plus ralis physiquement par le positionnement dun interrupteur de position sur la machine.

2. Quest-ce quun codeur optique?

Cest un capteur de position angulaire,

li mcaniquement un arbre qui lentrane, son axe fait tourner un disque qui lui est solidaire. Le disque comporte une succession de parties opaques et transparentes.

une lumire mise par des Diodes Electro-Luminescen-tes (DEL), traverse les fentes de ce disque crant sur les photodiodes rceptrices un signal analogique ( ).

lectroniquement ce signal est amplifi puis converti en signal carr ( ), qui est alors transmis un systme de traitement.

Un codeur est donc compos de trois parties:

Un codeur optique est un dispositif lectromcanique dont la sortie lectrique reprsente sous forme numrique une fonction mathmatique de la position angulaire de laxe dentre.

3. Les diffrents types de codeurs

Il existe deux types de codeurs optiques: incrmental et absolu.

3.1. Codeur incrmental (ou gnrateur dimpulsions)

Le disque comporte au maximum 3 pistes.

Une ou deux pistes extrieures divises en (n) intervalles dangles gaux alternativement opaques et transparents.

Pour un tour complet du codeur, le faisceau lumineux est interrompu (n) fois et dlivre (n) signaux carrs (A et B) en quadrature.

Le dphasage de 90 lectrique des signaux A et B permet de dterminer le sens de rotation:

Dans un sens pendant le front montant du signal A, le signal B est zro.

Dans lautre sens pendant le front montant du signal A, le signal B est un.

La piste intrieure (Z: top zro) comporte une seule fentre transparente et dlivre un seul signal par tour. Ce signal Z dune dure de 90 lectrique, dtermine une position de rfrence et permet la rinitialisation chaque tour.

Le comptage-dcomptage des impulsions par lunit de traitement permet de dfinir la position du mobile.

Remarque:

Un traitement lectronique permet de dlivrer les signaux complmentaires (). Un tel codeur peut dlivrer six signaux: (A, , B, , Z, ).

RESOLUTION (Nb de points par tour)Trois cas peuvent se prsenter:

Le systme de traitement nutilise que les fronts montants de la voie A (exploitation simple) ( La rsolution est gale au nombre de points (n).

Le systme de traitement utilise les fronts descendants et montants de la voie A (exploitation double) ( La rsolution est multiplie par 2 (2 x n).

Le systme de traitement utilise les voies A et B (exploitation quadruple) ( La rsolution est multiplie par 4 (4 x n).

3.2. Codeur absolu

Pourquoi un autre concept?

Ce concept a t dvelopp pour pallier les contraintes gnres par le codeur incrmental:

Sensibilit aux coupures du rseau; tous les segments tant dgale longueur et reprsents de la mme manire par les signaux A et B, chaque coupure du courant fait perdre la position relle du mobile. Il faut alors procder la rinitialisation. Ce temps de rinitialisation peut tre pnalisant pour certaines applications.

Sensibilit aux parasites en ligne.

Un parasite reu sur la ligne peut tre comptabilis par le systme de traitement comme un signal dincrment, sauf en cas de traitement du signal complmentaire.

Les frquences des signaux A et B tant gnralement leves, le non-comptage dune priode par le systme de traitement induit une erreur de positionnement qui ne peut tre corrige que par la lecture du top zro.

Impossibilit de recalage par le top zro dans le cas de mouvement de type oscillant, ne dcrivant jamais un tour complet.

Principe thorique de fonctionnement

Le disque des codeurs absolus comporte un nombre n de pistes concentriques divises en segments gaux alternativement opaques et transparents.

A chaque piste est associ un couple metteur / rcepteur optique. Chaque piste a donc son propre systme de lecture.

La piste intrieure est compose dune moiti opaque et dune moiti transparente. La lecture de cette piste (bit de poids le plus fort), MSB = Most Significant Bit, permet de dterminer dans quel demi-tour on se situe.

La piste suivante est divise en quatre quarts alternativement opaques et transparents. La lecture de cette piste combine avec la lecture de la piste prcdente permet alors de dterminer dans quel quart de tour ( ) on se situe.

Les pistes suivantes permettent successivement de dterminer dans quel huitime de tour ( 1/8 ), seizime de tour ( 1/16 ), etc on se situe.La piste extrieure donne la prcision finale et est appele LSB = Least Significant Bit (bit de poids le plus faible). Cette piste comporte 2 puissance n points ( 2n ) correspondant la rsolution du codeur.

Pour chaque position angulaire de laxe, le disque fournit un code binaire de longueur n correspondant n

2

1

me de tour. Un codeur absolu dlivre en permanence un code qui est limage de la position relle du mobile contrler.

Mode de codage

Le nombre de sorties parallles est le mme que le nombre de bits ou de pistes sur le disque.Elles sont dsignes par B1Bn (binaire pur), ou G1Gn (Gray).

Suivant le mode de traitement (automates, commandes numriques, ordinateurs, cartes, ), le choix se portera soit sur un code binaire pur, soit sur un code de Gray.

Exemple dun codeur absolu 3 bits

Pour chaque position angulaire de laxe, le disque fournit un code binaire de 3 bits correspondant 1/8me de tour.

3 bits ( 23 = 8 positions

Le nombre de sorties parallles est le mme que le nombre de bits ou de pistes sur le disque. Elles sont ici dsignes par B1, B2, B3 car cest un disque en binaire pur.

Sous-famille

Deux gammes diffrentes de codeurs absolus existent:

le codeur absolu simple tour,

le codeur absolu multi-tours.

Le codeur absolu simple tour, dcrit prcdemment, donne une position absolue dans chaque tour.

Le codeur absolu multi-tours permet, grce lajout dun systme daxes secondaires dindiquer le nombre de tours.

4. Traitement du signal

4.1. Avec un codeur incrmental

Le codeur incrmental fournit deux types de signaux. Les signaux dincrmentation (A, , B, ) et dinitialisation (Z, ) peuvent tre exploits.

Signal dincrmentation (A, , B, ):

Ce signal carr est gnralement de frquence leve. La formule de calcul de la frquence (f en Hz) est:

R

N

f

=

60

1

avec: N= vitesse dutilisation de laxe entranant (en tr/mn)

et R = rsolution souhaite en priode par tour (p/tr)

Exemple: Si N = 3000 tr/mn et R = 5000 p/tr, le calcul de la frquence donne: f= 250 kHz.

Avec de telles frquences, il faudra connecter le codeur sur les entres rapides de lautomate, ou sur une carte dextension spcifique.

Top zro:

Il sert linitialisation comme expliqu prcdemment. Il permet de corriger des erreurs de positionnement dues au non-comptage de certaines priodes (frquence leve).

4.2. Avec un codeur absolu

La position du mobile est dtenue dans un code unique dlivr par le codeur. Cette position est connue ds la mise sous tension.Ce code est envoy au systme de traitement sur une liaison parallle. Les entres normales TOR de lautomate suffisent gnralement, mais le codeur en utilise beaucoup.4.3. Etages de sorties possibles

4.3.1. A collecteur ouvert

4.3.2. Emetteur de ligne

5. Implantation optimale des codeurs dans un automatisme

5.1. O installer le codeur?

Plus le besoin de prcision est grand, plus il faut que laxe dentranement du codeur soit prs du mobile de faon viter les jeux et les imperfections mcaniques.

Plus il y a dintermdiaires mcaniques (=liaisons) entre le codeur et la position relle du mobile, plus il est ncessaire de compenser la somme des jeux mcaniques pour obtenir une bonne fidlit.

Lemplacement optimum est un compromis entre les ncessits de robustesse, de place disponible et du besoin de prcision.

Dans cet exemple, le codeur B est le mieux plac.

5.2. Comment compenser les jeux mcaniques?

Exemple: On choisit de se positionner en approchant lemplacement final toujours 1 cm/s et toujours de droite gauche.

Pour les courbes 1 et 2: mme machine, dplacement de droite gauche.

Dans ce cas, les jeux mcaniques influent toujours de la mme valeur et dans le mme sens. Il devient alors possible den tenir compte dans la programmation du systme de traitement.

6. Choix du codeur

6.1. Calcul du nombre de points

Sans tenir compte des jeux et imprcisions mcaniques, le nombre de points est calcul laide des formules:

6.1.1. Mouvement circulaire

Nombre de points = R

Ps

1

360

Avec: Ps = prcision souhaite en degr,et R = rapport de rduction entre lengrenage du mouvement entranant le codeur et le dernier engrenage entranant le mobile.

Exemple:

6.1.2. Mouvement de translation

Nombre de