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Lyce Lislet Geoffroy Codeurs rotatifs industriels 2TSELEC, 2004 2005

L.ISAMBERT, 15/11/2004 Nom fichier : Codeurs rotatifs industriels Page 1 / 8

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 inter-rupteur 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 com-porte 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 :

$

Axe codeur

MECANIQUE

Lecture et signaux de sortie

ELECTRONIQUE

disque gradu

OPTIQUE



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) in-tervalles dangles gaux alternativement opaques et transparents.

Pour un tour complet du codeur, le faisceau lumi-

neux est interrompu (n) fois et dlivre (n) signaux car-

rs (A et B) en quadrature.

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

o Dans un sens pendant le front montant du si-gnal A, le signal B est zro.

o 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, dter-mine une position de rfrence et permet la rinitiali-sation 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 (A, B, Z). Un tel codeur peut dlivrer six signaux : (A, A, B, B, Z, Z).

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

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

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

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

DEL



3.2. Codeur absolu Pourquoi un autre concept ? Ce concept a t dvelopp pour pallier les contraintes g-nres par le codeur incrmental : Sensibilit aux coupures du rseau ; tous les seg-

ments 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 gnrale-

ment 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 / rcep-

teur 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, per-met de dterminer dans quel demi-tour on se situe.

La piste suivante est divise en quatre quarts alternati-vement 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 ) corres-pondant la rsolution du codeur.

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

n21 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 nu-mriques, 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, A, B, B) et dinitialisation (Z, Z) peuvent tre exploits.

o Signal dincrmentation (A, A, B, B) : Ce signal carr est gnralement de frquence leve. La formule de calcul de la frquence (f en Hz) est :

RNf = 601 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.

o 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 suffi-sent 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 nces-sits de robustesse, de place disponible et du besoin de pr-cision.

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

5.2. Comment compenser les jeux mcani-ques ?

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 = RPs 1360 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 points = PRPs 1 Avec : Ps = prcision souhaite en mm, R = rapport de rduction entre lengrenage du mouvement entranant le codeur et le dernier engrenage entranant le mobile, et P = rapport de conversion du mouvement de rotation en mouvement de translation.



6.2. Calcul de la rsolution Exemple de calcul avec un mouvement de translation :

On cherche une prcision dun centime, mouvement sans rducteur R = 1, avec une vis bille de pas 20 mm (donc P = 20), et de longueur 1m.

Nombre de points = PRPs 1

Il faut donc : 200020101,01 = points par tour

o Avec un codeur incrmental : Trois cas peuvent se prsenter : Le systme de traitement nutilise que les fronts mon-

tants de la voie A (exploitation simple, par exemple : automates) La rsolution est gale au nombre de points (n). Pour obtenir 2000 points par tour, le choix se portera sur un disque de 2000 priodes

Certains systmes de traitement permettent dutiliser les fronts descendants et montants de la voie A (exploita-tion double) La rsolution est multiplie par 2 (2 x n). Dans ce cas, il suffira dun disque de 1000 priodes.

Le systme de traitement utilise les voies A et B (ex-ploitation quadruple, commandes numriques par exem-ple) La rsolution est multiplie par 4 (4 x n). Un disque de 500 priodes suffira.

o Avec un codeur absolu : Il faut choisir un codeur absolu simple tour de plus de 2000 points de rsolution en puissance de 2. Nous pouvons choi-sir par exemple 211 = 2048 points.

Si lon souhaite galement connatre le nombre de tours effectus pour la distance de 1 m, il faut choisir un codeur absolu multi-tours permettant de compter au minimum jus-qu :

50201000 ==pas

longueurtours. On choisira un codeur de

rsolution 2048 points par tour, 64 tours.

6.3. Choix du type de sortie Il faut sassurer de la compatibilit des caractristiques lectriques avec les entres du systme de traitement. De plus, les diffrents types de sorties imposent des limites technologiques (voir 4.3), dont notamment les frquences admissibles.

Pour un codeur incrmental, il est indispensable de cal-culer la frquence maximale dutilisation. ( 4.1)

Cette frquence est lie la rsolution du codeur et la vitesse de rotation de laxe entranant.

Il faut vrifier si la frquence ainsi calcule est compati-ble avec les caractristiques lectriques du signal de sortie, et la frquence maximale admissible du systme de traitement choisi.

Il faut noter que N dsigne la vitesse dutilisation relle du codeur qui peut tre diffrente de la vitesse maximale du moteur, notamment dans le cas dun dplacement grande vitesse (GV), suivi dun positionnement petite vitesse (PV).

Les courbes ci-dessous reprsentent graphiquement la for-

mule RNf = 601 pour quatre frquences : 25, 50, 100, 250 kHz, qui sont les frquences maximales standardi-ses.

6.4. Types de traitement Les principaux types de traitement utiliss dans lindustrie et les codeurs correspondants sont :

Exemple : Codeurs incrmentaux : compatibilit avec les systmes de traitement tlmcanique



7. Exemples de raccordement dun codeur un automate programmable 7.1. Codeur incrmental

7.2. Codeur absolu



8. Traitement de linformation dlivre par le codeur Exemple

Longueur de la vis : 1m

Pas de la vis : 20mm

R = 1 pour le codeur B.

9. Rappel des principaux avantages et inconvnients de chaque codeur Codeur incrmental Codeur absolu

Ava

ntag

es

Le codeur incrmental est de conception simple (son disque ne comporte que deux pistes) donc plus fiable

et moins onreux qu'un codeur absolu.

II est insensible aux coupures du rseau : la position du mo-bile est dtenue dans un code qui est envoy en parallle au

systme de traitement.

L'information de position est donc disponible ds la mise sous tension.

Si le systme de traitement saute une information de posi-tion dlivre par le codeur, la position relle du mobile ne sera pas perdue car elle restera valide la lecture suivante.

Inco

nvn

ient

s

II est sensible aux coupures du rseau : chaque cou-pure du courant peut faire perdre la position relle du mobile l'unit de traitement. Il faudra alors procder

la rinitialisation du systme automatis.

Il est sensible aux parasites en ligne, un parasite peut tre comptabilis par le systme de traitement comme

une impulsion dlivre par le codeur.

Les frquences des signaux A et B tant gnralement leves, il faudra vrifier que le systme de traitement est assez rapide pour prendre en compte tous les in-

crments (impulsions) dlivrs par le codeur. Le non-comptage dune impulsion induit une erreur de posi-tion qui ne peut tre corrige que par la lecture du

top zro.

Il est de conception lectrique et mcanique plus complexe aussi son cot sera plus lev qu'un codeur incrmental.

Les informations de position sont dlivres en parallle ; son utilisation mobilisera donc un nombre important d'en-

tres du systme de traitement (A.P.I. par exemple).

Ressources :

Manuel de mise en uvre du TSX 37, Telemecanique.

Guide Les codeurs rotatifs industriels , Telemecanique.

http://ourworld.compuserve.com/homepages/pierrecorrieu/plc_tscapt.htm

http://perso.club-internet.fr/gatt/BTSCIRA/cours/position/position.htm

Le site de mutualisation de donnes : http://www.geea.org

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