Les Codeurs

Un codeur est un dispositif de mesure de position donnant une information numérique.

  • Codeur linéaire : mesure de position linéaire (distance)
  • Codeur rotatif : mesure de position angulaire (angle)

Ils sont constitués de :

  • une bande ou un disque doté de « zones détectables »,
  • un dispositif de détection de ces zones,
  • un circuit de conversion en valeur numérique.

 

Les technologies les plus courantes pour la détection sont :

  • Barrière infrarouge ↔ Zones opaques/transparente
  • Détecteur infrarouge ↔ Zones réfléchissantes/mates
  • Capteur à effet hall ↔ Aimants
  • Contact électrique ↔ Zones conductrices/isolantes

 

Application : système de perçage automatique

Nous étudions un système de perçage automatique de barres en acier, constitué de (voir figure ci-contre) :

  • Une broche motorisée (moteur, mandrin, foret), mobile en translation sur un axe horizontal,
  • Un dispositif de mise en mouvement composé :
    • d’un moteur
    • d’un système pignon crémaillère (diamètre du pignon : \(R = 5\;cm\))

La fonction principale de ce système est de réaliser des trous sur une barre en acier (longueur maximale : 2m), avec une précision \(p\) inférieure à 0,1 mm

L’information de position ne doit pas être perdue lors d’une coupure de l’alimentation.

La position de la broche est mesurée grâce à un codeur rotatif optique, placé sur l’arbre du moteur.

 

Codeur rotatif optique

Un codeur rotatif optique est constitué :

  • d’un disque comportant des zones opaques et transparentes,
  • d’une LED infrarouge qui émet un signal lumineux,
  • d’un récepteur infrarouge, placé de l’autre coté du disque :
    • reçoit le signal de l’émetteur lorsque la partie transparente est entre eux :
      → information 1.
    • ne reçoit pas le signal lorsque la partie opaque est entre eux :
      → information 0.

Application : système de perçage automatique
Dans quelle unité peut-on exprimer la résolution de ce type de codeur ?
×

 

 


Codeur absolu

Soit un disque de codeur rotatif optique ne comportant qu’une seule zone opaque sur une unique piste :

Résolution du codeur à une seule piste
Indiquer quel chronogramme correspond au signal reçu par le récepteur de la barrière IR.
×

 

Calculer la résolution de ce codeur absolu à une unique piste.
×

 

Application : système de perçage automatique
Calculer la précision du système de perçage.
×

 

Code binaire naturel

Le disque suivant possède cette fois deux pistes A et B (et deux couples émetteur/récepteur IR), avec des parties transparentes positionnées de telle sorte que les récepteurs soient à l’état haut lorsqu’une zone transparente les séparent de leur émetteur (piste rouge = zone opaque) :

Résolution du codeur à deux pistes

Réaliser les chronogrammes des 2 signaux A et B de ce codeur absolu à deux pistes.

Correction

Compléter la table de vérité du codeur en fonction de la position angulaire du disque.
B A Angle
0° à 90°
90° à 180°
180° à 270°
270° à 360°
×

 

On parle dans ce cas d'un codeur à 4 points.

 

Calculer la résolution de ce codeur absolu à deux pistes.
×

 

 

Ce type de codage s’appelle le code binaire naturel : on compte de 00 à 11 « naturellement ».

Application : système de perçage automatique
Calculer la précision de positionnement de la broche de la perceuse si l’on utilisait un codeur absolu à deux pistes.
×

 

Mais l’utilisation du code binaire naturel peut entrainer des erreurs.

Supposons que le disque comporte un petit défaut (inévitable !) à la position 180°.

On souhaite arrêter le mouvement après un tour complet du moteur (c’est à dire lorsque l’information codeur redevient 00)

Analyse du comportement de ce codeur
Déterminer l’angle auquel le disque s’arrête en réalité.
×

 

 

Règle
Deux événements logiques physiquement indépendants ne peuvent pas se produire simultanément !

Ici, les 2 barrières IR (composées de 2 LED et 2 récepteurs) sont physiquement indépendantes.

 

Analyse du comportement de ce codeur
À quelle autre position angulaire un tel effet indésirable pourrait également se produire ?
×

 

 

Code Gray

Le code Gray (ou code binaire réfléchi) consiste en une répartition différente des 0 et des 1 sur les pistes, de telle sorte que jamais aucunes commutations (passage de 0 à 1 ou de 1 à 0) ne doivent être simultanées.

Analyse du comportement de ce codeur
Déterminer le code BA donné par le codeur quand il est positionné à l'angle 100°.
×

 

Réaliser les chronogrammes des 2 signaux A et B.

Correction

 

Avantages et inconvénients d’un codeur absolu

  Persistance de l’information : Le principal avantage du codeur absolu est que même après une coupure d’alimentation, le codeur indique toujours sa position ABSOLUE.

 

Étendue de la mesure : Le principal inconvénient est que dans le cas d’un unique disque, la position ne peut être mesurée que sur 1 tour seulement. (on peut néanmoins réaliser des codeur absolu multi-tour en incorporant un réducteur entre l’arbre et le disque, mais au détriment de la résolution !)

 

Précision de la mesure/Prix : Un autre inconvénient, c’est qu’il faut de nombreuses pistes (et donc beaucoup de couples émetteur/récepteur IR !) pour obtenir une bonne précision, ce qui rend ce type de capteur plutôt onéreux.

 

 

Application : système de perçage automatique
Calculer le nombre de pistes nécessaire pour qu’un codeur absolu puisse permettre le respect du CdCF en termes de précision du système de perçage.
×

 


Codeur incrémental

Codeur à base de roue métallique dentée et capteur inductif

Le principe du codeur incrémental est basé sur le comptage des impulsions délivrées par le détecteur.

Ceci permet de palier l’inconvénient de l’étendue de la mesure.

En revanche, il n’y a plus persistance de l’information de position : en cas de coupure de courant, l’information est perdue !

 

Selon le type de mouvement, les « zones détectables » du codeur se trouvent régulièrement réparties …

  • … sur un disque ou un cylindre : mouvement de rotation

  • … sur une bande : mouvement de translation

Le pas du codeur est déterminé par la géométrie du support en mouvement.

 

Supposons un disque de codeur optique ne possédant qu’une seule piste de 1 point :

Le disque tourne en continu, sans changer de sens.

Analyse du comportement de ce codeur
Compléter le chronogramme ci-dessous en indiquant les angles parcourus à chaque front.

 
×

 

 

Application : système de perçage automatique
Calculer le nombre de tours que doit réaliser le codeur du système de perçage pour répondre à l’exigence de longueur maximale du CdCF.
×

 

 

Codeur incrémental simple voie

Sur un codeur optique, le disque n’est pas pourvu d’une seule fenêtre mais d’une succession de parties opaques et transparentes sur tout son pourtour : on parle de codeur à n points.

Pour compter les impulsions, il suffit d’incrémenter un compteur à chaque front descendant du signal fourni par le codeur.

Application : système de perçage automatique

On envisage d’utiliser un codeur dont le disque comporte 128 zones opaques.

Calculer la précision du système de perçage dans ce cas.
×

 

Calculer le nombre de points que devrait comporter le codeur pour respecter le CdCF.
×

 

Avec le même codeur, on peut augmenter la résolution du système : il suffit de prendre en compte non plus une impulsion entière, mais une demi-impulsion.

→ comptage des fronts montants et des fronts descendants ).

 

l’inconvénient d’un tel codeur est qu’il est impossible de savoir dans quel sens tourne le codeur …

 

Codeur incrémental double voie

Pour connaître le sens de rotation, il suffit d’ajouter une 2ème barrière IR, de sorte d’obtenir un signal décalé d’un quart de période par rapport au 1er signal.

Ceci peut être obtenu :

  • Soit en décalant les 2 barrières IR,
  • Soit en rajoutant une piste décalée.

 

Voir aussi un article détaillé sur les codeurs incrémentaux

 

Exercices

 

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