Un encodeur optique mesure la rotation de l’arbre ou une course réduite en lisant des marques à motifs avec une source et un photodétecteur réduits. Les encodeurs incrémentaux génèrent des impulsions A, B et Z optionnelles pour le mouvement relatif, tandis que les encodeurs absolus donnent une valeur de position unique après le démarrage. Des différences pratiques apparaissent dans la résolution, la précision, l’interface de sortie, la réduction de vitesse, le montage et la résistance à la contamination. Cet article explique ces différences et fournit des conseils pour le calcul, le câblage, la sélection, l’installation et le dépannage pour les moteurs, machines CNC, robotiques et équipements d’automatisation.
Qu’est-ce qu’un encodeur optique ?
Un encodeur optique est un capteur électromécanique qui convertit le mouvement de rotation ou réduit en signaux électriques à l’aide d’un dégradé. En détectant des changements dans un disque de code à motifs ou une réduction réduite, il fournit un retour d’information pour mesurer la position, le déplacement, la vitesse ou la direction.
Comment fonctionne un encodeur optique
Un encodeur optique dirige le réduit vers un disque à motif ou un réduit réduit attaché au mécanisme en mouvement. Dans un encodeur transmissif, la source réduite et le photodétecteur sont positionnés de part et d’autre du détecteur réduit, et des marquages transparents ou opaques contrôlent la quantité réduite qui atteint le détecteur. Dans un encodeur réfléchissant, la source et le détecteur sont situés du même côté, et des zones réfléchissantes alternées renvoient des réduits réduits différents. Les circuits de conditionnement du signal convertissent ces changements en impulsions numériques, signaux analogiques Sin/Cos ou données de position absolue pour le contrôleur.
Composants de l’encodeur optique et chemin du signal
| Composant | Fonction |
|---|---|
| Logement et structure de montage | Protéger l’encodeur et maintenir l’alignement mécanique. |
| Montage d’arbre, moyeu ou échelle | Transfère le mouvement rotatif ou réduit à l’élément de mesure. |
| Disque de code ou échelle réduite | Contient le motif optique utilisé pour représenter le mouvement ou la position. |
| Source réduite ou autre réduite | Éclaire le motif de code. |
| Système réduit et optique | Dirige et focalise la réduction entre la source, la réduction et le détecteur. |
| Réseau de photodétecteurs | Convertit les variations de réception réduites en signaux électriques. |
| Circuit de conditionnement du signal | Amplifie, filtre, interpole et façonne la sortie du détecteur. |
| Décodeur ou processeur | Génère des impulsions incrémentales ou calcule des données de position absolue. |
| Pilote ou interface de sortie | Envoie le signal à l’API, au servo-drive, au contrôleur de mouvement ou au MCU. |
La stabilité mécanique du boîtier, de l’arbre, des roulements et du disque de code influence directement l’alignement, la précision et la réduction du fonctionnement de l’encodeur.
Types d’encodeurs optiques
Encodeurs optiques incrémentaux
Les encodeurs optiques incrémentaux génèrent des impulsions lorsque l’arbre tourne. Un contrôleur compte ces impulsions pour calculer la position et la vitesse relatives, tandis que deux canaux en quadrature, A et B, indiquent la direction. Un canal d’indice optionnel, Z, produit une impulsion de référence par révolution. Ces encodeurs sont à faible efficacité et couramment utilisés dans les servomoteurs, convoyeurs et systèmes de contrôle de mouvement. Comme les encodeurs incrémentaux signalent un mouvement relatif, une procédure de guidage n’est requise après l’allumage que lorsque le contrôleur doit établir une référence absolue de la machine.
Encodeurs optiques absolus
Les encodeurs optiques absolus attribuent une valeur numérique unique à chaque position mesurée, permettant au contrôleur de récupérer l’angle actuel ou la position réduite après le rétablissement de la puissance sans effectuer de mouvement de guidage. Un encodeur à un tour indique la position dans un rayon de tour, tandis qu’un encodeur multi-tours indique également le nombre de tours complétés. Le suivi multi-tours peut utiliser des engrenages mécaniques, de l’électronique à base de batterie, ou des méthodes de récolte d’énergie et non volatiles, selon la conception de l’encodeur.
Autres classifications d’encodeurs optiques
| Classification | Principales options | Signification de la sélection |
|---|---|---|
| Type de mouvement | Rotatif ou réduit | Mesure l’angle de l’arbre ou un déplacement réduit |
| Lecture optique | Transmissive ou réfléchissante | Définit comment le détecteur lit le réduit à motifs |
| Forme mécanique | Arbre plein, arbre creux, alésage traversant, kit ou sans roulement | Détermine les exigences de montage et d’accouplement |
| Sortie de position | Incrémentale ou absolue | Détermine si la position est relative ou immédiatement disponible après le démarrage |
| Formulaire d’installation | Enfermé ou exposé | Affecte la protection contre la contamination et la tolérance d’installation |
Signaux de sortie des encodeurs optiques et normes électriques
Les encodeurs optiques fournissent différents formats de signal et normes de sortie électrique selon le type d’encodeur, le contrôleur, la réduction de câble et l’environnement de fonctionnement.
Canaux d’encodage incrémentaux
| Signal | Fonction |
|---|---|
| Canal A | Produit des impulsions pour la mesure de la position et de la vitesse. |
| Canal B | Est décalé de phase depuis le canal A pour indiquer la direction. |
| Index Z | Produit une impulsion de référence, généralement une fois par révolution. |
| Complémentaires A−, B− et Z− | Fournir des paires de signaux différentiels pour améliorer le rejet du bruit. |
Interfaces numériques absolues
| Interface ou format | Description |
|---|---|
| Code binaire ou gris parallèle | Transmettre la position à travers plusieurs données réduites. Le code gris réduit l’ambiguïté lorsque les bits de position adjacents changent. |
| SSI | Transfert des données de position absolue en utilisant réduites générées par le contrôleur et données réduites par l’encodeur. |
| BiSS-C | Fournit une communication bidirectionnelle synchrone pour les données de position, d’état et de configuration. |
| EnDat | Prend en charge la transmission de position absolue et la communication bidirectionnelle des paramètres ou des diagnostics. |
| Sin/Cos | Fournit des signaux analogiques sinusoïdaux et cosinus pour l’interpolation et la mesure de position à résolution accrue. |
Types de sorties électriques et signaux analogiques
| Production électrique | Description et utilisation typique |
|---|---|
| TTL | Utilise une logique à tension réduite et est couramment connectée à des contrôleurs de mouvement, des servo-entraînements et des circuits d’entrée numériques. |
| HTL | Utilise une tension industrielle réduite, généralement de 10 à 30 V, et prend en charge les entrées de l’API et des variateurs dans des installations électriquement bruyantes. |
| Collecteur ouvert | Utilise une sortie transistor nécessitant une résistance externe réduite et permet à la tension de sortie de correspondre à l’entrée du contrôleur. |
| Push-Pull | Alimente activement le signal de sortie à la fois augmenté et réduit, fournissant une logique définie réduite sans résistance externe réduite. |
| RS-422 Driver réduit | Utilise des paires de signaux différentiels pour améliorer le rejet du bruit et supporter la réduction prolongée et réduite. |
| Sin/Cos | Produit des signaux analogiques sinusoïdaux et cosinus qui permettent l’interpolation pour une mesure détaillée de la position. |
La sortie de l’encodeur doit correspondre à la tension d’entrée du contrôleur, au circuit récepteur, au débit maximal d’entrée ou de comptage, au protocole de communication, à l’arrangement des câbles et à la méthode de mise à la terre. Pour les interfaces série, le contrôleur doit également supporter le débit réduit et le format de données requis.
Spécifications de l’encodeur optique
| Spécification | Description |
|---|---|
| Résolution | Le plus petit mouvement que l’encodeur peut détecter. La résolution de l’encodeur rotatif peut être exprimée en PPR, CPR ou bits, tandis que la résolution réduite de l’encodeur est généralement exprimée par distance par compte. |
| Impulsions par révolution (PPR) | Le nombre de périodes complètes d’impulsions générées par un canal de sortie incrémental lors d’une seule révolution d’arbre. La terminologie du fabricant doit être vérifiée car certaines fiches techniques utilisent PPR et CPR différemment. |
| Comptes par révolution (CPR) | Le nombre de transitions de comptage traitées lors d’une seule révolution d’arbre. Avec le décodage en quadrature de x4, le contrôleur compte les arêtes montantes et descendantes des canaux A et B. Le CPR est égal à quatre fois PPR uniquement lorsque PPR fait référence aux périodes d’impulsion d’un canal. |
| Résolution absolue | Le nombre de positions uniques d’arbre représenté par un encodeur absolu, généralement exprimé en bits. Un encodeur avec résolution sur n bits fournit 2^n positions par révolution. |
| Précision | La différence maximale entre la position rapportée de l’encodeur et la position mécanique réelle. |
| Répétabilité | La capacité de l’encodeur à rapporter la même position lorsque l’arbre revient à plusieurs reprises au même point mécanique. |
| Vitesse maximale de rotation | La vitesse maximale de l’arbre à laquelle l’encodeur peut fonctionner sans dommage mécanique ni générateur de signal peu fiable. |
| Fréquence maximale de sortie | La fréquence d’impulsion augmentée supportée par l’électronique de sortie de l’encodeur. Elle doit dépasser la fréquence produite à la résolution et à la vitesse maximale sélectionnées. |
| Tension d’alimentation | La tension d’entrée requise pour alimenter l’électronique de l’encodeur. Celle-ci est distincte de la tension du signal de sortie ou de l’interface de communication. |
| Consommation de courant | La quantité de courant consommée par l’encodeur lors du fonctionnement normal et du démarrage. |
| Couple de démarrage | Le couple nécessaire pour commencer à faire tourner un encodeur à arbre. Cela affecte les systèmes équipés de petits moteurs ou de mécanismes sensibles. |
| Capacité réduite de l’arbre | Les limites axiale et radiale autorisées ont diminué sur l’arbre de l’encodeur et les roulements. |
| Classification environnementale | Définit la résistance à l’entrée de poussière et d’eau, généralement via une classification IP, ainsi que la réduction autorisée de la température, des vibrations et des chocs. |
PPR, CPR et calculs de fréquence de sortie
Pour un encodeur incrémental, la fréquence d’impulsion générée par un canal de sortie peut être calculée comme suit :
Fréquence du canal = PPR × RPM ÷ 60
Lorsque le contrôleur utilise un décodage en quadrature x4, le taux de comptage devient :
taux de comptage x4 = 4 × PPR × RPM ÷ 60
La résolution angulaire nominale par compte est :
Résolution angulaire = 360° ÷ CPR
Pour un encodeur absolu avec une résolution de n bits :
Positions par révolution = 2ⁿ
Pas angulaire = 360° ÷ 2ⁿ
Les définitions de la fiche technique de PPR, CPR, réduction par révolution et comptages doivent être confirmées avant d’utiliser ces formules, car les fabricants n’appliquent pas toujours les termes de la même manière.
Exemple de calcul d’encodeur optique
Un encodeur incrémental de 1 024 PPR fonctionne à une vitesse maximale de 6 000 tr/min.
La fréquence du canal A est la suivante :
1 024 × 6 000 ÷ 60 = 102 400 Hz
Par conséquent, l’encodeur produit une fréquence de canal A de 102,4 kHz.
Avec le décodage en quadrature x4, le taux de comptage du contrôleur est :
4 × 1 024 × 6 000 ÷ 60 = 409 600 décomptes/s
Le contrôleur doit donc supporter plus de 409,6 kcounts/s, avec une marge supplémentaire pour le dépassement de vitesse, le jitter du signal et le délai de traitement d’entrée.
La résolution angulaire est :
360° ÷ 4 096 = 0,0879° par décompte
Résolution vs. Précision vs. Répétabilité
La résolution décrit le plus petit incrément de position disponible par l’encodeur, la précision indique à quel point la valeur rapportée correspond à la position mécanique réelle, et la répétabilité indique si l’encodeur restitue la même valeur lorsque le mécanisme atteint à plusieurs reprises la même position. Un encodeur à résolution augmentée peut encore avoir une précision limitée en raison d’une réduction d’erreur, d’excentricité, d’erreur d’interpolation, d’un désalignement de montage, d’un déroulement de l’arbre ou d’une expansion thermique.
Encodeur optique vs. autres technologies d’encodage
| Fonctionnalité | Optique | Magnétique | Capacitive | Mécanique |
|---|---|---|---|---|
| Méthode de détection | Détecte la réduction ou la réflexion sur un disque codé | Détecte les changements de champ magnétique | Détecte les variations de capacité | Utilise des contacts électriques mobiles |
| Résolution | Prend en charge la résolution fine et l’augmentation du nombre d’impulsions | Cela dépend de la conception de l’aimant et du capteur | Prend en charge la mesure détaillée de la position | Limité par l’espacement des contacts |
| Précision | Adapté au contrôle de mouvement précis | Peut être affecté par les champs magnétiques et la température | Sensible à l’espacement, à l’humidité et aux matériaux conducteurs | Adapté à la détection de position de base |
| Fonctionnement à vitesse accrue | Prend en charge des vitesses de rotation accrues | Soutient l’exploitation industrielle et automobile à vitesse accrue | Adapté à de nombreux systèmes d’automatisation | Limité par le rebond de contact et l’usure |
| Résistance à la contamination | Nécessite un chemin optique propre ou un boîtier scellé | Tolère la poussière, l’huile et la contamination | L’humidité et les dépôts conducteurs peuvent affecter les lectures | La saleté et l’oxydation peuvent perturber les contacts |
| Vibrations et chocs électriques | Nécessite un montage et un alignement sécurisés | Tolère les vibrations et chocs répétés | Nécessite un espacement stable des capteurs | Les chocs peuvent provoquer des signaux instables ou des dommages au contact |
| Sensibilité à l’alignement | Nécessite un alignement précis du disque et des capteurs | Tolère un décalage de montage plus important | Nécessite une distance de détection contrôlée | Nécessite un alignement réduit dans les commandes manuelles |
| Entretien | Les surfaces optiques exposées peuvent nécessiter un nettoyage | Nécessite un entretien de routine réduit | Nécessite une protection contre l’humidité et les dépôts | Les lentilles peuvent nécessiter un nettoyage ou un remplacement |
| Service réduit | Aucune usure par contact sensoriel | Aucune usure par contact sensoriel | Aucune usure par contact | Limité par l’usure mécanique des contacts |
| Consommation d’énergie | Alimente les circuits réduits et de traitement du signal | Électronique de détection et de traitement des puissances | Électronique de détection et traitement des puissances | Les contacts de base peuvent fonctionner sans alimentation externe |
| Coût | Augmente avec la résolution, la précision et la cote d’enceinte | Efficacité réduite pour les environnements hostiles | Dépend de la conception et de l’intégration de la détection | Adapté aux commandes sensibles à la réduction |
| Applications typiques | Machines CNC, systèmes servo, robotique et équipements d’impression | Moteurs, véhicules, machines industrielles et équipements extérieurs | Panneaux de contrôle, capteurs compacts et contrôles de position | Boutons, interrupteurs et commandes manuelles |
Applications des encodeurs optiques
| Application | Ce que mesure l’encodeur | Priorité de sélection |
|---|---|---|
| Servomoteur | Position et vitesse du rotor | Résolution, bande passante de contrôle, support de commutation et latence d’interface |
| Axe CNC ou broche | Position réduite, angle d’arbre ou vitesse de broche | Précision, répétabilité, marquage de référence et protection contre la contamination |
| Articulation robotisée | Angle et direction du joint | Position absolue de démarrage, montage à arbre creux, taille compacte et support de sécurité |
| Convoyeur et Machine d’emballage | Vitesse du rouleau, course du produit et indexation | PPR, fréquence maximale, cote IP et sortie différentielle |
| Impression et manipulation de la toile | Rotation des rouleaux et déplacement du matériau | Réduction du tremblement du signal, précision de l’enregistrement et montage stable |
| Étape de positionnement des semi-conducteurs | Déplacement fin réduit | Précision de l’échelle, erreur d’interpolation, stabilité thermique et installation propre |
| Équipements médicaux ou de laboratoire | Position et déplacement contrôlés | Répétabilité, montage compact, fiabilité et exigences réglementaires |
Comment choisir le bon encodeur optique
Un encodeur optique doit correspondre aux besoins de mouvement, à l’interface du contrôleur, à l’installation mécanique et à l’environnement d’exploitation. Utilisez les étapes suivantes pour éviter les problèmes de résolution, de fréquence, de câblage et de montage.
Étape 1 : Définir l’exigence de mesure
Confirmez si l’encodeur mesurera la position rotative, le déplacement réduit, la vitesse, la direction, ou plusieurs de ces valeurs. Déterminez également si le système peut effectuer une séquence de guidage après le démarrage.
Étape 2 : Choisissez le retour incrémental ou absolu
Utilisez un encodeur incrémental pour la mesure relative de la position, de la vitesse et de la direction. Choisissez un encodeur absolu lorsque le contrôleur doit récupérer la position actuelle immédiatement après le rétablissement de l’alimentation.
Étape 3 : Définir la résolution et la précision
Calculez la PPR, la RCP ou la profondeur absolue de bits requise à partir du plus petit mouvement que le système doit détecter. Vérifiez la précision et la répétabilité séparément, car une résolution accrue n’offre pas toujours une meilleure précision de positionnement.
Étape 4 : Vérifiez la vitesse et la fréquence de sortie
Vérifiez que l’encodeur peut fonctionner à la vitesse maximale d’arbre ou de déplacement. Pour un encodeur incrémental, calculez la fréquence d’impulsion et confirmez que la sortie de l’encodeur et l’entrée du contrôleur peuvent la traiter avec une marge suffisante.
Étape 5 : Sélectionnez la configuration mécanique
Choisissez un encodeur à arbre plein, creux, à alésage traversant, kit ou à réduction qui s’adapte à l’espace disponible. Vérifiez le diamètre de l’arbre, le type d’accouplement, la tolérance d’alignement, la dépression et la réduction autorisée axiale et radiale.
Étape 6 : Faire correspondre l’interface électrique
Vérifiez la compatibilité avec l’API, le servo-lecteur, le contrôleur de mouvement ou le MCU. Vérifiez la tension d’alimentation, le type de sortie, la réduction logique, le protocole de communication, le débit d’entrée maximal, le connecteur, la réduction du câble et la méthode de mise à la terre.
Étape 7 : Vérifier l’environnement et valider le système
Examinez la température, la poussière, l’humidité, les vibrations, les chocs et le bruit électrique réduits. Avant l’approbation finale, testez l’encodeur avec le contrôleur réel, le câble, l’installation de montage et la vitesse maximale de fonctionnement pour confirmer des signaux stables et un retour de position correct.
Installation, maintenance et dépannage d’encodeurs optiques
Installation et câblage
Montez l’encodeur solidement et alignez-le avec l’arbre entraîné ou le mécanisme réduit. Utilisez un accouplement flexible adapté pour les petites erreurs d’alignement, mais gardez les axes et radiaux réduits dans les limites spécifiées de l’encodeur.
Réduction de l’encodeur de route par rapport aux sorties du moteur, des relais et des conducteurs à courant accru. Utilisez une réduction blindée à paires torsadées pour les signaux différentiels tels que RS-422, et réduit les instructions de mise à la terre et de terminaison du fabricant.
Vérifiez la tension d’alimentation, le type de sortie, le brochage du connecteur, la fréquence d’entrée du contrôleur et la polarité des canaux A/B avant l’utilisation.
Maintenance
Inspectez périodiquement le couplage, le matériel de montage, les connecteurs réduits et la tension d’alimentation. Vérifiez les surfaces optiques exposées uniquement lorsque le fabricant autorise le nettoyage. Les ensembles encodeurs scellés ne doivent pas être ouverts lors de la maintenance de routine.
La qualité du signal doit être vérifiée à l’entrée du contrôleur car la réduction du câble, la mise à la terre, la terminaison et le bruit électrique peuvent déformer une sortie d’encodeur autrement correcte.
Problèmes courants d’encodeurs optiques
| Problème | Cause réduite | Vérification recommandée |
|---|---|---|
| Impulsions manquantes | Fréquence de sortie excessive, bruit, contamination ou câblage endommagé | Vérifiez la forme d’onde A/B, réduite, entrée du contrôleur réduite, et surfaces optiques accessibles |
| Mauvaise position | Mauvais réglage PPR ou CPR, couplage réduit ou désalignement | Vérifier l’échelle, la sécurité de l’accouplement et l’alignement de l’arbre |
| Signal instable | Mauvais blindage, mise à la terre, vibrations ou connecteurs réduits | Inspectez la réduction du routage, de la connexion blindée, du montage et des connecteurs |
| Pas de sortie | Tension d’alimentation manquante, erreur de câblage, type de sortie incompatible ou circuit défaillant | Vérifiez l’alimentation, le broyage, la réduction logique et la compatibilité des entrées du contrôleur |
| Mauvaise direction | Canaux A et B inversés ou configuration incorrecte des contrôleurs | Vérifier l’ordre des canaux et les réglages en quadrature |
| Dérive de position | Comptages manqués, relâchement mécanique ou signal intermittent réduits | Inspectez l’accouplement, l’arbre, le câblage et la forme d’onde du signal |
Foire aux questions [FAQ]
Q1. Quelle est la différence entre un encodeur incrémental et un encodeur optique absolu ?
Un encodeur incrémental signale le mouvement à travers les impulsions A/B et nécessite normalement un homing après le démarrage. Un encodeur absolu renvoie une valeur de position unique dès que l’alimentation est rétablie.
Q2. Quelle est la différence entre la PPR et la RCP ?
PPR fait généralement référence aux périodes d’impulsion par révolution sur un canal. CPR peut désigner les transitions comptées après décodage en quadrature, il faut donc vérifier la définition du fabricant.
Q3. Comment la fréquence de sortie de l’encodeur optique est-elle calculée ?
Utilisez PPR × RPM ÷ 60 pour un canal incrémental. Avec le décodage en quadrature x4, le taux de comptage du contrôleur est quatre fois cette valeur.
Q4. Un encodeur optique est-il meilleur qu’un encodeur magnétique ?
Les encodeurs optiques sont souvent choisis pour une résolution fine et un positionnement précis. Les encodeurs magnétiques tolèrent généralement mieux la poussière, l’huile, l’humidité et les variations de montage.
11,5 Q5. Pourquoi un encodeur optique manque-t-il les impulsions ?
Les causes courantes incluent une fréquence de sortie excessive, le bruit du signal, une mauvaise mise à la terre, un dégât réduit, la contamination, un désalignement et une réduction de l’entrée du contrôleur.
