I/ LES CODEURS OPTIQUES

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1 Sciences Industrielles our l Ingénieur Centre d Intérêt 2 : ACQUERIR l'information Cométences : ANALYSER, CONCEVOIR CAPTEURS NUMERIQUES DE POSITION Les codeurs otiques Comment choisir le bon cateur our une alication donnée? Identifier et caractériser un cateur Identifier la nature de l'info. et la nature du signal COURS TP TD I/ LES CODEURS OPTIQUES 1/ Intérêt Le contrôle du délacement, de la osition ou de la vitesse d un mobile est un roblème rencontré sur un grand nombre de systèmes automatisés ou grand ublic (mouvements d un robot, d un chariot, vitesse d'une voiture ). Les systèmes de détection conventionnels (détecteurs de osition ar contact ou de roximité) ne fournissent que des informations tout ou rien ; ils ne réondent donc qu imarfaitement au roblème osé. Une des solutions consiste à utiliser un codeur otique de osition. 2/ Descrition et rincie général de fonctionnement Le codeur otique est un cateur de osition angulaire qui délivre des informations numériques. Il est lié mécaniquement à un arbre qui l entraîne ; son axe fait tourner un disque qui lui est solidaire, et qui comorte une succession de arties oaques et transarentes ("fenêtres"). Une lumière émise ar des LEDs traverse ou est arrêtée ar les fenêtres du disque, créant un signal logique sur des hotoréceteurs (diodes, transistors) : Ce signal eut alors être exloité électroniquement ar une unité de traitement numérique. Deux tyes de codeurs existent : le codeur incrémental et le codeur absolu. II/ LE CODEUR INCREMENTAL OU RELATIF Il délivre une information de délacement angulaire du disque sous la forme d'un nombre d'imulsions roortionnel à l'angle de rotation effectué. CPGE TSI Lycée P.-P. Riquet St-Orens de Gameville - 1 -

2 Sciences Industrielles our l Ingénieur Le disque comorte au maximum 3 istes : 1 ou 2 istes extérieures (A et B) divisées en 2n intervalles d angles égaux, alternativement oaques et transarents ; n est la "résolution" ou le "nombre de oints/tr" du codeur (c est aussi le nombre de ériodes/tr ou le nombre d imulsions/tr). On choisit donc un codeur incrémental d'un nombre de oints d'autant lus élevé que l'on veut une grande récision de mesure angulaire (200 à oints/tr). Ex : On veut une récision de 0,1 On veut une récision meilleure que 0,38 La iste intérieure (Z) comorte une seule fenêtre transarente. Il n y a donc qu 1 imulsion/tr ; c est le "to zéro". Il détermine une osition de référence, ermet la réinitialisation et le comtage des tours. Derrière les istes extérieures sont installés 2 hotoréceteurs décalés qui fournissent des signaux carrés A et B en quadrature. Ce déhasage de 90 électriques ermet de déterminer le sens de rotation : endant le de A, B est à "1" ou à "0" : B A A A en avance B A A B en avance B B Ce codeur nécessite un traitement articulier effectué ar la artie commande : le comtage ou le décomtage des imulsions délivrées. La fréquence des signaux délivrés donne en lus la vitesse de rotation. III/ LE CODEUR NUMERIQUE OU ABSOLU Chaque osition du disque corresond à un code numérique, c'est-à-dire une valeur numérique codée en binaire sur n bits. Le disque comorte n istes ; le système de lecture comorte donc n LEDs et n hotoréceteurs. La 1 ère iste (au centre) ossède une moitié oaque et une moitié transarente. On eut donc déterminer dans quel ½ tour on est ; c est la iste MSB ou "bit de oids fort". La iste suivante, en allant vers l extérieur, est divisée en 4 quarts alternativement oaques et transarents. On détermine donc dans quel ¼ de tour on se situe. La iste suivante ermet de savoir dans quel 1/8 de tour on est, la suivante dans quel 1/16 de tour, etc. La iste extérieure est la iste LSB "bit de oids faible"). C est elle qui donne la récision de la mesure, ou résolution. La dernière iste comorte 2 n zones noires ou blanches. Un tour de disque ermet donc de coder 2 n ositions. La lecture simultanée de toutes les istes donne un code binaire rerésentatif de la osition angulaire du codeur dans le tour. Ce code comorte autant de bits que le codeur a de istes : n bits. CPGE TSI Lycée P.-P. Riquet St-Orens de Gameville - 2 -

3 Sciences Industrielles our l Ingénieur La résolution du codeur est donc de 2 n oints ar tour (résolution angulaire = /2 n ). On choisit donc un codeur absolu d'un nombre de istes (bits) d'autant lus élevé que l'on veut une grande récision de mesure angulaire (les codeurs industriels comortent jusqu à 24 istes). Ex : On veut une récision de 0,1 On veut une récision meilleure que 0,38 Codes délivrés et intérêt du binaire réfléchi sur le binaire naturel Le code binaire délivré ar un codeur absolu eut être du binaire naturel ou du binaire réfléchi (code Gray). En binaire naturel, il eut y avoir changement simultané de lusieurs bits d une osition à la suivante (ex : 001, 010 our aller de la osition 1 à la osition 2). Si l alignement des têtes de lecture n est as arfait, il y aura aarition d un code erroné (ex : 001, 011, 010 our aller de la osition 1 à la osition 2)! Le code Gray ne fait intervenir qu un changement de bit à la fois dans sa rogression (ex. sur 3 bits : 000, 001, 011, 010, 110, 111, 101, 100). Les codes erronés sont donc imossibles. En résumé : Binaire naturel Binaire réfléchi (code Gray) Avantage Directement utilisable ar l unité de traitement. Un seul bit change d un code à l autre as de code erroné ossible. Inconvénient Plusieurs bits changent d un code au suivant si ces changements ne sont as simultanés, il y a aarition de codes erronés (ex : 000, 001, 011, 010, 011). Il faut effectuer un transcodage Gray binaire naturel our exloiter le code. Codage du nombre de tours Un codeur absolu multi-tours ossède un second disque qui ermet d'indiquer le nombre de tours. Le nombre de bits en sortie est donc égal à la somme du nombre de bits our coder la osition dans le tour et du nombre de bits our coder les tours. Raccordement à un automate Si le codeur doit être raccordé à un automate, l'étage de sortie sera choisi du tye PNP si le commun des entrées de l'automate est au 0V (logique ositive : "1" si 24V en entrée). Sorties codeur CPGE TSI Lycée P.-P. Riquet St-Orens de Gameville - 3 -

4 Sciences Industrielles our l Ingénieur IV/ COMPARAISON DES DEUX TYPES DE CODEURS CODEUR INCRE- MENTAL CODEUR ABSOLU AVANTAGES INCONVENIENTS Concetion simle, donc lus fiable et moins cher. Sensible aux couures de courant : la osition à la couure est erdue et il faut réinitialiser le système (avec Z). Au maximum 5 fils our un codeur "de base" (+,, A, B, Z). Sensible aux arasites : un arasite eut être comtabilisé comme une imulsion. A et B euvent avoir des fréquences élevées Le système Encombrement réduit. de traitement doit être assez raide, sinon il y a erreur. Insensible aux couures de courant : l information de osition est disonible dès la (re)mise sous tension Concetion électrique et mécanique lus comlexe lus (d où le nom d "absolu"). cher. Le système de traitement n a as besoin d être très raide : si une information est sautée, la osition Nombre imortant de fils eut monooliser un nombre réelle n est as erdue car elle sera valide à la lecture imortant d entrées du système de traitement. suivante. V/ EXEMPLES INDUSTRIELS 1/ Codeur incrémental 2/ Codeur absolu CPGE TSI Lycée P.-P. Riquet St-Orens de Gameville - 4 -

5 Sciences Industrielles our l Ingénieur VI/ CALCULS DANS LES SITUATIONS LES PLUS COURANTES 1/ Rael D une manière générale, suivant que l on sécifie la récision angulaire (en degré ou en radian) ou la récision linéique (en mètre), la résolution minimale (ou nombre de oints ar tour) du codeur est donnée ar : K : raort de réduction entre l axe du système et l axe du codeur. K.P P : conversion du mouvement de rotation en mouvement de translation. N = ou N Δx x (en m) ou (en degré) : récision recherchée. N : résolution minimale ou nombre de oints ar tour du codeur. 2/ Exemle n 1 : système oulie courroie ; K = 1 Ici le codeur est solidaire de l axe de la oulie, donc K = 1. Ω On eut soit sécifier une récision angulaire désirée degré) ou linéique x (en mm ar exemle). (en La transformation de mouvement est caractérisée ar P=π.D (D = diamètre de la oulie). Si on sécifie la récision angulaire : N = Si on sécifie la récision linéique : π.d N = Δx 3/ Exemle n 2 : système oulie courroie ; K 1 Ω Ici entre le codeur et l axe de la oulie, il y a un réducteur donc K 1. 1 Ω Le raort de réduction est = r Ω ; donc 1 Ω K = = r Ω m m Si on sécifie la récision angulaire : N 4/ Exemle n 3 : vis écrou ; K = 1 π.d Si on sécifie la récision linéique : N Δx Ici le codeur est solidaire directement de l axe de la vis, donc K = 1. Ω La transformation de mouvement est caractérisée ar On eut soit sécifier une récision angulaire (en degré) ou P = as (as : as de la vis). linéique x (en mm ar exemle). as Si on sécifie la récision angulaire : N = Si on sécifie la récision linéique : N = Δx 5/ Exemle n 4 : vis écrou ; K 1 Ici le codeur n est as directement solidaire de l axe de la vis, donc K 1. Ω Si on sécifie la récision angulaire : N as Si on sécifie la récision linéique : N Δx CPGE TSI Lycée P.-P. Riquet St-Orens de Gameville - 5 -