Comment effectuer une mesure d'encodeur en quadrature

Ce document fait partie du portail de ressources intitulé "Guide pratique sur les mesures les plus courantes".

 

Présentation générale des encodeurs et des applications

 

Un encodeur est un dispositif électromécanique capable de mesurer le mouvement ou la position. La plupart des encodeurs utilisent des capteurs optiques pour fournir des signaux électriques sous forme de trains d'impulsions, lesquels peuvent, à leur tour, être interprétés comme mouvement, direction ou position.

Les encodeurs rotatifs servent à mesurer le déplacement rotatif d'un axe. La figure n°1 montre les composants de base d'un encodeur rotatif : une diode électroluminescente (LED), un disque et un capteur de lumière de l'autre côté du disque. Le disque, monté sur l'axe rotatif, comporte des motifs encodés de secteurs opaques et transparents. Lorsque le disque tourne, les segments opaques bloquent la lumière alors que ceux où le verre est clair la laissent passer. Ceci génère des impulsions d'onde carrée qui peuvent ensuite être interprétées comme position ou mouvement. En général, les encodeurs ont entre 100 et 6 000 segments par révolution. Ceci correspond à une résolution de 3,6 degrés pour un encodeur à 100 segments et à une résolution de 0,06 degrés pour un encodeur à 6 000 segments.

Visionner une vidéo de 60s

Le même principe de fonctionnement est valable pour les encodeurs linéaires, si ce n'est que le disque rotatif est remplacé par une bande opaque stationnaire dont la surface comporte des fentes et que l'assemblage capteur/LED est fixé sur la partie mobile.

 

Figure n°1. Composants d'un encodeur optique

Un encodeur ne générant qu'une série d'impulsions ne serait pas très utile puisqu'il ne pourrait pas indiquer la direction de la rotation. L'encodeur en quadrature comporte deux pistes de code dont les secteurs sont décalés de 90 degrés d'une piste à l'autre (figure n°2) ; ceci permet d'avoir deux sorties de voie qui indiquent la position et la direction de la rotation. Si A devance B, par exemple, le disque tourne dans le sens des aiguilles d'une montre. Si B devance A, le disque tourne dans le sens contraire. Par conséquent, en surveillant à la fois le nombre d'impulsions et les phases relatives des signaux A et B, vous pouvez suivre la position et la direction de la rotation.

 

Figure n°2. Signaux de sortie A et B d'un encodeur en quadrature

Certains encodeurs en quadrature comportent aussi une troisième sortie de voie, appelée signal de référence ou zéro, qui renvoie une impulsion par révolution. Vous pouvez utiliser cette impulsion pour déterminer précisément une position de référence. Dans la plupart des encodeurs, ce signal correspond au terminal Z ou index.

Jusqu'à présent, ce document n'a traité que des encodeurs en quadrature incrémentaux asymétriques. Ils sont qualifiés d'asymétriques car les signaux A et B sont tous deux référencés à la masse et qu'il n'y a donc qu'un fil par signal. Un autre type d'encodeur couramment utilisé est un encodeur différentiel qui comporte deux lignes par signal. Les deux lignes du signal A sont A' et A, et celles du signal B sont B' et B. Ce type de configuration est aussi appelé "push-pull" car les quatre lignes fournissent toujours une tension connue (soit 0 V, soit V_cc). Si A est à V_cc, A' est à 0 V ; si A est à 0 V, A' est à V_cc. Dans le cas d'un encodeur asymétrique, A est soit à V_cc, soit flottant. Les encodeurs différentiels sont souvent utilisés dans les environnements bruités car les mesures différentielles protègent l'intégrité du signal.

Avec des encodeurs incrémentaux, vous ne pouvez mesurer que les changements de position (à partir desquels vous pouvez déduire la vitesse et l'accélération) ; il ne vous est pas possible de déterminer la position absolue d'un objet. Un troisième type d'encodeur, l'encodeur absolu, est capable de déterminer la position absolue d'un objet. Ce type d'encodeur a des segments opaques alternant avec des segments transparents, comme l'encodeur incrémental, mais il utilise plusieurs groupes de segments qui forment des cercles concentriques sur la roue de l'encodeur comme sur une cible de tir à l'arc. Le premier cercle concentrique se trouve au milieu de la roue ; les cercles suivants (vers l'extérieur) ont chacun deux fois plus de segments que le cercle qui les précède. Le premier anneau, le plus proche du centre, comporte un segment transparent et un segment opaque. Le deuxième anneau (en partant du centre) a deux segments transparents et deux segments opaques. Le troisième a quatre segments de chaque type. Si l'encodeur a 10 anneaux, l'anneau extérieur comporte 512 segments ; s'il a 16 anneaux, l'anneau extérieur comporte 32 767 segments.

Comme chaque anneau de l'encodeur absolu a deux fois plus de segments que l'anneau précédent, les valeurs forment les nombres d'un système de calcul binaire. Dans ce type d'encodeur, il y a une source de lumière et un capteur pour chaque anneau de la roue. Un encodeur à 10 anneaux a donc 10 séries de sources et de capteurs de lumière, alors qu'un encodeur à 16 anneaux comporte 16 sources de lumière et 16 capteurs.

L'avantage de l'encodeur absolu est qu'il peut être réglé pour que sa roue fasse une révolution complète sur toute la longueur de déplacement de la machine. Si la machine se déplace de 10 pouces et que l'encodeur a une résolution de 16 bits, la résolution de la machine est 10/65 536, soit 0,00015 pouce. Si le déplacement est plus grand, 6 pieds par exemple, un résolveur approximatif peut garder la trace de chaque pied parcouru, et un second résolveur, appelé résolveur précis, peut scruter la position au pied près. Ceci vous permet d'ajuster l'encodeur approximatif pour qu'il fasse une révolution sur les 6 pieds et d'ajuster l'encodeur précis pour qu'il fasse une révolution complète sur 1 pied (12 pouces).

 

Comment effectuer une mesure d'encodeur

Pour effectuer des mesures d'encodeur, vous avez besoin d'un composant électronique de base appelé compteur. En fonction de ses différentes entrées, un compteur de base renvoie une valeur qui représente le nombre de fronts (transitions du niveau bas au niveau haut dans le signal) comptés. La plupart des compteurs ont trois entrées pertinentes : gate, source et up/down. Le compteur compte les événements enregistrés dans l'entrée source et, en fonction de l'état de la ligne up/down, incrémente ou décrémente le compte. Par exemple, si la ligne up/down est "haute", le compteur incrémente le compte ; si elle est "basse", le compteur décrémente le compte. La figure n°3 représente une version simplifiée d'un compteur.

Figure n°3. Modèle simplifié d'un compteur

En général, un encodeur a cinq fils que vous pouvez connecter à l'instrument et qui, selon l'instrument, peuvent être de différentes couleurs. Vous pouvez utiliser ces fils pour alimenter l'encodeur et lire les signaux A, B et Z. La figure n°4 représente une table de brochage typique pour un encodeur incrémental.

Figure n°4. Brochage d'un encodeur incrémental

L'étape suivante consiste à déterminer où connecter chacun des fils. Dans le cas du compteur décrit ci-dessus, le signal A est connecté au terminal source ; c'est donc le signal dont les impulsions sont comptées. Le signal B est connecté au terminal up/down, et vous pouvez connecter les signaux  +5 VCC et de masse à n'importe quelle source d'alimentation (dans la plupart des cas, une ligne numérique d'une carte de périphérique d'acquisition de données suffit).

Une fois les fronts comptés, vous devez considérer comment ces valeurs sont converties en position. Le processus de conversion des comptes de fronts en position dépend du type d'encodage utilisé. Il y a trois types d'encodage de base : X1, X2 et X4.

Encodage X1

La figure n°5 représente un cycle de quadrature et les incréments et décréments résultants pour l'encodage X1. Si la voie A devance la voie B, l'incrément se produit sur le front montant de la voie A. Si la voie B devance la voie A, le décrément se produit sur le front descendant de la voie A.

[+] Agrandir l'image

Figure n°5. Encodage X1

Encodage X2

Le même comportement reste vrai pour l'encodage X2, si ce n'est que le compteur est incrémenté ou décrémenté (selon la voie qui devance l'autre) sur chaque front de la voie A. Chaque cycle produit deux incréments ou décréments, comme l'illustre la figure n°6.

[+] Agrandir l'image

Figure n°6. Encodage X2

Encodage X4

Pour l'encodage X4, le compteur est incrémenté ou décrémenté de la même façon sur chaque front des voies A et B. Le compteur est incrémenté ou décrémenté en fonction de la voie qui devance l'autre. Chaque cycle produit quatre incréments ou décréments, comme l'illustre la figure n°7.

[+] Agrandir l'image

Figure n°7. Encodage X4

 

Une fois le type d'encodage défini et les impulsions comptées, la conversion en position est effectuée à l'aide d'une des formules suivantes :

 

Pour les positions rotatives

Rotation

où :      N = nombre d'impulsions générées par l'encodeur à chaque révolution de l'axe

                        x = type d'encodage

 

Pour les positions linéaires

Déplacement

où PPI = impulsions par pouce (paramètre spécifique à l'encodeur)

 

Connexion d'un encodeur à un instrument

Pour cette section, prenons comme exemple un système utilisant le châssis NI cDAQ-9172 et le module d'E/S numériques de la série C NI 9401. La procédure serait la même avec un autre instrument ou périphérique de mesure.

[+] Agrandir l'image

Figure n°8. Système NI CompactDAQ

Matériel requis :

-          un châssis USB haute vitesse à huit emplacements cDAQ-9172 pour NI CompactDAQ

-          un module d'E/S numériques bidirectionnelles haute vitesse 5 V/TTL 8 voies NI 9401

-          un encodeur en quadrature rotatif à 24 impulsions par révolution

Le module NI 9401 comporte un connecteur Sub-D qui permet de connecter les huit voies numériques. Chaque voie a une broche d'E/S numériques à laquelle vous pouvez connecter un périphérique d'entrées ou de sorties numériques. L'accès aux deux compteurs du châssis cDAQ-9172 n'est disponible qu'à partir des emplacements 5 et 6. Dans cet exemple, le module 9401 est installé dans l'emplacement 5. La figure n°9 représente le brochage qui correspond à cette configuration, et le tableau n°1 représente les terminaux de compteur par défaut.

 

Figure n°9. Brochage du NI 9401 (emplacement 5)

 
[+] Agrandir l'image

Tableau n°1. Terminaux de compteur par défaut

Selon ces spécifications, le fil de la voie A est connecté à la broche 14, le fil de la voie B est connecté à la broche 17, "Alimentation 5 VCC" (5 VDC Power) est connecté à n'importe quelle ligne numérique configurée à "haut" disponible, et "Masse" (Ground) est connecté à n'importe quel terminal COM.

Visualisation des mesures

Une fois l'encodeur connecté au matériel de mesure, il est possible d'utiliser le logiciel de programmation graphique LabVIEW pour transférer les données à l'ordinateur en vue d'une visualisation et d'une analyse.

La figure n°10 représente un exemple d'affichage du nombre de fronts comptés et des incréments de position correspondants dans l'environnement de programmation LabVIEW.

[+] Agrandir l'image

Figure n°10. Face-avant LabVIEW affichant les mesures 

 

Matériels et logiciels recommandés

 

Exemple de système de mesure d'encodeur

NI CompactDAQ : vidéo de trois minutes 

Embarquez pour une visite virtuelle de NI CompactDAQ

Découvrez et testez gratuitement le logiciel LabVIEW

 

Présentations multimédias sur les encodeurs, tutoriaux et autres ressources

 

Base de connaissances : quelle est la différence entre les encodeurs en quadrature de type "Line Driver", "Open Collector" et "Push-Pull", et quel type devrais-je utiliser ?

 NI-DAQmx - Mesure de la position d'un encodeur angulaire