Les résolveurs sont d’excellents instruments. Les codeurs sont d’excellents instruments. Alors lequel des deux choisir ? Cela dépendra de vos besoins et vos applications. Cet article explique le fonctionnement de ces instruments, ainsi que leurs avantages et inconvénients respectifs. Il suggère également un certain nombre de solutions alternatives.
Qu’est-ce qu’un résolveur ?
Un résolveur est un transformateur électrique utilisé pour mesurer les angles de rotation. Un résolveur a en général l’apparence d’un moteur électrique, avec des enroulements de cuivre sur le stator et un rotor en métal usiné. Le couplage inductif entre les enroulements du transformateur varie selon l’angle. Ainsi, si l’on active le résolveur avec un signal alternatif et mesure la sortie des enroulements du transformateur, on obtient un signal électrique alternatif dont l’amplitude sera proportionnelle à l’angle.
S’il en existe beaucoup de types différents, un résolveur comporte en général trois enroulements : un enroulement primaire et deux enroulements secondaires. Ces enroulements sont fabriqués en fil de cuivre et sont habituellement formés sur un élément stationnaire du résolveur : le stator. L’enroulement primaire est utilisé comme entrée du signal de commande alternatif ; et chaque enroulement secondaire est utilisé pour l’excitation ou la réception. Dans le schéma ci-dessous, le rotor est constitué d’un matériau tel que le fer ou l’acier, et est agencé de telle sorte qu’il transmette des quantités d’énergie variables vers les enroulements secondaires, en fonction de son angle de rotation. Dans le schéma ci-dessous, la sortie des enroulements secondaires prendra la forme d’une sinusoïde et d’une cosinusoïde. Le ratio des signaux varie donc proportionnellement à l’angle.
Fig.1 – Un résolveur est un transformateur électrique utilisé pour mesurer les angles de rotation.
Les résolveurs sont réputés pour leur grande fiabilité et ils sont souvent le choix systématique pour les applications de sécurité nécessitant un haut degré de fiabilité. Un écueil commun tient cependant au fait que les fiches techniques spécifient bien souvent une résolution infinie. Bien que cela soit vrai en théorie, cela n’est en fait pas le cas en pratique, dans la mesure où la plupart des systèmes de commande modernes sont convertis en un signal numérique, dont la résolution est finie. La résolution réelle sera donc déterminée par la qualité du circuit de conversion analogique-numérique.
Nous arrivons ici conduit à un point subtil mais très important, à savoir que la conception d’un système de résolveur nécessite de solides compétences spécialisées. En effet, un résolveur nécessite un signal d’excitation et un circuit de traitement distincts. Les résolveurs sont aussi réputés lourds, encombrants et coûteux. Ils ne sont donc pas économiquement viables dans de nombreuses applications grand public et, de manière générale, ne sont utilisés que dans les secteurs où les coûts d’investissement sont secondaires par rapport aux impératifs de spécification et de performance, par exemple dans l’aérospatiale et la défense.
Qu’est-ce qu’un codeur optique ?
Un codeur rotatif, également appelé codeur d’arbre, est un dispositif qui convertit la position ou le mouvement angulaire en un code analogique ou numérique.
Il existe deux grandes catégories de codeur optique : absolu et incrémental (relatif). La sortie d’un codeur absolu indique la position actuelle de l’arbre, ce qui en fait un transducteur angulaire. La sortie d’un codeur incrémental fournit des données sur le mouvement de l’arbre, celles-ci faisant généralement l’objet d’un traitement complémentaire de façon à obtenir des informations sur la vitesse, la distance, le nombre de tours par minute et la position.
Les codeurs peuvent utiliser diverses techniques de détection, mais la plus courante est optique. Dans un codeur optique, une source de lumière est dirigée sur ou à travers un disque rotatif, dont la structure permet soit de laisser passer la lumière, soit de la bloquer. Le capteur optique détecte le passage de la lumière et génère une impulsion électrique correspondante. Les échelles optiques peuvent être agencées sous forme d’une série de marques, pouvant être utilisées pour mesurer l’angle ou le mouvement. L’échelle des marques peut être extrêmement fine, jusqu’à quelques microns.
Fig.2 – Un codeur optique utilise un capteur optique et un disque optique pour mesurer les angles.
Il y a trente ans de cela, la plupart des applications utilisaient des résolveurs plutôt que des codeurs optiques. Aujourd’hui, la situation s’est inversée. Cela s’explique en grande partie par l’immense choix des codeurs étant aujourd’hui proposés par de très nombreux fabricants. Contrairement aux résolveurs, les codeurs optiques ne nécessitent aucun système électronique distinct. Les données qu’ils produisent sont directement utilisables par le système de contrôle de l’hôte, ce qui facilite grandement à la fois leur spécification et leur déploiement.
Leur principale faiblesse tient au fait qu’ils sont tout simplement trop délicats pour résister aux environnements difficiles (vibrations, chocs, corps étrangers, températures extrêmes, etc.). Les pannes peuvent donc survenir soudainement et sans avertissement.
Qu’est-ce qu’un codeur inductif ?
Au cours de ces dernières années, une nouvelle génération de capteurs est devenue très populaire : le codeur inductif. Les codeurs inductifs sont une sorte d’hybride entre le résolveur et le codeur optique. Les codeurs inductifs (que nous appelons capteurs IncOder) utilisent les mêmes principes physiques que le résolveur, mais ils sont moins coûteux, plus légers, plus compacts et plus précis. Ils sont surtout plus simples à utiliser, dans la mesure où ils ne nécessitent qu’une alimentation en courant continu et produisent, en sortie, un signal numérique correspondant à une mesure absolue de l’angle (au même titre qu’un codeur optique absolu). Les codeurs inductifs ne nécessitent pas de compétences spécialisées poussées car aucun circuit de traitement électronique distinct n’est requis : toute l’électronique est intégrée au sein du stator. Les codeurs inductifs présentent ainsi tous les avantages du résolveur, mais aucun de ses inconvénients.
Ils n’utilisent pas de composants optiques délicats et ne sont pas sensibles aux corps étrangers, ni aux plages de températures extrêmes. Certaines versions spécialisées ont ainsi pu être utilisées à des températures comprises entre -170°C et +230°C.
Fig.3 – Exemples de codeur inductif
Au lieu des enroulements en fil de cuivre du résolveur traditionnel, les codeurs inductifs utilisent des cartes de circuits imprimés en tant que composants principaux. De la même manière qu’un résolveur, un codeur inductif comprend un stator et un rotor. Aucun roulement n’est nécessaire, en revanche, dans la mesure où il n’est pas nécessaire d’assurer un positionnement précis du stator et du rotor.
L’utilisation de cartes de circuits imprimés au lieu d’enroulements de fils permet de garantir une précision extrêmement élevée. Une exactitude de <1 minute d’arc est courante, de même qu’une résolution et une reproductibilité de <1 seconde d’arc. La conception de base d’un codeur inductif permet en outre de personnaliser aisément les dispositifs, de façon à répondre au plus juste aux exigences de chaque application.
Les codeurs inductifs sont proposés dans un large choix de tailles, pouvant aller jusqu’à 600 mm de diamètre, et sont largement utilisés pour des applications très diverses : machines-outils, systèmes cardans, aérospatiale, défense ou encore équipement médical.
