Le contrôle du déplacement, de la position ou de la vitesse d’un mobile est un problème rencontré sur un grand nombre de systèmes automatisés ou grand public (mouvements d’un robot, d’un chariot, vitesse d'une voiture ...). Les systèmes de détection conventionnels (détecteurs de position par contact ou de proximité) ne fournissent que des informations tout ou rien (TOR) ; ils ne répondent donc qu’imparfaitement au problème posé. Une des solutions consiste à utiliser un codeur optique de position.

C’est un capteur de position angulaire,

• lié mécaniquement à un arbre qui l’entraîne, son axe fait tourner un disque qui lui est solidaire. Le disque comporte une succession de parties opaques et transparentes.
• une lumière émise par des Diodes Electro- Luminescentes (DEL), traverse les fentes de ce disque créant sur les récepteurs photoélectriques un signal analogique .
• électroniquement ce signal est amplifié puis converti en signal carré , qui est alors transmis à un système de traitement.

Codeur optique à impulsions et top zéro

Les zones blanches laissent passer le faisceau lumineux : le niveau logique du capteur =1

Les zones grises empêchent le passage du faisceau lumineux : Le niveau logique du capteur = 0

Imaginez que le capteur est le point rouge pour pha et vert pour Z et se trouvent sur l'axe rouge vertical et sont qu'ils sont fixes.
Faites tourner le disque dans le sens indiqué et compléter les chronogrammes ci-dessous

(Cliquez sur le graphique pour changer l'états).

Vérifier les chronogrammes

Les signaux carrés issus d’un codeur permettent après traitement de connaître :

• La position d’un mobile : en comptant le nombre de créneaux
• La vitesse d’un mobile : en calculant la fréquence des créneaux
• Le sens de déplacement d’un mobile : voir page suivante en fonction du type de codeur

Il existe deux types de codeurs optiques :

4.1 - Le codeur incrémental

4.2 - Codeurs optique Absolu

Son disque peut comporter un grand nombre de piste.

Le codage des pistes est soit en binaire naturel soit en binaire réfléchi (ou code de gray)

Code binaire réfléchi

Ph	g	f	e	d	c	b	a
0	0	0	0	0	0	0	0
1	0	0	0	0	0	0	1
2	0	0	0	0	0	1	1
3	0	0	0	0	0	1	0
4	0	0	0	0	1	1	0
5	0	0	0	0	1	1	1
6	0	0	0	0	1	0	1
7	0	0	0	0	1	0	0
8	0	0	0	1	1	0	0
9	0	0	0	1	1	0	1
10	0	0	0	1	1	1	1
11	0	0	0	1	1	1	0
12	0	0	0	1	0	1	0
13	0	0	0	1	0	1	1
14	0	0	0	1	0	0	1
15	0	0	0	1	0	0	0
...	Etc ..
126	1	0	0	0	0	0	1
127	1	0	0	0	0	0	0

Code binaire (naturel)

Ph	g	f	e	d	c	b	a
0	0	0	0	0	0	0	0
1	0	0	0	0	0	0	1
2	0	0	0	0	0	1	0
3	0	0	0	0	0	1	1
4	0	0	0	0	1	0	0
5	0	0	0	0	1	0	1
6	0	0	0	0	1	1	0
7	0	0	0	0	1	1	1
8	0	0	0	1	0	0	0
9	0	0	0	1	0	0	1
10	0	0	0	1	0	1	0
11	0	0	0	1	0	1	1
12	0	0	0	1	1	0	0
13	0	0	0	1	1	0	1
14	0	0	0	1	1	1	0
15	0	0	0	1	1	1	1
...	Etc ...
98	1	1	0	0	0	1	0
99	1	1	0	0	0	1	1

La précision d’un codeur correspond à la plus petite variation de position détectable entre deux impulsions (pour un codeur incrémental) ou entre deux secteurs (pour un codeur absolu).

Dans le cas d’un déplacement linéaire, la précision dépend de la conversion du mouvement de rotation en mouvement de translation. Elle prend donc en compte le rayon des roues ou des poulies, ainsi que la présence éventuelle d’un réducteur.

Calcul la précision : $P = d/N$

• P : précision linéaire (en mètres)
• d : déplacement total (en mètres)
• N : nombre d’impulsions générées sur ce déplacement

Exemple : déplacement horizontal d’un chariot dans un magasin automatique

      

Si le capteur génère 250 impulsions lorsque le chariot se déplace de 0.5m, sa précision est :

$P=0.5/250=0.002$ m

Soit une précision de 2mm.

La précision angulaire correspond à la plus petite variation d’angle détectable entre deux impulsions pour un codeur incrémental, ou entre deux secteurs pour un codeur absolu.

Elle tient également compte de la présence éventuelle d’un réducteur, qui améliore la précision en sortie.

Calcul la précision : $P = theta/N$

• P : précision angulaire (en degrés)
• θ : angle parcouru (en degrés)
• N : nombre d’impulsions générées pendant ce mouvement

Exemple : Rotation d’un télescope astronomique pour suivre une planète

      

Le capteur du télescope VLT (Very Large Telescope) au Chili génère 900 000 impulsions pour un déplacement de 0,5° :

$P=0.5/900000 = 0.000000556$ °

Soit une précision de 5.56$xx10^-7$ degrés.

Le système d’antiblocage des freins permet de freiner sans perdre l’adhérence et ainsi de réduire les distances de freinage tout en maîtrisant sa trajectoire. C’est un élément de sécurité essentiel d’une voiture ou d’une moto.

La photo montre le disque de frein, son disque ABS et son capteur.

Le disque ABS est composé de 120 dents métalliques réparties toute sa circonférence. Il est fait de métal.

Q1. La moto peu rouler par n’importe quelles conditions météorologiques. Quel type de capteur est-il préférable d’installer sur la moto ?

? Un capteur lumineux Un capteur inductif Un capteur à ultrasons

Q2. La moto possède une roue d’un diamètre de 0.6m. Calculer sa circonférence, puis la précision du déplacement rectiligne en mm.

Q3. Si le motard roule à 30 m.s^-1 (108 km.h^-1) combien d’impulsions par seconde délivrera le codeur ?

Remarque : Le nombre d'impulsions générées chaque seconde, correspond aussi à la fréquence en Hertz du signal électrique généré par le codeur.

Q4. Calculer la période du signal électrique délivrée par le codeur.

Q5. Sachant que le système abs est installé sur les deux roues de la moto, expliquer comment on peut détecter le blocage de l'une d'entre elles.

Calculez la résolution du codeur incrémental, en points par tour, nécessaire pour obtenir une précision linéaire d’environ 2 mm.

À quelle fréquence (nombre d'impulsions par secondes), le codeur délivre-t-il les impulsions lorsque le système se déplace à une vitesse de 0,1 m.s^-1 ?

Un codeur absolu binaire comporte 8 pistes, ce qui correspond à une résolution de 2⁸ = 256 points par tour. Ce codeur est monté sur un moteur entraînant une poulie, via un réducteur.

Q1. Combien de tours effectue la poulie pour un tour complet du moteur, en tenant compte du réducteur ?

Q2. Quel est le déplacement linéaire de la courroie (en mm) pour un tour du moteur.

Q3. Calculer la précision de déplacement linéaire.

Q4. Le codeur absolu délivre la valeur binaire suivante : 0b 0101 0010. De quelle distance s’est déplacée la courroie depuis la position zéro ?

Le projecteur peut tourner sur lui-même de 360°. Un codeur absolu binaire, ayant une résolution de 1024 points/tour, permet de connaître sa position angulaire.

Q1. Calculer la précision angulaire

Q2. On suppose que la position 0° renvoie le mot binaire 0b00 0000 0000 déterminer le mot binaire à atteindre pour déplacer la lyre de 45°.

Q3. Le codeur renvoie le mot hexadécimal 0x1D3. Déterminez la position angulaire du la lyre.

    

L'étude portera sur le contrôle du déplacement horizontal (Azimut) de l'angle de rotation de l'embase du télescope Astrolab.

Le système possède un codeur incrémental à quadrature pour contrôler l'angle.

Chronogrammes de sortie du codeur :

Q1. Parmi les tables logiques suivantes, quelle fonction correspond au chronogramme ci-dessus ?

Q2. En tenant compte du nombre d'encoches du disque, déterminer la résolution du capteur : nombre d'impulsions N à l'état haut de la sortie S pour 1 tour.

Le rapport de réduction global (roues dentées et vis sans fin) est égal à 1 : 12320

Q3. En prenant en compte le rapport de réduction, déterminez le nombre de tours que le moteur doit effectuer pour que le télescope effectue une rotation complète de 360°. En déduire ensuite le nombre d’impulsions Ni générées par le codeur pendant ce déplacement.

Q4. Calculer la précision en degré.

Q5. Le compteur du codeur s’incrémente (+1) lors d’une rotation dans le sens trigonométrique et se décrémente dans le sens inverse. Sachant que la valeur du compteur est passée de 50 000 à 40 000, déterminez les positions initiale et finale, puis en déduire l’angle parcouru ainsi que le sens de rotation.