Electronique Mag - Le journal de l'électronique.
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Afin de piloter efficacement un moteur, des informations ou entrées de capteurs sont nécessaires pour surveiller la vitesse et la position. Il existe toutefois différentes technologies de détection, chacune présentant des attributs et des applications spécifiques.
Dans cet article technique, nous comparerons les différentes technologies de détection de la rotation et aborderons les raisons de leur choix. Nous examinerons ensuite quelques-uns des derniers dispositifs disponibles sur le marché.
Les applications de détection de la position se développent rapidement, car de plus en plus de processus, auparavant manuels, sont automatisés afin d’atteindre des niveaux de précision plus élevés, de meilleurs rendements et des coûts d’exploitation plus faibles. À chaque type de mouvement, on trouve un capteur fournissant des informations de position à un contrôleur.
L’industrie 4.0 est à l’origine de nombreuses avancées dans le domaine de l’automatisation sur les marchés industriels. La robotique est de plus en plus répandue ; elle permet un fonctionnement 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 sans fatigue ni erreur, mais nécessite un capteur pour chaque axe de mouvement. Il en va de même pour les robots collaboratifs ou « cobots » qui travaillent aux côtés des humains dans les usines classiques.
De nos jours, de nombreuses pièces sont fabriquées à l’aide de machines, telles que les machines CNC (à commande numérique par ordinateur), les découpeuses laser ou les imprimantes 3D. Elles contiennent toutes des éléments mobiles, et un contrôle précis de leur position est nécessaire pour atteindre les objectifs de qualité. Une fois finies, les pièces sont souvent déplacées par des systèmes de manutention automatisés ou des convoyeurs à bande, ce qui nécessite là encore une détection de la position.
En dehors de l’usine, surveiller la position est nécessaire pour les équipements lourds médicaux qui déplacent soit le patient soit le scanner. De même, les robots étant désormais capables d’effectuer des opérations chirurgicales, un contrôle très précis est de mise.
Dans le secteur des transports, la détection de la position se retrouve dans les véhicules conventionnels tels que les trains, les machines agricoles ou les engins de construction, mais aussi dans des applications plus récentes telles que les robots mobiles autonomes (AMR) que l’on trouve dans les entrepôts ou encore pour les milliers de drones en action.
Les véhicules de tourisme étant de plus en plus électrifiés, les systèmes de contrôle mécaniques sont remplacés par des systèmes à commande électrique tels que « drive by wire » ou « steer by wire » dans toutes les formes de propulsion (moteurs à combustion interne ICE, véhicules électriques et hybrides). Pour que ces systèmes fonctionnent, la position de la pédale d’accélérateur doit être communiquée à l’unité de contrôle électronique (ECU), ou celle du volant au système de commande de la direction.
Le contrôle s’étendant à presque tous les aspects de fonctionnement du véhicule, la détection de la position est également effectuée pour les composants de la suspension (assiette/conduite), le groupe motopropulseur ou le système électrique (vitres électriques, toits ouvrants et serrures de portières).
Les trois principales technologies disponibles pour la détection de la position rotative sont l’optique, le magnétique et l’inductif, chacune avec des modes de fonctionnement, des avantages, des inconvénients et des applications spécifiques.
Les codeurs rotatifs optiques sont souvent considérés comme les plus précis (bien que cela ne soit pas toujours le cas) et fonctionnent en faisant passer de la lumière à travers un disque à trous. Lorsque le disque tourne, les impulsions lumineuses permettent de détecter le mouvement.
En règle générale, ces dispositifs sont utilisés dans des applications exigeant une précision extrême, comme la robotique de précision ou les machines-outils (tours à commande numérique ou découpeuses laser). Bien qu’ils soient très précis et insensibles aux champs magnétiques, ils sont sensibles aux vibrations et aux salissures sur le disque, ce qui peut les rendre inopérants.
Les codeurs magnétiques, quant à eux, ont tendance à avoir des niveaux de précision plus faibles et sont utilisés principalement dans des applications très sensibles aux coûts. Ils sont efficaces dans les environnements soumis aux vibrations et aux contaminations, mais sont affectés par les champs magnétiques externes, ce qui limite leur applicabilité.
Enfin, les codeurs inductifs fournissent une précision supérieure à celle de leurs homologues magnétiques. Ils sont capables de supporter des niveaux élevés de vibration et de contamination et sont insensibles aux champs magnétiques. Parmi les autres avantages, citons la répétabilité, l’insensibilité à la température, le faible nombre de composants, la petite taille et le fait qu’ils ne nécessitent pas de terres rares sous forme d’aimants.
Le capteur de position inductif double NCS32100 d’onsemi permet une précision de position sans contact de premier ordre (meilleure que + 50 arcsec ou 0,0138 degré de rotation mécanique) grâce à deux circuits imprimés simples, mais innovants. L’un des circuits imprimés est fixé au stator du moteur (stationnaire), tandis que l’autre, à simple couche, est fixé au rotor ou à l’arbre. Les deux circuits imprimés sont parallèles et séparés par un entrefer de 0,1 mm à 2,5 mm. Le NCS32100 se trouve sur le circuit imprimé du stator.
Des traces conductrices fines et moins fines (double), ou bobines, sont imprimées sur les deux surfaces du disque. Une troisième trace conductrice, appelée bobine d’excitation, est imprimée sur le circuit du stator. Le NCS32100 transmet une onde sinusoïdale de 4 MHz dans la bobine d’excitation, créant un champ électromagnétique autour de la bobine d’excitation du stator. En raison de la loi de Faraday et l’induction mutuelle, les bobines du rotor rencontrent le champ électromagnétique, couplant l’énergie sur les bobines du rotor sous forme de courants de Foucault.
Pendant ce temps, les bobines du stator se connectent à un maximum de huit entrées de récepteur NCS32100. Lorsque le rotor tourne, les courants de Foucault de ce dernier perturbent les bobines réceptrices du stator. Le NCS32100 mesure la position du rotor en traitant ces perturbations à l’aide d’algorithmes propriétaires dans son DSP (Digital Signal Processor) interne.
Avec un capteur PCB de 40 mm, le NCS32100 atteint une précision de position de ± 50 arcsec à des vitesses de rotation allant jusqu’à 6 000 tr/min ; il est également capable de fournir des positions à des vitesses allant jusqu’à 45 000 tr/min, quoiqu’avec une précision légèrement réduite. Une plus grande précision (inférieure à +/– 10 arcsec) peut être obtenue avec un capteur PCB plus grand ou avec un alignement précis entre le rotor et le stator.
Cette solution simple ne nécessite que peu de composants électroniques, ce qui garantit une taille réduite et un faible coût. Elle reste également totalement insensible aux fluctuations de température, aux contaminations et aux champs magnétiques externes.
Le NCS32100 d’onsemi permet de concevoir un capteur de position rotatif de haute précision pour une utilisation dans des applications et des environnements industriels. En tant que dispositif absolu, le mouvement n’est pas nécessaire pour déterminer la position. Le NCS32100 est aussi capable de calculer la vitesse de rotation à des vitesses allant jusqu’à 45 000 tr/min.
Une précision de ± 50 arcsec est assurée jusqu’à 6 000 tr/min, rivalisant avec les performances de multiples codeurs optiques. Ce dispositif intègre également un microcontrôleur Arm ® Cortex ® M0+, qui comporte de nombreuses possibilités de configuration et un capteur de température interne.
Une routine d’étalonnage intégrée au NCS32100 permet aux capteurs de se calibrer à l’aide d’une simple commande qui lance un processus qui prend deux secondes. Aucun codeur de référence n’est nécessaire et la routine peut être exécutée à tout moment, à condition que la vitesse du rotor soit comprise entre 100 et 1 000 tr/min. Tous les coefficients sont stockés dans une mémoire non volatile (NVM).
Une solution optique typique nécessite au total trois circuits imprimés : un disque optique, un circuit imprimé de stator et un circuit imprimé de pilote de LED, soit environ 100 composants pour une fonctionnalité complète.
La solution basée sur le NC32100, quant à elle, ne nécessite que deux circuits imprimés : celui du rotor, à simple couche et sans aucun composant, et celui du stator, qui ne contient que douze composants.
Dans l’automobile, si le coût et la fiabilité sont importants, la sécurité est primordiale, en particulier dans des applications telles que la direction ou le freinage. Le capteur de position absolu NCV77320 d’onsemi pour les applications dans le secteur de l’automobile est conçu spécifiquement pour ces cas d’utilisation critiques, conformément à la norme ISO 26262. La précision de position du NCV77320 est de 194,3 arcsec ou 0,0539 degré de rotation mécanique en fonction de la géométrie du circuit imprimé, principalement parce qu’il n’a que 3 entrées de récepteur (par rapport au NCS32100 qui en a 8) et qu’il ne prend pas en charge les configurations de circuit imprimé à bobines (fin et moins fin). Le NCV77320 et le NCS32100 peuvent tous deux fonctionner comme codeurs rotatifs ou linéaires.
Les applications du NCV77320 comprennent les capteurs de pédale de frein, de pédale d’accélérateur, de position du moteur, de système de freinage, d’assiette du véhicule, de plage de transmission, de position du papillon des gaz TPS en surveillant l’accélérateur ou encore de recirculation des gaz d’échappement.
Tout comme le NCS32100, le NCV77320 est insensible aux contaminations, aux variations de température et aux interférences magnétiques. Il peut être utilisé dans des environnements automobiles dont la température ambiante est comprise entre -40 °C et +150 °C.
Capable de fonctionner à des vitesses de rotation allant jusqu’à 10 800 tr/min, le NCV77320 communique avec un microcontrôleur compagnon par SENT, SPI ou de manière analogique.
Avec l’automatisation omniprésente, la détection de la position des moteurs rotatifs devient incontournable. Pour ce faire, il existe plusieurs technologies, notamment optique, magnétique et inductive. La technologie optique offre une grande précision, mais elle est coûteuse et sensible aux contaminations. La technologie magnétique est peu coûteuse, mais facilement influencée par les champs magnétiques.
L’inductif est en train de gagner du terrain et, avec l’avènement des capteurs inductifs doubles, il est désormais possible de construire des capteurs capables de fournir une précision de niveau optique d’une manière beaucoup plus économique.
