Principe de fonctionnement d’un transformateur différentiel

Un codeur POSIC est en fait un transformateur différentiel dont le couplage entre bobines primaires et secondaires est modulé par un objet ferromagnétique ou conducteur (disque, règle, roue dentée…). La bobine primaire génère un champ magnétique haute fréquence (1 - 2 MHz). Les deux bobines secondaires sont connectées d’une manière différentielle et sont placées symétriquement par rapport à la bobine primaire. Le champ magnétique haute fréquence génère une tension induite dans chacune des bobines secondaires selon la loi de Faraday :

V_sec = dI_prim/dt

Aussi longtemps que la symétrie du champ magnétique est conservée, la tension induite dans la paire différentielle de bobines secondaires reste nulle.

Cible ferromagnétique

Un objet ferromagnétique, présent dans le champ généré par la bobine primaire, attire le champ. Quand le champ magnétique est modifié, mais reste symétrique, le signal induit dans la paire de bobines secondaires différentielles reste nul (image du milieu, à droite). Si l’objet perturbe la symétrie, les tensions induites dans chacune des bobines secondaires diffèrent et la paire de bobines différentielles génère une tension (image du haut et du bas, à droite). L’acier et les ferrites sont des exemples de matériaux ferromagnétiques.

Cible conductrice

Un objet électriquement conducteur, présent dans le champ généré par la bobine primaire, rejette le champ. Quand le champ magnétique est modifié par l’objet, mais reste symétrique, le signal induit dans la paire de bobines secondaires différentielles reste nul (image du milieu, à droite). Dès que l’objet perturbe la symétrie, la paire de bobines secondaires différentielles génère une tension (image du haut et du bas, à droite). L’aluminium, le laiton, le cuivre, l’argent et l’or sont des exemples de bons conducteurs électriques.

Robustesse d’un transformateur différentiel de POSIC

Le transformateur différentiel POSIC n’est pas sensible aux perturbations magnétiques et électromagnétiques pour deux bonnes raisons :

• Premièrement, il fonctionne selon un principe de mesure différentielle sur une toute petite puce en silicium. De fait, il est quasiment impossible de créer une perturbation magnétique, électromagnétique ou thermique qui soit très différente d’une bobine secondaire à l’autre, les deux bobines étant éloignées de moins d’un millimètre. De plus, les champs électromagnétiques pour des fréquences porteuses de quelques MHz ont une longueur d’onde bien plus grande que la distance entre les bobines. Ils ne peuvent par conséquent pas perturber le fonctionnement du capteur de manière significative.
• La seconde raison est liée à la modulation en haute fréquence. La fréquence porteuse n’est pas seulement utilisée pour générer le champ magnétique mais aussi pour la démodulation synchrone des signaux mesurés. Comme la plupart des perturbations (bruits, interférences) dans les systèmes mécatroniques ont des fréquences comprises entre 0 et plusieurs kHz, elles sont éliminées par filtration pendant la démodulation puisque la fréquence porteuse du capteur est à 1 - 2 MHz. 

Capteur inductif à deux canaux

Quand un objet ferromagnétique ou conducteur se déplace linéairement devant le capteur, un signal sinusoïdal est mesuré. Un capteur POSIC contient deux paires de bobines secondaires, décalées l’une par rapport à l’autre, comme cela est représenté sur le dessin à droite. Les disques et règles de POSIC sont constituées d’une répétition de barres de cuivre dont la périodicité est de 1,2 mm. Les deux paires de bobines sur le circuit sont décalées de 0,3 mm et, par conséquent, les deux signaux sont déphasés de 90°. Autrement dit : les signaux du capteur sont un sinus et un cosinus.

Signaux sinus et cosinus

Si l’objet devant le capteur est une répétition de bandes ferromagnétiques ou conductrices dont la période est adaptée à la géométrie des bobines du capteur, les signaux de sortie du capteur sont un sinus et un cosinus. Ceci est illustré sur la figure ci-contre. Cette figure montre également que les sorties deviennent non-linéaires et finalement tendent vers zéro quand le capteur atteint l’extrémité de la règle. Pour éviter ces effets, la règle doit de chaque côté être plus longue d’une période que la course réellement parcourue.

Electronique analogique

La figure de droite montre le schéma fonctionnel de l’électronique analogique d’un capteur POSIC. Un courant haute fréquence, généré par l’oscillateur, est injecté dans la bobine primaire à travers un amplificateur. Le champ magnétique haute fréquence ainsi créé couple dans les bobines secondaires. Le couplage entre les bobines primaires et secondaires est modulé par une règle linéaire qui est dessinée sous le schéma fonctionnel. Le signal différentiel généré par les bobines secondaires est amplifié puis démodulé avec la fréquence porteuse fournie par l’oscillateur. Après un filtrage passe-bas, les signaux analogiques, typiquement un sinus et un cosinus, sont disponibles aux sorties du capteur.

Electronique numérique

La figure de droite montre le schéma fonctionnel du circuit complet du capteur comprenant la bobine primaire, les bobines secondaires, l’électronique analogique, l’électronique numérique et les interfaces. Les signaux sinus et cosinus sont disponibles sous la forme de signaux analogiques, mais ils peuvent également être interpolés et mis à disposition sous la forme de signaux A et B en quadrature avec une résolution allant jusqu’à 12 bits par période. Les tolérances de montage entre codeur et disque codeur (ou règle linéaire) peuvent être à l’origine d’une certaine non-linéarité. Les codeurs POSIC possèdent une Look Up Table avec 256 entrées pour corriger la non-linéarité après le montage du codeur et de son disque (ou de sa règle) dans l’application.

Interpolation

La figure de droite représente une règle linéaire, les signaux analogiques sinus et cosinus du capteur, ainsi que les signaux A et B en quadrature pour les interpolations x1 (4 incréments par période = 2 bit), x2 (3 bit) et x4 (4 bit).

Pour une règle linéaire, le facteur d’interpolation peut être ajusté de x1 = 2 bit jusqu’à x1024 = 12 bit par période (de 1,2 mm). A 12 bit d’interpolation, la résolution est de 1,2 mm / 4096 = 0,3 µm.

Pour un disque codeur avec 64 périodes par révolution, l’interpolation peut être ajustée de x2 jusqu’à x64 par période, ce qui correspond à une résolution angulaire variant de 128 CPR = 9 bit à 4096 CPR = 14 bit.

Fabrication

Les capteurs POSIC sont très compacts et sont bien adaptés à la production en grand volume parce que les bobines et l’électronique sont entièrement intégrées sur une seule puce en silicium. Une photographie de la structure des capteurs est montrée ci-contre à droite : les grandes structures rondes sont les bobines primaires et les petites structures rondes à l’intérieur des bobines primaires sont les bobines détectrices (bobines secondaires).

Disques codeurs et règles linéaires

La performance d’un codeur ne dépend pas seulement du capteur, mais également de la cible (disque codeur ou règle linéaire). Les trois paramètres principaux d’une cible sont :

• Sa matière
• Sa forme
• Ses dimensions

Ses trois paramètres ont une influence importante sur les principaux indices de performance du système, à savoir : sa résolution, sa portée (l’écartement maximum entre le capteur et sa cible), sa répétabilité, sa vitesse maximale de fonctionnement, etc.

POSIC a développé un assortiment de cibles pour optimiser la performance de ses capteurs et codeurs. Ces cibles sont des circuits imprimés avec des bandes de cuivre. Elles sont disponibles sous la forme de disque pour les applications rotatives, et sous la forme de règles pour les applications linéaires.

Caractéristiques principales des codeurs POSIC:

• Mécanisme de fonctionnement sans contact
• Système sans aimant (les particules et poussières ferromagnétiques ne sont pas attirées)
• Codeur très mince: 0,9 mm
• Disque et règle très mince: 0,9 mm
• Codeur et disque/règle insensibles aux champs magnétiques
• Codeur et disque/règle n'attirent pas des particules ferromagnétiques
• Large gamme de température opérationnelle (-40 to +125°C)
• Codeur insensible aux particules, poussières, huiles, graisses, liquides, humidité, condensation etc.
• Mesures linéaires et rotatives
• Large gamme de matériaux pour la cible: acier, aluminium, cuivre, laiton
• Opération à grande vitesse
• Opération à vitesse zéro 

Personnalisation

POSIC offre la possibilité d’adapter un codeur et un disque (ou une règle) aux besoins spécifiques du client. Voici quelques exemples d’adaptation :

• Assemblage du codeur sur des matériaux différents : circuit imprimé rigide, circuit flexible, céramique
• Interfaces : sorties numériques A et B en quadrature et Index, signaux de commutation pour moteur, signaux analogiques sin/cos
• Alignement mécanique : trous pour goupilles, structures d’alignement optique, positionnement par rapport à un ou deux côtés du codeur
• Disques codeurs : disque de type circuit imprimé, roue dentée, disque troué, disque monté en bout d’axe
• Règles linéaires : règle de type circuit imprimé, bande métallique trouée, bande flexible avec adhésif