- LEM, concepteur de capteurs de courant a développé des capteurs à sortie numérique dotés d’une interface à train de bits Sigma-Delta.
- Dans cet article, LEM explique le fonctionnement et les atouts de sa gamme de capteurs de courant dotés d’une interface numérique.
Auteur : Pascal Maeder, responsable produit mondial ‘’commande de moteur et soudage’’ chez LEM
Sources : David Jobling (responsable du groupe de développement des ASIC)
Stéphane Rollier (responsable produit et Marcom)
Mathieu Béguin (ingénieur marketing)
Pourquoi les capteurs de courant passent-ils au numérique ?
Il y a quelques années, le département des ventes et du marketing de LEM a observé les premiers signes d’un tournant technologique : certains constructeurs OEM (équipementiers) de l’industrie des servomoteurs et des robots envisageait d’abandonner les interfaces analogiques sur leurs systèmes.
Ce changement a été initié par l’évolution des contrôleurs, le « cerveau » des machines. Les contrôleurs fonctionnent de manière totalement numérique en interne et ne possédaient en général jusqu’alors des convertisseurs A/N que sur leurs interfaces. Ce n’est plus le cas aujourd’hui. Les convertisseurs A/N disparaissent en effet peu à peu sur les nouveaux contrôleurs, les clients voulant désormais que les capteurs de courant soient dotés d’une sortie numérique, afin de pouvoir les connecter facilement à leurs nouveaux microcontrôleurs. L’autre avantage des interfaces numériques est qu’elles sont moins sensibles aux interférences électromagnétiques.
Après une étude de marché menée en 2013 par les équipes de marketing et de gestion des produits de LEM, le département de R&D a commencé à développer un circuit ASIC à boucle ouverte basé sur l’effet Hall. La conversion analogique-numérique (A/N) est effectuée par un modulateur sigma delta intégré, offrant une sortie sous forme de train de bit série à 1 bit, avec un modulateur sigma-delta en sortie.
Les premiers prototypes de ces capteurs ont été fournis à des « clients alpha » à la fin de l’année 2015. Les premiers retours ont été positifs, de sorte que LEM a présenté ces futurs produits lors du salon PCIM 2016 à Nuremberg, où d’autres utilisateurs ont manifesté leur intérêt pour cette technologie.
La gamme de capteurs à sortie numérique
LEM a proposé une gamme de modèles à sortie numérique pour ses capteurs de courant à effet Hall à boucle ouverte HO et HLSR. Ces nouveaux composants pour les mesures de courants nominaux de 10, 32, 50, 80, 100, 120, 150, 200 et 250 ARMS, déclinés en trois versions mécaniques (montage sur carte électronique ou sur panneau), offrent une résolution maximale jusqu’à 12 bits avec une largeur de bande de 20 kHz. La sortie simple bit minimise les connexions requises, autorisant des capteurs très compacts, tandis que la sortie numérique permet à l’utilisateur de choisir le filtre utilisé sur le train de bits pour favoriser tour à tour la résolution ou le temps de réponse en fonction de l’application. Les sorties numériques sont également intrinsèquement immunisées contre le bruit des environnements hostiles.
L’interface numérique
La sortie du capteur délivre un train de bits dans lequel la densité de uns dépend du courant mesuré, comme on peut le voir sur la figure 2.
Pour le détail de la fonction de transfert, voir la figure 3, qui montre la densité moyenne de uns sur une échelle de 0 à 1 ainsi que la même sortie quand elle est filtrée et représentée sous forme d’un mot de 16 bits sur une échelle de 0 à 65 535 (nombre décimal). (Pour en savoir plus sur les options de filtrages, se reporter à la section suivante.)
La figure 3 montre également la sortie équivalente sur un capteur analogique. Comme avec le capteur analogique, les performances du nouveau capteur se situent sur la plage +/-IPM, correspondant à une densité moyenne de uns entre 0,1 et 0,9.
Légendes figures 3 :
– Digital Output 16-bit resolution >> Résolution 16 bits de la sortie numérique
– Digital Output [0,1] Normalized >> Sortie numérique normalisée [0,1]
– Analog Output (Volt) >> Sortie analogique (volts)
Le filtre numérique est mis en œuvre par l’utilisateur (voir figure 4). L’avantage, c’est que le nombre de connexions au capteur est réduit. Chaque utilisateur peut décider du/des filtre(s) le ou les mieux adapté(s) à son application et le format de sortie peut être sélectionné pour répondre aux exigences du système.
Légendes figure 4 :
– LEM Digital Current Transducer >> Capteur de courant numérique LEM
– LEM Transducer >> Capteur LEM
– LEM side >> Côté LEM
– Customer side >> Côté client
– Out >> Sortie
Performances et choix des filtres
Toute conversion d’un signal analogique en un signal numérique impliquant une quantification, l’erreur entre le signal numérique et la valeur exacte du signal analogique qu’il représente est équivalente au bruit ajouté. La sortie issue d’un modulateur sigma delta est plus qu’un simple train de bits avec une certaine densité de uns et de zéros. La séquence est dans un tel ordre aléatoire qu’il repousse le bruit de quantification hors de la bande de fréquences, vers des fréquences plus élevées que celles concernant la mesure du courant.
L’utilisateur traite le train de bits dans un filtre numérique qui rejette le bruit des fréquences plus élevées. Comme pour n’importe quel filtre, des compromis sont faits pour optimiser les performances du système : une bande passante étroite génère moins de bruit (ou une résolution plus élevée) aux dépends du temps de réponse et inversement.
Dans l’exemple de la figure 5, le train de bits est traité deux fois : d’abord dans un filtre 20 kHz, qui donne une résolution de 12 bits pour une mesure précise du courant primaire, puis dans un filtre à large bande pour détecter les surintensités avec un temps de réponse de 5 µs. Par ailleurs, la sortie OCD interne du capteur (Over Current Detect, détection des surintensités) permet de détecter les courts circuits avec un temps de réponse de seulement 2,7 µs.
Légendes figure 5 :
– LEM Digital Current Transducer >> Capteur de courant numérique LEM
– Customer side >> Côté client
– Over Current Detection (OCD) >> Détection des surintensités (module OCD)
– Function targeted – Performances obtained >> Fonction ciblée – performances obtenues
– Control Loop function >> Fonction de boucle de contrôle
– Out of Range detection >> Détection hors de la plage
– Short-circuit >> Court-circuit
Les bits sont traités un à la fois dans le filtre numérique. En raison du taux de suréchantillonnage (OSR, Over Sampling Ratio) du modulateur, la sortie du filtre numérique peut traiter chaque bit OSR sans aucune perte d’information dans la bande concernée.
La latence du filtre dépend de sa nature : la sortie est retardée d’une période égale à 2 x OSR x CLK pour un filtre sinc2, tandis qu’il faut appliquer 3 x OSR x CLK pour obtenir la sortie exacte après une réponse indicielle avec le filtre sinc3, très utilisé. Le débit à la sortie des nouveaux capteurs de LEM est de 10 Mbit/s. La combinaison du taux OSR, du choix du filtre et du débit détermine le temps de réponse, la bande passante et la résolution effective de chaque chemin de signal connecté au train de bits, comme l’illustre la figure 6 représentant les performances du HO 150-NPW.
Légendes figure 6 :
– SINC k order >> Ordre SINCk
– Bit rate Mb/s >> Débit en Mbit/s
– Over Sampling Ratio (OSR) >> Taux de suréchantillonnage (OSR)
– Response time >> Temps de réponse
– Over Current Detection (OCD) >> Détection des surintensités (module OCD)
– Filter Bandwidth >> Bande passante du filtre
– LEM effective resolution >> Résolution effective LEM
– Comments >> Commentaires
– Better Accuracy >> Meilleure précision
– Better Response time >> Meilleur temps de réponse
– Fast response time >> Temps de réponse rapide
La résolution du système complet, y compris la partie analogique du capteur, le modulateur sigma-delta et le filtre numérique, est limitée soit par le bruit de quantification inhérent au système, soit par le bruit analogique issu des cellules de Hall et des amplificateurs. Pour des temps de réponse rapides (par exemple avec un taux OSR de 16 et un filtre sinc2) la résolution est déterminée par le système et sera identique quel que soit le capteur. Si l’on remplace le filtre par un sinc3 et que le taux OSR est augmenté, la résolution effective est améliorée mais sera limitée de 11 à 13 bits (selon la sensibilité du capteur) par le bruit analogique. On utilise le terme de résolution « effective » car, pour le bon fonctionnement du système, le filtre peut envoyer en sortie soit un mot d’une longueur de 16 bits, soit de 2 x 8 bits. Cependant, seuls les bits les plus significatifs correspondant à la résolution effective contiennent des informations utiles, tandis que les bits les moins significatifs contiennent du bruit.
En général, la sortie du filtre numérique est échantillonnée à une fréquence égale au débit divisé par le taux OSR. C’est ce qu’on appelle la décimation. Avec les capteurs LEM, si le taux OSR est de 64, la sortie est mise à jour toutes les 6,4 µs.
Interfaces physiques
Pour envoyer le train de bits, LEM offre le choix entre deux interfaces physiques. Dans les deux cas, le débit est de 10 Mbit/s.
# CMOS non différentiel (single ended)
Dans le premier cas, l’horloge et les données sont fournies comme niveaux CMOS non différentiels (single ended) (Uc et GND). Cette option convient pour les transmissions sur de courtes distances, jusqu’à quelques dizaines de centimètres, au-delà de quoi les problèmes de compatibilité électromagnétique peuvent s’avérer importants. La charge capacitive maximale autorisée est de 30 pF. Voir les figures 7 et 8 pour l’affectation des broches du capteur et le schéma de temporisation.
Légende figure 7 :
– Pad >> pastille
– Name >> Nom
– Type >> Type
– Function >> Fonction
– Comment >> Commentaire
– Positive supply >> Alimentation positive
– Negative supply >> Alimentation négative
– Digital output >>Sortie numérique
– Open drain output >> Sortie à collecteur ouvert
– Digital input >>Entrée numérique
– Bit stream – data >> Train de bits – données
– Bit stream – clock >> Train de bits – horloge
– Standby >> Mise en veille
– Over current detection output >> Sortie de détection des surintensités
– Pull up is needed >> Excursion haute nécessaire
– Active high level >> Haut niveau actif
#Manchester RS422
La seconde interface convient pour la transmission sur de longues distances. Dans ce cas, l’horloge et les données sont combinées dans un signal encodé selon le codage Manchester, c’est-à-dire avec la sortie sur la broche 3 du capteur et son complément sur la broche 4. Le signal différentiel ainsi généré est compatible avec le standard RS422. En maintenant les deux pistes de signal proches physiquement, les effets de la compatibilité électromagnétique, en émission comme en réception, peuvent être maintenus à un faible niveau. Voir les figures 9 et 10 pour l’affectation des broches et les schémas de temporisation.
Légendes figure 9 :
– Pad >> pastille
– Name >> Nom
– Type >> Type
– Function >> Fonction
– Comment >> Commentaire
– Positive supply >> Alimentation positive
– Negative supply >> Alimentation négative
– Digital output >>Sortie numérique
– Open drain output >> Sortie à collecteur ouvert
– Digital input >>Entrée numérique
– Bit stream –Complementary Manchester positive output >> Train de bits – Sortie positive complémentaire Manchester
– Bit stream – Complementary Manchester negative output >> Train de bits – Sortie négative complémentaire Manchester
– Standby >> Mise en veille
– Over current detection output >> Sortie de détection des surintensités
– Pull up is needed >> Excursion haute nécessaire
– Active high level >> Haut niveau actif
Figure 10 : Données des transmissions Manchester
