CN101719711A - 一种仪表用微型步进电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仪表用微型步进电机，包括外壳(1)(2)、永磁转子(8)、定子铁心体(16)、固定在定子铁心体上的两相线圈(12)。I、II级传动齿轮组等，其中II级传动齿轮组从动轮(11)连接有指针驱动轴(3)。所述的转子(8)设有12齿齿轮，所述的转子(8)与所述的I级传动齿轮组从动轮(9)啮合传动；所述的II级传动齿轮组主动轮与所述的II级传动齿轮组的从动轮(11)啮合传动。所述的驱动电路PCB板(14)安装在步进电机内部，PCB板上焊接有专用芯片IC(15)，电机外壳上引出四个引脚，分别是方向控制引脚(4)、转角控制引脚(5)、电源引脚(7)以及接地引脚(6)。本发明可通过单片机I/O口控制电机的转动角度与转动方向，应用时无须另加驱动电路。

Description

一种仪表用微型步进电机

技术领域

本发明涉及一种仪表用微型步进电机，主要应用于汽车仪表和其它指针式仪表的指针驱动。

背景技术

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行部件，通过电机的输出轴带动仪表指针，是实现数字化仪表的关键元器件之一。相对于模拟电磁式仪表，步进电机式仪表由于取消了油丝等阻尼部件，具有指示精度高，使用寿命长，可靠性高等多种优点，特别是其数字化处理数据方式，既满足了人们的观察习惯，更是模拟电磁式仪表的最佳更新换代产品。

目前比较常见的步进电机主要由：外壳、永磁转子、定子铁心、两相线圈、驱动转子齿轮系、指针轴等组成。其工作原理大同小异，一般是向两相线圈施加精确控制的脉冲序列，周期性改变转子周围的磁场，从而使转子通过齿轮系驱动指针轴转动，以达到精确控制的目的。由于步进电机的固有步距角的限制，如果要实现指针的平滑无抖动转动，则需要进一步微步距细分控制，一般在步进电机的外部另加驱动电路的方法，从而使两相线圈内产生阶梯性变化的电流波，实际上是将固有步距角进一步细分，实现指针平滑移动。但仪表用步进电机又与常见的步进电机不同，一是几何尺寸更小；二是精细加工技术复杂，成品率较低，国内制造有一定的难度，因此制约了该项先进技术在仪表市场的广泛应用。

目前国外的仪表用微型步进电机通常采用180∶1齿轮系传动，步进电机内部转子采用6个齿，相邻的齿距为60°，因此对应转子旋转180°，相当于转动轴指针转动180°/180＝1°，在两相六拍工作方式下，每一拍相当于转子旋转60°，指示轴指针通过180∶1齿轮传动后旋转60°/180°＝1/3°，再通过4倍细分驱动方式，指针驱动轴可实现1/3°÷4＝1/12°微步转动。

但是这种步进电机有六个明显缺陷，第一，180∶1的齿轮系传动机构带来齿轮模具加工的难度，180个齿的齿轮模具需要特殊的数控设备来精细加工，目前国内制造有相当的难度，成品合格率较低，从而提高了生产成本；第二，在两相六拍工作方式下，每一工作节拍指示轴指针将旋转1/3°，所以其固有步距角为1/3°，这样转动时会有明显的抖动，不能模拟出类似电磁式仪表盘指针移动的平滑性；第三，由于固有步距角带来的误差同时限制了指示精度；第四，为实现指针旋转平滑，提高指示精度，必须通过在电机外另接驱动芯片并以4倍细分驱动方式，来实现指针轴的1/12°微步转动；第五，由于外接驱动芯片，因此电机输出脚不能与单片计算机I/O口直接接口，继而增加了使用者的麻烦，带来应有的诸多不便；第六，所有的传动轴均采用塑料材料，其耐磨性与耐久性均不理想。

发明内容

据此，本发明提供一种制造方便、加工简单、成本较低、指示精度高、可与单片计算机I/O口直接接口，且无须外部电路驱动的仪用微型步进电机。

本发明提出的新的技术方案如下：

其一，为降低齿轮模具加工的难度，设计了一个90∶1的两级传动减速齿轮系统，通过增加一级齿轮组以减少每个齿轮的齿数，保证每个齿轮的齿数不大于90，以此来分解并降低齿轮模具加工的难度。

其二，永磁转子(8)由6齿增加到12齿，采用两相十二拍工作方式，每一拍相当于转子旋转360°/12＝30°，经90∶1的齿轮传动后，电机的固有步距角为也为30°/90＝1/3°，同时永磁转子(8)由6齿增加到12齿后，还减少了每一个齿的咬合次数，增加了转子的使用寿命。

其三，所有转动轴采用不导磁的不锈钢针，提高了耐磨性和耐久性。

其四，由于增加一级齿轮组，所以必须加强磁场强度和提高输出力矩来克服新增的静摩擦力和传动摩擦力。通过计算机仿真设计了一个新的异形定子铁心结构(16)，左右两相线圈(12)分别固定在铁心体上，利用磁导的变化产生转矩，以利于磁场的均匀分布，并大大提高磁场强度、输出力矩，同时提升动态响应速度和电机启动频率。

其五，为克服单片计算机I/O口不能直接驱动电机的缺点，本发明在电机内部安排了一块驱动PCB电路板，PCB电路板上焊接有一片专用驱动IC(15)，带输入缓冲器，并可提供4倍细分的驱动信号，可以实现驱动轴指针以1/12°微步距无抖动输出。

本发明所述的仪用微型步进电机，包括电机外壳上盖(1)和下盖(2)、定子铁心(16)、指针驱动轴(3)、I级减速齿轮系(8)(9)、II级减速齿轮系(10)(11)、左右两相线圈(12)、驱动PCB电路板(14)，一个8脚的SOIC贴片封装的电机专用驱动芯片(15)、在电机外壳上分别引出其方向控制引脚(4)、转角控制引脚(5)、电源引脚VDD(7)以及接地引脚VSS(6)等几部分。

所述齿轮系包含一个12齿的转子(8)、I级传动齿轮组从动轮(9)、II级传动齿轮组主动轮(10)与从动轮(11)、指针驱动轴(3)四部分组成。I级传动齿轮系的主动轮即永磁转子(8)是一个12齿的转子，从动轮(9)具有72齿。II级传动齿轮系的主动轮(10)为6齿，从动轮(11)具有90齿。其中，转子(8)与I级传动轮组从动轮(9)啮合形成一级传动，II级传动齿轮组主动轮(10)与II级传动齿轮组从动轮(11)啮合形成二级传动，II级传动齿轮组从动轮与指针驱动轴(3)同轴相连，从而带动其转动。其中I级传动轮组减速比为72/12∶1＝6∶1，II级传动轮组减速比为90/6∶1＝15∶1，两级传动组合起来形成6×15∶1＝90∶1的减速齿轮系统。该齿轮系的特点是，减速从动轮的齿数均不大于90，特别有利于降低齿轮模具精细加工难度，同时提高了齿轮注塑的成品率。另外，从杠杆原理来说，动轮齿数减少，也降低了减速齿轮系传动的联动力矩，提高了指针轴的输出力矩。

所述的永磁转子(8)是一个以12齿塑料齿轮为本体外壳，内嵌一个环型的永磁体，其转子轴(17)为不导磁的不锈钢针。此外，I级传动齿轮组从动轮转轴(18)和指针驱动轴(3)也为不锈钢针。

所述步进电机的定子铁心结构(16)是一个闭合的不规则环状铁心体，铁心体由三片坡莫合金板重叠而成，左、右两相线圈(12)互成90°夹角分别固定在坡莫合金板构成的定子铁心体上。通过两相线圈(12)的驱动电流与定子铁心体(16)共同作用下产生周期性变化的旋转磁场驱使转子转动。

所述步进电机驱动电路IC(15)集成在电机壳内的PCB板(14)上，左、右两相线圈(12)的引脚也分别焊接固定在PCB板上。图4中，其驱动芯片(15)的输出引脚直接与电机两相线圈(12)相连，驱动芯片(15)的输入引脚则直接引申至电机外部，分别作为电机的方向控制引脚(4)、电机的转角控制引脚(5)、电源引脚VDD(7)以及接地引脚VSS(6)。单片机I/O口可直接与电机的方向控制引脚(4)、转角控制引脚(5)相连，并直接控制电机，用户只需通过控制旋转方向和旋转度数即可控制电机的转动方向和转动角度，无需再在电机外部另添加驱动电路。与现有仪用步进电机相比，本发明大大降低了电机控制的复杂度，省去了步进电机所有的外围驱动电路，特别有利于步进电机在微、小型仪表上的应用与推广，真正实现机电一体化的步进电机。

附图说明

图1是本发明外形图；

图2是本发明内部结构爆炸图；

图3是本发明齿轮系统结构示意图；

图4是本发明专用IC引脚接线图；

图5是本发明内置电机驱动PCB板的结构示意图；

图6是本发明定子铁心体正视图和侧视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的整体结构参见图1和图2。从图2可见，本步进电机由外壳上盖(1)和下盖(2)、减速齿轮系(8)(9)(10)(11)、定子铁心体(16)、左右两相线圈(12)和驱动电路PCB板(14)几大部分组成，其中减速齿轮系包含永磁转子(8)、I级传动齿轮组从动轮(9)、II级传动齿轮组主动轮(10)与从动轮(11)等部分组成，电机驱动电路则包含了驱动专用芯片(15)并与电机外部引脚相连，在电机外壳上直接引出方向控制引脚(4)、转角控制引脚(5)、电源引脚(7)以及地引脚(6)。

所述减速齿轮系为减速比为90∶1的二级传动齿轮体系，齿轮系结构见图3。永磁转子(8)为齿轮系的运动源，直接由左、右两相线圈所产生的磁场推动。永磁转子(8)是以12个齿的塑料齿轮为本体外壳，内嵌一个环型的永磁体，转子轴(17)为不导磁的不锈钢针。转子(8)的12齿齿轮与I级传动齿轮组从动轮(9)的72齿从动轮啮合传动，组成第一级减速传动结构，I级减速比为72∶12∶1＝6∶1，其I级传动齿轮组从动轮转轴(18)也为不锈钢针。II级传动齿轮组的6齿主动轮(10)与II级传动齿轮90齿从动轮(11)啮合传动，组成第二级减速传动结构，2级减速比为90∶6∶1＝15∶1。由于不锈钢驱动轴(3)与II级传动齿轮组从动轮(11)同轴相连，因此，从转子(8)输入到指针驱动轴(3)输出形成两级90∶1的减速齿轮系。该齿轮系的特点是，所有传动齿轮齿数均不大于90，从而大大降低了齿轮的加工难度，有利于提高齿轮模具的精细加工精度以及提高了齿轮注塑的成品率。

所述的步进电机设计了一个闭合的由三片坡莫合金板重叠而成的不规则环状定子铁心体(16)结构(参见图6)，左、右两相线圈(12)互成90°夹角分别固定在坡莫合金板构成的定子铁心体上，其两相线圈的引脚则分别焊接并固定在PCB板上。利用磁导的变化产生转矩。按照计算机仿真及试验表明，这种结构特别有利于磁场的均匀分布，并大大提高磁场强度、增大输出力矩和动态响应速度。

所述步进电机专用驱动电路PCB板(14)置于电机壳内，该电路板上包含电机驱动8脚的SOIC贴片封装专用芯片(15)，左、右两相线圈(12)的引脚也焊接固定在PCB板上。从图4、图2可以看出驱动电路PCB板上直接引出了4个引脚到电机外部，分别定义为方向控制引脚(4)、转角控制引脚(5)、电源引脚VDD(7)和接地引脚VSS(6)，在电路板上4个引脚再分别与专用驱动芯片(15)的CWD、FA、VDD、VSS端口相连。CWD、FA两个端口为电机驱动芯片的输入端口，VDD、VSS分别为电源与地。其中CWD用于接收指针轴旋转方向控制信号、FA用于接收指针轴旋转角度控制信号，VSS与VDD分别为地与电源端。VDD允许的电源电压范围5～12V，可由用户自主确定。驱动芯片的输出引脚为OUT1、OUT2、OUT3、OUT4，分别直接与电机的左右两相线圈相连(参见图四)。为实现指针驱动轴1/12°微步距输出，驱动电路工作时，通过CWD与FA引脚接收单片机发来的控制信号，经过驱动芯片内部电路处理后，由芯片的四个输出引脚OUT1、OUT2、OUT3、OUT4产生精确控制的阶梯形状变化的电流波脉冲序列，从而使定子体及左右两相线圈产生周期性变化的磁场，驱动转子转动，经两级90∶1的减速传动后指针轴(3)实现1/12°的微步细分转动。

专用IC(15)对指针轴(3)旋转方向控制原理如下：右相线圈电压相位领先左相线圈的电压π/3，指针轴逆时针旋转；若左相线圈相位超前右相线圈π/3，指针将顺时针旋转。

本发明与现有的仪用步进电机相比，其步进电机输出脚已经重新进行了定义，已不是单纯的两组相线圈输出，而是控制信号线CWD、FA，VDD电源线与VSS地，完全去掉了外部接口电路，实现真正意义上的机电一体化步进电机。

无疑，无须外部电路驱动的步进电机，实现步进电机控制的最简化是仪用微型步进电机的必然趋势及重要发展方向。

Claims (7)

1.一种仪表用微型步进电机，其特征在于电机内置定子铁心体(16)、I和II两级传动减速齿轮系统(8)(9)(10)(11)、内置专用驱动芯片IC(15)，是一种机电一体化的微型步进电机。

2.根据权利要求1所述的仪用微型步进电机，其特征在于设计了一个闭合的不规则环状定子铁心结构(16)，定子铁心体由三片坡莫合金板重叠而成，左、右两相线圈(12)互成90°夹角分别固定在坡莫合金板构成的定子铁心体上。

3.根据权利要求1所述的仪用微型步进电机，其特征在于电机内包含一块内置的PCB驱动电路板(14)，PCB板上包含一款带输入缓冲器的专用驱动芯片IC(15)，驱动芯片的输出引脚OUTA1、OUTA2、OUTA3、OUTA4直接与电机左、右两相线圈相连；驱动芯片的方向控制引脚(4)、转角控制引脚(5)、电源引脚VDD(7)、接地引脚VSS(6)直接引向电机外部，单片机I/O口可直接与方向控制引脚(4)、转角控制引脚(5)相连，无需再在电机外部另添加驱动电路。

4.根据权利要求3所述的电机驱动电路，其特征在于步进电机驱动芯片(15)是一块采用SOIC封装的8引脚专用芯片，在分步驱动基础上可提供4倍细分的驱动信号，使得包含低减速比齿轮系的步进电机可实现指针轴以1/12°的微步距转动。

5.根据权利要求1所述的I级传动齿轮系，包含主动轮(8)和从动轮(9)两个部分，其特征在于主动轮即永磁转子(8)是一个12齿的转子，其中转子以12齿塑料齿轮为本体外壳，内嵌一个环型的永磁体，其转子轴(17)采用不锈钢针。从动轮(9)具有72齿，其转轴(18)采用不锈钢针。

6.根据权利要求1，5所述的仪用微型步进电机，其特征在于内置90∶1的两级减速齿轮系统，齿轮系统包含永磁转子(8)作为I级传动齿轮组的主动轮带动I级传动齿轮组的从动轮(9)，II级传动齿轮组主动轮(10)带动II级传动齿轮组从动轮(11)。

7.根据权利要求1，6所述的II级传动齿轮系，其特征在于II级传动轮与指针轴同轴相连，主动轮(10)为6齿，从动轮(11)具有90齿。因此两级减速齿轮传动系统总的减速比为：((72÷12)×(90÷6))∶1＝90∶1。

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