CN101728926B - 一种双驱动轴的微型步进电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双驱动轴的微型步进电机，该步进电机包含两根同心的内、外转动驱动轴，可独立驱动两个指针以指示两路信息。所述电机包括外壳(1)(2)、内转动轴(3)、外转动轴(17)、内外轴的定子铁心体(16)(30)、内外转动轴对应的两级减速传动齿轮系统、电机驱动电路PCB板(31)以及对电机固有步距角6倍细分的电机驱动芯片IC(32)多个部分。所述内驱动轴减速齿轮系的减速比为60∶1，外驱动轴减速齿轮系的减速比为80∶1。经电机驱动芯片IC(32)细分后，每路均可实现在固有步距角基础上的6倍细分精细控制，主要应用于汽车仪表和其它指针式仪表的双指针驱动。

Description

一种双驱动轴的微型步进电机

技术领域

本发明涉及一种双驱动轴的微型步进电机，主要应用于汽车仪表和其它指针式仪表的双指针驱动。

背景技术

仪表用微型步进电机是实现数字化仪表的关键元器件之一，通过电机的驱动轴带动仪表指针，可实现数据的实时指示。目前，仪表用步进电机主要是单转动轴形式，一个步进电机只能驱动一个指针，即每次只能指示一个物理量。然而，在实际应用当中，有许多相关物理量需要同时指示，例如，时钟和分钟、汽车的水温和油位、车速和转速、温度和湿度，海拔高度和大气压力等，以往常常通过两个单轴的步进电机分别带动两个指针来指示，因此需要两个刻度表盘。但是当仪表盘较小时，采用两个步进电机的方案，将受到仪表盘几何尺寸的限制，如果一个步进电机可以同时带动两个指针，而且两个指针具有相同的圆心，则可以在一个表盘内集中显示两路信息，并且可以彻底解决表盘几何尺寸受到限制的瓶颈。

发明内容

本发明按照系统最省、整体最优的现代工程设计原则，提供一种能同时带动两个指针的双驱动轴步进电机(以下简称电机)，从而实现在一个仪表刻度盘内能同时集成指示两路信息，且具有控制简单、制造方便、成本较低、尺寸较小、指示精度高等特点。

该电机最显著的技术特征归纳如下：

一、电机内置两套独立的指针驱动机构，可同时驱动两路指针；

二、两路指针采用内、外同心机构，即具有相同的圆心；

三、两套指针驱动机构分别由两级传动减速齿轮系统组成；

四、两套指针驱动机构的传动减速比设计成不同，固有步距角不同，以保证内、外两个指针驱动轴异步动作；

五、电机内置一片电机驱动芯片IC，可在两级传动减速齿轮系统的基础上实现电机固有步距角的进一步细分，从而组成外部免驱动的机电一体化的双驱动轴微型步进电机。

然而，这并不是将两套指针驱动机构进行简单地组合，设计时必须考虑如下的问题，一是在电磁兼容性方面要将两套定子磁场之间的交叉干扰降低至最小；二是在结构上处理好两路两级传动减速齿轮系统的关联影响；三是通过专用定制IC芯片来同时实现电机内、外转动轴的各自固有步距角的进一步细分。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种不同传统的技术思路。其双轴微型步进电机包括外壳上盖(1)、外壳下盖(2)、内转动轴(3)、内轴方向控制引脚(4)、内轴转角控制引脚(5)、内轴地VSS(6)、内轴电源VDD(7)、内轴永磁转子(8)、内轴永磁转子的转轴(9)、内轴I级传动齿轮组从动轮(10)与连为一体的内轴II级传动齿轮组主动轮(11)、内轴I级传动齿轮组从动轮的转轴(12)、内轴II级传动齿轮组从动轮(13)、内轴两相线圈及支架(14)、内轴两相线圈输出引脚(15)、内轴定子铁心体(16)；外转动轴(17)、外轴方向控制引脚(18)、外轴转角控制引脚(19)、外轴地VSS(20)、外轴电源VDD(21)、外轴永磁转子(22)、外轴永磁转子的转轴(23)、外轴I级传动齿轮组从动轮(24)与连为一体的外轴II级传动齿轮组主动轮(25)、外轴I级传动齿轮组从动轮的转轴(26)、外轴II级传动齿轮组从动轮(27)、外轴两相线圈及支架(28)、外轴相线圈输出脚(29)、外轴定子铁心体(30)，电机驱动电路PCB板(31)、电机驱动芯片IC(32)组成。

图二中，所述的双轴电机分别设计了两个闭合的不规则环状内轴定子铁心体(16)和外轴定子铁心体(30)，两个铁心体设置在转动轴两侧，左侧安排的是内轴定子铁心体(16)，右侧安排的是外轴定子铁心体(30)，两个铁心体并不是在一个平面内，在空间内上下错层，但其水平投影则是在一条直线上按照180°夹角摆放，使得内、外相线圈组在距离上保持最远，因此相互的磁场干扰最小。在内轴铁心体上，两个相线圈及支架(14)均按90°夹角安置；在外轴铁心体上，两个相线圈及支架(28)也按90°夹角安置，互成犄角对称(参见图2和图5)。

为了降低齿轮模具的精细加工难度，所述的电机齿轮均不大于80个齿。其中内轴永磁转子(8)设计为9个齿、内轴I级传动齿轮组从动轮(10)设计为54个齿与其连为一体的内轴II级传动齿轮组主动轮(11)设计为8个齿、内轴II级传动齿轮组从动轮(13)设计为80个齿，可以计算出内轴减速齿轮系的减速比为[(54÷9)×(80÷8)]∶1＝60∶1。外轴永磁转子(22)设计为9个齿、外轴I级传动齿轮组从动轮(24)设计为54个齿与其连为一体的外轴II级传动齿轮组主动轮(25)设计为6个齿、外轴I级传动齿轮组从动轮(27)设计为80个齿，可以算出外轴减速齿轮系的减速比为[(54÷9)×(80÷6)]∶1＝80∶1。由于其内转动轴的减速比小于外转动轴的减速比，因此内转动轴带动指针转动的速度会略快于外转动轴带动指针转动的速度。

内转动轴相应的减速齿轮系与外转动轴相应的减速齿轮系分别采用了不同的减速比设计方案，是解决两路两级传动减速齿轮系统既保持其各自独立性又保证相互干涉最小的关键设计之一。由于内转动轴与外转动轴的减速齿轮系分别采用了不同的减速比，因此可以保证内、外指针转动时的固有步距角不同，内外指针转动轴任何时候只会异步转动，从而有效地降低了内转动轴和外转动轴同时转动时带来的共振，并大大降低电机的机械与电磁噪声。

所述指针内转动轴(3)与指针外转动轴(17)，在结构上具有如下的关系：内转动轴(3)为不锈钢针，外转动轴(17)为塑料套，外转动轴套于内转动轴上，内转动轴与外转动轴共轴心。内转动轴与外转动轴是相互独立的两根指针驱动轴，可同时驱动两路指针，显示两路不同的物理量信息。双轴指示结构使本发明可应用于体积较小，而要求信息显示集中的微型仪表。

所述步进电机驱动电路集成在电机壳内的PCB板(31)上，焊接有定制的电机驱动芯片IC(32)。这是一个SOIC贴片封装的16脚芯片，其芯片的一路输出引脚(OUTA1、OUTA2、OUTA3、OUTA4)在PCB板(31)上与内轴相线圈(14)的输出引脚相连，另一路输出引脚(OUTB1、OUTB2、OUTB3、OUTB4)在PCB板(31)上与外轴两相线圈(28)的输出引脚相连。驱动芯片的输入引脚对应有内外轴的方向控制引脚、转角控制引脚、电源VDD引脚以及接地VSS引脚，共八个脚直接引出至电机外部，单片机I/O口无须另加驱动器即可直接控制内外转动轴的旋转方向和旋转度数，与现有仪用步进电机相比，本发明降低了电机控制的复杂度，省去了步进电机外围驱动电路，方便了步进电机在小型仪表上的应用与推广。

附图说明

图1是本发明外观图；

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。

本发明的整体外形结构参见图1，内部结构爆炸图参见图2，减速齿轮系统结构示意图参见图3。由图可见，本步进电机发明包括外壳上盖(1)、外壳下盖(2)、内转动轴(3)、内轴方向控制引脚(4)、内轴转角控制引脚(5)、内轴地VSS(6)、内轴电源VDD(7)、内轴永磁转子(8)、内轴永磁转子的转轴(9)、内轴I级传动齿轮组从动轮(10)与连为一体的内轴II级传动齿轮组主动轮(11)、内轴I级传动齿轮组从动轮的转轴(12)、内轴II级传动齿轮组从动轮(13)、内轴两相线圈及支架(14)、内轴两相线圈输出引脚(15)、内轴定子铁心体(16)；外转动轴(17)、外轴方向控制引脚(18)、外轴转角控制引脚(19)、外轴地VSS(20)、外轴电源VDD(21)、外轴永磁转子(22)、外轴永磁转子的转轴(23)、外轴I级传动齿轮组从动轮(24)与连为一体的外轴II级传动齿轮组主动轮(25)、外轴I级传动齿轮组从动轮的转轴(26)、外轴II级传动齿轮组从动轮(27)、外轴两相线圈及支架(28)、外轴相线圈输出脚(29)、外轴定子铁心体(30)，电机驱动电路PCB板(31)、电机驱动芯片IC(32)组成。其中内轴永磁转子(8)与外轴永磁转子(22)分别是由一个9齿的塑料齿轮为本体的外壳，内嵌一个环型的永磁体。

图1中，本电机所述的外壳上盖(1)、外壳下盖(2)采用卡扣装配结构。内转动轴(3)为不锈钢针，外转动轴(17)为塑料套。外转动轴套于内转动轴上，内转动轴与外转动轴共轴心。内转动轴与外转动轴是相互独立的两根指针驱动轴，其中内转动轴(3)与内轴II级传动齿轮组从动轮(13)同轴相连，外转动轴(17)与外轴II级传动齿轮组从动轮(27)同轴相连，保证从动轮转动时可同时带动转动轴。

图2是本电机内部结构爆炸图。图中可见，以内转动轴为中心线，左侧安排的是内轴驱动系统，右侧安排的是外轴驱动系统，在结构上相对的独立，以使相互的干扰减少到最小。

在内轴减速齿轮系统结构中，内轴永磁转子(8)为内轴减速齿轮系的运动源，直接由其定子相线圈所产生的磁场驱动。内轴永磁转子(8)为9个齿，内轴I级传动齿轮组从动轮(10)为54个齿，内轴II级传动齿轮组主动轮(11)为8个齿，内轴II级传动齿轮组从动轮(13)为80个齿。其啮合的关系如下：转子(8)的齿轮与I级传动齿轮组的从动轮(10)啮合传动，组成一级减速传动结构，I级减速比为54∶9＝6∶1。II级传动齿轮组的主动轮(11)与II级传动齿轮组从动轮(13)啮合传动，组成二级减速传动结构，2级减速比为80∶8＝10∶1。由于I级传动齿轮组从动轮(10)与II级传动齿轮组主动轮(11)同轴且连为一体，因此，I级从动轮转动时，同时带动II级主动轮同轴转动，形成I级传动与II级传动之间的联动，由于外转动轴(3)与II级传动齿轮组从动轮(13)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[(54÷9)×(80÷8)]∶1＝60∶1的减速齿轮系。

在外轴减速齿轮系统结构中，外轴永磁转子(22)为外轴减速齿轮系的运动源，直接由定子相线圈所产生的磁场驱动。外轴永磁转子(22)为9个齿，外轴I级传动齿轮组从动轮(24)为54个齿，外轴II级传动齿轮组主动轮(25)为6个齿，外轴II级传动齿轮组从动轮(27)为80个齿。其啮合的关系如下：转子(22)的齿轮与I级传动齿轮组的从动轮(24)啮合传动，组成一级减速传动结构，I级减速比为54∶9＝6∶1。II级传动齿轮组的主动轮(25)与II级传动齿轮组从动轮(27)啮合传动，组成二级减速传动结构，二级减速比为80∶6＝40∶3。I级传动齿轮组从动轮(24)与II级传动齿轮组主动轮(25)同轴且连为一体，因此，I级从动轮转动时，同时带动II级主动轮同轴转动，形成I级传动与II级传动之间的联动，由于外转动轴(17)与II级传动齿轮组从动轮(27)同轴相连，因此，从转子(22)输入到外转动轴(17)输出形成两级[(54÷9)×(80÷6)]∶1＝80∶1的减速齿轮系。

可以看出，由于其内轴的减速比小于外轴的减速比，因此内轴带动指针转动的速度会略快于外轴带动指针转动的速度，使得内外指针转动轴的固有步距角产生差异，其中内指针转动轴的固有步距角为(360°÷9)/60＝2/3°，外指针转动轴的固有步距角为(360°÷9)/80＝1/2°。由于内外转动轴设计成异步速度，从而保证内、外指针转动轴任何时候均会不同步转动，有效地降低了内外轴同时转动时带来的共振，并大大降低电机的机械与电磁噪声，其意义明显。

所述的内轴定子铁心体(16)和外轴定子铁心体(30)分别是一个闭合的不规则环状体(参加见图6)，铁心体是由三片坡莫合金板重叠而成。两个铁心体安排在内外转动轴的两侧。左侧安排的是内轴定子铁心体(16)，右侧安排的是外轴定子铁心体(30)，它们并不是在一个平面内，在空间内实施上下错层但其水平投影则是在一条直线上摆放，使得内、外相线圈组在距离上保持最远，因此相互的磁场干扰最小。在内轴铁心体上，两个相线圈及支架(14)均按90°夹角安置；在外轴铁心体上，两个相线圈及支架(28)也按90°夹角安置，互成犄角对称(参见图2和图5)。

所述步进电机驱动电路PCB板(31)置于电机壳内，该电路板上焊接有定制的电机驱动芯片(32)，该芯片为16脚SOIC贴片封装结构，IC内含两路电机固有步距角6倍细分驱动电路，可同时驱动两路指针。由于内指针转动轴的固有步距角为(360°÷9)/60＝2/3°，外指针转动轴的固有步距角为(360°÷9)/80＝1/2°，因此，内指针转动轴的微步距为(2/3)°×1/6＝(1/9)°，外指针转动轴的微步距为(1/2)°×1/6＝(1/12)°。在一个表盘上有两个刻度盘，其中内指针用于内刻度指示，而外指针用于外刻度指示。

从图2、图4可以看出，驱动电路PCB板上定制的16脚芯片其一路输出引脚(OUTA1、OUTA2、OUTA3、OUTA4)与内轴的相线圈输出引脚(15)连接，另一路输出引脚(OUTB1、OUTB2、OUTB3、OUTB4)与外轴的相线圈输出引脚(29)连接，与两路输出引脚相对应的芯片输入引脚CWA、FA、CWB、FB直接引申至电机外部，分别作为内轴方向控制引脚(4)、内轴转角控制引脚(5)、内轴地VSS(6)、内轴电源VDD(7)，外轴方向控制引脚(18)、外轴转角控制引脚(19)、外轴地VSS(20)、外轴电源VDD(21)。其中，CWA、CWB输入引脚用于接收指针内、外轴旋转方向控制信号、FA、FB用于接收指针内、外轴旋转角度控制信号。电机内轴的地引脚(6)与电机外轴的地引脚(20)共同连接至芯片的VSS，电机内轴的电源引脚(7)与电机外轴的电源引脚(21)共同连接至芯片的VDD，该4个引脚作为电机的电源输入引脚。

IC(32)工作时，驱动芯片通过CWA、FA与CWB与FB引脚接收外部单片机的控制信号，经过驱动芯片内部电路处理后，通过OUTA1、OUTA2、OUTA3、OUTA4与OUTB1、OUTB2、OUTB3、OUTB4的八个输出引脚产生精确控制的脉冲序列，使内轴与外轴相线圈内产生对应周期性变化的磁场，分别推动内转动轴与外转动轴在固有步距角的基础上实现6倍细分的微步转动，从而带动指针平滑旋转。

与现有仪用步进电机相比，本方案中步进电机的双轴结构将两种指示量显示在同一个仪表盘内，特别是内置可同时驱动两路的微步细分驱动芯片，使得步进电机控制变得十分地简单，这种免驱动的双轴微型步进电机特别适用于微型仪表的指针控制。

Claims (7)

1.一种双驱动轴的微型步进电机，包括外壳上盖(1)、外壳下盖(2)、内转动轴(3)、内轴方向控制引脚(4)、内轴转角控制引脚(5)、内轴地VSS(6)、内轴电源VDD(7)、内轴永磁转子(8)、内轴永磁转子的转轴(9)、内轴I级传动齿轮组从动轮(10)与连为一体的内轴II级传动齿轮组主动轮(11)、内轴I级传动齿轮组从动轮的转轴(12)、内轴II级传动齿轮组从动轮(13)、内轴两相线圈及支架(14)、内轴两相线圈输出引脚(15)、内轴定子铁心体(16)、外转动轴(17)、外轴方向控制引脚(18)、外轴转角控制引脚(19)、外轴地VSS(20)、外轴电源VDD(21)、外轴永磁转子(22)、外轴永磁转子的转轴(23)、外轴I级传动齿轮组从动轮(24)与连为一体的外轴II级传动齿轮组主动轮(25)、外轴I级传动齿轮组从动轮的转轴(26)、外轴II级传动齿轮组从动轮(27)、外轴两相线圈及支架(28)、外轴两相线圈输出脚(29)、外轴定子铁心体(30)，电机驱动电路PCB板(31)、电机驱动芯片IC(32)，其中内轴永磁转子(8)与外轴永磁转子(22)分别是由一个9齿的塑料齿轮为本体的外壳，内嵌一个环型的永磁体，其特征在于包含内转动轴(3)和外转动轴(17)，外转动轴(17)套于内转动轴(3)上，内转动轴(3)与外转动轴(17)共轴心，内置电机驱动芯片IC(32)，具有两套两级不同传动减速比的齿轮系。

2.根据权利要求1所述的双驱动轴的微型步进电机，其特征在于电机驱动电路PCB板(31)上焊接有可同时驱动两路指针微步转动的16脚SOIC贴片封装的电机驱动芯片IC(32)，电机驱动芯片IC(32)的一路输出引脚(OUTA1，OUTA2，OUTA3，OUTA4)直接与内轴两相线圈输出引脚(15)相连，另一路输出引脚(OUTB1，OUTB2，OUTB3，OUTB4)与外轴两相线圈输出脚(29)相连，双驱动轴的转动方向控制FA与FB、转角控制引脚CWA与CWB，电源VDD、地引脚VSS直接引申至电机外部。

3.根据权利要求1所述的双驱动轴的微型步进电机，其特征在于电机驱动芯片IC(32)为一个在固有步距角的基础上提供6倍细分驱动信号的驱动芯片。

4.根据权利要求1所述的双驱动轴的微型步进电机，其特征在于驱动内转动轴(3)与外转动轴(17)的减速齿轮系均包含转子，I级传动齿轮组，II级传动齿轮组三部分，内转动轴(3)与外转动轴(17)采用减速比不同的两级减速齿轮系驱动，内轴减速齿轮系减速比为60∶1，外轴减速齿轮系减速比为80∶1。

5.根据权利要求1所述的双驱动轴微型步进电机，其特征在于内轴齿轮系由内轴永磁转子(8)、I级传动齿轮组从动轮(10)与连为一体的II级传动齿轮组主动轮(11)、II级传动齿轮组从动轮(13)组成，内轴永磁转子(8)为9个齿、与包含54齿内轴I级传动齿轮组从动轮(10)啮合，内轴II级传动齿轮组主动轮(11)为8个齿，与包含80齿的内轴II级传动齿轮组从动轮(13)啮合，内轴I级传动齿轮组从动轮(10)与内轴II级传动齿轮组主动轮(11)由于连为一体，从而形成内轴的I级传动与II级传动之间的联动。

6.根据权利要求1所述的双驱动轴微型步进电机，其特征在于外轴齿轮系由外轴永磁转子(22)、外轴I级传动齿轮组从动轮(24)与连为一体的外轴II级传动齿轮组主动轮(25)、外轴II级传动齿轮组从动轮(27)组成，外轴永磁转子(22)为9个齿、与包含54齿的外轴I级传动齿轮组从动轮(24)啮合，外轴II级传动齿轮组主动轮(25)为6个齿，与包含80齿的外轴II级传动齿轮组从动轮(27)啮合，外轴I级传动齿轮组从动轮(24)与外轴II级传动齿轮组主动轮(25)由于连为一体，形成外轴的I级传动与II级传动之间的联动。

7.根据权利要求1所述的双驱动轴微型步进电机，其特征在于内转动轴(3)具有的固有步距角(360°÷9)/60＝(2/3)°，外转动轴(17)具有的固有步距角(360°÷9)/80＝(1/2)°。

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