CN101728927A - 一种精密定位的微步距仪表用步进电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精密定位的微步距仪表用步进电机，该步进电机包括外壳上盖(1)与下盖(2)、永磁转子(3)、I级传动齿轮组从动轮(5)、II级传动齿轮组主动轮(6)、I级传动齿轮组从动轮转轴(7)、II级传动齿轮组从动轮(8)、III级传动齿轮组主动轮(9)、III级传动齿轮组从动轮(11)、指针驱动轴(12)、励磁绕组线圈XA(13)、励磁绕组线圈XB(14)、线圈引脚A(15)、线圈引脚B(16)、线圈引脚C(17)、线圈引脚D(18)、定子铁心体(19)等组成。所述三级减速齿轮系的减速比为720∶1，最小定位分辨率为0.0833°，在结构上实现微步距转动，使用时无须另加驱动电路，是一种可精密定位且能使指针平滑移动的仪表用步进电机。

Description

一种精密定位的微步距仪表用步进电机

技术领域

本发明涉及一种精密定位的微步距仪表用步进电机，主要应用于各类汽车数字仪表和工业控制指针式仪表的指针驱动和精密定位。

背景技术

传统的机械电磁式指针仪表，采用模拟方式进行信号处理，动磁线圈方式输出指针信号，由于有游丝等易损阻尼部件，存在精度差、故障率高等缺点。与传统的电磁式仪表相比，步进电机式仪表采用全新的指针步进驱动方式，完全摒弃了利用电磁转矩驱动指针的模拟工作原理，是一种带微型计算机控制的新型数字化仪表。它集检测、判断、信息处理和控制功能于一体，具有自检功能，纠错功能，可对测量数据进行修正，以减少环境因素所引起的误差。因此，数字化后的步进电机驱动式仪表其整体性价比高，综合技术含量有了明显的提升，平均耐久性超过8万小时，平均使用寿命是电磁式仪表的5倍以上，竞争优势明显。目前，步进电机式数字仪表是国际仪表行业的主流电子产品，更是取代模拟指针仪表的最佳更新换代产品。

然而，实现数字化仪表的关特元器件即仪表用步进电机，在采用正常的步距工作时，会因为步进角分辨率的限制，定位精度受到影响，在低速下还将出现细微的步进抖动，且达不到机械式电磁模拟指针表指针平滑移动的效果。要实现步进电机转动轴指针平滑移动，一般通过步距细分来实现。所谓细分，就是对应每次脉冲输出，只改变绕组中电流的一部分，从而使得转子相应的每步转动也只有原来旋转角的一部分，通过控制绕组电流的大小以达到调整步距角的目的。目前，步距细分的方法主要有两种，一是励磁绕组采用阶梯型电压驱动，然后在绕组上进行电流叠加；二是脉宽调制PWM控制，其中包括采用方波调制锁定的PWM技术和三角波调制的PWM技术。但是不论是阶梯型电压驱动或PWM控制，最终结果都是在电机的励磁绕组中产生阶梯波电流，使每步的电机转子合成力矩相同。尽管细分控制技术是能够有效地降低步进电机运转时振动和噪音的主要控制方法，但最大的缺点是需要通过外加细分驱动电路的方式进行解决，从而增大了其硬件开销成本。

据此，本发明公开一种精密定位的微步距仪表用步进电机(以下简称电机)。该电机是一种迷你型小尺寸的双相绕组、双极性电机，直径32毫米，厚度10毫米，输出轴长度11毫米，典型工作电压5V，最大工作电压12V，驱动电流为20mA，指针最大转角范围320°。可实现数字信号或模拟信号直接转换成位移量或速度量，无须位置信号反馈而达到位置控制的目的，控制特性不受负载扰动的影响。该电机最大的特点是，无须外加细分驱动电路，而是通过设计一套三级传动减速齿轮系统的指针驱动机构以及特殊定子铁心体等方案，实现电机转动轴的微步距移动，从而达到指针无论是在低速或是在高速驱动时均能平滑移动的效果，且定位精度更高，特别适合中、高端仪表的数字化指示。

发明内容

本发明所述的精密定位的微步距仪表用步进电机，最显著的技术创新特征归纳如下：

一、电机内置一套具有三级传动减速齿轮系统的转动轴驱动机构，每次可通过齿轮组微步驱动转动轴旋转。

二、设计了一套独特的类似等腰三角形状的闭合定子铁心体，励磁绕组线圈XA(13)与励磁绕组线圈XB(14)分别固定在等腰三角形的两底角上，而转子(3)位于定子铁心体(19)与两励磁线圈绕组形成的磁轭的中心位置处。与片状的定子铁心相比，磁场强度更强，产生的力矩更大而且电磁辐射更小，效率更高。

三、电机的三级传动减速齿轮系统具有720∶1的传动减速比，从机械齿轮传动上保证电机的最小步距角为1/12°。

四、由于电机支持微步距工作方式，转动轴可直接以微步距1/12°移动，因此电机的固有步距角无须进一步细分，电机也无须另置细分驱动电路，从而组成一种完全免驱动电路的仪表用步进电机。

五、支持电机转动输出轴的精密定位，定位分辨率高达到0.0833°。

为了实现上述目标，本发明提供了一种完全不同传统的技术思路。其步进电机包括电机外壳上盖(1)、电机外壳下盖(2)、永磁转子(3)、转子轴(4)、I级传动齿轮组从动轮(5)、II级传动齿轮组主动轮(6)、I级传动齿轮组从动轮转轴(7)、II级传动齿轮组从动轮(8)、III级传动齿轮组主动轮(9)、II级传动齿轮组从动轮转轴(10)、III级传动齿轮组从动轮(11)、指针驱动轴(12)、励磁绕组线圈XA(13)、励磁绕组线圈XB(14)、线圈引脚A(15)、线圈引脚B(16)、线圈引脚C(17)、线圈引脚D(18)、定子铁心体(19)组成。

图1、2中，所述的外壳上盖(1)、外壳下盖(2)采用提拉卡扣式装配结构，特别方便电机的装配。电机励磁绕组相线圈输出引脚分别为(15)、(16)、(17)、(18)，可直接与单片机I/O端接口。指针驱动轴(12)为不锈钢针，与III级传动齿轮组的从动轮(11)同轴相连，保证从动轮转动时可同时带动指针驱动轴(12)。

所述的永磁转子(3)是一个外型为6个齿的塑料齿轮套，塑料齿轮套的内壁相嵌一个采用钐钴磁铁材料构成的环型永磁体，塑料齿轮的圆心处插入一根不锈钢针作为转子的转轴(4)。

图2是本电机内部结构正视爆炸图，图3是本电机内部结构仰视爆炸图。图中，所述的电机齿轮均不大于60个齿，这样可大大降低齿轮模具的精细加工难度，并提高注塑成型的合格率。其中永磁转子(3)设计为6个齿、第I级传动齿轮组从动轮(5)设计为48个齿，与其连为一体的第II级传动齿轮组主动轮(6)设计为6个齿、第II级传动齿轮组从动轮(8)设计为54个齿，与其连为一体的第III级传动齿轮组主动轮(9)设计为6个齿、第III级传动齿轮组从动轮(11)设计为60个齿，据此分别计算出：

第I级传动齿轮组减速比为(48÷6)∶1＝8∶1；

第II级传动齿轮组减速比为(54÷6)∶1＝9∶1；

第III级传动齿轮组减速比为(60÷6)∶1＝10∶1；

三级减速齿轮系总的减速比为(8×9×10)∶1＝720∶1。

同级齿轮系的啮合关系如下：永磁转子(3)与第I级传动齿轮组的从动轮(5)啮合传动，组成一级减速传动结构。第II级传动齿轮组的主动轮(6)与第II级传动齿轮组从动轮(8)啮合传动，组成二级减速传动结构。第III级传动齿轮组的主动轮(9)与第III级传动齿轮组从动轮(11)啮合传动，组成了三级减速传动结构。

不同级间齿轮联动的关系如下：第I级传动齿轮组从动轮(5)与第II级传动齿轮组主动轮(6)同轴且连为一体，因此，第I级从动轮(5)转动时，同时带动第II级主动轮(6)同轴转动，形成第I级传动与第II级传动之间的联动。第II级传动齿轮组从动轮(8)与第III级传动齿轮组主动轮(9)同轴且连为一体，因此，第II级从动轮(8)转动时，同时带动第III级主动轮(9)同轴转动，形成第II级传动与第III级传动之间的联动；由于指针驱动轴(12)与第III级传动齿轮组从动轮(11)同轴相连。因此，从永磁转子(3)输入到指针驱动轴(12)输出，形成三级(8×9×10)∶1＝720∶1的减速齿轮系统。

系统采用三级大减速比的设计方案，是解决微步驱动与精密定位的关键设计之一。这种设计的意义不言而喻：

一是这种细分不是通过电机驱动电路靠精确控制电机的平均相电流所产生的，而是通过与电机有关的定子铁心和三级减速齿轮系来支持微步距工作方式，是一种真正意义上的微步距细分技术。

二是通过齿轮组减小了指针驱动轴的固有步距角、在保证步距均匀度的同时，也改善步进电机的动态运转特性，提高了电机的运转分辨率。

三是目前靠细分电路使转动轴驱动指针的方法，解决了指针平滑移动问题却不能精确定位，这是因为控制电机的平均相电流在定位的瞬间会导致电流合成矢量i在旋转过程中的幅值总是处在不断变化中，从而引起滞后角的不断变化，可能会产生低频振动，因此这种方案不适合高精密的定位要求。而本电机是通过物理定位的方法，有效地提高了运转分辨率，可实现精确定位。

四是由于电机内部转子为6个齿，所以相邻的齿距为60°，在两相六拍工作方式下，每一拍工作使永磁转子(3)旋转60°，从永磁转子(3)到与第III级传动齿轮组从动轮(11)连动的指针驱动轴(12)，每一拍将会使驱动轴步进60°/720＝1/12°＝0.0833°。如果在一个周期内全部完成六拍，即永磁转子(3)旋转一圈360°，而指针驱动轴(12)则步进了6×60°/720＝0.5°，已实现真正的微步旋转，因此无须细分或再另加驱动电路。

但是，所述电机内部的三级减速齿轮系统带来的主要问题是要克服齿轮组之间新增的摩擦力矩，在不增加励磁电流的条件下，只有通过优化系统设计以提高传动效率。为此，以计算机模拟仿真为模型，设计了一个为类似等腰三角形状的闭合定子铁心体(19)。励磁绕组线圈XA(13)与励磁绕组线圈XB(14)分别固定在等腰三角形的两底角上，而转子(3)位于定子铁心体(19)与两励磁线圈绕组形成的磁轭的中心位置处，该位置靠近等腰三角形的顶点处(参见图8、9)。励磁绕组线圈XA(13)、XB(14)依其轴线与永磁转子(3)相对，并以永磁转子(3)为顶点互成90°夹角。利用磁导的变化产生转矩，有效地驱动永磁转子(3)转动，从而推动三级减速齿轮系。由于其角位移和线位移量与脉冲数成正比，转速或线速度与脉冲频率成正比，可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

根据计算机模拟仿真表明，上述等腰三角形状的闭合定子铁心体(19)与励磁绕组线圈XA(13)和励磁绕组线圈XB(14)共同形成的磁轭，大大优化了电机的电磁环境，提高了电机的高频电磁响应特性，能够保证电机实现高频运行的快速升频和降频控制，保证电机每转一步都可获得最大的平均转矩。

附图说明

图1是本发明外观图；

图2是本发明内部结构正视爆炸图；

图3是本发明内部结构仰视爆炸图；

图4是本发明三级减速齿轮系结构正视图；

图5是本发明齿轮组俯视图；

图6是本发明齿轮组仰视图；

图7是本发明定子铁心体正视图；

图8是本发明定子铁心体与永磁转子相对位置俯视图。

图9是本发明定子铁心体与永磁转子相对位置仰视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本步进电机发明包括电机外壳上盖(1)、电机外壳下盖(2)、永磁转子(3)、转子轴(4)、I级传动齿轮组从动轮(5)、II级传动齿轮组主动轮(6)、I级传动齿轮组从动轮转轴(7)、II级传动齿轮组从动轮(8)、III级传动齿轮组主动轮(9)、II级传动齿轮组从动轮转轴(10)、III级传动齿轮组从动轮(11)、指针驱动轴(12)、励磁绕组线圈XA(13)、励磁绕组线圈XB(14)、线圈引脚A(15)、线圈引脚B(16)、线圈引脚C(17)、线圈引脚D(18)、定子铁心体(19)组成。

图1，2中，本电机所述的外壳上盖(1)、外壳下盖(2)采用提拉卡扣式装配结构。指针驱动轴(12)为不锈钢针，与第III级传动齿轮组从动轮(11)同轴相连，保证从动轮(11)转动时可同时带动指针驱动轴(12)。电机励磁绕组线圈输出引脚分别为(15)、(16)、(17)、(18)，可直接与单片机I/O端接口。

图2是本电机内部结构正视爆炸图。图3是本电机内部结构仰视爆炸图。图中，所述的永磁转子(3)是一个外型为6个齿的塑料齿轮套，塑料齿轮套的内壁相嵌一个环型永磁体，塑料齿轮的圆心处插入一根不锈钢针作为转子的转轴(4)。所用永磁体材料是第二代稀土永磁铁——钐钴磁铁，与钕铁硼磁铁相比，其主要特点是磁性能高，温度性能好。最高工作温度可达300℃，钐钴磁铁更适合用来制造高性能的永磁电机。

所述的三级减速齿轮系统结构中，图4是三级减速齿轮系结构正视图，图5是齿轮组俯视图，图6是齿轮组仰视图。运动源永磁转子(3)设计为6个齿、第I级传动齿轮组从动轮(5)设计为48个齿，其第I级传动齿轮组减速比为(48÷6)∶1＝8∶1。

与第I级从动轮(5)其连为一体的第II级传动齿轮组主动轮(6)设计为6个齿，第II级传动齿轮组从动轮(8)设计为54个齿，则第II级传动齿轮组减速比为(54÷6)∶1＝9∶1。

与第II级从动轮(8)其连为一体的第III级传动齿轮组主动轮(9)设计为6个齿，第III级传动齿轮组从动轮(11)设计为60个齿，则第III级传动齿轮组减速比为(60÷6)∶1＝10∶1。因此三级减速齿轮系总的减速比为(8×9×10)∶1＝720∶1。

级间的连动关系如下，第I级从动轮(5)转动时，同时带动第II级主动轮(6)同轴转动，形成I级传动与II级传动之间的联动；第II级从动轮(8)转动时，同时带动第III级主动轮(9)同轴转动，形成第II级传动与第III级之间的联动；由于指针驱动轴(12)与第III级传动齿轮组从动轮(11)同轴相连，因此，从永磁转子(3)输入到指针驱动轴(12)输出，形成三级(8×9×10)∶1＝720∶1的减速齿轮系。其中指针驱动轴的最小步距角为(360°÷6)/720＝0.0833°，这也是电机定位的最小分辨率。

依据计算机模拟仿真和试验的结果，所述的定子铁心体(19)设计成一个如图7所示的等腰三角形状的闭合铁心，定子铁心体(19)是由四片坡莫合金薄板重叠而成，而不是采用单片的坡莫合金板，这有利于提高磁场强度。图8和图9给出了定子铁心体(19)与永磁体转子(3)的相对位置，这个位置的选择至关重要。图中，永磁转子(3)安排在定子铁心体(19)与两励磁线圈绕组形成的磁轭的中心位置处，该位置靠近等腰三角形的顶点处。励磁绕组线圈XA(13)与励磁绕组线圈XB(14)分别固定在等腰三角形状的定子铁心体(19)的两底角上，励磁绕组线圈XA(13)和XB(14)依其轴线与永磁转子(3)相对，并以永磁转子(3)为顶点互成90°夹角。此结构可以保证在励磁电流不增加的情况下，转子能获得更大的转矩。图中还给出了励磁绕组线圈的引出脚，其线圈引脚A(15)、线圈引脚B(16)、线圈引脚C(17)、线圈引脚D(18)分别通过电机下盖(2)引出，可直接与单片机I/O端相连。

一般情况下，当步进电机转动时，电机内各相励磁绕组的电感将形成一个反向电动势，频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率或速度的增大而励磁电流减小，从而导致力矩下降，这是导致步进电机失步和过冲的主要原因。但是，当定子铁心体(19)采用图7所示的等腰三角形状，特别是将片状的铁心设计成多层叠合的铁心体后，试验证明有三大改善：一是极大地改善电机的高频特性，特别是其空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率得到了有效的提升；二是保证电机每一步都可获得最大的平均转距，使得步进电机能够在最短的时间内达到最大的转动速度；三是它的电磁辐射明显减少而电磁阻尼作用明显加强，转子中产生的过冲摆动大大减少，所以在降低工作电流，减弱或消除步进电机的低频振动，提高了电机的输出转矩方面，效果特别显著。

综上所述，一种精密定位的微步距仪表用步进电机，通过电磁结构优化设计改变其定子铁心结构，通过三级大减速比齿轮系统的方法来细化固有步距角，即可实现电机的微步平滑旋转和精密定位，使得步进电机的控制变得十分地简单。这种完全免驱动的高精度定位的微步距仪表用步进电机，特别适用于中、高端指针式仪表的精确控制，具有故障率低、使用寿命长、可靠性好等优点，已成为当前国际汽车仪表和其它工业控制仪表的主要发展方向。

Claims (7)

1.一种精密定位的微步距仪表用步进电机，其特征在于具有三级传动减速齿轮系统和一种特殊形状的定子铁心体(19)，铁心体(19)上固定有励磁绕组线圈组(13)和(14)。

2.根据权利要求1所述的精密定位的微步距仪表用步进电机，其特征在于传动减速齿轮系由永磁转子(3)、I级传动齿轮组从动轮(5)、II级传动齿轮组主动轮(6)、II级传动齿轮组从动轮(8)、III级传动齿轮组主动轮(9)、III级传动齿轮组从动轮(11)、指针驱动轴(12)等组成。

3.根据权利要求3所述的三级减速传动齿轮系，其特征在于同级齿轮系存在如下的啮合关联：永磁转子(3)与I级传动齿轮组的从动轮(5)啮合传动，组成一级减速传动结构。II级传动齿轮组的主动轮(6)与II级传动齿轮组从动轮(8)啮合传动，组成二级减速传动结构。III级传动齿轮组的主动轮(9)与III级传动齿轮组从动轮(11)啮合传动，组成了三级减速传动结构。

4.根据权利要求1，2所述的精密定位的微步距仪表用步进电机，其特征在于，永磁转子(3)为6个齿、第I级传动齿轮组从动轮(5)为48个齿，第I级传动齿轮组减速比为(48÷6)∶1＝8∶1；与第I级从动轮(5)连为一体的第II级传动齿轮组主动轮(6)为6个齿、第II级传动齿轮组从动轮(8)为54个齿，第II级传动齿轮组减速比为(54÷6)∶1＝9∶1；与第II级从动轮(8)连为一体的第III级传动齿轮组主动轮(9)设计为6个齿、第III级传动齿轮组从动轮(11)设计为60个齿，第III级传动齿轮组减速比为(60÷6)∶1＝10∶1。三级传动减速齿轮系统总减速比为(8×9×10)∶1＝720∶1。

5.根据权利要求2，3，4所述的三级减速传动齿轮系，其特征在于不同级间齿轮存在如下的联动关联：I级传动齿轮组从动轮(5)与II级传动齿轮组主动轮(6)同轴且连为一体，因此，I级从动轮(5)转动时，同时带动II级主动轮(6)同轴转动，形成第I级传动与第II级传动之间的联动。第II级传动齿轮组从动轮(8)与III级传动齿轮组主动轮(9)同轴且连为一体，因此，第II级从动轮(8)转动时，同时带动第III级主动轮(9)同轴转动，形成第II级传动与第III级传动之间的联动；指针驱动轴(12)与第III级从动轮(11)同轴相连，因此，第III级从动轮(11)转动时也带动指针驱动轴(12)联动输出。

6.根据权利要求1所述的精密定位的微步距仪表用步进电机，其特征在于定子铁心体(19)设计为图7所示的等腰三角形状的闭合铁心体，定子铁心体(19)是由四片坡莫合金薄板重叠而成。励磁绕组线圈XA(13)与励磁绕组线圈XB(14)分别固定在等腰三角形状的定子铁心体(19)的两底角上，而永磁转子(3)位于定子铁心体(19)与两励磁线圈绕组形成的磁轭的中心位置，该位置靠近等腰三角形的顶点处。励磁绕组线圈XA(13)、XB(14)依其轴线与永磁转子(3)相对，并以永磁转子(3)为顶点互成90°夹角摆放。

7.根据权利要求1、2、3、4所述的精密定位的微步距仪表用步进电机，无须另加外部驱动电路，即可使得指针驱动轴(12)在物理上实现(360÷6)/720＝1/12°微步距输出，最小定位分辨率为0.0833°，既保证指针驱动轴(12)所带的指针平滑移动，又能实现电机的精确定位。

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