CN109634182B - 基于can总线的数字指针驱动部件 - Google Patents
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Abstract
一种基于CAN总线的数字指针驱动部件，包括壳体、壳盖、仪用步进电机本体、PCB电路板、ARM芯片、微步距细分驱动芯片、CAN总线插座、CAN总线收发控制器以及逻辑电路，其要点在于：所述的仪用步进电机本体内置一套具有两相励磁线圈驱动、三级减速齿轮传动的机构，所述的PCB电路板、微步距细分驱动电路与CAN总线控制逻辑均封装在六边形状的壳体和壳盖所包围的空间中，以PCB电路板为分隔板，一边集成了电路控制逻辑及电路，另一边集成安装了仪用步进电机本体部件，其接口逻辑简单，只有一个输出指针和一个四芯的CAN总线插座，使其成为一个数字指针驱动的关特器件，很容易构成基于CAN总线上的一个数字指针指示节点。
Description
技术领域
本发明涉及基于CAN总线的数字指针驱动部件，属于一种采用CAN车载局域总线化的数字指针驱动用的关键特殊器件，主要应用于CAN总线智能数字仪表、基于CAN总线的电动汽车数字组合仪表、新型医疗仪器设备和工业自动化控制领域。
背景技术
传统的电磁式模拟指针仪表，均采用灵敏的游丝作为阻尼部件，利用电磁转矩驱动指针转动，以动磁线圈方式输出指针驱动力，再配合模拟刻度表盘，指示当前被测物理量的读数。虽然电磁模拟指针表具有指针平滑移动的效果，但阻尼部件的游丝十分脆弱，与生俱来就存在怕震动、故障率高等缺点。
步进电机应用于传统的指针式仪表是数字取代模拟的一个显著进步，本身就证明了数字与模拟技术的差别不全在于技术的鸿沟，而在于创新的突破。作为实现指针数字化仪表的关键特殊器件，仪表用步进电机率先用固定步进角加微步细分的手段突破了模拟指针表难以数字化的门槛，更重要的是，数字化后的步进电机驱动式仪表整体性价比升高，平均耐久性超强，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，更是模拟指针仪表的最佳更新换代产品。
不过，步进电机只是一个数字化的电磁驱动部件，既没有总线化，也没有成为独立于电路的元件，因为其励磁线圈引脚必须外接驱动和控制单元，才能完成指针数字化的步进操作。步进电机采用标准的步距工作时，会因为固有步距角分辨率的限制，定位精度受到影响，在低速下还将出现细微的步进抖动，达不到电磁模拟指针表指针平滑移动的效果，所以要进一步实现步进电机转动轴驱动指针平滑移动，一般还需要通过步距细分技术来实现。这种细分驱动方式，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。无论是阶梯型电压驱动或是PWM控制，最终结果都是在步进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，实际上也增大了其硬件开销成本。
如何将数字指针驱动部件壳体、仪用步进电机本体与微步距细分驱动电路、计算机与CAN总线接口构成一个控制整体，从而直接将其设计成一个基于CAN总线的数字指针驱动部件，构成CAN总线上的一个数字化指针节点，是本发明的初衷。申请人和发明人希望，在一个基于CAN总线的系统中，任何一个数字指针指示节点或数字指针指示终端，可根据CAN总线上传输的报文信息，实时将其转化为数字指针转动位移量的输出，无须另加控制电路或控制逻辑，这便是本发明的主要目标。
发明内容
据此，本发明独辟蹊径，提出了一种完全不同于传统技术思路的基于CAN总线的数字指针驱动部件设计方案，具体内容如下：
基于CAN总线的数字指针驱动部件，包括壳体、壳盖、CAN总线插座、仪用步进电机本体、PCB电路板，其要点在于：
所述的仪用步进电机本体和PCB电路板封装在六边形状的壳体和六边形状的壳盖所包围的空间中，所述的PCB电路板为六边形状，以PCB电路板为分隔板，PCB电路板的一边焊接有ARM芯片、微步距细分驱动芯片、高速光耦合器、CAN总线收发控制器、工字形电感，CAN总线插座也焊接在PCB电路板上；PCB电路板的另一边包括了仪用步进电机本体部件，两边组合后成为一种基于CAN总线的数字指针驱动部件；
所述的PCB电路板上的ARM芯片为核心器件，其I/O引脚与微步距细分驱动芯片的输入引脚相连，微步距细分驱动芯片的输出引脚再与两个励磁线圈包的绕组相连，工字形电感与电容器组成LC滤波元件；
所述的CAN总线插座为四芯结构，分别定义为+5V、CAN+、CAN-和GND，CAN+与CAN-分别与CAN总线收发控制器的驱动接口引脚相连，CAN总线收发控制器的发送端CAN_TX0与接收端CAN_RX0分别与高速光耦合器的接收与发送引脚相连，高速光耦合器将CAN_TX0与CAN_RX0信号隔离后，再与ARM芯片的CAN总线驱动引脚相连；
所述的仪用步进电机本体结构为，内置一套具有两相励磁线圈驱动、三级减速齿轮传动的机构，包括铁芯体、励磁线圈包、永磁转子体A、传动从动轮B、 传动从动轮C和转动轴从动轮D，所述的铁芯体两侧的臂上分别对称伸出两个矩形铁芯柱体，两个励磁线圈包分别插入矩形铁芯柱体中，励磁线圈包的引脚分别焊接在PCB电路板上；
所述的铁芯体的中轴线上开有A孔、C孔、D孔，所述的永磁转子体A安装在A孔处，传动从动轮C安装在C孔处，转动轴从动轮D安装在D孔处，其中永磁转子体A所处的A孔位置，是两个励磁线圈包绕组形成的磁轭中心，励磁线圈包中通电后，利用磁导的变化产生转矩，驱动永磁转子体A的转动；
所述的三级减速齿轮传动机构存在如下的啮合关系：永磁转子体A与传动从动轮B啮合传动，组成一级减速传动结构；传动从动轮B与传动从动轮C啮合传动，组成二级减速传动结构；传动从动轮C再与转动轴从动轮D啮合传动，组成三级减速传动结构；所述的转动轴与转动轴从动轮D同轴相连，保证转动轴从动轮D转动时同步带动转动轴；
所述的铁芯体上的支撑定位孔处镶嵌有空心的尼龙圆柱体，所述的壳体的内部有四个支柱，安装时，铁芯体上的四个尼龙圆柱体紧贴PCB电路板，壳体内部的四个支柱则分别穿过铁芯体上的四个支撑定位孔后与铁芯体相接；
所述的六边形状的壳体的每一边上都有嵌槽，以满足安装时，安装板能方便地插入壳体上不同面的嵌槽中；
所述壳体内部相邻边的转角处分别有一个安装台阶，所述的壳盖上有六个壳盖安装孔，所述的PCB电路板上开有六个安装定位孔，装配时，焊接好元件后的PCB电路板搁放在壳体的安装台阶上，盖上壳盖，将螺丝穿过壳盖上的壳盖安装孔、PCB电路板上的安装定位孔后,分别与壳体上的安装台阶相连成一个整体，所述的转动轴从转动轴从动轮D上伸出，穿过壳体上的出轴圆柱体后，再与指针套接。
所述的永磁转子体A为六齿结构，采用钕铁硼材料。
所述的传动从动轮B、从动轮C和转动轴从动轮D均采用尼龙66材料。
所述的转动轴为不锈钢针。
所述的铁芯体采用坡莫合金材料。
附图说明
为了清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。应指出的是，所谓仪用步进电机即是仪表用步进电机的缩写；所谓仪用步进电机本体即指只有电磁部件而无电子控制部件的仪表用步进电机。
图1基于CAN总线的数字指针驱动部件外形图一；
图2基于CAN总线的数字指针驱动部件外形图二；
图3基于CAN总线的数字指针驱动部件外形图三；
图4基于CAN总线的数字指针驱动部件外形图四；
图5基于CAN总线的数字指针驱动部件外形图五；
图6基于CAN总线的数字指针驱动部件分解图一；
图7基于CAN总线的数字指针驱动部件分解图二；
图8基于CAN总线的数字指针驱动部件分解图三；
图9基于CAN总线的数字指针驱动部件分解图四；
图10基于CAN总线的数字指针驱动部件分解图五；
图11去掉壳体、壳盖后，PCB电路板电子元件焊接面视图；
图12去掉壳体、壳盖后，PCB电路板步进电机安装面视图；
图13 PCB电路板元件面正视图；
图14 PCB电路板板步进电机安装面正视图；
图15铁芯体图。
标号说明：
1 壳体
11 嵌槽
12 安装板
13 支柱
14 出轴圆柱体
15 安装台阶
2 壳盖
21 壳盖安装孔
3 CAN总线插座
4 指针
5 PCB电路板
51 ARM芯片
52 微步距细分驱动芯片
53 高速光耦合器
54 CAN总线收发控制器
55 工字形电感
56 安装定位孔
61 永磁转子体A
62 传动从动轮B
63 传动从动轮C
64 转动轴从动轮D
65 转动轴
66 励磁线圈包
67 铁芯体
68 支撑定位孔
671 A孔
672 C孔
673 D孔
674 矩形铁芯柱体
675 尼龙圆柱体
具体实施方式
本发明如图1至图15所示。为了清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显然，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的衍生附图。
基于CAN总线的数字指针驱动部件，包括壳体1、壳盖2、CAN总线插座3、仪用步进电机本体、PCB电路板5，其要点在于：
所述的仪用步进电机本体和PCB电路板5封装在六边形状的壳体1和六边形状的壳盖2所包围的空间中，所述的PCB电路板5为六边形状，以PCB电路板5为分隔板，PCB电路板5的一边焊接有ARM芯片51、微步距细分驱动芯片52、高速光耦合器53、CAN总线收发控制器54、工字形电感55，CAN总线插座3也焊接在PCB电路板5上；PCB电路板5的另一边包括了仪用步进电机本体部件，两边组合后成为一种基于CAN总线的数字指针驱动部件；
所述的PCB电路板5上的ARM芯片51为核心器件，其I/O引脚与微步距细分驱动芯片52的输入引脚相连，微步距细分驱动芯片52的输出引脚再与两个励磁线圈包66的绕组相连，工字形电感55与电容器组成LC滤波元件；
所述的CAN总线插座3为四芯结构，分别定义为+5V、CAN+、CAN-和GND，CAN+与CAN-分别与CAN总线收发控制器54的驱动接口引脚相连，CAN总线收发控制器54的发送端CAN_TX0与接收端CAN_RX0分别与高速光耦合器53的接收与发送引脚相连，高速光耦合器53将CAN_TX0与CAN_RX0信号隔离后，再与ARM芯片51的CAN总线驱动引脚相连；
所述的仪用步进电机本体结构为，内置一套具有两相励磁线圈驱动、三级减速齿轮传动的机构，包括铁芯体67、励磁线圈包66、永磁转子体A 61、传动从动轮B 62、 传动从动轮C 63和转动轴从动轮D 64，所述的铁芯体67两侧的臂上分别对称伸出两个矩形铁芯柱体674，两个励磁线圈包66分别插入矩形铁芯柱体674中，励磁线圈包66的引脚分别焊接在PCB电路板5上；
所述的铁芯体67的中轴线上开有A孔671、C孔672、D孔673，所述的永磁转子体A 61安装在A孔671处，传动从动轮C 63安装在C孔672处，转动轴从动轮D 64安装在D孔673处，其中永磁转子体A 61所处的A孔671位置，是两个励磁线圈包66绕组形成的磁轭中心，励磁线圈包66中通电后，利用磁导的变化产生转矩，驱动永磁转子体A 61的转动；
所述的三级减速齿轮传动机构存在如下的啮合关系：永磁转子体A 61与传动从动轮B 62啮合传动，组成一级减速传动结构；传动从动轮B 62与传动从动轮C 63啮合传动，组成二级减速传动结构；传动从动轮C再与转动轴从动轮D 64啮合传动，组成三级减速传动结构；所述的转动轴 65与转动轴从动轮D 64同轴相连，保证转动轴从动轮D 64转动时同步带动转动轴65；
所述的铁芯体67上的支撑定位孔68处镶嵌有空心的尼龙圆柱体675，所述的壳体1的内部有四个支柱13，安装时，铁芯体67上的四个尼龙圆柱体675紧贴PCB电路板5，壳体1内部的四个支柱13分别穿过铁芯体67上的四个支撑定位孔68后与铁芯体67相接；
所述的六边形状的壳体1的每一边上都有嵌槽11，这样设计的目的是满足安装时，安装板12能根据安装的需要，方便地选择插入到壳体上不同面的嵌槽中；
所述壳体1内部相邻边的转角处分别有一个安装台阶15，所述的壳盖2上有六个壳盖安装孔21，所述的PCB电路板5上开有六个安装定位孔56，装配时，焊接好元件后的PCB电路板5搁放在壳体1的安装台阶15上，盖上壳盖2，螺丝穿过壳盖2上的壳盖安装孔21、PCB电路板5上的安装定位孔56后,与壳体1上的安装台阶15相连成一个整体，所述的转动轴65从转动轴从动轮D 64上伸出，穿过壳体1上的出轴圆柱体14后，再与指针4套接。
所述的永磁转子体A 61为六齿结构，采用钕铁硼材料。
所述的传动从动轮B 62、从动轮C 63和转动轴从动轮D 64均采用尼龙66材料。
所述的转动轴65为不锈钢针。
所述的铁芯体67采用坡莫合金材料，因为坡莫合金材料在较弱磁场下有较高磁导率。
应指出的是，本发明所述的ARM芯片51自带CAN总线接口功能，底层协议遵循CAN2.0B，采用面向数据块的通信方式, 报文的发送以数据块打包的形式，以帧为单位，每一帧的有效字节数共为13个，其中前5个字节为TX信息帧,后8个字节为数据帧，每帧信息带CRC校验，并使用时钟同步和数据位填充插入技术来保证通讯的同步性。
本发明所述的仪用步进电机本体部分中的励磁线圈包66采用+5V工作电压，最大驱动电流为20mA，固有步距角为（1/3）°，经细分驱动后步距角可降低至（1/12）°，可使轴上的指针平滑移动，静态输出转矩实测为4mNm。
本发明提出的基于CAN总线的数字指针驱动部件，有如下有益效果：
1．本发明是一款基于CAN总线的数字指针驱动部件，它改变了数字指针传统的外接电路的驱动模式，结构上趋向扁平化，装配简单，从而提供了一种低成本、可大规模生产和便于维护的基于CAN总线的数字指针驱动部件的解决方案。
2．本发明采用了系统工程的设计思想，通过六边形壳体作为部件的包络体，内部采用PCB电路板作为分隔板，巧妙地将控制逻辑电路和仪用步进电机本体分隔开来，保证了相互间的电磁干扰最小；另一方面，充分利用了铁芯体作为仪用步进电机本体的支撑体，这种拓扑结构使得整体最省，系统最优。
3. 本发明直接将仪用步进电机本体与PCB电路板、微步距细分驱动电路、ARM芯片与CAN总线接口构成一个控制整体，并将其设计成一个基于CAN总线的数字指针驱动部件，这样可以直接向数字表盘输出，即插即用，无需另加控制电路。
4.所述的ARM芯片可以直接解码来自CAN总线上的报文数据流，并解码为步进电机转动轴角位移量成正比的脉冲数，通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到指针准确定位的目的。此外，ARM芯片可通过控制脉冲频率来控制步进电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的，特别适合网络仪表及高端仪表的数字化指示。
5．本发明意想不到的效果是，将仪用步进电机本体、ARM芯片、微步距驱动与CAN总线设计成一体化后，接口逻辑相当简单，只有一个输出指针和一个四芯的CAN总线插座，从而使其成为一个数字指针驱动的关键特殊器件，很容易就构成CAN总线上的一个数字指针指示节点，而这种基于CAN总线的数字指针驱动部件从未出现过，也从未有过任何报道。
显而易见，基于CAN总线的数字指针驱动部件不但解决了现场各种指针式仪器仪表间的数据通信管理问题，而且为智能仪表朝着CAN总线局域网络化的方向作出了新的尝试。从某种意义上来说，基于CAN总线的数字指针驱动部件也填补了网络化数字指针驱动零件的空白，其应用前景相当广阔。
上述为本发明的优选实施方案。本说明书中，应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，仅用于帮助理解本发明核心思想，而不应理解为对本发明的限制。所属领域的技术人员都明白，在不脱离所附权利说明书所限定的本发明的精神和范围内，在形式和细节上对本发明所作出的各种变化，都属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.基于CAN总线的数字指针驱动部件，包括壳体（1）、壳盖（2）、CAN总线插座（3）、仪用步进电机本体、PCB电路板（5），其特征在于：
所述的仪用步进电机本体和PCB电路板（5）封装在六边形状的壳体（1）和六边形状的壳盖（2）所包围的空间中，所述的PCB电路板（5）为六边形状，以PCB电路板（5）为分隔板，PCB电路板（5）的一边焊接有ARM芯片（51）、微步距细分驱动芯片（52）、高速光耦合器（53）、CAN总线收发控制器（54）、工字形电感（55），CAN总线插座（3）也焊接在PCB电路板（5）上；PCB电路板（5）的另一边包括了仪用步进电机本体部件；
所述的PCB电路板（5）上的ARM芯片（51）为核心器件，其I/O引脚与微步距细分驱动芯片（52）的输入引脚相连，微步距细分驱动芯片（52）的输出引脚再与两个励磁线圈包（66）的绕组相连，工字形电感（55）与电容器组成LC滤波元件；
所述的CAN总线插座（3）为四芯结构，分别定义为+5V、CAN+、CAN-和GND，所述的CAN+与CAN-分别与CAN总线收发控制器（54）的驱动接口引脚相连，CAN总线收发控制器（54）的发送端CAN_TX0与接收端CAN_RX0分别与高速光耦合器（53）的接收与发送引脚相连，高速光耦合器（53）将CAN_TX0与CAN_RX0信号隔离后，再与ARM芯片（51）的CAN总线驱动引脚相连；
所述的仪用步进电机本体，内置一套具有两相励磁线圈驱动、三级减速齿轮传动的机构，包括铁芯体（67）、励磁线圈包（66）、永磁转子体A（61）、传动从动轮B（62）、 传动从动轮C（63）和转动轴从动轮D（64），所述的铁芯体（67）两侧的臂上分别对称伸出两个矩形铁芯柱体（674），两个励磁线圈包（66）分别插入矩形铁芯柱体（674）中，励磁线圈包（66）的引脚分别焊接在PCB电路板（5）上；
所述的铁芯体（67）的中轴线上开有A孔（671）、C孔（672）、D孔（673），所述的永磁转子体A（61）安装在A孔（671）处，传动从动轮C（63）安装在C孔（672）处，转动轴从动轮D（64）安装在D孔（673）处，其中永磁转子体A（61）所处的A孔（671）位置，是两个励磁线圈包（66）绕组形成的磁轭中心，励磁线圈包（66）中通电后，利用磁导的变化产生转矩，驱动永磁转子体A（61）的转动；
所述的三级减速齿轮传动机构存在如下的啮合关系：永磁转子体A（61）与传动从动轮B（62）啮合传动，组成一级减速传动结构；传动从动轮B（62）与传动从动轮C（63）啮合传动，组成二级减速传动结构；传动从动轮C再与转动轴从动轮D（64）啮合传动，组成三级减速传动结构；所述的转动轴（65）与转动轴从动轮D（64）同轴相连，保证转动轴从动轮D（64）转动时同步带动转动轴（65）；
所述的铁芯体（67）上的支撑定位孔（68）处镶嵌有空心的尼龙圆柱体（675），所述的壳体（1）的内部有四个支柱（13），安装时，铁芯体（67）上的四个尼龙圆柱体（675）紧贴PCB电路板（5），壳体（1）内部的四个支柱（13）分别穿过铁芯体（67）上的四个支撑定位孔（68）后与铁芯体（67）相接；
所述的六边形状的壳体（1）的每一边上都有嵌槽（11），所述壳体（1）内部相邻边的转角处分别有一个安装台阶（15），所述的壳盖（2）上有六个壳盖安装孔（21），所述的PCB电路板（5）上开有六个安装定位孔（56），装配时，焊接好元件后的PCB电路板（5）搁放在壳体（1）的安装台阶（15）上，盖上壳盖（2），将螺丝穿过壳盖（2）上的壳盖安装孔（21）、PCB电路板（5）上的安装定位孔（56）后,与壳体（1）上的安装台阶（15）相连成一个整体，所述的转动轴（65）从转动轴从动轮D（64）上伸出，穿过壳体（1）上的出轴圆柱体（14）后，再与指针（4）套接。
2.根据权利要求1所述的基于CAN总线的数字指针驱动部件，其特征在于：所述的永磁转子体A（61）为六齿结构，采用钕铁硼材料。
3.根据权利要求1所述的基于CAN总线的数字指针驱动部件，其特征在于：所述的传动从动轮B（62）、从动轮C（63）和转动轴从动轮D（64）均采用尼龙66材料。
4.根据权利要求1所述的基于CAN总线的数字指针驱动部件，其特征在于：所述的转动轴（65）为不锈钢针。
5.根据权利要求1所述的基于CAN总线的数字指针驱动部件，其特征在于：所述的铁芯体（67）采用坡莫合金材料。
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