CN114070126A - 一种微小型步进电机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微小型步进电机及其控制方法，属于精密机械领域。从内到外依次设置有底座（6）、旋转轴（2）、外壳（1）；所述盲孔（22）内部均布有分度凸点（221）；所述底座6上部均布有卡点（601）；所述卡点601卡在两个分度凸点221之间；所述第一轴承（41）和第二轴承（42）用于获得旋转轴（2）相对于外壳（1）的稳定旋转运动；所述中间体（12）内部安装有压电驱动器（5）；所述驱动齿（201）与压电驱动器（5）配套使用；所述压电驱动器（5）按逆时针方向分组成组A、组B、组C和组D；组A/C和组B/D交替驱动。本发明提出的一种微小型步进电机具有结构简单、功耗低、控制方便、稳定性好和工作寿命长的优势。

Description

一种微小型步进电机及其控制方法
技术领域
本发明属于电机领域，具体涉及一种微小型步进电机及其控制方法。
背景技术
压电驱动具有能量密度高、功耗低、结构简单、易驱动及无电磁干扰等特点，在微小型电机领域具有广泛的应用前景，如中国发明专利CN202110602176.4提出一种微小型粘滑式压电电机及其驱动方法，其采用压电叠堆得电伸长经杠杆式柔性铰链带动轴承旋转，通过摩擦力实现滑块的定向驱动。但现有压电驱动电机通过摩擦力来产生和传递运动，故驱动力相对较小且对部件加工精度要求高、磨损严重时无法使用。
发明内容
针对现有压电电机摩擦驱动的不足，本发明提出一种结构简单、功耗低、控制方便、稳定性好和工作寿命长的微小型步进电机。
本发明实施例提供了一种微小型步进电机及其控制方法，采用以下技术方案：从内到外依次设置有底座、旋转轴、外壳；所述旋转轴上部设置有输出轴；所述旋转轴下部设置有盲孔；所述底座上部进入盲孔；所述盲孔内部表面均布有多个分度凸点，相邻分度凸点的夹角为θ；所述底座上部均布有卡点；所述卡点配套设置有弹簧；所述弹簧安装于底座的安装孔内；所述卡点卡在两个分度凸点之间；所述卡点与底座滑动配合，在旋转轴旋转运动时，分度凸点挤压卡点使其挤压弹簧并收缩，进而卡入下一组两个分度凸点之间，实现电机的一个步进角度θ；
所述外壳从上至下依次设置有上体、中间体和下体；所述上体与旋转轴之间安装有第一轴承；所述下体与旋转轴之间安装有第二轴承；所述底座底部设置有下盖；所述下盖上表面与下体下表面连接；所述下盖压紧第二轴承外圈，用于第二轴承的固定；所述上体上表面相连有上封盖；所述上封盖下表面压紧第一轴承的外圈，用于第一轴承的固定；所述上封盖与输出轴之间为间隙滑动配合；所述第一轴承和第二轴承用于获得旋转轴相对于外壳的稳定旋转运动；所述中间体内部安装有压电驱动器；所述压电驱动器由压电薄膜和弹性基板粘结而成；所述弹性基板一端与中间体内表面相连，压电驱动器为悬臂梁姿态，这可以加大压电驱动器的位移输出；所述旋转轴下部外表面均匀布置有多个驱动齿；所述驱动齿与压电驱动器配套使用；所述驱动齿相邻齿之间的夹角为2θ；所述驱动齿顶端的旋转半径R1小于压电驱动器在初始状态下顶端以旋转轴旋转中心为圆心构成的圆半径R2，这样防止压电驱动器在旋转过程中与驱动齿发生干涉碰撞；
所述压电驱动器在旋转轴外围逆时针方向分组成组A、组B、组C和组D；所述组A、组B、组C和组D中相邻的压电驱动器之间的夹角为2θ，与相邻驱动齿之间的夹角相同；所述组A和组C中压电驱动器的顶端触点与相对应的驱动齿之间的夹角为β,组B和组D中压电驱动器的顶端触点与相对应的驱动齿之间夹角的为α，且
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，这可以实现组A/C和组B/D交叉驱动实现电机的步进旋转运动并杜绝了压电驱动器与驱动齿201的碰撞干涉。
进一步的，所述压电驱动器预弯成一定弧度。
进一步的，所述压电薄膜的材料为压电陶瓷复合纤维材料，可以加大压电驱动器的预弯弧度，同时压电陶瓷复合纤维材料具有大的位移输出，所以也可加大压电驱动器的位移输出。
进一步的，所述驱动齿设置有受力面和避让斜面，避让斜面可以防止压电驱动器在复位过程中与驱动齿产生干涉和碰撞，受力面在压电驱动器驱动过程中充分受力，实现旋转轴的有效驱动。
一种微小型步进电机分为第一工作状态、第二工作状态、第三工作状态、第四工作状态，本实施例的具体工作过程，叙述如下：
第一工作状态：同时也是初始状态，不施加电压信号，组A、组B、组C和组D中压电驱动器保持预定弯曲状态。
第二工作状态：组A和组C中所有压电驱动器施加与压电薄膜极化方向相同的电压，压电驱动器中的压电薄膜收缩，压电驱动器向外拉伸，组A和组C中压电驱动器顶端推动驱动齿的受力面向前推进θ，卡点在推动力作用下径向收缩并卡入下一组分度凸点之间，实现电机的一个步进角度θ。
第三工作状态：去除施加在组A和组C中压电驱动器的驱动电压，组A和组C中压电驱动器在自身弹力作用下复位，驱动齿设置的避让斜面防止压电驱动器与驱动齿之间在复位过程中发生干涉。
第四工作状态：组B和组D中所有压电驱动器施加与压电薄膜极化方向相同的电压，组B和组D中压电驱动器中的压电薄膜收缩，压电驱动器向外拉伸，组B和组D中压电驱动器顶端推动驱动齿的受力面向前推进θ，卡点在推动力作用下径向收缩并卡入下一组两个分度凸点之间，实现电机的下一个步进角度θ。
在交变电压信号的驱动下，第一、第二、第三、第四工作状态反复转变，旋转轴不断以步进角度θ转动。
本发明的特色及优势在于： 1、通过组A/C和组B/D进行错位驱动，可获得稳定的步进角度输出；2、采用悬臂梁式压电驱动器结合驱动齿进行驱动，系统的稳定性好和工作寿命长；3、采用压电驱动，结构简单、功耗低、控制方便且不存在电磁干扰。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例的结构剖面图；
图2是本发明一个较佳实施例中第一工作状态的E-E向结构剖面图；
图3是本发明一个较佳实施例中第二工作状态的E-E向结构剖面图；
图4是本发明一个较佳实施例中第三工作状态的E-E向结构剖面图；
图5是本发明一个较佳实施例中第四工作状态的E-E向结构剖面图；
图6是图2中组A单个压电驱动器（5）周边的局部放大图；
图7是图3中组A单个压电驱动器（5）周边的局部放大图；
图8是图4中组A单个压电驱动器（5）周边的局部放大图；
图9是一个较佳实施例中底座（6）与旋转轴（2）配合工作的结构剖面放大图；
图10是本发明一个较佳实施例的驱动信号图；
其中： 1-外壳；11-下体；12-中间体；13-上体；2-旋转轴；21-输出轴；22-盲孔；201-驱动齿；221-分度凸点；231-避让斜面；241-受力面；3-上封盖；41-第一轴承；42-第二轴承； 5-压电驱动器；501-压电薄膜；502-弹性基板；6-底座；61-下盖；601-卡点；611-弹簧。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
请参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9和图10，本发明提出一种微小型步进电机及其控制方法，包括：从内到外依次设置有底座6、旋转轴2、外壳1；所述旋转轴2上部设置有输出轴21；所述旋转轴2下部设置有盲孔22；所述底座6上部进入盲孔22；所述盲孔22内部表面均布有多个分度凸点221，相邻分度凸点221的夹角为θ；所述底座6上部均布有卡点601；所述卡点601与分度凸点221配套使用；所述卡点601配套设置有弹簧611；所述弹簧611安装于底座6的安装孔内；所述卡点601卡在两个分度凸点221之间；所述卡点601与底座 6滑动配合，在旋转轴2旋转运动时，分度凸点221挤压卡点601使其挤压弹簧611并收缩，进而卡入下一组两个分度凸点221之间，实现电机的一个步进角度θ；
所述外壳1从上至下依次设置有上体13、中间体12和下体11；所述上体13与旋转轴2之间安装有第一轴承41；所述下体11与旋转轴2之间安装有第二轴承42；所述底座6底部设置有下盖61；所述下盖61上表面与下体11下表面连接；所述下盖61压紧第二轴承42外圈，用于第二轴承42的固定；所述上体13上表面相连有上封盖3；所述上封盖3下表面压紧第一轴承41的外圈，用于第一轴承41的固定；所述上封盖3与输出轴21之间为间隙滑动配合；所述第一轴承41和第二轴承42用于获得旋转轴2相对于外壳1的稳定旋转运动；所述中间体12内部安装有压电驱动器5；所述压电驱动器5由压电薄膜501和弹性基板502粘结而成；所述弹性基板502一端与中间体12内表面相连，压电驱动器5为悬臂梁姿态，这可以加大压电驱动器5的位移输出；所述旋转轴2下部外表面均匀布置有多个驱动齿201；所述驱动齿201与压电驱动器5配套使用；所述驱动齿201相邻齿之间的夹角为2θ；如图8所示，所述驱动齿201顶端的旋转半径R1小于压电驱动器5在回复状态下顶端以旋转轴2旋转中心为圆心构成的圆半径R2,这样防止压电驱动器5在旋转过程中与驱动齿201发生干涉碰撞；
所述压电驱动器5在旋转轴2外围逆时针方向分组成组A、组B、组C和组D;如图4所示，所述组A、组B、组C和组D中相邻的压电驱动器5之间的夹角为2θ，与相邻驱动齿201之间的夹角相同；所述组A和组C中压电驱动器5的顶端触点与相对应的驱动齿201之间的夹角为β,组B和组D中压电驱动器5的顶端触点与相对应驱动齿201之间夹角的为α，且
Figure 331463DEST_PATH_IMAGE001
，这可以实现组A/C和组B/D交叉驱动实现电机的步进旋转运动并杜绝了压电驱动器与驱动齿201的碰撞干涉。
进一步的，所述压电驱动器5预弯成一定弧度。
进一步的，所述压电薄膜501的材料为压电陶瓷复合纤维材料，可以加大压电驱动器5的预弯弧度，同时压电陶瓷复合纤维材料具有大的位移输出，所以也可加大压电驱动器5的位移输出。
进一步的，所述驱动齿201设置有受力面241和避让斜面231，避让斜面231可以防止压电驱动器5在复位过程中与驱动齿201产生干涉和碰撞，受力面241在压电驱动器5驱动过程中充分受力，实现旋转轴2的有效驱动。
一种微小型步进电机分为第一工作状态、第二工作状态、第三工作状态、第四工作状态，如图10所示，本实施例的具体工作过程，叙述如下：
第一工作状态：同时也是初始状态，如图2和图6所示，不施加电压信号，组A、组B、组C和组D中压电驱动器5保持预定弯曲状态。
第二工作状态：如图3和图7所示，组A和组C中所有压电驱动器5施加与压电薄膜501极化方向相同的电压，压电驱动器5中的压电薄膜501收缩，压电驱动器5向外拉伸，组A和组C中压电驱动器5顶端触点推动相对应驱动齿201的受力面241向前推进θ，卡点601在推动力作用下挤压弹簧611并径向收缩，进而卡入下一组分度凸点221之间，实现电机的一个步进角度θ。
第三工作状态：如图 4和图8所示，去除施加在组A和组C中压电驱动器5的驱动电压，组A和组C中压电驱动器5在自身弹力作用下复位，驱动齿201设置的避让斜面231防止压电驱动器5与驱动齿201之间在复位过程中发生干涉。
第四工作状态：如图5所示，组B和组D中所有压电驱动器5施加与压电薄膜501极化方向相同的电压，组B和组D中压电驱动器5中的压电薄膜501收缩，压电驱动器5向外拉伸，组B和组D中压电驱动器5顶端推动驱动齿201的受力面241向前推进θ，卡点601在推动力作用下挤压弹簧611并径向收缩，进而卡入下一组分度凸点221之间，实现电机的又一个步进角度θ。
如图10所示，在交变电压信号的驱动下，第一、第二、第三、第四工作状态反复转变，旋转轴2不断以步进角度θ转动。

Claims (4)

1.一种微小型步进电机，其特征在于：从内到外依次设置有底座、旋转轴、外壳；所述旋转轴上部设置有输出轴；所述旋转轴下部设置有盲孔；所述底座上部进入盲孔；所述盲孔内部表面均布有多个分度凸点，相邻分度凸点的夹角为θ；所述底座上部均布有卡点；所述卡点配套设置有弹簧；所述弹簧安装于底座的安装孔内；所述卡点卡在两个分度凸点之间；所述卡点与底座滑动配合；所述外壳从上至下依次设置有上体、中间体和下体；所述上体与旋转轴之间安装有第一轴承；所述下体与旋转轴之间安装有第二轴承；所述底座底部设置有下盖；所述下盖上表面与下体下表面连接；所述下盖压紧第二轴承外圈；所述上体上表面相连有上封盖；所述上封盖下表面压紧第一轴承的外圈；所述上封盖与输出轴之间为间隙滑动配合；所述中间体内部安装有压电驱动器；所述压电驱动器由压电薄膜和弹性基板粘结而成；所述弹性基板一端与中间体内表面相连，压电驱动器为悬臂梁姿态；所述压电驱动器预弯成一定弧度；所述旋转轴下部外表面均匀布置有多个驱动齿；所述驱动齿与压电驱动器配套使用；所述驱动齿相邻齿之间的夹角为2θ；所述驱动齿顶端的旋转半径R1小于压电驱动器在初始状态下顶端以旋转轴旋转中心为圆心构成的圆半径R2；所述压电驱动器在旋转轴外围逆时针方向分组成组A、组B、组C和组D；所述组A、组B、组C和组D中相邻的压电驱动器之间的夹角均为2θ，与相邻驱动齿之间的夹角相同；在压电驱动器完全复位状态下，所述组A和组C中压电驱动器的顶端触点与相对应的驱动齿之间的夹角为β，组B和组D中压电驱动器的顶端触点与相对应的驱动齿之间夹角的为α，且
Figure 794502DEST_PATH_IMAGE001
。
2.一种如权利1所述的微小型步进电机，其特征在于：所述压电薄膜的材料为压电陶瓷复合纤维材料。
3.一种如权利1所述的微小型步进电机，其特征在于：所述驱动齿设置有受力面和避让斜面。
4.一种控制方法，其特征在于，基于所述权利要求1至3任一项所述的微小型步进电机，包括以下步骤：
第①步，不施加电压信号，组A、组B、组C和组D中压电驱动器保持预定弯曲状态；
第②步，组A和组C中所有压电驱动器施加与压电薄膜极化方向相同的电压，压电驱动器中的压电薄膜收缩，压电驱动器向外拉伸，组A和组C中压电驱动器顶端推动驱动齿向前推进θ，卡点在推动力作用下径向收缩并卡入下一组分度凸点之间，实现电机的一个步进角度θ；
第③步，去除施加在组A和组C中压电驱动器的驱动电压，组A和组C中压电驱动器在自身弹力作用下复位；
第④步，组B和组D中所有压电驱动器施加与压电薄膜极化方向相同的电压，组B和组D中压电驱动器中的压电薄膜收缩，压电驱动器向外拉伸，组B和组D中压电驱动器顶端推动驱动齿的受力面向前推进θ，卡点在推动力作用下径向收缩并卡入下一组两个分度凸点之间，实现电机的下一个步进角度θ；
第⑤步，重复以上步骤，组A/组C和组B/组D交替驱动，旋转轴以步进角度θ转动。
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