專利名稱：?jiǎn)纹瑱C(jī)直接驅(qū)動(dòng)的單軸微型步進(jìn)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的單軸微型步進(jìn)電機(jī)，主要應(yīng)用于各類數(shù)字
化指針式儀表的指針驅(qū)動(dòng)。
背景技術(shù)：
步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行部件，通過電機(jī)的輸出軸帶動(dòng)儀表 指針，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化儀表的關(guān)鍵元器件之一 。相對(duì)于模擬電磁式儀表，步進(jìn)電機(jī)式儀表由于 取消了油絲等阻尼部件，具有指示精度高，使用壽命長(zhǎng)，可靠性高等多種優(yōu)點(diǎn)，特別是其數(shù) 字化處理數(shù)據(jù)方式，既滿足了人們的觀察習(xí)慣，更是模擬電磁式儀表的最佳更新?lián)Q代產(chǎn)品。 目前比較常見的步進(jìn)電機(jī)主要由外殼、永磁轉(zhuǎn)子、定子鐵心、兩相線圈、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子 齒輪系、指針軸等組成。其工作原理大同小異，一般是向兩相線圈施加精確控制的脈沖序 列，周期性改變轉(zhuǎn)子周圍的磁場(chǎng)，從而使轉(zhuǎn)子通過齒輪系驅(qū)動(dòng)指針軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以達(dá)到精確控制 的目的。由于步進(jìn)電機(jī)的固有步距角的限制，如果要實(shí)現(xiàn)指針的平滑無(wú)抖動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，則需要進(jìn) 一步微步距細(xì)分控制，一般在步進(jìn)電機(jī)的外部另加驅(qū)動(dòng)電路的方法，從而使兩相線圈內(nèi)產(chǎn) 生階梯性變化的電流波，實(shí)際上是將步進(jìn)電機(jī)的固有步距角進(jìn)一步細(xì)分，實(shí)現(xiàn)指針平滑移 動(dòng)，但儀表用的步進(jìn)電機(jī)幾何尺寸小，精細(xì)加工技術(shù)復(fù)雜，成品率較低，國(guó)內(nèi)制造有一定的 難度，因此制約了該項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)在儀表市場(chǎng)的廣泛應(yīng)用。 目前國(guó)外的可直接驅(qū)動(dòng)的單軸微型步進(jìn)電機(jī)通常采用180 : l齒輪系傳動(dòng)，步進(jìn) 電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子采用6個(gè)齒，相鄰的齒距為60。，因此對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)18(T ，相當(dāng)于轉(zhuǎn)動(dòng)軸指 針轉(zhuǎn)動(dòng)180° /180=1° ，在兩相六拍工作方式下，每一拍相當(dāng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60。，指針驅(qū)動(dòng) 軸通過180 : l齒輪傳動(dòng)后旋轉(zhuǎn)60。 /180° =1/3° ，再通過4倍細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)軸可 實(shí)現(xiàn)1/3° +4 = 1/12°微步轉(zhuǎn)動(dòng)。 但是這種步進(jìn)電機(jī)有六個(gè)明顯缺陷，第一，180 : 1的齒輪系傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶來(lái)齒輪模 具加工的難度，180個(gè)齒的齒輪模具需要特殊的數(shù)控設(shè)備來(lái)精細(xì)加工，目前國(guó)內(nèi)制造有相當(dāng) 的難度，成品合格率較低，從而提高了生產(chǎn)成本；第二，在兩相六拍工作方式下，每一工作節(jié) 拍指示軸指針將旋轉(zhuǎn)1/3。，所以其固有步距角為1/3° ，這樣轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)有明顯的抖動(dòng)，不 能模擬出類似電磁式儀表盤指針移動(dòng)的平滑性；第三，由于固有步距角帶來(lái)的誤差同時(shí)限 制了指示精度；第四，為實(shí)現(xiàn)指針旋轉(zhuǎn)平滑，提高指示精度，必須通過在電機(jī)外另接驅(qū)動(dòng)芯 片并以4倍細(xì)分驅(qū)動(dòng)方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)指針軸的1/12°微步轉(zhuǎn)動(dòng)；第五，由于外接驅(qū)動(dòng)芯片，因 此電機(jī)輸出腳不能與單片計(jì)算機(jī)1/0 口直接接口，繼而增加了使用者的麻煩，帶來(lái)應(yīng)有的 諸多不便；第六，所有的傳動(dòng)軸均采用塑料材料，其耐磨性與耐久性均不理想。

發(fā)明內(nèi)容據(jù)此，本實(shí)用新型提供一種制造方便、加工簡(jiǎn)單、成本較低、指示精度高、可與單片 計(jì)算機(jī)I/O 口直接接口，且無(wú)須外部電路驅(qū)動(dòng)的單軸微型步進(jìn)電機(jī)。 本實(shí)用新型提出的新的技術(shù)方案如下
3[0008] 1、所述的單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的單軸微型步進(jìn)電機(jī)，包括外殼上蓋(1)和下蓋(2)、永 磁轉(zhuǎn)子(8)、定子鐵心體(16)、相線圈(12)， I級(jí)和II級(jí)傳動(dòng)齒輪組等，其電機(jī)內(nèi)置PCB板 (14) ， PCB板(14)上含專用驅(qū)動(dòng)芯片IC(15)。 2、所述的單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的單軸微型步進(jìn)電機(jī)，其電機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個(gè)閉合的不 規(guī)則環(huán)狀定子鐵心體(16)，定子鐵心體由三片坡莫合金板重疊而成，左、右兩相線圈(12) 互成90°夾角分別固定在坡莫合金板構(gòu)成的定子鐵心體(16)上。 3、所述的單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的單軸微型步進(jìn)電機(jī)，其電機(jī)內(nèi)PCB板(14)包含一款帶 輸入緩沖器的專用驅(qū)動(dòng)芯片IC(15)，該驅(qū)動(dòng)芯片(15)是一塊貼片封裝的8個(gè)引腳的專用芯 片，其輸出引腳0UTA1 、 0UTA2 、 0UTA3 、 0UTA4直接與電機(jī)左、右兩相線圈相連，驅(qū)動(dòng)芯片(15) 的方向控制引腳(4)、轉(zhuǎn)角控制引腳(5)、電源引腳VDD(7)、接地引腳VSS(6)直接引向電機(jī) 外部，單片機(jī)I/0 口可直接與方向控制引腳(4)、轉(zhuǎn)角控制引腳(5)相連。 4、所述的I級(jí)傳動(dòng)齒輪系，包含主動(dòng)輪(8)和從動(dòng)輪(9)兩個(gè)部分，其主動(dòng)輪即永 磁轉(zhuǎn)子(8)是一個(gè)12個(gè)齒的轉(zhuǎn)子，其中轉(zhuǎn)子是以12個(gè)齒的塑料齒輪內(nèi)，相嵌一個(gè)環(huán)型的永 磁體，其轉(zhuǎn)子軸(17)為不銹鋼針，從動(dòng)輪(9)具有72齒，其轉(zhuǎn)軸(18)為不銹鋼針。 5、所述的微型步進(jìn)電機(jī)，其齒輪系統(tǒng)包含永磁轉(zhuǎn)子(8)作為I級(jí)傳動(dòng)齒輪組的主 動(dòng)輪，再帶動(dòng)I級(jí)傳動(dòng)齒輪組的從動(dòng)輪(9) ， II級(jí)傳動(dòng)齒輪組主動(dòng)輪(10)帶動(dòng)II級(jí)傳動(dòng)齒 輪組從動(dòng)輪(11)。 6、所述的II級(jí)傳動(dòng)齒輪系，其II級(jí)傳動(dòng)輪與指針軸同軸相連，其主動(dòng)輪 (10)為6齒，從動(dòng)輪(11)具有90齒，因此兩級(jí)減速齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)總的減速比為 ((72 + 12) X (90 + 6)) : 1 = 90 : 1。 與現(xiàn)有儀表用步進(jìn)電機(jī)相比，本實(shí)用新型大大降低了齒輪模具加工的難度和電機(jī) 控制的復(fù)雜度，省去了步進(jìn)電機(jī)所有的外圍驅(qū)動(dòng)電路，其內(nèi)置專用驅(qū)動(dòng)IC(15)，帶輸入緩沖 器，并可提供四倍細(xì)分的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)軸指針以1/12°微步距無(wú)抖動(dòng)輸出，因此 特別有利于步進(jìn)電機(jī)在微、小型儀表上的應(yīng)用與推廣，真正實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的步進(jìn)電機(jī)。

圖l是本實(shí)用新型外形圖； 圖2是本實(shí)用新型內(nèi)部結(jié)構(gòu)爆炸圖； 圖3是本實(shí)用新型齒輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本實(shí)用新型電機(jī)引出腳接線圖； 圖5是本實(shí)用新型內(nèi)置電機(jī)驅(qū)動(dòng)PCB板的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖6是本實(shí)用新型定子鐵心體正視圖和側(cè)視圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。 本實(shí)用新型的整體結(jié)構(gòu)包括外殼上蓋(1)和下蓋(2)、驅(qū)動(dòng)軸(3)、電機(jī)輸出引出 腳(4) (5) (6) (7)、減速齒輪系(8) (9) (10) (11)、定子鐵心體(16)、左右兩相線圈(12)、兩相 線圈的接線腳(13)、驅(qū)動(dòng)電路PCB板(14)、驅(qū)動(dòng)專用芯片(15)幾大部分組成，其中減速齒 輪系包含永磁轉(zhuǎn)子(8)、 I級(jí)傳動(dòng)齒輪組從動(dòng)輪(9)、 II級(jí)傳動(dòng)齒輪組主動(dòng)輪(10)與從動(dòng)輪(11)等部分組成，其中驅(qū)動(dòng)電路PCB(14)包含了驅(qū)動(dòng)專用芯片(15)并與電機(jī)外部引腳 相連，在電機(jī)外殼上直接引出方向控制引腳(4)、轉(zhuǎn)角控制引腳(5)、電源引腳(7)以及地引 腳(6)。 所述減速齒輪系為減速比為90 : 1的二級(jí)傳動(dòng)齒輪體系，永磁轉(zhuǎn)子(8)為齒輪系 的運(yùn)動(dòng)源，直接由左、右兩相線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)推動(dòng)。永磁轉(zhuǎn)子(8)是以12個(gè)齒的塑料齒 輪為本體外殼，內(nèi)嵌一個(gè)環(huán)型的永磁體，轉(zhuǎn)子軸(17)為不導(dǎo)磁的不銹鋼針。轉(zhuǎn)子(8)的12 個(gè)齒的齒輪與I級(jí)傳動(dòng)齒輪組從動(dòng)輪(9)的72齒從動(dòng)輪嚙合傳動(dòng)，組成第一級(jí)減速傳動(dòng)結(jié)
構(gòu)，i級(jí)減速比為72 : 12 : 1 = 6 : i，其i級(jí)傳動(dòng)齒輪組從動(dòng)輪轉(zhuǎn)軸(18)也為不銹鋼針。
II級(jí)傳動(dòng)齒輪組的6齒主動(dòng)輪(10)與II級(jí)傳動(dòng)齒輪90齒從動(dòng)輪(11)嚙合傳動(dòng)，組成第
二級(jí)減速傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，2級(jí)減速比為90 : 6 : 1 = 15 : i。由于不銹鋼驅(qū)動(dòng)軸(3)與n級(jí)
傳動(dòng)齒輪組從動(dòng)輪(11)同軸相連，因此，從轉(zhuǎn)子(8)輸入到指針驅(qū)動(dòng)軸(3)輸出形成兩級(jí) 90 : l的減速齒輪系。該齒輪系的特點(diǎn)是，所有傳動(dòng)齒輪齒數(shù)均不大于90，從而大大降低
了齒輪的加工難度，有利于提高齒輪模具的精細(xì)加工精度以及提高了齒輪注塑的成品率。 所述的步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)閉合的由三片坡莫合金板重疊而成的不規(guī)則環(huán)狀定 子鐵心體(16)結(jié)構(gòu)(參見圖6)，左、右兩相線圈(12)互成90°夾角分別固定在坡莫合金 板構(gòu)成的定子鐵心體上，其兩相線圈的接線腳(13)則分別焊接并固定在PCB板上。利用磁 導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。按照計(jì)算機(jī)仿真及試驗(yàn)表明，這種結(jié)構(gòu)特別有利于磁場(chǎng)的均勻分布，并 大大提高磁場(chǎng)強(qiáng)度、增大輸出力矩和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。 所述步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)電路PCB板(14)置于電機(jī)殼內(nèi)，該電路板上包含八腳的貼 片封裝專用驅(qū)動(dòng)芯片(15)，左、右兩相線圈(12)的引腳(13)也焊接固定在PCB板上。從 圖4、圖2可以看出電機(jī)的引腳實(shí)際上是通過驅(qū)動(dòng)芯片(15)后再引出了4個(gè)引腳到電機(jī)外 部，分別定義為方向控制引腳(4)、轉(zhuǎn)角控制引腳(5)、電源引腳VDD(7)和接地引腳VSS(6)， 驅(qū)動(dòng)芯片(15)的CWD、FA兩個(gè)端口為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的輸入端口，VDD、VSS分別為電源與地。 其中CWD用于接收指針軸旋轉(zhuǎn)方向控制信號(hào)、FA用于接收指針軸旋轉(zhuǎn)角度控制信號(hào)，VSS與 VDD分別為地與電源端。VDD允許的電源電壓范圍5 12V，可由用戶自主確定。驅(qū)動(dòng)芯片 的輸出引腳為0UT1、 0UT2、 0UT3、 0UT4，分別直接與電機(jī)的左右兩相線圈相連。為實(shí)現(xiàn)指針 驅(qū)動(dòng)軸1/12°微步距輸出，驅(qū)動(dòng)電路工作時(shí)，通過CWD與FA引腳接收單片機(jī)發(fā)來(lái)的控制信 號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)芯片(15)內(nèi)部電路處理后，由芯片的四個(gè)輸出引腳0UT1、0UT2、0UT3、0UT4產(chǎn) 生精確控制的階梯形狀變化的電流波脈沖序列，從而使定子體及左右兩相線圈產(chǎn)生周期性 變化的磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)兩級(jí)90 : 1的減速傳動(dòng)后驅(qū)動(dòng)指針軸(3)實(shí)現(xiàn)1/12°的微 步細(xì)分轉(zhuǎn)動(dòng)。 專用IC(15)對(duì)指針軸(3)旋轉(zhuǎn)方向控制原理如下右相線圈電壓相位領(lǐng)先左相線 圈的電壓n/3，指針軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；若左相線圈相位超前右相線圈Ji/3，指針將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。 本實(shí)用新型與現(xiàn)有的儀表用步進(jìn)電機(jī)相比，其步進(jìn)電機(jī)輸出腳已經(jīng)重新進(jìn)行了定 義，已不是單純的電機(jī)兩組相線圈輸出腳，而是可直接與單片機(jī)接口的控制信號(hào)線，完全去 掉了外部接口電路，是一款實(shí)現(xiàn)真正意義上的機(jī)電一體化步進(jìn)電機(jī)。
權(quán)利要求一種單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的單軸微型步進(jìn)電機(jī)，包括外殼上蓋(1)和下蓋(2)、永磁轉(zhuǎn)子(8)、定子鐵心體(16)、相線圈(12)，I級(jí)和II級(jí)傳動(dòng)齒輪組等，其特征在于，電機(jī)內(nèi)置PCB板(14)，PCB板(14)上含專用驅(qū)動(dòng)芯片IC(15)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的單軸微型步進(jìn)電機(jī)，其特征在于，電機(jī)內(nèi) 部設(shè)計(jì)了一個(gè)閉合的不規(guī)則環(huán)狀定子鐵心體(16)，定子鐵心體由三片坡莫合金板重疊而 成，左、右兩相線圈(12)互成90°夾角分別固定在坡莫合金板構(gòu)成的定子鐵心體(16)上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的單軸微型步進(jìn)電機(jī)，其特征在于，電機(jī)內(nèi) PCB板(14)包含一款帶輸入緩沖器的專用驅(qū)動(dòng)芯片IC(15)，該驅(qū)動(dòng)芯片(15)是一塊貼片 封裝的8個(gè)引腳的專用芯片，其輸出引腳0UTA1 、0UTA2、0UTA3、0UTA4直接與電機(jī)左、右兩相 線圈相連，驅(qū)動(dòng)芯片(15)的方向控制引腳(4)、轉(zhuǎn)角控制引腳(5)、電源引腳VDD(7)、接地引 腳VSS(6)直接引向電機(jī)外部，單片機(jī)1/0 口可直接與方向控制引腳(4)、轉(zhuǎn)角控制引腳(5) 相連。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的I級(jí)傳動(dòng)齒輪系，包含主動(dòng)輪(8)和從動(dòng)輪(9)兩個(gè)部分，其 特征在于，主動(dòng)輪即永磁轉(zhuǎn)子(8)是一個(gè)12個(gè)齒的轉(zhuǎn)子，其中轉(zhuǎn)子是以12個(gè)齒的塑料齒輪 內(nèi)，相嵌一個(gè)環(huán)型的永磁體，其轉(zhuǎn)子軸(17)為不銹鋼針，從動(dòng)輪(9)具有72齒，其轉(zhuǎn)軸(18) 為不銹鋼針。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微型步進(jìn)電機(jī)，其特征在于，齒輪系統(tǒng)包含永磁轉(zhuǎn)子(8)作 為I級(jí)傳動(dòng)齒輪組的主動(dòng)輪，再帶動(dòng)I級(jí)傳動(dòng)齒輪組的從動(dòng)輪(9) ， II級(jí)傳動(dòng)齒輪組主動(dòng)輪 (10)帶動(dòng)II級(jí)傳動(dòng)齒輪組從動(dòng)輪(11)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的II級(jí)傳動(dòng)齒輪系，其特征在于II級(jí)傳動(dòng)輪與指針軸同軸相 連，其主動(dòng)輪(10)為6齒，從動(dòng)輪(11)具有90齒，因此兩級(jí)減速齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)總的減速比 為<formula>formula see original document page 2</formula>
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種由單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的單軸微型步進(jìn)電機(jī)，包括外殼上蓋(1)和下蓋(2)、定子鐵心體(16)、永磁轉(zhuǎn)子(8)、相線圈(12)，I級(jí)和II級(jí)傳動(dòng)齒輪組等，其中II級(jí)傳動(dòng)齒輪組從動(dòng)輪(11)連接有指針驅(qū)動(dòng)軸(3)，所述的轉(zhuǎn)子(8)設(shè)有12個(gè)齒，轉(zhuǎn)子(8)與所述的I級(jí)傳動(dòng)齒輪組從動(dòng)輪(9)嚙合傳動(dòng)，II級(jí)傳動(dòng)齒輪組主動(dòng)輪與II級(jí)傳動(dòng)齒輪組的從動(dòng)輪(11)嚙合傳動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)電路PCB板(14)安裝在步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部，PCB板上焊接有專用芯片IC(15)，電機(jī)外殼上引出四個(gè)引腳，分別是方向控制腳(4)、轉(zhuǎn)角控制腳(5)、電源腳(7)以及接地腳(6)，通過單片機(jī)I/O口直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與轉(zhuǎn)動(dòng)方向，使用時(shí)無(wú)須另加驅(qū)動(dòng)電路，特別有利于其應(yīng)用與推廣。
文檔編號(hào)F16H1/20GK201490868SQ20092006610
公開日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月29日
發(fā)明者盧力, 盧文波, 盧芳云, 彭希南, 彭程, 荀慶來(lái), 謝穩(wěn), 金鵬偉 申請(qǐng)人:彭希南