一種儀表用微型步進電機的製作方法

2023-10-09 17:00:34 3

專利名稱：一種儀表用微型步進電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種儀表用微型步進電機，主要應用於汽車儀表和其它指針式儀表的
指針驅動。
背景技術：
步進電機是一種將電脈衝轉化為角位移的執行部件，通過電機的輸出軸帶動儀表 指針，是實現數位化儀表的關鍵元器件之一 。相對於模擬電磁式儀表，步進電機式儀表由於 取消了油絲等阻尼部件，具有指示精度高，使用壽命長，可靠性高等多種優點，特別是其數 字化處理數據方式，既滿足了人們的觀察習慣，更是模擬電磁式儀表的最佳更新換代產品。
目前比較常見的步進電機主要由外殼、永磁轉子、定子鐵心、兩相線圈、驅動轉子 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衝序 列，周期性改變轉子周圍的磁場，從而使轉子通過齒輪系驅動指針軸轉動，以達到精確控制 的目的。由於步進電機的固有步距角的限制，如果要實現指針的平滑無抖動轉動，則需要進 一步微步距細分控制，一般在步進電機的外部另加驅動電路的方法，從而使兩相線圈內產 生階梯性變化的電流波，實際上是將固有步距角進一步細分，實現指針平滑移動。但儀表用 步進電機又與常見的步進電機不同，一是幾何尺寸更小；二是精細加工技術複雜，成品率較 低，國內製造有一定的難度，因此制約了該項先進技術在儀表市場的廣泛應用。
目前國外的儀表用微型步進電機通常採用180 : 1齒輪系傳動，步進電機內部 轉子採用6個齒，相鄰的齒距為60。，因此對應轉子旋轉18(T ，相當於轉動軸指針轉動 180° /180 = 1° ，在兩相六拍工作方式下，每一拍相當於轉子旋轉60。，指示軸指針通過 180 : l齒輪傳動後旋轉60。 /180° =1/3° ，再通過4倍細分驅動方式，指針驅動軸可實 現1/3° +4 = 1/12°微步轉動。 但是這種步進電機有六個明顯缺陷，第一，180 : 1的齒輪系傳動機構帶來齒輪模 具加工的難度，180個齒的齒輪模具需要特殊的數控設備來精細加工，目前國內製造有相當 的難度，成品合格率較低，從而提高了生產成本；第二，在兩相六拍工作方式下，每一工作節 拍指示軸指針將旋轉1/3。，所以其固有步距角為1/3° ，這樣轉動時會有明顯的抖動，不 能模擬出類似電磁式儀錶盤指針移動的平滑性；第三，由於固有步距角帶來的誤差同時限 制了指示精度；第四，為實現指針旋轉平滑，提高指示精度，必須通過在電機外另接驅動芯 片並以4倍細分驅動方式，來實現指針軸的1/12°微步轉動；第五，由於外接驅動晶片，因 此電機輸出腳不能與單片計算機1/0 口直接接口，繼而增加了使用者的麻煩，帶來應有的 諸多不便；第六，所有的傳動軸均採用塑料材料，其耐磨性與耐久性均不理想。

發明內容
據此，本發明提供一種製造方便、加工簡單、成本較低、指示精度高、可與單片計算 機I/O 口直接接口，且無須外部電路驅動的儀用微型步進電機。
本發明提出的新的技術方案如下
其一，為降低齒輪模具加工的難度，設計了一個90 : 1的兩級傳動減速齒輪系統， 通過增加一級齒輪組以減少每個齒輪的齒數，保證每個齒輪的齒數不大於90，以此來分解
並降低齒輪模具加工的難度。 其二，永磁轉子(8)由6齒增加到12齒，採用兩相十二拍工作方式，每一拍相當於 轉子旋轉360。 /12 = 30° ，經90 : 1的齒輪傳動後，電機的固有步距角為也為30° /90 =1/3° ，同時永磁轉子(8)由6齒增加到12齒後，還減少了每一個齒的咬合次數，增加了 轉子的使用壽命。 其三，所有轉動軸採用不導磁的不鏽鋼針，提高了耐磨性和耐久性。 其四，由於增加一級齒輪組，所以必須加強磁場強度和提高輸出力矩來克服新增
的靜摩擦力和傳動摩擦力。通過計算機仿真設計了一個新的異形定子鐵心結構(ie)，左右
兩相線圈(12)分別固定在鐵心體上，利用磁導的變化產生轉矩，以利於磁場的均勻分布，
並大大提高磁場強度、輸出力矩，同時提升動態響應速度和電機啟動頻率。 其五，為克服單片計算機1/0 口不能直接驅動電機的缺點，本發明在電機內部安
排了一塊驅動PCB電路板，PCB電路板上焊接有一片專用驅動IC(15)，帶輸入緩衝器，並可
提供4倍細分的驅動信號，可以實現驅動軸指針以1/12°微步距無抖動輸出。 本發明所述的儀用微型步進電機，包括電機外殼上蓋(1)和下蓋(2)、定子鐵心
(16)、指針驅動軸(3) 、 I級減速齒輪系(8) (9) 、 II級減速齒輪系(10) (11)、左右兩相線圈
(12)、驅動PCB電路板(14)，一個8腳的S0IC貼片封裝的電機專用驅動晶片(15)、在電機
外殼上分別引出其方向控制引腳(4)、轉角控制引腳(5)、電源引腳VDD(7)以及接地引腳
VSS(6)等幾部分。 所述齒輪系包含一個12齒的轉子(8) 、 I級傳動齒輪組從動輪(9) 、 II級傳動齒 輪組主動輪(10)與從動輪(11)、指針驅動軸(3)四部分組成。I級傳動齒輪系的主動輪即 永磁轉子(8)是一個12齒的轉子，從動輪(9)具有72齒。II級傳動齒輪系的主動輪(10) 為6齒，從動輪(11)具有90齒。其中，轉子(8)與I級傳動輪組從動輪(9)嚙合形成一級 傳動，II級傳動齒輪組主動輪(10)與II級傳動齒輪組從動輪(11)嚙合形成二級傳動，II 級傳動齒輪組從動輪與指針驅動軸(3)同軸相連，從而帶動其轉動。其中I級傳動輪組減
速比為72/12 : 1 = 6 : i，n級傳動輪組減速比為90/6 : i = 15 : i，兩級傳動組合起 來形成6xi5 : 1 = 90 : i的減速齒輪系統。該齒輪系的特點是，減速從動輪的齒數均不
大於90，特別有利於降低齒輪模具精細加工難度，同時提高了齒輪注塑的成品率。另外，從
槓桿原理來說，動輪齒數減少，也降低了減速齒輪系傳動的聯動力矩，提高了指針軸的輸出 力矩。 所述的永磁轉子(8)是一個以12齒塑料齒輪為本體外殼，內嵌一個環型的永磁 體，其轉子軸(17)為不導磁的不鏽鋼針。此外，I級傳動齒輪組從動輪轉軸(18)和指針驅 動軸(3)也為不鏽鋼針。 所述步進電機的定子鐵心結構(16)是一個閉合的不規則環狀鐵心體，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成 的定子鐵心體上。通過兩相線圈(12)的驅動電流與定子鐵心體(16)共同作用下產生周期 性變化的旋轉磁場驅使轉子轉動。 所述步進電機驅動電路IC(15)集成在電機殼內的PCB板(14)上，左、右兩相線圈(12)的引腳也分別焊接固定在PCB板上。圖4中，其驅動晶片(15)的輸出引腳直接與電機 兩相線圈(12)相連，驅動晶片(15)的輸入引腳則直接引申至電機外部，分別作為電機的方 向控制引腳(4)、電機的轉角控制引腳(5)、電源引腳VDD(7)以及接地引腳VSS(6)。單片機 I/O 口可直接與電機的方向控制引腳(4)、轉角控制引腳(5)相連，並直接控制電機，用戶只 需通過控制旋轉方向和旋轉度數即可控制電機的轉動方向和轉動角度，無需再在電機外部 另添加驅動電路。與現有儀用步進電機相比，本發明大大降低了電機控制的複雜度，省去了 步進電機所有的外圍驅動電路，特別有利於步進電機在微、小型儀表上的應用與推廣，真正 實現機電一體化的步進電機。


圖l是本發明外形圖； 圖2是本發明內部結構爆炸圖； 圖3是本發明齒輪系統結構示意圖； 圖4是本發明專用IC引腳接線圖； 圖5是本發明內置電機驅動PCB板的結構示意圖； 圖6是本發明定子鐵心體正視圖和側視圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明。 本發明的整體結構參見圖l和圖2。從圖2可見，本步進電機由外殼上蓋(1)和下 蓋(2)、減速齒輪系(8) (9) (10) (11)、定子鐵心體(16)、左右兩相線圈(12)和驅動電路PCB 板(14)幾大部分組成，其中減速齒輪系包含永磁轉子(8)、 I級傳動齒輪組從動輪(9)、 II 級傳動齒輪組主動輪(10)與從動輪(11)等部分組成，電機驅動電路則包含了驅動專用芯 片(15)並與電機外部引腳相連，在電機外殼上直接引出方向控制引腳(4)、轉角控制引腳 (5)、電源引腳(7)以及地引腳(6)。 所述減速齒輪係為減速比為90 : 1的二級傳動齒輪體系，齒輪繫結構見圖3。永 磁轉子(8)為齒輪系的運動源，直接由左、右兩相線圈所產生的磁場推動。永磁轉子(8)是 以12個齒的塑料齒輪為本體外殼，內嵌一個環型的永磁體，轉子軸(17)為不導磁的不鏽鋼 針。轉子(8)的12齒齒輪與I級傳動齒輪組從動輪(9)的72齒從動輪嚙合傳動，組成第一
級減速傳動結構，i級減速比為72 : 12 : 1 = 6 : i，其i級傳動齒輪組從動輪轉軸(18)
也為不鏽鋼針。II級傳動齒輪組的6齒主動輪(10)與II級傳動齒輪90齒從動輪(11)齧
合傳動，組成第二級減速傳動結構，2級減速比為90 : 6 : 1 = 15 : i。由於不鏽鋼驅動
軸(3)與II級傳動齒輪組從動輪(11)同軸相連，因此，從轉子(8)輸入到指針驅動軸(3) 輸出形成兩級90 : l的減速齒輪系。該齒輪系的特點是，所有傳動齒輪齒數均不大於90，
從而大大降低了齒輪的加工難度，有利於提高齒輪模具的精細加工精度以及提高了齒輪注 塑的成品率。 所述的步進電機設計了一個閉合的由三片坡莫合金板重疊而成的不規則環狀定 子鐵心體(16)結構(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 板構成的定子鐵心體上，其兩相線圈的引腳則分別焊接並固定在PCB板上。利用磁導的變
5化產生轉矩。按照計算機仿真及試驗表明，這種結構特別有利於磁場的均勻分布，並大大提 高磁場強度、增大輸出力矩和動態響應速度。 所述步進電機專用驅動電路PCB板(14)置於電機殼內，該電路板上包含電機驅動 8腳的S0IC貼片封裝專用晶片(15)，左、右兩相線圈(12)的引腳也焊接固定在PCB板上。 從圖4、圖2可以看出驅動電路PCB板上直接引出了 4個引腳到電機外部，分別定義為方向 控制引腳(4)、轉角控制引腳(5)、電源引腳VDD(7)和接地引腳VSS(6)，在電路板上4個引 腳再分別與專用驅動晶片(15)的CWD、FA、VDD、VSS埠相連。CWD、 FA兩個埠為電機驅 動晶片的輸入埠， VDD、 VSS分別為電源與地。其中CWD用於接收指針軸旋轉方向控制信 號、FA用於接收指針軸旋轉角度控制信號，VSS與VDD分別為地與電源端。VDD允許的電源 電壓範圍5 12V，可由用戶自主確定。驅動晶片的輸出引腳為0UT1、0UT2、0UT3、0UT4，分 別直接與電機的左右兩相線圈相連(參見圖四)。為實現指針驅動軸1/12°微步距輸出， 驅動電路工作時，通過CWD與FA引腳接收單片機發來的控制信號，經過驅動晶片內部電路 處理後，由晶片的四個輸出引腳0UT1、0UT2、0UT3、0UT4產生精確控制的階梯形狀變化的電 流波脈衝序列，從而使定子體及左右兩相線圈產生周期性變化的磁場，驅動轉子轉動，經兩 級90 : 1的減速傳動後指針軸(3)實現1/12°的微步細分轉動。 專用IC(15)對指針軸(3)旋轉方向控制原理如下右相線圈電壓相位領先左相線 圈的電壓n/3，指針軸逆時針旋轉；若左相線圈相位超前右相線圈Ji/3，指針將順時針旋轉。 本發明與現有的儀用步進電機相比，其步進電機輸出腳已經重新進行了定義，已 不是單純的兩組相線圈輸出，而是控制信號線CWD、FA， VDD電源線與VSS地，完全去掉了外 部接口電路，實現真正意義上的機電一體化步進電機。 無疑，無須外部電路驅動的步進電機，實現步進電機控制的最簡化是儀用微型步 進電機的必然趨勢及重要發展方向。
權利要求
一種儀表用微型步進電機，其特徵在於電機內置定子鐵心體(16)、I和II兩級傳動減速齒輪系統(8)(9)(10)(11)、內置專用驅動晶片IC(15)，是一種機電一體化的微型步進電機。
2. 根據權利要求1所述的儀用微型步進電機，其特徵在於設計了一個閉合的不規則環 狀定子鐵心結構(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成的定子鐵心體上。
3. 根據權利要求1所述的儀用微型步進電機，其特徵在於電機內包含一塊內置的PCB 驅動電路板(14)， PCB板上包含一款帶輸入緩衝器的專用驅動晶片IC(15)，驅動晶片的輸 出引腳0UTA1、 0UTA2、 0UTA3、 0UTA4直接與電機左、右兩相線圈相連；驅動晶片的方向控制 引腳(4)、轉角控制引腳(5)、電源引腳VDD(7)、接地引腳VSS(6)直接引向電機外部，單片機 I/O 口可直接與方向控制引腳(4)、轉角控制引腳(5)相連，無需再在電機外部另添加驅動 電路。
4. 根據權利要求3所述的電機驅動電路，其特徵在於步進電機驅動晶片(15)是一塊採 用S0IC封裝的8引腳專用晶片，在分步驅動基礎上可提供4倍細分的驅動信號，使得包含 低減速比齒輪系的步進電機可實現指針軸以1/12°的微步距轉動。
5. 根據權利要求1所述的I級傳動齒輪系，包含主動輪(8)和從動輪(9)兩個部分，其 特徵在於主動輪即永磁轉子(8)是一個12齒的轉子，其中轉子以12齒塑料齒輪為本體外 殼，內嵌一個環型的永磁體，其轉子軸(17)採用不鏽鋼針。從動輪(9)具有72齒，其轉軸 (18)採用不鏽鋼針。
6. 根據權利要求1，5所述的儀用微型步進電機，其特徵在於內置90 : l的兩級減速齒 輪系統，齒輪系統包含永磁轉子(8)作為I級傳動齒輪組的主動輪帶動I級傳動齒輪組的 從動輪(9) ， II級傳動齒輪組主動輪(10)帶動II級傳動齒輪組從動輪(11)。
7. 根據權利要求1，6所述的II級傳動齒輪系，其特徵在於II級傳動輪與指針軸同軸 相連，主動輪(10)為6齒，從動輪(11)具有90齒。因此兩級減速齒輪傳動系統總的減速 比為((72+12) X (90 + 6)) : 1 = 90 : 1。
全文摘要
本發明公開了一種儀表用微型步進電機，包括外殼(1)(2)、永磁轉子(8)、定子鐵心體(16)、固定在定子鐵心體上的兩相線圈(12)。I、II級傳動齒輪組等，其中II級傳動齒輪組從動輪(11)連接有指針驅動軸(3)。所述的轉子(8)設有12齒齒輪，所述的轉子(8)與所述的I級傳動齒輪組從動輪(9)嚙合傳動；所述的II級傳動齒輪組主動輪與所述的II級傳動齒輪組的從動輪(11)嚙合傳動。所述的驅動電路PCB板(14)安裝在步進電機內部，PCB板上焊接有專用晶片IC(15)，電機外殼上引出四個引腳，分別是方向控制引腳(4)、轉角控制引腳(5)、電源引腳(7)以及接地引腳(6)。本發明可通過單片機I/O口控制電機的轉動角度與轉動方向，應用時無須另加驅動電路。
文檔編號H02P8/00GK101719711SQ20081014308
公開日2010年6月2日 申請日期2008年10月10日 優先權日2008年10月10日
發明者佘旭, 盧文波, 彭希南, 荀慶來, 謝穩, 金鵬偉 申請人:彭希南