專利名稱：單片機直接驅動的單軸微型步進電機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種單片機直接驅動的單軸微型步進電機，主要應用于各類數字
化指針式儀表的指針驅動。
背景技術：
步進電機是一種將電脈沖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，是實現數字化儀表的關鍵元器件之一 。相對于模擬電磁式儀表，步進電機式儀表由于 取消了油絲等阻尼部件，具有指示精度高，使用壽命長，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沖序 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。由于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，實際上是將步進電機的固有步距角進一步細分，實現指針平滑移 動，但儀表用的步進電機幾何尺寸小，精細加工技術復雜，成品率較低，國內制造有一定的 難度，因此制約了該項先進技術在儀表市場的廣泛應用。 目前國外的可直接驅動的單軸微型步進電機通常采用180 : l齒輪系傳動，步進 電機內部轉子采用6個齒，相鄰的齒距為60。，因此對應轉子旋轉18(T ，相當于轉動軸指 針轉動180° /180=1° ，在兩相六拍工作方式下，每一拍相當于轉子旋轉60。，指針驅動 軸通過180 : l齒輪傳動后旋轉60。 /180° =1/3° ，再通過4倍細分驅動方式，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，目前國內制造有相當 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表盤指針移動的平滑性；第三，由于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 片并以4倍細分驅動方式，來實現指針軸的1/12°微步轉動；第五，由于外接驅動芯片，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，所有的傳動軸均采用塑料材料，其耐磨性與耐久性均不理想。
發明內容據此，本實用新型提供一種制造方便、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單軸微型步進電機。 本實用新型提出的新的技術方案如下
3[0008] 1、所述的單片機直接驅動的單軸微型步進電機，包括外殼上蓋(1)和下蓋(2)、永 磁轉子(8)、定子鐵心體(16)、相線圈(12)， I級和II級傳動齒輪組等，其電機內置PCB板 (14) ， PCB板(14)上含專用驅動芯片IC(15)。 2、所述的單片機直接驅動的單軸微型步進電機，其電機內部設計了一個閉合的不 規則環狀定子鐵心體(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成的定子鐵心體(16)上。 3、所述的單片機直接驅動的單軸微型步進電機，其電機內PCB板(14)包含一款帶 輸入緩沖器的專用驅動芯片IC(15)，該驅動芯片(15)是一塊貼片封裝的8個引腳的專用芯 片，其輸出引腳0UTA1 、 0UTA2 、 0UTA3 、 0UTA4直接與電機左、右兩相線圈相連，驅動芯片(15) 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/0 口可直接與方向控制引腳(4)、轉角控制引腳(5)相連。 4、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，其主動輪即永 磁轉子(8)是一個12個齒的轉子，其中轉子是以12個齒的塑料齒輪內，相嵌一個環型的永 磁體，其轉子軸(17)為不銹鋼針，從動輪(9)具有72齒，其轉軸(18)為不銹鋼針。 5、所述的微型步進電機，其齒輪系統包含永磁轉子(8)作為I級傳動齒輪組的主 動輪，再帶動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)。 6、所述的II級傳動齒輪系，其II級傳動輪與指針軸同軸相連，其主動輪 (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。 與現有儀表用步進電機相比，本實用新型大大降低了齒輪模具加工的難度和電機 控制的復雜度，省去了步進電機所有的外圍驅動電路，其內置專用驅動IC(15)，帶輸入緩沖 器，并可提供四倍細分的驅動信號，可以實現驅動軸指針以1/12°微步距無抖動輸出，因此 特別有利于步進電機在微、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是本實用新型外形圖； 圖2是本實用新型內部結構爆炸圖； 圖3是本實用新型齒輪系統結構示意圖； 圖4是本實用新型電機引出腳接線圖； 圖5是本實用新型內置電機驅動PCB板的結構示意圖； 圖6是本實用新型定子鐵心體正視圖和側視圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步說明。 本實用新型的整體結構包括外殼上蓋(1)和下蓋(2)、驅動軸(3)、電機輸出引出 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)、驅動電路PCB板(14)、驅動專用芯片(15)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，其中驅動電路PCB(14)包含了驅動專用芯片(15)并與電機外部引腳 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)。 所述減速齒輪系為減速比為90 : 1的二級傳動齒輪體系，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)為不導磁的不銹鋼針。轉子(8)的12 個齒的齒輪與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)也為不銹鋼針。
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)嚙合傳動，組成第
二級減速傳動結構，2級減速比為90 : 6 : 1 = 15 : i。由于不銹鋼驅動軸(3)與n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，其兩相線圈的接線腳(13)則分別焊接并固定在PCB板上。利用磁 導的變化產生轉矩。按照計算機仿真及試驗表明，這種結構特別有利于磁場的均勻分布，并 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)置于電機殼內，該電路板上包含八腳的貼 片封裝專用驅動芯片(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可以看出電機的引腳實際上是通過驅動芯片(15)后再引出了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)， 驅動芯片(15)的CWD、FA兩個端口為電機驅動芯片的輸入端口，VDD、VSS分別為電源與地。 其中CWD用于接收指針軸旋轉方向控制信號、FA用于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允許的電源電壓范圍5 12V，可由用戶自主確定。驅動芯片 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。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，經過驅動芯片(15)內部電路處理后，由芯片的四個輸出引腳0UT1、0UT2、0UT3、0UT4產 生精確控制的階梯形狀變化的電流波脈沖序列，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的減速傳動后驅動指針軸(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。 本實用新型與現有的儀表用步進電機相比，其步進電機輸出腳已經重新進行了定 義，已不是單純的電機兩組相線圈輸出腳，而是可直接與單片機接口的控制信號線，完全去 掉了外部接口電路，是一款實現真正意義上的機電一體化步進電機。
權利要求一種單片機直接驅動的單軸微型步進電機，包括外殼上蓋(1)和下蓋(2)、永磁轉子(8)、定子鐵心體(16)、相線圈(12)，I級和II級傳動齒輪組等，其特征在于，電機內置PCB板(14)，PCB板(14)上含專用驅動芯片IC(15)。
2. 根據權利要求1所述的單片機直接驅動的單軸微型步進電機，其特征在于，電機內 部設計了一個閉合的不規則環狀定子鐵心體(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成的定子鐵心體(16)上。
3. 根據權利要求1所述的單片機直接驅動的單軸微型步進電機，其特征在于，電機內 PCB板(14)包含一款帶輸入緩沖器的專用驅動芯片IC(15)，該驅動芯片(15)是一塊貼片 封裝的8個引腳的專用芯片，其輸出引腳0UTA1 、0UTA2、0UTA3、0UTA4直接與電機左、右兩相 線圈相連，驅動芯片(15)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1/0 口可直接與方向控制引腳(4)、轉角控制引腳(5) 相連。
4. 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 特征在于，主動輪即永磁轉子(8)是一個12個齒的轉子，其中轉子是以12個齒的塑料齒輪 內，相嵌一個環型的永磁體，其轉子軸(17)為不銹鋼針，從動輪(9)具有72齒，其轉軸(18) 為不銹鋼針。
5. 根據權利要求l所述的微型步進電機，其特征在于，齒輪系統包含永磁轉子(8)作 為I級傳動齒輪組的主動輪，再帶動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)。
6. 根據權利要求1所述的II級傳動齒輪系，其特征在于II級傳動輪與指針軸同軸相 連，其主動輪(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<formula>formula see original document page 2</formula>
專利摘要本實用新型公開了一種由單片機直接驅動的單軸微型步進電機，包括外殼上蓋(1)和下蓋(2)、定子鐵心體(16)、永磁轉子(8)、相線圈(12)，I級和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個齒，轉子(8)與所述的I級傳動齒輪組從動輪(9)嚙合傳動，II級傳動齒輪組主動輪與II級傳動齒輪組的從動輪(11)嚙合傳動，其驅動電路PCB板(14)安裝在步進電機內部，PCB板上焊接有專用芯片IC(15)，電機外殼上引出四個引腳，分別是方向控制腳(4)、轉角控制腳(5)、電源腳(7)以及接地腳(6)，通過單片機I/O口直接控制電機的轉動角度與轉動方向，使用時無須另加驅動電路，特別有利于其應用與推廣。
文檔編號F16H1/20GK201490868SQ20092006610
公開日2010年5月26日 申請日期2009年9月29日 優先權日2009年9月29日
發明者盧力, 盧文波, 盧芳云, 彭希南, 彭程, 荀慶來, 謝穩, 金鵬偉 申請人:彭希南