专利名称：单片机直接驱动的单轴微型步进电机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种单片机直接驱动的单轴微型步进电机，主要应用于各类数字
化指针式仪表的指针驱动。
背景技术：
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行部件，通过电机的输出轴带动仪表 指针，是实现数字化仪表的关键元器件之一 。相对于模拟电磁式仪表，步进电机式仪表由于 取消了油丝等阻尼部件，具有指示精度高，使用寿命长，可靠性高等多种优点，特别是其数 字化处理数据方式，既满足了人们的观察习惯，更是模拟电磁式仪表的最佳更新换代产品。 目前比较常见的步进电机主要由外壳、永磁转子、定子铁心、两相线圈、驱动转子 齿轮系、指针轴等组成。其工作原理大同小异，一般是向两相线圈施加精确控制的脉冲序 列，周期性改变转子周围的磁场，从而使转子通过齿轮系驱动指针轴转动，以达到精确控制 的目的。由于步进电机的固有步距角的限制，如果要实现指针的平滑无抖动转动，则需要进 一步微步距细分控制，一般在步进电机的外部另加驱动电路的方法，从而使两相线圈内产 生阶梯性变化的电流波，实际上是将步进电机的固有步距角进一步细分，实现指针平滑移 动，但仪表用的步进电机几何尺寸小，精细加工技术复杂，成品率较低，国内制造有一定的 难度，因此制约了该项先进技术在仪表市场的广泛应用。 目前国外的可直接驱动的单轴微型步进电机通常采用180 : l齿轮系传动，步进 电机内部转子采用6个齿，相邻的齿距为60。，因此对应转子旋转18(T ，相当于转动轴指 针转动180° /180=1° ，在两相六拍工作方式下，每一拍相当于转子旋转60。，指针驱动 轴通过180 : l齿轮传动后旋转60。 /180° =1/3° ，再通过4倍细分驱动方式，驱动轴可 实现1/3° +4 = 1/12°微步转动。 但是这种步进电机有六个明显缺陷，第一，180 : 1的齿轮系传动机构带来齿轮模 具加工的难度，180个齿的齿轮模具需要特殊的数控设备来精细加工，目前国内制造有相当 的难度，成品合格率较低，从而提高了生产成本；第二，在两相六拍工作方式下，每一工作节 拍指示轴指针将旋转1/3。，所以其固有步距角为1/3° ，这样转动时会有明显的抖动，不 能模拟出类似电磁式仪表盘指针移动的平滑性；第三，由于固有步距角带来的误差同时限 制了指示精度；第四，为实现指针旋转平滑，提高指示精度，必须通过在电机外另接驱动芯 片并以4倍细分驱动方式，来实现指针轴的1/12°微步转动；第五，由于外接驱动芯片，因 此电机输出脚不能与单片计算机1/0 口直接接口，继而增加了使用者的麻烦，带来应有的 诸多不便；第六，所有的传动轴均采用塑料材料，其耐磨性与耐久性均不理想。
发明内容据此，本实用新型提供一种制造方便、加工简单、成本较低、指示精度高、可与单片 计算机I/O 口直接接口，且无须外部电路驱动的单轴微型步进电机。 本实用新型提出的新的技术方案如下
3[0008] 1、所述的单片机直接驱动的单轴微型步进电机，包括外壳上盖(1)和下盖(2)、永 磁转子(8)、定子铁心体(16)、相线圈(12)， I级和II级传动齿轮组等，其电机内置PCB板 (14) ， PCB板(14)上含专用驱动芯片IC(15)。 2、所述的单片机直接驱动的单轴微型步进电机，其电机内部设计了一个闭合的不 规则环状定子铁心体(16)，定子铁心体由三片坡莫合金板重叠而成，左、右两相线圈(12) 互成90°夹角分别固定在坡莫合金板构成的定子铁心体(16)上。 3、所述的单片机直接驱动的单轴微型步进电机，其电机内PCB板(14)包含一款带 输入缓冲器的专用驱动芯片IC(15)，该驱动芯片(15)是一块贴片封装的8个引脚的专用芯 片，其输出引脚0UTA1 、 0UTA2 、 0UTA3 、 0UTA4直接与电机左、右两相线圈相连，驱动芯片(15) 的方向控制引脚(4)、转角控制引脚(5)、电源引脚VDD(7)、接地引脚VSS(6)直接引向电机 外部，单片机I/0 口可直接与方向控制引脚(4)、转角控制引脚(5)相连。 4、所述的I级传动齿轮系，包含主动轮(8)和从动轮(9)两个部分，其主动轮即永 磁转子(8)是一个12个齿的转子，其中转子是以12个齿的塑料齿轮内，相嵌一个环型的永 磁体，其转子轴(17)为不锈钢针，从动轮(9)具有72齿，其转轴(18)为不锈钢针。 5、所述的微型步进电机，其齿轮系统包含永磁转子(8)作为I级传动齿轮组的主 动轮，再带动I级传动齿轮组的从动轮(9) ， II级传动齿轮组主动轮(10)带动II级传动齿 轮组从动轮(11)。 6、所述的II级传动齿轮系，其II级传动轮与指针轴同轴相连，其主动轮 (10)为6齿，从动轮(11)具有90齿，因此两级减速齿轮传动系统总的减速比为 ((72 + 12) X (90 + 6)) : 1 = 90 : 1。 与现有仪表用步进电机相比，本实用新型大大降低了齿轮模具加工的难度和电机 控制的复杂度，省去了步进电机所有的外围驱动电路，其内置专用驱动IC(15)，带输入缓冲 器，并可提供四倍细分的驱动信号，可以实现驱动轴指针以1/12°微步距无抖动输出，因此 特别有利于步进电机在微、小型仪表上的应用与推广，真正实现机电一体化的步进电机。
图l是本实用新型外形图； 图2是本实用新型内部结构爆炸图； 图3是本实用新型齿轮系统结构示意图； 图4是本实用新型电机引出脚接线图； 图5是本实用新型内置电机驱动PCB板的结构示意图； 图6是本实用新型定子铁心体正视图和侧视图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步说明。 本实用新型的整体结构包括外壳上盖(1)和下盖(2)、驱动轴(3)、电机输出引出 脚(4) (5) (6) (7)、减速齿轮系(8) (9) (10) (11)、定子铁心体(16)、左右两相线圈(12)、两相 线圈的接线脚(13)、驱动电路PCB板(14)、驱动专用芯片(15)几大部分组成，其中减速齿 轮系包含永磁转子(8)、 I级传动齿轮组从动轮(9)、 II级传动齿轮组主动轮(10)与从动轮(11)等部分组成，其中驱动电路PCB(14)包含了驱动专用芯片(15)并与电机外部引脚 相连，在电机外壳上直接引出方向控制引脚(4)、转角控制引脚(5)、电源引脚(7)以及地引 脚(6)。 所述减速齿轮系为减速比为90 : 1的二级传动齿轮体系，永磁转子(8)为齿轮系 的运动源，直接由左、右两相线圈所产生的磁场推动。永磁转子(8)是以12个齿的塑料齿 轮为本体外壳，内嵌一个环型的永磁体，转子轴(17)为不导磁的不锈钢针。转子(8)的12 个齿的齿轮与I级传动齿轮组从动轮(9)的72齿从动轮啮合传动，组成第一级减速传动结
构，i级减速比为72 : 12 : 1 = 6 : i，其i级传动齿轮组从动轮转轴(18)也为不锈钢针。
II级传动齿轮组的6齿主动轮(10)与II级传动齿轮90齿从动轮(11)啮合传动，组成第
二级减速传动结构，2级减速比为90 : 6 : 1 = 15 : i。由于不锈钢驱动轴(3)与n级
传动齿轮组从动轮(11)同轴相连，因此，从转子(8)输入到指针驱动轴(3)输出形成两级 90 : l的减速齿轮系。该齿轮系的特点是，所有传动齿轮齿数均不大于90，从而大大降低
了齿轮的加工难度，有利于提高齿轮模具的精细加工精度以及提高了齿轮注塑的成品率。 所述的步进电机设计了一个闭合的由三片坡莫合金板重叠而成的不规则环状定 子铁心体(16)结构(参见图6)，左、右两相线圈(12)互成90°夹角分别固定在坡莫合金 板构成的定子铁心体上，其两相线圈的接线脚(13)则分别焊接并固定在PCB板上。利用磁 导的变化产生转矩。按照计算机仿真及试验表明，这种结构特别有利于磁场的均匀分布，并 大大提高磁场强度、增大输出力矩和动态响应速度。 所述步进电机专用驱动电路PCB板(14)置于电机壳内，该电路板上包含八脚的贴 片封装专用驱动芯片(15)，左、右两相线圈(12)的引脚(13)也焊接固定在PCB板上。从 图4、图2可以看出电机的引脚实际上是通过驱动芯片(15)后再引出了4个引脚到电机外 部，分别定义为方向控制引脚(4)、转角控制引脚(5)、电源引脚VDD(7)和接地引脚VSS(6)， 驱动芯片(15)的CWD、FA两个端口为电机驱动芯片的输入端口，VDD、VSS分别为电源与地。 其中CWD用于接收指针轴旋转方向控制信号、FA用于接收指针轴旋转角度控制信号，VSS与 VDD分别为地与电源端。VDD允许的电源电压范围5 12V，可由用户自主确定。驱动芯片 的输出引脚为0UT1、 0UT2、 0UT3、 0UT4，分别直接与电机的左右两相线圈相连。为实现指针 驱动轴1/12°微步距输出，驱动电路工作时，通过CWD与FA引脚接收单片机发来的控制信 号，经过驱动芯片(15)内部电路处理后，由芯片的四个输出引脚0UT1、0UT2、0UT3、0UT4产 生精确控制的阶梯形状变化的电流波脉冲序列，从而使定子体及左右两相线圈产生周期性 变化的磁场，驱动转子转动，经两级90 : 1的减速传动后驱动指针轴(3)实现1/12°的微 步细分转动。 专用IC(15)对指针轴(3)旋转方向控制原理如下右相线圈电压相位领先左相线 圈的电压n/3，指针轴逆时针旋转；若左相线圈相位超前右相线圈Ji/3，指针将顺时针旋转。 本实用新型与现有的仪表用步进电机相比，其步进电机输出脚已经重新进行了定 义，已不是单纯的电机两组相线圈输出脚，而是可直接与单片机接口的控制信号线，完全去 掉了外部接口电路，是一款实现真正意义上的机电一体化步进电机。
权利要求一种单片机直接驱动的单轴微型步进电机，包括外壳上盖(1)和下盖(2)、永磁转子(8)、定子铁心体(16)、相线圈(12)，I级和II级传动齿轮组等，其特征在于，电机内置PCB板(14)，PCB板(14)上含专用驱动芯片IC(15)。
2. 根据权利要求1所述的单片机直接驱动的单轴微型步进电机，其特征在于，电机内 部设计了一个闭合的不规则环状定子铁心体(16)，定子铁心体由三片坡莫合金板重叠而 成，左、右两相线圈(12)互成90°夹角分别固定在坡莫合金板构成的定子铁心体(16)上。
3. 根据权利要求1所述的单片机直接驱动的单轴微型步进电机，其特征在于，电机内 PCB板(14)包含一款带输入缓冲器的专用驱动芯片IC(15)，该驱动芯片(15)是一块贴片 封装的8个引脚的专用芯片，其输出引脚0UTA1 、0UTA2、0UTA3、0UTA4直接与电机左、右两相 线圈相连，驱动芯片(15)的方向控制引脚(4)、转角控制引脚(5)、电源引脚VDD(7)、接地引 脚VSS(6)直接引向电机外部，单片机1/0 口可直接与方向控制引脚(4)、转角控制引脚(5) 相连。
4. 根据权利要求1所述的I级传动齿轮系，包含主动轮(8)和从动轮(9)两个部分，其 特征在于，主动轮即永磁转子(8)是一个12个齿的转子，其中转子是以12个齿的塑料齿轮 内，相嵌一个环型的永磁体，其转子轴(17)为不锈钢针，从动轮(9)具有72齿，其转轴(18) 为不锈钢针。
5. 根据权利要求l所述的微型步进电机，其特征在于，齿轮系统包含永磁转子(8)作 为I级传动齿轮组的主动轮，再带动I级传动齿轮组的从动轮(9) ， II级传动齿轮组主动轮 (10)带动II级传动齿轮组从动轮(11)。
6. 根据权利要求1所述的II级传动齿轮系，其特征在于II级传动轮与指针轴同轴相 连，其主动轮(10)为6齿，从动轮(11)具有90齿，因此两级减速齿轮传动系统总的减速比 为<formula>formula see original document page 2</formula>
专利摘要本实用新型公开了一种由单片机直接驱动的单轴微型步进电机，包括外壳上盖(1)和下盖(2)、定子铁心体(16)、永磁转子(8)、相线圈(12)，I级和II级传动齿轮组等，其中II级传动齿轮组从动轮(11)连接有指针驱动轴(3)，所述的转子(8)设有12个齿，转子(8)与所述的I级传动齿轮组从动轮(9)啮合传动，II级传动齿轮组主动轮与II级传动齿轮组的从动轮(11)啮合传动，其驱动电路PCB板(14)安装在步进电机内部，PCB板上焊接有专用芯片IC(15)，电机外壳上引出四个引脚，分别是方向控制脚(4)、转角控制脚(5)、电源脚(7)以及接地脚(6)，通过单片机I/O口直接控制电机的转动角度与转动方向，使用时无须另加驱动电路，特别有利于其应用与推广。
文档编号F16H1/20GK201490868SQ20092006610
公开日2010年5月26日 申请日期2009年9月29日 优先权日2009年9月29日
发明者卢力, 卢文波, 卢芳云, 彭希南, 彭程, 荀庆来, 谢稳, 金鹏伟 申请人:彭希南