[发明专利]一种仪表用微型步进电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种仪表用微型步进电机，主要应用于汽车仪表和其它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，实际上是将固有步距角进一步细分，实现指针平滑移动。但仪表用步进电机又与常见的步进电机不同，一是几何尺寸更小；二是精细加工技术复杂，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。

目前国外的仪表用微型步进电机通常采用180∶1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180°，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°，指示轴指针通过180∶1齿轮传动后旋转60°/180°＝1/3°，再通过4倍细分驱动方式，指针驱动轴可实现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I/O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，本发明提供一种制造方便、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仪表用微型步进电机。

本发明提出的新的技术方案如下：

其一，为降低齿轮模具加工的难度，设计了一个90∶1的两级传动减速齿轮系统，通过增加一级齿轮组以减少每个齿轮的齿数，保证每个齿轮的齿数不大于90，以此来分解并降低齿轮模具加工的难度。

其二，永磁转子(8)由6齿增加到12齿，采用两相十二拍工作方式，每一拍相当于转子旋转360°/12＝30°，经90∶1的齿轮传动后，电机的固有步距角为也为30°/90＝1/3°，同时永磁转子(8)由6齿增加到12齿后，还减少了每一个齿的咬合次数，增加了转子的使用寿命。

其三，所有转动轴采用不导磁的不锈钢针，提高了耐磨性和耐久性。

其四，由于增加一级齿轮组，所以必须加强磁场强度和提高输出力矩来克服新增的静摩擦力和传动摩擦力。通过计算机仿真设计了一个新的异形定子铁心结构(16)，左右两相线圈(12)分别固定在铁心体上，利用磁导的变化产生转矩，以利于磁场的均匀分布，并大大提高磁场强度、输出力矩，同时提升动态响应速度和电机启动频率。

其五，为克服单片计算机I/O口不能直接驱动电机的缺点，本发明在电机内部安排了一块驱动PCB电路板，PCB电路板上焊接有一片专用驱动IC(15)，带输入缓冲器，并可提供4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。

本发明所述的仪表用微型步进电机，包括电机外壳上盖(1)和下盖(2)、定子铁心(16)、指针驱动轴(3)、I级传动减速齿轮系统(8)(9)、II级传动减速齿轮系统(10)(11)、左右两相线圈(12)、驱动PCB电路板(14)，一个8脚的SOIC贴片封装的电机专用驱动芯片(15)、在电机外壳上分别引出其方向控制引脚(4)、转角控制引脚(5)、电源引脚VDD(7)以及接地引脚VSS(6)等几部分。