步进电机介绍
步进电机发展史
步进电机发展史引言步进电机是一种将电脉冲转化为机械运动的电机，具有精确定位、结构简单、体积小等特点，在自动化控制领域得到广泛应用。
本文将从步进电机的起源、发展、应用等方面进行介绍。
一、步进电机的起源步进电机的起源可追溯到19世纪末的欧洲。
当时，科学家们开始研究如何利用电力驱动机械运动。
1882年，法国科学家Paul-Gustave Froment发明了第一台电磁式步进电机，它利用电磁铁产生的磁力来推动转子旋转。
此后，步进电机的概念逐渐被人们认可，并在不同领域得到了应用。
二、步进电机的发展1. 电磁式步进电机电磁式步进电机是最早应用的一种步进电机，它利用电流通过线圈产生的磁场来推动转子运动。
20世纪初，电磁式步进电机得到了进一步的发展和改进，例如增加线圈数目、改善磁路结构等，使其性能和精度有了显著提升。
2. 磁滞式步进电机磁滞式步进电机是20世纪40年代出现的一种新型步进电机。
它采用了磁化和磁滞现象来推动转子运动，具有响应速度快、力矩大、噪音低等优点。
磁滞式步进电机的出现使步进电机在工业自动化领域得到了更广泛的应用。
3. 混合式步进电机混合式步进电机是20世纪60年代出现的一种新型步进电机。
它结合了电磁式步进电机和磁滞式步进电机的优点，具有高精度、高扭矩和低噪音等特点。
混合式步进电机的出现推动了步进电机在精密仪器、医疗设备、数控机床等领域的广泛应用。
4. 直线步进电机直线步进电机是21世纪初出现的一种新型步进电机。
与传统的旋转步进电机不同，直线步进电机的转子是直线运动的，可用于实现直线定位和运动控制。
直线步进电机具有高精度、高速度和高加速度等优点，广泛应用于机器人、印刷设备、光刻机等领域。
三、步进电机的应用步进电机的应用领域非常广泛，包括但不限于以下几个方面：1. 机床行业：步进电机广泛应用于数控机床、激光切割机、雕刻机等设备，用于实现精密定位和运动控制。
2. 自动化设备：步进电机被广泛应用于自动包装机、输送机、机械手臂等设备，用于实现物料输送和自动化操作。
步进电机基础知识
什么是步进电机？步进电机：也称脉冲电机，是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
基本原理通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。
该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。
当定子的矢量磁场旋转一个角度。
转子也随着该磁场转一个角度。
每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。
它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。
改变绕组通电的顺序，电机就会反转。
所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。
电机开环控制一种控制电机、不使用反馈回路、就能进行速度控制及定位控制，即所谓的电机开环控制。
步进电机开环控制原理定子一相绕组流过直流电流，最近该相的转子齿被定子相吸引，电磁转矩大于负载转矩从而使转子运动。
电机基本分类按电压种类分:AC（交流）驱动、DC（直流）驱动。
按旋转速度与电源频率关系分：同步电机、异步电机。
步进电机概要1.步进电机的地位步进电机属于：DC驱动的同步电机，但无法直接用DC或AC电源来驱动，需要配备驱动器。
2.步进电机驱动电路的功能驱动电路任务：按顺序指令切换DC电源的电流流入步进电机的各相线圈。
驱动电路将电机定子与DC电源连接在一起工作。
驱动器（驱动电路）由决定换向顺序的控制电路（或称为逻辑电路）与控制电机输出功率的换相电路（或称为功率电路（Power stage））组成。
步进电机应用及特点
步进电机应用及特点
步进电机是一种精密电动机，具有许多特点。
本文将围绕步进电机的
应用和特点展开讨论。
一、步进电机的应用
步进电机因其精度高、定位准确、摆动小、可靠性好等特点，在工控、机器人、医疗设备等行业得到广泛应用。
现阐述其具体应用如下：
1. 工业自动化：步进电机可以与传感器、电子尺等联动，实现产品自
动输送、定位、排序等功能。
2. 3D打印：步进电机可以控制打印头运动，实现多维度打印。
3. 摄影设备：步进电机可用于导轨和云台的控制，实现时间轴延时摄
影等功能。
4. 医疗设备：步进电机具有精准定位的特点，在医疗设备中可用于手
术机器人、影像设备等。
5. 家电行业：步进电机被广泛应用于各类家电产品中，如汲水泵、洗
衣机等。
二、步进电机的特点
步进电机由于其特殊的建构，具有许多特点。
现详细介绍其特点如下：
1. 精度高：步进电机的转动可达到微米级精度，定位准确。
2. 控制方式多样：步进电机的控制方式主要有全步、半步、微步等。
不同控制方式运动效果不同，可以根据需求进行调整。
3. 静音运行：步进电机运转时噪声小，能够使设备运行更加安静。
4. 输出转矩大：在一定条件下，步进电机高速运转时可承受较大的负载。
5. 体积小、重量轻：步进电机通常体积小，重量轻，安装维护方便。
综上所述，步进电机应用广泛，既可以实现一些定位、传动功能，又可以在一些特殊领域中起到比较重要的作用。
同时，步进电机具有精度高、控制方式多样、静音运行、输出转矩大、体积小、重量轻等特点，因此得到了越来越多的应用和推广。
步进电机结构及原理
步进电机结构及原理
步进电机是一种将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
它利用电磁学原理，将电能转换为机械能。
其结构通常包括前后端盖、轴承、中心轴、转子铁芯、定子铁芯、定子组件、波纹垫圈和螺钉等部分。
步进电机的工作原理基于电磁感应定律。
当施加在电机线圈上的电脉冲信号产生磁场时，磁场与定子铁芯相互作用产生转矩，驱动转子旋转。
通过控制施加在电机线圈上的电脉冲顺序、频率和数量，可以实现对步进电机的转向、速度和旋转角度的控制。
每接收一个脉冲信号，步进电机就按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，其旋转是以固定的角度一步一步运行的。
步进电机具有一些显著的特点。
首先，它们是开环控制系统的一部分，这意味着它们不依赖于位置反馈来调节运动。
其次，步进电机具有高精度的定位能力，这使得它们在需要精确控制位置的应用中非常有用。
此外，步进电机可以在不同的负载条件下保持恒定的速度，因为电机的转速只取决于脉冲信号的频率，而不受负载变化的影响。
总的来说，步进电机是一种功能强大且适应性强的电机类型，广泛应用于各种需要精确控制位置和速度的场合。
如需了解更多信息，建议咨询电机方面的专家或查阅相关专业书籍。
步进电机的原理
步进电机的原理
步进电机是一种通过电信号控制转子按一定步长运动的电机。
其工作原理是将电信号转化为磁场，进而驱动转子。
步进电机通常由定子和转子组成。
定子含有若干绕组，每个绕组在电流作用下产生磁场。
转子上有多对永磁体，其磁极数目与定子绕组数目相一致。
当给定子绕组通电时，会在定子上产生磁场，这个磁场会吸引转子上的永磁体，使转子翻转一定的角度。
通过改变定子绕组通电的顺序和时间，可以控制转子按一定步长顺时针或逆时针旋转。
步进电机一般由驱动器和控制器配合使用。
驱动器将控制器发送的电信号转换为合适的电流和电压，以驱动步进电机。
控制器根据需要设定转子运动的步长和方向，并发出相应的电信号给驱动器。
步进电机具有精准定位、运动平稳等特点，适用于需要精确控制位置和转速的设备。
它被广泛应用于打印机、数控设备、机器人、电子仪器等领域。
步进电机驱动丝杆转动的原理
步进电机驱动丝杆转动的原理1. 基本概念介绍1.1 步进电机的基础嘿，大家好！今天咱们要聊聊一种非常酷的东西，叫做步进电机。
你可以把它想象成一种超级勤奋的小电动马达。
这个小家伙的特别之处在于它能够一步一步地前进，不像普通的电机那样一转就完事儿。
它的每一步都是精确控制的，所以在各种高精度要求的设备中都能看到它的身影，比如打印机、电脑硬盘，甚至是那些复杂的工业机械。
1.2 丝杆的作用接下来，咱们来说说丝杆。
丝杆，听起来是不是有点像古代的兵器？实际上，它的工作原理要简单得多。
想象一下你有一个非常长的螺丝，用力旋转它就能把东西拧进或拧出来。
丝杆的工作原理就是这个样子。
它通过旋转将旋转的动作转换成直线的移动，类似于你用手把螺丝旋进木头里。
2. 步进电机与丝杆的联动2.1 步进电机如何驱动丝杆好啦，现在我们要讲的是如何把这两个小伙伴——步进电机和丝杆——结合起来，让它们配合得天衣无缝。
首先，步进电机和丝杆之间有一个叫做“联轴器”的小配件，它的作用就是将步进电机的旋转运动传递给丝杆。
联轴器就像是步进电机和丝杆之间的小桥梁，确保运动能顺畅地从电机传递到丝杆上。
2.2 精确控制的魔力步进电机之所以神奇，是因为它能将电流的不同组合转换成不同的旋转角度。
每当电机转动一个小角度，丝杆也会跟着转动一点点。
这样一步一步的转动就能让丝杆移动得非常精确。
说白了，步进电机就像是个细心的工匠，它一边转一边细细地计算，确保丝杆的每一步都是准确无误的。
比如你在调节一个机械臂的位置，步进电机能确保它的每个动作都是精准到位的，绝不会出现东拉西扯的情况。
3. 实际应用场景3.1 工业中的应用咱们再看看这些神奇的设备在实际生活中的应用。
比如在工业制造中，步进电机驱动丝杆是常见的组合。
你可以在那些需要高精度位置控制的机器上看到它们，比如数控机床、自动化装配线等。
它们的精确控制就像是给机器装上了一双“慧眼”，能够准确地完成各种复杂的任务。
试想一下，如果没有这种精确的控制，那些高精度的零件肯定就会变成四不像了。
步进电机型号参数选择
步进电机型号参数选择步进电机是一种能将数字脉冲信号转换为角位移或直线位移的电机。
它通过控制电流的连续变化实现位置控制，具有精度高、稳定性好、启停速度快等优点。
步进电机在许多领域中广泛应用，包括机械、电子设备、医疗器械等。
本文将介绍几种常见的步进电机型号、参数和选择方法。
一、步进电机型号1.42型步进电机42型步进电机是一种直径为42mm的经典步进电机。
它由两相或四相线圈组成，每一相的线圈可以通过一个电流控制芯片驱动。
42型步进电机具有结构简单、驱动电流小、噪音低等特点，广泛应用于一些小型机械设备中。
2.57型步进电机57型步进电机是一种直径为57mm的步进电机。
它由四相线圈组成，每一相的线圈可以通过一个电流控制芯片驱动。
57型步进电机具有结构稳定、扭矩输出大、运行平稳等特点，广泛应用于一些需要较大扭矩输出的场合。
3.86型步进电机86型步进电机是一种直径为86mm的大功率步进电机。
它由四相线圈组成，每一相的线圈可以通过一个电流控制芯片驱动。
86型步进电机具有功率大、运行平稳等特点，广泛应用于一些需要大功率输出的机械设备。
二、步进电机参数1.步距角：步进电机通常以步距角来描述，它表示每次接收一个脉冲信号时电机转动的角度。
常见的步距角有1.8度型和0.9度型。
1.8度型步进电机每个步距可以转动1.8度，0.9度型步进电机则可以转动0.9度。
2.额定电流：步进电机的额定电流是指电机在正常工作时所需的电流大小。
一般来说，额定电流越大，电机的输出扭矩就越大，但也会产生更多的热量。
3.驱动电压：步进电机的驱动电压是指电机在正常工作时所需的电压大小。
一般来说，驱动电压越高，电机的运行速度就越快，但也会增加驱动电路的复杂度。
4.静态扭矩：步进电机的静态扭矩是指在停止时所能提供的最大转矩。
它通常与步进电机的物理结构和线圈参数有关。
5.转动惯量：步进电机的转动惯量是指电机转动一定角度所需的转动力矩大小。
它通常与电机的转子质量和转子结构有关。
步进电机控制方法
步进电机控制方法步进电机是一种常见的电动执行器，广泛应用于各个领域的控制系统中。
它具有结构简单、控制方便、定位精度高等优点，是现代自动化控制系统中必不可少的重要组成部分。
本文将从基本原理、控制方法、应用案例等方面对步进电机进行详细介绍。
1. 基本原理步进电机是一种通过输入控制信号使电机转动一个固定角度的电机。
其基本原理是借助于电磁原理，通过交替激励电机的不同线圈，使电机以一个固定的步距旋转。
步进电机通常由定子和转子两部分组成，定子上布置有若干个线圈，而转子则包含若干个极对磁体。
2. 控制方法步进电机的控制方法主要包括开环控制和闭环控制两种。
开环控制是指根据既定的输入信号频率和相位来驱动电机，控制电机旋转到所需位置。
这种方法简单直接，但存在定位误差和系统响应不稳定的问题。
闭环控制则是在开环控制的基础上，增加了位置反馈系统，通过不断校正电机的实际位置来实现更精确的控制。
闭环控制方法相对复杂，但可以提高系统的定位精度和响应速度。
3. 控制算法控制步进电机的常用算法有两种，一种是全步进算法，另一种是半步进算法。
全步进算法是指将电流逐个向电机的不同线圈通入，使其按照固定的步长旋转。
而半步进算法则是将电流逐渐增加或减小，使电机能够以更小的步长进行旋转。
半步进算法相对全步进算法而言，可以实现更高的旋转精度和更平滑的运动。
4. 应用案例步进电机广泛应用于各个领域的控制系统中。
例如，在机械领域中，步进电机被用于驱动数控机床、3D打印机等设备，实现精确的定位和运动控制。
在医疗设备领域，步进电机被应用于手术机器人、影像设备等，为医疗操作提供准确定位和精确运动。
此外，步进电机还广泛应用于家用电器、汽车控制、航空航天等领域。
总结：步进电机作为一种常见的电动执行器，具有结构简单、控制方便、定位精度高等优点，在自动化控制系统中扮演着重要的角色。
通过本文的介绍，我们了解到步进电机的基本原理、控制方法、算法以及应用案例等方面的知识。
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T
C
-p a o0 o1
p
b
qse
qr
静态稳定区
q
当加上一个控制脉冲信 号，矩角特性将转移到 矩角特性族中的下一条 矩角特性曲线，转子将 转到新的稳定平衡位置 o1。在改变通电状态时， 只有当转子起始位置位 于ab之间才能使它向o1 点运动。因此称区间ab 为电动机空载时的动态 稳定区。
脉冲频率很低时的低频共振 频率介于极低频与高频 之间，此时脉冲间隔较长，电 动机起动和运行一般不会有问 题。但是，如果等于或接近于 步进电动机的振荡频率时，电 动机就会出现低频共振。 A相通电，OA—d—OB—e— OB—d，此时第二个脉冲到来， 通电绕组由B相换为C相，工 作点由d移到f，由于转矩为负， 转子返向转动向O’C移动。
新矩角特性上对应点的转矩小于 负载转矩，转子不能到达新的稳 定平衡点o”1，而是向q减小的方 向运动，因此不能作步进运动。
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4.步进电机
由此可知，步进电动机能带的最大负载转矩要比最大静转矩 Tmax小。只有当负载转矩小于起动转矩(最大负载转矩)Tst，才 能保证电动机进行正常的步进运动。 若矩角特性为幅值相等的正弦波时，可得：
转子
q=0, T=0;
q>0, T<0 ;
q<0, T>0;
q=p, T=0
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4.步进电机
当只有一相绕组通电时，储存在电机气 隙中的磁场能量为
1 Wm LI 2 2
dWm T d
q Zr
磁导变化曲线
1 1 ( d q ) ( d q )cos q 2 2
4.2 反应式步进电动机的结构与工作原理
一、反应式步进电动机的结构 1. 单段式 2. 多段式
a)径向磁路 b)轴向磁路
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4.步进电机
径向磁路
1—线圈；2—定子；3—转子
轴向磁路
1—线圈；2—定子；3—磁轭
4—转子；5—引出线
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最大负载转矩(又称起动转矩)：
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4.步进电机
T
o"0
Tst TL1
-p o'0 o0 o'1 o1
-p
T o"1 TL2 Tst
p q
o0
o1
p q
TL1<Tst
TL2>Tst
因新的矩角特性曲线上对应点的电磁 转矩大于负载转矩，使转子加速并向 q增大的方向运动，最终到达新的稳 定平衡点o’1.
(机械角度)
N mC
此处，m为控制绕组相数，C为状态系数，单三、双三拍时， C=1；单双六拍时C=2。 如果连续不断地输入脉冲，则电机转子就连续旋转， 1 其转速与脉冲频率有关。每输入一个脉冲，转子转过： Zr N
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4.步进电机
每秒钟输入f 脉冲，则转过 f/ZrN 转，故电机转速为： 60 f n rpm Zr N
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4.步进电机
为减小振荡幅度和时间，可 增加阻尼：
•机械阻尼：增加电机转子的 干摩擦阻力或增加粘性阻力。 缺点：增大了惯性，快速性 能变坏，体积增大。 •电气阻尼：多相激磁阻尼、 延迟断开阻尼。优点：方法 简单，效果好。
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4.步进电机
绕组中通以直流电流时，转子的最后稳定位置; (2)失调角q：指步进电动机转子偏离初始平衡位置的电角度。 在反应式步进电动机中，转子一个齿距所对应的度数为2p电 弧度或360o电角度； (3)矩角特性：在不改变通电状态(即控制绕组电流不变)时， 步进电动机的静转矩与转子失调角的关系，即Tf(q)
定子
低频共振现象
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4.步进电机
脉冲频率很高时的连续运行 当控制脉冲的频率很高时， 脉冲间隔的时间很短，电机转 子尚未到达第一次振荡的幅值， 甚至还没有到达新的稳定平衡 位置，下一个脉冲就到来。此 时电机的运行已由步进变成了 连续平滑的转动，转速也比较 稳定。 当频率太高时，也会产生 失步，甚至还会产生高频振荡。
BC相导通
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4.步进电机
3. 三相单、双六拍运行方式
按A-AB-B-BC-C-CA或相反顺序通电，即需要六拍才完成一 个循环，因此步距角为： q qt 90 15 s 6 6
A
B'
4 3
A
C'
2 1
C'
1
B'
4
B
C
B
2 3
C
A'
A'
A相导通
AB相导通
W W 2 I
dWm 1 2 dL 1 Zr 2 d 2 T I (WI ) (WI ) d q sin ( Zr ) d 2 d 2 d 4
(
)
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4.步进电机
Tmax sin ( Zr ) Tmax sin q
J d 2 qe qe 0 2 Z rTmax dt
解为：
qe qe 0 cos 0t
Z rTmax 0 J
1 Z rTmax f0 2p J
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4.步进电机
2. 连续脉冲运行
极低频--连续步进运行
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4.步进电机
齿距角：
360 qt 90 Zr
步距角：
90 qs 3 3
qt
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4.步进电机
2. 三相双三拍运行方式
按AB-BC-CA-AB或相反的顺序通电，每次同时给两 相绕组通电，且三次换接为一个循环。步距角与三相单三 拍运行方式的步距角相同。
AB相导通
Z r (WI ) ( d q ) 4
2
Tmax
步进电动机的矩角特性
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4.步进电机
(4)静态稳态区：在空载时，稳定平衡位 置对应于q=0处，而q=180度则为不 稳定平衡位置。在静态情况下，如受 外力矩的作用使转子偏离稳定平衡位 置，但没有超出相邻的不稳定平衡点， 则当外力矩除去以后，电动机转子在 静态转矩作用下仍能回到原来的稳定 平衡点，所以二个不稳定平衡点之间 的区域构成静态稳定区。 (5)最大静转矩：Tmax=f(I)
4.步进电机
二、工作原理
三相反应式步进电动机有三种运行方式： (1) 三相单三拍运行； (2) 三相双三拍运行； (3) 三相单、双六拍运行 “三相” —指步进电机的相数； “单” —指每次只给一相绕组通电；“双”则是每次 同时给二相绕组通电； “三拍”—指通电三次完成一个循环
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当负载转矩为零，且不计阻尼作用时，用外力使转子偏离稳 定平衡位置一个小角度，然后释放，则转子将在电磁转矩作 用下向稳定位置运动，形成一个自由振荡，其运动方程为：
d J T dt
d 2q J 2 Tmax sin qe dt
qe Z r q
J d 2 qe sin qe 0 sin qe qe 2 Z rTmax dt
Tmax K
Z r (WI ) 2 ( d q ) 4
最大静转矩特性
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4.步进电机
(6) 矩角特性族
A T B C A
OA
OB
OC
2p qse 3
q
三拍时的矩角特性族
六拍时的矩角特性族
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4.步进电机
二、动态特性
360 qs pN 2p 2p p q se N 2m m
连续运行状态
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4.步进电机
起动频率和起动特性 fst 是指一定负载转矩下能够不失步地起动的脉冲最高频率， 它的大小与电动机本身参数、负载转矩及转动惯量的大小， 以及电源条件等因素有关。它是步进电动机的一项重要技术 指标。
fst=f(TL) fst=f(J)
起动矩频特性 起动惯频特性
4. 小步距角磁阻式步进电机
转子上有均匀分布的40个齿.
360 qt 9 40
360 360 qs 3 Z r N 40 3 1
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4.步进电机
小步距角步进电动机中的转子齿数，必须满足一定的要 求，才能保证电机产生步进运动。
当A相极面下的定、转子齿对齐时，B和C极面下的齿就分别 和转子齿相错三分之一的转子齿，即3度。 1 转子齿数应符合： Z r 2mp K 2mpK 2 p m
主要缺点：效率较低，需配适当的驱动电源，带惯性负载
的能力不强。
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4.步进电机
种类：
磁阻式(反应式)
励 磁 方 式 永磁式 混合式 运 行 方 式 旋转型
直线型
平面型
系统构成：
脉冲信 号输入 脉冲分配器 脉冲放大器 步进 电机
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4.步进电机
步进电机
4.步进电机
4.1 简介
步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲 信号转换成相应的角位移或线位移的控制电机。
主要优点：步距角和转速不受电压波动和负载变化的影响，
仅与脉冲频率有关。它每转一周都有固定的步数，在不丢步 的情况下运行，其步距误差不会长期积累，从而使它适合于 在数字控制的开环系统中作为驱动电动机，也可用作闭环系 统的驱动元件。