步进电机在数控机床中的应用
步进电机控制方法
步进电机控制方法步进电机是一种将电脉冲信号转换为角位移的执行器，广泛应用于打印机、数控机床、纺织机械、包装设备等自动控制系统中。
步进电机控制方法的选择对于系统的性能和稳定性具有重要影响，下面将介绍几种常见的步进电机控制方法。
1. 开环控制。
开环控制是最简单的步进电机控制方法之一，通过给步进电机施加一定的脉冲信号来控制其旋转角度。
这种方法简单直接，但无法对步进电机的运动状态进行实时监测和调整，容易出现失步现象，适用于对精度要求不高的场合。
2. 半闭环控制。
半闭环控制是在开环控制的基础上增加了位置传感器反馈的控制方法。
通过位置传感器实时监测步进电机的位置，将反馈信息与设定值进行比较，从而实现对步进电机位置的闭环控制。
这种方法相比于开环控制能够更好地提高系统的稳定性和精度，但仍然存在一定的失步风险。
3. 闭环控制。
闭环控制是最为精确的步进电机控制方法，通过在步进电机上增加编码器等位置传感器，实时反馈步进电机的位置信息，并对其进行精确控制。
闭环控制能够及时调整步进电机的运动状态，减小失步风险，提高系统的稳定性和精度，适用于对位置精度要求较高的场合。
4. 微步进控制。
微步进控制是一种通过改变步进电机相序激励方式，使步进电机在每个步距内分成多个微步距的控制方法。
微步进控制能够提高步进电机的分辨率，减小振动和噪音，提高系统的平稳性和精度，适用于对步进电机运动要求较高的场合。
总结。
在实际应用中，步进电机控制方法的选择应根据具体的控制要求和系统性能需求来确定。
不同的控制方法各有特点，开环控制简单直接，但精度较低；半闭环控制提高了系统的稳定性和精度，但仍存在失步风险；闭环控制精度最高，但成本较高。
微步进控制能够提高步进电机的平稳性和分辨率，但相应的控制电路较为复杂。
因此，在选择步进电机控制方法时，需要综合考虑系统的实际需求和成本因素，选择最合适的控制方法来实现系统的稳定运行和高精度控制。
伺服电机和步进电机用途
伺服电机和步进电机用途伺服电机：伺服电机是一种能根据特定指令适应性地调整输出角度、速度和位置的电机。
它们广泛应用于需要高精度控制和快速动态响应的工业领域。
伺服电机主要用途包括但不限于：1.数控机床：在数控机床中，伺服电机用于驱动各轴运动，如X、Y、Z轴的精准定位和快速准确的移动。
2.自动化生产线：用于控制输送带、机械手和其他关键组件，帮助实现流水线生产的高效率和持续性。
3.飞行器航空电子设备：伺服电机在飞行器的航空电子设备中扮演重要角色，如调节方向舵和高低舵的位置，保证航空器的稳定飞行。
4.医疗设备：在医疗器械中，伺服电机被广泛应用于X射线机器、CT扫描仪和手术机器人等高精度设备中。
5.仪器仪表：用于控制测量和实验机器的运行，确保实验和测量过程的准确性和稳定性。
6.机器人：用于驱动机器人的关节运动，实现机器人的高速、高精度和多样化的动作。
步进电机：步进电机是一种将电信号转化为精确步进角度的电机，通常用于需要精确位置控制的应用。
步进电机的主要用途包括但不限于：1.打印机：步进电机被广泛应用于打印机中，控制打印头的水平和垂直移动，实现打印机的高精度打印。
2.机床设备：用于控制镗床、车床和磨床等机床设备中的工件夹持、切削和移动，确保加工精度和效率。
3.纺织设备：步进电机被用于控制织机、缝纫机和绕线机等纺织设备，确保纺织品的均匀织造和加工。
4.数码相机：用于控制数码相机的焦距、光圈和快门速度等参数，帮助用户捕捉高质量的照片和视频。
5.医疗器械：在医疗器械中，步进电机被广泛应用于X射线机器、实验设备和医疗机器人，帮助医护人员实现精准的操作和治疗。
6.通讯设备：用于调节天线的角度和方向，确保通讯设备的信号接收和传输的稳定性和可靠性。
综上所述，伺服电机和步进电机在工业生产和科技领域中都有着重要的用途，它们通过精准控制电机转动角度和速度，帮助实现各种复杂机械系统的高效、精准运行，提高生产效率和产品质量。
步进电机在数控机床中的作用是什么
步进电机在数控机床中的作用是什么在当今制造业中，数控机床扮演着至关重要的角色，它能够实现高精度、高效率的加工，满足各种复杂零部件的生产需求。
而在数控机床的众多关键部件中，步进电机发挥着不可或缺的作用。
要理解步进电机在数控机床中的作用，首先得知道什么是步进电机。
简单来说，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电机。
它的工作原理基于电磁铁原理，通过有序地切换不同的绕组通电状态，使电机按照固定的步距角转动。
在数控机床中，步进电机主要用于精确的位置控制。
比如在数控机床的坐标轴运动控制中，包括 X 轴、Y 轴和 Z 轴，步进电机能够根据控制系统发出的脉冲信号，精确地驱动工作台或刀具在相应的轴向上移动到指定的位置。
这种精确的位置控制对于加工出高精度的零件至关重要。
与其他类型的电机相比，步进电机具有一些独特的优点，使其特别适合在数控机床中使用。
其一，步进电机具有较高的定位精度。
由于它的步距角是固定的，而且不会受到负载变化、环境温度等因素的显著影响，所以能够提供稳定而精确的位置控制。
这意味着在数控机床加工过程中，即使是对精度要求极高的零件，也能够通过步进电机的精确驱动来实现。
其二，步进电机的控制相对简单。
只需要给电机输入一定频率和数量的脉冲信号，就能够准确地控制电机的转动速度和转角。
这使得数控机床的控制系统在设计和实现上相对容易，降低了系统的复杂性和成本。
其三，步进电机具有良好的响应特性。
它能够快速地响应脉冲信号的变化，实现快速启停和反转，这对于数控机床在加工过程中的频繁加减速和方向变化非常重要，有助于提高加工效率和表面质量。
然而，步进电机也并非十全十美。
它在高速运行时容易出现失步现象，而且输出扭矩相对较小。
但在数控机床的应用中，通过合理的设计和控制策略，这些不足往往能够得到有效的弥补。
具体来说，在数控机床的实际应用中，步进电机通常与丝杠、导轨等部件配合使用，将电机的旋转运动转化为直线运动。
例如，在铣床中，步进电机通过丝杠带动工作台在 X 轴和 Y 轴方向上移动，从而实现对工件的精确铣削加工；在车床中，步进电机则驱动刀架在 Z 轴方向上移动，实现对工件的车削加工。
数控技术及应用第6章 数控机床的电气驱动-步进电动机
工作方式
步进电机的工作方式可分为：三相单三拍；三相单、 步进电机的工作方式可分为：三相单三拍；三相单、 双六拍；三相双三拍等 双六拍；三相双三拍等。“单”是指每次只有一相 绕组通电，“三拍”是指每三次换接为一个循环。
一、三相单三拍
（1）三相绕组联接方式：Y 型 三相绕组联接方式： （2）三相绕组中的通电顺序为： 三相绕组中的通电顺序为： A相 → B相 → C相 通电顺序也可以为： 通电顺序也可以为： A 相 → C 相→ B 相
A 相通电使转子1、3齿和 AA' 对齐。 相通电使转子1 对齐。
A
B'
A C' B
B'
C' B
A'
C
A'
C
B相通电，转子2、4齿 相通电，转子 、 齿 相通电 相轴线对齐， 和B相轴线对齐，相对 相轴线对齐 A相通电位置转 °； 相通电位置转30° 相通电位置转
C相通电再转 ° 相通电再转30° 相通电再转
（3）工作过程 ） A 相通电，A 方向的磁 相通电，
A
B' 4 1 2 3 A'
通经转子形成闭合回路。 通经转子形成闭合回路。
C' B
若转子和磁场轴线方向 原有一定角度， 原有一定角度，则在磁 场的作用下，转子 场的作用下，
C
被磁化，吸引转子， 被磁化，吸引转子，由于磁力线总是要通过磁 阻最小的路径闭合， 阻最小的路径闭合，因此会在磁力线扭曲时产 生切向力而形成磁阻转矩，使转子转动，使转、 生切向力而形成磁阻转矩，使转子转动，使转、 定子的齿对齐停止转动。 定子的齿对齐停止转动。
2、步进电动机
工作原理： 工作原理 ： 步进电机是利用电磁铁原理,将脉冲 脉冲 线位移或角位移的电动机。每来一个 信号转换成线位移或角位移 线位移或角位移 信号 电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小 段距离。 特点： 特点：(1)来一个脉冲，转一个步距角。 (2)控制脉冲频率，可控制电机转速。 (3)改变脉冲顺序，改变转动方向。 (4)角位移量或线位移量与电脉冲数成正比。
步进电机的工作原理及应用
步进电机的工作原理及应用一、步进电机的工作原理步进电机是一种通过电脉冲信号控制旋转角度的电动机，它以固定的步距运动，因此被广泛应用于需要精确位置控制的场合。
步进电机的工作原理可以简单地归纳为两种类型：可变磁性步进电机和磁电磁步进电机。
1. 可变磁性步进电机可变磁性步进电机是利用永久磁石的磁性来实现步进运动的。
它由固定的定子和旋转的转子组成，其中转子上有多对磁极，每对磁极之间夹着一对相间的绕组。
当绕组中通入电流时，会在定子上产生磁场，与转子上的磁场相互作用，从而使转子发生旋转。
通过控制电流的通断，可以精确控制步进电机的角度。
2. 磁电磁步进电机磁电磁步进电机是利用电磁铁的磁性来实现步进运动的。
它由定子、转子和磁性材料制成的垫片组成。
定子上有多个电磁铁，负责产生磁场。
通过控制电磁铁的通断，可以使转子发生旋转。
与可变磁性步进电机相比，磁电磁步进电机具有扭矩大、加速快、响应速度高的优点。
二、步进电机的应用步进电机由于具有精确控制旋转角度的能力，被广泛应用于各个领域。
以下列举了几个主要的应用领域：1. 自动化设备步进电机常常被用于自动化设备中，如数控机床、自动化生产线等。
它可以通过精确的控制步距来实现位置定位、装配、切割等工作。
2. 3D打印在3D打印中，步进电机被用于控制打印头的移动，从而实现复杂的打印形状。
通过高精度的步进控制，可以打印出精细的细节和复杂的结构。
3. 机器人步进电机在机器人中扮演着重要的角色，用于控制机器人的关节运动。
通过精确的步进控制，可以实现机器人的精准定位和灵活运动。
4. 医疗设备步进电机在医疗设备中也有广泛的应用，如医疗机器人、手术器械等。
它可以精确控制医疗设备的运动，从而提高医疗操作的准确性和安全性。
5. 智能家居在智能家居领域，步进电机被用于控制窗帘、卷闸门等家居设备的开关。
通过步进控制，可以实现远程、自动化的操作。
6. 汽车行业步进电机也广泛应用于汽车行业，如汽车座椅调节、车窗升降等。
伺服电机与步进电机的特点与用途是什么
伺服电机与步进电机的特点与用途是什么伺服电机的特点与用途伺服电机是一种能够在外部输入控制信号的情况下，根据信号实时反馈调整输出轴位置的电机。
其特点主要包括以下几点：1.高精度性：伺服电机具有高精度的位置控制能力，能够实现精准的位置控制，因此在需要高精度位置控制的场合得到广泛应用，如工业机器人、数控机床等领域。
2.快速响应性：伺服电机响应速度快，能够在很短的时间内调整输出轴的位置，适用于需要快速响应的应用场合，比如印刷设备、包装机械等。
3.闭环控制：伺服电机通过使用反馈装置和控制系统进行闭环控制，能够实现更稳定和精确的位置控制，适用于对位置要求严格的应用场合。
4.负载能力强：伺服电机的负载能力较强，能够在承受一定负荷的情况下稳定工作，适用于需要承载较大负载的场合。
伺服电机的主要用途包括工业机器人、数控机床、飞机控制系统、印刷设备、包装机械、医疗设备等领域。
步进电机的特点与用途步进电机是一种将信号转化为确定步进角度的电机。
其特点主要包括以下几点：1.精确的位置控制：步进电机可以根据外部输入的脉冲信号准确地控制轴的位置，适用于需要精确位置控制的应用场合。
2.简单驱动控制：步进电机的驱动控制相对简单，只需提供正确的脉冲信号就可以实现位置控制，适用于需要简单控制系统的场合。
3.无需反馈装置：步进电机不需要额外的反馈装置进行闭环控制，减少了系统的复杂性和成本。
4.低速高力矩：步进电机在低速时能够提供较大的力矩，适用于需要大力矩输出的场合。
步进电机主要用于打印机、数码相机、扫描仪、精密仪器、医疗设备等领域，以及一些需要精确位置控制的自动化设备中。
总的来说，伺服电机适用于需要高精度、快速响应、稳定性强的应用场合；而步进电机则适用于需要精确位置控制、简单驱动控制、低速高力矩的应用场合。
根据不同的应用需求和系统要求，选择合适的电机类型可以更好地满足实际需求。
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。
双绕组式步进电机
双绕组式步进电机是一种常见的步进电机类型，其结构特点和工作原理使得它在许多应用中具有独特的优势。
下面我们将从结构和工作原理两个方面来介绍双绕组式步进电机，并对其应用和优缺点进行简要分析。
一、结构和工作原理双绕组式步进电机通常由两个相互独立的绕组组成，每个绕组都通过一个独立的线圈来驱动。
这种结构使得电机能够独立控制两个方向上的运动，从而实现了正反转切换和快速定位等功能。
电机的工作原理是基于通电后的磁场变化，即通过改变电流的方向来控制磁场的方向，从而驱动电机旋转。
具体来说，当给定一个旋转磁场时，转子就会在定子磁场的作用下产生相应的运动。
在这个过程中，通过改变电流的方向可以控制磁场的方向，从而实现步进电机的步进运动。
二、应用双绕组式步进电机在许多领域都有应用，例如数控机床、自动化生产线、机器人、医疗设备等。
在数控机床中，步进电机可以用于驱动刀具和工件的定位和移动，从而实现精确的加工。
在自动化生产线中，步进电机可以用于控制生产线的自动化程度和生产速度，从而提高生产效率。
在机器人领域，步进电机可以用于控制机器人的运动和转向，从而实现灵活的运动和精确的控制。
三、优缺点优点：1. 精度高：由于步进电机可以通过控制电流的方向来实现精确的定位和运动，因此在需要高精度控制的应用中具有优势。
2. 速度快：由于步进电机没有接触部件，因此摩擦阻力较小，可以快速地移动和定位。
3. 可靠性强：步进电机通常具有较高的稳定性和可靠性，不易受到温度、湿度等环境因素的影响。
缺点：1. 功耗较大：由于步进电机需要保持持续的磁场强度，因此通常需要较大的电流来驱动，从而导致较高的功耗。
2. 成本较高：相对于直流电机和交流电机，步进电机的生产成本较高，因此在一些对成本敏感的应用中可能不太适用。
3. 适用范围有限：虽然双绕组式步进电机在许多领域都有应用，但并不是所有的应用都需要高精度、快速响应和稳定性等特性，因此需要根据具体应用选择合适的电机类型。
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迅速至设定电流，关 断 时 绕 组 电 流 立 刻 衰 减 为 零，又 具 有 较 高效率。
2． 恒电流斩波驱动方式。（ 1） 自激式恒电流斩波驱动。 将绕组电流值转化成一定比例的电压，比较 D / A 转换器的预 设值，实现控制功率管的开关，控制绕组相电流。（ 2） 它激式 恒电流斩波驱动。在 D 触发器加一个固定频率的时钟来解 决自激式的浪涌电压问题，但仍然存在其它问题。
（ 二） 单片机。8031 是最常见的 MCS51 系列的单片机系 统，是 INTEL 公司最成熟的产品，应用范围广泛。它相当于 一个微型计算机，将一个系统集成到芯片上。它是在线式实 时控制、要求有 较 强 的 抗 干 扰 能 力，成 本 较 低。 它 具 有 集 成 度高； 结构简单、使用方便、模块化； 可靠性强； 功能强、速度 快等优点。图 1 为单片机 8031 的管脚图。
3． 细分驱动方式。是步进电机驱动和控制的一大突破。 细分驱动是每次 脉 冲 切 换 时，只 改 变 相 应 绕 组 中 部 分 电 流， 合成磁势也仅旋转步距角的一部分。细分驱动时，绕组电流 是阶梯波，额定电流是台阶式的投入或切除。
（ 三） 工作原理。步进电动机的步距角越小，它能达到的 位置精度越高。步矩角一般为 1． 5o 或 0． 75o 。因此要把转子 制成多极式，并在 定 子 磁 极 上 制 成 小 齿，要 和 转 子 磁 极 上 的 小齿规格完全相同。当一相定子磁极的小齿对齐转子的齿 时，其它两相磁极的小齿都是错过一个角度的。角度后一相 比前一相的要大。
步距角的大小与通电方式和转子齿数用公式计算： a = 360o / （ Zm） Z 表示转子齿数； m 为运行拍数，一般等于相数或其数 倍，即 m = KN（ N 是电动机相数，K = 1 为单拍，K = 2 为双拍） 。 三、调频调压驱动 （ 一） 设计思路。步进电机在高电压驱动时能够获得较好 的高频特性，但是当它在低频工作时，由于绕组获得能量过大， 使力矩下降、噪声加大，容易引起电机低频振荡甚至发生共振， 使得步进电机可靠性降低，会因为电流太大而损坏电机。本
步进电机具 有 仅 有 周 期 性 误 差、精 度 高、能 够 用 改 变 脉 冲频率达到调速 和 正 反 转 控 制 等，因 为 这 些 显 著 的 特 点，它 已经成为机电一体化的一个重要产品，在自动化控制中得到 广泛运用。配合微电子及计算机的发展，尤其是数控系统对 步进电机的需求 日 益 增 加，全 世 界 都 在 大 力 发 展 这 一 技 术， 我国数控系统的发展也取得了不少进步，自主研发了适合国 情的各种数控系统，这对于步进电机控制的研究也很重要。
FREE 脱机，和 CPU 地线连接，驱动电源不工作； DIR 方向控制，电机反转； VCC 直流电源正端； GND 直流电源负接； A： 连接电机引出线红线； B： 连接电机引出线黄线； （ 四） 电路设计。图 3 为单片机控制步进电机的原理图。 单片机提供三个控制信号给模拟开关： CP 脉冲，一个让电机 转动一个步距角； DIR，方向电平； FREE 低电平时，脱机状态， 节省电源。图中 R0 ～ R7 几个电阻可以按照具体情况进行设 置。按照脉冲频率 的 变 化，取 到 相 应 的 电 阻 值，实 现 将 步 进 电机的电源电压分成几段。模拟开关 CD4051 的二进制控制 输入端分别为 A、B、C，不断变换 C，B，A 的值（ 000 ～ 111） ，一 共有 8 种状态，选择一种状态，使得输入和输出接通。当禁 止端（ INH） =“1”，即不接通，断开状态，若 INH =“0”，为接 通状态，其真值表为表 1。
一、数控机床 数控机床是一种装有程序控制系统的自动化机床。它 的控制系统可以处理控制编码或者别的符号指令规定的程 序，在进行译码，使得机床动作数控折弯机。 数控机床和普通机床比具有以下几个特点： 一是加工精 度高，质量稳定； 二是多坐标联动，能加工复杂零件； 三是遇 到改变零件时，通常只要修改程序； 四是机床的刚性大、精度 高，生产率高； 五是高程度的自动化，有效减轻劳动强度； 数控机床的分类按照控制方式可以分为开环控制、半闭 环控制和闭环控制。开环控制不带位置反馈装置，本文介绍 开环控制系统中的步进电机驱动器电路。 二、步进电机 （ 一） 步进电机概述。步进电机是一种受到脉冲信号控 制，并将信号转化成直线位移或者角位移的控制电机。它可 当做一种特殊的 同 步 电 动 机，供 给 电 脉 冲，它 的 运 动 形 式 是 步进式的，因此叫做步进电动机。步进电机是改变脉冲频率 来调节电机的转 速，还 可 以 快 速 起 动、制 动 和 反 转。 其 步 距 角和转速均不会被电压波动和负载变化影响。它在固定的 步数下运动，因此其误差步距不会长期积累。它广泛用于数 控开环系统中，简单又可靠。步进电机的优点主要有定位精 度高，无步距累积误差； 开环运行机制降低了成本，可靠性 高，在数控领域 得 到 了 广 泛 的 应 用。 但 是，步 进 电 机 在 低 速 运行时的噪声和振动很大，在自然振荡频率附近运行时容易 共振，输出转矩随 转 速 的 升 高 下 降，需 要 通 过 改 善 驱 动 器 来 提升步进电机的性能。 （ 二） 步进电机驱动方式。步进电机驱动系统由步进电 机、驱动器和控 制 器 三 大 部 分 组 成。 当 电 机 和 负 载 确 定 后， 驱动系统的性能就由驱动控制方式来决定。驱动方式具体 可按如下分类： 1． 恒电压驱动方式。（ 1） 单电压驱动。在电机绕组过程 中，只一个方向电压供电。（ 2） 高低压驱动。使通电时绕组
产业与科技论坛 2Байду номын сангаас12 年第 11 卷第 6 期
步进电机在数控机床中的应用
□陈树钦
【摘 要】本文介绍了数控机床中应用步进电机的基本概念、常用的几种驱动方式及步进电机的工作原理，分析调频调压原理， 采用单片机实现分频段调压，达到消减低频振荡的目的。硬件实现方法简单、系统可靠性强。
【关键词】步进电机； 调频调压； 单片机 【作者简介】陈树钦（ 1972． 9 ～ ） ，男，广东揭阳人； 揭阳市大立模具厂有限公司工程师； 研究方向： 机械电子工程
Industrial & Science Tribune 2012.（11）.6
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产业与科技论坛 2012 年第 11 卷第 6 期
文提出的是利用单片机消除低频振荡，实现步进电机的调频 调压，方法简单，效果却十分满意。要让电压随着工作频率而 变化，分频段调压是最简单的方法，其中最少要将步进电机分 成 2 段。具体的方法是用单片机 8031 和 CD4051 实现调频调 压的步进电机。用 8031 检测的脉冲频率控制 CD4051 模拟开 关，达到调整步进电机电源电压的目的。分频段调压具有不 容易发生误操作和控制器配套方便的优点。