自从步进电机被发明以来，其应用领域不断拓宽，期间伺服电机等新控制电机品类更新迭代，花样繁多，但步进电机的地位一直无法被取代，其核心原因就在于：对于精度有一定要求的开环控制场景下，步进电机仍是不二选择。

什么是开环控制？

开环控制就是仅根据预定指令进行控制（图1）。与开环控制相对应的是闭环控制，即通过对输出结果进行测量反馈，进而修正控制指令，从而达到控制目的（图2）。

图1 开环控制

图2 闭环控制

就拿做菜为例，开环控制就是按菜谱操作，说放几勺盐就放几勺盐，直接出锅；闭环控制就是，先放一勺盐，尝一口（反馈），再继续调整放盐的量，直到口味合适。

显然，开环控制系统简单，实现起来容易，成本也比较低，但控制精度较低，容易受外界干扰，没有纠偏能力。在炒菜的例子里，开环控制完全取决于菜谱靠不靠谱，而且外界的干扰比如说放盐的勺子的大小、菜的分量等等对控制影响极大，最后菜做完直接就装盘了，没有调整的余地。相比起来闭环控制可以实现精确控制，确保炒出一锅好菜，但是系统复杂程度高，对硬件（传感器）和软件（控制程序）都有相当高的要求，价格自然不便宜。

那有没有一个可以“既要又要”的解决方案呢？答案是步进电机，它可以在低转速条件下实现相对高精度的开环控制。

为什么步进电机可以实现开环控制？

从原理上看，以下两点决定了步进电机具备精确开环控制的“天赋”。第一，步进电机的运动是离散的，每一步都是转动固定的步距角（例如0.9°或1.8°等），输入脉冲数等于转动的步数；第二，步进电机没有累计误差，这是由电机的物理结构决定的，一步和一万步的绝对误差是一样的。这两个特性意味着，在输入条件准确的情况下，可以得到相当精确的位置结果。

图3 步进电机结构（左）以及金的57HD型号步进电机

关于累计误差，我想展开讲一下。其实累计误差是控制过程中对结果准确度影响相当大的因素。每一步的细微误差，累计起来会对结果产生致命的偏差，产生所谓的“蝴蝶效应”。还是回到做菜的例子，开环控制下，假设菜谱有10道放盐的工序，每一步都多放了一点盐，那么最后菜就可能齁咸啦。步进电机就能实现每一勺盐都不多不少，恰到好处。

当然除了高精度开环控制以外，步进电机还有一系列其他优点。比如，卓越的低速转矩。一般来说，普通直流或交流电机只在高速时才能输出最大转矩，步进电机在低速甚至零速时也能保持强大的转矩（保持转矩），这在一些场景下可以避免使用复杂的减速机构。此外步进电机还具有极佳的响应速度，启动、停止、正反转的响应速度非常快，通常在毫秒级别内就能完成。

上述的这些优点使得步进电机非常适合于那些需要高精度开环控制、直接驱动、在低速下平稳运行或需要保持巨大张力的应用。对比伺服电机解决方案可以省去了昂贵的位置传感器（如编码器）和与之配套的闭环控制电路，整个系统结构简单，成本更具竞争力。同时，结构简单也同时带来了更高的可靠性以及控制程序适配的难度。

典型应用。

（1）打印机/扫描仪/复印机。这类办公设备的特点在于，运动机构（喷头等）轨迹是重复的直线运动，负载固定，摩擦力稳定。步进电机优势展现在开环控制成本极低，系统结构简单可靠，可以准确控制字符位置，完全满足精度要求。而且在断电时电机的保持转矩还可以防止纸张意外移动。

（2）3D 打印机。与上述办公设备类似，3D打印机负载轻（喷头质量小）、运动速度不算极高，且在平面内运动，很少发生失步。无累积误差的特性保证了打印模型的尺寸精度。低成本的步进电机控制加速推进了3D打印机的普及。

（3）光学仪器（显微镜平台、光谱仪）。这类应用的特点在于缓慢而精确地移动样品台或光学元件，进行微米级的定位。由于运动速度和负载都非常低，几乎没有失步风险。而开环控制的精度和无累积误差的特性得到完美发挥，能够通过微步驱动技术实现非常平滑和精确的定位。

（4）阀门与流量控制。这类产品主要用于精确控制液体或气体的微小流量，如分析仪器、医疗设备中。在应用中可以将阀门的开度与脉冲数建立线性关系。通过发送特定数量的脉冲，可以将阀门精确地开启到某个角度，并利用电机的保持转矩来维持开度，十分简洁方便。

类似的应用还有很多，未来还会有更多！