自從步進(jìn)電機被發(fā)明以來，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，期間伺服電機等新控制電機品類更新迭代，花樣繁多，但步進(jìn)電機的地位一直無法被取代，其核心原因就在于：對于精度有一定要求的開環(huán)控制場景下，步進(jìn)電機仍是不二選擇。

什么是開環(huán)控制？

開環(huán)控制就是僅根據(jù)預(yù)定指令進(jìn)行控制（圖1）。與開環(huán)控制相對應(yīng)的是閉環(huán)控制，即通過對輸出結(jié)果進(jìn)行測量反饋，進(jìn)而修正控制指令，從而達(dá)到控制目的（圖2）。

圖1 開環(huán)控制

圖2 閉環(huán)控制

就拿做菜為例，開環(huán)控制就是按菜譜操作，說放幾勺鹽就放幾勺鹽，直接出鍋；閉環(huán)控制就是，先放一勺鹽，嘗一口（反饋），再繼續(xù)調(diào)整放鹽的量，直到口味合適。

顯然，開環(huán)控制系統(tǒng)簡單，實現(xiàn)起來容易，成本也比較低，但控制精度較低，容易受外界干擾，沒有糾偏能力。在炒菜的例子里，開環(huán)控制完全取決于菜譜靠不靠譜，而且外界的干擾比如說放鹽的勺子的大小、菜的分量等等對控制影響極大，最后菜做完直接就裝盤了，沒有調(diào)整的余地。相比起來閉環(huán)控制可以實現(xiàn)精確控制，確保炒出一鍋好菜，但是系統(tǒng)復(fù)雜程度高，對硬件（傳感器）和軟件（控制程序）都有相當(dāng)高的要求，價格自然不便宜。

那有沒有一個可以“既要又要”的解決方案呢？答案是步進(jìn)電機，它可以在低轉(zhuǎn)速條件下實現(xiàn)相對高精度的開環(huán)控制。

為什么步進(jìn)電機可以實現(xiàn)開環(huán)控制？

從原理上看，以下兩點決定了步進(jìn)電機具備精確開環(huán)控制的“天賦”。第一，步進(jìn)電機的運動是離散的，每一步都是轉(zhuǎn)動固定的步距角（例如0.9°或1.8°等），輸入脈沖數(shù)等于轉(zhuǎn)動的步數(shù)；第二，步進(jìn)電機沒有累計誤差，這是由電機的物理結(jié)構(gòu)決定的，一步和一萬步的絕對誤差是一樣的。這兩個特性意味著，在輸入條件準(zhǔn)確的情況下，可以得到相當(dāng)精確的位置結(jié)果。

圖3 步進(jìn)電機結(jié)構(gòu)（左）以及金的57HD型號步進(jìn)電機

關(guān)于累計誤差，我想展開講一下。其實累計誤差是控制過程中對結(jié)果準(zhǔn)確度影響相當(dāng)大的因素。每一步的細(xì)微誤差，累計起來會對結(jié)果產(chǎn)生致命的偏差，產(chǎn)生所謂的“蝴蝶效應(yīng)”。還是回到做菜的例子，開環(huán)控制下，假設(shè)菜譜有10道放鹽的工序，每一步都多放了一點鹽，那么最后菜就可能齁咸啦。步進(jìn)電機就能實現(xiàn)每一勺鹽都不多不少，恰到好處。

當(dāng)然除了高精度開環(huán)控制以外，步進(jìn)電機還有一系列其他優(yōu)點。比如，卓越的低速轉(zhuǎn)矩。一般來說，普通直流或交流電機只在高速時才能輸出最大轉(zhuǎn)矩，步進(jìn)電機在低速甚至零速時也能保持強大的轉(zhuǎn)矩（保持轉(zhuǎn)矩），這在一些場景下可以避免使用復(fù)雜的減速機構(gòu)。此外步進(jìn)電機還具有極佳的響應(yīng)速度，啟動、停止、正反轉(zhuǎn)的響應(yīng)速度非?？欤ǔＴ诤撩爰墑e內(nèi)就能完成。

上述的這些優(yōu)點使得步進(jìn)電機非常適合于那些需要高精度開環(huán)控制、直接驅(qū)動、在低速下平穩(wěn)運行或需要保持巨大張力的應(yīng)用。對比伺服電機解決方案可以省去了昂貴的位置傳感器（如編碼器）和與之配套的閉環(huán)控制電路，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本更具競爭力。同時，結(jié)構(gòu)簡單也同時帶來了更高的可靠性以及控制程序適配的難度。

典型應(yīng)用。

（1）打印機/掃描儀/復(fù)印機。這類辦公設(shè)備的特點在于，運動機構(gòu)（噴頭等）軌跡是重復(fù)的直線運動，負(fù)載固定，摩擦力穩(wěn)定。步進(jìn)電機優(yōu)勢展現(xiàn)在開環(huán)控制成本極低，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單可靠，可以準(zhǔn)確控制字符位置，完全滿足精度要求。而且在斷電時電機的保持轉(zhuǎn)矩還可以防止紙張意外移動。

（2）3D 打印機。與上述辦公設(shè)備類似，3D打印機負(fù)載輕（噴頭質(zhì)量小）、運動速度不算極高，且在平面內(nèi)運動，很少發(fā)生失步。無累積誤差的特性保證了打印模型的尺寸精度。低成本的步進(jìn)電機控制加速推進(jìn)了3D打印機的普及。

（3）光學(xué)儀器（顯微鏡平臺、光譜儀）。這類應(yīng)用的特點在于緩慢而精確地移動樣品臺或光學(xué)元件，進(jìn)行微米級的定位。由于運動速度和負(fù)載都非常低，幾乎沒有失步風(fēng)險。而開環(huán)控制的精度和無累積誤差的特性得到完美發(fā)揮，能夠通過微步驅(qū)動技術(shù)實現(xiàn)非常平滑和精確的定位。

（4）閥門與流量控制。這類產(chǎn)品主要用于精確控制液體或氣體的微小流量，如分析儀器、醫(yī)療設(shè)備中。在應(yīng)用中可以將閥門的開度與脈沖數(shù)建立線性關(guān)系。通過發(fā)送特定數(shù)量的脈沖，可以將閥門精確地開啟到某個角度，并利用電機的保持轉(zhuǎn)矩來維持開度，十分簡潔方便。

類似的應(yīng)用還有很多，未來還會有更多！