步进电机和伺服电机显微镜平台技术的比较

12.05.21

目前市场广泛销售的光学显微镜平台多数采用的是步进电机和伺服电机。在大多数应用中选择步进电机或是伺服电机平台时，决定性因素不是能否运行，而是要看哪种类型的电机可以为您的应用带来最大的效益，无论这种优势是在速度、精度、软件集成还是成本方面。

步进电机平台

步进电机平台采用的是直流步进电机，通过一系列电脉冲使电机进行旋转运动，从而形成精确的步长。与伺服电动机不同的是，步进电动机不是通过输入已知电压进行连续运动，而是通过连续的“脉冲”以产生匀速运动。步进电动机大致可分为三类： 混合式，永磁和可变磁阻，众多工业应用采用的是混合式步进电机。

 H101F步进电机平台

评估标准

成本-

• 步进电机比同等级别的伺服电机便宜。
• 基础的步进电机平台不要求位置反馈，因此步进控制的成本低。
• 控制步进电机的驱动电路板的价格实惠。

扭矩-

• 步进电机平台可在低转速时保持高扭矩。
• 扭矩随着速度的增加呈指数下降。
• 步进电机怠速时会产生运动阻力（以保持扭矩），为延迟成像等多种应用能提供很大的助益。

 性能及局限性-

• 步进电机平台的重复精度可达到微米级，或亚微米级。
• 对每个轴进行编码可以提高电动平台精度。
• 步进电机平台的平均精度范围可从50纳米至几十微米。
• 可在100 毫秒内完成1 毫米以下的点对点移动。
• 最大速度通常限制在100 毫米/秒左右。
• 步进平台在低速运动时会表现速度波动（运动平滑度）

控制-

• 众所周知，步进电机控制已经应用于大量的商用选择。
• 步进电机平台没有调谐问题，但在较低速度下可能会产生轻微的共振。
• 开环操作简化使用，并最大限度地减少长期维护。

对于点对点需要微米级甚至亚微米级重复性的应用，就整体性价比而言，步进电机是其最佳选择。Prior Scientific的OptiScan系列步进电机平台非常适合有经济预算的用户，该系列包含多种型号的微米级精密平台，用于日常扫描和成像应用。对于需要更高精度和更高速度的应用，Prior推荐ProScan系列的步进电机平台。Prior的ProScan平台具有亚微米级的可重复精度（可达200 纳米），如需闭环控制，则可选择线性光学编码器。ProScan平台的行程范围超过300 毫米，从载玻片到大型半导体晶片的样品，都可兼容。

步进电机平台的常见应用包括：

• 在整个玻片成像的应用中，Prior Scientific的ProScan和OptiScan平台以每秒25至200毫米的速度可实现高速开环的开始/停止扫描运动。
• 在多位置延时成像的应用中，选用Prior的ProScan H117和H101平台与选配的线性编码器相匹配时，其平均重复精度可达200纳米。
• 薄膜计量和半导体晶片检测。

伺服电机平台：

直流伺服电机平台的主要组件是旋转或线性直流电机、控制电子设备和位置反馈编码器，以监控电机位置。旋转伺服电机平台在设计上与步进电机非常相似。传统的滚珠丝杠式伺服电机平台将旋转伺服电机耦合到滚珠丝杠上，为每个轴提供运动。每个轴都有旋转或线性编码器，线性编码器可直接测量平台各个轴的行程位置，从而提供最佳精度。另一方面，线性伺服电机平台利用带有推力（线圈）的线性磁铁，沿磁轨移动，由此形成流畅、高速的平移运动，无需机械传动，例如滚珠丝杠、齿轮齿条或皮带驱动器。可根据需求吸收更多电流，实现高加速度，伺服电机平台可在 0 到 100% 的速度范围内保持额定扭矩。直流伺服电机平台持续监控编码器输出，使电机既可运动或保持位置，也可移动到新的位置或以已知的速度运动。伺服电机平台在某些应用中表现更佳风评更高。

HLD117线性伺服电机平台

评估标准

成本-

• 伺服电机平台成本平均高于步进电机平台。
• 闭环控制是唯一选择，需要增加额外的编码器成本。
• 自定义伺服回路控制会产生额外的开发成本。

-扭矩

•   从低转速到高转速性能都很出色。
•   保持扭矩/力低于步进电机平台

性能-

• 优异的速度脉动与线性直流伺服电机平台结合使用，其表现最佳。
  • 当速度低于100 微米/秒时，其速度变化通常小于1%。
• 点对点的精度和分辨率主要受编码器分辨率的限制。
• 速度——进行长行程位移时，表现出色，但进行较短行程位移时，表现与步进电机平台相当。
  • 最大速度超过1 米/秒。
• 控制-
  • 需使用编码器闭环控制。
  • 负载变化会影响伺服增益，导致多用途系统的潜在调谐问题。

对于速度、加速度及速度控制的优势超过增加成本的应用，可能需要考虑选择直流伺服电机平台。线性直流伺服电机平台特别适合要求平稳速度控制的应用，因为平台板轴承是系统中唯一的摩擦源。Prior Scientific 的ProScan 线性伺服电机HLD117 平台具有TTL I/O 触发功能，以极低的速度纹波提供恒速运动，可实现使图像与成像软件完美同步。

伺服电机平台的常见应用包括：

• 恒速成像，（在此应用中线性直流伺服电机表现最佳）Prior Scientific的HLD117平台能够以低至每秒1微米的速度进行平稳扫描。
• 用于药物研发的多孔板筛选，可以在不到 15 秒的时间内扫描整个孔板。
• 用于制造和检测的高速半导体定位平台。
• 高精度激光蚀刻或激光去除组织的应用，要求平稳运动，以防意外烧伤或不完全切割。

在考虑成本和简便性时，步进电机平台比伺服电机平台更具有明显的优势。若低速运动是衡量应用的关键性能，则直流线性伺服平台是最佳选择。当选择不明确时，这两种技术都有较高水平的表现，但用户需要评估步进平台和伺服平台之间的细微差异，例如保持扭矩、步进平台的闭环选项及处理多种样本的能力，以便做出更好的选择。