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物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)中的電機家族成員解密(二)_步進電機篇

jf_94171069 ? 來源:jf_94171069 ? 作者:jf_94171069 ? 2024-09-27 17:36 ? 次閱讀

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中為什么要使用電機

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用電機可以提高設(shè)備的智能化水平,實現(xiàn)遠程控制、自動化控制、故障診斷、預(yù)測維護等功能,從而提高生產(chǎn)效率、降低維護成本、提高生活質(zhì)量。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的電機應(yīng)用方案通常涉及到電機控制、監(jiān)測和維護等方面。以下是一些常見的物聯(lián)網(wǎng)電機應(yīng)用方案:

智能家居:在智能家居中,物聯(lián)網(wǎng)電機可以用于控制窗簾、窗戶、門鎖等設(shè)備的開關(guān)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),可以實現(xiàn)遠程控制、定時控制、場景控制等功能,提高家居的智能化水平。

工業(yè)自動化:在工業(yè)自動化中,物聯(lián)網(wǎng)電機可以用于控制生產(chǎn)線、物流輸送線等設(shè)備的運行。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),可以實現(xiàn)設(shè)備的遠程監(jiān)控、故障診斷、預(yù)測維護等功能,提高生產(chǎn)效率和降低維護成本。

智能交通:在智能交通中,物聯(lián)網(wǎng)電機可以用于控制信號燈、路燈、廣告牌等設(shè)備的開關(guān)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),可以實現(xiàn)設(shè)備的遠程控制、自適應(yīng)控制等功能,提高交通的安全性和效率。

智能農(nóng)業(yè):在智能農(nóng)業(yè)中,物聯(lián)網(wǎng)電機可以用于控制灌溉系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、遮陽系統(tǒng)等設(shè)備的運行。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),可以實現(xiàn)設(shè)備的遠程監(jiān)控、自動化控制等功能,提高農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率和降低勞動成本。

本文會再為大家詳解電機家族中的重要成員——步進電機

步進電機的定義

步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的電動機。每輸入一個脈沖信號,轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一個角度或前進一步,這個固定的一個角度稱為步距角,其輸出的角位移或線位移與輸入的脈沖數(shù)成正比,轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。因此,步進電動機又稱脈沖電動機。

根據(jù)電源的不同,電機可以分為交流電機和直流電機。而步進電機則屬于直流電機,因為步進電機有一個固定的磁極方向,需要反復(fù)改變電流的流向才能實現(xiàn)旋轉(zhuǎn),而直流電機則是利用直流電流產(chǎn)生磁力而旋轉(zhuǎn)的。雖然步進電機需要使用驅(qū)動器產(chǎn)生脈沖信號,但仍然是屬于直流電機的一種??傊竭M電機是屬于直流電機的一種,它具有精準控制、高速穩(wěn)定運動、重量小等特點,適用于許多精密運動控制領(lǐng)域。

在非超載的情況下,電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù),而不受負載變化的影響。

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步進電機是一種同步電機,其結(jié)構(gòu)同其它電機一樣,由定子(定子鐵心+繞組)和轉(zhuǎn)子組成;定子為激磁場,其激磁磁場為脈沖式;轉(zhuǎn)子通常為永磁體。

當電流流過定子繞組時,定子繞組產(chǎn)生一矢量磁場。由于同極互斥,該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度,使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度,轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。

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步進電機的分類

按照轉(zhuǎn)子分類

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(1) 反應(yīng)式步進電機(VR):定子上有繞組,繞組由軟磁材料組成。其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、步距角小,可達1.2度,但動態(tài)性能差,效率低、發(fā)熱大,可靠性難以保證。

(2) 永磁式步進電機(PM):永磁式步進電機的轉(zhuǎn)子用永磁材料制成,轉(zhuǎn)子的極數(shù)與定子的極數(shù)相同。其特點是動態(tài)性能好、輸出力矩大,但這種電機度差,步距角大(一般為7.5度或15度)。

(3) 混合式步進電機(HB)?;旌鲜讲竭M電機綜合了反應(yīng)式、永磁式步進電動機兩者的優(yōu)點,其定子上有很多相繞組,轉(zhuǎn)子上采用永磁材料,轉(zhuǎn)子和定子均有多個小齒以提高步距精度。其特點是輸出力矩大、動態(tài)性能好、步距角小,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對較高。

按照定子上繞組分類:

共有二相、三相和五相等系列。目前受歡迎的是兩相混合式步進電機,約占97%以上的市場份額,其原因是性價比高,配上細分驅(qū)動器后效果良好。

步進電機的性能

a. 控制精度: 步進電機的相數(shù)和拍數(shù)越多,它的精確度就越高(步距角越小,精度越高)。

b. 低頻特性: 步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象,當它工作在低速時一般采用阻尼技術(shù)或細分技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象。

c. 矩頻特性: 步進電機輸出力矩隨轉(zhuǎn)速的升高而下降,高速時會急劇下降。

d. 過載能力: 步進電機不具備過載能力。

e. 運行性能: 步進電機的控制為開環(huán)控制,啟動頻率過高或負載過大易丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象,停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。

f. 速度響應(yīng)性能: 步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速需要上百毫秒。

步進電機的基本參數(shù)

a.步距角:

表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號,電機所轉(zhuǎn)動的角度。

θ s = 180 ° / P N r

其中,θs為步進電機步距角;P為定子相數(shù);Nr為轉(zhuǎn)子極對數(shù)(即轉(zhuǎn)子極數(shù)除以2)。

注:在反應(yīng)式步進電機中,步距角不能用上式計算,而是上式的兩倍。即分辨率與永磁式及混合式相比,雖然轉(zhuǎn)子齒數(shù)相同,但反應(yīng)式只有一半。

注:在混合式步進電機中,Nr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。

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上述公式的物理意義為:轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的機械角度為360°,如用極數(shù)2Nr去除,相當于一個極所占的機械角度為180°/Nr。也就是說,一個極的機械角度用定子相數(shù)去分割,就得到了步距角.

又由上式可知,要提高步進電機的分辨率,就要增加轉(zhuǎn)子極對數(shù)Nr或增加定子相數(shù)P。而增加Nr收到機械加工的限制,所以要制造高分辨率的步進電機需要兩種方法并用。

b. 相數(shù):

指定子相數(shù),即可獨立通電的定子電磁圈數(shù),x相即有x個繞組。電機相數(shù)不同,其步距角也不同,一般二相電機的步距角為0.9°/1.8°、三相的為0.75°/1.5°、五相的為0.36°/0.72°。在沒有細分驅(qū)動器時,用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅(qū)動器,則‘相數(shù)’將變得沒有意義,用戶只需在驅(qū)動器上改變細分數(shù),就可以改變步距角。

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單相步進電機

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兩相步進電機

c.拍數(shù):

完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或?qū)щ姞顟B(tài),用n表示,或指電機轉(zhuǎn)過一個齒距角所需脈沖數(shù),以四相電機為例,有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB,四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。

四拍驅(qū)動:這是最簡單的步進電機驅(qū)動方式。這種方式,電機在每個瞬間只有一個線圈導(dǎo)通。

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按順序給相應(yīng)引腳拉高(1)拉低(0)。 一個拉高,其他三個拉低。

八拍驅(qū)動:就是在上述四拍切換過程中穿插兩個線圈同時拉高的情況。

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d.保持轉(zhuǎn)矩(最大靜力矩):

是指步進電機通電但沒有轉(zhuǎn)動時,定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。通常步進電機在低速時的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。保持轉(zhuǎn)矩是衡量步進電機最重要的參數(shù)之一。

e.DETENT TORQUE:指步進電機沒有通電的情況下,定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。由于反應(yīng)式步進電機的轉(zhuǎn)子不是永磁材料,所以它沒有DETENT TORQUE(定位力矩)。

f.額定電流:

指電機可以長期連續(xù)工作的電流。比如說某個電機的額定電流為4A,你如果在驅(qū)動器上面選的是2.25A,那么電機的力氣不能達到它本來的力矩,但你設(shè)成5A,力氣雖然大了,但相對的電機發(fā)熱也變大了,電流這個設(shè)置需要根據(jù)實際情況來設(shè)置。一般小負載低轉(zhuǎn)速設(shè)小電流,而高負載改轉(zhuǎn)速則需大電流。沒有什么數(shù)學(xué)公式,都是根據(jù)實際情況來設(shè)定的。

g.額定電壓:

指電機可以長期連續(xù)工作的電壓。

h.空載啟動頻率:

電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下,在不加負載的情況下,能夠直接起動的最大頻率。如果脈沖頻率高于該值,電機不能正常啟動,可能發(fā)生失步或堵轉(zhuǎn)。

i.空載運行頻率:

電機在某種驅(qū)動形式,電壓及額定電流下,電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。

j.矩頻特性:

電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性,這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的,也是電機選擇的根本依據(jù)。其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。

電機一旦選定,電機的靜力矩確定,而動態(tài)力矩卻不然。電機的動態(tài)力矩取決于電機運行時的平均電流(而非靜態(tài)電流),平均電流越大,電機輸出力矩越大,即電機的頻率特性越硬。要使平均電流大,盡可能提高驅(qū)動電壓,采用小電感大電流的電機。步進電機的動態(tài)轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動器的形式有很大的關(guān)系,因而選用時必須了解給出的性能指標是在何種型式的電源及驅(qū)動下測定的。

步進電機細分驅(qū)動控制

細分驅(qū)動技術(shù)通過控制各相繞組中的電流,使它們按一定的規(guī)律上升或下降,即在零電流到最大電流之間形成多個穩(wěn)定的中間電流狀態(tài),相應(yīng)的合成磁場矢量的方向也將存在多個穩(wěn)定的中間狀態(tài),且按細分步距旋轉(zhuǎn)。

隨著細分數(shù)的增加,繞組電流的波形由原來的方波變?yōu)楦交臄M正弦波,減小電機每一步運行的距離。

步進電機細分驅(qū)動電路大多數(shù)都采用單片微機控制,它們的構(gòu)成框圖如圖2所示。單片機根據(jù)要求的步距角計算出各項繞組中通過的電流值,并輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)中,由D/A把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓,經(jīng)過環(huán)形分配器加到各相的功放電路上,控制功放電路給各相繞組通以相應(yīng)的電流,來實現(xiàn)步進電機的細分。

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步進電機細分驅(qū)動電路大多數(shù)都采用單片微機控制,它們的構(gòu)成框圖如圖2所示。單片機根據(jù)要求的步距角計算出各項繞組中通過的電流值,并輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)中,由D/A把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓,經(jīng)過環(huán)形分配器加到各相的功放電路上,控制功放電路給各相繞組通以相應(yīng)的電流,來實現(xiàn)步進電機的細分。

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細分的優(yōu)點:

1)細分提高了定位精度,使步距角減小,從而使步進電機每一步的運行更加平穩(wěn)。

2)細分還能能夠大大提高電機的運轉(zhuǎn)性能,減小或者消除了低頻振動和噪聲。以二相混合式步進電機為例,如果電機額定電流是5A,采用常規(guī)驅(qū)動方式時,電機每運行一次,其繞組相電流將從0突變至5A或從5A變?yōu)?,這種電流的突然變化,勢必會引起電機運行的振動。若采用細分技術(shù),如果是50細分的話,電機運行一步,其繞組相電流變化只要0.1A,這樣可以大大改善電機的振動情況。

3)同時細分后,電機的輸出力矩實際上是增加的,特別是對于三相式反應(yīng)時電機,其力矩比不細分時提高約30-40%。

8、步進電機控制系統(tǒng)

步進電機控制系統(tǒng)通常由步進電機控制器、步進電機驅(qū)動器、步進電機三部分組成。

由于步進電機具有電磁特性,容易給單片機的控制電路帶來干擾,影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此系統(tǒng)選用光耦隔離電路使控制器的輸出端與驅(qū)動器的輸入端實現(xiàn)電氣隔離。

控制器輸出的控制信號包括,步進脈沖信號 PUL、方向信號 DIR、使能信號 EN??刂菩盘柦?jīng)過光耦隔離作為 TB6600 驅(qū)動器的輸入。

其中脈沖信號需要選用高速光耦 HCPL-2630/2631 做隔離,對于 DIR 和 EN 這樣一般性的電平信號,選用低速光耦 PC817 做隔離。

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主流型號步進電機介紹

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步進電機28BYJ-48名稱含義:

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28:表示步進電機的有效最大外徑為28毫米

B: 表示步進電機“步”字漢語拼音首字母

Y: 表示永磁式“永”字漢語拼音首字母

J: 表示減速型“減”字漢語拼音首字母

BYJ: 組合即為永磁式減速步進電機

48:表示四相八拍

5V:表示額定電壓為5V,且為直流電壓

步進角:5.625度,就是1個脈沖信號轉(zhuǎn)5.625度,64個信號轉(zhuǎn)360度。

減速比:1/64,電機殼里邊的電機轉(zhuǎn)64圈,電機殼外邊的部分轉(zhuǎn)1圈。

四相:ABCD四相(電機定子上有8個齒,相對的2個齒是1相),

八拍:(A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A)。

一拍就是一個脈沖信號,完成一個循環(huán)用8個脈沖信號。

當通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距。轉(zhuǎn)8個齒距就是一圈,8×8=64

64拍,64個脈沖信號轉(zhuǎn)一圈360度。

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我們使用的28BYJ-48是一種4 相 5 線的步進電機,是減速步進電機 ,減速比為 1:64,步進角為 5.625/64 度。如果需要轉(zhuǎn)動1圈,那么需要360/5.625*64=4096 個脈沖信號。四相步進電機按照通電順序的不同,可分為單四拍(單拍)、雙四拍(雙拍)、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等,但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半,因此,八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。

驅(qū)動步進電機的方法

①1相勵磁法:

每一瞬間只有一個線圈相通,其它休息。

優(yōu)點:簡單,耗電低,精確性良好。

缺點:力矩小,振動大,每次勵磁信號走的角度都是標稱角度。

1相勵磁法 A->B->C->D

②2相勵磁法:

每一瞬間有兩個線圈導(dǎo)通。

優(yōu)點:力矩大,震動小。

缺點:每勵磁信號走的角度都是標稱角度。

2相勵磁法 AB->BC->CD->DA

③1-2相勵磁法:

1相和2相交替導(dǎo)通。

優(yōu)點)精度較高,運轉(zhuǎn)平滑,每送一個勵磁信號轉(zhuǎn)動1/2標稱角度,稱為半步驅(qū)動。(前兩種稱為4相4拍,這一種稱為4相8拍)

1-2相勵磁法 A-->AB-->B->BC->C-->CD->D-->DA

正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)代碼(1-2相勵磁法)

逆時針:

u8 phasecw[8] =

{0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01,0x09};

//1000,1100,0100,0110,0010,0011,0001,1001

順時針:

u8 phaseccw[8]=

{0x09,0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08};

// 順時針

//1001,0001,0011,0010,0110,0100,1100,1000

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上圖是ULN2003步進電機驅(qū)動模塊,可以看到上面的標號分別是A,B,C,D,因此代碼我們可以按這個順序來理解。比如:AB是1100,BC是0110,CD是0011等

因為stm32的電流還達不到步進電機所需的最小電流,而ULN2003可以增大stm32的電流,提高驅(qū)動能力。

ULN2003是高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列,由七個硅NPN 復(fù)合晶體管組成,每一對達林頓都串聯(lián)一個2.7K 的基極電阻,在5V 的工作電壓下它能與TTL 和CMOS 電路直接相連,可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。

步進電機采用五線四相直流電速電機其中:電壓為5V,步進角度為5.625°,減速比為1/64,所以步距角為5.625/64=0.087°。意思就是,電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)過5.626°,但是由于減速64倍所以外部的軸只轉(zhuǎn)動0.087°。所需脈沖是360/0.087=4096個,由于采用四相八拍驅(qū)動,因此八個脈沖為一個周期,所以外部轉(zhuǎn)動一周需要4096/8=512個周期。

步進電機的廠商

以下是對步進電機十大名牌的介紹:

日本信濃:年銷量超過 2400 萬臺,是 HB 步進電機的領(lǐng)先品牌。

日本美蓓亞三美:擁有超過 70 年的機電產(chǎn)品制造經(jīng)驗。

中國鳴志電器:作為國產(chǎn) HB 步進電機的龍頭企業(yè),排名第三。

日本尼得科:成立于 1973 年,市值達到 4400 億元。

日本山洋電氣工業(yè)設(shè)備:電機巨頭,排名第五。

日本東方馬達:成立于 1885 年,是工業(yè)機器人和汽車電機的巨頭。

日本多摩川:主要針對機器人行業(yè)應(yīng)用。

美國阿美特克:因其步進電機精度高、推力大、所需空間小,廣泛應(yīng)用于醫(yī)療和實驗室自動化。

瑞士 Sonceboz:汽車儀表步進電機供應(yīng)商。

德國西門子:工業(yè)自動化電機的巨頭,排名第十。

以上品牌在全球步進電機市場中占據(jù)領(lǐng)先地位,它們的產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、印刷設(shè)備、醫(yī)療器械、機器人等領(lǐng)域,以其高性能、高效率和穩(wěn)定性而著稱。

供應(yīng)商A:步進電機-深圳市誠信電機有限公司

http://www.szcxmotor.com/

1、產(chǎn)品能力

(1)選型手冊

http://www.szcxmotor.com/11/

(2)主推型號1:

對應(yīng)的產(chǎn)品詳情介紹

產(chǎn)品名稱:24BYJ48

產(chǎn)品型號:24BYJ48

產(chǎn)品類別:BYJ永磁式步進電機

子型號詳細參數(shù):

表格 還在加載中,請等待加載完成后再嘗試復(fù)制

硬件參考設(shè)計

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2、支撐

(1)技術(shù)產(chǎn)品

技術(shù)資料

http://www.szcxmotor.com/352/65.html

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在我們長期投身于蜂窩物聯(lián)網(wǎng) ODM/OEM 解決方案的實踐過程中,一直被物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)碎片化與產(chǎn)業(yè)資源碎片化的問題所困擾。從產(chǎn)品定義、芯片選型,到軟硬件研發(fā)和測試,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的碎片化以及產(chǎn)業(yè)資源的碎片化,始終對團隊的產(chǎn)品開發(fā)交付質(zhì)量和效率形成制約。為了減少因物聯(lián)網(wǎng)碎片化而帶來的重復(fù)開發(fā)工作,我們著手對物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)中高頻應(yīng)用的技術(shù)知識進行沉淀管理,并基于 Bloom OS 搭建了不同平臺的 RTOS 應(yīng)用生態(tài)。后來我們發(fā)現(xiàn),很多物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品開發(fā)團隊都面臨著相似的困擾,于是,我們決定向全體物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)開發(fā)者開放奇跡物聯(lián)內(nèi)部沉淀的應(yīng)用技術(shù)知識庫 Wiki,期望能為更多物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品開發(fā)者減輕一些重復(fù)造輪子的負擔(dān)。

Cellular IoT Wiki沉淀的技術(shù)內(nèi)容方向如下:

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奇跡物聯(lián)的業(yè)務(wù)服務(wù)范圍:基于自研的NB-IoT、Cat1、Cat4等物聯(lián)網(wǎng)模組,為客戶物聯(lián)網(wǎng)ODM/OEM解決方案服務(wù)。我們的研發(fā)技術(shù)中心在石家莊,PCBA生產(chǎn)基地分布在深圳、石家莊、北京三個工廠,滿足不同區(qū)域&不同量產(chǎn)規(guī)模&不同產(chǎn)品開發(fā)階段的生產(chǎn)制造任務(wù)。跟傳統(tǒng)PCBA工廠最大的區(qū)別是我們只服務(wù)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)客戶。

連接我們,和10000+物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者一起降低技術(shù)和成本門檻

讓蜂窩物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用更簡單~~

哈哈你終于滑到最重要的模塊了,

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