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关于步进电机驱动器的降噪技术解析

电子设计 2021-01-05 16:22 次阅读

作者:MaurizioDiPaoloEmilio

步进电机具有简单的结构并且易于控制。作为一种数字电子元件,步进电机广泛应用于各种开环控制系统。然而,其驱动电路和谐振机械结构所产生的噪声会影响整体性能。大多数步进电机应用都要求平稳的运转。为了获得流畅的运转效果,设计者可以修改电压、电流,或者更常见的是修改微步设置。电机中的噪声大小取决于电机类型、环境条件和具体的应用。永磁式电机和混合式步进电机通常较安静,因为它们的转动比较稳定。而可变磁阻步进电机无论用在哪里,都是最嘈杂的。

为更好地理解噪声的来源,我们需要思考旋转运动是如何产生的。当步进电机执行步进时,它不会立即停止,而是会继续略微前后移动,然后再完全停止。这个问题可以通过在电机驱动器中采用特定的控制逻辑来克服。电机运行过程中,在电机完成上一步但停止之前的那一刻,驱动器发出指令开始下一个步进。这种连续且有规律的电机前进可以降低噪声和振动

还要注意的是,每个步进电机都有一个谐振频率,通常在电机以每秒150到300步的速度运动时会发生谐振。许多设计人员倾向于避开该工作频率范围,以将噪声和振动减至最小。但插入适当设计和调整尺寸的减速机也可以减少振动。还有一种传统的解决方案,即在曲轴上安装后置式减振器,同样可以减少振动。

降噪技术

大多数步进电机都由脉宽调制(PWM)信号控制,该信号连续强制H桥在开关状态之间切换,以此调节馈入电机的电流。基于这种技术的驱动器电路通常被称为斩波器驱动器,因为它会跟随PWM波形对输出电压进行斩波处理,从而为电机绕组提供恒定电流。

与之相反的是,L/R技术旨在使施加到绕组的电压保持恒定,而电流斩波的优势在于它是一种非常高效、紧凑且经济的解决方案,只会产生很少的热量。

需要注意的是,施加到步进电机的调制信号会产生音频信号,当PWM频率落在音频频带内时更加严重。通过实验确实很容易验证步进电机如何产生噪声,即使当电机停止或保持在某个位置时也是如此。这种现象主要在开关频率低于20kHz时产生。因此,不难推断,降低噪声的第一种方法是增加开关频率。大多数斩波器驱动器都可以通过修改外部电阻器电容器的值来增加开关频率。其目的是改变用于电流调节的PWM信号在关闭状态下的持续时间,持续时间越短,开关频率越高。

但是,频率不必过高,因为超过一定限制,开关损耗也会增加。较恰当的开关频率值在30到50kHz之间。如果这样还不行,则可以减小施加到电机绕组上的电流。实际上,较低的电流就意味着减少振动,当然噪声也随之降低。

不过,这种方法也有副作用,那就是扭矩会降低。如果扭矩太低,将可能导致运转失步。由于电机是开环控制的,因此必须为电机提供足以覆盖其所有运转条件的电流,即使是在最严酷的条件下。一个好的折衷办法是在电机停止期间减少电流。

通常,电机保持位置所需的电流大大低于加速或以恒定速率转动电机所需的电流。实际上,所有步进电机驱动器都可通过修改模拟参考电压VREF来设置电流值。跳闸电流ITrip是外部RSENSE电阻和VREF参考电压的函数。设计人员一旦选择了RSENSE电阻,则运行时其值就固定了,因此可通过动态更改VREF来修改ITrip。

如果需要进一步降低噪声,则可在慢衰减模式(而不是快速或混合衰减模式)下运行电机。这种模式最大程度地降低了驱动电流纹波,从而降低了噪声并提高了驱动器效率。但是,慢衰减模式并不总是最佳解决方案,特别是在使用微步进技术时。

步进驱动器

集成驱动器旨在为各种类型的应用提供简单的配置和高级控制功能。而集成编码器选件则使步进电机成为同步位置应用的最佳选择。只要将线圈连接到功率晶体管,并将晶体管连接到控制电路,就可以驱动步进电机了。

图1:A3982框图。(图片来源:AllegroMicroSystems)

AllegroMicroSystems公司是有刷直流电机和步进电机驱动器设计与制造的领导者,提供了一系列集成MOSFET栅极驱动器的安全可靠的解决方案。该公司的A3982是一款完整的步进电机驱动器,内置转换器,易于操作,适用于低功率和大功率应用。

A3982用于在全步和半步模式下运行双极步进电机,它可提供高达35V和±2A的输出信号。通过在STEP输入引脚上施加信号可以选择电流衰减模式(慢衰减或混合衰减),如图1中的原理框图所示。

在混合模式下,斩波控制最初设置为快速衰减模式,持续时间为固定关闭时间的31.25%,然后在其余关闭时间内设置为慢衰减。这种电流衰减控制机制可降低可以听到的电机噪声,提高步进精度并降低功耗。

而转换器的特性则大大简化了电机控制系统的设计。只需在STEP输入引脚上施加一个脉冲,电机即被驱动一步,无需相序表或高频控制线。因此,在主机微控制器不可用或负载过重的应用中,A3982是最佳选择。

东芝电子元件和存储公司也提供各种步进电机驱动器。其TB67S128/249/279/289器件采用专有的主动增益控制(AGC)技术。AGC可以动态调整步进电机的驱动电流,以应对大扭矩状态,并在实时和开环设计中恢复正常电流值。AGC技术可极大降低功耗,并减少或避免更复杂的闭环设计。

图2:TB67S128电机驱动器的典型应用(图片来源:东芝)

TB67S128/249/279/289FTG器件工作电压为10V至42V,可分别提供5.0A、4.5A、2.0A和3.0A电流。这些器件还在一个象限中提供了32步和128步微步进功能,使其适用于广泛的工业精密电机控制应用(图2)。

结论

步进电机具有简单的结构并且易于控制。作为一种数字电子元件,步进电机广泛应用于各种开环控制系统。然而,其驱动电路和谐振机械结构所产生的噪声会影响整体性能。大多数步进电机应用都要求平稳的运转。为了获得流畅的运转效果,设计者可以修改电压、电流,或者更常见的是修改微步设置。
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V是一款双通道H桥驱动器IC,可以切换步进电机驱动器,它具有微步驱动功能,支持2W 1-2相激励,以及两个通道的有刷电机驱动器,支持电机的正向,反向,制动和待机。它非常适用于驱动有刷直流电机和步进电机,用于办公设备和娱乐应用。 特性 优势 低导通电阻(上侧:0.48Ω;下侧:0.32Ω;上部总数)和更低:0.8Ω,Ta = 25°C,I O = 1.5A) 高效率 输出短路保护电路(可从锁存类型或自动复位类型中选择)纳入 短暂保护 激励:全,半,四分之一,1/8步 各种可调节步骤 电机电流可分4步进行 低消耗 OCP:Latch / Auto重置 安全设计 CLK-IN输入 轻微控制微步驱动 该设备是单通道PWM电流控制步进电机驱动器(可通过直流电机驱动器通道2选择) 激励模式可以设置为2阶段,1 -2阶段,W1-2阶段或4W1-2阶段 异常情况警告输出引脚 无需控制电源 应用 终端产品 步进/有刷直流电机 计算和外围设备 工业 打印机 平板扫描仪 喷墨打印机 多功能打印机 文档扫描仪 PoE安全相机 老虎机 自动售货机 取款机 电路图、引脚图和封...
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LV8734V 步进电机驱动器 PWM 恒流控制

LV8411GR 4通道步进电机驱动器

GR是H桥电机驱动器IC,可以控制4种前进,后退,制动和待机模式。该IC采用微型封装,适用于DSC或手机相机模块的步进电机驱动系统。 特性 优势 内置热保护电路 热保护 内置低压故障预防电路 低压保护 包括用于驱动光电传感器的晶体管 更少的外部组件 输出ON电阻:1.2ohm (总计上限和下限),效率高 内置光电传感器驱动晶体管 少外部元件 VCT封装(3 x 3mm) 小型设计足迹 饱和度驱动器H桥:4个通道 应用 终端产品 步进电机 工业 便携式和无线 相机 PoE安全摄像头 数码相机 电路图、引脚图和封装图...
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LV8411GR 4通道步进电机驱动器

AMIS-30622 带I的步进电机驱动器和控制器

0622是步进电机驱动器系列的成员,其位置控制器和控制/诊断接口集成在一个芯片中。该系列产品包括两种产品:带有LIN接口的AMIS-30621,可以构建与LIN主站远程连接的专用机电一体化解决方案。 AMIS-30622具有SERIAL接口,可作为微控制器旁边的外围设备。芯片通过接口接收高级定位指令,然后驱动电机线圈直到达到所需位置。片上位置控制器可配置(OTP和接口),适用于不同的电机类型,定位范围和速度,加速和减速参数。 AMIS-30622充当总线上的从机,主机可以从每个单独的从节点获取特定的状态信息,如实际位置,错误标志等。 特性 微步((1 / 2,1 / 4,1 / 8,1 / 16) 低共振&安培;噪音 高分辨率 可编程峰值电流高达800mA 20kHz PWM电流控制 自动选择快速&慢衰减模式 内部反激式FET 完全集成的电流检测 8V-29V电源电压 符合汽车标准 完整的诊断和状态信息 电路图、引脚图和封装图...
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AMIS-30622 带I的步进电机驱动器和控制器

AMIS-30621 带LIN总线的微步电动机驱动器和控制器

0621是一款带有位置控制器和控制诊断接口的单片微步进电机驱动器。它可以构建与LIN主机远程连接的专用机电一体化解决方案。芯片通过总线接收定位指令,然后将电机线圈驱动到所需位置。片上位置控制器可配置(OTP或RAM)不同的电机类型,定位范围和速度,加速度和减速度参数。 AMIS-30621充当LIN总线上的从机,主机可以从每个单独的从节点获取特定的状态信息,如实际位置,错误标志等。该芯片采用I2T100技术实现,可同时实现高压同一芯片上的模拟电路和数字功能。 AMIS-30621完全兼容汽车电压要求。 特性 自动选择快速和慢速衰减模式。 无需外部反激二极管。 可配置的速度和加速度。 现场可编程节点地址。 动态分配标识符。 物理层和数据链路层(符合LIN rev.1.3)。 LIN总线短路保护供应和地面。 高温警告和管理。 失去LIN安全操作。 Micro - 步进技术。 峰值电流高达800 mA。 固定频率PWM电流控制。 快速自动选择慢速衰减模式。 无需外部反激二极管。 符合14 V汽车系统。 这是一个无铅设备。 应用 汽车应用,...
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AMIS-30621 带LIN总线的微步电动机驱动器和控制器

AMIS-30422 用于外部FET的步进电机驱动器/控制器

0422是一款微步进步进电机桥控制器,适用于大电流范围双极应用。芯片通过SPI接口与外部控制器连接,以控制两个外部功率NMOS H桥。它具有片上稳压器,电流检测,自适应PWM控制器和具有智能斜率控制开关的预驱动器,使该器件符合EMC标准,适用于工业和汽车应用。它使用专有的PWM算法进行可靠的电流控制。 特性 两相步进电机的双H桥预驱动器 通过SPI编程可编程电流 片上电流转换器 SPI接口 速度和负载角度输出 9步模式从完整步长到128微步 通过两个外部检测电阻的电流检测 自动选择快速和慢速衰减的PWM电流控制 具有可选电压斜率的低EMC PWM 全输出保护和诊断 热警告和关机 与3.3 V微控制器兼容 集成3.3 V稳压器为外部微控制器供电 用于复位外部微控制器的集成复位功能 综合监察功能 应用 终端产品 电机控制 HVAC 工业控制系统 电路图、引脚图和封装图...
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AMIS-30422 用于外部FET的步进电机驱动器/控制器

AMIS-30543 微步电机驱动器

543是一款用于双极步进电机的微步进步进电机驱动器。芯片通过IO引脚和SPI接口与外部微控制器连接。它具有片上稳压器,复位输出和看门狗复位功能,可为外围设备供电。 AMIS30543包含一个电流转换表,根据NXT输入引脚上的时钟信号以及DIR(方向)寄存器或输入引脚的状态,进行下一个微步。芯片提供速度和负载角度输出。这允许基于负载角度创建失速检测算法和控制回路以调节扭矩和速度。它使用专有的PWM算法进行可靠的电流控制。 AMIS30543采用I2T100技术实现,可在同一芯片上实现高压模拟电路和数字功能。该芯片完全兼容汽车电压要求。 特性 优势 可编程峰值电流高达3A 高度集成和降低系统成本 128微步 更高的系统分辨率和更安静的电机操作 速度和负载角度输出 启用真正的无传感器闭环控制电机 可编程PWM电压斜率 优化的EMC配置文件 有源反激式二极管 降低BOM成本和提高可靠性 集成电源和监视器支持rt用于外部MCU 降低总系统复杂性和BOM成本 应用 终端产品 数控设备 工业制造设备 纺织设备 电路图、引脚图和封装图...
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AMIS-30543 微步电机驱动器

AMIS-30532 微步进电机驱动器

0532是一款用于双极步进电机的微步进步进电机驱动器。芯片通过I / O引脚和SPI接口与外部微控制器连接。它具有片上稳压器,复位输出和看门狗复位功能,能够为外围设备供电。 AMIS-30532包含一个电流转换表,根据NXT输入引脚上的时钟信号和DIR(=方向)寄存器或输入引脚的状态,进行下一个微步。该芯片提供所谓的速度和负载角输出。这允许基于负载角度创建失速检测算法和控制回路以调节扭矩和速度。它使用专有的PWM算法进行可靠的电流控制。 AMIS-30532采用I2T100技术,可在同一芯片上实现高压模拟电路和数字功能。该芯片完全兼容汽车电压要求。 AMIS-30532非常适用于汽车,工业,医疗和海洋环境中的通用步进电机应用。通过片上稳压器,它进一步降低了机电一体化步进应用的BOM。 特性 用于两相步进电机的双H桥 使用5位电流DAC,可编程峰值电流高达1.6 A连续(3.0 A短时间) 片上电流转换器 SPI接口 速度和负载角度输出 从全步到32步的七步模式 完全集成的电流检测 PWM电流控制,自动选择快速和慢速衰减 具有可选电压斜率的低EMC PWM 有源反激二极...
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AMIS-30532 微步进电机驱动器

AMIS-30522 具有全面诊断反馈和SLA输出的步进电机驱动器

0522是一款用于双极步进电机的微步进步进电机驱动器。芯片通过I / O引脚和SPI接口与外部微控制器连接。它具有片上稳压器,复位输出和看门狗复位功能,能够为外围设备供电。 AMIS-30522包含一个电流转换表,根据NXT输入引脚上的时钟信号和DIR(方向)寄存器或输入引脚的状态,进行下一个微步。芯片提供速度和负载角度输出。这允许基于负载角度创建失速检测算法和控制回路以调节扭矩和速度。它使用专有的PWM算法实现可靠的电流控制。 AMIS-30522采用I2T100技术,可在同一芯片上实现高压模拟电路和数字功能。该芯片完全兼容汽车电压要求。 AMIS-30522非常适用于汽车,工业,医疗和海洋环境中的通用步进电机应用。通过片上稳压器,它进一步降低了机电一体化步进应用的BOM。 特性 优势 集成5V稳压器 供应外部微控制器 集成复位功能 重置外部微控制器 片上电流转换器 SPI接口 速度和负载角度输出 七步模式,从全步到32微-steps 完全集成的电流检测 自动PWM控制c选择快速和慢速衰减 低具有可选电压斜率的EMC PWM 主动飞行-back二极...
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AMIS-30522 具有全面诊断反馈和SLA输出的步进电机驱动器

NCV70517 微步进电机驱动器

17是一款用于双极步进电机的微步进步进电机驱动器。芯片通过I / O引脚和SPI接口与外部微控制器连接。 NCV70517包含一个电流转换表,根据“NXT”输入引脚上的时钟信号和“DIR”(=方向)寄存器或输入引脚的状态,进行下一个微步。如果检测到电气错误,欠压或升高的结温,芯片会提供错误消息。它采用专有的PWM算法实现可靠的电流控制.NCV70517完全兼容汽车电压要求,非常适用于汽车,工业,医疗和海洋环境中的通用步进电机应用。由于该技术,设备特别适用于电池供电波动的应用。 特性 用于两相步进电机的双H桥 可编程峰值电流高达800 mA 低温升压电流高达1100 mA 片上电流转换器 SPI接口 5步骤模式,从全步骤到16个微步骤 完全集成的电流检测和电流-regu lation 反电动势测量 片上失速检测 自动选择PWM电流控制Fast和SlowDecay 固定PWM频率 有源反激二极管 全输出保护和诊断 热警告和关机 兼容3.3 V微控制器,5 V容差输入,5个VTolerant漏极开路输出 重置功能 过流保护 这些器件无铅,无卤素/ BFR,符...
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NCV70517 微步进电机驱动器

AMIS-30624 带有I2C总线和失速检测的微步进电机驱动器和控制器

0624是一款单芯片微步进电机驱动器,带有位置控制器和控制/诊断接口。它已准备好构建智能外围设备系统,其中最多可将32个驱动程序连接到一个I 2 C主站。这大大降低了系统复杂性。设备通过总线接收定位指令,然后驱动定子线圈,使两相步进电机移动到所需位置。片上位置控制器可配置(OTP或RAM),用于不同的电机类型,定位范围和速度,加速度和减速度参数。微步进允许静音电机操作和增加定位分辨率。先进的运动鉴定模式可根据所选运动参数验证整个机械系统。 AMIS-30624可以轻松连接到I 2 C总线,其中I 2 C主站可以从每个主机获取特定的状态信息,如实际位置,错误标志等。单个从动节点。集成的无传感器失速检测功能可在电机失速时停止。这样可以在参考运行期间实现静音但精确的位置校准,并在接近机械终点时实现半闭环操作。该器件采用I2T100技术实现,同时支持高压模拟电路和数字功能芯片。 AMIS-30624完全兼容汽车电压要求。 特性 无传感器失速检测 峰值电流高达800mA 固定频率PWM电流 - 控制 位置控制器 可配置的速度和加速度 用于inter的双向2线总线-IC control 现场可编程节点...
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AMIS-30624 带有I2C总线和失速检测的微步进电机驱动器和控制器

NCV7750 4通道低侧继电器驱动器

0是一款汽车八通道低侧驱动器,每通道可提供高达600 mA的驱动能力。输出控制通过SPI端口提供,可方便地报告开路负载(或对地短路),过载和过温条件下的故障。此外,可通过INx引脚寻址输出的并行控制。专用的跛行回家模式引脚(LHI)使能OUT1至OUT4。每个输出驱动器都受到过载电流保护,并包含一个用于感性负载的输出钳位。 NCV7750采用SSOP24熔断引线封装。 特性 优势 没有开路检测的电源 允许在没有LED负载照明的情况下上电。 低静态电流 符合严格的汽车模块静态电流要求。 16位SPI控制 能够报告错误并且能够菊花链连接。 Limp Home功能 汽车系统功能允许车辆使用有缺陷的微处理器维持运行。 3.3V和5V兼容的数字输入电源范围 适用于3.3V和5V微处理器接口。 开路负载,过载和故障报告温度过高 微压器并报告异常活动以进行故障排除和系统完整性。 加电复位 保持系统通电和断电顺畅。 一侧所有输出的统一输出结构包。 简化印刷电路板布局。 AEC-Q100合格 汽车要求维护现场和变更控制。 4频道 600 ...
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NCV7750 4通道低侧继电器驱动器

LV8498CT 电机驱动器 恒流 控制音圈

CT是用于音圈电机的恒流驱动器IC,支持集成数字/模拟转换器(DAC)的I 2 C控制。它采用超小型WLP封装,包括用于恒流控制的电流检测电阻,使IC成为用于配备相机的移动电话的相机模块小型化的理想选择。输出晶体管具有1Ω的低导通电阻,内置电流检测电阻的电阻为1Ω,可最大限度地降低电压损耗,并有助于承受VCC中的压降。该功能结合在一起,通过以阶梯模式改变电流,同时在输出电流的上升和下降时间,提供电流斜率,提高音圈电机的收敛稳定性(电流斜率函数)。 div> 特性 优势 支持 2 C总线控制。 易于控制 宽工作电压范围(2.2至5.0V)。 宽电源应用 内置电流检测电阻。 电流限制保护 使用6针WLP封装(1.27 0.87 0.25mm)。 小的安装空间 内置第一卷电压降保护电路(VCC = 2V输出关闭)。 电压降保护 内置热保护电路。 热保护 10位DAC启用恒流控制 提高AF-VCM的收敛稳定性 减少外部成分 简单设计 待机电流:0A 耗电量低 音圈电机的恒流驱动器。 2Ω的低输出模块总电阻有助于承受VCC中的电压降。...
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LV8498CT 电机驱动器 恒流 控制音圈

AMIS-30521 具有全面诊断反馈和SLA输出的步进电机驱动器

21是一款用于双极步进电机的微步进步进电机驱动器。芯片通过I / O引脚和SPI接口与外部微控制器连接。 NCV70521包含一个电流转换表,根据NXT输入引脚上的时钟信号和DIR(方向)寄存器或输入引脚的状态,进行下一个微步。该芯片提供所谓的速度和负载角输出。这允许基于负载角度创建失速检测算法和控制回路以调节扭矩和速度。它使用专有的PWM算法实现可靠的电流控制。 NCV70521采用I2T100技术实现,可在同一芯片上实现高压模拟电路和数字功能。该芯片完全兼容汽车电压要求。 NCV70521非常适用于汽车环境中的通用步进电机应用。 特性 使用5位电流DAC可编程峰值电流高达1.5 A On-芯片电流转换器 SPI接口 速度和负载角输出 完整的7步模式-step最多32个微步 完全集成的电流检测 自动选择快速和慢速衰减的PWM电流控制 具有可选电压斜率的低EMC PWM 有源反激二极管 完整输出保护和诊断 热警告和关闭 与5V和3.3V微控制器兼容 终端产品 汽车前照灯位置 襟翼/阀门控制发动机管理 折叠显示器 HVAC和LPG膨胀阀 电路图、引脚图和...
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AMIS-30521 具有全面诊断反馈和SLA输出的步进电机驱动器

AMIS-30512 微步电机驱动器

0512是一款用于双极步进电机的微步进步进电机驱动器。芯片通过I / O引脚和SPI接口与外部微控制器连接。它具有片上稳压器,复位输出和看门狗复位功能,能够为外围设备供电。 AMIS-30512包含一个电流转换表,根据NXT输入引脚上的时钟信号和DIR(方向)寄存器或输入引脚的状态,进行下一个微步。该芯片提供所谓的速度和负载角输出。这允许基于负载角度创建失速检测算法和控制回路以调节扭矩和速度。它采用专有的PWM算法实现可靠的电流控制。 AMIS-30512采用I2T100技术,可在同一芯片上实现高压模拟电路和数字功能。该芯片完全兼容汽车电压要求。 AMIS-30512非常适用于汽车,工业,医疗和海洋环境中的通用步进电机应用。 特性 用于两相步进电机的双H桥 可编程峰值电流上升使用5位电流DAC达到800 mA 片上电流转换器 SPI接口 速度和负载角度输出 从全步到32步的七步模式 完全集成的电流检测 自动选择快速和慢速衰减的PWM电流控制 低EMC PWM可选择的电压斜率 有源反激二极管 完整输出保护和诊断 热警告和关机 兼容3.3 V微控制器,5.0 V...
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AMIS-30512 微步电机驱动器