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摘 要：介绍基于IAP（STC15W4K58S4）单片机的高速冲床翘片吸料装置控制电路及程序设计。由IAP单片机为主控IC接收上位机的控制命令，控制无刷电机及电磁制动器进行翘片吸附及卸料作业，LCD12864液晶作为人机交互画面监控无刷电机及刹车装置的运行状态。该控制装置体积小操作简单易于控制，数字化调整吸附力的大小，满足不同长度的翘片吸附及卸料作业。
关键词：IAP单片机；无刷电机；数字化
1 前言
传统的精密翘片冲床采用变频器，大功率电机作为吸附动力源和气缸推动吸风挡板作为卸料装置进行吸卸料作业，为取代该大功率电气系统及简化机械结构，降低噪音及能耗，提高动作响应速度，现以IAP单片机作主控IC数字化控制无刷电机的运转功率大小，无刷电机及驱动作为动力源，微型电磁制动器作为卸料装置，达到小型化，低噪音，节能，高速响应的效果。
2系统整体结构和系统原理
來自PLC的IO控制信号经过单片机的外围电路处理后输入到主控芯片STC15W4K58S4，单片机分析指令动作发出对应频率及占空比的PWM信号触发无刷电机驱动，控制无刷电机的运转功率大小来调节风箱负压的大小以吸住翘片，防止翘片在前进过程中撞到集料针。当PLC发出卸料信号时主控芯片会对电磁制动器驱动作出控制，触发电磁制动器动作使无刷电机快速停止运转从而使风箱内的压力和大气压平衡，达到翘片精确并快速下落至集料针内的目的。
3系统主要器件
3.1 STC15W4K58S4单片机是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是宽电压/高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，采用STC第九代加密技术，无法解密，指令代码完全兼容传统8051单片机，但速度快8-12倍。内部集成高精度R/C时钟（±0.3%），±1%温飘（-40°C～+85°C），常温下温飘±0.6%温飘（-20°C～+65°C），ISP编程时5MHz～35MHz宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路（内部已集成高可靠复位电路，ISP编程时16级复位门槛电压可选）。8路10位PWM，8路高速10位A/D转换（30万次/秒），内置4K字节大容量SRAM，4组独立的高速异步串行通信端口（UART1/UART2/UART3/UART4），1组高速同步串行通信端口SPI，针对多串行通信/电机控制/强干扰场合。内置比较器，功能更强大[1]。
3.2单片机系统5V电源
工业上一般使用24V直流电作低压电源，但不能直接被单片机及单片机的外围器件直接使用。常用的TO-220封装的78xx系列三端稳压管最大输出电流为1.5A，且在实际应用过程中当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，不利于系统的稳定性。最终选用了LM2576S-5.0芯片作为5V稳压电源供单片机及外围器件使用。
LM2576的效率比流行的三端线性稳压器要高的多，是理想的替代。其主要特点如下：
（1）在指定的输入电压和输出负载条件下保证输出电压的±4%误差，以及振荡器频率的±10%误差。
（2）包括外部关断电路，50μA（典型值）待机电流。
（3）保证3.0A输出电流。
（4）输入电压范围广，40V至HV型号的60V。
（5）只需4个外部器件支持。
（6）52KHz固定频率内部振荡器。
（7）使用现成可用的标准电感。
（8）热关断及电流限制保护。
3.3信号输入电路
由于PLC的IO控制信号均为24V但单片机的IO信号却为5V，如果直接连接则会烧坏单片机，因此需用一种电路来进行信号的电压转换，图1PC817光耦隔离电路能满足要求（详见图1）。
X1连接上位机PLC的24V ，COM连接PLC的输出点，VDD接+5V，A1连接单片机的P0.0 ，当PLC输出信号为24V时时光耦PC817A内部的发光二极管不导通，光敏三极管也不导通，B1点为5V，A1点也为5V；当PLC输出信号为0V时光耦PC817A内部的发光二极管导通，光敏三极管随之导通使B1点为0V，A1点也为0V。由此实现了24V电压信号向5V信号的转换，并起到输入、输出、隔离的作用。由于PC817A光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力，所以PC817A光耦被许多工业控制所使用。
3.4手动控制电路
由于在调试时不可能每次都使用PLC的输出点来控制，因此需要一种简单的方式来进行调试。在单片机的IO端加入按键来实现电平的变化，但单片机的IO点数量有限，为节约宝贵的单片机IO端口，同时使PLC的IO控制端有对应的手动方式，因此在PC817A光耦的输出端及单片机的IO端之间插入74HC244芯片， 并在PC817A的输出端并联一个按键作手动控制，当S3按下及松开时能使单片机的P00口产生电压跳变，被单片机所识别。74HC244是一款高速CMOS器件，是八路正相缓冲驱动器，具有三态输出用于增强信号带负载能力。
3.5微型电磁制动器驱动电路
STC15W4K58S4单片机的I/O口均可由软件配置4种工作类型，分别为：准双向口/弱上拉/强上拉、高阻输入或开漏输出功能，每个I/O口的驱动能力为5V 20mA[2]。由于市面上的微型电磁制动器的参数为24V 0.3A，STC15W4K58S4单片机的I/O口不能满足要求，因此须加驱动电路来使电磁制动器工作。图2电路能实现电压电流放大功能。
该电路也使用了PC817A作为光耦隔离以防止24V的电压影响到单片机的5V系统，Q5为C5134 NPN三极管在这里起到电子开关的作用控制电磁制动器线圈电流的通断，D6为肖特基二极管，起关断续流作用，防止在Q5关断时电火花产生。
3.6无刷电机驱动调速原理
本系统采用的无刷电机为航模电机，具有体积小，推力大的特点，由于无刷的设计方式使得电机寿命有一定的保障，也是本系统选择该种电机的主要原因。航模电机通常使用专门的电调，该电调使用PPM的通信方式，其原理是通过检测给定频率的PWM信号占空比来获取指令信号。
其原理见图3，信号频率为50Hz，一个周期为20ms。对于电调来讲，1ms表示停转，脉宽2ms表示满油门运转，期间的个点按比例换算：比如脉宽为1.5ms就表示50%油门等等。
PWM（脉宽调制）是一种使用程序来控制波形占空比、周期、相位波形的技术[3]。IAP单片机可使用3种方法来产生PWM波形，第一种方法是用CCP/PCA高速脉冲输出来实现，占用系统时间小于0.6%；第二种方法是用定时器的时钟输出来实现，占用系统时间小于0.4%；第三种方法是利用定时器T0软硬结合来模拟实现，占用系统时间为15%。显然使用第二种方法占用的系统时间最小，因此被本系统所采用。
4主控芯片软件设计
当主系统通电后，主控单片机处于初始化状态，先将微型电磁制动器通电放开刹车，再向无刷电机驱动发送0%油门指令进入电机自检测状态，该信号保持6秒或以上[4]。当接收到PLC发出的启动指令时无刷电机进入运行状态；当高速冲床在单片翘片冲压完毕时，PLC发出停止信号，单片机立即向无刷电机驱动发送0%油门指令，继而向刹车驱动发出刹车信号，使微型电磁制动器进入刹车状态，无刷电机停止转动。在调试过程中可通过手动或者PLC向单片机发指令以调节无刷电机功率的大小。
参考文献
[1][2] 姚永平.宏晶STC15系列单片机数据手册[M]北京：2015.1 ：26-1015.
[3]陈坚.电力电子学[M]北京：高等教育出版社2004.12 ：96-220.
[4]谭浩强.C程序设计[M]，第2版，北京：清华大学出版社，1999.12：1-327.
关键词：IAP单片机；无刷电机；数字化
1 前言
传统的精密翘片冲床采用变频器，大功率电机作为吸附动力源和气缸推动吸风挡板作为卸料装置进行吸卸料作业，为取代该大功率电气系统及简化机械结构，降低噪音及能耗，提高动作响应速度，现以IAP单片机作主控IC数字化控制无刷电机的运转功率大小，无刷电机及驱动作为动力源，微型电磁制动器作为卸料装置，达到小型化，低噪音，节能，高速响应的效果。
2系统整体结构和系统原理
來自PLC的IO控制信号经过单片机的外围电路处理后输入到主控芯片STC15W4K58S4，单片机分析指令动作发出对应频率及占空比的PWM信号触发无刷电机驱动，控制无刷电机的运转功率大小来调节风箱负压的大小以吸住翘片，防止翘片在前进过程中撞到集料针。当PLC发出卸料信号时主控芯片会对电磁制动器驱动作出控制，触发电磁制动器动作使无刷电机快速停止运转从而使风箱内的压力和大气压平衡，达到翘片精确并快速下落至集料针内的目的。
3系统主要器件
3.1 STC15W4K58S4单片机是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是宽电压/高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，采用STC第九代加密技术，无法解密，指令代码完全兼容传统8051单片机，但速度快8-12倍。内部集成高精度R/C时钟（±0.3%），±1%温飘（-40°C～+85°C），常温下温飘±0.6%温飘（-20°C～+65°C），ISP编程时5MHz～35MHz宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路（内部已集成高可靠复位电路，ISP编程时16级复位门槛电压可选）。8路10位PWM，8路高速10位A/D转换（30万次/秒），内置4K字节大容量SRAM，4组独立的高速异步串行通信端口（UART1/UART2/UART3/UART4），1组高速同步串行通信端口SPI，针对多串行通信/电机控制/强干扰场合。内置比较器，功能更强大[1]。
3.2单片机系统5V电源
工业上一般使用24V直流电作低压电源，但不能直接被单片机及单片机的外围器件直接使用。常用的TO-220封装的78xx系列三端稳压管最大输出电流为1.5A，且在实际应用过程中当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，不利于系统的稳定性。最终选用了LM2576S-5.0芯片作为5V稳压电源供单片机及外围器件使用。
LM2576的效率比流行的三端线性稳压器要高的多，是理想的替代。其主要特点如下：
（1）在指定的输入电压和输出负载条件下保证输出电压的±4%误差，以及振荡器频率的±10%误差。
（2）包括外部关断电路，50μA（典型值）待机电流。
（3）保证3.0A输出电流。
（4）输入电压范围广，40V至HV型号的60V。
（5）只需4个外部器件支持。
（6）52KHz固定频率内部振荡器。
（7）使用现成可用的标准电感。
（8）热关断及电流限制保护。
3.3信号输入电路
由于PLC的IO控制信号均为24V但单片机的IO信号却为5V，如果直接连接则会烧坏单片机，因此需用一种电路来进行信号的电压转换，图1PC817光耦隔离电路能满足要求（详见图1）。
X1连接上位机PLC的24V ，COM连接PLC的输出点，VDD接+5V，A1连接单片机的P0.0 ，当PLC输出信号为24V时时光耦PC817A内部的发光二极管不导通，光敏三极管也不导通，B1点为5V，A1点也为5V；当PLC输出信号为0V时光耦PC817A内部的发光二极管导通，光敏三极管随之导通使B1点为0V，A1点也为0V。由此实现了24V电压信号向5V信号的转换，并起到输入、输出、隔离的作用。由于PC817A光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力，所以PC817A光耦被许多工业控制所使用。
3.4手动控制电路
由于在调试时不可能每次都使用PLC的输出点来控制，因此需要一种简单的方式来进行调试。在单片机的IO端加入按键来实现电平的变化，但单片机的IO点数量有限，为节约宝贵的单片机IO端口，同时使PLC的IO控制端有对应的手动方式，因此在PC817A光耦的输出端及单片机的IO端之间插入74HC244芯片， 并在PC817A的输出端并联一个按键作手动控制，当S3按下及松开时能使单片机的P00口产生电压跳变，被单片机所识别。74HC244是一款高速CMOS器件，是八路正相缓冲驱动器，具有三态输出用于增强信号带负载能力。
3.5微型电磁制动器驱动电路
STC15W4K58S4单片机的I/O口均可由软件配置4种工作类型，分别为：准双向口/弱上拉/强上拉、高阻输入或开漏输出功能，每个I/O口的驱动能力为5V 20mA[2]。由于市面上的微型电磁制动器的参数为24V 0.3A，STC15W4K58S4单片机的I/O口不能满足要求，因此须加驱动电路来使电磁制动器工作。图2电路能实现电压电流放大功能。
该电路也使用了PC817A作为光耦隔离以防止24V的电压影响到单片机的5V系统，Q5为C5134 NPN三极管在这里起到电子开关的作用控制电磁制动器线圈电流的通断，D6为肖特基二极管，起关断续流作用，防止在Q5关断时电火花产生。
3.6无刷电机驱动调速原理
本系统采用的无刷电机为航模电机，具有体积小，推力大的特点，由于无刷的设计方式使得电机寿命有一定的保障，也是本系统选择该种电机的主要原因。航模电机通常使用专门的电调，该电调使用PPM的通信方式，其原理是通过检测给定频率的PWM信号占空比来获取指令信号。
其原理见图3，信号频率为50Hz，一个周期为20ms。对于电调来讲，1ms表示停转，脉宽2ms表示满油门运转，期间的个点按比例换算：比如脉宽为1.5ms就表示50%油门等等。
PWM（脉宽调制）是一种使用程序来控制波形占空比、周期、相位波形的技术[3]。IAP单片机可使用3种方法来产生PWM波形，第一种方法是用CCP/PCA高速脉冲输出来实现，占用系统时间小于0.6%；第二种方法是用定时器的时钟输出来实现，占用系统时间小于0.4%；第三种方法是利用定时器T0软硬结合来模拟实现，占用系统时间为15%。显然使用第二种方法占用的系统时间最小，因此被本系统所采用。
4主控芯片软件设计
当主系统通电后，主控单片机处于初始化状态，先将微型电磁制动器通电放开刹车，再向无刷电机驱动发送0%油门指令进入电机自检测状态，该信号保持6秒或以上[4]。当接收到PLC发出的启动指令时无刷电机进入运行状态；当高速冲床在单片翘片冲压完毕时，PLC发出停止信号，单片机立即向无刷电机驱动发送0%油门指令，继而向刹车驱动发出刹车信号，使微型电磁制动器进入刹车状态，无刷电机停止转动。在调试过程中可通过手动或者PLC向单片机发指令以调节无刷电机功率的大小。
参考文献
[1][2] 姚永平.宏晶STC15系列单片机数据手册[M]北京：2015.1 ：26-1015.
[3]陈坚.电力电子学[M]北京：高等教育出版社2004.12 ：96-220.
[4]谭浩强.C程序设计[M]，第2版，北京：清华大学出版社，1999.12：1-327.