PICDEM™ MC LV开发板：电机控制的理想之选

在电机控制领域，一款优秀的开发板能为工程师们带来极大的便利和高效的开发体验。PICDEM™ MC LV开发板就是这样一款值得关注的产品，今天我们就来详细了解一下它。

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一、开发板概述

PICDEM MC LV开发板主要用于控制无刷直流（BLDC）电机，既可以进行有传感器操作，也能实现无传感器操作。它具有灵活性和低成本的特点，可以与Microchip的专用电机控制微控制器和数字信号控制器配合使用。该开发板可以配置PIC18F2331/2431或dsPIC30F2010/3010设备进行控制，低引脚数的电机控制部件，如PIC18F1230/1330，也可以通过子板进行配置。

开发板配备了一个免费且易于使用的MC - GUI（电机控制图形用户界面），用户可以通过它轻松设置和更改电机参数，大大有助于开发定制化的驱动解决方案。

1.1 电机控制套件内容

• 开发板：PICDEM MC LV开发板本身。
• CD - ROM：包含PICDEM MC LV图形用户界面（MC - GUI）、“PICDEM MC LV开发板用户指南”以及使用PIC18F微控制器和dsPIC30F数字信号控制器的固件示例。

1.2 开发板概览

BLDC电机因其相对于传统电机的优势而越来越受欢迎。要了解BLDC电机的基础知识、工作原理和控制方法，可以参考Microchip网站上的应用笔记AN885“Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals”（DS00885）。同时，访问专门的网页www.microchip.com/motor，能获取使用PIC®微控制器和dsPIC®数字信号控制器对不同类型电机进行控制的技术细节。

PICDEM MC LV开发板支持最高48V的终端电压和最高4A的电流，具体的电气规格可参考附录B“电气规格”。

1.3 开发板连接器

• 电源连接器（J20）：可以连接3种不同类型的连接器，出厂时板上安装的是桶形连接器，必要时用户可以将其更换为标准DIN连接器或5mm间距的螺丝端子。需连接24V直流电源，建议使用Microchip网站上列出的配件（部件编号AC002013）中的推荐电源，或使用等效的电源。
• 电机连接器（J9）：有11个端子，每个端子具有不同的功能，如电机绕组连接、霍尔传感器连接等。在无传感器控制时，部分霍尔传感器相关的端子不使用。
• ICD 2连接器（J6）：RJ11连接器，用于使用MPLAB® ICD 2对部件进行编程或调试固件，可以为板上提供的现有固件添加特定应用功能。
• 串行接口（RS - 232）连接器（J1）：用于基于RS - 232协议与外部进行串行通信。在使用基于PC的MC - GUI时，通过RS - 232电缆连接PC和开发板。

二、系统级架构

2.1 板级框图

PICDEM MC LV开发板的系统级架构包含控制、功率逆变器和电源三个部分。

2.2 控制部分

• 控制器插座：开发板有两个28引脚的DIP插座，分别用于PIC18F2331/2431微控制器和dsPIC30F2010/3010数字信号控制器，标记为“PIC”和“dsPIC”插座。出厂时，“PIC”侧的U1上安装有预编程的PIC18F2431。若要使用dsPIC设备，需要将PIC18F从插座中取出，并将dsPIC数字信号控制器安装在“dsPIC”侧的U3上。
• 过流保护电路：通过在直流返回路径中连接一个分流电阻（R26 = 0.1Ω）将三相电机的组合电流转换为电压，该电压经过低通滤波器和运算放大器电路放大后连接到模数转换器通道（AN0）。同时，放大后的电压与通过电位器R60设置的参考电压进行比较，可根据电机额定电流设置参考电压。
• 用户界面：开发板上有开关、LED和电位器，用于与GUI界面配合使用。例如，S1用于系统复位，S2和S3有各种功能；D1、D2、D3用于显示状态；PWM0 - PWM5用于显示PWM状态；电位器R14用于控制电机速度，顺时针旋转增加速度，反之则降低速度。
• 霍尔传感器接口：电机上的霍尔传感器为开集电极输出，开发板上为每个霍尔传感器提供了单独的上拉电阻。霍尔传感器信号HA、HB和HC分别连接到输入捕获引脚IC1、IC2和IC3。
• 反电动势（BEMF）信号调理：在使用无传感器算法控制BLDC电机速度时，使用BEMF信号。信号调理电路主要包括每个相电压的低通滤波器和用于确定过零点的比较器电路。使用PIC18F微控制器时，跳线设置为使用这两个模块；使用dsPIC30F数字信号控制器时，电路中使用低通滤波器，通过片上模数转换器确定BEMF过零点。开发板上有8个跳线用于配置，具体跳线设置可参考第3章“使用PIC18FXX31微控制器入门”和第6章“使用dsPIC数字信号控制器入门”，以及附录C“跳线设置”。
• 温度测量电路：在靠近Q5的PCB散热器旁边放置了一个温度传感器（Microchip的TC74），它具有I²C™接口，可测量温度并将其转换为数字值，可通过I²C协议读取该值。CD上的代码不包含温度读取程序，使用SSP模块的主模式I²C程序可在Microchip网站上找到。使用温度传感器时，跳线J16和J17应断开，此时LED D2和D3不可用。

2.3 功率逆变器部分

逆变器部分由三个半桥栅极驱动器和使用MOSFET的三相逆变器桥组成。PWM对（PWM0 - PWM1、PWM2 - PWM3和PWM4 - PWM5）控制三个半桥逆变器。直流母线可以从连接到输入连接器J20的24V电源获取，也可以从连接器J9上的“+”和“ - ”端子获取。

2.4 电源部分

连接到J20的24V直流电源模块作为开发板的主电源。使用15V稳压器（VR2）生成+15V电源用于栅极驱动器，该15V电源再通过5V稳压器为微控制器和微控制器周围的控制电路提供+5V电源。

如果要连接替代电源，开发板可以支持最高48V额定电压的电机，但J20上可连接的输入电源限制为24V。此时，可以通过J9上的“+”和“ - ”端子连接不同的电源为直流母线供电。连接第二个电源到J9时，应打开J9旁边的电源跳线J3。需要注意的是，使用J9上的“+”和“ - ”端子连接第二个电源时，务必确保移除跳线J3，否则可能导致开发板或电源故障。

三、使用不同控制器入门

3.1 使用PIC18FXX31微控制器

在使用PIC18FXX31设备设置PICDEM MC LV开发板时，需要注意以下几点：

• 确保开发板放置在坚固的平台上。
• 确认PIC18F2331或PIC18F2431安装在U1的“PIC”插座中。
• 连接24V电源到J20，但不要连接电机线。如果LED D7（红色）未亮起，检查电源连接器的极性，若极性正确仍不亮，断开电源并联系Microchip的当地办事处或经销商。
• 确定要运行电机的算法，有使用霍尔传感器的速度控制和无传感器控制两种选择。
• 使用MPLAB® ICD 2对部件进行编程，具体可参考“MPLAB® ICD 2在线调试器用户指南”（DS51331）。
• 断开电源，根据不同的控制方式完成跳线设置和电机连接。
• 将电位器“REF”逆时针旋转到底。
• 再次连接24V电源到开发板。
• 若要手动操作或使用独立模式，按以下步骤进行：
  • 按下并释放开关S3一次。
  • 顺时针旋转电位器“REF”，电机应开始旋转。
  • 每次按下S3可在运行和停止状态之间切换。
  • 按下S2可改变电机的旋转方向。
  • 如果电机停止且LED D1闪烁，表明出现过流故障，降低速度“REF”，按下S2或S3清除故障并恢复运行。

3.2 使用dsPIC数字信号控制器

使用dsPIC设备设置PICDEM MC LV开发板时，同样需要注意一些事项：

• 确保开发板放置在坚固的平台上。
• 确认dsPIC30F2010、dsPIC30F3010或dsPIC30F4012安装在U3的“dsPIC”标记的插座中。
• 连接24V电源到J5，但不要连接电机线。如果LED D7（红色）未亮起，检查电源连接器的极性，若极性正确仍不亮，断开电源并联系Microchip的当地办事处或经销商。
• 可参考应用笔记AN957“使用dsPIC30F2010进行有传感器BLDC电机控制”（DS00957）和AN992“使用dsPIC30F2010进行无传感器BLDC电机控制”（DS00992），这些代码可从Microchip网站下载，并适用于应用套件中提供的BLDC电机。使用MPLAB® ICD 2进行项目生成和编程时，可参考“MPLAB® ICD 2在线调试器用户指南”（DS51331）。
• 编程dsPIC设备时，两个DIP开关必须置于PRGM位置，以确保编程引脚连接到编程器。若用户生成了独立代码，必须在MPLAB配置菜单中选择EMUC2/EMUD2引脚进行仿真。编程后，可断开编程器与ICD 2插头J6的连接，以独立模式运行设备；若使用ICD 2的仿真模式，需将DIP开关切换到DEBUG位置。
• 断开电源，确保跳线设置和电机连接符合相应表格的要求。
• 将电位器“REF”置于50%或中间位置，将标记为“R60”的电位器顺时针旋转到底。
• 连接24V电源到开发板，红色LED D7应亮起。
• 按下S2启动电机。
• 顺时针旋转标记为“REF”的电位器可增加电机速度。
• 如果电机停止，按下S2一次重置过程，然后重复上述增加速度的步骤。
• 调试信息将通过串口传输，可使用超级终端以19200波特率查看电机速度或代码执行过程中出现的故障。

四、使用Microchip电机控制GUI

4.1 软件概述

Microchip电机控制GUI为大多数基于PICmicro®设备的电机控制应用提供了方便的基于计算机的界面。它设计用于多种电气设计和电机控制范式，并为电机操作提供了广泛的控制功能。用户不仅可以设置速度和旋转方向，还可以编程加速度、减速度和可变运行模式。

4.2 启动程序

可以从开始菜单中选择“Programs>Microchip Motor Control Solutions>Motor Control Demo”，或者双击桌面上的电机控制GUI快捷方式来启动程序，这将打开GUI的主窗口。

4.3 主窗口（控制面板）

• 电机和控制方法显示：当电机控制固件配置适当时，滚动显示会指示已编程到PICDEM MC LV开发板的电机类型和控制固件。
• 速度/方向显示：以转速表和数字（文本）格式显示电机的实际速度，下方的方向指示器通过箭头和文本显示电机相对于默认方向的旋转方向。所有开环模式应用的速度以RPM显示。转速表的满量程值和彩色区域反映了所选电机类型的平均安全和危险值，可在设置窗口中更改这些值以反映电机的实际性能限制。
• 故障显示：滚动文本显示指示PICDEM MC LV开发板监控的故障状态。正常情况下，显示滚动的“无故障”消息和绿色指示灯；出现故障时，指示灯变为闪烁的红色，文本也变为红色并显示具体的故障事件。
• 速度设置控制：用户可以通过旋转框直接输入或使用上下控件设置电机的目标运行速度，输入以RPM为单位。左键单击控件，或在输入速度后按或键，电机开始运行。
• 相电流显示：以模拟仪表和数字（文本）格式显示指定电机绕组的电流消耗。使用的仪表数量反映电机类型和电流传感配置，不同颜色区域代表基于开发板能力的平均安全和危险运行范围。PICDEM MC LV开发板的安全运行极限为6A，实际安全运行范围应根据电机铭牌和数据手册确定。
• 温度显示：以模拟温度计和文本值的形式给出逆变器功率模块的近似温度。温度计左侧的箭头指示控制器固件中设置的过温故障事件温度。当前版本未实现此显示。
• 控制按钮：提供四个活动的电机控制按钮。前两个分别用于启动和停止电机，电机运行时相应的按钮会禁用。第三个按钮“Direction”用于切换旋转方向，最右侧的“Setup”按钮用于打开设置窗口。另外两个按钮“Pattern”和“History”在当前版本中未实现，显示为灰色。
• 通信控制：提供用户对与开发板的串行通信链接的控制，以及实时状态指示器。点击“COM Setup”可打开COM端口设置窗口，用户可以选择串行端口和波特率设置。点击“Auto Connect”，电机控制GUI将在每次启动时自动尝试使用最近输入的COM参数与开发板通信。连接后，“COM Setup”不可用。“Connect/Abort”按钮用于建立或断开与开发板的串行链接，连接后标签变为“Abort”，“COM Setup”不可用；断开连接后，“COM Setup”可重新配置。最左侧的指示器显示串行链接的状态，连接时为实心绿色，正在建立连接时闪烁绿色，连接失败时变为实心红色。右侧的滚动消息显示当前连接状态、受控设备和电机控制固件的当前版本，最右侧提供基于系统时钟时间的实时时钟。需要注意的是，当电机控制GUI启动并首次建立串行链接时，会识别微控制器和固件。如果更改了控制器和/或固件，重新建立串行链接时应用程序可能无法总是识别到这些更改，因此更改微控制器或固件时，应始终关闭并重新启动电机控制GUI。

4.4 设置窗口

点击控制面板中的“Setup”按钮可打开设置窗口，用户可以在此定义所使用电机的各个设置。如果固件中包含适当的信息，大多数值将自动填充，或者至少限制在较小的选择范围内。未使用的功能或参数将被屏蔽或变灰。设置窗口分为三个类别：

• 电机参数：定义实际使用的电机和传感器硬件，信息可从电机铭牌或数据手册中获取。电机类型字段在连接时会自动填充识别的电机类型。通过选择“Feedback Device”中的相应复选框，可以选择性地启用运动反馈传感器的配置。使用霍尔效应传感器时，可配置霍尔传感器相位角和MFM滤波器预分频器；启用光学编码器时，可配置编码器每转脉冲数（PPR）、QEI更新模式和MFM滤波器预分频器。需要注意的是，霍尔效应传感器和光学传感器相互排斥，某些控制方法不能同时使用两种类型的传感器。选择“None”选项将禁用所有传感器配置选项。
• 系统参数：系统参数选项会根据固件使用的电机控制原理而有所不同。比例 - 积分 - 微分（PID）系统通常用于闭环操作，需要恒定速度或恒定扭矩时，选项1至6仅在使用PID控制算法时可用。大多数应用中，加速度和减速度定义为RPS/s；对于开环应用中的感应电机，定义为Hz/s。输入电压是开发板的实际供电电压，结合电机参数中确定的驱动电压水平，用于计算从输入电压生成驱动电压所需的PCPWM占空比限制。PWM频率决定控制固件的分辨率，下拉组合框根据固件应用和微控制器提供固定范围的值。需要注意的是，当前版本的电机控制GUI中，V/F曲线控制不可用。
• 系统限制：系统限制反映了所使用电机和开发板的最大值。电压限制是输送到电机的最大电压，限制在输入直流电压水平。电流限制设置为电机的最大电流额定值或开发板的最大容量中的较小值，PICDEM MC LV开发板的电流限制为4.0A。速度限制设置为电机数据手册中给出的值，或特定电机数据文件中预先确定的速度。需要注意的是，并非所有电机都能达到速度限制参数定义的最大速度，应将其视为上限而非电机的预期最大速度。

4.5 存储和使用设置配置文件

在设置窗口中，用户可以保存和加载设置配置文件。点击“Save”按钮可将当前设置保存到文件中，点击“Load”按钮可选择并加载保存设置的文件，这两个命令使用常规的Windows®对话框进行文件打开和保存操作。设置配置文件保存为电机数据文件（.mcd扩展名），这两个操作都不会影响板上