PICDEM? MC LV開發(fā)板：電機控制的理想之選

在電機控制領域，一款優(yōu)秀的開發(fā)板能為工程師們帶來極大的便利和高效的開發(fā)體驗。PICDEM? MC LV開發(fā)板就是這樣一款值得關注的產(chǎn)品，今天我們就來詳細了解一下它。

文件下載：DM183021.pdf

一、開發(fā)板概述

PICDEM MC LV開發(fā)板主要用于控制無刷直流（BLDC）電機，既可以進行有傳感器操作，也能實現(xiàn)無傳感器操作。它具有靈活性和低成本的特點，可以與Microchip的專用電機控制微控制器和數(shù)字信號控制器配合使用。該開發(fā)板可以配置PIC18F2331/2431或dsPIC30F2010/3010設備進行控制，低引腳數(shù)的電機控制部件，如PIC18F1230/1330，也可以通過子板進行配置。

開發(fā)板配備了一個免費且易于使用的MC - GUI（電機控制圖形用戶界面），用戶可以通過它輕松設置和更改電機參數(shù)，大大有助于開發(fā)定制化的驅(qū)動解決方案。

1.1 電機控制套件內(nèi)容

• 開發(fā)板：PICDEM MC LV開發(fā)板本身。
• CD - ROM：包含PICDEM MC LV圖形用戶界面（MC - GUI）、“PICDEM MC LV開發(fā)板用戶指南”以及使用PIC18F微控制器和dsPIC30F數(shù)字信號控制器的固件示例。

1.2 開發(fā)板概覽

BLDC電機因其相對于傳統(tǒng)電機的優(yōu)勢而越來越受歡迎。要了解BLDC電機的基礎知識、工作原理和控制方法，可以參考Microchip網(wǎng)站上的應用筆記AN885“Brushless DC (BLDC) Motor Fundamentals”（DS00885）。同時，訪問專門的網(wǎng)頁www.microchip.com/motor，能獲取使用PIC?微控制器和dsPIC?數(shù)字信號控制器對不同類型電機進行控制的技術細節(jié)。

PICDEM MC LV開發(fā)板支持最高48V的終端電壓和最高4A的電流，具體的電氣規(guī)格可參考附錄B“電氣規(guī)格”。

1.3 開發(fā)板連接器

• 電源連接器（J20）：可以連接3種不同類型的連接器，出廠時板上安裝的是桶形連接器，必要時用戶可以將其更換為標準DIN連接器或5mm間距的螺絲端子。需連接24V直流電源，建議使用Microchip網(wǎng)站上列出的配件（部件編號AC002013）中的推薦電源，或使用等效的電源。
• 電機連接器（J9）：有11個端子，每個端子具有不同的功能，如電機繞組連接、霍爾傳感器連接等。在無傳感器控制時，部分霍爾傳感器相關的端子不使用。
• ICD 2連接器（J6）：RJ11連接器，用于使用MPLAB? ICD 2對部件進行編程或調(diào)試固件，可以為板上提供的現(xiàn)有固件添加特定應用功能。
• 串行接口（RS - 232）連接器（J1）：用于基于RS - 232協(xié)議與外部進行串行通信。在使用基于PC的MC - GUI時，通過RS - 232電纜連接PC和開發(fā)板。

二、系統(tǒng)級架構

2.1 板級框圖

PICDEM MC LV開發(fā)板的系統(tǒng)級架構包含控制、功率逆變器和電源三個部分。

2.2 控制部分

• 控制器插座：開發(fā)板有兩個28引腳的DIP插座，分別用于PIC18F2331/2431微控制器和dsPIC30F2010/3010數(shù)字信號控制器，標記為“PIC”和“dsPIC”插座。出廠時，“PIC”側的U1上安裝有預編程的PIC18F2431。若要使用dsPIC設備，需要將PIC18F從插座中取出，并將dsPIC數(shù)字信號控制器安裝在“dsPIC”側的U3上。
• 過流保護電路：通過在直流返回路徑中連接一個分流電阻（R26 = 0.1Ω）將三相電機的組合電流轉換為電壓，該電壓經(jīng)過低通濾波器和運算放大器電路放大后連接到模數(shù)轉換器通道（AN0）。同時，放大后的電壓與通過電位器R60設置的參考電壓進行比較，可根據(jù)電機額定電流設置參考電壓。
• 用戶界面：開發(fā)板上有開關、LED和電位器，用于與GUI界面配合使用。例如，S1用于系統(tǒng)復位，S2和S3有各種功能；D1、D2、D3用于顯示狀態(tài)；PWM0 - PWM5用于顯示PWM狀態(tài)；電位器R14用于控制電機速度，順時針旋轉增加速度，反之則降低速度。
• 霍爾傳感器接口：電機上的霍爾傳感器為開集電極輸出，開發(fā)板上為每個霍爾傳感器提供了單獨的上拉電阻?；魻杺鞲衅餍盘朒A、HB和HC分別連接到輸入捕獲引腳IC1、IC2和IC3。
• 反電動勢（BEMF）信號調(diào)理：在使用無傳感器算法控制BLDC電機速度時，使用BEMF信號。信號調(diào)理電路主要包括每個相電壓的低通濾波器和用于確定過零點的比較器電路。使用PIC18F微控制器時，跳線設置為使用這兩個模塊；使用dsPIC30F數(shù)字信號控制器時，電路中使用低通濾波器，通過片上模數(shù)轉換器確定BEMF過零點。開發(fā)板上有8個跳線用于配置，具體跳線設置可參考第3章“使用PIC18FXX31微控制器入門”和第6章“使用dsPIC數(shù)字信號控制器入門”，以及附錄C“跳線設置”。
• 溫度測量電路：在靠近Q5的PCB散熱器旁邊放置了一個溫度傳感器（Microchip的TC74），它具有I2C?接口，可測量溫度并將其轉換為數(shù)字值，可通過I2C協(xié)議讀取該值。CD上的代碼不包含溫度讀取程序，使用SSP模塊的主模式I2C程序可在Microchip網(wǎng)站上找到。使用溫度傳感器時，跳線J16和J17應斷開，此時LED D2和D3不可用。

2.3 功率逆變器部分

逆變器部分由三個半橋柵極驅(qū)動器和使用MOSFET的三相逆變器橋組成。PWM對（PWM0 - PWM1、PWM2 - PWM3和PWM4 - PWM5）控制三個半橋逆變器。直流母線可以從連接到輸入連接器J20的24V電源獲取，也可以從連接器J9上的“+”和“ - ”端子獲取。

2.4 電源部分

連接到J20的24V直流電源模塊作為開發(fā)板的主電源。使用15V穩(wěn)壓器（VR2）生成+15V電源用于柵極驅(qū)動器，該15V電源再通過5V穩(wěn)壓器為微控制器和微控制器周圍的控制電路提供+5V電源。

如果要連接替代電源，開發(fā)板可以支持最高48V額定電壓的電機，但J20上可連接的輸入電源限制為24V。此時，可以通過J9上的“+”和“ - ”端子連接不同的電源為直流母線供電。連接第二個電源到J9時，應打開J9旁邊的電源跳線J3。需要注意的是，使用J9上的“+”和“ - ”端子連接第二個電源時，務必確保移除跳線J3，否則可能導致開發(fā)板或電源故障。

三、使用不同控制器入門

3.1 使用PIC18FXX31微控制器

在使用PIC18FXX31設備設置PICDEM MC LV開發(fā)板時，需要注意以下幾點：

• 確保開發(fā)板放置在堅固的平臺上。
• 確認PIC18F2331或PIC18F2431安裝在U1的“PIC”插座中。
• 連接24V電源到J20，但不要連接電機線。如果LED D7（紅色）未亮起，檢查電源連接器的極性，若極性正確仍不亮，斷開電源并聯(lián)系Microchip的當?shù)剞k事處或經(jīng)銷商。
• 確定要運行電機的算法，有使用霍爾傳感器的速度控制和無傳感器控制兩種選擇。
• 使用MPLAB? ICD 2對部件進行編程，具體可參考“MPLAB? ICD 2在線調(diào)試器用戶指南”（DS51331）。
• 斷開電源，根據(jù)不同的控制方式完成跳線設置和電機連接。
• 將電位器“REF”逆時針旋轉到底。
• 再次連接24V電源到開發(fā)板。
• 若要手動操作或使用獨立模式，按以下步驟進行：
  • 按下并釋放開關S3一次。
  • 順時針旋轉電位器“REF”，電機應開始旋轉。
  • 每次按下S3可在運行和停止狀態(tài)之間切換。
  • 按下S2可改變電機的旋轉方向。
  • 如果電機停止且LED D1閃爍，表明出現(xiàn)過流故障，降低速度“REF”，按下S2或S3清除故障并恢復運行。

3.2 使用dsPIC數(shù)字信號控制器

使用dsPIC設備設置PICDEM MC LV開發(fā)板時，同樣需要注意一些事項：

• 確保開發(fā)板放置在堅固的平臺上。
• 確認dsPIC30F2010、dsPIC30F3010或dsPIC30F4012安裝在U3的“dsPIC”標記的插座中。
• 連接24V電源到J5，但不要連接電機線。如果LED D7（紅色）未亮起，檢查電源連接器的極性，若極性正確仍不亮，斷開電源并聯(lián)系Microchip的當?shù)剞k事處或經(jīng)銷商。
• 可參考應用筆記AN957“使用dsPIC30F2010進行有傳感器BLDC電機控制”（DS00957）和AN992“使用dsPIC30F2010進行無傳感器BLDC電機控制”（DS00992），這些代碼可從Microchip網(wǎng)站下載，并適用于應用套件中提供的BLDC電機。使用MPLAB? ICD 2進行項目生成和編程時，可參考“MPLAB? ICD 2在線調(diào)試器用戶指南”（DS51331）。
• 編程dsPIC設備時，兩個DIP開關必須置于PRGM位置，以確保編程引腳連接到編程器。若用戶生成了獨立代碼，必須在MPLAB配置菜單中選擇EMUC2/EMUD2引腳進行仿真。編程后，可斷開編程器與ICD 2插頭J6的連接，以獨立模式運行設備；若使用ICD 2的仿真模式，需將DIP開關切換到DEBUG位置。
• 斷開電源，確保跳線設置和電機連接符合相應表格的要求。
• 將電位器“REF”置于50%或中間位置，將標記為“R60”的電位器順時針旋轉到底。
• 連接24V電源到開發(fā)板，紅色LED D7應亮起。
• 按下S2啟動電機。
• 順時針旋轉標記為“REF”的電位器可增加電機速度。
• 如果電機停止，按下S2一次重置過程，然后重復上述增加速度的步驟。
• 調(diào)試信息將通過串口傳輸，可使用超級終端以19200波特率查看電機速度或代碼執(zhí)行過程中出現(xiàn)的故障。

四、使用Microchip電機控制GUI

4.1 軟件概述

Microchip電機控制GUI為大多數(shù)基于PICmicro?設備的電機控制應用提供了方便的基于計算機的界面。它設計用于多種電氣設計和電機控制范式，并為電機操作提供了廣泛的控制功能。用戶不僅可以設置速度和旋轉方向，還可以編程加速度、減速度和可變運行模式。

4.2 啟動程序

可以從開始菜單中選擇“Programs>Microchip Motor Control Solutions>Motor Control Demo”，或者雙擊桌面上的電機控制GUI快捷方式來啟動程序，這將打開GUI的主窗口。

4.3 主窗口（控制面板）

• 電機和控制方法顯示：當電機控制固件配置適當時，滾動顯示會指示已編程到PICDEM MC LV開發(fā)板的電機類型和控制固件。
• 速度/方向顯示：以轉速表和數(shù)字（文本）格式顯示電機的實際速度，下方的方向指示器通過箭頭和文本顯示電機相對于默認方向的旋轉方向。所有開環(huán)模式應用的速度以RPM顯示。轉速表的滿量程值和彩色區(qū)域反映了所選電機類型的平均安全和危險值，可在設置窗口中更改這些值以反映電機的實際性能限制。
• 故障顯示：滾動文本顯示指示PICDEM MC LV開發(fā)板監(jiān)控的故障狀態(tài)。正常情況下，顯示滾動的“無故障”消息和綠色指示燈；出現(xiàn)故障時，指示燈變?yōu)殚W爍的紅色，文本也變?yōu)榧t色并顯示具體的故障事件。
• 速度設置控制：用戶可以通過旋轉框直接輸入或使用上下控件設置電機的目標運行速度，輸入以RPM為單位。左鍵單擊控件，或在輸入速度后按或鍵，電機開始運行。
• 相電流顯示：以模擬儀表和數(shù)字（文本）格式顯示指定電機繞組的電流消耗。使用的儀表數(shù)量反映電機類型和電流傳感配置，不同顏色區(qū)域代表基于開發(fā)板能力的平均安全和危險運行范圍。PICDEM MC LV開發(fā)板的安全運行極限為6A，實際安全運行范圍應根據(jù)電機銘牌和數(shù)據(jù)手冊確定。
• 溫度顯示：以模擬溫度計和文本值的形式給出逆變器功率模塊的近似溫度。溫度計左側的箭頭指示控制器固件中設置的過溫故障事件溫度。當前版本未實現(xiàn)此顯示。
• 控制按鈕：提供四個活動的電機控制按鈕。前兩個分別用于啟動和停止電機，電機運行時相應的按鈕會禁用。第三個按鈕“Direction”用于切換旋轉方向，最右側的“Setup”按鈕用于打開設置窗口。另外兩個按鈕“Pattern”和“History”在當前版本中未實現(xiàn)，顯示為灰色。
• 通信控制：提供用戶對與開發(fā)板的串行通信鏈接的控制，以及實時狀態(tài)指示器。點擊“COM Setup”可打開COM端口設置窗口，用戶可以選擇串行端口和波特率設置。點擊“Auto Connect”，電機控制GUI將在每次啟動時自動嘗試使用最近輸入的COM參數(shù)與開發(fā)板通信。連接后，“COM Setup”不可用?！癈onnect/Abort”按鈕用于建立或斷開與開發(fā)板的串行鏈接，連接后標簽變?yōu)椤癆bort”，“COM Setup”不可用；斷開連接后，“COM Setup”可重新配置。最左側的指示器顯示串行鏈接的狀態(tài)，連接時為實心綠色，正在建立連接時閃爍綠色，連接失敗時變?yōu)閷嵭募t色。右側的滾動消息顯示當前連接狀態(tài)、受控設備和電機控制固件的當前版本，最右側提供基于系統(tǒng)時鐘時間的實時時鐘。需要注意的是，當電機控制GUI啟動并首次建立串行鏈接時，會識別微控制器和固件。如果更改了控制器和/或固件，重新建立串行鏈接時應用程序可能無法總是識別到這些更改，因此更改微控制器或固件時，應始終關閉并重新啟動電機控制GUI。

4.4 設置窗口

點擊控制面板中的“Setup”按鈕可打開設置窗口，用戶可以在此定義所使用電機的各個設置。如果固件中包含適當?shù)男畔ⅲ蠖鄶?shù)值將自動填充，或者至少限制在較小的選擇范圍內(nèi)。未使用的功能或參數(shù)將被屏蔽或變灰。設置窗口分為三個類別：

• 電機參數(shù)：定義實際使用的電機和傳感器硬件，信息可從電機銘牌或數(shù)據(jù)手冊中獲取。電機類型字段在連接時會自動填充識別的電機類型。通過選擇“Feedback Device”中的相應復選框，可以選擇性地啟用運動反饋傳感器的配置。使用霍爾效應傳感器時，可配置霍爾傳感器相位角和MFM濾波器預分頻器；啟用光學編碼器時，可配置編碼器每轉脈沖數(shù)（PPR）、QEI更新模式和MFM濾波器預分頻器。需要注意的是，霍爾效應傳感器和光學傳感器相互排斥，某些控制方法不能同時使用兩種類型的傳感器。選擇“None”選項將禁用所有傳感器配置選項。
• 系統(tǒng)參數(shù)：系統(tǒng)參數(shù)選項會根據(jù)固件使用的電機控制原理而有所不同。比例 - 積分 - 微分（PID）系統(tǒng)通常用于閉環(huán)操作，需要恒定速度或恒定扭矩時，選項1至6僅在使用PID控制算法時可用。大多數(shù)應用中，加速度和減速度定義為RPS/s；對于開環(huán)應用中的感應電機，定義為Hz/s。輸入電壓是開發(fā)板的實際供電電壓，結合電機參數(shù)中確定的驅(qū)動電壓水平，用于計算從輸入電壓生成驅(qū)動電壓所需的PCPWM占空比限制。PWM頻率決定控制固件的分辨率，下拉組合框根據(jù)固件應用和微控制器提供固定范圍的值。需要注意的是，當前版本的電機控制GUI中，V/F曲線控制不可用。
• 系統(tǒng)限制：系統(tǒng)限制反映了所使用電機和開發(fā)板的最大值。電壓限制是輸送到電機的最大電壓，限制在輸入直流電壓水平。電流限制設置為電機的最大電流額定值或開發(fā)板的最大容量中的較小值，PICDEM MC LV開發(fā)板的電流限制為4.0A。速度限制設置為電機數(shù)據(jù)手冊中給出的值，或特定電機數(shù)據(jù)文件中預先確定的速度。需要注意的是，并非所有電機都能達到速度限制參數(shù)定義的最大速度，應將其視為上限而非電機的預期最大速度。

4.5 存儲和使用設置配置文件

在設置窗口中，用戶可以保存和加載設置配置文件。點擊“Save”按鈕可將當前設置保存到文件中，點擊“Load”按鈕可選擇并加載保存設置的文件，這兩個命令使用常規(guī)的Windows?對話框進行文件打開和保存操作。設置配置文件保存為電機數(shù)據(jù)文件（.mcd擴展名），這兩個操作都不會影響板上