無刷直流電機控制器UCC3626的原理及應(yīng)用

摘要：介紹了無刷直流電機控制器專用集成芯片UCC3626的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能特點和基本原理，給出了采用UCC3626和IR2110構(gòu)成三相無刷直流電機速度控制電路的設(shè)計方法。
關(guān)鍵字：無刷直流電機；速度控制；UCC3626

0 引言
    無刷直流電機是以電子換向替代電刷換向的一種新型直流電動機，具有調(diào)速范圍寬，控制特性好，可靠性高，維護方便，無換向火花和無無線電干擾等優(yōu)點，因而得到廣泛地應(yīng)用。
    UCC3626是TI公司生產(chǎn)的三相無刷直流電機控制器集成芯片，它可為無刷直流電機提供高性能的三相、兩象限或四象限控制器所需的設(shè)計功能，并可從轉(zhuǎn)子位置輸入信號解碼，從而輸出六個控制信號以驅(qū)動外部的功率開關(guān)器件。其內(nèi)部的三角波振蕩器和比較器、以及電流傳感放大器和絕對值電路等硬件資源，可為無刷直流電機控制提供寬廣的平臺，從而大大簡化控制電路的硬件設(shè)計。

1 UCC3626的結(jié)構(gòu)及基本原理
    UCC3626內(nèi)含一個精密的三角波振蕩器和比較器，可提供電壓控制或電流控制模式下的PWM控制，其外部時鐘經(jīng)由SYNCH輸入，該振蕩器可
方便地與一個外部時鐘進行同步。此外，UCC3626還設(shè)有一個QUAD選擇端，以用于選擇輸出功率橋四象限或兩象限斬波控制，也就是決定高側(cè)開關(guān)和低側(cè)開關(guān)，同時，PWM控制或僅低側(cè)開關(guān)PWM控制。UCC3626中的差動電流傳感放大器和絕對值電路可為電動機的控制建立一個正確的電流并提供逐周的電流保護。另外，為實現(xiàn)速度控制，該器件還提供有精密測速電路。它的TACH_OUT速度信號是一個變占空比的頻率輸出信號，可直接用于數(shù)字速度控制，或經(jīng)濾波后提供一個模擬速度反饋信號。而UCC3626中的COAST則可用于控制電機的啟動和停止，BRAKE制動數(shù)字輸入端可使器件進入制動模式，DIR_IN和DIR_OUT為轉(zhuǎn)向輸入輸出控制。UCC3626的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其芯片的主要特點如下：
    ◇可兩象限或四象限運行控制；
    ◇內(nèi)部集成有積分絕對值電流放大電路；
    ◇可逐周電流檢測；
    ◇具有精確的可變占空比轉(zhuǎn)速信號輸出；
    ◇內(nèi)含精密的三角波振蕩器；
    ◇具有轉(zhuǎn)向輸出功能。

2 控制系統(tǒng)電路設(shè)計
2．1 位置傳感器
    UCC的三個位置傳感器與RC低通濾波器的連接電路如圖2所示。圖中，三個霍爾位置傳感器產(chǎn)生的位置信號，經(jīng)上拉電阻和RC低通濾波后，可連接到UCC3626的HALLA、HALLB、HALLC信號輸入端，并且濾波器應(yīng)盡可能靠近UCC3626，表1給出了UCC3626的換相邏輯真值表，同時給出了六個輸出( AHI、BHI、CHI、ALOW、BLOW、CLOW)隨輸入(BRAKE、DIR_IN、DIR OUT、HALLA、HALLB和HALLC)的變化而改變的譯碼邏輯。
UCC3626原設(shè)計用于120°的位置傳感器結(jié)構(gòu)，如果需要用在60℃電動機位置傳感器結(jié)構(gòu)的場合，則可按圖3所示的方法將B相霍爾信號經(jīng)反
向后連接到HALLA端。

2．2 測速信號
    UCC3626的測速信號TACH_OUT來自內(nèi)部精確的單穩(wěn)態(tài)電路，通常由HALLA、HALLB、HALLC三個霍爾位置信號的上升沿或下降沿觸發(fā)，其頻fT(Hz)和電動機的極對數(shù)p、轉(zhuǎn)速n(r／min)成正比例關(guān)系：
    fT=pn／20
    單穩(wěn)時間tON可由連接到R_TACH和C_TACH腳的電容R和電容C決定：tON=RC
    測速信號TACH_OUT可用于微控制器的數(shù)字閉環(huán)速度控制。測速信號TACH_OUT經(jīng)過濾波后所得到的速度大小模擬信號，可用于模擬速度控
制，圖4所示是一個簡單的模擬速度控制電路連接方法，圖中的速度指令信號可連接到外面附加的運算放大器上。

2．3 兩象限或四象限運行控制
    電動機一般有四個可能的工作象限。兩象限控制時，電動機一般工作在I和Ⅲ象限(轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速方向相同)。由于兩象限工作的無刷直流電
機控制器，除了摩擦力之外，沒有使負載減速的能力，因此，這種方式僅限于要求不高的場合；需四象限控制則提供四個象限工作，這時的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速方向相反，故可提高系統(tǒng)運動的快速性。
    UCC3626可通過QUAD端選擇兩象限和四象限控制。當QUAD為0時，為兩象限控制，此時UCC3626只對功率開關(guān)的低側(cè)進行PWM控制；而當QUAD為l時，為四象限控制，此時高側(cè)開關(guān)和低側(cè)開關(guān)同時進行PWM控制。圖5給出了兩象限和四象限控制時的主要電流信號波形。

2．4 功率級設(shè)計
    UCC3626可為主電路功率級提供六個驅(qū)動信號。對于不需要制動功能但需要兩或四象限控制的情況，可采用如圖6(a)所示的電路。而在很
多情況下，系統(tǒng)需要制動功能，這時可采用如圖6 (b)和圖6(c)所示電路，該電路每個橋臂都需要串聯(lián)二極管，而且低側(cè)續(xù)流二極管一定要接
地，以避免制動電流流過下半橋。圖6(c)所示電路適用于需要制動功能且為四象限控制的場合，附加的傳感電阻可用來檢查PWM的OFF電流。

2．5 電流檢測電路
    UCC3626的電流檢測電路包括一個固定增益為5的差動電流傳感放大器和一個絕對值電路。其中電流傳感信號需經(jīng)低通濾波器去除尖峰信
號，放大器的輸入阻抗平衡可取得最好的性能。如果傳感器需要調(diào)整，可采用如圖7所示的分壓電路，該電路可用來維持阻抗匹配。

    在四象限控制時，電動機流過傳感電阻的電路在續(xù)流期間，其電壓極性可能會相反，采用絕對值放大器電路可解決這個問題，事實上，絕對值放大器的輸出能重現(xiàn)電動機電路，并可供保護電路和反饋環(huán)使用。

3 基于UCC3626的速度控制電路
    基于UCC3626和IR2110的175 V／2 A兩象限速度控制電路如圖8所示。該電路通過三片IR2110與功率MOSFET相連?？刂破鞯乃俣戎噶钊∽噪娢黄鱎30，而R11和C9可對TACH_OUT速度反饋信號進行濾波和緩沖，放大器U5A可提供速度控制回路的小信號補償，其輸出可控制PWM，并以積分電容C8和電阻R10作為校正元件。

4 結(jié)束語
    本文介紹了無刷直流電機專用控制芯片UCC3626的結(jié)構(gòu)特點、工作原理及控制系統(tǒng)電路的設(shè)計方法。UCC3626可實現(xiàn)兩象限或四象限控
制，以及逐周電流保護及速度閉環(huán)控制等功能，此外，基于UCC3626的無刷直流電機控制系統(tǒng)電路簡單，價格經(jīng)濟，可靠性高，穩(wěn)定性好，因
此，在電機控制精度要求不高、功率要求不太大的情況下，可以廣泛使用該電路。