無刷直流電機(jī)控制器UCC3626的原理及應(yīng)用簡介

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

0 引言
??? 無刷直流電機(jī)是以電子換向替代電刷換向的一種新型直流電動機(jī)，具有調(diào)速范圍寬，控制特性好，可靠性高，維護(hù)方便，無換向火花和無無線電干擾等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)控制器集成芯片，它可為無刷直流電機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)的控制建立一個正確的電流并提供逐周的電流保護(hù)。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(jī)的啟動和停止，BRAKE制動數(shù)字輸入端可使器件進(jìn)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(diǎn)如下：
??? ◇可兩象限或四象限運(yùn)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。

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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(jī)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。

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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(jī)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(yùn)算放大器上。

2．3 兩象限或四象限運(yùn)行控制
??? 電動機(jī)一般有四個可能的工作象限。兩象限控制時，電動機(jī)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(jī)控制器，除了摩擦力之外，沒有使負(fù)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(yùn)動的快速性。
??? UCC3626可通過QUAD端選擇兩象限和四象限控制。當(dāng)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(jìn)行PWM控制；而當(dāng)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(jìn)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(jī)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(jī)電路，并可供保護(hù)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。控制器的速度指令取自電位器R30，而R11和C9可對TACH_OUT速度反饋信號進(jìn)行濾波和緩沖，放大器U5A可提供速度控制回路的小信號補(bǔ)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。

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4 結(jié)束語
??? 本文介紹了無刷直流電機(jī)專用控制芯片UCC3626的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、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(hù)及速度閉環(huán)控制等功能，此外，基于UCC3626的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)電路簡單，價格經(jīng)濟(jì)，可靠性高，穩(wěn)定性好，因
此，在電機(jī)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。