無(wú)刷直流電機(jī)控制器UCC3626的原理及應(yīng)用簡(jiǎn)介

摘要：介紹了無(wú)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(wú)刷直流電機(jī)速度控制電路的設(shè)計(jì)方法。
關(guān)鍵字：無(wú)刷直流電機(jī)；速度控制；UCC3626

0 引言
??? 無(wú)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(dòng)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(wú)換向火花和無(wú)無(wú)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(wú)刷直流電機(jī)控制器集成芯片，它可為無(wú)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(jì)功能，并可從轉(zhuǎn)子位置輸入信號(hào)解碼，從而輸出六個(gè)控制信號(hào)以驅(qū)動(dòng)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(duì)值電路等硬件資源，可為無(wú)刷直流電機(jī)控制提供寬廣的平臺(tái)，從而大大簡(jiǎn)化控制電路的硬件設(shè)計(jì)。

1 UCC3626的結(jié)構(gòu)及基本原理
??? UCC3626內(nèi)含一個(gè)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(shí)鐘經(jīng)由SYNCH輸入，該振蕩器可
方便地與一個(gè)外部時(shí)鐘進(jìn)行同步。此外，UCC3626還設(shè)有一個(gè)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(shí)，PWM控制或僅低側(cè)開關(guān)PWM控制。UCC3626中的差動(dòng)電流傳感放大器和絕對(duì)值電路可為電動(dòng)機(jī)的控制建立一個(gè)正確的電流并提供逐周的電流保護(hù)。另外，為實(shí)現(xiàn)速度控制，該器件還提供有精密測(cè)速電路。它的TACH_OUT速度信號(hào)是一個(gè)變占空比的頻率輸出信號(hào)，可直接用于數(shù)字速度控制，或經(jīng)濾波后提供一個(gè)模擬速度反饋信號(hào)。而UCC3626中的COAST則可用于控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止，BRAKE制動(dòng)數(shù)字輸入端可使器件進(jìn)入制動(dòng)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(duì)值電流放大電路；
??? ◇可逐周電流檢測(cè)；
??? ◇具有精確的可變占空比轉(zhuǎn)速信號(hào)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(jì)
2．1 位置傳感器
??? UCC的三個(gè)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(gè)霍爾位置傳感器產(chǎn)生的位置信號(hào)，經(jīng)上拉電阻和RC低通濾波后，可連接到UCC3626的HALLA、HALLB、HALLC信號(hào)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(shí)給出了六個(gè)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(jì)用于120°的位置傳感器結(jié)構(gòu)，如果需要用在60℃電動(dòng)機(jī)位置傳感器結(jié)構(gòu)的場(chǎng)合，則可按圖3所示的方法將B相霍爾信號(hào)經(jīng)反
向后連接到HALLA端。

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2．2 測(cè)速信號(hào)
??? UCC3626的測(cè)速信號(hào)TACH_OUT來(lái)自內(nèi)部精確的單穩(wěn)態(tài)電路，通常由HALLA、HALLB、HALLC三個(gè)霍爾位置信號(hào)的上升沿或下降沿觸發(fā)，其頻fT(Hz)和電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)p、轉(zhuǎn)速n(r／min)成正比例關(guān)系：
??? fT=pn／20
??? 單穩(wěn)時(shí)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(cè)速信號(hào)TACH_OUT可用于微控制器的數(shù)字閉環(huán)速度控制。測(cè)速信號(hào)TACH_OUT經(jīng)過濾波后所得到的速度大小模擬信號(hào)，可用于模擬速度控
制，圖4所示是一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬速度控制電路連接方法，圖中的速度指令信號(hào)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(dòng)機(jī)一般有四個(gè)可能的工作象限。兩象限控制時(shí)，電動(dòng)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(wú)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(chǎng)合；需四象限控制則提供四個(gè)象限工作，這時(shí)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速方向相反，故可提高系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)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(shí)，為兩象限控制，此時(shí)UCC3626只對(duì)功率開關(guān)的低側(cè)進(jìn)行PWM控制；而當(dāng)QUAD為l時(shí)，為四象限控制，此時(shí)高側(cè)開關(guān)和低側(cè)開關(guān)同時(shí)進(jìn)行PWM控制。圖5給出了兩象限和四象限控制時(shí)的主要電流信號(hào)波形。

2．4 功率級(jí)設(shè)計(jì)
??? UCC3626可為主電路功率級(jí)提供六個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。對(duì)于不需要制動(dòng)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(dòng)功能，這時(shí)可采用如圖6 (b)和圖6(c)所示電路，該電路每個(gè)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(dòng)電流流過下半橋。圖6(c)所示電路適用于需要制動(dòng)功能且為四象限控制的場(chǎng)合，附加的傳感電阻可用來(lái)檢查PWM的OFF電流。

2．5 電流檢測(cè)電路
??? UCC3626的電流檢測(cè)電路包括一個(gè)固定增益為5的差動(dòng)電流傳感放大器和一個(gè)絕對(duì)值電路。其中電流傳感信號(hào)需經(jīng)低通濾波器去除尖峰信
號(hào)，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(lái)維持阻抗匹配。

??? 在四象限控制時(shí)，電動(dòng)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(huì)相反，采用絕對(duì)值放大器電路可解決這個(gè)問題，事實(shí)上，絕對(duì)值放大器的輸出能重現(xiàn)電動(dòng)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(duì)TACH_OUT速度反饋信號(hào)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(hào)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(yǔ)
??? 本文介紹了無(wú)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(jì)方法。UCC3626可實(shí)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(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單，價(jià)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。