无刷直流电机控制器UCC3626的原理及应用

摘要：介绍了无刷直流电机控制器专用集成芯片UCC3626的内部结构、功能特点和基本原理，给出了采用UCC3626和IR2110构成三相无刷直流电机速度控制电路的设计方法。
关键字：无刷直流电机；速度控制；UCC3626

0 引言
    无刷直流电机是以电子换向替代电刷换向的一种新型直流电动机，具有调速范围宽，控制特性好，可靠性高，维护方便，无换向火花和无无线电干扰等优点，因而得到广泛地应用。
    UCC3626是TI公司生产的三相无刷直流电机控制器集成芯片，它可为无刷直流电机提供高性能的三相、两象限或四象限控制器所需的设计功能，并可从转子位置输入信号解码，从而输出六个控制信号以驱动外部的功率开关器件。其内部的三角波振荡器和比较器、以及电流传感放大器和绝对值电路等硬件资源，可为无刷直流电机控制提供宽广的平台，从而大大简化控制电路的硬件设计。

1 UCC3626的结构及基本原理
    UCC3626内含一个精密的三角波振荡器和比较器，可提供电压控制或电流控制模式下的PWM控制，其外部时钟经由SYNCH输入，该振荡器可
方便地与一个外部时钟进行同步。此外，UCC3626还设有一个QUAD选择端，以用于选择输出功率桥四象限或两象限斩波控制，也就是决定高侧开关和低侧开关，同时，PWM控制或仅低侧开关PWM控制。UCC3626中的差动电流传感放大器和绝对值电路可为电动机的控制建立一个正确的电流并提供逐周的电流保护。另外，为实现速度控制，该器件还提供有精密测速电路。它的TACH_OUT速度信号是一个变占空比的频率输出信号，可直接用于数字速度控制，或经滤波后提供一个模拟速度反馈信号。而UCC3626中的COAST则可用于控制电机的启动和停止，BRAKE制动数字输入端可使器件进入制动模式，DIR_IN和DIR_OUT为转向输入输出控制。UCC3626的内部结构框图如图1所示。其芯片的主要特点如下：
    ◇可两象限或四象限运行控制；
    ◇内部集成有积分绝对值电流放大电路；
    ◇可逐周电流检测；
    ◇具有精确的可变占空比转速信号输出；
    ◇内含精密的三角波振荡器；
    ◇具有转向输出功能。

2 控制系统电路设计
2．1 位置传感器
    UCC的三个位置传感器与RC低通滤波器的连接电路如图2所示。图中，三个霍尔位置传感器产生的位置信号，经上拉电阻和RC低通滤波后，可连接到UCC3626的HALLA、HALLB、HALLC信号输入端，并且滤波器应尽可能靠近UCC3626，表1给出了UCC3626的换相逻辑真值表，同时给出了六个输出( AHI、BHI、CHI、ALOW、BLOW、CLOW)随输入(BRAKE、DIR_IN、DIR OUT、HALLA、HALLB和HALLC)的变化而改变的译码逻辑。
UCC3626原设计用于120°的位置传感器结构，如果需要用在60℃电动机位置传感器结构的场合，则可按图3所示的方法将B相霍尔信号经反
向后连接到HALLA端。

2．2 测速信号
    UCC3626的测速信号TACH_OUT来自内部精确的单稳态电路，通常由HALLA、HALLB、HALLC三个霍尔位置信号的上升沿或下降沿触发，其频fT(Hz)和电动机的极对数p、转速n(r／min)成正比例关系：
    fT=pn／20
    单稳时间tON可由连接到R_TACH和C_TACH脚的电容R和电容C决定：tON=RC
    测速信号TACH_OUT可用于微控制器的数字闭环速度控制。测速信号TACH_OUT经过滤波后所得到的速度大小模拟信号，可用于模拟速度控
制，图4所示是一个简单的模拟速度控制电路连接方法，图中的速度指令信号可连接到外面附加的运算放大器上。

2．3 两象限或四象限运行控制
    电动机一般有四个可能的工作象限。两象限控制时，电动机一般工作在I和Ⅲ象限(转矩和转速方向相同)。由于两象限工作的无刷直流电
机控制器，除了摩擦力之外，没有使负载减速的能力，因此，这种方式仅限于要求不高的场合；需四象限控制则提供四个象限工作，这时的转矩和转速方向相反，故可提高系统运动的快速性。
    UCC3626可通过QUAD端选择两象限和四象限控制。当QUAD为0时，为两象限控制，此时UCC3626只对功率开关的低侧进行PWM控制；而当QUAD为l时，为四象限控制，此时高侧开关和低侧开关同时进行PWM控制。图5给出了两象限和四象限控制时的主要电流信号波形。

2．4 功率级设计
    UCC3626可为主电路功率级提供六个驱动信号。对于不需要制动功能但需要两或四象限控制的情况，可采用如图6(a)所示的电路。而在很
多情况下，系统需要制动功能，这时可采用如图6 (b)和图6(c)所示电路，该电路每个桥臂都需要串联二极管，而且低侧续流二极管一定要接
地，以避免制动电流流过下半桥。图6(c)所示电路适用于需要制动功能且为四象限控制的场合，附加的传感电阻可用来检查PWM的OFF电流。

2．5 电流检测电路
    UCC3626的电流检测电路包括一个固定增益为5的差动电流传感放大器和一个绝对值电路。其中电流传感信号需经低通滤波器去除尖峰信
号，放大器的输入阻抗平衡可取得最好的性能。如果传感器需要调整，可采用如图7所示的分压电路，该电路可用来维持阻抗匹配。

    在四象限控制时，电动机流过传感电阻的电路在续流期间，其电压极性可能会相反，采用绝对值放大器电路可解决这个问题，事实上，绝对值放大器的输出能重现电动机电路，并可供保护电路和反馈环使用。

3 基于UCC3626的速度控制电路
    基于UCC3626和IR2110的175 V／2 A两象限速度控制电路如图8所示。该电路通过三片IR2110与功率MOSFET相连。控制器的速度指令取自电位器R30，而R11和C9可对TACH_OUT速度反馈信号进行滤波和缓冲，放大器U5A可提供速度控制回路的小信号补偿，其输出可控制PWM，并以积分电容C8和电阻R10作为校正元件。

4 结束语
    本文介绍了无刷直流电机专用控制芯片UCC3626的结构特点、工作原理及控制系统电路的设计方法。UCC3626可实现两象限或四象限控
制，以及逐周电流保护及速度闭环控制等功能，此外，基于UCC3626的无刷直流电机控制系统电路简单，价格经济，可靠性高，稳定性好，因
此，在电机控制精度要求不高、功率要求不太大的情况下，可以广泛使用该电路。