驅(qū)動(dòng)鈦絲（SMA）的可靠性設(shè)計(jì)（8） 鈦絲的驅(qū)動(dòng)電路控制（上）

【前言】

形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態(tài)記憶合金、鈦鎳記憶合金，它是由Ti（鈦）-Ni（鎳）材料組成，經(jīng)過(guò)多道工序制成的絲，我們簡(jiǎn)稱(chēng)鈦絲，可以通過(guò)電路驅(qū)動(dòng)鈦絲發(fā)生運(yùn)動(dòng)。

相比于傳統(tǒng)的電機(jī)、電磁鐵動(dòng)力，鈦絲是一種新型的動(dòng)力元件。

鈦絲驅(qū)動(dòng)技術(shù)目前已經(jīng)在航空航天、洲際導(dǎo)彈、無(wú)人機(jī)、手機(jī)、汽車(chē)、機(jī)器人等科技領(lǐng)域投入使用。

本文通過(guò)分享、普及鈦絲驅(qū)動(dòng)技術(shù)的可靠性設(shè)計(jì)，方便大家在機(jī)械電子工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域快速有效的轉(zhuǎn)化為科技成果。

第8節(jié)【鈦絲的驅(qū)動(dòng)電路控制（上）】

前面3-7節(jié)基本上講述了驅(qū)動(dòng)鈦絲（SMA）在機(jī)械結(jié)構(gòu)層面的可靠性相關(guān)的設(shè)計(jì)，接下來(lái)，我們將圍繞著驅(qū)動(dòng)鈦絲（SMA）在電路設(shè)計(jì)和軟件控制方面進(jìn)一步的闡述。

1 .【供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)】

在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路之前，我們首先要考慮我們的產(chǎn)品的供電系統(tǒng)是否滿(mǎn)足我們的驅(qū)動(dòng)條件。我們回顧一下第一節(jié)中提到的《表4鈦絲直線(xiàn)位移響應(yīng)時(shí)間/電流基礎(chǔ)參數(shù)表》

鈦絲的驅(qū)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間需求，決定供電系統(tǒng)的電壓和電流上限的配置。

例如：規(guī)格：?0.15mm，長(zhǎng)度100mm的鈦絲

我們產(chǎn)品需求的響應(yīng)是0.5S的時(shí)候，我們的供電系統(tǒng)需要提供U>2.63V，I>581mA

當(dāng)產(chǎn)品需求的響應(yīng)是0.1S的時(shí)候，我們的供電系統(tǒng)需要提供U>5.88V，I>1298mA

這里要注意需要重點(diǎn)關(guān)注供電系統(tǒng)的電壓范圍，為了保證我們的產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)的可靠性，必須保證供電系統(tǒng)的電壓下限滿(mǎn)足我們驅(qū)動(dòng)的需求。

例如：我們需求的鈦絲驅(qū)動(dòng)電壓最小是2.63V時(shí)，選擇的鋰電池標(biāo)稱(chēng)電壓3.7V，但鋰電池的實(shí)際電壓有的是3V-4.2V，有的是2.5V-4.2V，為了保證可靠性，就需要選擇3V-4.2V這種。

2 .【行程開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)控制】

工作原理：

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的MCU下達(dá)驅(qū)動(dòng)指令后，供電系統(tǒng)通過(guò)S1開(kāi)關(guān)直接上電給鈦絲，鈦絲通電收縮帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)滑塊執(zhí)行驅(qū)動(dòng)動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)滑塊執(zhí)行到行程開(kāi)關(guān)位置后完成驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行工作。

同時(shí)，行程開(kāi)關(guān)被關(guān)閉，反饋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行結(jié)果給控制系統(tǒng)停止驅(qū)動(dòng)指令；

同時(shí)，鈦絲的供電被斷開(kāi)，鈦絲冷卻恢復(fù)過(guò)程中帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)滑塊執(zhí)行返回歸位。

這時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成驅(qū)動(dòng)指令和恢復(fù)歸位。

方案特點(diǎn)：

（1）鈦絲直接由供電系統(tǒng)供電，不需要調(diào)試電流和時(shí)間，無(wú)需軟件編程，硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

（2）一般用于電流和控制時(shí)間要求比較低、負(fù)載數(shù)量少的情形。

注意事項(xiàng)：

（1）供電系統(tǒng)電壓不可過(guò)高，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)量不可過(guò)多，否則負(fù)載過(guò)大容易造成死機(jī)或重啟。

（2）有些應(yīng)用場(chǎng)景下，會(huì)出現(xiàn)行程開(kāi)關(guān)損壞或意外造成開(kāi)關(guān)無(wú)法動(dòng)作，有時(shí)會(huì)燒壞鈦絲，這個(gè)時(shí)候可以加多一級(jí)行程開(kāi)關(guān)，用于驅(qū)動(dòng)監(jiān)控和保護(hù)，避免上述現(xiàn)象。

應(yīng)用案例：無(wú)人售貨機(jī)、快遞柜等簡(jiǎn)單的電子鎖、簡(jiǎn)易開(kāi)合機(jī)構(gòu)。

3.【恒壓驅(qū)動(dòng)控制】

工作原理：

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的MCU下達(dá)驅(qū)動(dòng)指令后，啟動(dòng)恒壓芯片，直接給鈦絲一個(gè)恒定的電壓，驅(qū)動(dòng)鈦絲通電收縮，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成執(zhí)行動(dòng)作。

MCU預(yù)先設(shè)定好了驅(qū)動(dòng)時(shí)間，時(shí)間達(dá)到后，停止恒壓芯片工作，鈦絲的供電被斷開(kāi)，鈦絲冷卻恢復(fù)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)返回歸位。

方案特點(diǎn)：

（1）無(wú)軟件門(mén)檻，硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

（2）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間穩(wěn)定。

（3）對(duì)供電系統(tǒng)的負(fù)載較小。

注意事項(xiàng)

（1）需控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和供電系統(tǒng)之間的連接線(xiàn)路阻值盡量小，否則可能會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)供電電流不足。

（2）恒壓驅(qū)動(dòng)一般采用的DC TO DC芯片，如線(xiàn)性LDO、升壓、降壓等芯片，采用這類(lèi)的驅(qū)動(dòng)時(shí)需要注意，鈦絲的奧氏體和馬氏體轉(zhuǎn)化過(guò)程中電阻值會(huì)變化，我們需要根據(jù)這2個(gè)電阻值重新核算鈦絲的驅(qū)動(dòng)電壓范圍，避免鈦絲驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大或過(guò)小的問(wèn)題。

我們回顧《表2鈦絲電阻計(jì)算表》的電阻定律，帶入馬氏體或奧氏體的電阻率。

例如規(guī)格：?0.15mm，長(zhǎng)度100mm的鈦絲，通過(guò)帶入電阻率計(jì)算得：

奧氏體狀態(tài)下的電阻值是5.66Ω

馬氏體狀態(tài)下的電阻值是4.53Ω

我們?cè)偻ㄟ^(guò)《表3鈦絲直線(xiàn)位移響應(yīng)時(shí)間/電流關(guān)系計(jì)算表》的焦耳定律，將鈦絲的兩個(gè)狀態(tài)的電阻值帶入計(jì)算可以得到0.5S的響應(yīng)時(shí)間如下：

奧氏體狀態(tài)下的鈦絲所需電流是519mA，電壓2.94V。

馬氏體狀態(tài)下的鈦絲所需電流是581mA，電壓2.63V。

這里出現(xiàn)的電流偏差有72mA，電壓偏差有0.31V,如果我們的電壓設(shè)定在偏大或偏小的位置，容易造成驅(qū)動(dòng)電流偏大或不足的問(wèn)題。所以設(shè)定的電壓建議設(shè)定在中間值。

注：文中案例是基于環(huán)境溫度20度、相變溫度100度的假設(shè)情形，實(shí)際應(yīng)用需要結(jié)合《驅(qū)動(dòng)鈦絲（SMA）計(jì)算模型》靈活調(diào)整。

應(yīng)用案例：無(wú)人售貨機(jī)鎖、快遞柜鎖、箱包鎖、指紋鎖、記事本鎖等簡(jiǎn)易開(kāi)合機(jī)構(gòu)。

4 .【恒流驅(qū)動(dòng)控制】

工作原理：

恒流驅(qū)動(dòng)的工作原理和恒壓相似，僅電路驅(qū)動(dòng)和鈦絲采用了串聯(lián)的方式。

恒流驅(qū)動(dòng)可以采用傳統(tǒng)的模擬恒流，也可以采用集成度高的恒流芯片，或LED燈的驅(qū)動(dòng)芯片，這些資源都非常的豐富。

方案特點(diǎn)：

（1）無(wú)軟件門(mén)檻，硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，比較節(jié)能省電。

（2）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間比恒壓驅(qū)動(dòng)要相對(duì)穩(wěn)定。

注意事項(xiàng)

需控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和供電系統(tǒng)之間的連接線(xiàn)路阻值盡量小，否則可能會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)供電電壓不足。

應(yīng)用案例：無(wú)人售貨機(jī)鎖、快遞柜鎖、箱包鎖、指紋鎖、記事本鎖等簡(jiǎn)易開(kāi)合機(jī)構(gòu)。

5.【恒功驅(qū)動(dòng)控制】

工作原理：

恒功控制是利用了焦耳定律的Q=I2Rt，熱功率=電流2×電阻×?xí)r間。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的MCU下達(dá)驅(qū)動(dòng)指令后，MCU發(fā)出可控的PWM波，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)作用的MOS管工作。當(dāng)開(kāi)關(guān)管打開(kāi)后，供電系統(tǒng)經(jīng)過(guò)鈦絲和開(kāi)關(guān)MOS管，再經(jīng)過(guò)電阻到地，完成鈦絲的通電加熱執(zhí)行驅(qū)動(dòng)。

在這個(gè)過(guò)程中，開(kāi)關(guān)MOS管對(duì)地的電阻起到兩個(gè)作用：

（1）限流保護(hù)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性

（2）將供電系統(tǒng)通過(guò)鈦絲的電流轉(zhuǎn)換成電壓形式，經(jīng)過(guò)電容濾波后反饋給MCU的ADC去計(jì)算其電流是否超標(biāo)。當(dāng)電流超標(biāo)的情況下，MCU通過(guò)調(diào)整PWM的占空比來(lái)控制開(kāi)關(guān)MOS管校正我們?cè)O(shè)計(jì)的功率。

方案特點(diǎn)：

（1）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間和位移指標(biāo)可通過(guò)軟件精準(zhǔn)調(diào)整。

（2）功耗更低，省電節(jié)能，可以用在功耗要求較高的場(chǎng)景。

（3）可拓展鈦絲更多的功能應(yīng)用。

注意事項(xiàng)

軟件工程師需要了解鈦絲驅(qū)動(dòng)的熱功方程、電阻定律、焦耳定律（參考本文第1節(jié)）。

應(yīng)用案例：手機(jī)鏡頭防抖、云臺(tái)防抖、機(jī)器人、無(wú)人機(jī)拓展功能、汽車(chē)風(fēng)路控制、汽車(chē)流體控制。

下一節(jié)將說(shuō)下驅(qū)動(dòng)鈦絲電路控制的【驅(qū)動(dòng)保持控制】、【環(huán)境溫度的補(bǔ)償設(shè)計(jì)】、【溫度閉環(huán)控制設(shè)計(jì)】、【任意定位驅(qū)動(dòng)控制】、【矩陣式驅(qū)動(dòng)控制】等，敬請(qǐng)期待。

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鈦絲科技 出品

作者財(cái)哥說(shuō)鈦絲

審核編輯 黃宇