【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)過多道工序制成的絲，我們簡稱鈦絲，可以通過電路驅(qū)動鈦絲發(fā)生運(yùn)動。

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

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

本文通過分享、普及鈦絲驅(qū)動技術(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)動電路控制（上）】

前面3-7節(jié)基本上講述了驅(qū)動鈦絲（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，我們將圍繞著驅(qū)動鈦絲（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)是否滿足我們的驅(qū)動條件。我們回顧一下第一節(jié)中提到的《表4鈦絲直線位移響應(yīng)時間/電流基礎(chǔ)參數(shù)表》

鈦絲的驅(qū)動響應(yīng)時間需求，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，長度100mm的鈦絲

我們產(chǎn)品需求的響應(yīng)是0.5S的時候，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)動的可靠性，必須保證供電系統(tǒng)的電壓下限滿足我們驅(qū)動的需求。

例如：我們需求的鈦絲驅(qū)動電壓最小是2.63V時，選擇的鋰電池標(biāo)稱電壓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 .【行程開關(guān)驅(qū)動控制】

工作原理：

驅(qū)動系統(tǒng)的MCU下達(dá)驅(qū)動指令后，供電系統(tǒng)通過S1開關(guān)直接上電給鈦絲，鈦絲通電收縮帶動驅(qū)動滑塊執(zhí)行驅(qū)動動作，驅(qū)動滑塊執(zhí)行到行程開關(guān)位置后完成驅(qū)動機(jī)構(gòu)的執(zhí)行工作。

同時，行程開關(guān)被關(guān)閉，反饋驅(qū)動機(jī)構(gòu)執(zhí)行結(jié)果給控制系統(tǒng)停止驅(qū)動指令；

同時，鈦絲的供電被斷開，鈦絲冷卻恢復(fù)過程中帶動驅(qū)動滑塊執(zhí)行返回歸位。

這時，驅(qū)動機(jī)構(gòu)完成驅(qū)動指令和恢復(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)試電流和時間，無需軟件編程，硬件電路結(jié)構(gòu)簡單。

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

注意事項(xiàng)：

（1）供電系統(tǒng)電壓不可過高，驅(qū)動機(jī)構(gòu)數(shù)量不可過多，否則負(fù)載過大容易造成死機(jī)或重啟。

（2）有些應(yīng)用場景下，會出現(xiàn)行程開關(guān)損壞或意外造成開關(guān)無法動作，有時會燒壞鈦絲，這個時候可以加多一級行程開關(guān)，用于驅(qū)動監(jiān)控和保護(hù)，避免上述現(xiàn)象。

應(yīng)用案例：無人售貨機(jī)、快遞柜等簡單的電子鎖、簡易開合機(jī)構(gòu)。

3.【恒壓驅(qū)動控制】

工作原理：

驅(qū)動系統(tǒng)的MCU下達(dá)驅(qū)動指令后，啟動恒壓芯片，直接給鈦絲一個恒定的電壓，驅(qū)動鈦絲通電收縮，驅(qū)動機(jī)構(gòu)完成執(zhí)行動作。

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

方案特點(diǎn)：

（1）無軟件門檻，硬件電路結(jié)構(gòu)簡單。

（2）驅(qū)動機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時間穩(wěn)定。

（3）對供電系統(tǒng)的負(fù)載較小。

注意事項(xiàng)

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

（2）恒壓驅(qū)動一般采用的DC TO DC芯片，如線性LDO、升壓、降壓等芯片，采用這類的驅(qū)動時需要注意，鈦絲的奧氏體和馬氏體轉(zhuǎn)化過程中電阻值會變化，我們需要根據(jù)這2個電阻值重新核算鈦絲的驅(qū)動電壓范圍，避免鈦絲驅(qū)動電流過大或過小的問題。

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，長度100mm的鈦絲，通過帶入電阻率計(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

我們再通過《表3鈦絲直線位移響應(yīng)時間/電流關(guān)系計(jì)算表》的焦耳定律，將鈦絲的兩個狀態(tài)的電阻值帶入計(jì)算可以得到0.5S的響應(yīng)時間如下：

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)動電流偏大或不足的問題。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)動鈦絲（SMA）計(jì)算模型》靈活調(diào)整。

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

4 .【恒流驅(qū)動控制】

工作原理：

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

恒流驅(qū)動可以采用傳統(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)動芯片，這些資源都非常的豐富。

方案特點(diǎn)：

（1）無軟件門檻，硬件電路結(jié)構(gòu)簡單，比較節(jié)能省電。

（2）驅(qū)動機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時間比恒壓驅(qū)動要相對穩(wěn)定。

注意事項(xiàng)

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

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

5.【恒功驅(qū)動控制】

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)動系統(tǒng)的MCU下達(dá)驅(qū)動指令后，MCU發(fā)出可控的PWM波，驅(qū)動開關(guān)作用的MOS管工作。當(dāng)開關(guān)管打開后，供電系統(tǒng)經(jīng)過鈦絲和開關(guān)MOS管，再經(jīng)過電阻到地，完成鈦絲的通電加熱執(zhí)行驅(qū)動。

在這個過程中，開關(guān)MOS管對地的電阻起到兩個作用：

（1）限流保護(hù)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性

（2）將供電系統(tǒng)通過鈦絲的電流轉(zhuǎn)換成電壓形式，經(jīng)過電容濾波后反饋給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通過調(diào)整PWM的占空比來控制開關(guān)MOS管校正我們設(shè)計(jì)的功率。

方案特點(diǎn)：

（1）驅(qū)動機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時間和位移指標(biāo)可通過軟件精準(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、云臺防抖、機(jī)器人、無人機(jī)拓展功能、汽車風(fēng)路控制、汽車流體控制。

下一節(jié)將說下驅(qū)動鈦絲電路控制的【驅(qū)動保持控制】、【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)動控制】、【矩陣式驅(qū)動控制】等，敬請期待。

為了讓驅(qū)動鈦絲在工業(yè)應(yīng)用中切實(shí)落地，財(cái)哥制作整理了包括《財(cái)哥說鈦絲視頻》、《SMA常見電路控制方案》、《驅(qū)動鈦絲（SMA）計(jì)算模型》、《驅(qū)動鈦絲（SMA）常見結(jié)構(gòu)模型》等系列資源供大家參考，歡迎大家的關(guān)注和交流，請點(diǎn)贊收藏轉(zhuǎn)發(fā)！

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鈦絲科技 出品

作者財(cái)哥說鈦絲

審核編輯 黃宇