【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9節(jié)【鈦絲的驅(qū)動(dòng)電路控制（下）】

本節(jié)要說(shuō)的是驅(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】。

在講解前，我們需要引入軟件設(shè)計(jì)控制中的一個(gè)常見(jiàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)用：PWM驅(qū)動(dòng)，電子工程師和軟件工程師都非常熟悉這個(gè)驅(qū)動(dòng)模式。

本文中提及的電流參數(shù)，均表示PWM驅(qū)動(dòng)時(shí)的電流平均值或有效值。

6.【驅(qū)動(dòng)保持控制】

有些產(chǎn)品的功能要求我們的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在驅(qū)動(dòng)后，還要保持驅(qū)動(dòng)后的狀態(tài)，此時(shí)，需要在我們?cè)谏弦还?jié)提到的恒功驅(qū)動(dòng)電路方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步做軟件設(shè)計(jì)。

工作原理：

驅(qū)動(dòng)保持控制的兩個(gè)步驟：

1)恒功驅(qū)動(dòng)，參考《表1鈦絲位移形變熱功方程模擬計(jì)算表》對(duì)鈦絲通電驅(qū)動(dòng)，讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成執(zhí)行動(dòng)作。

2)驅(qū)動(dòng)保持，根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際的結(jié)構(gòu)空間情況，計(jì)算或測(cè)量溫度的損失，做溫度補(bǔ)償電流控制，使其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)的鈦絲的溫度始終維持在100°，波動(dòng)區(qū)間在10°的范圍。

例如規(guī)格：?0.15mm，長(zhǎng)度100mm的鈦絲，從環(huán)境溫度20°，通過(guò)0.5S的響應(yīng)時(shí)間，達(dá)到驅(qū)動(dòng)溫度100°，帶入Q=cm(t?t0)。我們得到需要的驅(qū)動(dòng)電流是 581mA，這個(gè)時(shí)候我們的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)完成了第一步的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行動(dòng)作。

接著，我們假定鈦絲處于理想的懸空情況下的空氣當(dāng)中，100°空氣的比熱容值是0.242 Kcal/Kg℃，根據(jù)換算單位1 Kcal/Kg℃ = 2.389 J/g*℃，?我們得到100°空氣的比熱容值是0.58 J/g*℃

?

帶入《驅(qū)動(dòng)鈦絲（SMA）計(jì)算模型》表5得到規(guī)格?0.15mm，長(zhǎng)度100mm的鈦絲所需保持電流約171mA。

這個(gè)時(shí)候，我們通過(guò)改變PWM的占空比，即可得到我們所需的電流值，達(dá)到驅(qū)動(dòng)保持的目的。

注意事項(xiàng)：不同的產(chǎn)品實(shí)際的結(jié)構(gòu)空間的密閉性或空間大小不一樣，空氣的比熱容值會(huì)有所偏差，我們需要結(jié)合產(chǎn)品本身的實(shí)際情況來(lái)調(diào)整這個(gè)值。

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。

7.【環(huán)境溫度的補(bǔ)償設(shè)計(jì)】

我們?cè)诘?節(jié)7點(diǎn)中提到鈦絲驅(qū)動(dòng)需要考慮環(huán)境溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)，可以通過(guò)電路設(shè)計(jì)和軟件控制來(lái)消除環(huán)境溫度對(duì)鈦絲的驅(qū)動(dòng)帶來(lái)的影響。

工作原理：

我們?cè)诤愎︱?qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)普通的電阻和NTC熱敏電阻，這樣就可以做到簡(jiǎn)單有效的環(huán)境溫度的補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

考慮到節(jié)能的問(wèn)題，我們需要MCU提供一個(gè)端口，提供高電平作為環(huán)境溫度檢測(cè)的供電系統(tǒng)，當(dāng)NTC熱敏電阻伴隨環(huán)境溫度變化而發(fā)生變化時(shí)，MCU還需提供一個(gè)ADC腳來(lái)采集NTC變化的電壓。我們?cè)偻ㄟ^(guò)軟件的計(jì)算補(bǔ)償，實(shí)時(shí)的調(diào)整PWM的輸出占空比，消除環(huán)境溫度的偏差，達(dá)到對(duì)鈦絲穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)效果。

例如規(guī)格：?0.15mm，長(zhǎng)度100mm的鈦絲，從環(huán)境溫度20°，通過(guò)0.5S的響應(yīng)時(shí)間，達(dá)到驅(qū)動(dòng)溫度100°，帶入Q=cm(t?t0)，我們得到需要的驅(qū)動(dòng)電流是 581mA。

當(dāng)環(huán)境溫度降低10°，我們就給Q=cm(t?t0+10°)，我們得到需要的驅(qū)動(dòng)電流是 616mA。

當(dāng)環(huán)境溫度提升10°，我們就給Q=cm(t?t0-10°)，我們得到需要的驅(qū)動(dòng)電流是 543mA。

通過(guò)環(huán)境溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)，就可以消除環(huán)境溫度的差異對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶來(lái)的影響，進(jìn)一步提升了鈦絲驅(qū)動(dòng)的可靠性和穩(wěn)定性。

注意事項(xiàng)：軟件工程師一般情況下，會(huì)考慮經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，充分利用MCU的端口，如需做環(huán)境溫度的補(bǔ)償設(shè)計(jì)，需要預(yù)留2個(gè)端口，一個(gè)ADC，一個(gè)任意可以提供高電平的端口。

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。

8.【溫度閉環(huán)控制設(shè)計(jì)】

在一些可靠性要求較高的產(chǎn)品應(yīng)用當(dāng)中，需要對(duì)鈦絲驅(qū)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)反饋和閉環(huán)控制。驅(qū)動(dòng)鈦絲極小的線徑導(dǎo)致了一般的溫度檢測(cè)傳感器難以準(zhǔn)確測(cè)量鈦絲的實(shí)際溫度，我們可以結(jié)合鈦絲的物理特性，通過(guò)測(cè)量鈦絲的電壓和電阻，同樣可以達(dá)到閉環(huán)監(jiān)測(cè)目的。

工作原理：

我們?cè)诤愎︱?qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，將鈦絲置于MOS對(duì)地的位置，通過(guò)鈦絲靠近MOS的一端采集電壓數(shù)據(jù)給到MCU的ADC，由于鈦絲本身的電阻是隨溫度的變化而變化，這樣就可以實(shí)時(shí)監(jiān)控鈦絲的驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的對(duì)應(yīng)溫度變化情況。

例如規(guī)格：?0.15mm，長(zhǎng)度100mm的鈦絲，我們根據(jù)《表2鈦絲電阻計(jì)算表》R=ρL/S，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)诘?節(jié)中提到，鈦絲的相變溫度是個(gè)范圍值，且存在逆向滯后的現(xiàn)象，且有大約20°的溫度區(qū)間。我們需要理解：

從95°上升到115°完成完整的位移驅(qū)動(dòng)（大約20°的溫度區(qū)間）

5.66Ω—>4.53Ω

從105°下降到85°以后，開(kāi)始位移恢復(fù)（大約20°的溫度區(qū)間）

4.53Ω—>5.66Ω

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)鈦絲的電阻值，就可以間接反饋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的溫度和位移是否達(dá)標(biāo)，再結(jié)合軟件算法，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)修正和調(diào)整驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電流和溫度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的交互式反饋，確保鈦絲驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定工作。

注意事項(xiàng)：無(wú)

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。

9.【任意定位驅(qū)動(dòng)控制】

工作原理：

任意定位驅(qū)動(dòng)控制是在溫度閉環(huán)控制設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，做更加精細(xì)的軟件控制思路實(shí)現(xiàn)位移或定位的精準(zhǔn)控制。

注意事項(xiàng)：

我們做任意位置驅(qū)動(dòng)或任意位移點(diǎn)的精準(zhǔn)控制，就需要精確知道：

奧氏體—>馬氏體（95°—>115°）5.66Ω—>4.53Ω

馬氏體—>奧氏體（105°—>85°）4.53Ω—>5.66Ω

采用任意定位驅(qū)動(dòng)控制電路和配套軟件算法，通過(guò)監(jiān)測(cè)電阻，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電流和溫度，就可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)鈦絲位移或定位的精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制狀態(tài)。

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。

10.【矩陣式驅(qū)動(dòng)控制】

矩陣式驅(qū)動(dòng)一般應(yīng)用于數(shù)量較多或大規(guī)模的鈦絲驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的情況下。

矩陣式驅(qū)動(dòng)有很多種類(lèi)，電子工程師一般都可以根據(jù)自己的實(shí)際情況靈活調(diào)整，本案例給出其中一種表現(xiàn)形式，供大家參考。

矩陣式驅(qū)動(dòng)的重點(diǎn)是結(jié)合MCU本身的資源能力，給出最有效的矩陣設(shè)計(jì)思路，軟件工程師通過(guò)矩陣的數(shù)量設(shè)定合適的周期和對(duì)應(yīng)的占空比。

工作原理：

本例依然采用PWM恒功驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案，驅(qū)動(dòng)4組鈦絲驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

通過(guò)軟件控制:

P1、P2、P3、P4實(shí)現(xiàn)：

驅(qū)動(dòng)鈦絲的L1、L2或L3、L4或L1、L4或 L2、L3的4種驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，達(dá)到矩陣控制和交叉矩陣控制的目的。

本例中的軟件控制可以采用4組PWM，也可以采用2組PWM，我們的軟件工程師需要結(jié)合MCU的資源去靈活調(diào)整。

注意事項(xiàng)：

矩陣式驅(qū)動(dòng)方案需要足夠的供電系統(tǒng)的支持，我們需要考慮同時(shí)驅(qū)動(dòng)多少數(shù)量的鈦絲。單片機(jī)的頻率是否滿足掃描周期的占空比控制。

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。

為了讓驅(qū)動(dòng)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(shuō)鈦絲視頻》、《SMA常見(jiàn)電路控制方案》、《驅(qū)動(dòng)鈦絲（SMA）計(jì)算模型》、《驅(qū)動(dòng)鈦絲（SMA）常見(jiàn)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(qǐng)點(diǎn)贊收藏轉(zhuǎn)發(fā)！

鈦絲科技 出品

作者財(cái)哥說(shuō)鈦絲

審核編輯 黃宇