【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，可以通過電路驅動鈦絲發(fā)生運動。

相比于傳統(tǒng)的電機、電磁鐵動力，鈦絲是一種新型的動力元件。

鈦絲驅動技術目前已經(jīng)在航空航天、洲際導彈、無人機、手機、汽車、機器人等科技領域投入使用。

本文通過分享、普及鈦絲驅動技術的可靠性設計，方便大家在機械電子工業(yè)設計等領域快速有效的轉化為科技成果。

第8節(jié) 【鈦絲的驅動電路控制（上）】

前面3-7節(jié)基本上講述了驅動鈦絲（SMA）在機械結構層面的可靠性相關的設計，接下來，我們將圍繞著驅動鈦絲（SMA）在電路設計和軟件控制方面進一步的闡述。

1 .【供電系統(tǒng)設計】

在設計驅動電路之前，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鈦絲直線位移響應時間/電流基礎參數(shù)表》

鈦絲的驅動響應時間需求，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)品需求的響應是0.5S的時候，我們的供電系統(tǒng)需要提供U>2.63V，I>581mA

當產(chǎn)品需求的響應是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關注供電系統(tǒng)的電壓范圍，為了保證我們的產(chǎn)品驅動的可靠性，必須保證供電系統(tǒng)的電壓下限滿足我們驅動的需求。

例如：我們需求的鈦絲驅動電壓最小是2.63V時，選擇的鋰電池標稱電壓3.7V，但鋰電池的實際電壓有的是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 .【行程開關驅動控制】

工作原理：

驅動系統(tǒng)的MCU下達驅動指令后，供電系統(tǒng)通過S1開關直接上電給鈦絲，鈦絲通電收縮帶動驅動滑塊執(zhí)行驅動動作，驅動滑塊執(zhí)行到行程開關位置后完成驅動機構的執(zhí)行工作。

同時，行程開關被關閉，反饋驅動機構執(zhí)行結果給控制系統(tǒng)停止驅動指令；

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

這時，驅動機構完成驅動指令和恢復歸位。

方案特點：

（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，硬件電路結構簡單。

（2）一般用于電流和控制時間要求比較低、負載數(shù)量少的情形。

注意事項：

（1）供電系統(tǒng)電壓不可過高，驅動機構數(shù)量不可過多，否則負載過大容易造成死機或重啟。

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

應用案例：無人售貨機、快遞柜等簡單的電子鎖、簡易開合機構。

3.【恒壓驅動控制】

工作原理：

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

MCU預先設定好了驅動時間，時間達到后，停止恒壓芯片工作，鈦絲的供電被斷開，鈦絲冷卻恢復，驅動機構返回歸位。

方案特點：

（1）無軟件門檻，硬件電路結構簡單。

（2）驅動機構的響應時間穩(wěn)定。

（3）對供電系統(tǒng)的負載較小。

注意事項

（1）需控制驅動機構和供電系統(tǒng)之間的連接線路阻值盡量小，否則可能會導致驅動機構供電電流不足。

（2）恒壓驅動一般采用的DC TO DC芯片，如線性LDO、升壓、降壓等芯片，采用這類的驅動時需要注意，鈦絲的奧氏體和馬氏體轉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動電壓范圍，避免鈦絲驅動電流過大或過小的問題。

我們回顧《表2鈦絲電阻計算表》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鈦絲直線位移響應時間/電流關系計算表》的焦耳定律，將鈦絲的兩個狀態(tài)的電阻值帶入計算可以得到0.5S的響應時間如下：

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,如果我們的電壓設定在偏大或偏小的位置，容易造成驅動電流偏大或不足的問題。所以設定的電壓建議設定在中間值。

注：文中案例是基于環(huán)境溫度20度、相變溫度100度的假設情形，實際應用需要結合《驅動鈦絲（SMA）計算模型》靈活調(diào)整。

應用案例：無人售貨機鎖、快遞柜鎖、箱包鎖、指紋鎖、記事本鎖等簡易開合機構。

4 .【恒流驅動控制】

工作原理：

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

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

方案特點：

（1）無軟件門檻，硬件電路結構簡單，比較節(jié)能省電。

（2）驅動機構的響應時間比恒壓驅動要相對穩(wěn)定。

注意事項

需控制驅動機構和供電系統(tǒng)之間的連接線路阻值盡量小，否則可能會導致驅動機構供電電壓不足。

應用案例：無人售貨機鎖、快遞柜鎖、箱包鎖、指紋鎖、記事本鎖等簡易開合機構。

5.【恒功驅動控制】

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×時間。驅動系統(tǒng)的MCU下達驅動指令后，MCU發(fā)出可控的PWM波，驅動開關作用的MOS管工作。當開關管打開后，供電系統(tǒng)經(jīng)過鈦絲和開關MOS管，再經(jīng)過電阻到地，完成鈦絲的通電加熱執(zhí)行驅動。

在這個過程中，開關MOS管對地的電阻起到兩個作用：

（1）限流保護供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性

（2）將供電系統(tǒng)通過鈦絲的電流轉換成電壓形式，經(jīng)過電容濾波后反饋給MCU的ADC去計算其電流是否超標。當電流超標的情況下，MCU通過調(diào)整PWM的占空比來控制開關MOS管校正我們設計的功率。

方案特點：

（1）驅動機構的響應時間和位移指標可通過軟件精準調(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用。

注意事項

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

應用案例：手機鏡頭防抖、云臺防抖、機器人、無人機拓展功能、汽車風路控制、汽車流體控制。

下一節(jié)將說下驅動鈦絲電路控制的【驅動保持控制】、【環(huán)境溫度的補償設計】、【溫度閉環(huán)控制設計】、【任意定位驅動控制】、【矩陣式驅動控制】等，敬請期待。

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作者 財哥說鈦絲