驅(qū)動鈦絲（SMA）的應(yīng)用（2）鏡頭光圈模組案例

【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(qū)動技術(shù)目前已經(jīng)在航空航天、洲際導(dǎo)彈、無人機、手機、汽車、機器人等科技領(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，方便大家在機械電子工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域快速有效的轉(zhuǎn)化為科技成果。

第2節(jié) 【鏡頭光圈模組】

今天應(yīng)某位粉絲大佬要求特別定制一節(jié)，講講鏡頭光圈的設(shè)計案例、驅(qū)動思路和注意事項。

由于結(jié)構(gòu)設(shè)計部分涉及到很多專利技術(shù)方面的問題，財哥不做具體分析。本節(jié)內(nèi)容主要在驅(qū)動方案層面，提供一種設(shè)計思路，但不一定是市場主流設(shè)計思路。僅代表財哥個人觀點，供大家學(xué)習(xí)參考。

【模組系統(tǒng)組成】

SMA驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用在鏡頭光圈模組由驅(qū)動機構(gòu)和驅(qū)動電路組成，驅(qū)動電路可以獨立集成在模組本體，亦可集成在主體的PCBA部分。

【驅(qū)動機構(gòu)特性】

市面上現(xiàn)有的鏡頭光圈模組的驅(qū)動驅(qū)動機構(gòu)一般采用偶數(shù)根鈦絲來驅(qū)動，這是為了考慮到運動力學(xué)的平衡性，使得機械光圈部分的開合過程更加的穩(wěn)定流暢。當(dāng)然也有單根鈦絲來驅(qū)動，這里暫不做說明。

財哥找到某公司的一款產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)案例圖片來展示，它采用2根鈦絲作為光圈的驅(qū)動動力源的在結(jié)構(gòu)上做對稱性設(shè)計。

【驅(qū)動電路】

驅(qū)動電路方案可以有多種方式，最優(yōu)解決方案是根據(jù)產(chǎn)品原有的PCBA和供電系統(tǒng)做兼容性的設(shè)計。

其核心原理就是通過系統(tǒng)控制，使得供電系統(tǒng)驅(qū)動兩根串聯(lián)起來的鈦絲，讓其同時做位移定位驅(qū)動。

我們可以采用恒流驅(qū)動的設(shè)計方案+鈦絲電阻反饋+環(huán)境溫度補償設(shè)計+電壓波動補償設(shè)計：

例1：恒流驅(qū)動的設(shè)計方案+鈦絲電阻反饋

我們通過對地下接參考電阻，給到運放，再通過單片機的ADC采樣參與閉環(huán)控制鈦絲的驅(qū)動位移量。

例2：環(huán)境溫度補償設(shè)計

我們通過NTC采樣來獲取環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，給單片機做驅(qū)動電流的補償，使得不同環(huán)境溫度條件下的驅(qū)動的一致性。

例3：電壓波動補償設(shè)計

我們可以通過RC采樣和差分采樣的方式，獲得供電系統(tǒng)的電壓波動信息，消除，單片機的采樣誤差，做到精準(zhǔn)定位驅(qū)動控制。

【電阻和位移的關(guān)系】

鈦絲的電阻值和驅(qū)動位移量可以理解為線性關(guān)系。

我們可以將鈦絲的電阻值劃分成所需要的分量，分量越多，精度越高，對單片機的精度要求也更高。

然后將鈦絲的驅(qū)動位移量劃分同樣的分量，其兩者的分量就一一對應(yīng)上了。

例如：0.03mm線徑鈦絲長度68mm。

奧氏體電阻值：91.4Ω

馬氏體電阻值：81.8Ω

我們將其劃分為16分，17級，假設(shè)最大位移量是5%，我們把這5%劃分為同級數(shù)。

然后結(jié)合我們的恒流驅(qū)動電路，就可以得出鈦絲的監(jiān)控反饋電壓值和驅(qū)動的位置對應(yīng)關(guān)系。

【冗余設(shè)計】

財哥說鈦絲中提到的建議，我們有必要做冗余設(shè)計，這樣才能保證我們驅(qū)動的可靠性，同時降低我們的設(shè)計師的工作難度。

溫度和位移冗余，我們可以簡單的認為是砍掉上述17級當(dāng)中的頭尾，滿足我們驅(qū)動的3.5%~4%的范圍即可。

【驅(qū)動電流和保持電流】

鈦絲的驅(qū)動電流和保持電流是不一樣的，其核心在于對流系數(shù)的問題，也就是對流散熱的問題。

這個問題雖然有公式能夠滿足我們的理論計算，但是這個差值區(qū)間非常的大，財哥建議我們在實際的產(chǎn)品中來做實驗獲取。

假如：空氣的對流系數(shù)從20-200不等，相差10倍。

0.03mm線徑鈦絲長度68mm。

假定對流系數(shù)是200（w/（mm2.k），我們帶入對流計算公式

假定對流系數(shù)是20（w/（mm2.k），我們帶入對流計算公式

這直接影響到了我們的所需驅(qū)動電流和保持電流。

驅(qū)動電流=驅(qū)動電流+對流電流

保持電流=對流電流

【奧斯體和馬氏體的滯后】

我們除了需要做流熱量損失補償設(shè)計，還需考慮到給鈦絲加熱到驅(qū)動形變后，冷卻恢復(fù)到某個位置，其中有約20°的溫差現(xiàn)象。

這個溫差現(xiàn)象直接影響到我們的驅(qū)動控制的響應(yīng)時間，同時這個響應(yīng)時間直接和對流系數(shù)相關(guān)。

例如：我們從4%驅(qū)動到3.9%位置，需要等待20°的冷卻時間，這個時候我們需要納入對流系數(shù)值，通過反推導(dǎo)財哥的公式得到這個響應(yīng)時間。

保持電流為0時，響應(yīng)最快，但不一定是最均衡的，因為光圈的調(diào)節(jié)響應(yīng)速度、聚焦和光線強弱變化匹配。我們需要根據(jù)我們的實際情況來增減位移驅(qū)動過程的保持電流，讓鈦絲在穩(wěn)定的速度做位移控制。

大家可以參考財哥說鈦絲的第2章節(jié)和第6章節(jié)。

【驅(qū)動位移和壽命】

我們的光圈調(diào)節(jié)次數(shù)壽命和我們產(chǎn)品標(biāo)定的壽命需要合適的匹配。

鈦絲的驅(qū)動控制會伴隨著次數(shù)的增加，驅(qū)動位移量減小，這也體現(xiàn)在前面提到的冗余設(shè)計中的位移量和電阻值的微妙變化。

大家可以結(jié)合財哥說鈦絲的第5章節(jié)，結(jié)合冗余設(shè)計中的情況，定期做效驗設(shè)計。

希望本章節(jié)可以對感興趣的朋友帶來一些啟發(fā)，歡迎大家的關(guān)注和交流，也歡迎大家一起來合作開發(fā)，請點贊收藏轉(zhuǎn)發(fā)！

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作者 財哥說鈦絲