鈦絲驅(qū)動(dòng)技術(shù)（NiTiDrivetech）的可靠性設(shè)計(jì)

【前言】

形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態(tài)記憶合金、肌肉絲、鎳鈦記憶合金，它是由Ni（鎳）- Ti（鈦）材料組成，經(jīng)過多道工序制成的絲，財(cái)哥簡(jiǎn)稱鈦絲，可以通過電路驅(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)（nitidrivetech）目前已經(jīng)在航空航天、醫(yī)療、無人機(jī)、手機(jī)、汽車、機(jī)器人等科技領(lǐng)域投入使用。

本文通過公開分享、科普鈦絲驅(qū)動(dòng)技術(shù)的可靠性設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，方便大家在機(jī)械電子工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域快速有效地轉(zhuǎn)化為科技成果。

九、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)（上）

驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方案較多，在結(jié)合不同的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和大家各自的產(chǎn)品現(xiàn)有條件下，選擇合適自己的驅(qū)動(dòng)方案很重要。財(cái)哥整理了一下以往用過的一部分案例給大家一一舉例。

1 .【供電系統(tǒng)的配置】

在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路之前，我們首先要分析供電系統(tǒng)配置的極限情況下，是否滿足鈦絲的驅(qū)動(dòng)條件。

我們可以參考焦耳定律的基本公式：Q=I2Rt=UIt

分別對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的鈦絲長(zhǎng)度、驅(qū)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間、驅(qū)動(dòng)環(huán)境溫度因素。

（1）鈦絲的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，供電系統(tǒng)所需電壓要求越高。

（2）驅(qū)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間要求越高，供電系統(tǒng)所需電壓和電流要求越大。

（3）驅(qū)動(dòng)環(huán)境溫度越低，供電系統(tǒng)所消耗的功越多。

這三個(gè)基礎(chǔ)因素，決定了供電系統(tǒng)的電壓和電流上限的配置。

例如：我們?cè)O(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)配置的?0.15mm，長(zhǎng)度100mm的鈦絲

環(huán)境溫度20°，驅(qū)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間0.5S，供電所需電壓U>3.3V；供電所需電流I>654mA

環(huán)境溫度-20°，驅(qū)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間0.5S，供電所需電壓U>4.9V；供電所需電流I>1379mA

環(huán)境溫度20°，驅(qū)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間0.1S，供電所需電壓U>7.4V；供電所需電流I>1462mA

環(huán)境溫度-20°，驅(qū)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間0.1S，供電所需電壓U>11.3V；供電所需電流I>2227mA

所以，我們的供電系統(tǒng)配置，必須保證驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電壓和電流在極端情況下，滿足我們驅(qū)動(dòng)的需求。

供電系統(tǒng)配置搞定了，我們就可以著手驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)了。

2 .【行程開關(guān)驅(qū)動(dòng)控制】

工作原理：

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)下達(dá)驅(qū)動(dòng)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(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)行到行程開關(guān)位置后完成驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行工作。

同時(shí)，鈦絲的供電被斷開，鈦絲冷卻恢復(fù)過程中帶動(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)和恢復(fù)歸位。

有一些場(chǎng)景需求的前提下，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也可以通過行程開關(guān)反饋驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行結(jié)果給控制系統(tǒng)。

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)電壓不可過高，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)量不可過多。否則負(fù)載過大容易造成供電系統(tǒng)負(fù)擔(dān)超標(biāo)造成系統(tǒng)死機(jī)或重啟。

（2）有一些應(yīng)用場(chǎng)景下，會(huì)出現(xiàn)行程開關(guān)損壞或意外造成開關(guān)無法動(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：無人售貨機(jī)、快遞柜等簡(jiǎn)單的電子鎖、簡(jiǎn)易開合機(jī)構(gòu)。

3.【恒壓驅(qū)動(dòng)控制】

工作原理：

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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，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）無軟件門檻，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，如線性LDO、升壓、降壓等芯片，采用這類的驅(qū)動(dòng)時(shí)需要注意，鈦絲驅(qū)動(dòng)過程中的電阻值會(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)電流過大或過小的問題。

例如規(guī)格：?0.15mm，長(zhǎng)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?cè)偻ㄟ^上述的焦耳定律，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題。所以設(shè)定的電壓建議設(shè)定在中間值。

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(jiǎn)易開合機(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）無軟件門檻，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(dòng)。

在這個(gè)過程中，開關(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?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。

應(yīng)用案例：手機(jī)鏡頭防抖、云臺(tái)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。

審核編輯 黃宇

作者 財(cái)哥說鈦絲