鈦絲驅(qū)動技術(shù)（NiTiDrivetech）的可靠性設(shè)計

【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，財哥簡稱鈦絲，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)（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)動技術(shù)的可靠性設(shè)計經(jīng)驗，方便大家在機(jī)械電子工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域快速有效地轉(zhuǎn)化為科技成果。

九、驅(qū)動電路設(shè)計（下）

續(xù)接上篇，驅(qū)動電路的設(shè)計方案除了上篇說到行程開關(guān)驅(qū)動控制、恒壓驅(qū)動控制、恒流驅(qū)動控制、恒功驅(qū)動控制外，進(jìn)一步還有驅(qū)動保持控制、環(huán)境溫度的補(bǔ)償設(shè)計、溫度閉環(huán)控制設(shè)計、任意定位驅(qū)動控制、矩陣式驅(qū)動控制等。

在講解前，我們需要引入軟件設(shè)計控制中的一個常見的設(shè)計應(yīng)用：PWM驅(qū)動，電子工程師和軟件工程師都非常熟悉這個驅(qū)動模式。

本文中提及的各種參數(shù)均為案例舉例，不是實際參考數(shù)據(jù)。

另外財哥在前面的計算列表中的Q驅(qū)動=Q加熱功+Q散熱，在EXCEL的計算公式中寫成了Q驅(qū)動=J加熱+Q散熱，所以導(dǎo)致了前面參數(shù)列表部分?jǐn)?shù)據(jù)錯誤，可能給大家造成的困擾，請見諒。

6.【驅(qū)動保持控制】

有些產(chǎn)品的功能要求我們的驅(qū)動機(jī)構(gòu)在驅(qū)動后，還要保持驅(qū)動后的狀態(tài)。此時，需要在我們在恒功驅(qū)動電路方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步做軟件設(shè)計。

工作原理：

驅(qū)動保持控制的兩個步驟：

1)恒功驅(qū)動，我們通過熱功方程計算結(jié)果并對鈦絲通電驅(qū)動，讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成執(zhí)行動作。

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

例如規(guī)格：?0.15mm，長度100mm的鈦絲，從環(huán)境溫度20°，通過0.5S的響應(yīng)時間，達(dá)到驅(qū)動溫度100°，假定對流系數(shù)是150w/（mm2.k），帶入前面章節(jié)的公式計算。我們得到需要的驅(qū)動電流是714mA，這個時候我們的驅(qū)動機(jī)構(gòu)完成了第一步的驅(qū)動執(zhí)行動作。

接著，在假定的流系數(shù)150w/（mm2.k）的前提下，帶入計算得到規(guī)格?0.15mm，長度100mm的鈦絲所需保持電流約333mA。

這個時候，我們通過改變PWM的占空比，即可得到我們所需的電流值，達(dá)到驅(qū)動保持的目的。

注意事項：不同的產(chǎn)品實際的結(jié)構(gòu)空間的密閉性、空間大小、溫度落差不一樣，空氣的比熱容值會有所偏差，我們需要結(jié)合產(chǎn)品本身的實際情況來調(diào)整這個值。

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。

7.【環(huán)境溫度的補(bǔ)償設(shè)計】

我們在第6章中提到鈦絲驅(qū)動需要考慮環(huán)境溫度補(bǔ)償設(shè)計，可以通過電路設(shè)計和軟件控制來消除環(huán)境溫度對鈦絲的驅(qū)動帶來的影響。

工作原理：

我們在恒功驅(qū)動的基礎(chǔ)上，增加一個普通的電阻和NTC熱敏電阻，這樣就可以做到簡單有效的環(huán)境溫度的補(bǔ)償設(shè)計。

考慮到節(jié)能的問題，我們需要MCU提供一個端口，提供高電平作為環(huán)境溫度檢測的供電系統(tǒng)，當(dāng)NTC熱敏電阻伴隨環(huán)境溫度變化而發(fā)生變化時，MCU還需提供一個ADC腳來采集NTC變化的電壓。我們再通過軟件的計算補(bǔ)償，實時的調(diào)整PWM的輸出占空比，消除環(huán)境溫度的偏差，達(dá)到對鈦絲穩(wěn)定驅(qū)動的閉環(huán)效果。

例如規(guī)格：?0.15mm，長度100mm的鈦絲，從環(huán)境溫度20°，通過0.5S的響應(yīng)時間，達(dá)到驅(qū)動溫度100°，假定對流系數(shù)是150w/（mm2.k），需要的驅(qū)動電流是714mA。

當(dāng)環(huán)境溫度降低10°，我們得到需要的驅(qū)動電流是 749mA。

當(dāng)環(huán)境溫度提升10°，我們得到需要的驅(qū)動電流是 677mA。

通過環(huán)境溫度補(bǔ)償設(shè)計，就可以消除環(huán)境溫度的差異對驅(qū)動機(jī)構(gòu)帶來的影響，進(jìn)一步提升了鈦絲驅(qū)動的可靠性和穩(wěn)定性。

注意事項：軟件工程師一般情況下，會考慮經(jīng)濟(jì)問題，充分利用MCU的端口，如需做環(huán)境溫度的補(bǔ)償設(shè)計，需要預(yù)留2個端口，一個ADC，一個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。

8.【溫度閉環(huán)控制設(shè)計】

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

工作原理：

我們在恒功驅(qū)動的基礎(chǔ)上，將鈦絲置于MOS對地的位置，通過鈦絲靠近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，這樣就可以實時監(jiān)控鈦絲的驅(qū)動過程中的對應(yīng)溫度變化情況。

例如規(guī)格：?0.15mm，長度100mm的鈦絲，我們根據(jù)《表2鈦絲電阻計算表》R=ρL/S，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

我們在第6節(jié)中提到，鈦絲的相變溫度是個范圍值，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（大約20°的溫度區(qū)間）

5.66Ω—>4.53Ω

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

4.53Ω—>5.66Ω

通過實時監(jiān)測驅(qū)動鈦絲的電阻值，就可以間接反饋驅(qū)動機(jī)構(gòu)的溫度和位移是否達(dá)標(biāo)，再結(jié)合軟件算法，實時動態(tài)修正和調(diào)整驅(qū)動機(jī)構(gòu)的電流和溫度，同時實現(xiàn)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的交互式反饋，確保鈦絲驅(qū)動穩(wěn)定工作。

注意事項：無

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。

9.【任意定位驅(qū)動控制】

工作原理：

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

注意事項：

我們做任意位置驅(qū)動或任意位移點的精準(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)動控制電路和配套軟件算法，通過監(jiān)測電阻，實時調(diào)節(jié)電流和溫度，就可以實現(xiàn)驅(qū)動鈦絲位移或定位的精準(zhǔn)、實時動態(tài)控制狀態(tài)。

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。

10.【矩陣式驅(qū)動控制】

矩陣式驅(qū)動一般應(yīng)用于數(shù)量較多或大規(guī)模的鈦絲驅(qū)動機(jī)構(gòu)的情況下。

矩陣式驅(qū)動有很多種類，電子工程師一般都可以根據(jù)自己的實際情況靈活調(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)動的重點是結(jié)合MCU本身的資源能力，給出最有效的矩陣設(shè)計思路，軟件工程師通過矩陣的數(shù)量設(shè)定合適的周期和對應(yīng)的占空比。

工作原理：

本例依然采用PWM恒功驅(qū)動的設(shè)計方案，驅(qū)動4組鈦絲驅(qū)動機(jī)構(gòu)。

通過軟件控制:

P1、P2、P3、P4實現(xiàn)：

驅(qū)動鈦絲的L1、L2或L3、L4或L1、L4或 L2、L3的4種驅(qū)動狀態(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：

矩陣式驅(qū)動方案需要足夠的供電系統(tǒng)的支持，我們需要考慮同時驅(qū)動多少數(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。

作者 財哥說鈦絲

審核編輯 黃宇