鈦絲驅(qū)動技術(shù)（NiTiDrivetech）的可靠性設計

【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)（nitidrivetech）目前已經(jīng)在航空航天、醫(yī)療、無人機、手機、汽車、機器人等科技領域投入使用。

本文通過公開分享、科普鈦絲驅(qū)動技術(shù)的可靠性設計經(jīng)驗，方便大家在機械電子工業(yè)設計等領域快速有效地轉(zhuǎn)化為科技成果。

九、驅(qū)動電路設計（上）

驅(qū)動電路的設計方案較多，在結(jié)合不同的驅(qū)動機構(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)動方案很重要。財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】

在設計驅(qū)動電路之前，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)動條件。

我們可以參考焦耳定律的基本公式：Q=I2Rt=UIt

分別對應驅(qū)動機構(gòu)的鈦絲長度、驅(qū)動響應時間、驅(qū)動環(huán)境溫度因素。

（1）鈦絲的長度越長，供電系統(tǒng)所需電壓要求越高。

（2）驅(qū)動響應時間要求越高，供電系統(tǒng)所需電壓和電流要求越大。

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

這三個基礎因素，決定了供電系統(tǒng)的電壓和電流上限的配置。

例如：我們設計的驅(qū)動機構(gòu)配置的?0.15mm，長度100mm的鈦絲

環(huán)境溫度20°，驅(qū)動響應時間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)動響應時間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)動響應時間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)動響應時間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)動機構(gòu)的驅(qū)動電壓和電流在極端情況下，滿足我們驅(qū)動的需求。

供電系統(tǒng)配置搞定了，我們就可以著手驅(qū)動電路設計了。

2 .【行程開關(guān)驅(qū)動控制】

工作原理：

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

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

這時，驅(qū)動機構(gòu)完成驅(qū)動和恢復歸位。

有一些場景需求的前提下，驅(qū)動系統(tǒng)也可以通過行程開關(guān)反饋驅(qū)動機構(gòu)執(zhí)行結(jié)果給控制系統(tǒng)。

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(jié)構(gòu)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(qū)動機構(gòu)數(shù)量不可過多。否則負載過大容易造成供電系統(tǒng)負擔超標造成系統(tǒng)死機或重啟。

（2）有一些應用場景下，會出現(xiàn)行程開關(guān)損壞或意外造成開關(guān)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(guān)，用于驅(qū)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(gòu)。

3.【恒壓驅(qū)動控制】

工作原理：

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

MCU預先設定好了驅(qū)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(qū)動機構(gòu)返回歸位。

方案特點：

（1）無軟件門檻，硬件電路結(jié)構(gòu)簡單。

（2）驅(qū)動機構(gòu)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(qū)動機構(gòu)和供電系統(tǒng)之間的連接線路阻值盡量小，否則可能會導致驅(qū)動機構(gòu)供電電流不足。

（2）恒壓驅(qū)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(qū)動時需要注意，鈦絲驅(qū)動過程中的電阻值會變化，我們需要根據(jù)這2個電阻值重新核算鈦絲的驅(qū)動電壓范圍，避免鈦絲驅(qū)動電流過大或過小的問題。

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

我們再通過上述的焦耳定律，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(qū)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。

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(gòu)。

4 .【恒流驅(qū)動控制】

工作原理：

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

恒流驅(qū)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(qū)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(jié)構(gòu)簡單，比較節(jié)能省電。

（2）驅(qū)動機構(gòu)的響應時間比恒壓驅(qū)動要相對穩(wěn)定。

注意事項

需控制驅(qū)動機構(gòu)和供電系統(tǒng)之間的連接線路阻值盡量小，否則可能會導致驅(qū)動機構(gòu)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(gòu)。

5.【恒功驅(qū)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(qū)動系統(tǒng)的MCU下達驅(qū)動指令后，MCU發(fā)出可控的PWM波，驅(qū)動開關(guān)作用的MOS管工作。當開關(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。

在這個過程中，開關(guān)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(zhuǎn)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(guān)MOS管校正我們設計的功率。

方案特點：

（1）驅(qū)動機構(gòu)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(qū)動的熱功方程、電阻定律、焦耳定律。

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。

審核編輯 黃宇

作者 財哥說鈦絲