驱动钛丝（SMA）的可靠性设计（8） 钛丝的驱动电路控制（上）

【前言】

形状记忆合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形态记忆合金、钛镍记忆合金，它是由Ti（钛）-Ni（镍）材料组成，经过多道工序制成的丝，我们简称钛丝，可以通过电路驱动钛丝发生运动。

相比于传统的电机、电磁铁动力，钛丝是一种新型的动力元件。

钛丝驱动技术目前已经在航空航天、洲际导弹、无人机、手机、汽车、机器人等科技领域投入使用。

本文通过分享、普及钛丝驱动技术的可靠性设计，方便大家在机械电子工业设计等领域快速有效的转化为科技成果。

第8节 【钛丝的驱动电路控制（上）】

前面3-7节基本上讲述了驱动钛丝（SMA）在机械结构层面的可靠性相关的设计，接下来，我们将围绕着驱动钛丝（SMA）在电路设计和软件控制方面进一步的阐述。

1 .【供电系统设计】

在设计驱动电路之前，我们首先要考虑我们的产品的供电系统是否满足我们的驱动条件。我们回顾一下第一节中提到的《表4钛丝直线位移响应时间/电流基础参数表》

钛丝的驱动响应时间需求，决定供电系统的电压和电流上限的配置。

例如：规格：∅0.15mm，长度100mm的钛丝

我们产品需求的响应是0.5S的时候，我们的供电系统需要提供U>2.63V，I>581mA

当产品需求的响应是0.1S的时候，我们的供电系统需要提供U>5.88V，I>1298mA

这里要注意需要重点关注供电系统的电压范围，为了保证我们的产品驱动的可靠性，必须保证供电系统的电压下限满足我们驱动的需求。

例如：我们需求的钛丝驱动电压最小是2.63V时，选择的锂电池标称电压3.7V，但锂电池的实际电压有的是3V-4.2V，有的是2.5V-4.2V，为了保证可靠性，就需要选择3V-4.2V这种。

2 .【行程开关驱动控制】

工作原理：

驱动系统的MCU下达驱动指令后，供电系统通过S1开关直接上电给钛丝，钛丝通电收缩带动驱动滑块执行驱动动作，驱动滑块执行到行程开关位置后完成驱动机构的执行工作。

同时，行程开关被关闭，反馈驱动机构执行结果给控制系统停止驱动指令；

同时，钛丝的供电被断开，钛丝冷却恢复过程中带动驱动滑块执行返回归位。

这时，驱动机构完成驱动指令和恢复归位。

方案特点：

（1）钛丝直接由供电系统供电，不需要调试电流和时间，无需软件编程，硬件电路结构简单。

（2）一般用于电流和控制时间要求比较低、负载数量少的情形。

注意事项：

（1）供电系统电压不可过高，驱动机构数量不可过多，否则负载过大容易造成死机或重启。

（2）有些应用场景下，会出现行程开关损坏或意外造成开关无法动作，有时会烧坏钛丝，这个时候可以加多一级行程开关，用于驱动监控和保护，避免上述现象。

应用案例：无人售货机、快递柜等简单的电子锁、简易开合机构。

3.【恒压驱动控制】

工作原理：

驱动系统的MCU下达驱动指令后，启动恒压芯片，直接给钛丝一个恒定的电压，驱动钛丝通电收缩，驱动机构完成执行动作。

MCU预先设定好了驱动时间，时间达到后，停止恒压芯片工作，钛丝的供电被断开，钛丝冷却恢复，驱动机构返回归位。

方案特点：

（1）无软件门槛，硬件电路结构简单。

（2）驱动机构的响应时间稳定。

（3）对供电系统的负载较小。

注意事项

（1）需控制驱动机构和供电系统之间的连接线路阻值尽量小，否则可能会导致驱动机构供电电流不足。

（2）恒压驱动一般采用的DC TO DC芯片，如线性LDO、升压、降压等芯片，采用这类的驱动时需要注意，钛丝的奥氏体和马氏体转化过程中电阻值会变化，我们需要根据这2个电阻值重新核算钛丝的驱动电压范围，避免钛丝驱动电流过大或过小的问题。

我们回顾《表2钛丝电阻计算表》的电阻定律，带入马氏体或奥氏体的电阻率。

例如规格：∅0.15mm，长度100mm的钛丝，通过带入电阻率计算得：

奥氏体状态下的电阻值是5.66Ω

马氏体状态下的电阻值是4.53Ω

我们再通过《表3钛丝直线位移响应时间/电流关系计算表》的焦耳定律，将钛丝的两个状态的电阻值带入计算可以得到0.5S的响应时间如下：

奥氏体状态下的钛丝所需电流是519mA，电压2.94V。

马氏体状态下的钛丝所需电流是581mA，电压2.63V。

这里出现的电流偏差有72mA，电压偏差有0.31V,如果我们的电压设定在偏大或偏小的位置，容易造成驱动电流偏大或不足的问题。所以设定的电压建议设定在中间值。

注：文中案例是基于环境温度20度、相变温度100度的假设情形，实际应用需要结合《驱动钛丝（SMA）计算模型》灵活调整。

应用案例：无人售货机锁、快递柜锁、箱包锁、指纹锁、记事本锁等简易开合机构。

4 .【恒流驱动控制】

工作原理：

恒流驱动的工作原理和恒压相似，仅电路驱动和钛丝采用了串联的方式。

恒流驱动可以采用传统的模拟恒流，也可以采用集成度高的恒流芯片，或LED灯的驱动芯片，这些资源都非常的丰富。

方案特点：

（1）无软件门槛，硬件电路结构简单，比较节能省电。

（2）驱动机构的响应时间比恒压驱动要相对稳定。

注意事项

需控制驱动机构和供电系统之间的连接线路阻值尽量小，否则可能会导致驱动机构供电电压不足。

应用案例：无人售货机锁、快递柜锁、箱包锁、指纹锁、记事本锁等简易开合机构。

5.【恒功驱动控制】

工作原理：

恒功控制是利用了焦耳定律的Q=I²Rt，热功率=电流²×电阻×时间。驱动系统的MCU下达驱动指令后，MCU发出可控的PWM波，驱动开关作用的MOS管工作。当开关管打开后，供电系统经过钛丝和开关MOS管，再经过电阻到地，完成钛丝的通电加热执行驱动。

在这个过程中，开关MOS管对地的电阻起到两个作用：

（1）限流保护供电系统的稳定性

（2）将供电系统通过钛丝的电流转换成电压形式，经过电容滤波后反馈给MCU的ADC去计算其电流是否超标。当电流超标的情况下，MCU通过调整PWM的占空比来控制开关MOS管校正我们设计的功率。

方案特点：

（1）驱动机构的响应时间和位移指标可通过软件精准调整。

（2）功耗更低，省电节能，可以用在功耗要求较高的场景。

（3）可拓展钛丝更多的功能应用。

注意事项

软件工程师需要了解钛丝驱动的热功方程、电阻定律、焦耳定律（参考本文第1节）。

应用案例：手机镜头防抖、云台防抖、机器人、无人机拓展功能、汽车风路控制、汽车流体控制。

下一节将说下驱动钛丝电路控制的【驱动保持控制】、【环境温度的补偿设计】、【温度闭环控制设计】、【任意定位驱动控制】、【矩阵式驱动控制】等，敬请期待。

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作者 财哥说钛丝