鈦絲驅動技術（NiTiDrivetech）的可靠性設計

【前言】

形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態記憶合金、肌肉絲、鎳鈦記憶合金，它是由Ni（鎳）- Ti（鈦）材料組成，經過多道工序制成的絲，財哥簡稱鈦絲，可以通過電路驅動鈦絲發生運動。相比于傳統的電機、電磁鐵動力，鈦絲是一種新型的動力元件。鈦絲驅動技術（nitidrivetech）目前已經在航空航天、醫療、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、科普鈦絲驅動技術的可靠性設計經驗，方便大家在機械電子工業設計等領域快速有效地轉化為科技成果。

九、驅動電路設計（上）

驅動電路的設計方案較多，在結合不同的驅動機構和大家各自的產品現有條件下，選擇合適自己的驅動方案很重要。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 .【供電系統的配置】

在設計驅動電路之前，我們首先要分析供電系統配置的極限情況下，是否滿足鈦絲的驅動條件。

我們可以參考焦耳定律的基本公式：Q=I2Rt=UIt

分別對應驅動機構的鈦絲長度、驅動響應時間、驅動環境溫度因素。

（1）鈦絲的長度越長，供電系統所需電壓要求越高。

（2）驅動響應時間要求越高，供電系統所需電壓和電流要求越大。

（3）驅動環境溫度越低，供電系統所消耗的功越多。

這三個基礎因素，決定了供電系統的電壓和電流上限的配置。

例如：我們設計的驅動機構配置的?0.15mm，長度100mm的鈦絲

環境溫度20°，驅動響應時間0.5S，供電所需電壓U>3.3V；供電所需電流I>654mA

環境溫度-20°，驅動響應時間0.5S，供電所需電壓U>4.9V；供電所需電流I>1379mA

環境溫度20°，驅動響應時間0.1S，供電所需電壓U>7.4V；供電所需電流I>1462mA

環境溫度-20°，驅動響應時間0.1S，供電所需電壓U>11.3V；供電所需電流I>2227mA

所以，我們的供電系統配置，必須保證驅動機構的驅動電壓和電流在極端情況下，滿足我們驅動的需求。

供電系統配置搞定了，我們就可以著手驅動電路設計了。

2 .【行程開關驅動控制】

工作原理：

驅動系統下達驅動指令后，供電系統通過S1開關直接上電給鈦絲，鈦絲通電收縮帶動驅動滑塊執行驅動動作，驅動滑塊執行到行程開關位置后完成驅動機構的執行工作。

同時，鈦絲的供電被斷開，鈦絲冷卻恢復過程中帶動驅動滑塊執行返回歸位。

這時，驅動機構完成驅動和恢復歸位。

有一些場景需求的前提下，驅動系統也可以通過行程開關反饋驅動機構執行結果給控制系統。

方案特點：

（1）鈦絲直接由供電系統供電，不需要調試電流和時間，無需軟件編程，硬件電路結構簡單。

（2）一般用于電流和控制時間要求比較低、負載數量少的情形。

注意事項：

（1）供電系統電壓不可過高，驅動機構數量不可過多。否則負載過大容易造成供電系統負擔超標造成系統死機或重啟。

（2）有一些應用場景下，會出現行程開關損壞或意外造成開關無法動作，有時會燒壞鈦絲，這個時候可以加多一級行程開關，用于驅動監控和保護，避免上述現象。

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。

3.【恒壓驅動控制】

工作原理：

驅動系統下達驅動指令后，啟動恒壓芯片，直接給鈦絲一個恒定的電壓，驅動鈦絲通電收縮，驅動機構完成執行動作。

MCU預先設定好了驅動時間，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，驅動機構返回歸位。

方案特點：

（1）無軟件門檻，硬件電路結構簡單。

（2）驅動機構的響應時間穩定。

（3）對供電系統的負載較小。

注意事項

（1）需控制驅動機構和供電系統之間的連接線路阻值盡量小，否則可能會導致驅動機構供電電流不足。

（2）恒壓驅動一般采用的DC TO DC芯片，如線性LDO、升壓、降壓等芯片，采用這類的驅動時需要注意，鈦絲驅動過程中的電阻值會變化，我們需要根據這2個電阻值重新核算鈦絲的驅動電壓范圍，避免鈦絲驅動電流過大或過小的問題。

例如規格：?0.15mm，長度100mm的鈦絲，通過帶入電阻率計算得：

奧氏體狀態下的電阻值是5.66Ω

馬氏體狀態下的電阻值是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：

奧氏體狀態下的鈦絲所需電流是519mA，電壓2.94V。

馬氏體狀態下的鈦絲所需電流是581mA，電壓2.63V。

這里出現的電流偏差有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。

4 .【恒流驅動控制】

工作原理：

恒流驅動的工作原理和恒壓相似，僅電路驅動和鈦絲采用了串聯的方式。

恒流驅動可以采用傳統的模擬恒流，也可以采用集成度高的恒流芯片，或LED燈的驅動芯片，這些資源都非常的豐富。

方案特點：

（1）無軟件門檻，硬件電路結構簡單，比較節能省電。

（2）驅動機構的響應時間比恒壓驅動要相對穩定。

注意事項

需控制驅動機構和供電系統之間的連接線路阻值盡量小，否則可能會導致驅動機構供電電壓不足。

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。

5.【恒功驅動控制】

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。驅動系統的MCU下達驅動指令后，MCU發出可控的PWM波，驅動開關作用的MOS管工作。當開關管打開后，供電系統經過鈦絲和開關MOS管，再經過電阻到地，完成鈦絲的通電加熱執行驅動。

在這個過程中，開關MOS管對地的電阻起到兩個作用：

（1）限流保護供電系統的穩定性

（2）將供電系統通過鈦絲的電流轉換成電壓形式，經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通過調整PWM的占空比來控制開關MOS管校正我們設計的功率。

方案特點：

（1）驅動機構的響應時間和位移指標可通過軟件精準調整。

（2）功耗更低，省電節能，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