【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。
为了让驱动钛丝在工业应用中切实落地,财哥制作整理了包括《财哥说钛丝视频》、《SMA常见电路控制方案》、《驱动钛丝(SMA)计算模型》、《驱动钛丝(SMA)常见结构模型》等系列资源供大家参考,欢迎大家的关注和交流,请点赞收藏转发!
钛丝科技 出品
作者 财哥说钛丝