9 钛丝驱动技术（NiTiDrivetech）--电路驱动设计(上)
钛丝驱动技术（NiTiDrivetech）的可靠性设计
【前言】
形状记忆合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形态记忆合金、肌肉丝、镍钛记忆合金，它是由Ni（镍）- Ti（钛）材料组成，经过多道工序制成的丝，财哥简称钛丝，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（nitidrivetech）目前已经在航空航天、医疗、无人机、手机、汽车、机器人等科技领域投入使用。
本文通过公开分享、科普钛丝驱动技术的可靠性设计经验，方便大家在机械电子工业设计等领域快速有效地转化为科技成果。
九、驱动电路设计（上）
驱动电路的设计方案较多，在结合不同的驱动机构和大家各自的产品现有条件下，选择合适自己的驱动方案很重要。财哥整理了一下以往用过的一部分案例给大家一一举例。
1 .【供电系统的配置】
在设计驱动电路之前，我们首先要分析供电系统配置的极限情况下，是否满足钛丝的驱动条件。
我们可以参考焦耳定律的基本公式：Q=I²Rt=UIt
分别对应驱动机构的钛丝长度、驱动响应时间、驱动环境温度因素。
（1）钛丝的长度越长，供电系统所需电压要求越高。
（2）驱动响应时间要求越高，供电系统所需电压和电流要求越大。
（3）驱动环境温度越低，供电系统所消耗的功越多。
这三个基础因素，决定了供电系统的电压和电流上限的配置。
例如：我们设计的驱动机构配置的∅0.15mm，长度100mm的钛丝
环境温度20°，驱动响应时间0.5S，供电所需电压U>3.3V；供电所需电流I>654mA
环境温度-20°，驱动响应时间0.5S，供电所需电压U>4.9V；供电所需电流I>1379mA
环境温度20°，驱动响应时间0.1S，供电所需电压U>7.4V；供电所需电流I>1462mA
环境温度-20°，驱动响应时间0.1S，供电所需电压U>11.3V；供电所需电流I>2227mA
所以，我们的供电系统配置，必须保证驱动机构的驱动电压和电流在极端情况下，满足我们驱动的需求。
供电系统配置搞定了，我们就可以着手驱动电路设计了。
2 .【行程开关驱动控制】
工作原理：
驱动系统下达驱动指令后，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，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，驱动机构完成驱动和恢复归位。
有一些场景需求的前提下，驱动系统也可以通过行程开关反馈驱动机构执行结果给控制系统。
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供电系统负担超标造成系统死机或重启。
（2）有一些应用场景下，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，钛丝驱动过程中的电阻值会变化，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。
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
我们再通过上述的焦耳定律，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。
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。
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。
审核编辑 黄宇
作者 财哥说钛丝
