【前言】

形狀記憶合金（Shape memory alloy, SMA），也叫形態(tài)記憶合金、鈦鎳記憶合金，它是由Ti（鈦）-Ni（鎳）材料組成，經(jīng)過多道工序制成的絲，我們簡(jiǎn)稱鈦絲，可以通過電路驅(qū)動(dòng)鈦絲發(fā)生運(yùn)動(dòng)。相比于傳統(tǒng)的電機(jī)、電磁鐵動(dòng)力，鈦絲是一種新型的動(dòng)力元件。鈦絲驅(qū)動(dòng)技術(shù)目前已經(jīng)在航空航天、洲際導(dǎo)彈、無人機(jī)、手機(jī)、汽車、機(jī)器人等科技領(lǐng)域投入使用。本文通過分享、普及鈦絲驅(qū)動(dòng)技術(shù)的可靠性設(shè)計(jì)，方便大家在機(jī)械電子工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域快速有效的轉(zhuǎn)化為科技成果。

第2節(jié)【鏡頭光圈模組】

今天應(yīng)某位粉絲大佬要求特別定制一節(jié)，講講鏡頭光圈的設(shè)計(jì)案例、驅(qū)動(dòng)思路和注意事項(xiàng)。

由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分涉及到很多專利技術(shù)方面的問題，財(cái)哥不做具體分析。本節(jié)內(nèi)容主要在驅(qū)動(dòng)方案層面，提供一種設(shè)計(jì)思路，但不一定是市場(chǎng)主流設(shè)計(jì)思路。僅代表財(cái)哥個(gè)人觀點(diǎn)，供大家學(xué)習(xí)參考。

【模組系統(tǒng)組成】

SMA驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用在鏡頭光圈模組由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)電路組成，驅(qū)動(dòng)電路可以獨(dú)立集成在模組本體，亦可集成在主體的PCBA部分。

【驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)特性】

市面上現(xiàn)有的鏡頭光圈模組的驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般采用偶數(shù)根鈦絲來驅(qū)動(dòng)，這是為了考慮到運(yùn)動(dòng)力學(xué)的平衡性，使得機(jī)械光圈部分的開合過程更加的穩(wěn)定流暢。當(dāng)然也有單根鈦絲來驅(qū)動(dòng)，這里暫不做說明。

財(cái)哥找到某公司的一款產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)案例圖片來展示，它采用2根鈦絲作為光圈的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源的在結(jié)構(gòu)上做對(duì)稱性設(shè)計(jì)。

【驅(qū)動(dòng)電路】

驅(qū)動(dòng)電路方案可以有多種方式，最優(yōu)解決方案是根據(jù)產(chǎn)品原有的PCBA和供電系統(tǒng)做兼容性的設(shè)計(jì)。

其核心原理就是通過系統(tǒng)控制，使得供電系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)兩根串聯(lián)起來的鈦絲，讓其同時(shí)做位移定位驅(qū)動(dòng)。

我們可以采用恒流驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案+鈦絲電阻反饋+環(huán)境溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)+電壓波動(dòng)補(bǔ)償設(shè)計(jì)：

例1：恒流驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案+鈦絲電阻反饋

我們通過對(duì)地下接參考電阻，給到運(yùn)放，再通過單片機(jī)的ADC采樣參與閉環(huán)控制鈦絲的驅(qū)動(dòng)位移量。

例2：環(huán)境溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)

我們通過NTC采樣來獲取環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，給單片機(jī)做驅(qū)動(dòng)電流的補(bǔ)償，使得不同環(huán)境溫度條件下的驅(qū)動(dòng)的一致性。

例3：電壓波動(dòng)補(bǔ)償設(shè)計(jì)

我們可以通過RC采樣和差分采樣的方式，獲得供電系統(tǒng)的電壓波動(dòng)信息，消除，單片機(jī)的采樣誤差，做到精準(zhǔn)定位驅(qū)動(dòng)控制。

【電阻和位移的關(guān)系】

鈦絲的電阻值和驅(qū)動(dòng)位移量可以理解為線性關(guān)系。

我們可以將鈦絲的電阻值劃分成所需要的分量，分量越多，精度越高，對(duì)單片機(jī)的精度要求也更高。

然后將鈦絲的驅(qū)動(dòng)位移量劃分同樣的分量，其兩者的分量就一一對(duì)應(yīng)上了。

例如：0.03mm線徑鈦絲長(zhǎng)度68mm。

奧氏體電阻值：91.4Ω

馬氏體電阻值：81.8Ω

我們將其劃分為16分，17級(jí)，假設(shè)最大位移量是5%，我們把這5%劃分為同級(jí)數(shù)。

然后結(jié)合我們的恒流驅(qū)動(dòng)電路，就可以得出鈦絲的監(jiān)控反饋電壓值和驅(qū)動(dòng)的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系。

【冗余設(shè)計(jì)】

財(cái)哥說鈦絲中提到的建議，我們有必要做冗余設(shè)計(jì)，這樣才能保證我們驅(qū)動(dòng)的可靠性，同時(shí)降低我們的設(shè)計(jì)師的工作難度。

溫度和位移冗余，我們可以簡(jiǎn)單的認(rèn)為是砍掉上述17級(jí)當(dāng)中的頭尾，滿足我們驅(qū)動(dòng)的3.5%~4%的范圍即可。

【驅(qū)動(dòng)電流和保持電流】

鈦絲的驅(qū)動(dòng)電流和保持電流是不一樣的，其核心在于對(duì)流系數(shù)的問題，也就是對(duì)流散熱的問題。

這個(gè)問題雖然有公式能夠滿足我們的理論計(jì)算，但是這個(gè)差值區(qū)間非常的大，財(cái)哥建議我們?cè)趯?shí)際的產(chǎn)品中來做實(shí)驗(yàn)獲取。

假如：空氣的對(duì)流系數(shù)從20-200不等，相差10倍。

0.03mm線徑鈦絲長(zhǎng)度68mm。

假定對(duì)流系數(shù)是200（w/（mm2.k），我們帶入對(duì)流計(jì)算公式

假定對(duì)流系數(shù)是20（w/（mm2.k），我們帶入對(duì)流計(jì)算公式

這直接影響到了我們的所需驅(qū)動(dòng)電流和保持電流。

驅(qū)動(dòng)電流=驅(qū)動(dòng)電流+對(duì)流電流

保持電流=對(duì)流電流

【奧斯體和馬氏體的滯后】

我們除了需要做流熱量損失補(bǔ)償設(shè)計(jì)，還需考慮到給鈦絲加熱到驅(qū)動(dòng)形變后，冷卻恢復(fù)到某個(gè)位置，其中有約20°的溫差現(xiàn)象。

這個(gè)溫差現(xiàn)象直接影響到我們的驅(qū)動(dòng)控制的響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)這個(gè)響應(yīng)時(shí)間直接和對(duì)流系數(shù)相關(guān)。

例如：我們從4%驅(qū)動(dòng)到3.9%位置，需要等待20°的冷卻時(shí)間，這個(gè)時(shí)候我們需要納入對(duì)流系數(shù)值，通過反推導(dǎo)財(cái)哥的公式得到這個(gè)響應(yīng)時(shí)間。

保持電流為0時(shí)，響應(yīng)最快，但不一定是最均衡的，因?yàn)楣馊Φ恼{(diào)節(jié)響應(yīng)速度、聚焦和光線強(qiáng)弱變化匹配。我們需要根據(jù)我們的實(shí)際情況來增減位移驅(qū)動(dòng)過程的保持電流，讓鈦絲在穩(wěn)定的速度做位移控制。

大家可以參考財(cái)哥說鈦絲的第2章節(jié)和第6章節(jié)。

【驅(qū)動(dòng)位移和壽命】

我們的光圈調(diào)節(jié)次數(shù)壽命和我們產(chǎn)品標(biāo)定的壽命需要合適的匹配。

鈦絲的驅(qū)動(dòng)控制會(huì)伴隨著次數(shù)的增加，驅(qū)動(dòng)位移量減小，這也體現(xiàn)在前面提到的冗余設(shè)計(jì)中的位移量和電阻值的微妙變化。

大家可以結(jié)合財(cái)哥說鈦絲的第5章節(jié)，結(jié)合冗余設(shè)計(jì)中的情況，定期做效驗(yàn)設(shè)計(jì)。

希望本章節(jié)可以對(duì)感興趣的朋友帶來一些啟發(fā)，歡迎大家的關(guān)注和交流，也歡迎大家一起來合作開發(fā)，請(qǐng)點(diǎn)贊收藏轉(zhuǎn)發(fā)！

審核編輯 黃宇

鈦絲科技 出品

作者財(cái)哥說鈦絲