【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(guò)多道工序制成的絲，我們簡(jiǎn)稱鈦絲，可以通過(guò)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(wú)人機(jī)、手機(jī)、汽車、機(jī)器人等科技領(lǐng)域投入使用。

本章節(jié)主要介紹鈦絲（SMA）在汽車腰托支撐按摩氣閥模塊的應(yīng)用，我們?cè)谠擃I(lǐng)域的研發(fā)也積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，歡迎大家交流或者合作。

第1節(jié)【汽車腰托支撐按摩氣閥模塊】

【財(cái)哥講故事】

?在聊形狀記憶合金絲的驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用在汽車電子領(lǐng)域之前，財(cái)哥先給大家講個(gè)小故事。?

話說(shuō)在很久很久以前，有一個(gè)名叫Memory的M國(guó)人，對(duì)形狀記憶合金的驅(qū)動(dòng)技術(shù)情有獨(dú)鐘，癡迷程度不亞于任何人對(duì)寶藏的追尋。Memory在資本的鼎力支持下，一頭扎進(jìn)了形狀記憶合金的研發(fā)深淵，日復(fù)一日，年復(fù)一年，進(jìn)行著無(wú)數(shù)次的實(shí)驗(yàn)與探索。

終于，在一個(gè)風(fēng)和日麗的日子，Memory迎來(lái)了曙光，他成功突破了形狀記憶合金從理論到工業(yè)化的關(guān)鍵壁壘。然而，命運(yùn)似乎總愛(ài)開玩笑，就在Memory即將迎來(lái)輝煌的時(shí)刻，資金鏈卻意外斷裂，他的夢(mèng)想之舟眼看就要擱淺。

資本是冷酷無(wú)情的，沒(méi)有回報(bào)的投入終將撤出。已經(jīng)燒掉10億美金的Memory在絕望中掙扎，四處尋求救星。就在這時(shí)，D國(guó)的一位汽車零部件巨頭——Afm，如同救世主般出現(xiàn)在了他的面前。Afm對(duì)Memory的成果驚嘆不已，迅速出手，將Memory的企業(yè)收入囊中，并讓他專心致力于生產(chǎn)，其他瑣事一概不用操心。

時(shí)間轉(zhuǎn)眼到了2003年的冬天，那是一個(gè)寒冷的季節(jié)，但Afm的研發(fā)團(tuán)隊(duì)卻熱血沸騰。他們僅用不到一年的時(shí)間，就成功開發(fā)出了汽車的腰托核心部件——?dú)饽沂窖序?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。這一創(chuàng)新之舉，不僅讓Afm在歐美等地迅速完成了專利布局，更讓汽車行業(yè)為之震動(dòng)。

然而，新技術(shù)的推廣總是充滿挑戰(zhàn)。Afm的產(chǎn)品雖然先進(jìn)，但卻遭遇了市場(chǎng)的重重阻力。但Afm并沒(méi)有放棄，他們憑借著不懈的努力和本土的影響力，逐漸撕破了市場(chǎng)的壁壘。終于，在奔馳、寶馬等頂級(jí)車系的青睞下，Afm的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)得以大放異彩。

隨著兩大車系的力挺，Afm的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)迅速突破了車圈的屏障，成為了各大車企爭(zhēng)相效仿的對(duì)象。到了2018年前后，Afm的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)銷售量已經(jīng)飆升至驚人的2000萬(wàn)支/年，成為了行業(yè)內(nèi)的佼佼者。

Afm并沒(méi)有止步于此，他們敏銳地發(fā)現(xiàn)了中國(guó)市場(chǎng)的巨大潛力，并迅速采取了戰(zhàn)略布局。在中國(guó)成立了分公司，筑起了堅(jiān)實(shí)的專利防火墻，意圖在這片熱土上續(xù)寫輝煌。

2019年的夏天，一個(gè)名叫Msk的網(wǎng)紅車企也按捺不住內(nèi)心的激動(dòng)，在他的第三代汽車上引入了Afm的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。這一舉動(dòng)，無(wú)疑為Afm在中國(guó)市場(chǎng)的推廣注入了強(qiáng)大的動(dòng)力。

國(guó)內(nèi)的汽車行業(yè)人士聽聞此事，紛紛摩拳擦掌，意圖彎道超車。然而，由于技術(shù)斷層嚴(yán)重，Afm的專利防火墻又堅(jiān)不可摧，許多圈內(nèi)大牛企業(yè)歷經(jīng)數(shù)年，仍未能取得實(shí)質(zhì)性的突破。

這個(gè)場(chǎng)景大家是不是覺(jué)得很熟悉！好了，言歸正傳，我們接下來(lái)講解汽車舒適系統(tǒng)應(yīng)用案例。

【支撐系統(tǒng)、按摩系統(tǒng)】

鈦絲的驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用在支撐系統(tǒng)和按摩系統(tǒng)已經(jīng)非常普遍。

鈦絲的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，在汽車腰托的氣囊式氣閥控制中，通過(guò)記憶合金絲的熱敏特性實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。當(dāng)合金絲被加熱時(shí)，會(huì)縮短并拉動(dòng)氣閥，從而控制氣囊的充氣或泄氣；冷卻后，合金絲恢復(fù)原長(zhǎng)，保持氣閥位置穩(wěn)定。這種技術(shù)替代了傳統(tǒng)的電磁鐵氣閥，使得控制裝置結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、體積更小、重量更輕、功耗更低。

【支撐和按摩系統(tǒng)的組成】

早期的汽車腰托裝置僅有支撐系統(tǒng)，伴隨國(guó)內(nèi)的用戶需求，逐漸衍生了按摩系統(tǒng)，本質(zhì)上，它們屬于同一個(gè)控制原理的不同控制方式。

這個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分為氣泵、氣囊、控制線路、控制按鍵、驅(qū)動(dòng)模塊組成，由它們形成的一套完整的氣囊式汽車腰托。給汽車駕駛帶來(lái)更加舒適的用戶體驗(yàn)。

【驅(qū)動(dòng)模塊的組成】

驅(qū)動(dòng)模塊包含了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)通訊、控制按鍵等組成。

【驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的核心原理】

鈦絲的驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用的支撐系統(tǒng)和按摩系統(tǒng)，其核心原理在財(cái)哥說(shuō)《驅(qū)動(dòng)鈦絲（SMA）的可靠性設(shè)計(jì)》的《SMA常見10大結(jié)構(gòu)模型》中的三角函數(shù)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。

以上是其核心的專利示意圖，具體說(shuō)明在財(cái)哥說(shuō)鈦絲的《驅(qū)動(dòng)鈦絲（SMA）的可靠性設(shè)計(jì)（5）位移設(shè)計(jì)》文章中提到的：

例3：三角函數(shù)結(jié)構(gòu)

我們將一根鈦絲，兩端固定，中間作為驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，鈦絲的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)和固定點(diǎn)形成三角函數(shù)關(guān)系，我們可以利用勾股定理得到類似杠桿的放大效果，得到更大的驅(qū)動(dòng)位移量。

當(dāng)sinA=0.4時(shí)，鈦絲的直線驅(qū)動(dòng)方向的位移量是驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的方向的1:3倍關(guān)系，鈦絲? 0.15mm，長(zhǎng)度100mm，我們?cè)O(shè)計(jì)4%的位移量4mm，在驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的方向，我們會(huì)獲得12mm的驅(qū)動(dòng)位移量。

【驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)特點(diǎn)】

鈦絲驅(qū)動(dòng)模塊的功能需求，最早是相對(duì)傳統(tǒng)電磁鐵的氣閥標(biāo)準(zhǔn)過(guò)渡過(guò)來(lái)開的，其參數(shù)特點(diǎn)如下：

1、工作電壓：9-16v

2、工作溫度：-40-80℃

3、氣壓：55±5KPa

4、流量：5.5L（7L氣泵輸入）

5、氣密：＜10%（55KPa情況下，24小時(shí)損失）

6、噪音：＜30db（空載）；＜40db（負(fù)載30KPa）

7、響應(yīng)時(shí)間：＜150ms

【驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能特點(diǎn)】

我們?nèi)菀渍J(rèn)為，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的充氣和放氣，氣閥打開和閉合的過(guò)程。但是我們站在用戶體驗(yàn)的角度，就完全不一樣了。

例如：我們不同的人開車，腰部支持的高低是不一樣的，這就需要連接汽車的智能識(shí)別系統(tǒng)，來(lái)調(diào)整氣囊的高低。當(dāng)我們開車?yán)哿耍梢哉{(diào)用氣囊自動(dòng)給我們按摩。氣囊的數(shù)量也從早期的1個(gè)，演變成了現(xiàn)在的20-30多個(gè)不等。

多氣囊的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用傳統(tǒng)的電磁鐵驅(qū)動(dòng)就不合適了，電磁鐵過(guò)于笨重、功率大、體積大。更合適的解決方案是一套矩陣式的鈦絲驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和矩陣式的鈦絲驅(qū)動(dòng)電路，采用MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能。

【驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電路設(shè)計(jì)】

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電路設(shè)計(jì)，在財(cái)哥說(shuō)《驅(qū)動(dòng)鈦絲（SMA）的可靠性設(shè)計(jì)》的《驅(qū)動(dòng)鈦絲（SMA）的可靠性設(shè)計(jì)（9）鈦絲的驅(qū)動(dòng)電路控制（下）》的【矩陣式驅(qū)動(dòng)控制】中提到：

矩陣式驅(qū)動(dòng)一般應(yīng)用于數(shù)量較多或大規(guī)模的鈦絲驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的情況下。

矩陣式驅(qū)動(dòng)有很多種類，電子工程師一般都可以根據(jù)自己的實(shí)際情況靈活調(diào)整，本案例給出其中一種表現(xiàn)形式，供大家參考。

矩陣式驅(qū)動(dòng)的重點(diǎn)是結(jié)合MCU本身的資源能力，給出最有效的矩陣設(shè)計(jì)思路，軟件工程師通過(guò)矩陣的數(shù)量設(shè)定合適的周期和對(duì)應(yīng)的占空比。

工作原理：

本例依然采用PWM恒功驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案，驅(qū)動(dòng)4組鈦絲驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

通過(guò)軟件控制:

P1、P2、P3、P4實(shí)現(xiàn)：

驅(qū)動(dòng)鈦絲的L1、L2或L3、L4或L1、L4或 L2、L3的4種驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，達(dá)到矩陣控制和交叉矩陣控制的目的。

本例中的軟件控制可以采用4組PWM，也可以采用2組PWM，我們的軟件工程師需要結(jié)合MCU的資源去靈活調(diào)整。

【驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)案例】

財(cái)哥將以往設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)模塊案例整理出來(lái)分享給大家，僅供大家參考：

1.一體兩通道四路驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

2.一體兩通道四路驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電路

3.一體兩通道四路驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)軟件調(diào)試

4.一體兩通道四路驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)硬件調(diào)試

5.一體兩通道四路驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)水下氣密性調(diào)試

6.鈦絲的驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用的支撐按摩系統(tǒng)總成

鈦絲的驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用除了在支撐、按摩系統(tǒng)的應(yīng)用之外，還在汽車的流體控制系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)、新能源車的電池溫控系統(tǒng)、落鎖裝置等方面陸續(xù)展開大規(guī)模應(yīng)用，財(cái)哥的團(tuán)隊(duì)【鈦絲科技】均已經(jīng)研發(fā)出一些模塊和成果，后續(xù)我們也會(huì)根據(jù)大家的興趣，選擇性的展開來(lái)講解。

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

鈦絲科技 出品

作者財(cái)哥說(shuō)鈦絲

審核編輯 黃宇