【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，我們簡稱鈦絲，可以通過電路驅(qū)動鈦絲發(fā)生運動。相比于傳統(tǒng)的電機、電磁鐵動力，鈦絲是一種新型的動力元件。鈦絲驅(qū)動技術(shù)目前已經(jīng)在航空航天、洲際導彈、無人機、手機、汽車、機器人等科技領(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用，我們在該領(lǐng)域的研發(fā)也積累了一定的經(jīng)驗，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】

【財哥講故事】

?在聊形狀記憶合金絲的驅(qū)動技術(shù)應用在汽車電子領(lǐng)域之前，財哥先給大家講個小故事。?

話說在很久很久以前，有一個名叫Memory的M國人，對形狀記憶合金的驅(qū)動技術(shù)情有獨鐘，癡迷程度不亞于任何人對寶藏的追尋。Memory在資本的鼎力支持下，一頭扎進了形狀記憶合金的研發(fā)深淵，日復一日，年復一年，進行著無數(shù)次的實驗與探索。

終于，在一個風和日麗的日子，Memory迎來了曙光，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，命運似乎總愛開玩笑，就在Memory即將迎來輝煌的時刻，資金鏈卻意外斷裂，他的夢想之舟眼看就要擱淺。

資本是冷酷無情的，沒有回報的投入終將撤出。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，D國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。

時間轉(zhuǎn)眼到了2003年的冬天，那是一個寒冷的季節(jié)，但Afm的研發(fā)團隊卻熱血沸騰。他們僅用不到一年的時間，就成功開發(fā)出了汽車的腰托核心部件——氣囊式腰托驅(qū)動機構(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。

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，但卻遭遇了市場的重重阻力。但Afm并沒有放棄，他們憑借著不懈的努力和本土的影響力，逐漸撕破了市場的壁壘。終于，在奔馳、寶馬等頂級車系的青睞下，Afm的驅(qū)動機構(gòu)得以大放異彩。

隨著兩大車系的力挺，Afm的驅(qū)動機構(gòu)迅速突破了車圈的屏障，成為了各大車企爭相效仿的對象。到了2018年前后，Afm的驅(qū)動機構(gòu)銷售量已經(jīng)飆升至驚人的2000萬支/年，成為了行業(yè)內(nèi)的佼佼者。

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

2019年的夏天，一個名叫Msk的網(wǎng)紅車企也按捺不住內(nèi)心的激動，在他的第三代汽車上引入了Afm的驅(qū)動機構(gòu)。這一舉動，無疑為Afm在中國市場的推廣注入了強大的動力。

國內(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)斷層嚴重，Afm的專利防火墻又堅不可摧，許多圈內(nèi)大牛企業(yè)歷經(jīng)數(shù)年，仍未能取得實質(zhì)性的突破。

這個場景大家是不是覺得很熟悉！好了，言歸正傳，我們接下來講解汽車舒適系統(tǒng)應用案例。

【支撐系統(tǒng)、按摩系統(tǒng)】

鈦絲的驅(qū)動技術(shù)應用在支撐系統(tǒng)和按摩系統(tǒng)已經(jīng)非常普遍。

鈦絲的驅(qū)動技術(shù)，在汽車腰托的氣囊式氣閥控制中，通過記憶合金絲的熱敏特性實現(xiàn)精準控制。當合金絲被加熱時，會縮短并拉動氣閥，從而控制氣囊的充氣或泄氣；冷卻后，合金絲恢復原長，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，它們屬于同一個控制原理的不同控制方式。

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

【驅(qū)動模塊的組成】

驅(qū)動模塊包含了驅(qū)動機構(gòu)、驅(qū)動電路、數(shù)據(jù)通訊、控制按鍵等組成。

【驅(qū)動機構(gòu)的核心原理】

鈦絲的驅(qū)動技術(shù)應用的支撐系統(tǒng)和按摩系統(tǒng)，其核心原理在財哥說《驅(qū)動鈦絲（SMA）的可靠性設(shè)計》的《SMA常見10大結(jié)構(gòu)模型》中的三角函數(shù)驅(qū)動結(jié)構(gòu)。

以上是其核心的專利示意圖，具體說明在財哥說鈦絲的《驅(qū)動鈦絲（SMA）的可靠性設(shè)計（5）位移設(shè)計》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)動點，鈦絲的驅(qū)動點和固定點形成三角函數(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)動位移量。

當sinA=0.4時，鈦絲的直線驅(qū)動方向的位移量是驅(qū)動點的方向的1:3倍關(guān)系，鈦絲? 0.15mm，長度100mm，我們設(shè)計4%的位移量4mm，在驅(qū)動點的方向，我們會獲得12mm的驅(qū)動位移量。

【驅(qū)動機構(gòu)的參數(shù)特點】

鈦絲驅(qū)動模塊的功能需求，最早是相對傳統(tǒng)電磁鐵的氣閥標準過渡過來開的，其參數(shù)特點如下：

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小時損失）

6、噪音：＜30db（空載）；＜40db（負載30KPa）

7、響應時間：＜150ms

【驅(qū)動機構(gòu)的功能特點】

我們?nèi)菀渍J為，這是一個簡單的充氣和放氣，氣閥打開和閉合的過程。但是我們站在用戶體驗的角度，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別系統(tǒng)，來調(diào)整氣囊的高低。當我們開車累了，可以調(diào)用氣囊自動給我們按摩。氣囊的數(shù)量也從早期的1個，演變成了現(xiàn)在的20-30多個不等。

多氣囊的驅(qū)動機構(gòu)，采用傳統(tǒng)的電磁鐵驅(qū)動就不合適了，電磁鐵過于笨重、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)動機構(gòu)和矩陣式的鈦絲驅(qū)動電路，采用MCU來實現(xiàn)這些功能。

【驅(qū)動機構(gòu)的電路設(shè)計】

驅(qū)動機構(gòu)的電路設(shè)計，在財哥說《驅(qū)動鈦絲（SMA）的可靠性設(shè)計》的《驅(qū)動鈦絲（SMA）的可靠性設(shè)計（9）鈦絲的驅(qū)動電路控制（下）》的【矩陣式驅(qū)動控制】中提到：

矩陣式驅(qū)動一般應用于數(shù)量較多或大規(guī)模的鈦絲驅(qū)動機構(gòu)的情況下。

矩陣式驅(qū)動有很多種類，電子工程師一般都可以根據(jù)自己的實際情況靈活調(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)動的重點是結(jié)合MCU本身的資源能力，給出最有效的矩陣設(shè)計思路，軟件工程師通過矩陣的數(shù)量設(shè)定合適的周期和對應的占空比。

工作原理：

本例依然采用PWM恒功驅(qū)動的設(shè)計方案，驅(qū)動4組鈦絲驅(qū)動機構(gòu)。

通過軟件控制:

P1、P2、P3、P4實現(xiàn)：

驅(qū)動鈦絲的L1、L2或L3、L4或L1、L4或 L2、L3的4種驅(qū)動狀態(tài)，達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)動模塊的設(shè)計案例】

財哥將以往設(shè)計的驅(qū)動模塊案例整理出來分享給大家，僅供大家參考：

1.一體兩通道四路驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)

2.一體兩通道四路驅(qū)動機構(gòu)電路

3.一體兩通道四路驅(qū)動機構(gòu)軟件調(diào)試

4.一體兩通道四路驅(qū)動機構(gòu)硬件調(diào)試

5.一體兩通道四路驅(qū)動機構(gòu)水下氣密性調(diào)試

6.鈦絲的驅(qū)動技術(shù)應用的支撐按摩系統(tǒng)總成

鈦絲的驅(qū)動技術(shù)應用除了在支撐、按摩系統(tǒng)的應用之外，還在汽車的流體控制系統(tǒng)、新風系統(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)模應用，財哥的團隊【鈦絲科技】均已經(jīng)研發(fā)出一些模塊和成果，后續(xù)我們也會根據(jù)大家的興趣，選擇性的展開來講解。

希望本章節(jié)可以對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)，請點贊收藏轉(zhuǎn)發(fā)！

鈦絲科技 出品

作者財哥說鈦絲

審核編輯 黃宇