基于電阻反饋的SMA控制系統設計?

張 健，陳 柏，耿令波，陳 筍，吳洪濤

（1.南京航空航天大學機電學院，南京210016；2.上海交通大學附屬新華醫院，上海200092；3.沈陽自動化研究所，沈陽110016）

基于電阻反饋的SMA控制系統設計?

張 健1，陳 柏1，耿令波3，陳 筍2，吳洪濤1

（1.南京航空航天大學機電學院，南京210016；2.上海交通大學附屬新華醫院，上海200092；3.沈陽自動化研究所，沈陽110016）

形狀記憶合金（SMA）驅動器在生物醫療中得到了廣泛應用。目前，SMA驅動器的控制器多采用外部傳感反饋方式，體積大，應用受到限制。提出一種基于SMA內部電阻反饋的嵌入式控制電路。使用ATMEGA16單片機搭建了SMA驅動器加熱控制電路及恒流源電橋方法的電阻測量采集電路。實驗表明：該控制系統可以產生可控PWM，恒流源電橋方法測SMA電阻可以得到足夠的測量精度，系統可用于SMA驅動器的控制。

SMA驅動器；ATMEGA16單片機；電阻反饋；控制電路

1 引 言

形狀記憶合金（shape memory alloy，SMA）是一種新型功能材料。Ni-Ti記憶合金驅動器具有其他記憶材料無可比擬的優點：抗腐蝕性能強，生物相容性好，力學性能優良，抗疲勞、熱加工作性能好［1-2］，因此，成為目前生物醫用材料中的首選。同樣，在微型介入導管機器人的設計中，SMA驅動器也得到了廣泛應用［3-4］。

設計了一種SMA彈簧驅動器控制的介入導管機器人，如圖1所示。導管由位于中心的骨架彈簧以及均勻布置在導管橫截面方向上的三個SMA驅動器組成。介入導管機器人彎曲單元的運動可以通過控制其單元的驅動器來實現在任意方向上的彎曲與轉向。依據手術對象及環境的個體差異，可以通過多個彎曲單元的重構增加其自由度，實現較大的彎曲角度。

2 反饋變量選擇

選擇合理的反饋變量是SMA驅動器控制的關鍵所在。在SMA加熱動作過程中存在四個反映其動作特性的參數，分別是SMA驅動器的輸出力、輸出位移、SMA的溫度和電阻。其中，輸出力和輸出位移為SMA的外部變量；溫度和電阻為SMA的內部變量。

圖1 SMA驅動器布置圖

目前，SMA驅動器通常采用傳感器測量反饋的方式進行控制［5］，但因結構中需要設計傳感器的安裝，不利于系統的微型化，應用受到限制。SMA具有自傳感特性，在發生應變時，內部電阻率發生改變。所以考慮到所設計微型導管機器人的應用環境，在SMA驅動器中采用內部電阻反饋的方式對其控制系統進行設計，以避免使用外部傳感器。

3 硬件電路設計

根據所設計的介入導管機器人SMA驅動器的結構與功能分析，為實現對SMA驅動器有效控制，控制系統應滿足：①控制電路輸出占空比可調的脈沖，可以控制SMA彈簧加熱電流的通斷；②在加熱間歇期可以對SMA彈簧的電阻進行檢測；③輸出脈沖的占空比要有限制，防止SMA在加熱過程中記憶效應惡化。此外，在電路設計過程中，還需要考慮到與上位機的通訊、加熱電路與測量電路的隔離、小電阻如何準確測量等問題。控制系統的結構如圖2所示。

圖2 控制系統結構圖

3.1 加熱控制電路

直接通電加熱方法由于結構簡單且便于控制而得到廣泛應用。由于SMA驅動器是一個熱慣性元件，可以通過脈沖調寬（PWM）的方法實現加熱功率的調節。單片機控制器輸出不同占空比的PWM方波，經過光耦元件及功率放大電路，實現對SMA驅動器的驅動。采集的電阻反饋信號經過AD放大器，送到單片機的A／D轉化器轉換為數字信號，單片機根據電阻變化調節輸出PWM方波占空比的大小。

圖3為單個SMA驅動器通過PWM加熱電路。Atmega16單片機［6］的T／C模塊，可以產生頻率及占空比可調的PWM。當PWM信號為高電平時，場效應管導通，SMA驅動器處于加熱狀態；當PWM信號為低電平時，場效應管截止，SMA驅動器處于冷卻狀態。通過控制PWM占空比的大小可以調節SMA驅動器兩端電流的通斷時間，從而控制施加在SMA驅動器上的熱量，達到準確的功率控制，實現控制介入導管的彎曲動作。

圖3 單個SMA驅動器加熱電路

3.2 電阻測量電路

在SMA驅動器的加熱過程中，其電阻值隨溫度的升高而發生變化，考慮到SMA彈簧的電阻很小，如果采用歐姆方法將很難測得電阻變化的精確值。因此采用恒流源電橋法測量SMA電阻的變化。電路原理圖如圖4所示。用一個30mA的恒流源通過電橋，可以產生mV級的電壓，電壓滿足關系式1，即當電阻發生變化ΔR＝0.2Ω時，會產生約為1.5mV的電壓差值。

單片機通過 I／O口選通多路模擬開關MAX4051，當SMA驅動器處于電阻采集狀態時，單片機會通過編碼選通其某一通道，電橋兩端的電壓信號分別經過兩片MAX4051，再經放大器的作用，之后傳送至單片機的ADC模塊。當SMA驅動器處于加熱狀態時，單片機關斷模擬開關，處于斷開狀態，防止加熱電流過大，對模擬開關造成沖擊進而保護單片機芯片。當單片機AD基準電壓為2V，AD620增益500倍下，電阻測量電路的分辨率可達0.0002Ω。

4 仿真與實驗

使用EDA工具軟件Proteus對所設計的電路進行了電路分析與仿真。圖5為基于Atmega16單片機SMA驅動器加熱電路的Proteus仿真原理圖。

圖4 電阻測量電路

圖5 仿真原理圖

根據電路仿真原理圖編寫程序，仿真過程中，示波器輸出頻率20KHz、占空比為60%的PWM波形，如圖7所示。使用作者制作的控制板，如圖6所示，進行實驗驗證，示波器產生的PWM波形，如圖8所示。

圖6 控制電路實驗板

圖7 占空比60%PWM仿真波形圖

5 結束語

設計了一種基于SMA驅動器內部電阻反饋的控制系統。采用ATMEGA16單片機輸出PWM進行驅動控制，以恒流源電阻橋的方式測量SMA驅動器的電阻， 可以得到0.0002Ω的電阻分辨率。最后，通過仿真分析，使用制作的控制電路板，驗證了控制系統的正確性，可以用于SMA驅動器的控制。

圖8 占空比60%PWM實驗波形圖

［1］Ho M，Desai J P.Characterization of SMA actuator for applications in robotic neurosurgery［C］.IEEE International Conference in Medicine and Biology Society，2009：6856-6859.

［2］趙連城，蔡偉，鄭玉峰.合金的形狀記憶效應與超彈性［M］.北京：國防工業出版社，2002.

［3］Dupont PE，Lock J，Itkowitz B，et al.Design and control of concentric-tube robots［J］.IEEE Transactions on Robotics，2010，26（2）：209-225.

［4］付宜利，高安柱，劉浩，等.導管機器人系統的主從介入［J］.機器人，2011，33（5）：579-591.

［5］李愛華，楊凱，辜承林.基于內嵌式SMA驅動器的機械手控制［J］.電機與控制學報，2006，10（3）：238-241.

［6］李曉鋒.AVR單片機原理與應用［M］.北京：北京理工大學出版社，2010.

Design of Control System for SMA Actuator Based on Resistance Feedback

ZHANG Jian1，CHEN Bai1，GENG Ling-bo3，CHEN Sun2，WU Hong-tao1
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.Xinhua Hospital，Medical School of Shanghai Jiaotong University，Shanghai200092，China；3.Shenyang Institute of Automation，Shenyang 110016，China）

SMA actuator has been widely applied in the biomedical treatment.Exterior sensor is often used for control system of SMA actuator.An embedded control circuit based on SMA resistance feedback is introduced in this paper.The drive heating control circuit and resistancemeasurement circuit are developed based on ATMEGA16.The experimental result shows that the constant current bridge can be applied to get enough precision in SMA resistance measuring and the system can be used for SMA actuator control.

SMA actuator；ATMEGA16；Resistance feedback；Control circuit

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.04.028

TH122；TP273

：B

：1002-2279（2014）04-0091-03

江蘇省自然科學基金資助項目（BK2012798）；江蘇省產學研聯合創新資金--前瞻性聯合研究項目（BY2012011）；國家自然科學基金資助項目（No.51075209）；南京市科委產學研計劃（201204014）；上海市科委科技計劃項（124119a3900）；上海交大醫工交叉項目（YG2011MS08）；國家863科技計劃項目（2013AA041004）

張健（1988-），男，山東省泰安市寧陽縣人，碩士研究生，主研方向：醫療機器人技術，機電控制技術。

2013-12-13