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(yī)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(tǒng)設(shè)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(yī)院，上海200092；3.沈陽自動化研究所，沈陽110016）

形狀記憶合金（SMA）驅(qū)動器在生物醫(yī)療中得到了廣泛應用。目前，SMA驅(qū)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(nèi)部電阻反饋的嵌入式控制電路。使用ATMEGA16單片機搭建了SMA驅(qū)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(tǒng)可以產(chǎn)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(tǒng)可用于SMA驅(qū)動器的控制。

SMA驅(qū)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(qū)動器具有其他記憶材料無可比擬的優(yōu)點：抗腐蝕性能強，生物相容性好，力學性能優(yōu)良，抗疲勞、熱加工作性能好［1-2］，因此，成為目前生物醫(yī)用材料中的首選。同樣，在微型介入導管機器人的設(shè)計中，SMA驅(qū)動器也得到了廣泛應用［3-4］。

設(shè)計了一種SMA彈簧驅(qū)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(qū)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(qū)動器來實現(xiàn)在任意方向上的彎曲與轉(zhuǎn)向。依據(jù)手術(shù)對象及環(huán)境的個體差異，可以通過多個彎曲單元的重構(gòu)增加其自由度，實現(xiàn)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(qū)動器控制的關(guān)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(shù)，分別是SMA驅(qū)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(nèi)部變量。

圖1 SMA驅(qū)動器布置圖

目前，SMA驅(qū)動器通常采用傳感器測量反饋的方式進行控制［5］，但因結(jié)構(gòu)中需要設(shè)計傳感器的安裝，不利于系統(tǒng)的微型化，應用受到限制。SMA具有自傳感特性，在發(fā)生應變時，內(nèi)部電阻率發(fā)生改變。所以考慮到所設(shè)計微型導管機器人的應用環(huán)境，在SMA驅(qū)動器中采用內(nèi)部電阻反饋的方式對其控制系統(tǒng)進行設(shè)計，以避免使用外部傳感器。

3 硬件電路設(shè)計

根據(jù)所設(shè)計的介入導管機器人SMA驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)與功能分析，為實現(xiàn)對SMA驅(qū)動器有效控制，控制系統(tǒng)應滿足：①控制電路輸出占空比可調(diào)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(shè)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?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 加熱控制電路

直接通電加熱方法由于結(jié)構(gòu)簡單且便于控制而得到廣泛應用。由于SMA驅(qū)動器是一個熱慣性元件，可以通過脈沖調(diào)寬（PWM）的方法實現(xiàn)加熱功率的調(diào)節(jié)。單片機控制器輸出不同占空比的PWM方波，經(jīng)過光耦元件及功率放大電路，實現(xiàn)對SMA驅(qū)動器的驅(qū)動。采集的電阻反饋信號經(jīng)過AD放大器，送到單片機的A／D轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，單片機根據(jù)電阻變化調(diào)節(jié)輸出PWM方波占空比的大小。

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

圖3 單個SMA驅(qū)動器加熱電路

3.2 電阻測量電路

在SMA驅(qū)動器的加熱過程中，其電阻值隨溫度的升高而發(fā)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(chǎn)生mV級的電壓，電壓滿足關(guān)系式1，即當電阻發(fā)生變化ΔR＝0.2Ω時，會產(chǎn)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(guān)MAX4051，當SMA驅(qū)動器處于電阻采集狀態(tài)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(jīng)過兩片MAX4051，再經(jīng)放大器的作用，之后傳送至單片機的ADC模塊。當SMA驅(qū)動器處于加熱狀態(tài)時，單片機關(guān)斷模擬開關(guān)，處于斷開狀態(tài)，防止加熱電流過大，對模擬開關(guān)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(shè)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(qū)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(jù)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(chǎn)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(jié)束語

設(shè)計了一種基于SMA驅(qū)動器內(nèi)部電阻反饋的控制系統(tǒng)。采用ATMEGA16單片機輸出PWM進行驅(qū)動控制，以恒流源電阻橋的方式測量SMA驅(qū)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(tǒng)的正確性，可以用于SMA驅(qū)動器的控制。

圖8 占空比60%PWM實驗波形圖

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［4］付宜利，高安柱，劉浩，等.導管機器人系統(tǒng)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(nèi)嵌式SMA驅(qū)動器的機械手控制［J］.電機與控制學報，2006，10（3）：238-241.

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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(chǎn)學研聯(lián)合創(chuàng)新資金--前瞻性聯(lián)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(chǎn)學研計劃（201204014）；上海市科委科技計劃項（124119a3900）；上海交大醫(yī)工交叉項目（YG2011MS08）；國家863科技計劃項目（2013AA041004）

張?。?988-），男，山東省泰安市寧陽縣人，碩士研究生，主研方向：醫(yī)療機器人技術(shù)，機電控制技術(shù)。

2013-12-13