Experimental evaluation of SMA actuator control based on resistance measurements

Shape memory alloys are materials of particular interest for actuation solutions in which it is required a high performance in terms of actuation force and actuator’s mass. They may constitute solutions particularly economic that can be adapted to many products. The knowledge of the material’s characteristics in terms of transition temperatures and actuation force is of fundamental importance for the design of the actuator, since they define its performance. The objective of the following thesis work is the determination of the characteristics of a shape memory alloy wire and, in particular, of its electric resistance during actuation phase. The resistance is a parameter which can be determined easily from the power supply of the wire itself and it is correlated to the fraction of material that has suffer the phase transformation. The ultimate objective is to verify if the correlation between resistance and wire’s contraction is enough to perform a control action, using the electric resistance as the only feedback signal. For this scope the wire has been characterized in air and subsequently in thermal bath with controlled temperature with the objective of establishing the relationship between transition temperature, the displacement done and the variation of electric resistance during the process, even when it was demonstrated how for small variations of resistance and many disturbance variables, the measurements present high criticality. By using the correlation resistance-wire’s contraction, a control logic of the actuator displacement based in the resistance, has been implemented. Its feasibility was demonstrated and the limits in the final performance were evidenced.

Le leghe a memoria di forma sono materiali di particolare interesse per soluzioni di azionamento in cui è richiesto un elevato rapporto in termini di forza d’attuazione e massa dell’attuatore e possono costituire soluzioni particolarmente economiche adatte a prodotti di grande serie. La conoscenza delle caratteristiche del materiale in termini di temperature di transizione e forza d’attuazione è di fondamentale importanza per la progettazione dell’attuatore poiché quest’ultime ne definiscono le prestazioni. Obiettivo del seguente lavoro di tesi è la determinazione delle caratteristiche di un filo a memoria di forma e in particolare della sua resistenza elettrica durante la fase di attuazione. La resistenza è un parametro facilmente determinabile dal monitoraggio sistema di alimentazione del filo stesso ed è correlata alla frazione di materiale che ha subito la trasformazione di fase quindi in ultima analisi alla contrazione del filo. La finalità ultima è quella di verificare se la correlazione resistenza- contrazione è sufficiente ad effettuare un controllo della contrazione del filo usando come unico segnale di feedback la resistenza elettrica. A tale scopo il filo è stato caratterizzato in aria e successivamente in bagno termico a temperatura controllata con l’obiettivo di stabilire la relazione tra le temperature di transizione, lo spostamento effettuato e la variazione di resistenza elettrica durante il processo. La correlazione tra resistenza elettrica e contrazione del filo è stata verificata sebbene si sia dimostrato come per le piccole variazioni di resistenza da apprezzare e le molte variabili di disturbo la misura presenti molte criticità. Sfruttando la correlazione resistenza-contrazione si è quindi implementata una logica di controllo dello spostamento dell’attuatore basata sul feedback di resistenza che ha dimostrato la fattibilità ed evidenziato i limiti nelle prestazione finali.