基于磁流变液的力反馈装置的程控恒流源电路技术领域
本发明涉及一种程控恒流源电路，具体涉及一种用于程序控制基于磁流变液的力
反馈装置的恒流源电路设计。
背景技术
磁流变液是一种新型的智能材料，其最独特之处是其流变效应，即在外磁场作用
下，它可在液态和类固态之间进行快速、可逆的转换，磁流变液因其自身的特殊的流变效应
而被学者广泛研究，以磁流变液为工作介质的力反馈装置即磁流变液阻尼器也具有相当高
的热度。当给阻尼器提供恒定的电流，阻尼器就可以输出恒定的阻尼器力矩。目前，如何对
阻尼器实现高精度的实时控制一直是个难点。恒流源是输出电流保持恒定的电流源，其输
出电流不因负载变化而改变，不因环境温度变化而改变。当环境变化或者负载变化时，恒流
源可以通过内部的反馈电路和调整电路使得电流重新恒定。目前，大多数应用于教学和工
程领域的恒流源电路，其输出电流的调节是采用电位器实现的，电位器本身精度不是很高，
造成调节输出电流的精度不可能很高。而数控往往能保证高精度和良好的实时性，因此采
用程序控制代替传统电位器的功能是十分必要的。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种基于磁流变液的力反馈装置的程控恒流
源电路，能够根据STM32单片机设定的输出电流值自行调节输出电流大小，具有响应迅速，
恒流精度高，输出电流调节范围大的特点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明公开了基于磁流变液的力反馈装置的程控恒流源电路，包括主控电路、恒
流控制电路、线性稳压电源电路、2.048V参考电压电路和数模转换电路组成。该电路在实现
过程中，使用意法半导体公司生产，以ARM Cortex-M3为内核架构的STM32F103RET6作为主
控芯片。通过主控芯片内置的SPI总线发送数字信号给数模转换电路，数模转换电路在主控
电路的控制下输出可调节的稳定电压给恒流控制电路，恒流控制电路将采样电阻的电压反
馈回主控电路，通过主控芯片内嵌的A/D控制器完成对电压采样值的模数转换，进而将设定
的电流值与实际输出电流值进行比较，并采用PI控制算法对电流偏差值进行实时调整，直
至输出电流值逼近设定电流值满足精度，使得阻尼器两端的电压随阻尼器的变化而变化，
从而实现恒流的功能。通过上述方式，本发明能够实现三路输出，输出电流范围为200mA～
2000mA，绝对误差小于0.1％+3mA，具有运行稳定可靠，纹波特性良好的优点，在高精度小功
率领域具有较高的实用价值。
基于磁流变液的力反馈装置的程控恒流源电路，包括线性稳压电路、主控电路、数
模转换电路、2.048V参考电压电路、恒流控制电路以及负载；所述主控电路、数模转换电路、
恒流控制电路以及负载依次连接；
所述线性稳压电路的输入端接24V开关电源，输出采用分级输出，输出端分别与所
述恒流控制电路、所述数模转换电路、2.048V参考电压电路及所述主控电路连接并为其提
供电压；
所述主控电路通过串口和上位机双向通讯，接收串口下发设定的电流值，通过在
其内置的SPI总线发送数字信号给所述数模转换电路；所述数模转换电路在所述主控电路
的控制下输出可调节的稳定电压给所述恒流控制电路；
所述恒流控制电路接收所述数模转换电路输出的稳定电压，并施加于负载；所述
负载为以磁流变液为工作介质的力反馈装置；在所述恒流控制电路与所述负载之间连接有
用于采集反馈电压的采样电阻；所述采样电阻将采集电压并通过恒流控制电路反馈给主控
电路；所述主控电路通过其内嵌的A/D控制器将采集电压进行模数转换；将设定的电流值与
实际输出电流值进行比较，并采用PI控制算法对电流偏差值进行实时调整，直至输出电流
值逼近设定电流值满足精度。
所述负载为磁流变阻尼器。
所述恒流控制电路有三路；每路所述恒流控制电路分别连接有数模转换电路与负
载。
所述线性稳压电路包括24V直流电源输入接口P1、拨动开关U1、肖特基二极管、滤
波电容、散热片和三端稳压芯片U2、U5、U6；所述24V直流电源输入接口P1外接开关电源，拨
动开关U1与P1相连，用于控制整个电路的通断；三端稳压芯片U2的输入端连接拨动开关U1，
用于将输入电压降压稳压后从U2的输出端输出稳定的15V电压为恒流控制电路提供电压；
三端稳压芯片U5的输入端与U2输出端连接，用于将输入电压降压稳压后从U5的输出端输出
稳定的5V电压为数模转换电路和2.048V参考电压电路提供电压；三端稳压芯片U6的输入端
连接U5的输出端，用于对输入电压再进行一次降压稳压从U6的输出端输出稳定的3.3V电压
为主控电路提供电压。
所述主控电路包括单片机最小系统电路、程序下载接口电路和串口电平转换电
路；其中最小系统电路留出SPI总线引脚的接口，与数模转换电路相连接；程序下载接口和
单片机的下载引脚相连；电平转换电路中电平转换芯片的其中一端与单片机的串口收发地
引脚相连，另一端通过九针串口与PC端相连。
所述恒流控制电路包括集成运放、继电器、采样电阻、滤波电容、输出接口和电压
反馈接口；所述集成运放的输入端连接接数模转换电路的输出端，输出端连接接所述采样
电阻和继电器；所述采样电阻的一端与所述负载和所述电压反馈接口相连，另一端连接继
电器。
本发明的有益效果在于：上位机软件经串口把设定的电流值发给主控芯片，STM32
单片机使用内置的SPI总线发送数字信号给数模转换电路，数模转换电路输出可调节的稳
定电压给恒流控制电路，恒流控制电路将采样电阻的电压反馈回主控电路。通过主控芯片
内嵌的A/D控制器完成对电压采样值的模数转换，进而将设定的电流值与实际输出电流值
进行比较，并采用PI控制算法对电流偏差值进行实时调整。本发明能够实现三路输出，缩小
了电路板的尺寸，降低了成本。输出电流范围为200mA～2000mA，绝对误差小于0.1％+3mA，
具有运行稳定可靠，纹波特性良好的优点，在高精度小功率领域具有较高的实用价值。
附图说明
图1为本发明一种基于磁流变液的力反馈装置的程控恒流源电路原理框图；
图2为本发明线性稳压电源电路原理图；
图3为本发明主控电路原理图；
图4为本发明数模转换电路原理图；
图5为本发明恒流控制电路原理图；
图6为本发明2.048V参考电压电路原理图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能
更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本发明实施例包括：
如图1所示，本发明一种基于磁流变液的力反馈装置的程控恒流源电路包括：线性
稳压电源电路、主控电路、数模转换电路(1-3)、恒流控制电路(1-3)以及2.048V参考电压电
路(1-3)。
线性稳压电源电路的输入端接24V开关电源，开关电源完成交流电到直流电的转
换工作。线性稳压电源电路的输出采用分级输出，输出15V提供恒流控制电路的电压，输出
5V提供模数转换电路和2.048V参考电压电路的电压，以及输出3.3V提供主控电路的电压。
主控电路通过串口和上位机实现稳定的双向通讯，串口下发设定的电流值并转换
成数字信号，再通过主控芯片内置的SPI总线发送数字信号给数模转换电路，数模转换电路
在主控电路的控制下输出可调节的稳定电压给恒流控制电路，作为恒流控制电路的正向输
入电压，恒流控制电路要对这个电压进行放大，然后放大后的输出电压加在磁流变阻尼器
两端，实现对磁流变阻尼器的控制。
恒流控制电路(1-3)连接负载，负载为以磁流变液为工作介质的力反馈装置，即磁
流变阻尼器；与所述负载连接有用于采集反馈电压的采样电阻；恒流控制电路同时将采样
电阻的电压反馈回主控电路，通过主控芯片内嵌的A/D控制器完成对电压采样值的模数转
换，进而将设定的电流值与实际输出电流值进行比较，并采用PI控制算法对电流偏差值进
行实时调整，直至输出电流值逼近设定电流值满足精度，使得阻尼器两端的电压随磁流变
阻尼器的变化而变化。
2.048V参考电压电路(1-3)与数模转换电路(1-3)相连接，为数模转换电路提供准
确的参考电压值，使得数模转换电路的D/A转换芯片可以稳定的工作，输出精确的模拟电压
值。参考电压路为D/A转化芯片提供一个绝对电压，通过与D/A转化芯片的输入电压的比较
来获得适当的输出电压，从而驱动后面的恒流控制电路。
图2所示线性稳压电路包括24V直流电源输入接口、拨动开关、肖特基二极管、滤波
电容、散热片和三端稳压芯片。24V直流电源输入接口P1外接开关电源，拨动开关U1的2脚接
P1的2脚。线性稳压电路采用分级输出的方案，U1的1脚接三端稳压芯片U2的输入端，U2的3
脚输出端输出稳定的15V，给恒流控制电路提供电源。U2的3脚输出端接三端稳压芯片U5的
输入端，U5的3脚输出端输出稳定的5V，给数模转换电路和2.048V参考电压电路提供电源，
并接三端稳压芯片U6的3脚再进行一次降压。U6的2脚输出端输出稳定的3.3V，给主控电路
提供电源。
图3所示主控电路包括单片机最小系统电路、程序下载接口电路和串口电平转换
电路。其中最小系统电路留出SPI总线引脚的接口，与数模转换电路相连接。程序下载接口
SW1和单片机的JTAG/SWD下载引脚相连，电平转换电路中电平转换芯片U17的其中一端与单
片机的串口收发地引脚相连，另一端通过DB9九针串口与PC端相连，完成TTL电平和RS232电
平的转换，实现串口的通讯。上位机程序输入设定的电流值，程序解析成对应的数值通过串
口下发给单片机，单片机经SPI总线把数值下发给数模转换电路，实现电流的控制与调节。
图4所示数模转换电路(1-3)包括串行数模转换芯片U9、U13、U15和滤波电容。数模
转换芯片的串行输入端，时序输入端，片选输入端与单片机相连，参考电压输入端与2.048V
参考电压电路相连，模拟输出端与恒流控制电路相连。该电路的功能是在主控电路的控制
下产生可变的电压值给恒流控制电路。
图5所示恒流控制电路(1-3)包括集成运放、继电器、采样电阻、滤波电容、输出接
口和电压反馈接口。集成运放U4，U8，U12的输入端分别接数模转换电路1-3的输出端，集成
运放的输出端接采样电阻和继电器，采样电阻的一端与阻尼器和电压反馈接口相连，另一
端连接继电器。继电器的作用是电路保护和量程切换。采样电阻是图5中的RS1-RS6，总共6
个。RS1和RS2与磁流变阻尼器1串联，RS3和RS4与磁流变阻尼器2串联，RS5和RS6与磁流变阻
尼器3串联。图5中，P2，P4，P6分别为磁流变阻尼器1-3的接口。
图6所示2.048V参考电压电路(1-3)包括电压基准芯片、隔离电阻和限流电阻。电
压基准芯片U10、U14、U16的电阻端分别接隔离电阻与数模转换电路的参考电压输入端相连
接，其中阳极端接地，阴极端接限流电阻。该电路可以产生精准的2.048V参考电压给数模转
换电路，保证数模转换电路输出电压的稳定。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发
明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技
术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。