本發(fā)明涉及一種程控恒流源電路，具體涉及一種用于程序控制基于磁流變液的力反饋裝置的恒流源電路設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

磁流變液是一種新型的智能材料，其最獨(dú)特之處是其流變效應(yīng)，即在外磁場作用下，它可在液態(tài)和類固態(tài)之間進(jìn)行快速、可逆的轉(zhuǎn)換，磁流變液因其自身的特殊的流變效應(yīng)而被學(xué)者廣泛研究，以磁流變液為工作介質(zhì)的力反饋裝置即磁流變液阻尼器也具有相當(dāng)高的熱度。當(dāng)給阻尼器提供恒定的電流，阻尼器就可以輸出恒定的阻尼器力矩。目前，如何對阻尼器實(shí)現(xiàn)高精度的實(shí)時控制一直是個難點(diǎn)。恒流源是輸出電流保持恒定的電流源，其輸出電流不因負(fù)載變化而改變，不因環(huán)境溫度變化而改變。當(dāng)環(huán)境變化或者負(fù)載變化時，恒流源可以通過內(nèi)部的反饋電路和調(diào)整電路使得電流重新恒定。目前，大多數(shù)應(yīng)用于教學(xué)和工程領(lǐng)域的恒流源電路，其輸出電流的調(diào)節(jié)是采用電位器實(shí)現(xiàn)的，電位器本身精度不是很高，造成調(diào)節(jié)輸出電流的精度不可能很高。而數(shù)控往往能保證高精度和良好的實(shí)時性，因此采用程序控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)電位器的功能是十分必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問題是提供一種基于磁流變液的力反饋裝置的程控恒流源電路，能夠根據(jù)STM32單片機(jī)設(shè)定的輸出電流值自行調(diào)節(jié)輸出電流大小，具有響應(yīng)迅速，恒流精度高，輸出電流調(diào)節(jié)范圍大的特點(diǎn)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明公開了基于磁流變液的力反饋裝置的程控恒流源電路，包括主控電路、恒流控制電路、線性穩(wěn)壓電源電路、2.048V參考電壓電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路組成。該電路在實(shí)現(xiàn)過程中，使用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)，以ARM Cortex-M3為內(nèi)核架構(gòu)的STM32F103RET6作為主控芯片。通過主控芯片內(nèi)置的SPI總線發(fā)送數(shù)字信號給數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路在主控電路的控制下輸出可調(diào)節(jié)的穩(wěn)定電壓給恒流控制電路，恒流控制電路將采樣電阻的電壓反饋回主控電路，通過主控芯片內(nèi)嵌的A/D控制器完成對電壓采樣值的模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而將設(shè)定的電流值與實(shí)際輸出電流值進(jìn)行比較，并采用PI控制算法對電流偏差值進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，直至輸出電流值逼近設(shè)定電流值滿足精度，使得阻尼器兩端的電壓隨阻尼器的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)恒流的功能。通過上述方式，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)三路輸出，輸出電流范圍為200mA～2000mA，絕對誤差小于0.1％+3mA，具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠，紋波特性良好的優(yōu)點(diǎn)，在高精度小功率領(lǐng)域具有較高的實(shí)用價值。

基于磁流變液的力反饋裝置的程控恒流源電路，包括線性穩(wěn)壓電路、主控電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、2.048V參考電壓電路、恒流控制電路以及負(fù)載；所述主控電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、恒流控制電路以及負(fù)載依次連接；

所述線性穩(wěn)壓電路的輸入端接24V開關(guān)電源，輸出采用分級輸出，輸出端分別與所述恒流控制電路、所述數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、2.048V參考電壓電路及所述主控電路連接并為其提供電壓；

所述主控電路通過串口和上位機(jī)雙向通訊，接收串口下發(fā)設(shè)定的電流值，通過在其內(nèi)置的SPI總線發(fā)送數(shù)字信號給所述數(shù)模轉(zhuǎn)換電路；所述數(shù)模轉(zhuǎn)換電路在所述主控電路的控制下輸出可調(diào)節(jié)的穩(wěn)定電壓給所述恒流控制電路；

所述恒流控制電路接收所述數(shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出的穩(wěn)定電壓，并施加于負(fù)載；所述負(fù)載為以磁流變液為工作介質(zhì)的力反饋裝置；在所述恒流控制電路與所述負(fù)載之間連接有用于采集反饋電壓的采樣電阻；所述采樣電阻將采集電壓并通過恒流控制電路反饋給主控電路；所述主控電路通過其內(nèi)嵌的A/D控制器將采集電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；將設(shè)定的電流值與實(shí)際輸出電流值進(jìn)行比較，并采用PI控制算法對電流偏差值進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，直至輸出電流值逼近設(shè)定電流值滿足精度。

所述負(fù)載為磁流變阻尼器。

所述恒流控制電路有三路；每路所述恒流控制電路分別連接有數(shù)模轉(zhuǎn)換電路與負(fù)載。

所述線性穩(wěn)壓電路包括24V直流電源輸入接口P1、撥動開關(guān)U1、肖特基二極管、濾波電容、散熱片和三端穩(wěn)壓芯片U2、U5、U6；所述24V直流電源輸入接口P1外接開關(guān)電源，撥動開關(guān)U1與P1相連，用于控制整個電路的通斷；三端穩(wěn)壓芯片U2的輸入端連接撥動開關(guān)U1，用于將輸入電壓降壓穩(wěn)壓后從U2的輸出端輸出穩(wěn)定的15V電壓為恒流控制電路提供電壓；三端穩(wěn)壓芯片U5的輸入端與U2輸出端連接，用于將輸入電壓降壓穩(wěn)壓后從U5的輸出端輸出穩(wěn)定的5V電壓為數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和2.048V參考電壓電路提供電壓；三端穩(wěn)壓芯片U6的輸入端連接U5的輸出端，用于對輸入電壓再進(jìn)行一次降壓穩(wěn)壓從U6的輸出端輸出穩(wěn)定的3.3V電壓為主控電路提供電壓。

所述主控電路包括單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、程序下載接口電路和串口電平轉(zhuǎn)換電路；其中最小系統(tǒng)電路留出SPI總線引腳的接口，與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路相連接；程序下載接口和單片機(jī)的下載引腳相連；電平轉(zhuǎn)換電路中電平轉(zhuǎn)換芯片的其中一端與單片機(jī)的串口收發(fā)地引腳相連，另一端通過九針串口與PC端相連。

所述恒流控制電路包括集成運(yùn)放、繼電器、采樣電阻、濾波電容、輸出接口和電壓反饋接口；所述集成運(yùn)放的輸入端連接接數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的輸出端，輸出端連接接所述采樣電阻和繼電器；所述采樣電阻的一端與所述負(fù)載和所述電壓反饋接口相連，另一端連接繼電器。

本發(fā)明的有益效果在于：上位機(jī)軟件經(jīng)串口把設(shè)定的電流值發(fā)給主控芯片，STM32單片機(jī)使用內(nèi)置的SPI總線發(fā)送數(shù)字信號給數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出可調(diào)節(jié)的穩(wěn)定電壓給恒流控制電路，恒流控制電路將采樣電阻的電壓反饋回主控電路。通過主控芯片內(nèi)嵌的A/D控制器完成對電壓采樣值的模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而將設(shè)定的電流值與實(shí)際輸出電流值進(jìn)行比較，并采用PI控制算法對電流偏差值進(jìn)行實(shí)時調(diào)整。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)三路輸出，縮小了電路板的尺寸，降低了成本。輸出電流范圍為200mA～2000mA，絕對誤差小于0.1％+3mA，具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠，紋波特性良好的優(yōu)點(diǎn)，在高精度小功率領(lǐng)域具有較高的實(shí)用價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種基于磁流變液的力反饋裝置的程控恒流源電路原理框圖；

圖2為本發(fā)明線性穩(wěn)壓電源電路原理圖；

圖3為本發(fā)明主控電路原理圖；

圖4為本發(fā)明數(shù)模轉(zhuǎn)換電路原理圖；

圖5為本發(fā)明恒流控制電路原理圖；

圖6為本發(fā)明2.048V參考電壓電路原理圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征能更易于被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，從而對本發(fā)明的保護(hù)范圍做出更為清楚明確的界定。

本發(fā)明實(shí)施例包括：

如圖1所示，本發(fā)明一種基于磁流變液的力反饋裝置的程控恒流源電路包括：線性穩(wěn)壓電源電路、主控電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(1-3)、恒流控制電路(1-3)以及2.048V參考電壓電路(1-3)。

線性穩(wěn)壓電源電路的輸入端接24V開關(guān)電源，開關(guān)電源完成交流電到直流電的轉(zhuǎn)換工作。線性穩(wěn)壓電源電路的輸出采用分級輸出，輸出15V提供恒流控制電路的電壓，輸出5V提供模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和2.048V參考電壓電路的電壓，以及輸出3.3V提供主控電路的電壓。

主控電路通過串口和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的雙向通訊，串口下發(fā)設(shè)定的電流值并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過主控芯片內(nèi)置的SPI總線發(fā)送數(shù)字信號給數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路在主控電路的控制下輸出可調(diào)節(jié)的穩(wěn)定電壓給恒流控制電路，作為恒流控制電路的正向輸入電壓，恒流控制電路要對這個電壓進(jìn)行放大，然后放大后的輸出電壓加在磁流變阻尼器兩端，實(shí)現(xiàn)對磁流變阻尼器的控制。

恒流控制電路(1-3)連接負(fù)載，負(fù)載為以磁流變液為工作介質(zhì)的力反饋裝置，即磁流變阻尼器；與所述負(fù)載連接有用于采集反饋電壓的采樣電阻；恒流控制電路同時將采樣電阻的電壓反饋回主控電路，通過主控芯片內(nèi)嵌的A/D控制器完成對電壓采樣值的模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而將設(shè)定的電流值與實(shí)際輸出電流值進(jìn)行比較，并采用PI控制算法對電流偏差值進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，直至輸出電流值逼近設(shè)定電流值滿足精度，使得阻尼器兩端的電壓隨磁流變阻尼器的變化而變化。

2.048V參考電壓電路(1-3)與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(1-3)相連接，為數(shù)模轉(zhuǎn)換電路提供準(zhǔn)確的參考電壓值，使得數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的D/A轉(zhuǎn)換芯片可以穩(wěn)定的工作，輸出精確的模擬電壓值。參考電壓路為D/A轉(zhuǎn)化芯片提供一個絕對電壓，通過與D/A轉(zhuǎn)化芯片的輸入電壓的比較來獲得適當(dāng)?shù)妮敵鲭妷?，從而?qū)動后面的恒流控制電路。

圖2所示線性穩(wěn)壓電路包括24V直流電源輸入接口、撥動開關(guān)、肖特基二極管、濾波電容、散熱片和三端穩(wěn)壓芯片。24V直流電源輸入接口P1外接開關(guān)電源，撥動開關(guān)U1的2腳接P1的2腳。線性穩(wěn)壓電路采用分級輸出的方案，U1的1腳接三端穩(wěn)壓芯片U2的輸入端，U2的3腳輸出端輸出穩(wěn)定的15V，給恒流控制電路提供電源。U2的3腳輸出端接三端穩(wěn)壓芯片U5的輸入端，U5的3腳輸出端輸出穩(wěn)定的5V，給數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和2.048V參考電壓電路提供電源，并接三端穩(wěn)壓芯片U6的3腳再進(jìn)行一次降壓。U6的2腳輸出端輸出穩(wěn)定的3.3V，給主控電路提供電源。

圖3所示主控電路包括單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、程序下載接口電路和串口電平轉(zhuǎn)換電路。其中最小系統(tǒng)電路留出SPI總線引腳的接口，與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路相連接。程序下載接口SW1和單片機(jī)的JTAG/SWD下載引腳相連，電平轉(zhuǎn)換電路中電平轉(zhuǎn)換芯片U17的其中一端與單片機(jī)的串口收發(fā)地引腳相連，另一端通過DB9九針串口與PC端相連，完成TTL電平和RS232電平的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)串口的通訊。上位機(jī)程序輸入設(shè)定的電流值，程序解析成對應(yīng)的數(shù)值通過串口下發(fā)給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)SPI總線把數(shù)值下發(fā)給數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)電流的控制與調(diào)節(jié)。

圖4所示數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(1-3)包括串行數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片U9、U13、U15和濾波電容。數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的串行輸入端，時序輸入端，片選輸入端與單片機(jī)相連，參考電壓輸入端與2.048V參考電壓電路相連，模擬輸出端與恒流控制電路相連。該電路的功能是在主控電路的控制下產(chǎn)生可變的電壓值給恒流控制電路。

圖5所示恒流控制電路(1-3)包括集成運(yùn)放、繼電器、采樣電阻、濾波電容、輸出接口和電壓反饋接口。集成運(yùn)放U4，U8，U12的輸入端分別接數(shù)模轉(zhuǎn)換電路1-3的輸出端，集成運(yùn)放的輸出端接采樣電阻和繼電器，采樣電阻的一端與阻尼器和電壓反饋接口相連，另一端連接繼電器。繼電器的作用是電路保護(hù)和量程切換。采樣電阻是圖5中的RS1-RS6，總共6個。RS1和RS2與磁流變阻尼器1串聯(lián)，RS3和RS4與磁流變阻尼器2串聯(lián)，RS5和RS6與磁流變阻尼器3串聯(lián)。圖5中，P2，P4，P6分別為磁流變阻尼器1-3的接口。

圖6所示2.048V參考電壓電路(1-3)包括電壓基準(zhǔn)芯片、隔離電阻和限流電阻。電壓基準(zhǔn)芯片U10、U14、U16的電阻端分別接隔離電阻與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的參考電壓輸入端相連接，其中陽極端接地，陰極端接限流電阻。該電路可以產(chǎn)生精準(zhǔn)的2.048V參考電壓給數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，保證數(shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出電壓的穩(wěn)定。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。