CN113447699A - 隧道磁电阻环形阵列电流传感器及电流测量方法 - Google Patents
隧道磁电阻环形阵列电流传感器及电流测量方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113447699A CN113447699A CN202111017736.6A CN202111017736A CN113447699A CN 113447699 A CN113447699 A CN 113447699A CN 202111017736 A CN202111017736 A CN 202111017736A CN 113447699 A CN113447699 A CN 113447699A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- current
- annular array
- tunnel
- current sensor
- tunnel magnetoresistance
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 88
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 62
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 37
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 33
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 claims description 27
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 claims description 20
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 9
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 9
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 9
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 claims description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 16
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 15
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 9
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 7
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 5
- 230000006870 function Effects 0.000 description 5
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 5
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 230000008685 targeting Effects 0.000 description 3
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 2
- 238000013139 quantization Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 230000005358 geomagnetic field Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
- G01R19/0092—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof measuring current only
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
本发明公开了隧道磁电阻环形阵列电流传感器及电流测量方法。该隧道磁电阻环形阵列电流传感器，包括：隧道磁电阻环形阵列、信号处理单元；隧道磁电阻环形阵列包括结构体、多个隧道磁电阻传感芯片，多个隧道磁电阻传感芯片设置于结构体，并阵列为环形；隧道磁电阻环形阵列还包括补偿绕组，补偿绕组套设于结构体；在目标导体处于隧道磁电阻环形阵列的中心，且承载待测电流，且补偿绕组内流过反馈电流时，多个隧道磁电阻传感芯片分别输出电压测量值；信号处理单元根据获取的多个电压测量值，生成指示待测电流的参数的电流测量结果。该电流传感器，减少了测量结果中的串扰误差，精度高、运行稳定、可靠性好。
Description
技术领域
本发明属于电流测量技术领域，具体涉及隧道磁电阻环形阵列电流传感器及电流测量方法。
背景技术
随着隧道磁电阻（Tunnel Magneto-resistance，简称TMR）传感器的快速发展，其精度逐渐提高且成本逐渐降低。将多个隧道磁电阻传感器组成阵列，来满足电力系统普遍存在的非接触式电流测量需求变为可能。
作为代替目前广泛使用的磁传感器加磁芯进行电流测量的一种有效方式，基于TMR阵列的电流传感器也是解决空间干扰和磁芯饱和等瓶颈问题的有效办法。
但是，由于测量电路及其周围电磁环境中串扰等因素的影响，目前，隧道磁电阻阵列电流传感器的精度仍有待提高。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供隧道磁电阻环形阵列电流传感器及电流测量方法，以改善隧道磁电阻环形阵列电流传感器的测量精度。
第一方面，本发明提供一种隧道磁电阻环形阵列电流传感器，包括：隧道磁电阻环形阵列、信号处理单元；隧道磁电阻环形阵列包括结构体、多个隧道磁电阻传感芯片，多个隧道磁电阻传感芯片设置于结构体，并阵列为环形；隧道磁电阻环形阵列还包括补偿绕组，补偿绕组套设于结构体；在目标导体处于隧道磁电阻环形阵列的中心，且承载待测电流，且补偿绕组内流过反馈电流时，多个隧道磁电阻传感芯片分别输出电压测量值；信号处理单元根据获取的多个电压测量值，生成指示待测电流的参数的电流测量结果。
进一步地，信号处理单元还根据获取的多个电压测量值，生成反馈电流；补偿绕组内流过反馈电流时，补偿绕组在空间生成补偿磁场；目标导体承载待测电流时，目标导体在空间生成主导磁场；在隧道磁电阻传感芯片所在处，补偿磁场与主导磁场叠加后的综合磁场处于零磁通状态附近。
进一步地，在隧道磁电阻传感芯片为N个时，其中，N为大于1的正整数，信号处理单元包括N个输出电路、N个自适应滤波器、一个信号合并模块；一个隧道磁电阻传感芯片、一个输出电路、一个自适应滤波器依次连接；N个自适应滤波器与信号合并模块连接。
进一步地，信号处理单元还包括反馈电流生成模块；反馈电流生成模块与信号合并模块连接。
进一步地，自适应滤波器为m阶最小均方根滤波器，其中，m为大于1的正整数；第i个自适应滤波器根据从第i个输出电路获取的当前时刻t的电压测量值
，利用下式确定当前时刻t校正后的电压测量值
，其中，1 
：
进一步地，所述第i个自适应滤波器以使当前时刻t校正后的电压测量值 
与电压参考值Vref的误差 
小于动态阈值为目标，以常数μ作为学习率，结合当前时刻t的权重系数
，根据下式生成下一时刻t+1的权重系数 
：
所述电压参考值Vref根据N个所述隧道磁电阻传感芯片对应的当前时刻t校正后的电压测量值 
确定。
进一步地，信号合并模块根据从各自适应滤波器获取的各隧道磁电阻传感芯片当前时刻t校正后的电压测量值 
，采用下式确定隧道磁电阻环形阵列电流传感器当前时刻t校正后的测量电压值 
：
进一步地，反馈电流生成模块包括比例积分控制器，比例积分控制器根据从信号合并模块获取的当前时刻t校正后的测量电压值 
，生成反馈电流。
进一步地，目标导体为直流母线。
进一步地，在隧道磁电阻环形阵列的外部，布设有与目标导体平行的至少一个用于承载直流电流的直流导体。
第二方面，本发明提供一种电流测量方法，采用如第一方面说明的隧道磁电阻环形阵列电流传感器，对目标导体承载的电流进行测量，生成指示电流的参数的电流测量结果；其中，目标导体处于所述隧道磁电阻环形阵列电流传感器的隧道磁电阻环形阵列的中心。
第三方面，本发明提供一种计算机设备，包括：处理器，以及存储器，其上存储有程序指令，程序指令当被所述处理器执行时使得处理器实现如第二方面说明的电流测量方法。
第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序指令，所述程序指令当被处理器执行时使得处理器实现如第二方面说明的电流测量方法。
本发明提供的隧道磁电阻环形阵列电流传感器及电流测量方法，将自适应滤波算法应用于隧道磁电阻环形阵列电流传感器的输出电压信号，减少了测量结果中的串扰误差，适用于环形截面导体或矩形截面导体，精度高、运行稳定、可靠性好，可用于直流配电网、电动汽车直流充电桩等电力系统场景中电流的高精度测量。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
附图1是本发明的隧道磁电阻环形阵列电流传感器的组成结构示意图。
附图2是本发明的隧道磁电阻环形阵列电流传感器的第i个自适应滤波器的原理示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语（包括科技术语）对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
以下为部分术语定义：
最小均方根，Least Mean Square，简称LMS；比例积分，Proportion Integration，简称PI。
许多工业应用都需要新颖的直流电流传感器技术。目前，在这些具有低成本和宽量程优势的直流电流传感器中，基于隧道磁电阻传感器阵列的直流电流测量系统可以实现准确度更高的电流测量。
基于离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transformation ，简称DFT）的磁传感器阵列为了减少串扰误差的影响，结合传感器输出信号设计了基于DFT的算法。所提出的算法基于被测导体周围磁场的傅里叶展开，而傅里叶系数的解析表达式在磁场是由通过垂直于阵列平面的丝状电流产生的情况下在均匀场的存在中得出，环形磁传感器阵列将被测导体周围的磁场映射，实现了传感器数据的空间离散傅里叶变换。最终测量的电流值由非线性系统求逆给出。
但是，以上基于离散傅里叶变换的磁传感器阵列模型只考虑了圆形截面导体的情形。由于在矩形截面导体中流动的直流电流产生的磁场不具有径向对称性，因此导致以母线为中心在空间内环形阵列而成的磁传感器无法测量到相同的磁场值。这时，如果仍旧通过基于DFT的算法处理针对矩形截面导体的传感器数据，则会出现数量级大于零的磁场空间谐波。而非零谐波也会归因于串扰场。因此，必须采用其他的能够将阵列内部电流的贡献与外部电流的贡献区分开的测量算法。基于卡尔曼滤波的非接触式多传感器电流测量方法，则是基于多传感器在干扰磁场环境下测量直流电流的模型，通过卡尔曼滤波方法计算流经目标导体的待测电流从传感器的输出，并根据次优卡尔曼滤波器设计得到简化的次优稳态滤波器来实现电流测量的目的。
卡尔曼滤波是一种递推滤波算法，对于已知系统模型和噪声统计特性，通过信号估计和校正，得到最佳滤波值。但是，只有当噪声统计特性已知且为高斯白噪声时，卡尔曼滤波器才能得到最优滤波结果。并且，最优卡尔曼滤波器在实际应用中，则存在无法得到系统状态特性、误差统计特性和测量过程的精确描述的问题。而次优卡尔曼滤波器是适当简化后的卡尔曼滤波器，可以简化计算过程，但损失了精确度。另外，当矢量系统状态维数较高时,每次递推计算的计算量会增加，导致无法负担要消耗的计算资源。针对隧道磁电阻阵列电流传感器用于测量阵列内部不同截面形状（如，矩形或圆形）的直流母线上的电流时，需要克服的外部磁场串扰问题（该外部磁场串扰并非高斯白噪声），本发明实施例提供了隧道磁电阻环形阵列电流传感器及电流测量方法。
本发明实施例提供的隧道磁电阻环形阵列电流传感器及电流测量方法，可用于非接触式地测量不同截面形状（如，矩形或圆形）的直流导体承载的直流电流，精度高、运行稳定、可靠性好，可用于直流配电网、电动汽车直流充电桩等电力系统场景中电流的高精度测量。
本发明实施例提供的隧道磁电阻环形阵列电流传感器及电流测量方法，将自适应滤波算法应用于隧道磁电阻环形阵列电流传感器，减少隧道磁电阻环形阵列电流传感器测量结果中的串扰误差。该串扰误差来自于隧道磁电阻环形阵列电流传感器外部场源产生的干扰场，如，最常见的外部场源是与目标导体平行的其他载流导体。本发明实施例的隧道磁电阻环形阵列电流传感器，包括：隧道磁电阻环形阵列、信号处理单元；隧道磁电阻环形阵列包括结构体、多个隧道磁电阻传感芯片，多个隧道磁电阻传感芯片设置于结构体，并阵列为环形；隧道磁电阻环形阵列还包括补偿绕组，补偿绕组套设于结构体；在目标导体处于隧道磁电阻环形阵列的中心，且承载待测电流，且补偿绕组内流过反馈电流时，多个隧道磁电阻传感芯片分别输出电压测量值；信号处理单元根据获取的多个电压测量值，生成指示待测电流的参数的电流测量结果。
应该理解为，隧道磁电阻传感芯片可以采用现有技术中公开，且可以直接下单购买的TMR芯片。
应该理解为，待测电流的参数可以是电流幅值，也可以是电流相位，还可以电流的电位，如正，如负。指示所述待测电流的参数的电流测量结果可以是以上多个参数的组合。
优选地，信号处理单元还根据获取的多个电压测量值，生成反馈电流；补偿绕组内流过反馈电流时，补偿绕组在空间生成补偿磁场；目标导体承载待测电流时，目标导体在空间生成主导磁场；在隧道磁电阻传感芯片所在处，补偿磁场与主导磁场叠加后的综合磁场处于零磁通状态附近。
优选地，在隧道磁电阻传感芯片为N个时，其中，N为大于1的正整数，信号处理单元包括N个输出电路、N个自适应滤波器、一个信号合并模块；一个隧道磁电阻传感芯片、一个输出电路、一个自适应滤波器依次连接；N个自适应滤波器与信号合并模块连接。
优选地，还包括反馈电流生成模块；反馈电流生成模块与信号合并模块连接。
优选地，自适应滤波器为m阶最小均方根滤波器，其中，m为大于1的正整数；第i个自适应滤波器根据从第i个输出电路获取的当前时刻t的电压测量值
，利用下式确定当前时刻t校正后的电压测量值
，其中，1
：
其中，
为时刻t-j对应的权重系数，
为时刻t-j校正后的电压测量值，0
。
优选地，所述第i个自适应滤波器以使当前时刻t校正后的电压测量值 
与电压参考值Vref的误差 
小于动态阈值为目标，以常数μ作为学习率，结合当前时刻t的权重系数
，根据下式生成下一时刻t+1的权重系数 
：
所述电压参考值Vref根据N个所述隧道磁电阻传感芯片对应的当前时刻t校正后的电压测量值 
确定。
进一步地，信号合并模块根据从各自适应滤波器获取的各隧道磁电阻传感芯片当前时刻t校正后的电压测量值
，采用下式确定隧道磁电阻环形阵列电流传感器当前时刻t校正后的测量电压值
：
进一步地，反馈电流生成模块包括比例积分控制器，比例积分控制器根据从信号合并模块获取的当前时刻t校正后的测量电压值
，生成反馈电流。
进一步地，目标导体为直流母线。而在隧道磁电阻环形阵列的外部，布设有与目标导体平行的至少一个用于承载电流的直流导体。
本发明实施例还提供一种电流测量方法，采用如前述说明的隧道磁电阻环形阵列电流传感器，对目标导体承载的电流进行测量，生成指示电流的参数的电流测量结果；其中，目标导体处于所述隧道磁电阻环形阵列电流传感器的TMR环形阵列的中心。
如图1所示，本发明另一实施例提供的隧道磁电阻环形阵列电流传感器，由TMR环形阵列、信号处理单元和补偿绕组组成。
该TMR环形阵列包括8个TMR传感芯片。每一个TMR传感芯片用于感应该TMR传感芯片所在处的磁场。该磁场处于零磁通状态附近，是流过待测电流的目标导体生成的主导磁场和流过反馈电流的补偿绕组生成的补偿磁场叠加后形成的综合磁场。如图1所示，该TMR环形阵列的8个TMR传感芯片围绕目标导体对称均匀地设置。信号处理单元用于将8个TMR传感芯片感应并测量的综合磁场对应的电压测量信号数字化，方便后续进行处理，如滤波，如生成反馈电流。
补偿绕组用于流过反馈电流。反馈电流与待测电流，分别在各TMR传感芯片所在空间内生成磁场，使各TMR传感芯片工作于零磁通状态附近，提高了TMR传感芯片测量磁场的准确性，并拓展了TMR传感芯片能够测量的磁场的范围，相应地，也就拓展了隧道磁电阻环形阵列电流传感器能够测量的电流数值的范围。
而信号处理单元还用于采用自适应滤波处理并融合全部的TMR传感芯片生成的电压测量信号，以减少外部场源导致的串扰误差和因TMR传感芯片器件性能差异或性能漂移导致的测量误差。
也即，隧道磁电阻环形阵列电流传感器的精密传感功能由TMR环形阵列、补偿绕组和信号处理单元完成，该隧道磁电阻环形阵列电流传感器的精度提升由信号处理单元执行自适应滤波来完成。
TMR环形阵列还包括结构体（图1中没有示出），该结构体为圆环形结构件，沿该结构体的周向等间距地设置有8块TMR传感芯片，也即，沿该结构体的中心阵列排列。
具体实施时，各TMR传感芯片可以嵌设在该圆环形结构件的内腔，也可以嵌设在该圆环形结构件的侧壁的凹槽内或设置在该圆环形结构件的侧壁上。
具体实施时，补偿绕组由单匝或多匝导线通过均匀地缠绕在结构体（图1中与TMR传感芯片在视场内重合的部分绕组因为要展示TMR传感芯片而没有示出）的外部而制得，因此，为无铁芯的空心绕组。流经该补偿绕组的反馈电流生成的补偿磁场与流经目标导体的待测电流产生的主导磁场叠加后，将TMR传感芯片所在处的综合磁场维持在零磁通状态附近。
具体实施时，如图1所示，该结构体的外部还设置有金属屏蔽层。这时，应该理解为，该补偿绕组位于该金属屏蔽层形成的内腔。优选地，该金属屏蔽层为双层金属屏蔽层。内层金属屏蔽层的材料为铝合金，如用铝合金箔片包裹该结构体。外层金属屏蔽层为除铝合金之外的其他非导磁材料的纯金属或合金，如用铁皮间隔地或紧贴地包裹该铝合金箔片，以实现电磁屏蔽。
如图1所示，信号处理单元包括8个输出电路、8个LMS滤波器、一个信号合并模块。各隧道磁电阻传感芯片、输出电路、自适应滤波器依次连接；8个LMS滤波器与信号合并模块分别连接。
这时，8个TMR传感芯片输出的电压测量信号分别独立地连接到对应的8个输出电路中。这时，各输出电路包括放大模块和模拟数字（Analog to Digital Converter，简称A/D）转换模块，放大模块用于将TMR传感芯片输出的电压测量信号放大，如放大10倍或100倍；A/D转换模块用于对从放大模块接收的放大后电压测量信号进行采样并转换为数字信号，也即，当前时刻t的电压测量值
，并输入到LMS滤波器。这时，各TMR传感芯片在当前时刻t的电压测量值
为数字信号。
如输出电路实施在印刷电路板（Printed Circuit Board，简称PCB）上时，A/D转换模块可以为片上12位多通道或单通道A/D高速转换芯片。
随后，针对得到的8个TMR传感芯片在当前时刻t的电压测量值
如下式所示，由信号合并模块将各TMR传感芯片对应的当前时刻t校正后的测量电压值
进行代数平均，也即求累加和并平均，得到该隧道磁电阻环形阵列电流传感器当前时刻t的校正后的测量电压值
：
随后，就可以根据分别预先获取的TMR传感芯片的磁电转换系数F1和输出电路的转换系数F4（包括放大模块的放大系数F2和A/D转换模块的量化系数F3），将该校正后的测量电压值处理为以电流为量纲的目标电流值，如50A。应该理解为，在该电流传感器的标定阶段，目标电流值是预先知道的。
以上，确定TMR传感芯片转换系数F1、输出电路转换系数F4（包括放大模块的放大系数F2和A/D转换模块的量化系数F3），及将该校正后的测量电压值处理为以电流为量纲的目标电流值均采用现有技术中公开的方法，这里不再赘述。
应该理解为，与各TMR传感芯片分别连接的输出电路中可以包括现有技术中公开的向TMR传感芯片供电的供电电路，这里不再赘述。
承载有待测电流的目标导体为载流导体。根据安培定律，载流导体在其周围空间感应的磁场，是以载流导体（的中心）为中心，沿着载流导体的径向向外辐射，并且，在任一载流导体横截面所在处的平面上，其磁场可以等效为无数同心圆环。
对于该隧道磁电阻环形阵列电流传感器的TMR环形阵列而言，若由于安装误差而导致目标导体（的中心）与TMR环形阵列的理想中心轴线不重合，也即存在偏心时，或目标导体受地磁场影响，或TMR传感芯片因器件性能差异或性能漂移，TMR环形阵列的各TMR传感芯片感应到的综合磁场的磁感应强度会存在差异，并且难以判断哪一个TMR传感芯片的测量更准确或误差更小。
这时，通过将阵列设置的全部TMR传感芯片分别同时、同步地感应到的电压测量值进行融合，可以减少因目标导体偏心而引起的测量误差，并减小地磁场的影响，及减少每一个TMR传感芯片感应并测量到的串扰误差（来自图1中的相邻导体），有助于提升测量的准确性。
如图1所示，目标导体与设置于圆环形结构件的外部的相邻干扰导体的间距记为L，TMR环形阵列所在处的阵列半径记为R。自然地，TMR环形阵列的阵列半径确定之后，TMR环形阵列包括的TMR传感芯片越多，多个TMR传感芯片的测量值（如，TMR测量值1、TMR测量值2、TMR测量值3、TMR测量值4）融合后的测量结果就越准确。
应该理解为，一旦确定了隧道磁电阻环形阵列电流传感器的应用场景，也即确定了目标导体与相邻干扰导体的间距L后，TMR环形阵列所在处的阵列半径 R就存在一个适当的取值区间，在该取值区间内，TMR环形阵列中TMR传感芯片的个数及阵列半径组合后，可具有较好的减少串扰误差的效果。
应该理解为，TMR传感芯片与目标导体与相邻干扰导体形成的连接面的偏移角也对串扰误差有一定影响。优选地，在L与R比值为2.5时， TMR传感芯片的个数为8且偏移角为30°。
这时，在设置图1中的TMR传感芯片（其大致位于图1中的2点钟方向）时，其安装角度相对于目标导体与相邻干扰导体形成的连接平面的偏移角为30°。相应地，按照逆时针方向，以45度间隔依次设置其他7个TMR传感芯片即可。
这时，TMR传感芯片与目标导体的相对位置适当、角度适当，可以最大限度地减少外部相邻干扰导体的串扰误差影响。利用8块TMR传感芯片可以准确且高精度地测量由流经目标导体的待测电流和流经补偿绕组的反馈电流分别生成的磁场叠加后的综合磁场。
也即，8块TMR传感芯片可以在满足测量精度要求，并实现设计上的便捷、成品率和可靠性。并且，还可以进一步通过信号处理算法来进一步提高测量精度。
因补偿绕组均匀地缠绕在结构体上，流过动态更新的反馈电流并生成补偿磁场，与流过待测电流的目标导体生成的主导磁场，共同地将TMR传感芯片所在处的磁场维持在零磁通状态附近，使得TMR传感芯片感应并测量的磁场维持在TMR传感芯片的线性区间，从而拓展了阵列电流传感器的测量范围，并提高了电流测量的精度。
这时，因TMR环形阵列中各TMR传感芯片感应并测量的磁场为综合磁场与零磁通状态之间的偏差，PI控制器根据该磁场偏差及校正后的测量电压值生成反馈电流，将该反馈电流作为反馈电流，使其流过补偿绕组，以实现各TMR传感芯片处的综合磁场处于零磁通状态附近，实现传感器工作的稳定性、可靠性和准确性。
具体实施时，反馈电流生成模块（也即图1中的PI控制器）根据获取的信号合并模块输出的校正后的测量电压值，生成反馈电流后，将反馈电流（这时，为数字量）经过数模转换模块及驱动适配模块（图1中未示出）后作为反馈电流（这时，为模拟量）接入到补偿绕组。在输出电路实施在PCB板上时，该PCB板还可以集成12位多通道或单通道D/A转换芯片。这时，该12位多通道或单通道D/A转换芯片对反馈电流进行数/模转换，得到模拟量形式的反馈电流，之后，模拟量形式的反馈电流经驱动适配模块的驱动适配后作为反馈电流接入到补偿绕组。
这时，接入到补偿绕组的反馈电流为模拟量信号。具体实施时，补偿绕组的首尾出线端分别与驱动适配模块的正负极连接（图1中简化地示出了其正极这一端）。
该隧道磁电阻环形阵列电流传感器还结合TMR传感芯片输出的电压测量信号的特点，实现最小均方根（Least Mean Square，简称LMS）意义上的自适应滤波，从而进一步减少了来自串扰误差的影响。
如图1和图2所示，信号处理单元包括8个LMS滤波器、1个信号合并模块和1个比例积分（Proportion Integration，简称PI）。各LMS自适应滤波器对输入的电压测量信号进行自适应滤波校正，并输出校正后的测量电压值。也即，与8个TMR传感芯片相对应，共有8个LMS滤波器，并分别采用最小均方根算法实现自适应滤波器。
将第i个TMR传感芯片在m个连续的测量周期输出的测量电压值构成的时间序列记为信号矢量：
其中，
具体实施时，对于每个TMR传感芯片，使用如下公式，采用LMS进行自适应滤波：
式（2）中，以所有TMR传感芯片在前一时刻经过校正后的电压测量值（经过输出电路及LMS滤波器之后）的代数平均值
作为当前时刻的参考值Vref，也即，以所有TMR传感芯片在当前时刻经过校正后的电压测量值（经过输出电路及LMS滤波器之后）的代数平均值
作为下一时刻的参考值Vref。
如图2所示，对第i个LMS滤波器，首先根据式（1），由当前时刻t之前的（m-1）个时刻校正后的电压测量值
、当前时刻t的电压测量值
和各时刻分别对应的权重
得到当前时刻校正后的电压测量值
，然后根据式（2），使当前时刻校正后的电压测量值
与电压参考值Vref的误差
小于动态阈值为目标，以常数μ作为学习率，结合当前时刻t的权重系数
，根据式（3）自适应地调节第i个LMS滤波器用于下一时刻的权重系数
，以进行下一时刻的电压测量值校正。
从图2中可知，在任一时刻校正后的电压测量值
与电压参考值Vref的误差
（误差也即两者之间的差值）为最小均方根意义上的最小时，该动态阈值是跟随时刻变化而动态变化的。具体实施时，常数μ根据经验值选择为0.3。
具体实施时，用随机数初始化第i个LMS滤波器的m阶权重系数，并且在每一个测量周期内，更新用于下一时刻t+1的权重系数
。整体上，通过LMS自适应滤波，实现了计算量小、准确度高的效果。
以上，将8个TMR传感芯片的测量结果分别输入8个LMS滤波器，以8个TMR传感芯片的校正后测量结果的代数平均值为参考值，以使测量值与参考值的误差最小均方最小为优化目标，自适应地调节各LMS滤波器的权重系数，得到经过校正后的各TMR传感芯片对应的电压测量值，进而可以得到该隧道磁电阻环形阵列电流传感器测量得到的目标电流值。
各LMS滤波器能够自适应地减少串扰、外部磁场及其他干扰带来的误差影响，进一步地提高测量结果的准确性。随后，信号合并模块接收8个自适应滤波器的输出结果，合并后得到测量电压值，并将测量电压值发给PI控制器。PI控制器对测量电压值进行处理后，生成最终的反馈电流，并将反馈电流经过数模转换及驱动适配后接入到补偿绕组。
具体实施时，该隧道磁电阻环形阵列电流传感器为一个相对独立的电流测量系统，可以包括嵌入式处理器、嵌入式操作系统、放大电路（实现前述的放大模块）、驱动电路（实现前述的驱动适配模块）、作为主板的PCB板（可以用于设置嵌入式处理器）、A/D转换芯片和D/A转换芯片（也可以与嵌入式处理器集成为一体）、存储器，存储器中存储有程序代码，嵌入式操作系统控制嵌入式处理器执行该程序代码，生成反馈电流及生成指示待测电流的参数的电流测量结果。
该隧道磁电阻环形阵列电流传感器还可以包括显示装置，用于显示所述待测电流的参数。
该隧道磁电阻环形阵列电流传感器还可以包括通讯装置，用于将所述待测电流的参数发送至其他通讯对象，如计量器件，如线路上的保护设备等。
本申请实施例还提供一种计算机设备。该计算机设备包括：处理器、存储器。应理解，计算机设备中还可包括通信接口，可以用于与其他设备之间进行通信。其中，该处理器可以与存储器连接。该存储器可以用于存储该程序代码和数据。因此，该存储器可以是处理器内部的存储单元，也可以是与处理器独立的外部存储单元，还可以是包括处理器内部的存储单元和与处理器独立的外部存储单元的部件。
应理解，在本申请实施例中，该处理器可以采用中央处理单元(CentralProcessing Unit，CPU)。该处理器还可以是其它通用处理器、数字信号处理器(Digital signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或者其它可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。或者该处理器采用一个或多个集成电路，用于执行相关程序，以实现本申请实施例所提供的技术方案。该存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据。在计算机设备运行时，所述处理器执行所述存储器中的计算机执行指令执行上述电流测量方法。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个//该[装置、组件等]”都被开放地解释为装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
Claims (13)
1.一种隧道磁电阻环形阵列电流传感器，其特征在于，包括：
隧道磁电阻环形阵列、信号处理单元；
所述隧道磁电阻环形阵列包括结构体、多个隧道磁电阻传感芯片，所述多个隧道磁电阻传感芯片设置于所述结构体，并阵列为环形；
所述隧道磁电阻环形阵列还包括补偿绕组，所述补偿绕组套设于所述结构体；
在目标导体处于所述隧道磁电阻环形阵列的中心，且承载待测电流，且所述补偿绕组内流过反馈电流时，
所述多个隧道磁电阻传感芯片分别输出电压测量值；
所述信号处理单元根据获取的多个所述电压测量值，生成指示所述待测电流的参数的电流测量结果。
2.根据权利要求1所述的隧道磁电阻环形阵列电流传感器，其特征在于，
所述信号处理单元还根据获取的多个所述电压测量值，生成所述反馈电流；
所述补偿绕组内流过所述反馈电流时，所述补偿绕组在空间生成补偿磁场；
所述目标导体承载所述待测电流时，所述目标导体在空间生成主导磁场；在所述隧道磁电阻传感芯片所在处，所述补偿磁场与所述主导磁场叠加后的综合磁场处于零磁通状态附近。
3.根据权利要求2所述的隧道磁电阻环形阵列电流传感器，其特征在于，
在所述隧道磁电阻传感芯片为N个时，其中，N为大于1的正整数，
所述信号处理单元包括N个输出电路、N个自适应滤波器、一个信号合并模块；
一个隧道磁电阻传感芯片、一个输出电路、一个自适应滤波器依次连接；
N个所述自适应滤波器与所述信号合并模块连接。
4.根据权利要求3所述的隧道磁电阻环形阵列电流传感器，其特征在于，
还包括反馈电流生成模块；
所述反馈电流生成模块与所述信号合并模块连接。
5.根据权利要求4所述的隧道磁电阻环形阵列电流传感器，其特征在于，
所述自适应滤波器为m阶最小均方根滤波器，其中，m为大于1的正整数；
第i个自适应滤波器根据从第i个输出电路获取的当前时刻t的电压测量值
，利用下式确定当前时刻t校正后的电压测量值 
，其中，1 
：
其中， 
为时刻t-j对应的权重系数， 
为时刻t-j校正后的电压测量值，0
。
6.根据权利要求5所述的隧道磁电阻环形阵列电流传感器，其特征在于，
所述第i个自适应滤波器以使当前时刻t校正后的电压测量值 
与电压参考值Vref的误差 
小于动态阈值为目标，以常数μ作为学习率，结合当前时刻t的权重系数
，根据下式生成下一时刻t+1的权重系数 
：
所述电压参考值Vref根据N个所述隧道磁电阻传感芯片对应的当前时刻t校正后的电压测量值 
确定。
7.根据权利要求6所述的隧道磁电阻环形阵列电流传感器，其特征在于，
所述信号合并模块根据从各所述自适应滤波器获取的各所述隧道磁电阻传感芯片当前时刻t校正后的电压测量值
，采用下式确定所述隧道磁电阻环形阵列电流传感器当前时刻t校正后的测量电压值 
：
8.根据权利要求7所述的隧道磁电阻环形阵列电流传感器，其特征在于，
所述反馈电流生成模块包括比例积分控制器，所述比例积分控制器根据从所述信号合并模块获取的当前时刻t校正后的测量电压值 
，生成所述反馈电流。
9.根据权利要求1至8任一项所述的隧道磁电阻环形阵列电流传感器，其特征在于，所述目标导体为直流母线。
10.根据权利要求1至8任一项所述的隧道磁电阻环形阵列电流传感器，其特征在于，
在所述隧道磁电阻环形阵列的外部，布设有与所述目标导体平行的至少一个用于承载直流电流的直流导体。
11.一种电流测量方法，其特征在于，采用如权利要求1至8中任一项所述的隧道磁电阻环形阵列电流传感器，对目标导体承载的电流进行测量，生成指示所述电流的参数的电流测量结果；
其中，所述目标导体处于所述隧道磁电阻环形阵列电流传感器的隧道磁电阻环形阵列的中心。
12.一种计算机设备，其特征在于，包括：
处理器，
以及存储器，其上存储有程序指令，所述程序指令当被所述处理器执行时使得所述处理器实现如权利要求11所述的电流测量方法。
13.一种计算机可读存储介质，其特征在于，
其上存储有程序指令，所述程序指令当被处理器执行时使得处理器实现如权利要求11所述的电流测量方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111017736.6A CN113447699B (zh) | 2021-09-01 | 2021-09-01 | 隧道磁电阻环形阵列电流传感器及电流测量方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111017736.6A CN113447699B (zh) | 2021-09-01 | 2021-09-01 | 隧道磁电阻环形阵列电流传感器及电流测量方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113447699A true CN113447699A (zh) | 2021-09-28 |
| CN113447699B CN113447699B (zh) | 2021-11-19 |
Family
ID=77819224
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111017736.6A Active CN113447699B (zh) | 2021-09-01 | 2021-09-01 | 隧道磁电阻环形阵列电流传感器及电流测量方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113447699B (zh) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114034907A (zh) * | 2021-11-15 | 2022-02-11 | 中国电力科学研究院有限公司 | 基于环形隧道磁阻阵列的电流传感器测量电流的方法和装置 |
| CN114062757A (zh) * | 2021-10-21 | 2022-02-18 | 深圳供电局有限公司 | 电网中杂散电流分布的广域同步测量方法、设备和系统 |
| CN114200248A (zh) * | 2021-12-10 | 2022-03-18 | 国网福建省电力有限公司 | 一种测量雷电流的无磁芯电流传感器 |
| CN115267290A (zh) * | 2022-07-08 | 2022-11-01 | 珠海多创科技有限公司 | 阵列式电流传感器 |
| CN115728547A (zh) * | 2022-10-10 | 2023-03-03 | 烟台东方威思顿电气有限公司 | 开口tmr阵列传感器接入式直流电能表及精度补偿方法 |
| WO2023077900A1 (zh) * | 2021-11-04 | 2023-05-11 | 中国电力科学研究院有限公司 | 一种铁芯-环形阵列多环磁敏电流传感器及电流测量方法 |
| CN116125135A (zh) * | 2023-04-17 | 2023-05-16 | 南方电网数字电网研究院有限公司 | 温度自补偿隧穿磁阻电流传感器、电流测量方法及设备 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110108912A (zh) * | 2019-03-06 | 2019-08-09 | 宁波泰丰源电气有限公司 | 一种带电子式互感器的电能表 |
| CN111398649A (zh) * | 2020-05-14 | 2020-07-10 | 湖南银河电气有限公司 | 基于dsp的tmr阵列的测量大电流的开合式柔性探测器 |
| US20200386841A1 (en) * | 2019-06-10 | 2020-12-10 | International Business Machines Corporation | Detecting damaged tmr sensors using bias currents and outliers |
| CN112362941A (zh) * | 2020-12-04 | 2021-02-12 | 中国电力科学研究院有限公司 | 一种环形电流互感器及其测量电流的方法 |
| CN112666509A (zh) * | 2021-01-04 | 2021-04-16 | 中国电力科学研究院有限公司 | 一种适用于磁敏电流传感器的补偿系统及方法 |
| CN113252960A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-08-13 | 南京工程学院 | 一种适用于直流配电网电流传感器的外磁场干扰抑制方法 |
-
2021
- 2021-09-01 CN CN202111017736.6A patent/CN113447699B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110108912A (zh) * | 2019-03-06 | 2019-08-09 | 宁波泰丰源电气有限公司 | 一种带电子式互感器的电能表 |
| US20200386841A1 (en) * | 2019-06-10 | 2020-12-10 | International Business Machines Corporation | Detecting damaged tmr sensors using bias currents and outliers |
| CN111398649A (zh) * | 2020-05-14 | 2020-07-10 | 湖南银河电气有限公司 | 基于dsp的tmr阵列的测量大电流的开合式柔性探测器 |
| CN112362941A (zh) * | 2020-12-04 | 2021-02-12 | 中国电力科学研究院有限公司 | 一种环形电流互感器及其测量电流的方法 |
| CN112666509A (zh) * | 2021-01-04 | 2021-04-16 | 中国电力科学研究院有限公司 | 一种适用于磁敏电流传感器的补偿系统及方法 |
| CN113252960A (zh) * | 2021-04-30 | 2021-08-13 | 南京工程学院 | 一种适用于直流配电网电流传感器的外磁场干扰抑制方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张鹏鹤等: ""隧道磁阻电流传感器的设计研究"", 《仪表技术与传感器》 * |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114062757A (zh) * | 2021-10-21 | 2022-02-18 | 深圳供电局有限公司 | 电网中杂散电流分布的广域同步测量方法、设备和系统 |
| CN114062757B (zh) * | 2021-10-21 | 2024-05-31 | 深圳供电局有限公司 | 电网中杂散电流分布的广域同步测量方法、设备和系统 |
| WO2023077900A1 (zh) * | 2021-11-04 | 2023-05-11 | 中国电力科学研究院有限公司 | 一种铁芯-环形阵列多环磁敏电流传感器及电流测量方法 |
| CN114034907A (zh) * | 2021-11-15 | 2022-02-11 | 中国电力科学研究院有限公司 | 基于环形隧道磁阻阵列的电流传感器测量电流的方法和装置 |
| CN114034907B (zh) * | 2021-11-15 | 2024-03-15 | 中国电力科学研究院有限公司 | 基于环形隧道磁阻阵列的电流传感器测量电流的方法和装置 |
| CN114200248A (zh) * | 2021-12-10 | 2022-03-18 | 国网福建省电力有限公司 | 一种测量雷电流的无磁芯电流传感器 |
| CN115267290A (zh) * | 2022-07-08 | 2022-11-01 | 珠海多创科技有限公司 | 阵列式电流传感器 |
| CN115728547A (zh) * | 2022-10-10 | 2023-03-03 | 烟台东方威思顿电气有限公司 | 开口tmr阵列传感器接入式直流电能表及精度补偿方法 |
| CN116125135A (zh) * | 2023-04-17 | 2023-05-16 | 南方电网数字电网研究院有限公司 | 温度自补偿隧穿磁阻电流传感器、电流测量方法及设备 |
| CN116125135B (zh) * | 2023-04-17 | 2023-09-15 | 南方电网数字电网研究院有限公司 | 温度自补偿隧穿磁阻电流传感器、电流测量方法及设备 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113447699B (zh) | 2021-11-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113447699B (zh) | 隧道磁电阻环形阵列电流传感器及电流测量方法 | |
| US11029342B2 (en) | Device for measuring electric current | |
| CN108507594B (zh) | 位置传感器和位置感测的方法 | |
| US10393775B2 (en) | Current-measuring device and method for determining an electric current | |
| CA2733431C (en) | Multi-axis fluxgate magnetic sensor | |
| EP3467528B1 (en) | Magnetic sensor sensitivity matching calibration | |
| CN107328980B (zh) | 多芯电缆非侵入式电流测量方法及测量装置 | |
| US20120166122A1 (en) | Reading circuit with automatic offset compensation for a magnetic-field sensor, and related reading method with automatic offset compensation | |
| WO2010029725A1 (ja) | 磁気シールドシステム及び磁気シールド方法 | |
| CN112362941B (zh) | 一种环形电流互感器及其测量电流的方法 | |
| US20240125624A1 (en) | Position sensor devices, methods and systems based on magnetic field gradients | |
| JP5521143B1 (ja) | 磁気検出装置 | |
| CN111521856B (zh) | 用于测量直流电流和交流电流的传感器设备 | |
| Weiss et al. | Current measurement of flat conductors with a circular array of magnetic sensors | |
| JP2023541200A (ja) | 径方向デュアル取り付けセンサを備える非接触電気パラメータ測定装置 | |
| CN112946358A (zh) | 一种温漂误差补偿单元以及测量电流的方法 | |
| CN114814330A (zh) | 一种铁心-环形阵列多环磁敏电流传感器及电流测量方法 | |
| CN112666509A (zh) | 一种适用于磁敏电流传感器的补偿系统及方法 | |
| Mlejnek et al. | Off‐Center Error Correction of AMR Yokeless Current Transducer | |
| JPWO2016056136A1 (ja) | 電流検出方法、電流検出装置、電流検出装置の信号補正方法、及び電流検出装置の信号補正装置 | |
| CN116930589A (zh) | 交直流多气隙磁阻电流传感器及电流测量方法 | |
| CN216847918U (zh) | 一种铁心-环形阵列多环磁敏电流传感器 | |
| US20210190893A1 (en) | Magnetic sensor sensitivity matching calibration | |
| EP4394397A1 (en) | Iron core-annular array multi-ring magnetosensitive current sensor and current measurement method | |
| US11002804B1 (en) | Magnetic field sensor compensation methods and systems |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |