基于AMR传感器阵列的电流监测系统研究.pdfVIP

摘要

摘要

近年来，物联网技术的迭代推动了智能电网的建设与发展，智能电网的核心

概念是对发电、输电、配电和用电进行的全面考量，使得用户可以与自动设备互

动通讯，实现对电力系统实时波动的动态响应和反馈，从而优化电力资源利用。

通过获取精确的电流数据，有效地进行紧急情况下的快速响应、评估和诊断，从

而达到优化电能使用的目的。针对目前市面上主流的电流传感器无法同时满足小

型化、智能化与高精度的电流监测需求，本文基于AMR（Anisotropic

Magnetoresistance）传感器阵列设计了电流监测的系统，为智能电网中电流监测

等场景提供了一种解决方案。具体研究内容如下：

（1）首先对目前主流的非接触式磁电阻电流传感器结构原理进行分析对比，

其中无聚磁铁芯结构的磁电阻电流传感器具有体积小、功耗低、成本低等特点，

更符合本文的应用场景，最终制定了以8个AMR传感器阵列作为电流信号的采

集板，通过ZYNQ7010处理采集的信号，并使用NB-IOT技术将数据上传至服务

器的系统框架。

（2）针对上述框架完成了电流监测系统装置的硬件电路设计，包括传感器信

号调理电路设计与数据处理模块的硬件电路设计。其中传感器信号调理电路包括

HMC1021芯片的置位复位电路设计、放大电路设计与有源低通滤波电路的设计。

数据处理模块的硬件电路设计包括ADC的硬件电路与ZYNQ7010的硬件设计，

并完成了两个部分的PCB板的设计加工，传感器阵列PCB板的尺寸为6×6cm。

3ZYNQ7010

（）在完成硬件设计的基础上，进一步基于进行了数据采集处理

模块的软件设计，包括PL端与PS端两部分的软件设计。其中PL端主要负责对

ADC采样模块的驱动与FIR数字滤波的处理，而PS端负责对处理数据的存储与

NB-IOT模块的驱动，从而实现了远程监测电流的目的，并通过仿真验证了上述

各模块的功能。

（4）针对所设计的AMR传感器阵列的电流监测系统搭建实验室测试平台，

并进行性能测试，首先在理想环境下进行直流测量，测得电流传感器的相对误差

为0.61%，40A量程内的线性度达到了98.86%。接着针对装置安装过程中可能出

现的导线偏心问题提出了一种去除偏心误差的算法，并进行误差模型的建立与实

验验证。最后模拟了电网中可能存在各导线之间相互干扰的情况，分别将干扰源

I

摘要

设置在距离电流监测装置5cm、10cm、15cm处，进行模型推导以及实验测量验

证。最终通过实验测得本装置在两种误差场景下的平均相对误差仅为0.86%与

1.10%，证明了本文设计的AMR传感器阵列的电流监测系统在无聚磁环以及磁屏

蔽的措施下能够在复杂环境下实现电流的准确测量，在电流监测领域的具备一定

的实用价值。

关键词：AMR磁电阻传感器，电流监测，ZYNQ，NB-IOT，偏心误差校正

II

ABSTRACT

ABSTRACT

Inrecentyears,theevolutionofInternetofThingstechnologyhassignificantly

advancedtheestablishmentandgrowthofsmartgrids.Thefundamentalconceptofa

smartgridistocomprehensivelymanagethegeneration,transmission,distribution,and

consumptionofelectricity.Thiscomprehensivemanagementenablesinteractive

communicationbetweenusersanda