CN114487966A - 基于梯度下降法的电流传感器磁场传感芯片位置校准方法 - Google Patents

基于梯度下降法的电流传感器磁场传感芯片位置校准方法 Download PDF

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CN114487966A
CN114487966A CN202210053738.9A CN202210053738A CN114487966A CN 114487966 A CN114487966 A CN 114487966A CN 202210053738 A CN202210053738 A CN 202210053738A CN 114487966 A CN114487966 A CN 114487966A
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辛明勇
徐长宝
高吉普
祝健杨
杨婧
田兵
谭则杰
吕前程
刘仲
尹旭
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Abstract

本申请涉及一种基于梯度下降法的电流传感器磁场传感芯片位置校准方法、装置、计算机设备、存储介质和计算机程序产品。所述方法包括：获取载流导线的电流参考值和电流第一测量值；根据电流参考值和电流第一测量值，确定芯片位置校准的代价函数；通过梯度下降法求解代价函数，得到第一校准距离和第二校准距离；根据第一校准距离和第二校准距离，得到载流导线的电流第二测量值。采用本方法能够使用校准后的第一芯片与第二芯片间距，以及第一芯片与第三芯片间距作为电流测量的输入值，降低电流测量误差，提高电流测量精度。

Description

基于梯度下降法的电流传感器磁场传感芯片位置校准方法
技术领域
本申请涉及电力测量技术领域，特别是涉及一种基于梯度下降法的电流传感器磁场传感芯片位置校准方法、装置、计算机设备、存储介质和计算机程序产品。
背景技术
电流测量在电力工业中起着极为重要的作用，它为电力***提供用于计量、控制和继电保护所必需的信息。目前，电力***的电流测量主要是依靠传统的电磁式电流互感器，这种传感器的缺点在于体积笨重，价格昂贵，必须防止铁芯饱和，只能测量交流信号，且频率很低，无法测量高频电流。
随着电网向智能化、数字化方向的不断发展，研发微型化、智能化、低成本电流传感器的需求越来越迫切。近年来，随着磁阻效应的传感芯片(以下简称“磁电阻芯片”)在电力***测量领域的引入和应用，采用磁电阻芯片测量电力***电流成为了一种高精度、宽量程、集成化的技术手段，以此为基础研制的微型智能电流传感器在智能配电网中也开始试点应用，其低成本、高精度和微型化等优点将有助于微型智能电流传感器在智能电网中的广泛部署。
相较于其它磁电阻芯片，隧道磁电阻(Tunnel Magnetoresistance，TMR)芯片(以下简称“TMR芯片”)具有磁电阻效应大、磁场灵敏度高等独特优势，在微型智能电流传感器中应用广泛。现有的TMR芯片可以测量单轴或者三轴方向上的磁感应强度，采用3个单轴TMR芯片测量电流的传感器已有研制，且在电网中开始应用，此传感器将3个单轴TMR芯片放置于同一水平线上，TMR芯片之间的距离固定，且作为已知量计算待测电流值。
然而，由于制作和测量误差，TMR芯片之间的实际距离往往与设计距离之间存在一定的误差，加上TMR芯片之间的设计距离一般较小(毫米级)，使得相对误差较大，造成电流测量值也存在较大的误差，影响传感器测量精度。
因此，目前的电流测量技术存在测量结果误差较高的问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够降低测量误差的电流传感器磁场传感芯片位置校准方法、装置、计算机设备、计算机可读存储介质和计算机程序产品。
第一方面，本申请提供了一种基于梯度下降法的电流传感器磁场传感芯片位置校准方法。所述方法包括：
获取载流导线的电流参考值和电流第一测量值；所述载流导线包括第一载流导线、第二载流导线和第三载流导线，所述第一载流导线、第二载流导线和第三载流导线分别位于第一芯片、第二芯片和第三芯片附近；
根据所述电流参考值和电流第一测量值，确定芯片位置校准的代价函数；
通过梯度下降法求解所述代价函数，得到第一校准距离和第二校准距离；所述第一校准距离为所述第一芯片与所述第二芯片之间的距离，所述第二校准距离为所述第一芯片与所述第三芯片之间的距离；
根据所述第一校准距离和所述第二校准距离，进行电流测量。
在其中一个实施例中，所述根据所述电流参考值和电流第一测量值，确定芯片位置校准的代价函数，包括：
根据所述电流参考值与所述电流第一测量值之间的差，得到电流测量误差；所述电流测量误差包括第一测量误差、第二测量误差和第三测量误差；
通过统计所述第一测量误差、第二测量误差和第三测量误差的平方和，得到所述代价函数。
在其中一个实施例中，所述通过梯度下降法求解所述代价函数，得到第一校准距离和第二校准距离，包括：
获取第一理论距离和第二理论距离；
通过对所述代价函数求偏导，更新所述第一理论距离和所述第二理论距离，得到更新后的第一理论距离和更新后的第二理论距离；
当所述更新后的第一理论距离和所述更新后的第二理论距离使所述代价函数最小时，根据所述更新后的第一理论距离得到所述第一校准距离，根据所述更新后的第二理论距离得到所述第二校准距离。
在其中一个实施例中，所述代价函数的表达式为
Figure BDA0003475363910000031
其中，Ii_x为所述电流第一测量值，Ii_ref为所述电流参考值，J为所述代价函数，m为所述第一校准距离，n为所述第二校准距离。
在其中一个实施例中，所述获取载流导线的电流参考值和电流第一测量值，包括：
获取磁感应强度；所述磁感应强度包括所述第一芯片测得的第一磁感应强度、所述第二芯片测得的第二磁感应强度和所述第三芯片测得的第三磁感应强度；
根据所述第一磁感应强度、所述第二磁感应强度和所述第三磁感应强度，得到所述电流第一测量值。
在其中一个实施例中，所述电流第一测量值的计算公式为
Figure BDA0003475363910000032
其中，
Figure BDA0003475363910000033
其中，Ix为所述电流第一测量值，μ0为真空磁导率，B1为所述第一磁感应强度，B2为所述第二磁感应强度，B3为所述第三磁感应强度。
第二方面，本申请还提供了一种基于梯度下降法的电流传感器磁场传感芯片位置校准装置。所述装置包括：
获取模块，用于获取载流导线的电流参考值和电流第一测量值；所述载流导线包括第一载流导线、第二载流导线和第三载流导线，所述第一载流导线、第二载流导线和第三载流导线分别位于第一芯片、第二芯片和第三芯片附近；
代价函数确定模块，用于根据所述电流参考值和电流第一测量值，确定芯片位置校准的代价函数；
代价函数求解模块，用于通过梯度下降法求解所述代价函数，得到第一校准距离和第二校准距离；所述第一校准距离为所述第一芯片与所述第二芯片之间的距离，所述第二校准距离为所述第一芯片与所述第三芯片之间的距离；
电流测量模块，用于根据所述第一校准距离和所述第二校准距离，得到所述载流导线的电流第二测量值。
第三方面，本申请还提供了一种计算机设备。所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
获取载流导线的电流参考值和电流第一测量值；所述载流导线包括第一载流导线、第二载流导线和第三载流导线，所述第一载流导线、第二载流导线和第三载流导线分别位于第一芯片、第二芯片和第三芯片附近；
根据所述电流参考值和电流第一测量值，确定芯片位置校准的代价函数；
通过梯度下降法求解所述代价函数，得到第一校准距离和第二校准距离；所述第一校准距离为所述第一芯片与所述第二芯片之间的距离，所述第二校准距离为所述第一芯片与所述第三芯片之间的距离；
根据所述第一校准距离和所述第二校准距离，得到所述载流导线的电流第二测量值。
第四方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质。所述计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
获取载流导线的电流参考值和电流第一测量值；所述载流导线包括第一载流导线、第二载流导线和第三载流导线，所述第一载流导线、第二载流导线和第三载流导线分别位于第一芯片、第二芯片和第三芯片附近；
根据所述电流参考值和电流第一测量值，确定芯片位置校准的代价函数；
通过梯度下降法求解所述代价函数，得到第一校准距离和第二校准距离；所述第一校准距离为所述第一芯片与所述第二芯片之间的距离，所述第二校准距离为所述第一芯片与所述第三芯片之间的距离；
根据所述第一校准距离和所述第二校准距离，得到所述载流导线的电流第二测量值。
第五方面，本申请还提供了一种计算机程序产品。所述计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：
获取载流导线的电流参考值和电流第一测量值；所述载流导线包括第一载流导线、第二载流导线和第三载流导线，所述第一载流导线、第二载流导线和第三载流导线分别位于第一芯片、第二芯片和第三芯片附近；
根据所述电流参考值和电流第一测量值，确定芯片位置校准的代价函数；
通过梯度下降法求解所述代价函数，得到第一校准距离和第二校准距离；所述第一校准距离为所述第一芯片与所述第二芯片之间的距离，所述第二校准距离为所述第一芯片与所述第三芯片之间的距离；
根据所述第一校准距离和所述第二校准距离，得到所述载流导线的电流第二测量值。
上述基于梯度下降法的电流传感器磁场传感芯片位置校准方法、装置、计算机设备、存储介质和计算机程序产品，通过获取载流导线的电流参考值和电流第一测量值，并根据电流参考值和电流第一测量值确定芯片位置校准的代价函数，可以在通过磁电阻芯片测量电流时，构造出使测量得到的电流误差最小的代价函数，通过梯度下降法求解代价函数，可以提高代价函数的求解效率，得到使电流误差最小的第一校准距离和第二校准距离，根据第一校准距离和第二校准距离，得到载流导线的电流第二测量值，可以使用校准后的第一芯片与第二芯片间距，以及第一芯片与第三芯片间距作为电流测量的输入值，降低电流测量误差，提高电流测量精度。
附图说明
图1为一个实施例中基于梯度下降法的电流传感器磁场传感芯片位置校准方法的应用环境图；
图2为一个实施例中基于梯度下降法的电流传感器磁场传感芯片位置校准方法的流程示意图；
图3为一个实施例中基于梯度下降法的电流传感器磁场传感芯片位置校准装置的结构框图；
图4为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请实施例提供的基于梯度下降法的电流传感器磁场传感芯片位置校准方法，可以应用于如图1所示的应用环境中。其中，在空间中放置三个TMR芯片(磁电阻芯片1、2、3)，三个芯片位于同一直线上，且三个芯片的磁敏感方向同向，位于各芯片所在的直线上。第一TMR芯片与第二TMR芯片之间的距离为m，第一TMR芯片与第三TMR芯片之间的距离为n；B1、B2、B3分别为第一TMR芯片、第二TMR芯片、第三TMR芯片测量到的磁感应强度；x1、x2、x3分别为第一TMR芯片、第二TMR芯片、第三TMR芯片到载流导线的距离；载流导线与TMR芯片所在直线的公垂线段为d；经过TMR芯片所在直线、且与垂线段d垂直的平面为s；θ1、θ2、θ3分别为第一TMR芯片、第二TMR芯片、第三TMR芯片到载流导线的垂线与平面s的夹角，载流导线与TMR芯片所在直线的法平面的夹角为α。
在一个实施例中，如图2所示，提供了一种基于梯度下降法的电流传感器磁场传感芯片位置校准方法，以该方法应用于图1中的应用场景为例进行说明，包括以下步骤：
步骤S210，获取载流导线的电流参考值和电流第一测量值；载流导线包括第一载流导线、第二载流导线和第三载流导线，第一载流导线、第二载流导线和第三载流导线分别位于第一芯片、第二芯片和第三芯片附近。
其中，电流第一测量值可以为最初使用TMR芯片进行测量，得到的电流值。
其中，TMR芯片可以为单轴TMR芯片，单轴TMR芯片可以测量单轴方向上的磁感应强度，TMR芯片位于载流导线的一侧，三个TMR芯片所在直线与载流导线不平行，不构成环，且与载流导线不接触。
具体实现中，可以在每个TMR芯片附近分别单独放置一个载流导线，即在第一芯片附近放置第一载流导线，在第二芯片附近放置第二载流导线，在第三芯片附近放置第三载流导线，在载流导线中通入固定的电流作为参考值，可以得到第一载流导线的电流参考值I1_ref、第二载流导线的电流参考值I2_ref、第三载流导线的电流参考值I3_ref。
根据图1，令B1、B2、B3、m、n为已知量，x1、x2、x3、θ1、θ2、θ3、d、α为未知量，且假定
Figure BDA0003475363910000071
则载流导线上电流测量值Ix的计算公式可以通过以下方法推导得到：
令
Figure BDA0003475363910000072
其中，μ0为真空磁导率，根据比奥-萨法尔定律及图1中所示位置的空间几何关系可得：
Figure BDA0003475363910000073
Figure BDA0003475363910000074
Figure BDA0003475363910000075
x1sinθ1＝x2sinθ2＝x3sinθ3， (4)
Figure BDA0003475363910000076
Figure BDA0003475363910000077
根据式(1)-(6)可以推导出：
Figure BDA0003475363910000081
其中，
Figure BDA0003475363910000082
需要注意的是，电流测量值Ix可以根据式(7)中的任意一个等式求出。
在第一载流导线、第二载流导线、第三载流导线分别通入电流参考值I1_ref、I2_ref、I3_ref后，分别单独放置在3个单轴TMR芯片附近的不同位置。放置第一载流导线时，3个单轴TMR芯片测量到的磁感应强度可以分别为B11、B21、B31，代入式(7)可以得到第一载流导线的电流第一测量值I1_x；放置第二载流导线时，3个单轴TMR芯片测量到的磁感应强度分别为B12、B22、B32，代入式(7)可以得到第二载流导线的电流第一测量值I2_x；放置第三载流导线时，3个单轴TMR芯片测量到的磁感应强度分别为B13、B23、B33，代入式(7)可以得到第三载流导线的电流第一测量值I3_x。
步骤S220，根据电流参考值和电流第一测量值，确定芯片位置校准的代价函数。
具体实现中，在获取到电流参考值I1_ref、I2_ref、I3_ref，以及电流第一测量值I1_x、I2_x、I3_x后，可以根据公式(7)，设定代价函数为
Figure BDA0003475363910000091
其中，Ii_ref(i＝1,2,3)为第一载流导线、第二载流导线和第三载流导线的电流参考值，是不变的已知定值；Ii_x(i＝1,2,3)为分别放置第一载流导线、第二载流导线和第三载流导线时，通过TMR芯片实际测得的电流，即电流第一测量值。
步骤S230，通过梯度下降法求解代价函数，得到第一校准距离和第二校准距离；第一校准距离为第一芯片与第二芯片之间的距离，第二校准距离为第一芯片与第三芯片之间的距离。
其中，第一校准距离和第二校准距离可以为对TMR芯片间距离进行校准所得到的距离。
具体实现中，可以利用梯度下降法求解当代价函数J为最小值时的m和n。分别计算m和n的梯度可得：
Figure BDA0003475363910000092
Figure BDA0003475363910000093
其中，m0可以为第一芯片与第二芯片之间的理论距离，n0可以为第一芯片与第三芯片之间的理论距离。α为梯度下降步长，可以由工程经验设定。：＝为赋值符号。
由式(10)和式(11)迭代即可得到使代价函数J取最小值时的m和n，可以分别作为第一校准距离和第二校准距离。
步骤S240，根据第一校准距离和第二校准距离，得到载流导线的电流第二测量值。
其中，电流第二测量值可以为最终得到的、误差较小的电流测量值。
具体实现中，可以以第一校准距离和第二校准距离作为TMR芯片计算电流的输入值，通过公式计算进行电流测量，得到校准后的电流测量值。例如，可以将第一芯片与第二芯片之间校准后的距离作为公式(7)中的m，将第一芯片与第三芯片之间校准后的距离作为公式(7)中n，通过将新的m和n代入公式(7)进行计算，可以得到校准后的电流第二测量值，作为最终的电流测量值。
上述基于梯度下降法的电流传感器磁场传感芯片位置校准方法，通过获取载流导线的电流参考值和电流第一测量值，并根据电流参考值和电流第一测量值确定芯片位置校准的代价函数，可以在通过磁电阻芯片测量电流时，构造出使测量得到的电流误差最小的代价函数，通过梯度下降法求解代价函数，可以提高代价函数的求解效率，得到使电流误差最小的第一校准距离和第二校准距离，根据第一校准距离和第二校准距离，得到载流导线的电流第二测量值，可以使用校准后的第一芯片与第二芯片间距，以及第一芯片与第三芯片间距作为电流测量的输入值，降低电流测量误差，提高电流测量精度。
在一个实施例中，上述步骤S220，可以具体包括：根据电流参考值与电流第一测量值之间的差，得到电流测量误差；电流测量误差包括第一测量误差、第二测量误差和第三测量误差；通过统计第一测量误差、第二测量误差和第三测量误差的平方和，得到代价函数。
具体实现中，可以根据电流参考值I1_ref、I2_ref、I3_ref和电流第一测量值I1_x、I2_x、I3_x的差，得到电流测量的第一测量误差|I1_x-1_ref|、第二测量误差|I2_x-I2_ref|、第三测量误差|I3_x-3_ref|，计算第一测量误差、第二测量误差和第三测量误差的平方和，并引入代价函数系数
Figure BDA0003475363910000101
可以得到代价函数
Figure BDA0003475363910000102
本实施例中，根据电流参考值与电流第一测量值之间的差，得到电流测量误差，通过统计第一测量误差、第二测量误差和第三测量误差的平方和，得到代价函数，可以构造出使TMR芯片测量得到的电流误差最小的代价函数，以便使校准后的芯片位置能够使电流测量误差最小。
在一个实施例中，上述步骤S230，可以具体包括：获取第一理论距离和第二理论距离；通过对代价函数求偏导，更新第一理论距离和第二理论距离，得到更新后的第一理论距离和更新后的第二理论距离；当更新后的第一理论距离和更新后的第二理论距离使代价函数最小时，根据更新后的第一理论距离得到第一校准距离，根据更新后的第二理论距离得到第二校准距离。
具体实现中，可以获取第一理论距离m0和第二理论距离n0，通过对代价函数求偏导，得到
Figure BDA0003475363910000111
和
Figure BDA0003475363910000112
利用
Figure BDA0003475363910000113
和
Figure BDA0003475363910000114
更新第一理论距离m0和第二理论距离n0，得到更新后的第一理论距离
Figure BDA0003475363910000115
和更新后的第二理论距离
Figure BDA0003475363910000116
若更新后的第一理论距离和更新后的第二理论距离使代价函数J取最小值，则可以将更新后的第一理论距离作为第一校准距离，将更新后的第二理论距离作为第二校准距离。
本实施例中，通过获取第一理论距离和第二理论距离，通过对代价函数求偏导，更新第一理论距离和第二理论距离，得到更新后的第一理论距离和更新后的第二理论距离，当更新后的第一理论距离和更新后的第二理论距离使代价函数最小时，根据更新后的第一理论距离得到第一校准距离，根据更新后的第二理论距离得到第二校准距离，可以通过梯度下降法求解使代价函数最小的第一校准距离和第二校准距离，减少芯片间距误差，提高传感器测量精度。
在一个实施例中，代价函数的表达式为
Figure BDA0003475363910000117
其中，Ii_x为电流第一测量值，Ii_ref为电流参考值，J为代价函数，m为第一校准距离，n为第二校准距离。
具体实现中，在获取到电流参考值I1_ref、I2_ref、I3_ref，以及电流第一测量值I1_x、I2_x、I3_x后，可以根据公式(7)，设定代价函数为
Figure BDA0003475363910000118
其中，Ii_ref(i＝1,2,3)为第一载流导线、第二载流导线和第三载流导线的电流参考值，是不变的已知定值；Ii_x(i＝1,2,3)为分别放置第一载流导线、第二载流导线和第三载流导线时，通过TMR芯片实际测得的电流，即电流第一测量值。
本实施例中，通过设计代价函数表达式，可以构造出使TMR芯片测量得到的电流误差最小的代价函数，以便使校准后的芯片位置能够使电流测量误差最小。
在一个实施例中，上述步骤S210，可以具体包括：获取磁感应强度；磁感应强度包括第一芯片测得的第一磁感应强度、第二芯片测得的第二磁感应强度和第三芯片测得的第三磁感应强度；根据第一磁感应强度、第二磁感应强度和第三磁感应强度，得到电流第一测量值。
具体实现中，在第一载流导线、第二载流导线、第三载流导线分别通入电流参考值I1_ref、I2_ref、I3_ref后，分别单独放置在3个单轴TMR芯片附近的不同位置。放置第一载流导线时，可以获取到3个单轴TMR芯片测量到的第一磁感应强度B11、第二磁感应强度B21、第三磁感应强度B31，代入式(7)可以得到第一载流导线的电流第一测量值I1_x；放置第二载流导线时，可以获取到3个单轴TMR芯片测量到的第一磁感应强度B12、第二磁感应强度B22、第三磁感应强度B32，代入式(7)可以得到第二载流导线的电流第一测量值I2_x；放置第三载流导线时，可以获取到3个单轴TMR芯片测量到的第一磁感应强B13、第二磁感应强B23、第三磁感应强B33，代入式(7)可以得到第三载流导线的电流第一测量值I3_x。
本实施例中，通过获取磁感应强度，根据第一磁感应强度、第二磁感应强度和第三磁感应强度，得到电流第一测量值，可以通过使用TMR芯片测量磁感应强度来得到电流测量值，使电流测量具备高精度、高灵敏度的优点。
在一个实施例中，电流第一测量值的计算公式为
Figure BDA0003475363910000121
其中，
Figure BDA0003475363910000131
其中，Ix为电流第一测量值，μ0为真空磁导率，B1为第一磁感应强度，B2为第二磁感应强度，B3为第三磁感应强度。
具体实现中，令B1、B2、B3、m、n为已知量，x1、x2、x3、θ1、θ2、θ3、d、α为未知量，且假定
Figure BDA0003475363910000132
则载流导线上电流第一测量值Ix的计算公式可以通过以下方法推导得到：
令
Figure BDA0003475363910000133
其中，μ0为真空磁导率，根据比奥-萨法尔定律及图1中所示位置的空间几何关系可得：
Figure BDA0003475363910000134
Figure BDA0003475363910000135
Figure BDA0003475363910000136
x1sinθ1＝x2sinθ2＝x3sinθ3， (4)
Figure BDA0003475363910000137
Figure BDA0003475363910000138
根据式(1)-(6)可以推导出：
Figure BDA0003475363910000141
其中，
Figure BDA0003475363910000142
需要注意的是，电流第一测量值Ix可以根据式(7)中的任意一个等式求出。
本实施例中，通过给定电流第一测量值的计算公式，可以通过使用TMR芯片测量磁感应强度来得到电流测量值，使电流测量具备高精度、高灵敏度的优点。
为了便于本领域技术人员深入理解本申请实施例，以下将结合一个具体示例进行说明。
根据图1，在空间中放置三个单轴TMR芯片，三个芯片位于同一直线上，且三个单轴TMR芯片的磁敏感方向同向，位于单轴TMR芯片所在的直线上。单轴TMR芯片1与单轴TMR芯片2之间的距离为m，单轴TMR芯片1与单轴TMR芯片3之间的距离为n；B1、B2、B3分别为三个单轴TMR芯片测量到的磁感应强度；x1、x2、x3分别为三个单轴TMR芯片1、2、3到长直导线的距离；假设载流导线与传感器直线的公垂线段为d；经过单轴TMR芯片所在直线、且与垂线段d垂直的平面为s；θ1、θ2、θ3分别为单轴TMR芯片1、2、3到载流导线的垂线与平面s的夹角，载流导线与传感器直线的法平面的夹角为α。图1中，B1、B2、B3、m、n为已知量，x1、x2、x3、θ1、θ2、θ3、d、α为未知量，求载流导线上的电流Ix。在推导公式时假定
Figure BDA0003475363910000151
令
Figure BDA0003475363910000152
根据比奥-萨法尔定律及图1中所示位置的空间几何关系可得：
Figure BDA0003475363910000153
Figure BDA0003475363910000154
Figure BDA0003475363910000155
x1sinθ1＝x2sinθ2＝x3sinθ3， (4)
Figure BDA0003475363910000156
Figure BDA0003475363910000157
根据式(1)-(6)可以推导出：
Figure BDA0003475363910000158
式(7)中：
Figure BDA0003475363910000161
根据式(7)中的任意一个等式均可求出待测电流Ix。
分析式(1)和式(2)可知，3个单轴TMR芯片之间的距离m、n的误差将直接影响待测电流Ix的测量误差。因此，为了测量到准确的电流值，需要校准3个TMR芯片的位置，得到准确的m、n值，校准方案如下：
在载流导线1、2、3中通入Iref的电流，分别单独放置在3个单轴TMR芯片附近的不同位置。放置载流导线1时，3个单轴TMR芯片测量到的磁感应强度分别为B11、B21、B31；放置载流导线2时，3个单轴TMR芯片测量到的磁感应强度分别为B12、B22、B32；放置载流导线3时，3个单轴TMR芯片测量到的磁感应强度分别为B13、B23、B33。现采用梯度下降法计算准确的m、n值。
梯度下降法的基本思想可以类比为一个下山的过程。假设这样一个场景：一个人被困在山上，需要从山上下来。但此时山上的浓雾很大，导致可视度很低；因此，下山的路径就无法确定，必须利用自己周围的信息一步一步地找到下山的路,往最陡峭的方向走应该是下山最快的方向。将传感器电流测量值与设定的参考电流值差的平方和的函数比作山，将m和n设为未知量，求解该函数的梯度就是找下山最快的方向，迭代更新未知量找到该函数最小值，就是找到使得电流测量最为精准的m和n。
首先，根据式(7)，设定代价函数：
Figure BDA0003475363910000171
式中Ii_ref为对应的三根载流导线的参考电流，为不变的已知定值。Ii_x为分别放置载流导线时，电流传感器实际测得的电流。利用梯度下降法求解当代价函数J为最小值时的m和n。
分别计算m和n的梯度可得：
Figure BDA0003475363910000172
Figure BDA0003475363910000173
其中m0和n0为传感器在设计电路板时三个TMR芯片的理论距离。α为梯度下降步长，由工程经验设定。：＝为赋值符号。
由式(10)和式(11)迭代即可得到使代价函数J取最小值时的m和n。
本实施例中，依靠梯度下降算法，以已知的较不准确的传感芯片相对位置为起始点，以测量值与真实值误差的平方和构造代价函数，迭代计算得到使得误差最小的3个单轴TMR芯片相对位置，以校准后的位置作为传感器计算电流的输入值，可以有效降低传感器电流测量误差，提升传感器测量精度。
而且，通过实现对多个TMR芯片相对位置的较准，且所需计算资源较小，较准设备只需高精度电流源，对传感元件摆放位置没有要求，可以简便快速的实现大规模批量化的TMR芯片位置较准。
应该理解的是，虽然如上所述的各实施例所涉及的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，如上所述的各实施例所涉及的流程图中的至少一部分步骤可以包括多个步骤或者多个阶段，这些步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤中的步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种用于实现上述所涉及的基于梯度下降法的电流传感器磁场传感芯片位置校准方法的基于梯度下降法的电流传感器磁场传感芯片位置校准装置。该装置所提供的解决问题的实现方案与上述方法中所记载的实现方案相似，故下面所提供的一个或多个基于梯度下降法的电流传感器磁场传感芯片位置校准装置实施例中的具体限定可以参见上文中对于基于梯度下降法的电流传感器磁场传感芯片位置校准方法的限定，在此不再赘述。
在一个实施例中，如图3所示，提供了一种基于梯度下降法的电流传感器磁场传感芯片位置校准装置300，包括：获取模块310、代价函数确定模块320、代价函数求解模块330和电流测量模块340，其中：
获取模块310，用于获取载流导线的电流参考值和电流第一测量值；所述载流导线包括第一载流导线、第二载流导线和第三载流导线，所述第一载流导线、第二载流导线和第三载流导线分别位于第一芯片、第二芯片和第三芯片附近；
代价函数确定模块320，用于根据所述电流参考值和电流第一测量值，确定芯片位置校准的代价函数；
代价函数求解模块330，用于通过梯度下降法求解所述代价函数，得到第一校准距离和第二校准距离；所述第一校准距离为所述第一芯片与所述第二芯片之间的距离，所述第二校准距离为所述第一芯片与所述第三芯片之间的距离；
电流测量模块340，用于根据所述第一校准距离和所述第二校准距离，得到所述载流导线的电流第二测量值。
在一个实施例中，上述代价函数确定模块320，还用于根据所述电流参考值与所述电流第一测量值之间的差，得到电流测量误差；所述电流测量误差包括第一测量误差、第二测量误差和第三测量误差；通过统计所述第一测量误差、第二测量误差和第三测量误差的平方和，得到所述代价函数。
在一个实施例中，上述代价函数求解模块330，还用于获取第一理论距离和第二理论距离；通过对所述代价函数求偏导，更新所述第一理论距离和所述第二理论距离，得到更新后的第一理论距离和更新后的第二理论距离；当所述更新后的第一理论距离和所述更新后的第二理论距离使所述代价函数最小时，根据所述更新后的第一理论距离得到所述第一校准距离，根据所述更新后的第二理论距离得到所述第二校准距离。
在一个实施例中，上述代价函数的表达式为
Figure BDA0003475363910000191
其中，Ii_x为所述电流第一测量值，Ii_ref为所述电流参考值，J为所述代价函数，m为所述第一校准距离，n为所述第二校准距离。
在一个实施例中，上述获取模块310，还用于获取磁感应强度；所述磁感应强度包括所述第一芯片测得的第一磁感应强度、所述第二芯片测得的第二磁感应强度和所述第三芯片测得的第三磁感应强度；根据所述第一磁感应强度、所述第二磁感应强度和所述第三磁感应强度，得到所述电流第一测量值。
在一个实施例中，上述测量电流的计算公式为
Figure BDA0003475363910000192
其中，
Figure BDA0003475363910000193
其中，Ix为所述电流第一测量值，μ0为真空磁导率，B1为所述第一磁感应强度，B2为所述第二磁感应强度，B3为所述第三磁感应强度。
上述基于梯度下降法的电流传感器磁场传感芯片位置校准装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图4所示。该计算机设备包括通过***总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该非易失性存储介质存储有操作***、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作***和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储电流传感器磁场传感芯片位置校准数据。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于梯度下降法的电流传感器磁场传感芯片位置校准方法。
本领域技术人员可以理解，图4中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述各方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。
在一个实施例中，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器(ReRAM)、磁变存储器(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)、铁电存储器(Ferroelectric Random Access Memory，FRAM)、相变存储器(Phase Change Memory，PCM)、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic RandomAccess Memory，DRAM)等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于梯度下降法的电流传感器磁场传感芯片位置校准方法，其特征在于，所述方法包括：
获取载流导线的电流参考值和电流第一测量值；所述载流导线包括第一载流导线、第二载流导线和第三载流导线，所述第一载流导线、第二载流导线和第三载流导线分别位于第一芯片、第二芯片和第三芯片附近；
根据所述电流参考值和电流第一测量值，确定芯片位置校准的代价函数；
通过梯度下降法求解所述代价函数，得到第一校准距离和第二校准距离；所述第一校准距离为所述第一芯片与所述第二芯片之间的距离，所述第二校准距离为所述第一芯片与所述第三芯片之间的距离；
根据所述第一校准距离和所述第二校准距离，得到所述载流导线的电流第二测量值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述电流参考值和电流第一测量值，确定芯片位置校准的代价函数，包括：
根据所述电流参考值与所述电流第一测量值之间的差，得到电流测量误差；所述电流测量误差包括第一测量误差、第二测量误差和第三测量误差；
通过统计所述第一测量误差、第二测量误差和第三测量误差的平方和，得到所述代价函数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通过梯度下降法求解所述代价函数，得到第一校准距离和第二校准距离，包括：
获取第一理论距离和第二理论距离；
通过对所述代价函数求偏导，更新所述第一理论距离和所述第二理论距离，得到更新后的第一理论距离和更新后的第二理论距离；
当所述更新后的第一理论距离和所述更新后的第二理论距离使所述代价函数最小时，根据所述更新后的第一理论距离得到所述第一校准距离，根据所述更新后的第二理论距离得到所述第二校准距离。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述代价函数的表达式为
Figure FDA0003475363900000011
其中，Ii_x为所述电流第一测量值，Ii_ref为所述电流参考值，J为所述代价函数，m为所述第一校准距离，n为所述第二校准距离。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述获取载流导线的电流参考值和电流第一测量值，包括：
获取磁感应强度；所述磁感应强度包括所述第一芯片测得的第一磁感应强度、所述第二芯片测得的第二磁感应强度和所述第三芯片测得的第三磁感应强度；
根据所述第一磁感应强度、所述第二磁感应强度和所述第三磁感应强度，得到所述电流第一测量值。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述电流第一测量值的计算公式为
Figure FDA0003475363900000021
其中，
Figure FDA0003475363900000022
其中，Ix为所述电流第一测量值，μ0为真空磁导率，B1为所述第一磁感应强度，B2为所述第二磁感应强度，B3为所述第三磁感应强度。
7.一种基于梯度下降法的电流传感器磁场传感芯片位置校准装置，其特征在于，所述装置包括：
获取模块，用于获取载流导线的电流参考值和电流第一测量值；所述载流导线包括第一载流导线、第二载流导线和第三载流导线，所述第一载流导线、第二载流导线和第三载流导线分别位于第一芯片、第二芯片和第三芯片附近；
代价函数确定模块，用于根据所述电流参考值和电流第一测量值，确定芯片位置校准的代价函数；
代价函数求解模块，用于通过梯度下降法求解所述代价函数，得到第一校准距离和第二校准距离；所述第一校准距离为所述第一芯片与所述第二芯片之间的距离，所述第二校准距离为所述第一芯片与所述第三芯片之间的距离；
电流测量模块，用于根据所述第一校准距离和所述第二校准距离，得到所述载流导线的电流第二测量值。
8.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至6中任一项所述的方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述的方法的步骤。
10.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述的方法的步骤。
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