基于卡尔曼滤波预测的可变量程直流电表的制作方法

本技术涉及直流电表领域，具体涉及一种基于卡尔曼滤波预测的可变量程直流电表。

背景技术：

1、直流电表是电力系统、工业控制和实验室测量中最常用的仪器之一，其核心原理是通过测量被测电流在分流电阻上产生的电压降，再经过微弱信号处理电路（低噪声放大电路）、高精度模拟-数字转换器（adc）、数字信号处理电路进行处理后显示输出。可变量程直流电表通过切换不同的测量范围，能够兼顾小电流的高精度测量和大电流的宽范围测量。

2、目前工业领域主流的100a可变量程直流电表采用多分流电阻和大功率继电器切换的技术方案，具体实现如下：1、电路中并联多个不同阻值的精密分流电阻，每个电阻对应一个测量量程；2、通过电磁继电器或固态继电器控制不同分流电阻的接入；3、当被测电流变化时，微控制器（mcu）根据当前测量值判断是否需要切换量程，并发送控制信号给继电器；4、继电器切换完成后，adc采集新接入分流电阻两端的电压信号，经过放大和转换后输出测量结果。

3、现有的可变量程直流电表，由于继电器接触电阻和多个分流电阻的误差影响，测量精度无法满足工业标准要求，而且继电器切换需要几毫秒到几十毫秒的时间，切换过程存在测量中断，在此期间无法进行连续测量，导致丢失瞬态电流信号。

技术实现思路

1、为了解决现有技术缺陷，本技术提供一种基于卡尔曼滤波预测的可变量程直流电表，无需继电器，而是采用可编程增益放大器、模数转换器以及微控制器的结构，可以仅使用一个分流电阻，微控制器根据模数转换器输出的数字测量值计算实测电流值，根据实测电流值以及通过卡尔曼滤波预测得到的电流估计值确定是否触发可编程增益放大器的增益切换，在增益切换的过渡时间区间内，通过卡尔曼滤波预测递推得到电流估计值，填补了增益切换时测量盲区的数据空缺，实现量程切换过程中连续的高精度的测量。

2、本技术提供一种基于卡尔曼滤波预测的可变量程直流电表，包括：分流电阻、可编程增益放大器、模数转换器以及微控制器；

3、所述分流电阻接入被测电流回路；

4、所述可编程增益放大器的输入端连接所述分流电阻的两端，用于以设定的增益对分流电阻两端的电压信号进行放大；

5、所述模数转换器的输入端连接所述可编程增益放大器的输出端，用于将放大后的电压信号转换为数字测量值并输出；

6、所述微控制器的数据输入端连接所述模数转换器的输出端，所述微控制器的控制输出端连接所述可编程增益放大器的增益控制端；

7、所述微控制器根据所述模数转换器输出的数字测量值计算实测电流值，根据所述实测电流值以及通过卡尔曼滤波预测得到的电流估计值确定是否触发所述可编程增益放大器的增益切换，在所述可编程增益放大器进行增益切换的过渡时间区间内，通过卡尔曼滤波预测递推得到过渡时间结束时刻的电流估计值，将该电流估计值作为过渡时间区间的连续估计的电流估计值。

8、本技术实施例中，所述微控制器根据所述模数转换器输出的数字测量值计算实测电流值，包括：

9、所述微控制器获取所述可编程增益放大器当前设定的增益，根据该增益确定对应的放大倍数，并根据所述分流电阻的阻值将所述数字测量值换算为电流值，将该电流值作为实测电流值。

10、本技术实施例中，所述微控制器根据所述实测电流值以及通过卡尔曼滤波预测得到的电流估计值确定是否触发所述可编程增益放大器的增益切换，包括：

11、所述微控制器获取当前时刻经卡尔曼滤波更新后的电流估计值，实时比较电流估计值与当前增益对应的满量程值之间的比例关系，当电流估计值与当前增益对应的满量程值之间的比例小于最低比例阈值时，初步判定需要触发所述可编程增益放大器的增益向更高增益档位切换，当电流估计值与当前增益对应的满量程值之间的比例大于最高比例阈值时，初步判定需要触发所述可编程增益放大器的增益向更低增益档位切换；

12、在初步判定需要触发增益档位切换时，判断实测电流值与电流估计值的偏差方向是否一致；若一致，触发所述可编程增益放大器的增益切换；若不一致，不触发所述可编程增益放大器的增益切换。

13、本技术实施例中，所述卡尔曼滤波预测采用二阶离散状态空间模型；

14、所述二阶离散状态空间模型的状态参数包括状态向量和协方差矩阵，所述状态向量和协方差矩阵在滤波过程中被持续循环更新。

15、本技术实施例中，在所述可编程增益放大器进行增益切换的过渡时间区间内，通过卡尔曼滤波预测递推得到过渡时间结束时刻的电流估计值，包括：

16、在触发增益切换的时刻，所述微控制器锁定切换触发前最后一个有效采样时刻的状态向量和协方差矩阵，作为后续预测递推的初始条件；

17、所述微控制器向所述可编程增益放大器发送增益切换指令以切换至目标增益档位，同时控制所述模数转换器的转换时序，使所述模数转换器在增益切换建立期间暂停有效采样，形成测量盲区，该测量盲区的时间区间对应增益切换的过渡时间区间；

18、在测量盲区的时间区间内，所述微控制器暂停获取模数转换器输出的实测电流值，基于锁定的状态向量执行一次递推计算，得到盲区结束时刻的预测状态向量，将该预测状态向量中的电流分量作为所述过渡时间区间的连续估计的电流估计值输出。

19、本技术实施例中，在所述可编程增益放大器的增益切换至目标增益后，所述微控制器获取增益切换后第一个有效的数字测量值所对应的实测电流值，利用该实测电流值对测量盲区的时间区间内递推计算得到的预测状态向量执行一次卡尔曼滤波更新步骤，以修正状态向量和协方差矩阵。

20、本技术实施例中，所述二阶离散状态空间模型的状态方程为：

21、；

22、其中，为时刻的状态向量，为时刻的状态向量，为状态转移矩阵，，为所述模数转换器的采样间隔；为过程噪声；

23、，为时刻的电流值，为时刻的电流变化率，表示转置运算。

24、所述二阶离散状态空间模型的测量方程为：

25、；

26、其中，为时刻的测量值，为测量矩阵，为时刻的状态向量，为测量噪声。

27、本技术实施例中，所述分流电阻为单颗的分流电阻，单颗的分流电阻串联接入被测电流回路。

28、本技术实施例中，所述模数转换器内置温度传感器；

29、所述微控制器读取所述模数转换器内置的温度传感器输出的温度数据，根据该温度数据对根据所述分流电阻的阻值换算得到的电流值进行修正，将修正后的电流值作为当前时刻的实测电流值。

30、上述的基于卡尔曼滤波预测的可变量程直流电表，采用单分流电阻+可编程增益放大器+卡尔曼滤波预测的架构，根据实测电流值以及通过卡尔曼滤波预测得到的电流估计值确定是否触发可编程增益放大器的增益切换，在增益切换的过渡时间区间内，通过卡尔曼滤波预测递推得到电流估计值，填补了增益切换时测量盲区的数据空缺，实现量程切换过程中连续的高精度的测量，能够满足工业标准精度要求。

31、本技术技术方案的其它特征和优点将在下文的具体实施方式部分予以详细说明。