2. 推進器測試
2.1 推進器實測項目
2.1.2 加載測試
本計畫使用動力測試平台(如圖 27 所示)來測試推進器及驅動器系統性能與 效率，加載至馬達額定轉矩。
圖26 廠商之推進器
圖27 加載測試於動力測試平台 2.1.3 實機測試
本計畫在實機測試方面，測試電動推進器系統之效能，並以實驗求得推進器 於水下之推力與扭力之關係。本測試將於成功大學系統系之迴流水槽中進行，如 圖28，於迴流水槽安裝完成之推進器如圖 29。
圖28 成大系統系迴流水槽
圖29 電動推進器水中加載測試 2.2 推進器負載與馬達特性
由廠商測得之馬達特性圖(如圖 30)，其包含電流對轉矩曲線（I-T curve）、
轉速對轉矩曲線(N-T curve)、功率對轉矩曲線（P-T curve）、效率對轉矩曲線（E-T curve），推進器規格則如表 15 所示。而為實際了解推進器與馬達特性，因此在 成大系統系之迴流水槽進行量測以驗證特性線之正確性，推進器負載特性則為沉 水式推進器主體之負載，在不同流速下，可藉由推力計於無力量變化下，取得穩 態操作點，並記錄當時轉矩對轉速之關係，結果如圖31，回歸後可得二次曲線 如式(12)：
0.0003 2 0.0018
T N N (12)
其中T 為轉矩(Nm)，N為轉速(rad/s)。
而馬達特性可透過動力平台測得，如圖31 所示，轉矩對轉速曲線回歸可得一次 曲線如式(13)：
0.1263 33.782
T N (13)
將(12)式與(13)式比較後可求得推進器最佳操作點，如圖 32 所示，圖中的交點即 為動態定位之推進動作操作於推進器之最佳工作點，大約位於1800 rpm 下具備 10Nm 之轉矩輸出。
圖30 廠商提供之馬達特性 表15 推進器規格
馬達極數 8
額定功率 2.1 K(W) 額定轉速 2500(r.p.m) 額定轉矩 8(Nt-m) 最大耐壓 48(V)
圖31 馬達特性量測結果
馬達特性線
y = -0.1263x + 33.782
0 1 2 3 4 5 6
220 230 240 250 260 270
轉速(rad/s)
轉矩(N/m)
轉矩(N/m) 線性 (轉矩(N/m))
圖32 推進器負載特性量測結果
圖34 廠商推進器推力圖 F-N curve
v=0.2 m/s Motor TN curve
圖36 推進器匹配位置之推力
圖37 無感測器驅動系統架構之方塊圖
（Faraday’s law）(14)可得單相之感應電動勢 e (15)(Induced Electromotive Force) [21]：
且理想三相無刷直流馬達為一組三相平衡之系統，其三相平衡理論之定義如(5)
圖39 反電動勢交越點與峰對峰值之關係圖
由此驗證反電動勢交點及峰值電壓之關係，並可推論反電動勢與換相訊號相 對應的位置。偵測馬達轉速，並利用已知的反電動勢常數ke，此乘積即為反電動 勢電壓，亦即獲得此轉速下換相位置之電壓值。此估測法僅需偵測馬達轉速，經 微控制器運算後可得反電動勢交點電壓ve，並將ve轉換成類比電壓vref輸出。vref
電壓會隨回授之轉速調整其電壓大小，將 vref電壓與各相反電動勢比較，即可獲 得換相點，如圖39 所示。此理論不只適用於弦波反電動勢之馬達，也可用於梯 形波反電動勢之馬達，只要符合三相平衡之馬達皆可適用。
3.4 換相訊號之估測電路設計
本計畫提出新估測架構由理論推導與硬體電路組成，其中估測電路硬體架構 圖，如圖40 所示。由相電壓 van
、
vbn、
vcn與參考電壓vref做為輸入，第一部分由 邏輯閘與光耦合器組成，目的為得到未導通相訊號。另外由低通濾波器及比較器 組成第二部分，獲得反電動勢零交越點訊號。最後透過 D 型正反器之邊緣觸發 功能輸出估測訊號，以作為微控制器判斷換相之依據。由於低通濾波器本身具有 相位落後的特性，但本估測架構只需將落後角度控制在30 度電氣角內，即不影 響估測訊號之相位。故低通濾波器不會造成本系統之估測誤差，且不需透過相移 機制，因此能提高整體性能與效率，並可達更廣之操作範圍。
(a)
(b)
圖40 本計畫所提出之估測電路: (a)硬體架構方塊圖與(b)實體電路 3.5 換相電路之未導通相偵測電路
第一部分電路如41 所示，首先由 vref電壓經差動放大器隔離，並與相電壓之 未導通相進行比較，將比較結果透過光耦合器隔離兩電源之地，以供微控制器讀 取訊號。由圖42 所示，光耦合器輸出之訊號其未導通相部分皆為高電位，利用 此特性，將兩訊號經及閘（And Gate）元件相乘之結果，即可得無高頻雜訊之未 導通相。圖中相電壓為CH1、光耦合器 1 輸出訊號為 CH2、光耦合器 2 輸出訊 號為CH3、及閘輸出訊號為 CH4。最後再以反閘（Not Gate）將未導通訊號反向，
作為換相訊號使用。
圖41 未導通相偵測電路
圖42 未導通相之相關波形 3.6 換相電路之反電動勢交越點偵測電路
由圖42 可知，未導通訊號在 360 度電氣角中會出現兩個週期，因此必須增 加其他條件使其判斷換相訊號之正負電位。在此利用反電動勢零交越點之偵測電 路，如圖43，取得零交越點訊號，作為未導通相判斷高低電位之依據。
圖43 反電動勢零交越點偵測電路 3.7 換相電路之 D 型正反器電路
將前兩部分之輸出結果透過 D 型正反器之邊緣觸發功能，取得正確之換相 訊號。第三部分為D 型正反器電路。總和三部分之實驗波形，由圖 44 加以探討。
當未導通相訊號為正緣觸發時，若零交越點訊號為高電位，D 型正反器輸出高電 位；若零交越點訊號為低電位，則反之。此外，零交越點偵測電路需使用低通濾 波器，勢必會造成相位落後。但本計畫所提出之估測法，只需將落後角度控制在 30 度電氣角之內，即可有效避開相位落後之問題。由圖 44 可知零交越點訊號只 要不超過未導通相之正緣觸發，皆能準確換相。
圖44 估測電路之輸出波形
Vref
Vref
3.8 換相估測之降壓電路與 DAC 模組
為 了 偵 測 未 導 通 相 之 相 電 壓 訊 號 ， 故 在 此 以 運 算 放 大 器 （ Operational Amplifier）組成降壓電路，將相電壓訊號以等比例縮小，以供類比 IC 讀取。此 外，本計畫所提出之估測法可適用於高、低壓馬達，只需更換降壓電路，使其輸 入之相電壓均符合比較器之電壓限制，並調整馬達 ke 參數之程式即可。類比參 考電壓vref 也是本估測法的重點之一，利用轉速回授之轉速頻率乘以馬達 ke 得 知此時反電動勢大小，由DAC 模組以類比電壓輸出，並與相電壓進行比較，即 可得無雜訊之未導通相訊號。DAC 模組電路如圖 45 所示，由於本計畫所使用之 微控制器dsPIC2010 腳位使用上不足夠，故 DAC 模組以 PIC18F452 晶片做控制，
並加以結合。利用馬達反電動勢與換相點之關係，可推導出類比參考電壓vref，
其公式如(29)、(30)所示：
1
Vref 4 K ke e
(29)
VrefVref
(30)
3.9 換相估測之 PWM 切換策略
由於本計畫之未導通相估測電路並無使用低通濾波器，勢必會產生脈波寬度 調變所造成的高頻雜訊，因此需以其他方法避開高頻雜訊之影響，方能進行估測。
文獻[14]、[15]針對不同脈波寬度調變技術進行探討，共可分為四種切換波形。
因本計畫所提出之估測架構基於反電動勢之估測法，亦即偵測未導通相之相電壓，
故以上下臂120 度切換方式最為合適，此種切換方式在未導通相時所受高頻雜訊 影響較小，最適合本估測法所使用。
圖45 類比數位轉換模組電路
程式架構係以輸入捕捉模組（Input Capture）進行轉速偵測，取得馬達反電 動勢，且根據推導結果代入演算法中，並由數位類比轉換模組（Digital to Analog Converter）輸出相對應之類比參考電壓 vref，作為反電動勢比較之依據。
4. 小型動態定位平台之建置
典型動態平台皆包含推進系統、控制器，以進行運算動態定位之動作，圖 46 為國外典型之動態定位平台所包含之各子系統[27]，共計有操作系統、感測系 統、電力系統、定位系統、航向系統、推進系統等。本計畫所建置之動態定位實 測用小型平台則以推進器以及控制其為主要討論對象，其配置如圖 47。系統架 構如圖48 所示，船舶位置與航向角由 DGPS 與電羅經讀取目前經緯度以及角度 資訊相對於定位點的誤差量，經控制器cRIO 之運算後得到三組推進器之轉速命 令，以便對船舶位置進行修正，經修正所得到的新位置與定位點進行比較，再持 續修正至直到船舶回復定位點位置。期間船舶定位之資訊如位置、角度、轉速等 結果皆紀錄於平台上之紀錄單元，以便了解動態定位系統之定位效果。實際配置 架構如圖 49，由於子計畫中的電力系統項目未能通過，考量實際的情況後，決 定選用 48V 做為船上推進系統與電控系統之電力來源。底下分別介紹配置架構 中各子系統之規格。
圖46 國外典型之動態定位平台
圖47 小型平台之配置架構外觀圖 採用2.25kW 之直流無刷馬達(BLDC)為推進器，並使用莢式推進架構(POD)將馬 達水密後，置於船體水面下直接驅動螺槳。
Ref Input Ref Input
船 船 cRIO cRIO
圖49 動態定位系統架構
4.2 動力來源
動力來源經過討論與分析後決定以電瓶為主要電力，動態定位平台之電力設 備，主要為提供推進器中驅動器所需之電源為 48V，因此目前採用四組 12V 之 鉛酸電池，其他電源可配合相關之電壓轉換器（48VDC/5VDC、48VDC/12VDC、
48VDC/110VAC）以提供同電壓準位於推進設備、定位感測設備、控制器，因此 選用12V-100AH 之電瓶串聯 4 組得 48V 為推進器所需之電源，選用電瓶的原因 為取得容易並經過嚴密之計算後最符合效益之選項。電瓶俗稱鉛酸蓄電池，電極 主要由鉛製成，正極板為二氧化鉛板(PbO2)，負極板為鉛板(Pb)。一般分為開口 型電池及閥控型電池兩種，前者需要定期注酸維護，後者為免維護型，如圖 50 所示。並由表可清楚看出容量越大之電力所需成本也就越高，但以相同電流下規 格越高之電瓶就越便宜，如表16。
圖50 12V-100AH 之電瓶 表16 電瓶價格比較表
放電電流 0.2C 50AH 100AH 120AH 鋰電池 單價 2000/顆 3200/顆 3400/顆 1200/組
48V 價錢
$8000-10A $12800-20A $13600-24A $4800-6A30A 價錢
$24000-3 組 $25600-2 組 $27200-2 組 $2500060A 價錢
$48000-6 組 $38400-3 組 $40800-3 組 $4800090A 價錢
$72000-9 組 $64000-5 組 $54400-4 組 $720004.3 轉向機構製作
小型平台已完成尺寸確認與推力估測，即可選出對應之馬達與驅動器。而為 了達成Azimuth 推進器中可轉項之功能，計畫中所使用之推進器頂端連接伺服馬
小型平台已完成尺寸確認與推力估測，即可選出對應之馬達與驅動器。而為 了達成Azimuth 推進器中可轉項之功能，計畫中所使用之推進器頂端連接伺服馬