計畫中動態定位平台需有一實驗目標進行設計，由於實驗上經費上之限制，因此 規畫以實驗室現有小型平台做為動態實驗對象，小型平台如圖 3-2
圖 3-2 小型平台之外觀 表 3-2 小型動態定位平台之尺寸
成功三號 船舶主要尺寸
計畫總噸數
(Ton) 長寬比 寬深比
長寬深相乘積 (m^3)
預估推進馬力數 (Hp) 3.69 2.55 1.88 3.69 6
表 3-3 小型平台之規格 The Specification of Barge
Displacement (m3) 2.5709
Length (m) 3.672
Breadth (m) 1.76
Draft (m) 0.466
Center of Gravity above Baseline (m) 0.3
LCG (m) 0
Longitudinal GM (m) 2.5946 Transverse GM (m) 0.5549 Radi us o f G yratio n for Pi tch (m) 0.918 Radi us o f G yratio n for R oll (m) 0.616 Waterpl ane Area(m2) 6.4627 Length between stern thrusters (m) 0.9 Wetted Surface (m2) 8.6263
Trim (m) 0
Cb 0.9105
Platform force chart
velocity (m/s)
force(N)
surge N sway N
軸徑 80 mm
有效軸長 515 mm
推進器採用環趨式葉片設計如圖 3-4 所示
圖 3-4 環趨式葉片示意圖 3.1 螺槳特性實測
設計之推進器螺槳需進行實驗以驗證其設計
台車
台車 (船) 行進方向
螺槳推力 方向 F>0 F<0
動力計(F) 螺槳
圖 3-5 螺槳特性實驗
y = -1.8796x + 1.0939 y = 0.209x + 0.8267
y = 2.8899x3- 6.0371x2+ 2.5785x - 0.0086
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
Kt,Kq,Eff
J (v/nD) 螺槳單獨性能曲線
Kt 10Kq Eff 線性(Kt) 線性(10Kq) 多項式(Eff)
圖 3-6 自製推進器之螺槳特性曲線 四、推進器規格制定:
因此推進器設計流程可整理如圖 3-7，經此流程設計完成之推進器細部規格如表 3-6，充磁流程如表 3-7，充磁方式以低電壓開始充磁，於充磁電流接近設計充磁電流 時，即充磁完成。
圖 3-7 推進器設計流程
表 3-6 螺槳與推進器規格 磁鐵規格 B=1.19 Tesla H=907 kA/m
磁鐵厚度 4 mm
氣隙磁通密度(設計) 0.7288 Tesla 氣隙磁通密度(模擬) 0.76
計算參數
磁鐵面積 1460.840584 mm2 氣隙面積 1507.964474 mm2 卡特係數 1.02106264
氣隙磁導 0.9279372 H*10-6 磁鐵磁導 0.479156 H*10-6
漏磁導 0.01518 H*10-6
集中因子 0.96875 電氣規格
表 3-7 充磁參數規格表 充磁參數
三相線圈
充磁位置 -7.9312,90.6537
充磁磁場強度(3 倍) 2721(907) kA/m
所需磁動勢 187500 安匝
充磁匝數 3 匝
所需充磁電流 7813 A
充磁能量
充磁磁場強度 2725.58 kA/m
充磁磁通密度 3.42506 Tesla 定子齒部面積 0.241928448 10-3*m3 磁鐵面積 0.08142816 10-3*m3 轉子軛部面積 0.1956583905 10-3*m3 所需充磁能量(不含銅
損、鐵損) 2422.573879 Joules 充磁鐵損與銅損 449.921 Joules 全部所需能量 2872.5 Joules 充磁機能量(最大) 12500 Joules 充磁路逕計算
充磁距離 2*PI*15.71=0.098708841 m 計算之磁動勢 269038.8433 安匝
誤差 30 %
第二年，成果進度如下：
一、推進器製作
圖 3-8 後充磁馬達之充磁架構
圖 3-9 後充磁馬達測量架構
(a) 轉矩感測計 (b) 示波器 圖 3-10 實驗量測設備
實驗與量測結果 充磁實驗
圖 3-11 後充磁馬達定子齒部構造
圖 3-12 充磁機外觀圖 表 3-8 充磁實驗之電壓、電流
兩相並聯 三相並聯
(1) (1)
充磁電壓(V) 單相充磁電流(A) 充磁電壓(V) 單相充磁電流(A)
1150 900 1300 867
(2) (2)
1150 900 1300 867
表 3-9 後充磁馬達之各相電壓與反電動勢常數(1)
兩相並聯 三相並聯
轉速(r.p.m) 1000 1000 U 相(V) 23.68 23.27 V 相(V) 23.77 23.24 W 相(V) 23.38 23.03
Ke
(Vsrad) 0.225 0.221
(a) 兩相並聯
(b) 三相並聯圖
圖 3-13 後充磁馬達各相反電動勢波形(1) 表 3-10 後充磁馬達之相電壓與反電動勢常數(2) 兩相並聯
單相充磁電流(A) 1100 轉速(r.p.m) 1000 U 相(V) 24.43 V 相(V) 24.26 W 相(V) 23.92
Ke
(
V s rad
) 0.23 三相並聯
單相充磁電流(A) 1334 轉速(r.p.m) 1000 U 相(V) 23.59 V 相(V) 24.35 W 相(V) 24.06
Ke
(
V s rad
) 0.229
(a) 兩相並聯
(b) 三相並聯
圖 3-14 充磁一次之馬達各相反電動勢波形
(a) 兩相並聯
圖 3-16 前充磁馬達之各相反電動勢波形(2) 表 3-11 四種接線方式之充磁比較
接線方式 兩相串聯 兩相並聯
實驗電壓(V) 1050 1050
實驗電流(A) 400 800
電流比 1 2
接線方式 兩相並聯與一相串聯 三相並聯
實驗電壓(V) 1300 1300
實驗電流(A) 700 867
電流比 1 1.24
二、推進器測試結果
圖 3-17 電動推進器
表 3-12 推進器規格 8
額定功率 2.1 K(W) 額定轉速 2500(r.p.m) 額定轉矩 8(Nt-m)
220 230 240 250 260 270
轉速(rad/s)
負載操作點
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0 50 100 150 200 250
轉速(rad/s)
轉矩(Nm)
負載 馬達
圖 3-20 推進器負載操作點
加載測試
圖 3-21 加載測試於動力測試平台
T-N Curve
0 1 2 3 4 5 6
21 22 23 24 25 26
N T
T - N C u r v e
圖 3-22 馬達特性曲線
實機測試 水下實驗結果
圖 3-23 電動推進器水中加載測試
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
0.0 68 0.094 0 .11 2 0.198 0.282 0.3 56
流 速 ( m / s ) 轉 矩 T ( N m )
圖 3-24 流速與轉矩之關係圖
圖 3-25 後充磁推進器 600 RPM 測試結果
圖 3-26 後充磁推進器 900 RPM 測試結果
三、無感驅動器之設計與測試 無感測器驅動系統架構
圖 3-27 無感測器驅動系統架構之方塊圖
Van
HEA
HEB
HEC
AND Gate
NOT Gate Vref+
Vref
-Part Ⅱ
PartⅠ Part Ⅲ
Vbn
Vcn
圖 3-28 估測電路硬體架構方塊圖
四、小型動態定位平台之建置 4.1 推進器製作
圖 3-29 轉向機構與伺服機
主推進器
側推進器
船體 電器設備
x y
z．
圖 3-30 船隻動力分配與修正方向 Ref Input
Ref Input
船船 cRIOcRIO
-(電羅經) 方位 (DGPS) 推進器 位置
推進器 伺服馬達 伺服馬達
+ +
圖 3-31 動態定位控制架構
Po r t th r u s te r Displacement 900 kg 40 kg
Thruster 2kW 50W Max. RPM 300 rpm 800 rpm Experimental
Environment Harbor University campus
48V compass String
String
pulley pulley
12V Bat.
RPM si.
RPM port
RPM st.
表 3-14 推進器規格
48V input
五、小型平台實測 Angular Graph
圖 3-34 航向角對時間圖
Longitude distance (m) 12.5 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 DP path
圖 3-35 路徑對時間圖
4.0
-4.0 -3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0
Time
70.0 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0
Port thruster Starboard thruster Side thruster XY Graph
圖 3-36 轉速命令對時間圖
第三年，成果進度如下：
圖 3-37 推進器製作過程分解圖
馬達極數 16 額定功率 1.73 (KW) 額定轉矩 12(N-m) 額定轉速 1380(RPM) 額定電流 64.3(A) 操作電壓 DC 48(V) 無載轉速 1700(RPM)
相電阻 60.48(mΩ)
相電感 85.5(μH)
圖 3-38 推進器全貌圖
圖 3-39 操作於無載，轉速為 1700RPM 之波形
圖 3-40 操作於 7.43N-m，轉速為 1459RPM 之波形
圖 3-41 推進器整體性能之效率圖
0
v=0.02 m/s v=0.2 m/s
0 500 1000 1500 2000
T(Nm)
rpm
推進器匹配圖
T(N) v=0.02 m/s v=0.2 m/s v=0.4 m/s
圖 3-43 自製推進器匹配圖
圖 3-44 自製推進器所使用之伺服馬達
圖 3-45 自製推進器與其機構
二、CAN 架構與 DP 之應用
port thruster node
starboard thruster node
side thruster node
圖 3-46 本計畫之 CAN 節點架構
圖 3-47 具 CAN 介面的驅動與推進單元節點
三、船舶動態定位控制器
圖 3-48 DGPS 測試地點
-73.3
-73.5 -73.4
Longitute to Position Distance (m)
23.0
22.6 22.7 22.8 22.9
圖 3-49 原點定位的 DDGPS 誤差測試結果
0.6
Longitute to Position Distance (m)
5.5
Time (0.1s)
425