2. CAN 架構與 DP 之應用
3.2 轉速控制
為確保推進器之轉速命令可保持於設定轉速，因此分別於推進器內部之馬達 加上使用PI 控制器進行轉速控制，加上轉速控制後的控制方塊圖如圖 79 所示，
1
,
2,
3n n n
為推進器之轉速命令，PI 為控制器，M 為馬達特性，n
1M, n
2M, n
3M 為 完成轉速控制之轉速命令。單顆馬達之正反轉命令測試可在不同轉速下確實達成 轉速控制，未加上轉速控制則會存在轉速誤差，如圖80 所示。三組推進器之正 反轉命令下的轉速控制可將原先的轉速誤差由150 rpm 降至 50 rpm 以內，如圖 81 所示。圖78 動態定位方塊圖
圖79 加上轉速控制之動態定位方塊圖
圖80 單組推進器之轉速控制測試結果
600.0
-1200.0 -1000.0 -800.0 -600.0 -400.0 -200.0 0.0 200.0 400.0
Time (0.1s)
425 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400
Plot 1 Plot 0 Record
Plot 0
Port
Plot 1
RPM port
With rpm control
Without rpm control
圖81 三組推進器之轉速控制測試結果
Time (0.1s)
300 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280
Plot 0, 1, 2
rpm
command of port,
starboard, side
Plot 3, 4, 5
rpm feedback of port, starboard, side
With speed control
Without speed control
Thruster rotation speed (rpm)
Time (0.1s)
com. St. (RPM)
圖83 小型平台於安平港口實測 表28 船模平台規格比較表
case I. case II.
Exp. Ship LOA = 4.5 m B = 1.5 m
LOA = 1.8 m B = 0.3 m Displacement 900 kg 40 kg
Thruster 2kW 50W
Max. RPM 300 rpm 800 rpm Experimental
Environment Harbor University campus 4.2 實驗方法
動態定位利用式(29) ~ (31)並代入增益係數以達成定位需求，由於推進器之 轉速規格限制以及平台可提供之電力有限，為避免發生電流過大造成驅動元件燒 毀或推進器過熱，因此增益係數皆透過比例調整轉速大小。
本計畫亦加入遙控操控模式，並利用控制器進行操控或定位之切換，遙控操 控利用無線網路可將命令送抵平台上，避免有線訊號線對於船隻運動之干擾。此 操控模式除了驗證推進器正確操作與資料正確傳輸外，亦可提供定位上船舶座標 更動等功能。
圖84 為定位系統操作界面，可檢視目前平台推進器操作狀況。圖 85 為紀錄 頁面圖，系統共建立紀錄項目如表 29，透過圖 85 可將表 29 所記錄數據分類後 再行顯示。實驗期間，利用系統具備的遙控模式先行將船行駛至待測地點後，切 回動態定位模式開始進行定位實驗，圖86 說明實驗操作步驟。
圖84 定位系統操作頁面圖
圖85 定位系統紀錄頁面圖
表29 動態定位紀錄項目表
項目 資料格式
時間 浮點數
緯度X 5 組 整數
緯度距離 浮點數
緯度速度 浮點數
經度X 5 組 整數
經度距離 浮點數
經度速度 浮點數
方位角 浮點數
方位角差 浮點數
命令轉速X 3 組 浮點數
轉速X 3 組 浮點數
圖86 定位實驗操作流程 4.3 實驗結果
實測結果可分為操作模式與定位模式做說明，船隻進行操作模式之路徑記錄 結果如圖87 所示，此路徑記錄乃當時目標經緯度相對於定位點經緯度之距離，
可發現船駛離岸邊後加速並往右舷方向駛入，路徑記錄結果亦可發現遙控操作模 式之路徑變化較為平順。
圖87 遙控模式操作之 DGPS 路徑
Longitute to Position Distance (m)
4.8
3.9 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7
DP Graph
圖88 小型平台之定位路徑結果（一）
Longitute to Position Distance (m)
16.0 -8.0 -6.0 -4.0 -2.0 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0
Latitude to positioning point distance (m)
Longitude to positioning point distance (m)
700.0
Time (0.1s)
1500
0 250 500 750 1000 1250
T hru st er ro ta ti on s pe ed (rp m )
Time (0.1s)
com. St. (RPM) com. Si. (RPM) com. P. (RPM)
圖90 小型平台之定位路徑結果（二）
Longitute to Position Distance (m)
6.5 -3.5 -3.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0
Latitude to positioning point distance (m)
Longitude to positioning point distance (m)
400.0
Time (0.1s)
650 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600
T h ru st er r o ta ti o n s p eed ( rp m )
Time (0.1s)
com. St. (RPM) com. Si. (RPM) com. P. (RPM)
船模之動態定位實驗則如圖92 ~ 93 所示，為了解實際運作上之轉速命令，
圖93 增加各推進器之實際轉速：左舷實際轉速（RPM. P.）、右舷實際轉速（RPM.
St.）、側推實際轉速（RPM. Si.），以確認推進器之實際操作情形。同樣的預定定 位距離為原點(0,0)附近，由圖 92 可知因為實驗場合較小外力干擾之係，船模之
Longitute to Position Distance (m)
1.7
Time (0.1s)
800
因為實驗場地與實驗平台搬運等因素，因此本計畫以船模動態定位實驗進行
Longitute to Position Distance (m)
0.6
Longitute to Position Distance (m)
0.2
-0.2 -0.1 0.0 0.1
圖96 K gain 尺縮 1/10 定位路徑結果
Longitute to Position Distance (m)
5.8
Longitute to Position Distance (m)
7.5 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0
圖98 K gain 尺縮 1/30 且不包含角度修正定為路徑結果 表30 動態定位對應 K gain 值測試結果
K gain Initial Distance (m) End Distance (m)
N/A (Affected by wind) 0.4 1.581/10 6.82 4.53
1/30 4.62 1.21
1/30 & no angle term 4.96 2.45
總結
以上三年研究成果可簡單整合為下列各項：
第一年：
(1) 完成大馬力推進永磁馬達設計方法 (2) 完成平台作用力量測與規格制定 (3) 完成螺槳葉片分析與設計
(4) 完成使用新設計方法設計推進器馬達與螺槳整合
第二年：
(1) 完成推進器製作
(2) 完成測量推進器特性及性能
2.0
-2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5
Longitute to Position Distance (m)
6.0 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
(3) 完成有感與無感測驅動電路設計開發 (I.F.=4.678, 3/245)、五篇研討會論文(其中三篇國際會議)以及一場演講，成果十 分豐碩。
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誌謝
本計畫承行政院國家科學委員會之經費贊助(NSC 97-2221-E-006-268-MY2)得以 順利進行，特此致謝
1. M.F. Hsieh, Y.C. Hsu, and D.G. Dorrell, "Design of Large Power Surface-Mounted Permanent-Magnet Motors Using Post-Assembly
Magnetization," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 57, no. 10, pp.
376-3384, 2010. (SCI)
研討會：
1. 謝旻甫、林易賢、廉堯閺，水面工作載台動態定位之推進器及驅動控制系 統設計與實現，第21屆中國造船暨輪機工程研討會暨國科會成果發表會，
2009年
2. 謝旻甫，水面工作載台動態定位之推進器及驅動控制系統設計與實現，工 程科技通訊，2010年
3. M.F. Hsieh, I.H. Lin, “Application of a Marine Dynamic Positioning System using CAN” , International Forum on Systems & Mechatronics, 2010.
4. M.F. Hsieh, and K.Y. Lai, "A Network-Based Real-Time Control System for Mechanically-Coupled Multi-Axis Servomechanism," in Proceedings of the International Forum on Systems and Mechatronics, 2010
5. M.F. Hsieh, Yao-Min Lien and David Dorrell, "Post-Assembly Magnetization of Rare-Earth Fractional-Slot Permanent-Magnet Machines using a Two-Shot Method," IEEE ECCE 2010
演講：
1. 謝旻甫，"後充磁技術應用於表面型大型永磁電機之設計"，第二十二屆磁 學與磁性技術研討會，南投，2010年6月 (受邀演講)