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  

V^ref

V^ref

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)

VrefVref

(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 $4800-6A

30A 價錢

$24000-3 組 $25600-2 組 $27200-2 組 $25000

60A 價錢

$48000-6 組 $38400-3 組 $40800-3 組 $48000

90A 價錢

$72000-9 組 $64000-5 組 $54400-4 組 $72000

4.3 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 達與傳動機構，以提供推進器轉向，本計畫使用AC 伺服馬達(永磁同步馬達)來 當作舵機馬達，伺服驅動器的原型為廠商提供之AC servo HO 系列之 AC 伺服驅 動器。為配合船上電力需求並符合驅動器輸出功率，決定由 DC to AC Power Inverter 將其主電力由 48V 轉成 110V 供給驅動器，功率範圍在 0.3 至 30KW。伺 服馬達型號為EML8-750，功率最高可達 750W 左右，規格如表 17，馬達與驅動 器如圖51 所示。完成施工後的轉向機構與伺服機如圖 52 所示，機構並加上極限 開關以便歸零控制。

表17 推進器規格

推進器 轉向馬達

BLDC 馬達 驅動器 AC 伺服馬達 驅動器 型號 - - EML8-750 AC servo HO 規格 2.25kW

output

48V input

0.75kW output 48V input

圖51 AC 伺服馬達與 AC 伺服驅動器

圖52 轉向機構與伺服機

4.4

DGPS

4.4.1 DGPS 基本理論

在導航應用上，由於載具不斷的變動，使得利用載波相位觀測方式定位甚困 難，對要求較高精度的導航系統而言，便需要一套系統能對精度有顯著的改善。

DGPS (Differential GPS)辨是針對改善 GPS 利用電碼定位之精度而發展出來的系 統[28]，其原理係採用相對定位的原理，對兩不同測點利用差分方式消去大部分

大部份的 GPS receiver 都具被有美國國家海洋電子學會(National Marine Electronics Association，NMEA)所制定的標準規格[29]，其制定了所有航海電子 儀器間的通訊標準，包括了資料的格式及傳輸資料的通訊協定。NMEA 規格有 0180、0182、0183 等三種，NMEA-0183 是架構在 0180 及 0182 的基礎上，增加 了 GPS receiver 輸出的內容而完成的。在電子傳輸的實體界面上，NMEA-0183 包括了 NMEA-0180 及 NMEA-0182 所定的 RS232 界面格式，而且又多增加了 EIA-422 的工業標準界面，在傳輸的資料內容方面，也比 NMEA-0180 及 NMEA-0182 來得多。目前廣泛使用的 NMEA- 0183 的版本為 Ver. 2.01。

NMEA 格式所傳輸的資料為美國國家標準資訊交換碼(American Standard Code for Information Interchange，ASCII)，以「句子(Sentence)」的方式傳輸資料，

每一個句子以「$」為起始位置，而以 16 進位控制碼「13」、「10」為終止，及

ASCII 中的 Carriage Return{CR}和 Line Feed{LF}碼。每一個句子的長度不一定，

最長可達 82 個字元(Character)，而句中的欄位(Field)以逗號「，」分格，{CR}

與{LF}碼透過 checksum 之功能後可判斷收到字串的正確性。第二、三個字元為 傳輸設備的識別碼，如「GP」為 GPS 的接收儀；「LC」為 Loran-C 接收儀；「OM」

為Omega Navigation 接收儀。第四五六個字元為傳輸句子的名稱，如「RMC」

為 GPS 建議的最小傳輸資料(Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data)；「GGA」為 GPS 固定資料(Global Positioning System Fix Data)。

4.4.5 字串格式

Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data（RMC）推薦定位資訊：

$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh<CR><LF>

其中：

<1> UTC 時間，hhmmss（時分秒）格式

<2> 定位狀態，A=有效定位，V=無效定位

<3> 緯度 ddmm.mmmm（度分）格式

<4> 緯度半球 N（北半球）或 S（南半球）

<5> 經度 dddmm.mmmm（度分）格式

<5> 經度 dddmm.mmmm（度分）格式

在文檔中 水下載具應用於海底管線檢修之關鍵技術研發---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(II) (頁 48-0)