成功大學配合 95 年國科會計畫，設計自主性太陽能船推進與監控系統

Author(s):
趙 儒民 - 成功大學系統曁船舶機電工程研究所
黃 世銘 - 成功大學系統曁船舶機電工程研究所
林 易賢 - 成功大學系統曁船舶機電工程研究所

Industry:

Products:
FieldPoint Real-Time Controllers, LabVIEW, Real-Time Module

The Challenge:
一般船舶推進多使用引擎驅動，其面臨之問題除能源危機，需尋求替代能源。由於太陽能取之不竭，可使電動船舶在有限之電池電力上，藉由太陽能電池獲得電力來源。然而也由於電池蓄電力、太陽能電池效率以及日照因素等限制，太陽能船元件之用電效率必須提高，其中推進系統效率影響為最。而為了達到系統效率最佳化，必須對全船電力設施做一科學化的掌控。

The Solution:
本文配合 95 年國科會計畫「自主性太陽能船隻推進與監控系統整合設計」，設計與製作出完整的太陽能船推進與監控系統，系統使用 LabVIEW 8.2 以及 Real-Time 模組進行開發，結合運動控制設備以便操控馬達之運轉，並統合 NI 之溫度訊號、電壓、電流訊號之輸出與輸入設備，量測資料有助於瞭解系統電力之平衡狀態。系統建立完成，可以建立有效之運轉參考數據，做為太陽能船較佳操作模式之參數設定。

介紹：

摘要

本文配合 95 年國科會計畫「自主性太陽能船隻推進與監控系統整合設計」，設計與製作出完整的太陽能船推進與監控系統。在推進方面，除了可得知馬達目前轉速外，亦可進行轉速修正與換向保護；推進命令路徑加上緩衝保護機制以避免脈衝可能對驅動器造成損害，並使用方向盤以及油門作為操作工具：方向盤負責舵角轉向，油門則作為推進。在監控方面，進行命令、轉速、電池與太陽能等設備之電力與溫度量測與紀錄。整合後的推進與監控系統之特色為使用即時模式進行，確保系統穩定度。並設置完整之使用者介面，將即時控制之記錄資料傳回使用者介面，以作為船隻運行狀況之監控或資料查詢。

系統架構說明

在 Control Process 之中，方向盤、油門與排檔之訊號分別輸入至 cFP 之 AIO 與 DI 模組中以進行推進命令之換算，運算命令再透過 cFP 之 AO 模組，分別送至兩組推進馬達與舵機馬達的驅動器；於 Monitoring Process 中，推進與轉向命令由系統內部讀入，馬達轉速以 CTR 模組做進一步換算、電池電力與溫度等監測資料由 AI 與 TC 等模組讀入，並以二進位檔紀錄於模組中的 CF 卡，過程皆由 cFP-2020 之網路模組進行即時運算。

推進系統流程為避免命令輸出至驅動器時，行進方向相反時可能造成的突波，以及平時命令訊號發生脈衝因而可能造成驅動器燒毀，因此規劃緩衝用命令路徑，此命令路徑包含：命令上升或下降時緩衝保護、過零點與命令歸零時緩衝保護、轉速修正與轉速歸零緩衝保護。命令上升或下降時緩衝保護主要為了使命令延遲一段時間再送入驅動器，避免平時的脈衝影響；過零點與歸零緩衝保護為針對正反向切換做緩衝保護，以避免急速正反轉切換所引起劇烈命令變化，將導致馬達電流急升而使驅動器面臨燒毀危機，加上此步驟後只要過零點必定強制停駐於零點一段時間後才做下一步命令發送的動作，命令歸零時亦為同樣之步驟；轉速修正目的為使推進用的兩組馬達可達成相同之轉速以確保船隻直線前進，故取兩組馬達之轉速平均值作命令修正，當命令發生換向時，系統亦如同過零命令緩衝，等待馬達轉速歸零後才會進行下次的命令輸出動作。

監控系統除提供使用者進行即時監視船上之命令、轉速、電力等資料外，亦提供歷史紀錄資料之查詢，使用者可自行選擇瀏覽目標端之記錄資料或將記錄資料全部下載至本機端再行檢視，並可選擇檔案與項目以便使用撥型時間圖做進一步的資料閱覽。

系統主要透過方向盤之排檔鈕以區分操作功能，依照排檔功能可概分為兩種主要狀態，分別為進檔與退檔，平時程式處於待命與資料即時監控之狀態，切換前進或後退以便進檔，再切對應之退檔鈕以回到待命狀態。進檔後，開始資料紀錄，當油門或方向盤輸入命令後，可分為轉速與轉向訊號，將訊號過濾與轉換單位，透過緩衝機制，輸入馬達得到轉速訊號，依照轉速訊號做修正。當發生轉向，即命令產生過零現象時，保護機制在發生過零時會啟動等待轉速確實為零後才會執行下一步的命令。當發生退檔時，依照相同的步驟做歸零並回到待命狀態，結束資料紀錄，此時使用者可針對歷史資料作查詢等動作。

   實測於旗津的新昇發船廠所製作的太陽能船上進行，以 300W 左右之太陽能板對 48V 之鋰充電電池進行充電，兩顆 2.2kW 直流無刷馬達做為推進動力，兩顆伺服馬達作為轉向動力。實驗結果以命令電壓與轉速訊號為例，由於記錄時間間隔為 0.5 秒，故命令緩衝線之變化較不明顯，而藉由命令電壓與轉速訊號兩者比較可知，推進馬達確實隨著轉速不斷做修正之動作，由實驗結果可確認推進與監控系統的正確性與完整性。

本系統為一套完整且穩定的太陽能船監控系統，目標端的監控模組即時的方式於監控模組上獨立執行，包含推進與舵機控制，並進行相關資料監測與紀錄，其效能與穩定性備受肯定。本機端的觸控螢幕除了可瀏覽控制與監測電池電力與馬達轉速外，亦可執行資料查詢與下載檔案，其他使用者亦可用相同的檔案讀取程式進行各監測點的圖表結果與比較，相關的轉速與電力紀錄數據，亦可提供做為未來設計太陽能船之相關參數設定。

Author Information:
For more information on this Case Study, contact:
趙 儒民
成功大學系統曁船舶機電工程研究所

Browse All Case Studies »