引擎電子調速系統概念與調整教學

這證明了發動機負載會降低其增益。

也得知發電機在空載時增益最大。

電子增益. 是一個固定參數值，當調整PID後增益就被 ... 基本概念 電磁基本原理(一) 電磁基本原理(二) 電磁基本原理(三) 電磁基本原理(四) 引擎速度控制器 ACTUATOR作動器 MPU電磁拾取器 變壓器原理及測試 電池與充電機 電子調速系統概念 同步發電機分析 同步發電機結構(一) 同步發電機結構(二) 發電機原理簡述(一) 發電機原理簡述(二) 發電機定子繞組(一) 發電機定子繞組(二) 發電機運行分析(一) 發電機運行分析(二) 感應電勢向量 特性曲線、同步電抗 特性測量範例 勵磁系統 勵磁系統分類 勵磁控制任務與要求 勵磁控制器(AVR)原理 AVR的應用 同步發電機運轉型態 同步發電機不對稱運轉 發電機研習課程 發電機概述 AVR選用與調整 電池與充電機 引擎電子調速系統概念與調整教學 文／固也泰電子工業有限公司技術部王順發(2014年) 概述 本章節所討論之調速系統僅適用於引擎發電機，該系統由電子調速器、電磁拾取器及作動器所組成，提供引擎在無載至滿載之轉速調整。

本文中引用之專有名詞為國內業界常用名詞，可能與其他用詞不同。

例：作動器=執行器=致動器=ACT、電子調速器=電調、電磁拾取器=拾波器=磁阻發送器=MPU、燃油閥=燃油調節器、下垂調整=調差......等，閱讀時請自行對照。

速度調整閉迴路系統 速度調整系統是一個閉迴路系統。

什麼是閉迴路系統呢？舉例而言，當我們將冷氣機溫度設定在25°C時，如室內溫度上升到26°C則冷氣機便會啟動壓縮機開始製造冷空氣，使溫度下降。

當室內溫度下降至24°C時便停止壓縮機運轉，如此便能將室內溫度控制在25°C。

壓縮機怎麼知道何時開何時關？ 在此我們先分析一下冷氣機的運作元件與程序： 必須有溫度控制器來控制溫度 必須有量測溫度的電子感溫器 製造冷空氣的壓縮機。

控制器讀取感溫器量測到的溫度與溫度控制器所設定溫度，通過電子電路將兩者信號不斷的做比較，其比較結果最終來決定壓縮運轉與否。

這種不斷讀取➔比較➔輸出➔讀取➔比較......的控制系統稱為閉迴路系統。

調速器的動作原理與上例類同，差異在於壓縮機只有on-off而調速器輸出到作動器的電流必須經PID（後詳述）精細調制，以取得平穩速度。

電磁拾取器：測量引擎速度。

速度控制器：控制器測量電磁拾取器的速度頻率。

將其與已設定的期望速度進行比較，然後發出速度矯正信號。

作動器：接收到速度矯正信號，改變機械連桿向量。

燃油閥門：由機械連桿傳動改變供油系統對引擎的供油量。

引擎：引擎將所供燃料轉化為電能。

因引擎速度不同，功率等級可調。

飛輪：飛輪直接與引擎速度相連，與引擎同速轉動，電磁拾取器監控飛輪的速度，即是監控實際速度。

應注意的是閉環系統在所有時刻都是連續的1➔2➔3➔4➔5➔6➔1➔2......，其中任何一點出現故障，整個系統都無法運作。

既系統中每個元件都是同等重要的。

如果供油管故障，系統即故障。

如果電磁拾取器出現問題，系統也無法運作。

如果作動器與燃油閥門之間連桿間隙過大，系統同樣無法按預期工作。

一、電磁拾取器(MPU) MPU是由一塊永久磁鐵外面纏繞線圈而組成的（參閱MPU結構）。

也可以說MPU就是一個微型發電機。

它具有任何發電機所具有的磁場。

其安裝位於飛輪齒上方，當飛輪的齒頂靠近MPU時內部磁場最大，當齒槽靠近MPU時內部磁場最小，如此飛輪轉動時MPU內部磁場便不斷的變化，纏繞在外面導體繞組因而產生交流感應電壓。

其交流電壓、頻率隨飛輪轉速改變，轉速越高MPU感應的交流電壓、頻率就愈高。

MPU的信號通常由很多因素決定，如與飛輪齒之間的縫隙，齒數，飛輪速度及MPU感應能力等。

一般的調速器需RMS值不小於2V的電壓保證其正確的控制操作、內阻常為10-300Ω。

MPU感測器頻率計算公式:F=齒數x發動機轉速(RPM)/60。

該頻率與發動機速度成正比。

二、調速器 其主要工作是將MPU所取得的感應頻率轉換為一直流電壓信號，再與所設定的電壓（頻率）做比較，其結果經PID電路運算，最後輸出到作動器。

為滿足多方需求，調速器除基本穩定速度功能外，並擴展到同步並機及其他功能，例如下垂補償、惰速、遠端遙控輸入、黑煙抑制啟動等，如此更擴大了調速器的應用領域。

黑煙抑制功能 由於機械慣性原理，使得引擎從零加速至額定轉速時必須一段時間，具有黑煙抑制功能的速度控制器，可以依據引擎慣性加速度來設定油量遞增曲線（圖6），如此既可避免啟動時速度爬升期間注入過量燃油而產生大量黑煙（圖7）。

操作機制： 啟動油量 加速時間 額定轉速 惰速設定 意指將引擎轉速度降低至較低轉速，其功能為：一、為引擎暖機或冷卻。

二、節能運轉，例如使用電動馬達懸吊作業，在作業空隙可以將引擎調至惰速改以變頻器供應其基本通訊、控制及空調電源。

操作機制： 惰速設定 惰速開關 同步（並聯）運用 既使兩部完全相同的發電機做同步時，也會因為饋電線不等長而引起負載不平衡，其包含了實功與虛功，其中實功與引擎轉速有關。

同步時調速器提供了兩種模式來平衡各發電機間的轉速：1、等速模式2、下垂模式。

輔助輸入（等速模式） 等速模式中同步時是零衰減，也就是說調速器在帶負載時也一直保持其無負載速度，達到此狀態必須有一個中央監控裝置（負載分配器）不斷檢測各發電機輸出的實功，當實功不平衡時對各發電機調速器輸出不同的直流電壓信號（0-5Vdc）使其實功率回復平衡。

當然前提是發電機有足夠電能維持這一速度。

操作機制：由監控器接一類比電壓信號線接於調速器的輔助輸入端子。

下垂調整（下垂模式） 下垂模式中同步速度將衰減，帶負載時發電機速度會降低。

每個下垂量調速器都有一個與之相關的下垂百分比。

圖9所示為調速器的下垂百分比為5%。

無負載時速度設定為1890rpm，帶負載時速度開始連續下降直到滿負載的1800rpm，則百分比可計算（1890-1800）/1890=5%。

此種模式僅能讓各發電機間實功率粗略的平衡。

操作機制：調整下垂調整比例。

調速器怎麼知道發電機帶載？帶多少載須下垂多少百分比？在調速器電路中有一個作動器驅動電流檢測電路，它依據傳送到作動器的電流大小來分配下垂比例，發電機負載增大時作動器電流就增大，下垂比例也增大。

啟動檢測 引擎由啟動馬達帶動時，MPU必須發給一個高於2V的電壓信號傳給調速器，告訴的調速器現在引擎正在啟動中，調速器才允許作動器動作供油，這是調速器內部啟動檢測電路動作的原因，也因此只要我們將引擎停止調速器就自動關閉（off）作動器電源。

操作機制：自動。

如果正在運轉的引擎MPU電壓低於2Vrms時，啟動檢測電路會將關閉（off）作動器電源。

轉速設定／遠端速度控制 在調速器本體設有一個可以設定期望轉速的轉速設定，也可能設有MPU頻率範圍選擇，使單一調速器可適用於不同高低轉速的引擎上。

除此，調速器也提供了可以由本體以外的外接電位器來控制期望轉速。

操作機制：轉速設定，頻率範圍選擇，外接電位器。

三、何謂增益(GAIN) 為了完全理解PID（比例、積分、微分）控制，首先對增益有一個基本的認識，什麼是增益呢？增益在電子學上，通常為一個系統的訊號輸出與訊號輸入的比率。

如5倍的增益，即是指系統令電壓或功率增加了5倍。

增益也可以是小數，如0.5倍的增益，即是指系統令電壓或功率衰減了1/2。

增益（GAIN）通常以G表示，以機械槓桿增益為例子如下： 每個輸入量相同，都是1"，但因其支點所處位置的不同導致輸出的不同。

圖10：支點處於橫樑正中間，則輸出量為1"，所以，該例子的增益為1，G1=1。

圖11：支點處於離輸入端近的位置，輸入量為1"，輸出量為2"，所以，增益G2=2/1=2。

圖12：支點處於離輸出端近的位置，輸入量為1"，輸出量為0.5，所以，增益G3=0.5/1=0.5 當調速器調整比例增益變化的時候，上例子可用於調整發電機速度到期望值。

發電機空載時，順時針緩慢調速增益電位元元計，直到引擎擺振，擺振之後，再緩慢逆時針調整電位計，直到發電機達到穩定狀態（既擺振與穩定的臨界點）。

電位器的這個位置是調速器反應與發電機反應的相匹配點。

四、PID控制 PID控制就是比例，積分，微分聯合控制。

在此將介紹調速控制器中每種增益的作用，然後確定正確的調整增益參數及其順序。

比例增益P 比例增益，積分增益，微分增益的數學演算法都是基於電子迴路的函數。

比例增益簡單的說就是計算一個期望速度與實際速度的誤差的比率。

例如目前轉速為1700RPM而期望值為1800RPM比較結果為-100RPM，這個值乘以我們設定的比例增益值後，既決定了輸出到ACT的電流增量。

當比例增益調的過大時ACT開啟燃油閥角度變大速度上升的量可能高於期望值，下一次調速器再運算時又會減得太低，因此產生了擺振。

為了確定比例增益的正確位置，調整時必須緩慢的來回找出穩定的臨界點。

機械微分／積分 例一、如果發電機轉速由人來操作，當突加負載時引擎速度下降，操作者必須使燃油閥門變大來恢復轉速。

如果閥門一次就轉到最大，轉速可能超過，所以操作者可能先快速轉動一些然後再慢慢調到目標轉速，而且越靠近目標值時就調得越慢。

為甚麼剛開始會快速轉動閥門，後來變得越來越慢呢？因為操作者根據目前轉速與目標值不斷比較、判斷的結果。

這樣的加速方式是一種微積分曲線，前段快速轉動稱為微分，後段越來愈慢稱為積分，由人來執行這條曲線可能需要5-10秒，由電子電路來控制可以小於1秒。

微分增益 微分調整的主要目的是提高調速器的反應速度。

如上例中的「剛開始快速轉動」如果在剛開始就慢慢調，則要調到期望值可能要很長的時間。

那麼「剛開始快速轉動」是轉動多少才能在最快時間到達期望值，這個在產生速度變化後，剛開始要快速轉動的量稱為微分增益。

如果一部發電機在1000rpm時為2個單位油量，在1800rpm需要5個單位油量，若微分增益調整為3則引擎從1000上升到1800rpm的時間將會最短。

若微分增益調整為2則引擎上升到1800rpm的時間將會拉長。

若微分增益調整為4則引擎會產生過速。

太多可能過速，太少可能拉長恢復時間，這與引擎加速度及慣性不同而調整的量也不同。

調整微分增益的過程與調整比例增益過程類似。

當發電機以額定速度運轉時，慢慢增加微分增益直到發電機開始擺振，一旦擺振，減少增益直到轉速穩定（臨界點）。

我們知道在比例增益的情況下發電機的擺振頻率為3-7Hz，但在微分增益是時，它擺振頻率大於7Hz，如此可以判別發電機擺振頻率是哪一種增益形式。

積分增益 積分調整主要目的是提高引擎轉速穩定度及精確度（如不精確同步就會產生問題）。

如上例中「越靠近目標值時就調得越慢」，如果在接近目標值也快速的調整油閥門則可能產生過速。

在接近目標轉速時調整加速度的增量稱為積分增益（主要調整引擎及調速器的加速時間相匹配）。

如果一部發電機從1000rpm加速到1800rpm需要1秒，若積分增益也調1秒則調速器會以最小過速在1秒之內加速到1800rpm。

如果若積分增益調2秒則調速器會以2秒的加速時間將引擎加速到1800rpm。

如果若積分增益調0.5秒則調速器會在0.5秒時測量引擎轉速，但引擎加速度沒那麼快速故調速器再繼續增大油閥，等引擎加速到1800rpm時油閥可能以最大，因此產生過速。

調整積分器的最終目的就是使發電機加速度與積分器加速度相匹配（每個發電機都有它自己的加速度）。

調整積分增益時，將電位計放於任一位置，它在起動發電機時監控發電機速度。

如果發電機超過設定速度，重複調整電位計直到所需參數出現。

將積分增益與比例增益聯合使用，就可以構成一個同步調速器，那就可以得到一個速度零衰減調速器。

為充分了解微分、積分增益在調速器上的運用，以下將用圖表舉例說明： 圖13：將微分增益量分為三級分別為123級。

右圖將積分增益量分為三級分別為123級。

圖14：沒有微分增益量，可以看出僅積分增益量時雖可達到額定轉速100%但時間過長。

右圖微分與積增益均取1級，其達到額定轉速時很短。

圖15：微分與積增益均微分與積增益均取2級，明顯上升速度比圖15慢了一些。

右圖微分與積增益均取3級，看得出上升速度又慢了些。

圖16：綜合以上三種微分/積分增益組合在發電機轉速上的變化如圖16示：設發電機加入負載瞬間引擎轉速由1800降至1500rpm，1微分／積分合成量明顯補償時間快於引擎加速，引起暫態轉速變化過大，恢復時間變長。

2微分／積分合成量的調整剛好在引擎加速時間的臨界點。

3微分／積分合成量補償時間遠大於引擎加速時，使恢復時間變長。

五、作動器連桿裝設 作動器結構請參閱ACTUATOR作動器。

在討論連桿裝設之前，先要了解發電機增益，電子增益，機械增益之間的關係。

什麼是發電機增益呢？讓我們再回憶一下增益的定義：增益就是輸出與訊號輸入的比率。

在此，輸入為燃油，輸出為發電機速度。

將一定數量的燃油在發電機空載時供給引擎，引擎速度將增加，假設它的速度為500rpm。

如果，相同數量的燃油供給帶50%負載的發電機，它的速度會增加到500rpm嗎？當然不會。

當發電機滿載時，相同數量的燃油產生的速度更低。

這證明了發動機負載會降低其增益。

也得知發電機在空載時增益最大。

電子增益 是一個固定參數值，當調整PID後增益就被固定，與發電機負載大小無關。

機械增益 大多數作動器是以旋轉方式經連桿傳動燃油閥，其移動量為正玄與餘玄函數，因安裝角度不同其移動量可分為兩種：（一）線性傳動（二）非線性傳動。

（一）線性傳動：將作動器與燃油閥連桿並列（平行），在任何角度兩者位移量永遠相等。

其增益為1（100%）。

（二）非線性傳動：因作動器與燃油閥連桿兩者成不同角度其移動量成非線性關係。

圖18：作動器旋轉角度與燃油閥開啟量呈衰減狀態，其增益小於1。

圖19：作動器旋轉角度與燃油閥開啟量呈衰減狀態，其增益大於1。

調速系統增益 發電機增益，電子增益，機械增益這三種增益結合起來會對調速系統有一個什麼樣的影響呢？這三個增益的總量等於調速器系統總增益，在最佳工作狀態下其增益為100%。

當增益超過101%時，系統開始擺振，小於99%時調速系統反應減緩。

最佳反應狀態是在發電機0-100%負載範圍內維持增益為100%。

發電機帶負載時，機械增益是一定數，電子增益也是定數，但發電機增益降低，總增益降低則導致性能降低。

非線性傳動裝置的應用 使用非線性聯動裝置究竟對發動機性能有何影響呢？當發電機加負載時電子增益保持定數，發電機增益降低，所以機械增益必須增加，其結果機械增益增加的部分剛好抵消發電機增益降低的部分。

這樣在整個負載範圍內總增益才能保證為定值100%，系統則一直處於最佳狀態。

既負載發電機增益、電子增益、機械增益總和增益為100(%) 但在實際應用中，非線性傳動裝置並不能做到完全抵消發電機增益的下降那部分。

當發電機帶負載時它的總增益不可能一直保持在100%。

但相較之下，非線性傳動比線性要好一些，筆者還是建議使用非線性連動裝置（圖19）。