引擎電子調速系統概念與調整教學

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：

1. 必須有溫度控制器來控制溫度
2. 必須有量測溫度的電子感溫器
3. 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。

1. 電磁拾取器：測量引擎速度。
2. 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。
3. 作動器：接收到速度矯正信號，改變機械連桿向量。
4. 燃油閥門：由機械連桿傳動改變供油系統對引擎的供油量。
5. 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。
6. 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。

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。

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：

1. 啟動油量
2. 加速時間
3. 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：

1. 惰速設定
2. 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。

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。

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。

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。

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。

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：

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。

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）。