楊 碩 王 秀 高原源 趙學觀 竇漢杰 趙春江

(1.中國農業(yè)大學信息與電氣工程學院， 北京 100083； 2.北京農業(yè)智能裝備技術研究中心， 北京 100097；3.國家農業(yè)信息化工程技術研究中心， 北京 100097)

0 引言

精密播種技術通過實現單粒播種、種距均勻和播深一致等手段達到減少種子投入量、增加產量的目標，因其突出的產量和效益優(yōu)勢得到大范圍的推廣[1]。排種器是保證播種密度、粒距均勻一致的重要部件，而排種器的結構形式和驅動方式是保證排種性能的關鍵[2]。排種器結構形式的不斷優(yōu)化，保證了在排種盤穩(wěn)定轉動的前提下提高排種性能[3-4]。傳統(tǒng)機械式地輪驅動排種器為被動式驅動方式，因受地表土壤情況和車速影響，出現地輪打滑、傳動機構卡死的現象，造成漏播、株距不均勻?？煽貏恿卧寗优欧N器排種為解決該問題提供了方法，其中，電動機驅動排種器因具有轉速易控、運行平穩(wěn)的優(yōu)點，成為精量播種的重要研究方向[5-9]。文獻[10-13]研究表明電動機驅動排種中，提高電動機轉速精度可提高排種器的排種性能。播種狀態(tài)的信息獲取對保證播種作業(yè)的順利進行具有重要作用。文獻[14-19]采用線上或線下的方法對排種器的排種性能進行了研究，數據收集采用無線傳輸、RS232串口傳輸、CAN總線傳輸等特定傳輸協(xié)議，對電動機驅動排種系統(tǒng)性能進行調試和分析，隨著農機具上電控部件的增多，布線繁雜，信息共享受到局限，控制系統(tǒng)之間信息交換成為急需解決的問題。為了實現農林車輛系統(tǒng)信息的標準化通訊，國際標準化組織制定了ISO 11783總線標準，為拖拉機或農機具上不同設備之間信息傳輸和交換提供了可能。文獻[20-21]依據ISO 11783標準，對拖拉機自動導航系統(tǒng)進行了研究；文獻[22]采用ISO 11783標準對播深控制系統(tǒng)進行了研究，采集多傳感器信息對播深的一致性進行控制；文獻[23]采用ISO 11783標準搭建了CAN總線播種堵塞狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，對多路播種堵塞狀況進行在線監(jiān)測。國際知名農機企業(yè)已在播種機械上成熟應用了CAN總線通訊技術，而國內符合ISO 11783通訊標準的電動機驅動玉米精密播種技術發(fā)展較滯后。

為解決上述問題，本文設計一種電動機驅動排種器總線控制系統(tǒng)，以4行氣吸式排種器為研究對象，采用無刷電動機驅動排種器；設計符合ISO 11783標準的通訊協(xié)議，監(jiān)測播種系統(tǒng)工作狀態(tài)，控制氣吸式排種器工作，以期提高電驅排種系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴展性。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 控制系統(tǒng)設計

電動機驅動排種器控制系統(tǒng)采用CAN總線通訊方式，控制系統(tǒng)總體設計如圖1所示。為滿足氣吸式播種機的現場工作性能，系統(tǒng)由人機交互設備(Human machine interface, HMI)、排種驅動集成控制單元(Electronic control unit, ECU)和排種監(jiān)測ECU 3部分組成。HMI以個人計算機(Personal computer, PC)為平臺，主要完成播種設置參數輸入、作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測，進行播種作業(yè)現場信息交換。國內大多數播種監(jiān)測傳感器、排種驅動電動機都未設置CAN接口，故需增加具有CAN接口的排種驅動ECU和排種監(jiān)測ECU，用于對排種相關部件的信息解析、處理，進行CAN總線信息傳輸。排種驅動ECU主要完成監(jiān)測車速和排種驅動電動機轉速信息，控制排種驅動電動機轉速，驅動排種器進行精密排種。排種監(jiān)測ECU主要用于監(jiān)測氣壓傳感器的壓力、排種監(jiān)測傳感器的落種信息，對排種器的排種工況進行現場監(jiān)測。CAN總線協(xié)議參照ISO 11783標準，各ECU通過總線協(xié)議進行通訊。

圖1 控制系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Structural diagram of overall system

1.2 硬件設計

系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。PC經串口由USB/CAN轉換器(北京樂電新南科技有限公司，隔離型)連接至CAN網絡。

圖2 控制系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Hardware block diagram of control system

排種驅動ECU主控器采用集成控制器TTC580，通過頻率采集端口(測頻范圍0.1 Hz～20 kHz)采集基于頻率信號的車速傳感器和四路電動機轉子位置傳感器反饋的電動機實際轉速；采用電壓輸出端口控制AQMD3608BLS型驅動器，實現控制四路排種驅動電動機(100 W，2 000 r/min)的轉速；通過TTC580的CAN1通訊端口與總線系統(tǒng)連接，設置通訊波特率為500 Kb/s。排種監(jiān)測ECU的主控器選用STM32控制板，主控芯片為ATM32F105R8T6，該芯片具有雙路bxCAN(Basic extended CAN)接口，支持CAN 2.0A和CAN 2.0B，能夠滿足ISO 11783-3和ISO 11783-7的要求；CAN收發(fā)器采用TJA1050芯片，能夠滿足ISO 11783-2的要求。STM32控制板通過UART2 TTL/485轉換模塊(ISO-RS485-1B型)讀取CYYZ31-40-RS-14-B-G型氣壓傳感器的壓力；通過上拉輸入端口經PC817型光耦(響應頻率0～4 kHz)采集排種監(jiān)測傳感器(河北中友機電設備有限公司)信號。

1.3 通訊協(xié)議設計

ISO 11783基于CAN 2.0B標準。CAN 2.0B幀格式根據幀標識符的位數定義了標準幀(11位)和擴展幀(29位)2種格式，但ISO 11783只對擴展幀規(guī)定了標準化的信息幀。

本文主要對ISO 11783的仲裁場和數據場進行設計，ISO 11783協(xié)議通過協(xié)議數據單元(Protocol data unit, PDU)實施和封裝，PDU由優(yōu)先級P(3 bit)、保留位R(1 bit)、數據頁DP(1 bit)、協(xié)議數據單元格式PF(8 bit)、特定協(xié)議數據單元PS(8 bit)、源地址SA(8 bit)和數據域DATA(64 bit)7部分組成。參照ISO 11783-1:2007附錄3中規(guī)定的SA范圍為83～127時為預留源地址定義，設計系統(tǒng)源地址。參照ISO 11783-7:2007應用層協(xié)議對某些通用量進行了規(guī)定，如附錄A.8中基于行走輪車速數據幀建議PGN為00FE48、數據長度為2 bytes、更新周期100 ms、分辨率0.001 (m/s)/bit等參數做出了規(guī)定。播種總線系統(tǒng)仲裁場地址分配如表1所示。

表1 播種總線系統(tǒng)仲裁場地址分配Tab.1 Arbitration field of planting bus system

根據設定的PDU標識，數據之間采用單幀模式傳輸，ECU之間傳輸的數據應用場協(xié)議如表2所示。其中，反饋轉速1、2、3、4和設定轉速1、2、3、4分別為排種盤1、2、3、4的反饋轉速、設定轉速，數據長度2 bytes，分辨率為0.01(r/min)/bit；車速數據長度2 bytes，分辨率為0.01(km/h)/bit；落種速率1、2、3、4分別為排種盤1、2、3、4的監(jiān)測落種數，數據長度為1 byte；氣壓值數據長度為2 bytes，分辨率為0.01 kPa/bit；“STM32發(fā)送報文啟停”為STM32啟停發(fā)送PDU標識為18E86665的報文控制指令，啟動為0x01，停止為0x00；“PC落種計數啟?！睘槁浞N計數開啟、停止標志報文，數據長度為1 byte，啟動為0x01，停止為0x00。

表2 播種總線系統(tǒng)數據場協(xié)議Tab.2 Data field of planting bus system

1.4 控制系統(tǒng)軟件設計

1.4.1PC端軟件設計

采用C++語言基于MFC框架，使用VS2012開發(fā)平臺設計了PC人機交互界面(圖3)，包括串口通訊參數設置、排種設置參數的輸入和作業(yè)參數的監(jiān)測。

圖3 PC界面Fig.3 PC interface

為獲得排種盤的目標轉速，需要對行距、排種盤孔數、粒距參數進行設置，計算排種盤目標轉速n為

(1)

式中n——排種盤目標轉速，r/min

v——車速，km/h

P——排種盤孔數，個

L——粒距，cm

由設置的行距和粒距獲得理論播種量，用于設置株距時參考，理論播種量Q為

(2)

式中Q——理論播種量，粒/hm2

H——行距，cm

通過開始按鈕，程序通過串口向外發(fā)送排種驅動電動機設置轉速報文。作業(yè)參數監(jiān)測主要包括車速、監(jiān)測粒距、各路排種盤實時轉速、落種速率、各行總數及總粒數，其中，監(jiān)測粒距為4路排種監(jiān)測粒距的平均值。監(jiān)測粒距Lr為

(3)

式中Lr——監(jiān)測粒距，cm

m——落種速率，粒/s

USB/CAN轉換器的模式為包模式，該模式下串口數據長度固定為16 bytes，數據不足自動補零，包首標識固定為AA，用戶可以任意對CAN數據進行發(fā)送和接收。程序中，串口接收到數據后，判斷包首是否為AA，若為AA，截取固定16 bytes的數據長度，按照USB/CAN轉換器包模式定義，截取報文ID和數據位。通過接收報文，按照1.3節(jié)中協(xié)議進行解析，獲取各參數值。開始計數按鈕用于啟停PC端程序計數，同時通過串口發(fā)送PC落種計數啟停報文，用于線下的數據分析，獲得開始落種計數和停止落種計數的準確位置。計數清零按鈕用于PC端的各路排種器落種計數和總計數值的參數清零。

1.4.2排種驅動ECU程序設計

利用CodesysV3.5 SP10軟件，使用ST語言對排種驅動ECU進行編程，程序流程如圖4所示。排種驅動ECU程序啟動后，首先完成端口初始化設置，等待CAN總線報文，對報文PDU標識進行判別，PDU標識一致后，讀取數據，利用1.3節(jié)中規(guī)定的通訊協(xié)議對數據進行解析，獲得排種驅動電動機的設置轉速，判斷設定轉速值的范圍，根據排種盤轉速的設定范圍，分別賦予對應的排種驅動電動機的PID閉環(huán)調控參數。PID調節(jié)時，排種盤目標轉速為目標值，電動機轉子位置傳感器測量轉速信號為反饋值，模擬量(0～5 V)為輸出值，通過控制電動機驅動器對排種驅動電動機的轉速進行控制。

圖4 排種驅動ECU程序流程圖Fig.4 Flow chart of planting driving ECU

為了消除反饋值受擾動信號影響，取8次反饋頻率的平均值為最終反饋值，間隔100 ms，向CAN口發(fā)送排種盤反饋轉速報文。為防止排種驅動電動機堵轉造成漏播，通過測試，控制器模擬量輸出端口反饋的電流與電動機堵轉狀態(tài)相關，模擬量端口反饋電流小于200 mA或者大于2 920 mA時，排種驅動電動機處于堵轉或停止狀態(tài)。工作時，監(jiān)測到排種驅動電動機突然堵轉或者處于停止狀態(tài)時，將排種驅動電動機反饋轉速值設為0，重啟排種驅動信號。為了保證排種驅動電動機反饋轉速和落種速率監(jiān)測報文時序基本一致，間隔1 s，TTC580發(fā)送監(jiān)測各路落種速率和讀取STM32指令報文。

1.4.3排種監(jiān)測ECU程序設計

排種監(jiān)測ECU以STM32F105RBT6為核心，利用Keil5軟件進行編程，主要完成CAN報文收發(fā)、氣壓讀取和落種速率的監(jiān)測，程序流程圖如圖5所示。

圖5 排種監(jiān)測ECU程序流程圖Fig.5 Flow chart of planting monitoring ECU

端口初始化成功后，通過掃描4路IO端口電平狀態(tài)，獲得下降沿來獲取排種監(jiān)測傳感器的排種脈沖信號。為了防止信號傳輸與端口掃描之間的相互干擾，將掃描到的下降沿信號按照落種監(jiān)測傳感器的順序，依次賦予不同的落種計數標識值，存入FIFO數組中，通過判斷FIFO數組內數值，當數值與對應落種計數標識值相等時，該路落種計數值加1，獲得落種信號等待發(fā)送。氣體壓力傳感器支持RS485接口，通過MODBUS RTU協(xié)議對氣壓狀態(tài)進行讀取，響應頻率小于等于5 Hz，STM32控制板間隔1 s向串口發(fā)送讀取氣壓的指令，獲得反饋數據，按照0～1 000對應-20～0 kPa進行數值轉換，獲得當前氣壓狀態(tài)。接收CAN總線報文成功后，對ID進行判別，若ID=18E86564，則啟動STM32發(fā)送報文，將各路每秒落種數和氣壓表壓力按照1.3節(jié)協(xié)議，ID=18E86665向CAN口發(fā)送報文。報文發(fā)送完成后，將排種計數值清零，循環(huán)運行程序，直至結束。

2 試驗平臺搭建

搭建試驗平臺(圖6)，對播種總線控制系統(tǒng)性能進行室內試驗。試驗臺所用4個氣吸排種器和風機均為河北中友機電設備有限公司生產的2BFQ系列氣吸精密播種機中整機配件。風機配10倍增速帶輪，由YE2-132M-6型單相電動機(4 kW，940 r/min)提供動力，選用XD350-4.0G1型變頻器驅動，可控制電動機在300～940 r/min之間穩(wěn)定調速，選用直徑45 cm氣管，長度1 m。氣吸排種器驅動軸通過聯軸器與排種驅動電動機連接，排種器傳動機構為直齒錐齒輪，減速比為2∶1，排種驅動電動機減速器減速比為18∶1。排種監(jiān)測傳感器固定于排種器排種出口位置，對射距離為85 mm。氣壓傳感器固定于風機分流裝置中心位置。排種盤選用孔直徑為4.5 mm，孔個數為26個。USBCAN-E-U型CAN分析儀，采用CANTEST軟件，記錄CAN總線數據，用于排種器作業(yè)狀態(tài)的線下分析。車速傳感器采用接近開關探測地輪轉動輸出頻率信號，本試驗臺采用作業(yè)速度模擬器(北京農業(yè)智能裝備技術研究中心，輸出1～150 kHz)用于模擬車速傳感器信號。選用鄭單958(半馬齒型)玉米種子進行試驗，通過PC設置參數，經USB/CAN轉換器將指令發(fā)送至CAN網絡，TTC580接收到指令后，控制電動機驅動板驅動排肥驅動電動機轉動，經聯軸器帶動氣吸排種器工作，同時將車速、排種盤轉速及其他報文傳送至CAN網絡；STM32控制板監(jiān)測排種狀態(tài)，并通過TTL/485轉換模塊與氣壓傳感器通訊，獲取氣壓，接收到發(fā)送報文指令后，將落種速率和氣壓傳送至CAN網絡；PC接收報文，并實時顯示車速、氣壓、落種速率、排種盤轉速和總落種數；CAN分析儀監(jiān)測并記錄CAN總線報文，進行線下數據分析。

圖6 試驗平臺Fig.6 Test platform1.分流裝置 2.氣壓傳感器 3.排種器 4.聯軸器 5.排種驅動電動機 6.排種盤 7.排種監(jiān)測傳感器 8.臺架 9.收集桶 10.計算機 11.CAN分析儀 12.USB/CAN轉換器 13.PC817光耦模塊 14.STM32控制板 15.TTL/485轉換模塊 16.TTC580 17.作業(yè)速度模擬器 18.變頻器 19.風機 20.電動機驅動板

3 試驗與結果分析

3.1 排種盤轉速控制精度試驗

排種盤工作轉速的精確控制是播種系統(tǒng)實現精密播種的關鍵因素之一。為應對排種過程中，排種盤受到種子、排種機構等隨機阻力的影響，系統(tǒng)通過排種驅動ECU，利用位置PID閉環(huán)控制算法實現對4行排種器的驅動，控制原理如圖7所示。

圖7 排種驅動電動機PID控制原理圖Fig.7 Schematic of PID control for planting driving motor

控制器通過讀取t時刻排種盤目標轉速n(t)(r/min)，乘以傳動機構傳動系數36，得到排種驅動電動機目標轉速N(t)(r/min)，排種驅動ECU通過PID閉環(huán)控制，監(jiān)測排種驅動電動機轉子位置傳感器獲得反饋轉速N′(t)(r/min)，輸出0～5 V模擬量控制電動機驅動板，驅動排種驅動電動機趨近目標轉速，模擬量控制信號V(t)(mV)與反饋量的控制關系式為

(4)

式中e(t)——排種驅動電動機反饋轉速N′(t)與目標轉速N(t)差值

Kp——閉環(huán)系統(tǒng)比例系數

Ki——閉環(huán)系統(tǒng)積分系數

Kd——閉環(huán)系統(tǒng)微分系數

通過多次試驗結果對比，采用試湊法確定PID參數，通過PC界面設置排種盤轉速，通過CAN數據分析儀監(jiān)測、記錄在線作業(yè)報文，提取PDU標識為0CE76466、18E86664的報文數據，獲取排種盤設定轉速和反饋轉速，排種盤反饋轉速報文間隔100 ms循環(huán)發(fā)送。當排種盤孔數選擇26個，行距為60 cm，株距范圍15～30 cm，車速4～12 km/h時，計算得排種盤轉速范圍為0～51.28 r/min，試驗選定排種盤調速范圍為0～55 r/min。通過多次試驗，調整PID參數，最終確定閉環(huán)系統(tǒng)比例系數Kp、積分系數Ki、微分系數Kd分別為0.135、0.74、0.162。4行排種器在設定目標轉速下的響應性能如圖8所示。

圖8 4行排種盤轉速階躍響應結果Fig.8 Rotate speed step response results of four seed plates

由試驗結果可得，系統(tǒng)在控制4行排種器時，各排種器表現出較好的同步控制性能，目標轉速在15～55 r/min的范圍內，系統(tǒng)階躍響應的超調量、穩(wěn)態(tài)誤差、調節(jié)時間如表3所示。

其中，調節(jié)時間為系統(tǒng)從開始調節(jié)至達到目標轉速±5%精度范圍內的時間。由試驗結果可知，系統(tǒng)在排種盤工作轉速范圍內具有較高控制精度，平均穩(wěn)態(tài)誤差絕對值為1.10 r/min，標準差為0.37 r/min。目標轉速范圍為15～20 r/min時，平均調節(jié)時間為3.47 s，明顯大于目標轉速范圍為30～55 r/min的平均調節(jié)時間1.98 s。系統(tǒng)在15～20 r/min、30～40 r/min、50～55 r/min的目標轉速范圍內平均超調量分別為72.93%、39.33%、15.35%，具有較大差別，原因可能是排種驅動電動機在啟動瞬間受到較大阻力影響。

表3 系統(tǒng)轉速階躍響應結果Tab.3 Rotate speed step response results of system

圖9 分段PID轉速階躍響應結果Fig.9 Rotate speed step response results of piecewise PID control

3.2 排種盤轉速控制優(yōu)化試驗

為了優(yōu)化因電動機啟動過程中阻力大造成的低轉速下階躍響應調節(jié)時間長、超調量大的問題，使排種盤在設定轉速范圍內具有較穩(wěn)定的階躍響應性能，采用分段PID控制的方法對系統(tǒng)進行優(yōu)化。

根據圖8試驗結果，將排種盤設定目標轉速按照低速(15～20 r/min)、中速(20～40 r/min)、高速(40～55 r/min)分段進行變參數的PID控制，進行了排種盤轉速控制優(yōu)化試驗。在3個目標轉速設定范圍內，分別通過試湊法測定最佳的PID調整參數，試驗結果如圖9所示。通過試驗，最終確定系統(tǒng)不同目標轉速階段內的3組PID調節(jié)系數Kp、Ki、Kd分別為：0.02、0.155、0.002； 0.129、2、0.162； 0.135、0.74、0.162。由試驗結果可知，系統(tǒng)在低轉速情況下超調量得到了有效的控制，通過整理、去除異常點，系統(tǒng)分段PID優(yōu)化后的排種盤轉速階躍響應性能如表4所示。

表4 系統(tǒng)階躍響應優(yōu)化結果Tab.4 Step response optimal results of system

由試驗結果得，系統(tǒng)在15～55 r/min目標轉速內，平均穩(wěn)態(tài)誤差絕對值為0.97 r/min，標準差為0.76 r/min，與優(yōu)化前相比，平均穩(wěn)態(tài)誤差絕對值減少0.13 r/min；目標轉速范圍為15～20 r/min時，系統(tǒng)響應時間平均為1.84 s，與優(yōu)化前相比，系統(tǒng)響應時間平均減少1.63 s；在目標轉速為15～20 r/min和30～40 r/min范圍時，平均超調量分別為38.51%、17.08%，與優(yōu)化前相比，平均超調量分別降低34.41%、22.26%。由試驗結果得，分段PID調節(jié)使系統(tǒng)在工作轉速范圍內的排種盤閉環(huán)調速性能趨于一致。

3.3 車速影響排種器性能試驗

為了探究多路氣吸排種器排種時，選定排種盤孔數情況下，車速對排種性能的影響，利用總線系統(tǒng)進行了排種監(jiān)測試驗。試驗時，采用計算機界面在線監(jiān)測落種速率、各行排種數和排種總數，利用USB/CAN分析儀記錄總線報文數據，線下進行分析。排種盤孔數26個，風機驅動軸轉速540 r/min，行距為60 cm，株距為20 cm，車速調節(jié)范圍為4～12 km/h，間隔1 km/h遞增。

利用計算機界面開始計數控制按鈕觸發(fā)的報文確定播種計數的起始和停止時間，首先對各車速下排種計數監(jiān)測精度進行驗證，試驗結果如表5所示。由試驗結果可得，設定株距為20 cm，車速范圍為4～12 km/h時，排種監(jiān)測平均準確率為97.53%，標準差為0.48%，排種監(jiān)測準確率未隨車速的增加而降低。由試驗結論可得，該總線監(jiān)測系統(tǒng)具有較高的排種監(jiān)測精度和穩(wěn)定性，可作為在線分析玉米排種器性能的依據，在此基礎之上，對排種器孔數為26個的氣吸式排種器在不同車速下的排種性能進行了研究。4～12 km/h車速下，每個車速下同時采集50 s內4行排種器的落種速率，由公式(3)獲得粒距，測得試驗時風機風壓范圍為-6.0～-5.9 kPa之間，試驗結果如圖10所示。

表5 排種計數監(jiān)測試驗結果Tab.5 Test results of planting counting monitoring

圖10 粒距隨車速變化散點圖Fig.10 Scatter diagram of changes of seed spacing with travel speed

由圖10可得，當排種盤孔數為26個時，排種器隨車速的增加粒距分散越來越劇烈，當車速大于9 km/h時，粒距大于30 cm的情況明顯增多，漏播現象顯著。

參照國標GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，獲得合格指數、漏播指數和重播指數，對氣吸式排種器在不同車速下的排種性能進行了分析，結果如圖11和圖12所示?？傻门欧N器在車速為4～12 km/h的范圍內，合格指數平均值為89.59%，標準差為8.01%，漏播指數平均值為10.41%，標準差為8.01%，重播指數為0%。

圖11 合格指數隨車速變化柱狀圖Fig.11 Changes of quality of feed index with travel speed

圖12 漏播指數隨車速變化柱狀圖Fig.12 Changes of miss-seeding index with travel speed

排種器在車速增加過程中，合格指數變化明顯，車速范圍為4～8 km/h時，合格指數平均值為95.68%，標準差為2.29%；而車速范圍為9～12 km/h時，合格指數平均值為81.99%，標準差為5.03%，車速達到9 km/h時，合格指數降到90%以下。綜上數據分析可得，車速對氣吸排種器的排種性能具有重要的影響，當排種盤孔數為26個，設定株距為20 cm，風壓為-6.0～-5.9 kPa時，建議車速范圍為4～8 km/h，此時，排種合格指數大于90%。

3.4 車速階梯變化播種系統(tǒng)響應試驗

由于駕駛人員、拖拉機功率等因素影響，目標播種速率相同時因車速不同會造成目標排種盤轉速的隨動變化。為探究系統(tǒng)應對車速變化的性能，對播種系統(tǒng)與車速的隨動性能進行了實驗室模擬試驗。試驗時，播種株距為20 cm，排種盤孔數為26個，行距為60 cm，通過人為改變作業(yè)速度模擬器的輸出頻率，使系統(tǒng)測量車速在4～12 km/h范圍內，公差為2 km/h，依次遞增、遞減階梯變化，通過CAN分析儀記錄系統(tǒng)車速、目標轉速、4行排種盤轉速，排種盤轉速與目標轉速在車速階梯變化下響應的試驗結果如圖13所示。

從圖13可以看出，在車速遞增和遞減的過程中，系統(tǒng)按照目標轉速的變化，具有較好的跟隨性能，曲線變化基本一致。車速加速、減速過程中，分別對4行排種盤隨車速響應的超調量、穩(wěn)態(tài)誤差、調節(jié)時間取平均值，系統(tǒng)車速響應結果如表6。由試驗結果可得，系統(tǒng)在車速階梯遞增過程中，排種盤平均轉速響應時間為2.00 s，標準差為0.34 s；平均穩(wěn)態(tài)誤差的絕對值為0.41 r/min，標準差為0.45 r/min；平均超調量為3.73%，標準差為1.14%；系統(tǒng)在車速階梯遞減過程中，排種盤平均轉速響應時間為1.83 s，標準差為1.07 s；平均穩(wěn)態(tài)誤差的絕對值為0.13 r/min，標準差為0.20 r/min；平均超調量為-2.69%，標準差為1.51%。車速遞增過程與車速遞減過程相比，系統(tǒng)平均調節(jié)時間增加0.17 s，主要由于電動機啟動延遲造成；平均穩(wěn)態(tài)誤差增加0.28 r/min；平均超調量絕對值增加1.04%。由試驗結果得出，車速對電動機驅動排種性能具有重要影響，受田間車速測定波動、田間土壤情況等因素的影響，系統(tǒng)仍需進行田間試驗驗證。

圖13 系統(tǒng)排種盤目標轉速隨車速階躍響應結果Fig.13 Travel speed step response results of system to target rotation speed of seed plate

加速減速車速變化/(km·h-1)目標轉速/(r·min-1)超調量/%穩(wěn)態(tài)誤差/(r·min-1)調節(jié)時間/s車速變化/(km·h-1)目標轉速/(r·min-1)超調量/%穩(wěn)態(tài)誤差/(r·min-1)調節(jié)時間/s0→412.823.480.221.754→00000.104→619.235.020.152.436→412.82-3.100.042.636→825.642.37-0.342.308→619.23-3.46-0.011.688→1032.053.01-0.951.6810→825.64-3.520.132.7810→1238.464.77-0.391.8312→1032.05-3.360.481.95

4 結論

(1)設計了一種電動機驅動玉米氣吸播種機總線控制系統(tǒng)。系統(tǒng)總線標準參照ISO 11783進行了設計，有利于電動機驅動精密排種系統(tǒng)的標準化信息傳輸，能夠完成按照設定播種粒距等參數，對多路排種盤轉速進行車速隨動調節(jié)，監(jiān)測落種速率、播種量和氣壓狀態(tài)，可以對排種器性能進行分析。

(2)車速影響排種器性能試驗中，對車速在4～12 km/h范圍內，系統(tǒng)排種監(jiān)測準確率進行了驗證，實驗室結果表明，排種監(jiān)測平均準確率為97.53%，標準差為0.48%，驗證了落種速率監(jiān)測可靠性。當設定粒距為20 cm，排種盤孔數為26個時，利用總線系統(tǒng)對車速影響排種器排種性能進行了探究，建議車速范圍為4～8 km/h，此時播種合格指數高于90%。

(3)采用分段PID的控制方法對排種驅動電動機的轉速進行閉環(huán)控制，不僅提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精度，而且有效優(yōu)化了排種盤在低目標轉速下超調量大的問題。在設定粒距為20 cm，排種盤孔數為26個時，車速在4～12 km/h階梯變化過程中，系統(tǒng)控制排種盤轉速表現出較好的隨動性能，車速階梯遞增和階梯遞減過程中，排種盤轉速的平均響應時間分別為2.00、1.83 s，標準差分別為0.34、1.07 s。由試驗結果可知，本文所用氣吸排種器排種性能由排種盤轉速、車速、排種盤孔數等因素綜合決定。