段永彬，張文灼，徐雙杰，高清海

(1.河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 石家莊 050093；2.石家莊舜農(nóng)農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司，石家莊 050221；3.河北省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，石家莊 050051)

0 引言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)與中小馬力輪式拖拉機(jī)配套的玉米播種機(jī)大多采用免耕精量播種機(jī)，中耕作物如玉米、大豆、高粱等多用精量播種機(jī)播種，即定株距播種。精量播種既可以節(jié)省大量種子，又可以省略田間間苗環(huán)節(jié)，節(jié)省勞力，且此播種方式還可使幼苗分布均勻，達(dá)到苗齊、苗壯、苗勻，有利于增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。目前，玉米免耕精量播種機(jī)的核心工作部件為排種器，市場(chǎng)上常見(jiàn)的精量播種機(jī)大多采用垂直轉(zhuǎn)勺式機(jī)械排種器[1]，每一個(gè)排種器均設(shè)有一個(gè)變速裝置，播種過(guò)程中通過(guò)改變齒輪及傳動(dòng)鏈條傳動(dòng)比變更籽粒的株(穴)距，從而達(dá)到農(nóng)藝所要求的株(穴)距。此機(jī)械傳動(dòng)方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜且工作不穩(wěn)定，也有采用機(jī)械式無(wú)極調(diào)速器實(shí)現(xiàn)調(diào)整株距的。鞏丙才等曾對(duì)無(wú)極調(diào)速做了詳細(xì)的分析[2]，采用多組曲柄連桿機(jī)構(gòu)，通過(guò)改變曲柄的半徑來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、有脈動(dòng)。為此，針對(duì)現(xiàn)有各類型機(jī)械機(jī)構(gòu)排種器的不足，設(shè)計(jì)了一種通過(guò)嵌入式單片機(jī)控制的智能玉米播種機(jī)。田間試驗(yàn)表明，播種株距均勻度優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)械式播種機(jī)，施肥精度更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方式。

1 電控智能玉米播種機(jī)研制技術(shù)方案

1.1 總體設(shè)計(jì)思路

嵌入式單片機(jī)在玉米播種機(jī)上的應(yīng)用也有少量研究[3-4]，但還沒(méi)有成熟的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)排種器運(yùn)轉(zhuǎn)，其控制原理為：嵌入式單片機(jī)通過(guò)采集地輪反饋的作業(yè)速度，實(shí)時(shí)控制輸出到電機(jī)上的電流，使電機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速隨著作業(yè)速度的高低而變化，進(jìn)而控制排種器排種軸轉(zhuǎn)速的快慢，實(shí)現(xiàn)種子落地株(穴)距的恒定。在人機(jī)對(duì)話上更加人性化，株距的調(diào)整采用數(shù)字化設(shè)置，代替了傳統(tǒng)機(jī)械有級(jí)變速的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)有故障的報(bào)警裝置。一旦發(fā)生故障，報(bào)警裝置會(huì)及時(shí)報(bào)警，機(jī)手就可以及時(shí)停車檢修，避免長(zhǎng)距離地塊缺苗斷壟現(xiàn)象的發(fā)生，使得機(jī)手在作業(yè)過(guò)程中省心省力。這種結(jié)構(gòu)由于采用電機(jī)直接帶動(dòng)排種器，省去了變速箱、萬(wàn)向傳動(dòng)軸及鏈輪鏈條傳動(dòng)費(fèi)用，在經(jīng)濟(jì)上也是可行的。

在試驗(yàn)中，勺式排種器及傳統(tǒng)的氣吸排種器由于運(yùn)行阻力大，導(dǎo)致株距不均勻且消耗動(dòng)力大，而頂柱式指夾式排種器的設(shè)計(jì)就是基于對(duì)以上問(wèn)題的解決[5-6]。本文介紹的指夾式排種器為頂柱式指夾排種器，一周由18個(gè)指夾組成。在排種轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，由于指夾與種子之間、指夾與導(dǎo)軌之間接觸面較小，摩擦阻力很小，所以要求排種軸轉(zhuǎn)動(dòng)力矩較小。指夾式排種器的排種性能參數(shù)對(duì)機(jī)組作業(yè)速度高低不敏感，機(jī)組作業(yè)速度可以達(dá)到8～10km/h，甚至更高，播種性能依然良好穩(wěn)定，所以該頂柱式指夾式排種器適宜電機(jī)帶動(dòng)和控制。

1.2 機(jī)械部分主要部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 浮動(dòng)(仿形)式播種單體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

浮動(dòng)(仿形)式播種單體既包括土壤工作部件，又包括排種器[7]，且要求浮動(dòng)(仿形)式播種單體在工作的過(guò)程中隨地面的形狀而起伏，保證種子播種深度，這是播種機(jī)的核心工作部件。其設(shè)計(jì)的成功與否，直接關(guān)系到播種機(jī)設(shè)計(jì)的成敗。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，仿形播種單體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．仿行支臂 2.調(diào)節(jié)彈簧 3.播種開(kāi)溝器 4.電機(jī)驅(qū)動(dòng)播種器總成 5.種箱 6.鎮(zhèn)壓輪總成

1.2.2 排種器傳動(dòng)電機(jī)

對(duì)于播種株距的調(diào)節(jié)，美國(guó)凱斯公司的變量播種機(jī)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的調(diào)速機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合國(guó)內(nèi)小機(jī)型播種機(jī)[3]。為此，本設(shè)計(jì)選用比較成熟的DC12V直流電機(jī)，在此基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)速信號(hào)檢測(cè)裝置，用來(lái)反饋電動(dòng)排種器的實(shí)時(shí)速度。該驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，適合我國(guó)國(guó)情，如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)

1.3 電控部分設(shè)計(jì)

1.3.1 控制方案的選擇

電氣控制部分采集播種機(jī)作業(yè)速度及各種狀態(tài)，根據(jù)農(nóng)藝的要求，通過(guò)單片機(jī)MCU控制單元進(jìn)行總控并計(jì)算各類數(shù)據(jù)，且包含根據(jù)計(jì)算結(jié)果精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速及實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警等功能。電氣控制方框圖如圖3所示。

圖3 電氣控制方框圖

播種機(jī)狀態(tài)信息采集模塊主要完成運(yùn)行速度、播種機(jī)架放下或抬起狀態(tài)、種箱種子余量檢測(cè)及肥箱肥料余量檢測(cè)；電機(jī)轉(zhuǎn)速驅(qū)動(dòng)控制模塊主要實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速由零到最高速平滑、快速、精確的變換；報(bào)警、數(shù)據(jù)顯示輸出模塊主要為機(jī)手提供必要的報(bào)警或故障信息，包括電氣故障信息(如電機(jī)卡死、電機(jī)全速轉(zhuǎn)和其他電氣故障)及提示報(bào)警信息。

鍵盤輸入播種參數(shù)模塊把輸入的株距、施肥量等發(fā)給MCU，MCU根據(jù)采集的運(yùn)行速度等信息，計(jì)算出電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，以PWM信號(hào)的方式發(fā)給電機(jī)；電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后，由轉(zhuǎn)速反饋采集模塊反饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速，修正PWM，達(dá)到精確控制的目的。

1.3.2 電機(jī)控制方案的確定

市場(chǎng)運(yùn)用比較成熟的電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)及直流有刷減速電機(jī)等。其中，伺服電機(jī)電機(jī)自帶編碼器，驅(qū)動(dòng)模塊也是成熟產(chǎn)品，可以較快、較容易實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制及速度值高精度控制，但成本相對(duì)較高。步進(jìn)電機(jī)采用開(kāi)環(huán)控制，控制精度可以滿足播種的要求，但步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力相對(duì)較低。直流有刷減速電機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)速反饋裝置，若要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制需采用速度檢測(cè)裝置。

1)伺服電機(jī)控制方案分析。伺服電機(jī)(執(zhí)行電機(jī))在電氣控制系統(tǒng)中被用作執(zhí)行部件，驅(qū)動(dòng)器把接收到的PWM或電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電機(jī)軸上的角位移或角速度[8]。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制的U/V/W三相電形成電磁場(chǎng)，內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵；轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)自帶的編碼器反饋信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)編碼器的脈沖形成反饋，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精量播種。

2)步進(jìn)電機(jī)控制方案分析。步進(jìn)電機(jī)是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移步進(jìn)電機(jī)件，正常的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于脈沖信號(hào)的頻率，運(yùn)行的角度取決于脈沖數(shù)量。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到1個(gè)脈沖信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)固定的角度“步距角”，步進(jìn)旋轉(zhuǎn)。因此，可通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而準(zhǔn)確定位，實(shí)現(xiàn)精量播種；也可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，實(shí)現(xiàn)高速播種。翟建波等采用混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)電控播種[9]，缺點(diǎn)是高速時(shí)性能差、扭矩小及控制器驅(qū)動(dòng)器電路復(fù)雜體積大。尤其是當(dāng)驅(qū)動(dòng)大功率的步進(jìn)電機(jī)時(shí)，成本高于直流減速電機(jī)，收回維修比較麻煩[10-11]。

3)直流減速電機(jī)控制方案分析。直流減速電機(jī)在直流電機(jī)輸出后經(jīng)過(guò)齒輪變速將輸出速度降到一定范圍，輸出轉(zhuǎn)速的慣量很小。直流減速在農(nóng)機(jī)半自動(dòng)化上已開(kāi)始使用，控制簡(jiǎn)單、扭矩大、振動(dòng)小、能耗低、緊湊小巧、可靠耐用且市場(chǎng)保有量大，但控制精度不高、變速控制麻煩。本設(shè)計(jì)通過(guò)添加測(cè)速裝置和采用大功率Mous管解決精度和變速控制方面的問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)性能與經(jīng)濟(jì)性的比較，本方案采用了有刷直流電機(jī)加反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，原理如圖4所示。

圖4 控制原理圖

1.4 數(shù)學(xué)模型的建立

研究對(duì)象為指夾式玉米排種器，有18個(gè)指夾。為了加強(qiáng)通用性，設(shè)排種器的指夾數(shù)為K，即每周排種數(shù)。在排種器的輸入軸安裝測(cè)速編碼器(編碼器為600線)，從通用性考慮，設(shè)為f1′，其轉(zhuǎn)速與排種器轉(zhuǎn)速為1:1，則單位時(shí)間內(nèi)播種機(jī)行走距離為

L=f1′×πD×f2

(1)

式中L—行車長(zhǎng)度；

f1—地輪上安裝編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)；

f1′—單位時(shí)間t內(nèi)輸出的脈沖數(shù)(實(shí)質(zhì)為轉(zhuǎn)速)；

D—地輪直徑(mm)。

單位時(shí)間內(nèi)，排種器排種數(shù)量為

(2)

式中m—單位時(shí)間t內(nèi)，排種器排種數(shù)量；

f2—排種器轉(zhuǎn)速檢測(cè)編碼器每轉(zhuǎn)1周的脈沖數(shù)；

f2′—電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速；

k—排種器每周排種個(gè)數(shù)。

根據(jù)以上分析，株距P為

(3)

由此計(jì)算出電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速為

(4)

當(dāng)前機(jī)器各參數(shù)為f1=400、k=18，D=400、f2=400，則

(5)

根據(jù)控制工程原理，利用PID算法[12-14]得出控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

PWM信號(hào)[15]為Δf，啟動(dòng)時(shí)接近1，同速后接近于0。

控制單元采集速度信息，再根據(jù)排種器參數(shù)(每周下種數(shù))、株距及單位肥量信息等，計(jì)算出播種/施肥電機(jī)轉(zhuǎn)速；通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)速的反饋算出誤差，根據(jù)誤差進(jìn)行精確控制?？刂茊卧杉渌畔⒖梢宰龀龇N量肥量余量過(guò)低報(bào)警，保障操作人員及時(shí)添加種量和肥量，還有故障報(bào)警，提示操作人員及時(shí)維修更換零部件。

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

試驗(yàn)用動(dòng)力采用時(shí)風(fēng)16kW輪式拖拉機(jī)，試驗(yàn)場(chǎng)景為帶茬地。試驗(yàn)地寬約100m左右，長(zhǎng)度約200m左右，比較平整。試驗(yàn)時(shí)，拖拉機(jī)速度分別采用低3擋和高2擋(速度相當(dāng)于5、8km/h)兩種作業(yè)速度，播種機(jī)播種株距設(shè)為25cm，施肥量設(shè)為375kg/hm2。

2.1 播種株距試驗(yàn)結(jié)果

采用3行播種機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，依據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》(GB/T6973-2005)進(jìn)行試驗(yàn)和結(jié)果分析。播種過(guò)程中進(jìn)行敞開(kāi)式播種，不覆土，在中間30m內(nèi)每行連續(xù)測(cè)量30個(gè)種子株距記錄結(jié)果，結(jié)果如表1和表2所示。

表1 作業(yè)速度5km/h時(shí)株距數(shù)據(jù)

續(xù)表1

表2 作業(yè)速度8km/h時(shí)株距數(shù)據(jù)

續(xù)表2

以上數(shù)據(jù)表明：播種株距設(shè)定為25cm時(shí)，作業(yè)實(shí)際株距平均值為24.69cm，株距最大值為32cm，最小值為18cm；播種作業(yè)無(wú)重播和漏播，株距變異系數(shù)為5.88%；設(shè)定田間作業(yè)株距后，株距與作業(yè)速度大小無(wú)關(guān)。

2.2 施肥試驗(yàn)結(jié)果

播種前，肥箱裝入適量顆粒肥料，施肥量設(shè)為375kg/hm2，分別以5、8km/h作業(yè)播完0.07hm2地后，測(cè)量肥箱剩下的化肥質(zhì)量，測(cè)量3次，計(jì)算平均值，兩者數(shù)量之差就是單位施肥量。5km/h作業(yè)時(shí)，施肥量測(cè)量值為25.9kg，誤差為3.6%；8km/h作業(yè)時(shí)，施肥量測(cè)量值為24.0kg，誤差為4.0%；施肥量誤差符合標(biāo)準(zhǔn)《GBT35487-2017 變量施肥播種機(jī)控制系統(tǒng)》施肥量控制精度低于5%的要求。

3 結(jié)論

采用嵌入式單片機(jī)控制系統(tǒng)的玉米播種機(jī)，徹底顛覆了傳統(tǒng)播種機(jī)的傳動(dòng)方式，省去了鏈條、鏈輪及齒輪變速箱，增強(qiáng)了可靠性、智能性，操作更容易。田間試驗(yàn)表明：設(shè)定田間作業(yè)株距和施肥量后，株距和施肥量與作業(yè)速度大小無(wú)關(guān)。播種的株距均勻度優(yōu)于機(jī)械式播種機(jī)，拖拉機(jī)作業(yè)速度快慢變化，對(duì)播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量基本沒(méi)影響，播種株距及施肥量均能達(dá)到設(shè)計(jì)值要求，嵌入式單片機(jī)在玉米播種機(jī)上的應(yīng)用值得推廣。