丁友強，楊 麗，張東興，崔 濤，張凱良，王滿濤

?

玉米變量播種機單體驅(qū)動器的設(shè)計

丁友強，楊 麗※，張東興，崔 濤，張凱良，王滿濤

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083； 2.農(nóng)業(yè)部土壤-機器-植物系統(tǒng)技術(shù)重點實驗室，北京 100083）

國內(nèi)電驅(qū)式玉米精量播種機所用電機驅(qū)動器和各類監(jiān)測傳感器大都直接連接在主控制器上，功能單一、播種行數(shù)難以拓展，無法滿足變量播種作業(yè)對各個播種單體獨立控制的要求。針對上述問題，搭建了基于STM32F103的單體驅(qū)動器硬件和軟件架構(gòu)，實現(xiàn)了排種器驅(qū)動電機的平穩(wěn)驅(qū)動、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、過流保護以及合格率、重播率、漏播率的播種質(zhì)量檢測；單體驅(qū)動器集成了CAN總線通訊模塊，可通過增減單體驅(qū)動器便捷地實現(xiàn)播種機行數(shù)拓展。系統(tǒng)整體試驗表明，單體驅(qū)動器和主控制器可以通過CAN總線完成轉(zhuǎn)速指令和播種質(zhì)量數(shù)據(jù)的交互；當(dāng)作業(yè)速度在3～9 km/h之間時，單體驅(qū)動器驅(qū)動排種器播種合格率大于95.7%，重播率小于4.3%，漏播率小于1.4%，高于國標(biāo)要求；播種質(zhì)量檢測模塊與現(xiàn)有排種器性能檢測儀的對比試驗結(jié)果顯示，在3 km/h的作業(yè)速度，兩者的檢測結(jié)果最大差值為0.1個百分點，當(dāng)前進速度逐漸上升時，兩者的偏差逐漸增大，單體驅(qū)動器測得的3項指標(biāo)都小于排種器檢測儀，但在不同的速度梯度下，兩者合格率相差不超過2個百分點，重播率不超過1.1個百分點，漏播率不超過0.9個百分點。綜合而言，單體驅(qū)動器的整體功能良好。

機械化；設(shè)計；控制；變量播種；播種質(zhì)量檢測；單體驅(qū)動器；CAN總線

0 引 言

中國耕地面積不斷減少，截止2017年末，人均耕地面積不足0.097 hm2[1]，為解決人口增加和耕地減少的矛盾帶來的糧食安全問題，必須進一步挖掘土壤生產(chǎn)潛力，提高現(xiàn)有耕地的生產(chǎn)率[2]。變量播種技術(shù)依據(jù)土壤區(qū)域差異調(diào)節(jié)種子投入量，保證植株密度最宜，可充分利用土壤中的養(yǎng)分和水分，發(fā)揮出土壤特定區(qū)域的最大增產(chǎn)潛力，從而顯著提高產(chǎn)量、降低成本[3-5]。

變量播種技術(shù)的關(guān)鍵之一在于對播種機各播種單體進行獨立控制，單體驅(qū)動器作為變量播種控制系統(tǒng)的重要組成部分，是實現(xiàn)上述功能的主要技術(shù)手段。國外對變量播種控制系統(tǒng)的研究起步較早，現(xiàn)各大農(nóng)機公司均已推出了相關(guān)產(chǎn)品，其單體驅(qū)動器大多功能豐富、性能穩(wěn)定。Precision Planting公司基于20/20 SeedSense控制器開發(fā)的變量播種控制系統(tǒng)[6-8]，其單體驅(qū)動模塊可根據(jù)SeedSense控制器下發(fā)的播種目標(biāo)、GPS、雷達信號等信息計算出當(dāng)前行排種器驅(qū)動電機的精確理論轉(zhuǎn)速，再將轉(zhuǎn)速指令傳輸至vDrive電機模塊，驅(qū)動排種器工作；Trimble公司Field-IQ 變量播種控制系統(tǒng)中[9-12]使用的Rawson 單體驅(qū)動模組，可通過CAN總線接收來自ACCU-RATE 控制器的轉(zhuǎn)速指令，驅(qū)動排種器電機完成播種作業(yè)。國內(nèi)對于變量播種控制系統(tǒng)的研究較少，目前還多集中于播種機測速和排種器調(diào)速方式上[13-19]，對于播種機單體驅(qū)動器的研究也鮮有涉及，控制系統(tǒng)所用驅(qū)動器多為直接采購的普通電機驅(qū)動器，功能單一，且各類監(jiān)測傳感器均直接連接到主控制器上，系統(tǒng)柔軟性不足，播種行數(shù)難以拓展。

本文針對以上問題，在設(shè)計變量播種控制系統(tǒng)時，將主控制器和單體驅(qū)動器分開，電機驅(qū)動和播種質(zhì)量檢測任務(wù)交給單體驅(qū)動器，主控制器和單體驅(qū)動器通過CAN總線完成數(shù)據(jù)上報和指令下載，以達到變量播種控制數(shù)據(jù)分散化處理，降低主控制器數(shù)據(jù)處理壓力，提高數(shù)據(jù)處理速度以及便于拓展播種行數(shù)的目的。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1為玉米變量播種機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1虛線框中所示，所設(shè)計的玉米變量播種機單體驅(qū)動器主要由STM32處理器、核心電路、電源電路、電機驅(qū)動電路、播種監(jiān)控電路、CAN通訊電路以及預(yù)留接口組成，其中STM32處理器是整個單體驅(qū)動器的信息處理和運算中樞，一方面負責(zé)解析主控制器下發(fā)的指令并控制排種器驅(qū)動電機，另一方面定時上報當(dāng)前排種器轉(zhuǎn)速和播種質(zhì)量信息；核心電路是STM32處理器正常工作所需的最基本電路；電源電路為整個單體驅(qū)動器工作提供電能；電機驅(qū)動電路主要為排種器驅(qū)動電機供電和傳遞控制信號；播種監(jiān)控電路為光電傳感器供電并讀取光電傳感器的信號；CAN通訊電路用于實現(xiàn)單體驅(qū)動器和主控制器之間的數(shù)據(jù)交換；預(yù)留接口是STM32處理器上的基本IO口，主要為方便后期功能拓展。播種作業(yè)時，主控制器將播種機速度和各行排種器的轉(zhuǎn)速指令發(fā)送到CAN總線上，各單體驅(qū)動器過濾出CAN報文中針對自身的轉(zhuǎn)速指令并解析出轉(zhuǎn)速信號后，配置定時器輸出特定控制信號驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，同時采集電機霍爾信號和播種檢測傳感器信號，計算出當(dāng)前電機轉(zhuǎn)速和播種質(zhì)量數(shù)據(jù)，最后通過CAN總線發(fā)送到主控制器。

圖1 玉米變量播種機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)設(shè)計主要包括STM32核心電路設(shè)計、CAN通訊電路設(shè)計、電源電路設(shè)計、電機驅(qū)動電路設(shè)計、播種監(jiān)測電路設(shè)計，其中STM32核心電路已有多種穩(wěn)定可靠的經(jīng)典電路可供參考，CAN總線也被國際上定義為農(nóng)機的標(biāo)準總線[20-22]，因此本文對于這部分電路的設(shè)計不再贅述。

2.1 電源電路設(shè)計

系統(tǒng)電源由拖拉機12 V蓄電池提供，分析單體驅(qū)動器內(nèi)部各功能電路對電源供給的需求：電機驅(qū)動電壓為12 V，霍爾傳感器、光電傳感器供電電壓為5 V，STM32處理器工作電壓為3.3 V，因此需要對電源電壓進行穩(wěn)壓和兩次降壓處理。圖2a中加入了濾波、防反接以及瞬態(tài)保護電路，用以保護驅(qū)動器和提高電機工作的穩(wěn)定性；圖2b中采用LM2596-5.0開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器將濾波后的12 V電源降至5 V，同時在輸出端加入 PL1和PC1制成 LC低通濾波器，以濾除LM2596-5.0輸出電壓攜帶的高頻雜波信號，為后續(xù)電路提供較為純凈的5 V電壓信號；圖2c中采用LM1117DT-3.3電壓調(diào)節(jié)器配合簡單的濾波、去耦設(shè)計，將5電壓降至3.3 V。

圖2 電源電路原理圖

2.2 電機驅(qū)動電路設(shè)計

單體驅(qū)動器驅(qū)動部分針對有感直流無刷（brushless direct current, BLDC）電機進行設(shè)計，主要由電機驅(qū)動換相電路，電流檢測、過流保護電路以及霍爾傳感器位置檢測電路3部分組成，圖3為直流無刷電機驅(qū)動電路原理圖。

1）電機驅(qū)動換相電路設(shè)計

如圖3a所示，BLDC采用霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子方位改變電機線圈通電方向，進而驅(qū)動電機。目前BLDC多采用三相半橋式和三相全橋式2種驅(qū)動模式，半橋驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單，但繞組利用率低，轉(zhuǎn)矩波動大[23]，因此本系統(tǒng)采用P-N型三相全橋驅(qū)動方式。直接采用單片機IO口驅(qū)動容易產(chǎn)生驅(qū)動能力不足、燒毀單片機的問題，因此在電路中加入FAN3278 MOS管驅(qū)動芯片以降低STM32處理器驅(qū)動壓力，增強電路可靠性。PWM_U_H和PWM_U_L端口接到STM32高級定時器TIM1相應(yīng)引腳上，U端口接到BLDC的U相線上，DR1和DR4為MOS管的柵極驅(qū)動電阻，用于保護驅(qū)動電路；DR7是一個阻值十分精確的微小電阻，通過讀取該電阻兩端的電壓值，可以計算出驅(qū)動電流，從而實現(xiàn)對驅(qū)動電路的檢測和反饋，BLDC的V相和W相電路同U相電路相同。

2）霍爾位置傳感器檢測電路

如圖3b所示，有感BLDC電機的定子一端有3個霍爾傳感器，通過電機霍爾傳感器輸出信號的組合可以推斷出電機轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置，從而得到電機的換相時序，所選用STM32處理器定時器的1、2、3路輸入捕獲引腳能夠?qū)魻杺鞲衅餍盘栠M行邏輯處理，可直接作為霍爾傳感器的接口[24]。圖3b中HU、HV、HW端口分別接到BLDC的３個霍爾傳感器信號線上，霍爾傳感器一般為集電極開路輸出，因此輸入端通過上拉電阻接到5 V電源上，最后信號通過低通濾波電路濾掉其中的高頻雜波后，傳輸至處理器定時器3的３個輸入通道，處理器通過檢測3相信號的變化控制電機換相[25]。

圖3 直流無刷電機驅(qū)動電路原理圖

3）電流檢測和過流保護電路

如圖3c所示，電機帶載低速和空載高速轉(zhuǎn)動時，電流會超過額定電流1.5倍甚至更高，若不加入過流保護，可能由于電流過大燒壞電機和驅(qū)動電路。電路前半部分用于采集并放大驅(qū)動電路電流值，在將檢測電流值經(jīng)過放大電路放大到合適的倍數(shù)后，通過AI_SE端口給到單片機A/D模塊，即可讀取出具體的電流值，并根據(jù)電流值大小調(diào)整PWM波的占空比，以保證電機輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定；后半部分為過流保護部分，電阻HR4和HR5通過電壓分配產(chǎn)生2.4 V的參考電壓。將前端放大電路的輸出電壓與參考電壓相比較，一旦電壓大于參考電平，比較器就會輸出低電平，LED燈HD1點亮；同時電阻HR6和HR7構(gòu)成電阻分壓電路，將輸出電平電壓值調(diào)整到單片機I/O的工作電壓范圍內(nèi)，內(nèi)部程序調(diào)節(jié)PWM波占空比，避免過流保護。如果小于參考電壓，比較器輸出高電平，LED燈熄滅，PWM波占空比就會根據(jù)運算放大器采樣的電壓進行閉環(huán)調(diào)速。

2.3 播種檢測電路設(shè)計

選用美國DICKEY-john公司生產(chǎn)的Hy Rate? Plus光電式傳感器，該傳感器采用紅外發(fā)光二極管作為發(fā)光元件，紅外光敏二極管作為受光元件，具有反應(yīng)快、功耗小、價格低的優(yōu)點；另一方面，相較于常規(guī)光電式傳感器擁有更多LED個數(shù)，可最大程度地消除感應(yīng)盲區(qū)，提高重漏播檢測精度。Hy Rate? Plus光電式傳感器共有3個接線端子，其中2個電源線分別接到單體驅(qū)動器電源電路的+5 V和地線上，信號線接到單體驅(qū)動器的播種檢測電路上，為避免落種時檢測信號的上升沿邊界和下降沿邊界過沖造成處理器計數(shù)單元誤判，對播種檢測電路進行了設(shè)計（圖4）。如圖4a所示，端口SEED接到光電傳感器的信號線上，上拉電阻SR1為輸出信號提供額外能量，鉗位電路可以消除輸出信號的上升沿邊界和下降沿邊界的過沖，使得波形更加規(guī)整。此外，為了避免高頻雜波信號竄入后續(xù)電路影響單片機工作，采用光電耦合器將光電式傳感器與控制器其他部分隔離開來。如圖4b所示電路利用一個電壓跟隨器和一個電壓比較器對信號進行進一步隔離和整形，最后通過端口DI_SEED接到處理器定時器TIM2上。

圖4 播種信號處理電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 驅(qū)動電機程序設(shè)計

3.1.1 電機啟動初始化

電機啟動需要使用到的處理器外設(shè)有處理器基本I/O口、高級定時器TIM1、通用定時器TIM3、中斷模塊等，在程序開始運行時，需要對上述外設(shè)進行初始化，其基本流程如圖5所示。

圖5 電機啟動初始化流程

三相二極有感BLDC電機的霍爾位置傳感器信號值與轉(zhuǎn)子位置對應(yīng)關(guān)系表，以及電機正轉(zhuǎn)的逆變器的邏輯導(dǎo)通如表1所示。可以看出，通過讀取TIM3的3個通道CH_1、CH_2和CH_3的端口輸入寄存器IDR的電位值，同時結(jié)合表1，可以計算出當(dāng)前電機轉(zhuǎn)子位置，再據(jù)此編寫換相函數(shù)，設(shè)定TIM1的3通道（6路互補通道）PWM輸出信號的使能輸出寄存器CCER的值，即可打開對應(yīng)的驅(qū)動MOS管，使電機獲得最初的啟動相位電流。

表1 有感BLDC電機正轉(zhuǎn)逆變器邏輯

注：“+”、“-”號表示定子線圈的導(dǎo)通方向，“+”表示正向?qū)?，?”表示截止。

Note: “+” and “-” in the table represent the conducting direction of stator coil, "+" means positive guide pass, “0” means cut-off.

在完成電機啟動的第一步之后，霍爾接口定時器TIM3就能獲得霍爾信號的變化值，再據(jù)此調(diào)用電機的換相函數(shù)，如此循環(huán)，就可實現(xiàn)電機的連續(xù)運轉(zhuǎn)，其流程如圖6所示。

圖6 電機運行流程

3.1.2 PID速度閉環(huán)控制程序設(shè)計

為提高驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速控制精度，進一步改善播種質(zhì)量，采用閉環(huán)PID算法，其數(shù)學(xué)模型定義為

式中()為修正值；K為比例系數(shù)；()為參考值V()與實際輸出值V()的偏差；T為積分時間；T為微分時間。由于微處理器為軟件控制，為了能夠?qū)ID調(diào)節(jié)進行編程處理，必須對上述數(shù)學(xué)模型進行離散化處理，經(jīng)處理可得式

式中K為積分系數(shù)；K為微分系數(shù)；()為計算偏差。表達式的含義為第次采樣時對應(yīng)的調(diào)整值?？梢钥闯?，位置式PID的積分項長期累加誤差值，容易產(chǎn)生累計誤差。為了消除累計誤差的影響，將相鄰2次修正值作差，可得增量式PID調(diào)節(jié)式

式中()為修正增量。該算法與位置式算法相比修正增量()只與（-1）（-2）時刻的偏差有關(guān)系，數(shù)據(jù)量小、處理時間短，且只輸出修正增量、誤差小，速度切換時擾動小[26-27]。故選擇增量式PID算法作為BLDC電機的控制算法，其控制流程如圖7所示。

PID調(diào)節(jié)是一種特殊的線性調(diào)節(jié)方式，因此只有尋找到修正增量()與占空比控制寄存器CCRx的線性關(guān)系，才能利用PID的調(diào)節(jié)值調(diào)整電機速度，使其維持穩(wěn)定。在開環(huán)條件下，檢測BLDC電機輸入占空比和其輸出轉(zhuǎn)速，結(jié)果如圖8所示。

可以發(fā)現(xiàn)輸入占空比與電機轉(zhuǎn)速呈良好的線性關(guān)系（2高達0.999 7）。因此，在線性范圍內(nèi)，可以將PID輸出的修正增量()作為占空比的修正增量。同時，由于CCRx的值與占空比也呈線性關(guān)系（系數(shù)為），因此將·()作為CCRx的增量值。經(jīng)過2次變化即可實現(xiàn)BLDC電機的轉(zhuǎn)速閉環(huán)PID控制。

圖7 有感直流無刷（BLDC）電機PID閉環(huán)控制流程

圖8 有感直流無刷電機轉(zhuǎn)速與占空比關(guān)系

3.2 播種監(jiān)控程序設(shè)計

根據(jù)國標(biāo)《單粒（精密）播種機試驗方法》（GB/T 6973－2005）對播種質(zhì)量進行判定，由于國標(biāo)中對于播種質(zhì)量的計算以種子間距為依據(jù)，而光電式傳感器的輸出信號為方波信號，通過定時器處理，可以計算出相鄰兩粒種子下落的時間間隔，算法流程如圖9a所示。首先對定時器TIM2進行初始化，并開啟上升沿捕獲中斷和溢出中斷，當(dāng)有一粒種子進入光電傳感器感應(yīng)區(qū)時，會產(chǎn)生一個上升沿信號并觸發(fā)中斷，此時獲取脈沖計數(shù)器當(dāng)前值t，下一粒種子進入感應(yīng)區(qū)時同樣會觸發(fā)中斷，獲取脈沖計數(shù)器當(dāng)前值t+1，考慮到存在2粒種子下落相隔時間較長的情況，在計算時，還應(yīng)該統(tǒng)計出定時器的溢出次數(shù)，綜上，計算公式為

式中為定時器自動重裝載值；為定時器計數(shù)頻率，Hz。

株距可由式（5）得出

式中為當(dāng)前播種機速度，m/s，在實際作業(yè)時值由GPS接收器獲取，通過變量播種控制系統(tǒng)主控制器解析后經(jīng)CAN總線下發(fā)至各個單體驅(qū)動器。設(shè)預(yù)設(shè)株距為S，在某一給定t時刻，播種機前進速度為v，則參考時間間隔?t=S/v，此時2粒種子實際的下落時間間隔為?t，結(jié)合國標(biāo)《單粒（精密）播種機試驗方法》（GB/T 6973－2005）中合格率、漏播率、重播率的統(tǒng)計方法，可以通過比較兩粒種子實際下落時間間隔?t和參考時間間隔?t對重漏播進行劃分：重播區(qū)：?t∈（0~≤0.5?t）；合格區(qū)：?t∈（0.5?t~≤1.5?t）；1次漏播區(qū)：?t∈（1.5?t~≤2.5?t）；2次漏播區(qū)：?t∈（2.5?t~ ≤3.5?t）；3次漏播區(qū)：?t∈（3.5?t~∞）。依據(jù)上述區(qū)間劃分方法編寫播種質(zhì)量指標(biāo)計算算法，其流程如圖9b所示。

圖9 播種監(jiān)控流程

4 單體驅(qū)動器PID參數(shù)整定

在空載條件下，以設(shè)定排種器驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速為900 r/min為例，在啟動跳變值（定時器TIM1的CCRx的值，本例中配置時鐘周期為1 500，計數(shù)模式為中央計數(shù)）為1 000時，對控制器的PID參數(shù)進行整定，遵從“先比例、后積分、最后微分”的整定思想，按照傳統(tǒng)整定方式進行多次處理，得到優(yōu)化后的比例系數(shù)為K=0.000 04、積分系數(shù)K=0.000 3、微分系數(shù)K=0.000 01；由于電機的驅(qū)動PWM波的占空比在0～100%之間，為了防止調(diào)節(jié)值過大，超出該范圍，通過keil開發(fā)環(huán)境對抗飽和值進行調(diào)試，得到保證電機啟動和調(diào)速不出現(xiàn)抖動現(xiàn)象的輸出最大值max0.024，輸出最小值min0.024。按照這些PID參數(shù)的取值配置控制器，讀取到電機啟動的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖10a所示。

圖10　電機啟動特性和調(diào)速特性分析

圖10中轉(zhuǎn)速采樣時間間隔為0.1 s，可以看出：電機啟動過程中，上升時間為0.2 s，最大偏差為909.37 r/min，超調(diào)量為1.04%；穩(wěn)定后，最大偏差為907.617 r/min，偏差率0.846%；最小偏差為892.383 r/min，偏差率為0.846%?？傮w而言，PID參數(shù)選擇合理，電機啟動性能良好。

為進一步驗證該PID參數(shù)的合理性，分別在300、600、900、1 200、1 500、1 800 r/min這6個設(shè)定速度梯度下觀察電機啟動的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)轉(zhuǎn)速為300 r/min時，超調(diào)量達到94%，控制性能變差。但隨著設(shè)定轉(zhuǎn)速的增加，超調(diào)量逐漸降低，并在900 r/min時達到最佳值，最終在設(shè)定轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時，超調(diào)量為0.8%；但調(diào)整時間則呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，從300到1 800 r/min，上升時間由0.2增加到了0.8 s，故認為電機控制仍存在一定的問題。分析電機的控制程序，發(fā)現(xiàn)主要有PID參數(shù)和啟動跳變值2個影響因素，在查閱文獻的過程中未發(fā)現(xiàn)啟動速度變化和PID參數(shù)值的相關(guān)關(guān)系，故猜測該變化的影響因素為啟動跳變值。故在設(shè)定速度（1 420 r/min）不變的情況下，調(diào)整啟動跳變值的大小，得到電機啟動的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線如圖10b所示。

由圖10可以明顯看出，隨著啟動跳變值的增加，轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線的超調(diào)量逐漸減小，上升時間逐漸增大，并且存在一個最佳的啟動跳變值，使得超調(diào)量和上升時間能夠同時達到最佳。定量分析可以發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線對應(yīng)的啟動跳變值為600和700。因此，當(dāng)電機以不同的設(shè)定速度啟動時，需要配置不同的啟動跳變值，以使啟動轉(zhuǎn)速的響應(yīng)曲線達到最優(yōu)。

由于在開環(huán)條件下，電機轉(zhuǎn)速和驅(qū)動PWM波的占空比呈良好的線性關(guān)系，而啟動跳變值決定PWM波的占空比，因此在開環(huán)條件下建立速度與啟動跳變值的對應(yīng)曲線，并尋找啟動跳變值和最優(yōu)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線的關(guān)聯(lián)性。

從圖10c可知，電機轉(zhuǎn)速和啟動跳變值也呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，并且當(dāng)電機轉(zhuǎn)速為1 420 r/min時，啟動跳變值為603，恰好與最優(yōu)響應(yīng)曲線所對應(yīng)的跳變值重合。故猜想當(dāng)啟動跳變值為開環(huán)條件下電機轉(zhuǎn)速所對應(yīng)的跳變值時，電機啟動的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線最優(yōu)。所以在300、600、900、1 200、1 500、1 800 r/min這6個設(shè)定速度梯度下，分別用擬合式（=?0.552 6+1 387.2）計算出對應(yīng)的啟動跳變值，觀察電機啟動的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線發(fā)現(xiàn)，在各個速度梯度下，上升時間穩(wěn)定在0.2～0.4 s之間，超調(diào)量最大為1.56%，電機啟動特性得到明顯優(yōu)化。

5 試驗與分析

5.1 單體驅(qū)動器工作性能試驗

采用實驗室現(xiàn)有的適用于電驅(qū)的氣壓組合孔式玉米精量排種器[28-29]進行試驗，該排種器利用正壓工作，工作壓力2～3 kPa。采用CAN總線分析儀模擬變量播種控制系統(tǒng)主控制器向單體驅(qū)動器發(fā)送轉(zhuǎn)速控制指令，再由單體驅(qū)動器驅(qū)動排種器，利用玉米排種器排種質(zhì)量檢測儀對其排種質(zhì)量進行檢測，檢測結(jié)果通過合格率、重播率和漏播率評價，考慮到改變播量和前進速度的效果是一致的，最終都是改變驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，所以本試驗將株距設(shè)為25 cm的定值，前進速度設(shè)為3、5、7、9、11 km/h 5個梯度。選用鄭單958玉米種子作為試驗對象，其千粒質(zhì)量為351 g，含水量12.8%，按照國標(biāo)相關(guān)規(guī)定[30]，每次測量種子量為251粒，統(tǒng)計結(jié)果如圖11所示。

圖11 單體驅(qū)動器播種效果統(tǒng)計

根據(jù)檢測結(jié)果可以看出：在前進速度為3～9 km/h時，合格率大于95.7%，重播率小于4.3%，漏播率小于1.4%；當(dāng)前進速度為11 km/h時，受排種器性能影響，合格率下降到89%，漏播率增加到10%左右。此外，試驗發(fā)現(xiàn)排種器驅(qū)動電機能夠按照CAN總線分析儀模擬信號進行準確調(diào)速，證明了單體驅(qū)動器CAN通訊電路的可靠性。

5.2 單體驅(qū)動器播種檢測性能試驗

選用實驗室現(xiàn)有的排種器性能檢測儀[31]與單體驅(qū)動器的播種檢測功能進行對比。試驗時，將單體驅(qū)動器的光電傳感器靠近排種器性能檢測儀光電傳感器的下端安置，選用指夾式排種器作為檢測對象，如圖12所示。

1.排種器檢測儀光電傳感器 2.單體驅(qū)動器光電傳感器 3.指夾式排種器

1.Photoelectric sensor of seed meter detector 2.Photoelectric sensor of row-unit driver 3.Picker finger seed drill

圖12 播種檢測對比試驗

Fig.12 Comparison test of two test methods

指夾式排種器型孔數(shù)為12，播種株距設(shè)為25 cm，排種器轉(zhuǎn)速設(shè)為16、33、50、66 r/min，對應(yīng)的前進速度分別為3、6、9、12 km/h，設(shè)定目標(biāo)下種數(shù)為251粒，待排種器穩(wěn)定工作后同時打開二者的檢測功能，選取合格率、重播率、漏播率為檢測指標(biāo)，每個速度測試3次，取平均值后統(tǒng)計結(jié)果如圖13所示。

圖13 兩種檢測方式統(tǒng)計結(jié)果

由圖13可知：在前進速度為3 km/h時，3項指標(biāo)檢測結(jié)果十分相近，最大差值僅為0.1個百分點；當(dāng)前進速度逐漸上升時，兩者的偏差逐漸增大，單體驅(qū)動器測得的3項指標(biāo)都小于排種器檢測儀，但在不同的速度梯度下，兩者合格率相差不超過2個百分點，重播率不超過1.1個百分點，漏播率不超過0.9個百分點，總體來看單體驅(qū)動器的檢測精度符合使用要求。

5.3 結(jié)果分析與討論

種子下落時，如忽略在導(dǎo)種管內(nèi)的碰撞情況，只考慮豎直方向的運動，則相鄰2個種子a、b從脫離排種器型孔到落入種床所經(jīng)歷的運動狀態(tài)是一致的，設(shè)兩者至落種口的距離分別為h、h兩者從落種口下落的時間差為Δ從a種子脫離排種器型孔時計時，則時刻有

式中v、v為種子從型孔脫離時豎直方向的初速度，由于2粒種子經(jīng)歷的運動狀態(tài)是一致的，所以v=v。

2粒種子豎直方向的距離

式中Δ為相對極小值，故去掉式（8）中的高階項

h?h=(+v)Δ（9）

通過式（9）可以看出，在排種器轉(zhuǎn)速恒定（即Δ恒定）的情況下，下落過程中相鄰兩種子在導(dǎo)種管的距離h?h是越來越大的，光電傳感器在導(dǎo)種管上的安裝位置越低，越有利于檢驗出重播。這也是試驗中單體驅(qū)動器所測重播率高于排種器檢測儀的一種原因，在評價單體驅(qū)動器性能時應(yīng)給予考慮。

6 結(jié) 論

1）設(shè)計的單體驅(qū)動器驅(qū)動模塊采用P-N三相全橋驅(qū)動電路，PID閉環(huán)控制策略，PID整定參數(shù)為：比例系數(shù)0.000 04、積分系數(shù)0.000 3、微分系數(shù)0.000 01。根據(jù)轉(zhuǎn)速修正CCRx的初值，電機空載啟動試驗表明：在300～1 800 r/min的設(shè)定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線的最大上升時間為0.4 s，最大超調(diào)量為1.56%，啟動性能良好。

2）設(shè)計的播種質(zhì)量檢測模塊，信號完整性測試結(jié)果表明：光電傳感器的輸出信號經(jīng)過處理后，信號波形規(guī)整，邊沿陡峭，便于單片機檢測。與實驗室現(xiàn)有的排種器性能檢測儀對比試驗顯示：在3～12 km/h不同速度梯度下，兩者合格率相差不超過2個百分點，重播率不超過1.1個百分點，漏播率不超過0.9個百分點，單體驅(qū)動器的檢測精度符合使用要求。

總體而言，設(shè)計的基于STM32F103的單體驅(qū)動器，運行穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)排種器的穩(wěn)定驅(qū)動、播種質(zhì)量實時精確檢測、CAN通訊等功能。單體驅(qū)動器的信號完整性測試結(jié)果表明：控制器電源的波紋電壓降低46.5%，符合單體驅(qū)動器要求；各模塊信號傳輸穩(wěn)定，邏輯合理，信號完整性良好。排種器工作性能試驗顯示：在3～9 km/h，排種器的合格率大于95.7%，重播率小于4.3%，漏播率小于1.4%，單體驅(qū)動器的排種器驅(qū)動性能可靠；播種質(zhì)量檢測結(jié)果表明：播種質(zhì)量檢測模塊同現(xiàn)有的檢測設(shè)備精度類似，能夠滿足變量播種作業(yè)的檢測要求，單體驅(qū)動器的功能完整性良好。

[1] 中國土地礦產(chǎn)海洋資源統(tǒng)計公報[R]. 中華人民共和國自然資源部，2017.

[2] 孫立民，王福林. 變量播種施肥技術(shù)研究[J]. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，40(3)：115－120.

Sun Limin, Wang Fulin. Research on variable rate seeding and fertilization technology[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2009, 40(3): 115－120. (in Chinese with English abstract)

[3] 高曉燕，湯楚宙，吳明亮. 變量播種技術(shù)在精細農(nóng)業(yè)中的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J]. 企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2011，30(5)：1－3.

Gao Xiaoyan, Tang Chuzhou, Wu Mingliang. The status and developing prospect of variable seeding technology used in precision agriculture[J]. Technological Development of Enterprise, 2011, 30(5): 1－3. (in Chinese with English abstract)

[4] 張小超，胡小安，苑嚴偉，等. 精準農(nóng)業(yè)智能變量作業(yè)裝備研究開發(fā)[J]. 農(nóng)業(yè)工程，2011,1(3)：26－32.

Zhang Xiaochao, Hu Xiao'an, Yuan Yanwei, et al. Research and development of intelligent agricultural machinery on precision agriculture[J]. Agricultural Engineering, 2011,1(3): 26－32.(in Chinese with English abstract)

[5] 張國梁，蔡小娜，劉志軍，等. 精細農(nóng)業(yè)變量作業(yè)研究現(xiàn)狀[J]. 中國農(nóng)機化，2012(1)：80－83.

Zhang Guoliang, Cai Xiaona, Liu Zhijun, et al. Research progress on variable rate operation in precision agriculture[J]. Chinese Agricultural Mechanization, 2012(1): 80－83. (in Chinese with English abstract)

[6] VDrive. Add Capability [EB/OL]. [2018-12-21]. http://www.precisionplanting.com/#products/vdrive/.

[7] DeltaForce. Why Focus On Down Force Control [EB/OL]. [2018-12-21]. http://www.precisionplanting.com/#products/ deltaforce/.

[8] You Can Make a Real Difference During Planting if You Can Pay Attention to Your Planter: 20/20 SeedSense Makes It Happen[EB/OL]. [2018-12-21]. http://www.precisionplanting.com/#products/seedsense/.

[9] Field-IQ Crop Input Control System[EB/OL]. [2018-12-21]. https://agriculture.trimble.com/precision-ag/products/field-iq/

[10] Field-IQ Crop Input Control System Datasheet [EB/OL]. [2018-12-21]. http://www.hayesspraying.com.au/pdfs/Field- IQ%20Brochure.pdf.

[11] Field-IQ Crop Input Control System Installation Instructions [EB/OL]. [2018-12-21]. http://www.hayesspraying.com.au/ pdfs/support/Field%20IQ%20Installation.pdf.

[12] Field-IQ Crop Input Control System Cabling Guide [EB/OL]. [2018-12-21]. http://www.newhollandplm.com/upload/a6188eb4- 3ab1-4966-8aa3-d9579f18edb7G-02%20-%20Field-IQ%20Cabling%20Guide.pdf.

[13] 印祥，楊騰祥，金誠謙，等. 玉米精量播種智能控制系統(tǒng)研制[J]. 農(nóng)機化研究，2018,40(9)：125－128.

Yin Xiang, Yang Tengxiang, Jin Chengqian, et al. Design of real-time mixing system for seed coating of forage seeds[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2018,40 (9): 125－128. (in Chinese with English abstract)

[14] 丁友強，楊麗，張東興，等. 基于GPS測速的電驅(qū)式玉米精量播種機控制系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2018，49(8)：42－49.

Ding Youqiang, Yang Li, Zhang Dongxing, et al. Control system of motor-driving maize precision planter based on GPS speed measurement[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018,49 (8): 42－49. (in Chinese with English abstract)

[15] 張春嶺，吳榮，陳黎卿. 電控玉米排種系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2017，48(2)：51－59.

Zhang Chunling, Wu Rong, Chen Liqing. Design and test of electronic control seeding system for maize[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(2): 51－59. (in Chinese with English abstract)

[16] 賈昊，刁培松，程衛(wèi)東，等. 基于電機直驅(qū)的玉米播種機控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 農(nóng)機化研究，2018,40(3)：238－242.

Jia Hao, Diao Peisong, Cheng Weidong, et al. The design of adaptive spacing of maize no-tillage planter[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2018,40 (3): 238－242. (in Chinese with English abstract)

[17] 程衛(wèi)東，張國海，阮培英，等. 國內(nèi)玉米（大豆）精密播種機排種器電驅(qū)應(yīng)用分析[J]. 中國農(nóng)機化學(xué)報，2017(8)：13－16.

Cheng Weidong, Zhang Guohai, Ruan Peiying, et al. Application review on electric-driven seed metering device of domestic precision seeder formaize or soybean[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2017(8): 13－16. (in Chinese with English abstract)

[18] 張振濤. 電力驅(qū)動式玉米精密播種控制系統(tǒng)的研究[D].長春：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017.

Zhang Zhentao. Electric Drive Control System of Type Corn Precision Seeding[D]. Changchun: Jilin Agricultural University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[19] 苑嚴偉，張小超，吳才聰，等. 玉米免耕播種施肥機精準作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(8)：222－226.

Yuan Yanwei, Zhang Xiaochao, Wu Caicong, et al. Precision control system of no-till corn planter[J] .Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(8): 222－226. (in Chinese with English abstract)

[20] 安秋，姬長英，周俊，等. 基于CAN總線的農(nóng)業(yè)移動機器人分布式控制網(wǎng)絡(luò)[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2008，39(6)：123－126.

An Qiu, Ji Changying, Zhou Jun, et al. Distributed control network for CAN-based autonomous agricultural robot[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2008, 39(6): 123－126. (in Chinese with English abstract)

[21] Speckmann Hermann, Jahns Gerhard. Development and application of an agricultural BUS for data transfer[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 1999, 23(3): 219－237.

[22] Stone Marvin L. An electronic communications protocol for agricultural equipment[J]. Agricultural Equipment Technology Conference, 1999: 7－10.

[23] 郭慶鼎，趙希梅. 直流無刷電動機原理與技術(shù)應(yīng)用[M]. 北京：中國電力出版社，2008.

[24] 王廣平，馬選謀. 速度反饋信號的檢測和處理[J]. 機械與電子，2004(8)：59－62.

Wang Guangping, Ma Xuanmou. Application of digital phase-locked loop technology in meterage speed of motor[J]. Machinery & Electronics, 2004(8): 59－62. (in Chinese with English abstract)

[25] 袁先圣，劉星，葉波. STM32的無刷直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013(10)：17－20.

Yuan Xiansheng, Liu Xing, Ye Bo. BLDC motor control system based on STM32 MCU[J]. Microcontrollers & Embedded Systems, 2013(10): 17－20. (in Chinese with English abstract)

[26] 高文武. 無刷直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

Gao Wenwu. Design and Realization of Brushlcss DC Motor[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2012. (in Chinese with English abstract)

[27] 汪俊杰. 新型無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2008.

Wang Junjie. Research on Novel Driver System for BLDC Motor[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2008. (in Chinese with English abstract)

[28] 史嵩. 氣壓組合孔式玉米精量排種器設(shè)計與試驗研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

Shi Song. Design and Experimental Research of the Pneumatic Maize Precision Seed-metering Device with Combined holes[D]. Beijing: China Agricultural University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[29] 史嵩，張東興，楊麗，等. 氣壓組合孔式玉米精量排種器設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30(5)：10－18.

Shi Song, Zhang Dongxing, Yang Li, et al. Design and experiment of pneumatic maize precision seed-metering device with combined holes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(5): 10－18. (in Chinese with English abstract)

[30] 中國國家標(biāo)準化管理委員會. 單粒（精密）播種機試驗方法：GB/T 6973-2005 [S]. 北京：中國標(biāo)準出版社，2005.

[31] 和賢桃，郝永亮，趙東岳，等. 玉米精量排種器排種質(zhì)量自動檢測儀設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2016，47(10)：19－27.

He Xiantao, Hao Yongliang, Zhao Dongyue, et al. Design and experiment of testing instrument for maize precision seed meter's performance detection[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(10): 19－27. (in Chinese with English abstract)

Design of row-unit driver for maize variable rate planter

Ding Youqiang, Yang Li※, Zhang Dongxing, Cui Tao, Zhang Kailiang,Wang Mantao

(1.,,100083,; 2.,100083,)

Most of the motor drivers and monitoring sensors used in domestic electric drive precision maize planter are directly connected to the main controller. It’s difficult to expand the number of sowing rows and cannot meet the requirements of variable sowing operation for independent control of each single sowing unit. In order to reduce the coupling of the control system and alleviate the calculation pressure of the main controller, a hardware structure of row-unit controller based on STM32F103 was built, including motor drive circuit and seed quality detection circuit. The P-N 3-phase full-bridge BLDC (brushless direct current) motor drive circuit was based on FAN3278, which could regulate the rotate speed and prevent overload. The seed quality detection circuit was based on photoelectric sensor, which could realize photoelectric isolation and shaping of the sensor signal. The results of signal integrity test indicated that ripple voltage reduced 46.5%, signal transmission of each module was stable and working logic was reasonable. Moreover, a software architecture of the row-unit controller was constructed, the core algorithm included BLDC motor driving program and seed quality detection program was designed. A PID closed-loop control algorithm was used for BLDC motor driver to overcome the shortcomings of open-loop control. The final tuned PID parameter values：Proportional constant was 0.000 04，integration constant was 0.000 3，differential constant was 0.000 01. The results of no-load starting test on BLDC motor indicated that: within a set speed range of 300 -1 800 r/min, the max rise time was 0.4 s and the maximum overshoot was 1.56% on the speed response curve, the start performance met the requirement and speed of motor was improved. The data exchanged between the row-unit driver and the main controller via the CAN bus. The overall test results of the row-unit driver confirmed that it could realize the function of the seed metering driving, the seeding quality detection, and CAN communication with the main controller. The performance test results of seed metering device driving showed that the qualified index was more than 95.7% , the multiple index was less than 4.3%, and the miss index was less than 1.4% when forward speed was 3-9 km/h, which was higher than the national standard GB/T 6973-2005 requirement. The comparison test between the designed single unit driver and seed meter detector for performance evaluation revealed that the detection results were basically coincident. The maximum difference of precision index was only 0.1 percentage points when the speed was 3 km/h. The difference of the qualified index between the seed meter detector and the single unit driver was no more than 2 percentage points, the multiple index was no more than 1.1 percentage points, and the miss index was no more than 0.9 percentage points under different speed gradients. To sum up, the performance of the developed row-unit driver is applicable, and it can be applied in variable rate seeding.

mechanization; design; control; variable rate seeding; seeding quality inspection; row-unit driver; CAN bus

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.001

S24

A

1002-6819(2019)-11-0001-09

2018-12-25

2019-05-15

十三五國家重點研發(fā)計劃“精量播種技術(shù)裝備研發(fā)”（NO.2017YFD0700703）；國家自然科學(xué)基金資助項目（51575515）；國家玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)項目（CARS-02）

丁友強，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)裝備智能化研究。Email：dyq@cau.edu.cn

楊 麗，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)裝備智能化和玉米生產(chǎn)全程機械化研究。Email：yl_hb68@ 126.com.

中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會會員：楊 麗（E041200411S）

丁友強，楊 麗，張東興，崔 濤，張凱良，王滿濤. 玉米變量播種機單體驅(qū)動器的設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(11)：1－9. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.001 http://www.tcsae.org

Ding Youqiang, Yang Li, Zhang Dongxing, Cui Tao, Zhang Kailiang, Wang Mantao. Design of row-unit driver for maize variable rate planter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 1－9. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.001 http://www.tcsae.org