楊柳，衣淑娟

（黑龍江八一農墾大學，大慶 163319）

TRIZ 理論為發(fā)明問題的解決理論，于1946 年由蘇聯(lián)科學家創(chuàng)設，科學家通過成千上萬的專利研究發(fā)現(xiàn)[1]，無論人們對何種學科進行發(fā)明創(chuàng)造時，都遵循一定的科學方法和科學原則，繼而總結創(chuàng)造了TRIZ 理論，形成了一個綜合理論體系，幫助人們更高效快速解決科學和技術的問題[2-3]。在科學研究中為學者提供一種新型解決問題的方法，其核心思想為遵循客觀發(fā)展規(guī)律解決科學矛盾、難點等問題，在解決問題過程中用最少、最簡單的方法實現(xiàn)最大經濟效益。

1 TRIZ 理論研究現(xiàn)狀

1.1 TRIZ 理論的國外研究現(xiàn)狀

隨著TRIZ 理論體系的發(fā)展，多個國家的學者將TRIZ 理論用于機械、化學、生物學等領域當中，其中也有不少企業(yè)也陸續(xù)開始應用TRIZ 理論進行產品更新設計，在解決問題過程中，應用TRIZ 理論能高效快速的發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并解決問題，大大提高了企業(yè)研發(fā)周期，節(jié)約研究成本，提升企業(yè)收益[4-5]。智利Federico Santa Maria 大學利用TRIZ 理論構建一種建模體系，應用TRIZ 理論中多種工具，在城市火災模型構建廣泛應用[6]。印度尼西亞大學利用TRIZ理論提高電動車總線功能，為殘疾人設施做出貢獻。馬來西亞大學通過TRIZ 理論矛盾矩陣的方法，減輕汽車前罩的重量，同時也有利于減少燃料在發(fā)動機中形成的氣體排放[7]。

1.2 TRIZ 理論的國內研究現(xiàn)狀

近幾年TRIZ 理論在科學研究中TRIZ 理論的應用逐漸增加，國內學者在電子技術、企業(yè)開發(fā)、產品創(chuàng)新、教育教學、建筑、農業(yè)、創(chuàng)業(yè)等幾十個方面均有TRIZ 理論的應用。

2014 年，浙江農林大學在蔬菜苗嫁接機設計上應用TRIZ 理論中的即使矛盾，矛盾矩陣和物場模型等方法，對蔬菜苗嫁接機的關鍵部件進行創(chuàng)新設計。2015 年，哈爾濱理工大學應用TRIZ 理論創(chuàng)新設計一款紅菇娘果去皮機，對其結構進行創(chuàng)新設計，得到最佳方案[8]。2016 年，浙江理工大學將TRIZ 理論引入到人體假肢裝置的優(yōu)化設計當中，利用創(chuàng)新發(fā)明原理、物理矛盾分析等七種原則，得到最終優(yōu)化方案[9]。2017 年，河北工業(yè)大學多名學者利用TRIZ 理論體系解決包裝設計、力學特性分析等多個方面問題。2018年，沈陽建筑大學應用TRIZ 理論創(chuàng)新設計路邊石清洗機，有效清洗路邊石中粉塵、細菌和污泥等，提升城市形象的同時解決影響居民健康的一大隱患[10]。2019 年，山東青島科技大學在高校創(chuàng)新教育培養(yǎng)體系構建與實踐方向引入TRIZ 理論體系，改革人才培養(yǎng)模式，收獲顯著成效。2020 年，開灤集團在礦山數(shù)據(jù)轉換裝置創(chuàng)新設計中應用TRIZ 理論，有效的分析該裝置差異使用狀況，優(yōu)化數(shù)據(jù)轉化功能[11]。

TRIZ 理論體系在國內外幾十個領域中均有應用，對于企業(yè)和科研學者，TRIZ 理論是一種高效、便捷的理論體系選擇，給學者提供多種思路，尋找最優(yōu)解決方案，獲得最終理想解。

2 設計與方法

2.1 電動排種器高效電機設計

在精準農業(yè)生產中，為配合實際生產應用中的高速播種，將傳統(tǒng)動力源由地輪提供改為電機直接驅動排種器，利用排種盤外側鋸齒形與電機傳動齒輪直接嚙合，既可以消除地輪打滑對播種質量的影響，又可以減輕整機重量。在高速播種環(huán)節(jié)中，電驅動更容易實現(xiàn)播種環(huán)節(jié)全程信息化跟蹤和監(jiān)測。

無刷直流電機通過位置傳感器檢測到轉子磁極的位置，利用電子換相線路去驅動位置開關的導通或關斷，依次使電樞繞組饋電，從而在定子電樞上發(fā)出躍進式的旋轉磁場，使得轉子永磁轉子旋轉。無刷直流電機中較常用的是三相繞組兩相導通的方式，位置檢測器常采用霍爾元件位置傳感器[12-13]。

2.1.1 功能分析

在利用TRIZ 理論建立該電機技術系統(tǒng)時，理解系統(tǒng)功能，找到系統(tǒng)問題，對系統(tǒng)中主要功能或者輔助功能進行功能定義、功能分類和功能管理一系列步驟實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化[14]。

傳統(tǒng)播種機排種器的的動力源為地輪，地輪通過鏈輪的傳動帶動排種器進行工作。電動排種器去掉復雜的傳動系統(tǒng)，通過電機直接帶動排種器工作。根據(jù)電動排種器的實際工作情況，建立電動排種器工作系統(tǒng)的組件模型如表1 所示。

表1 系統(tǒng)的組件模型Table 1 System component models

在整理過程中，明確關聯(lián)，辨別功能分類[15]，確定基本功能和輔助功能后，明確逐個功能間的邏輯練習，排列整理重要功能，繪制系統(tǒng)功能模型圖如圖1所示。最終根據(jù)功能模型的分析，整理電動排種器系統(tǒng)功能模型提出技術方案如下：

圖1 系統(tǒng)的功能模型Fig.1 Functional models of the system

設計無損電機，減少由于電機內部損耗而減小播種機的工作效率；對電機內部結構以及內部參數(shù)進行改變，減少原有組成所產生的摩擦損耗、風損、雜散損耗等；在控制系統(tǒng)方面，需進行簡化設計，避免農業(yè)生產者對控制系統(tǒng)的理解不足而影響生產，進而影響推廣；設計新的機械傳動方式，減少機械結構復雜性，降低成本；設計電動排種器，去掉傳動鏈輪，避免土壤對排種器產生的有害作用，提高作業(yè)率；使電動排種器成為一體結構，減少整機結構的復雜性。

2.1.2 矛盾

根據(jù)對電動排種器工作系統(tǒng)的整體分析，找到可能存在的技術矛盾，其技術矛盾表述為：如果增加電機為動力源（原動力源仍為地輪），那么系統(tǒng)自動化增加，但是耗電量增加；如果不改變機械結構（動力源仍為地輪），那么耗電量減少，但是人工操作環(huán)節(jié)增多。

TRIZ 理論提出運用39 個通用工程參數(shù)描述技術矛盾和40 條解決技術矛盾的發(fā)明創(chuàng)新原理，利用這兩個表格，解決系統(tǒng)中的問題[16]。將現(xiàn)實生產生活中形形色色的矛盾問題轉化為標準化技術矛盾參數(shù)，對應參數(shù)表，確定技術矛盾參數(shù)為No.31 物體產生的有害因素，惡化的參數(shù)為No.22 能量損失[17]。按照技術矛盾的工程參數(shù)編號No.31 和No.22，對應查看阿奇舒勒矛盾矩陣表得到參考創(chuàng)新原理可能的解集是：M31-22=[21，35，2，22]；其中：No.21 緊急行動；No.35 參數(shù)變化；No.2 分離；No.22 變有害為有利[11-12]。

根據(jù)以上查表與分析可知，選定發(fā)明原理，結合系統(tǒng)相關性專業(yè)知識，可得到如下解：設計高效控制系統(tǒng)，減小電機反應時間，減少損耗；減小排鐘盤直徑，增加形孔數(shù)，在相同的施播量時，降低電機轉速，減少工作強度，降低損耗；將電機內部易產生高溫的繞組用新型導體材料分割，減少由于相互觸碰產生的升溫情況；改變電機內部組成轉子鐵芯、轉子磁鐵、套管、定子鐵軛、定子線圈、定子槽、軸、輪轂等元件的材料以及參數(shù)。

2.1.3 物場分析

在問題模型建立以后，TRIZ 理論中的物場分析針對基本問題，找到系統(tǒng)特征和規(guī)律，分析并改進系統(tǒng)功能。在解決問題過程中，通過問題分析和描述，簡歷系統(tǒng)與技術之間的功能模型，對應找到一般解和標準解[18]。在物場分析中，一般必須兩個物體和一個場，物體一般包括材料、工具、零件、人和環(huán)境，其中場指的是兩個物體之間產生作用力的一種能量，包含機械場、聲場、化學場、電場和磁場等等分類。

問題描述：播種機在實際作業(yè)生產中存在很多外界不可控因素，例如地塊地形復雜程度，雨水量較多等，會造成電機損耗增加，系統(tǒng)消耗增大，建立物場模型如圖2 所示。

圖2 物-場模型Fig.2 Object field model

利用物場分析最終得到標準解法，又叫通用解法，運用物-場模型將待解決的問題轉化成標準解，形成最終方案[19]。通過對物場分析并運用標準解法，選用增加一個物質S3 來解決該物場模型中效應不足的問題，提出技術解決方案為：增加機車速度實時采集系統(tǒng)，保證在由于土壤等環(huán)境因素導致的打滑等現(xiàn)象出現(xiàn)時，電機能及時調節(jié)排種器，避免重播漏播現(xiàn)象出現(xiàn)。其組合后的氣吸式電驅動排種器結構如圖3 所示，驅動電機通過驅動齒輪帶動排種器的排種盤完成排種工作，結構下排種盤的驅動力完全來自于驅動電機，因此不會產生由于地面驅動輪打滑等因素造成的漏播和播種不均現(xiàn)象。

圖3 氣吸式電驅動排種器結構示意圖Fig.3 Structural schematic diagram of air-suction electric drive metering device

2.2 最終確定方案

通過運用物理矛盾分析求解與物場矛盾分析求解原理等TRIZ 工具進行創(chuàng)新改進設計，綜合全部技術方案，同時考慮到排種器驅動時需要電機具有較高的響應能力，最終確定電動排種器配套驅動電機為無刷直流電動機，其內部由轉子鐵芯、轉子磁鐵、套管、定子鐵芯、定子線圈、定子槽襯里、軸和軸承組成，其結構如圖4 所示。

圖4 無刷直流電動機結構Fig.4 Structure of brushless DC motor

3 試驗與結果分析

3.1 電機效率試驗

3.1.1 試驗設備

電機效率檢測采用扭矩功率試驗儀和多功能測試儀，如圖5、圖6 所示。

圖5 扭矩試驗儀圖Fig.5 Torque tester

圖6 多功能測試儀Fig.6 Multi-function tester

圖7 無刷電機驅動器Fig.7 Brushless motor driver

圖8 TLE9879QXA40 控制芯片針腳分配圖Fig.8 TLE9879QXA40 control chip pin allocation diagram

3.1.2 試驗準備

有刷和無刷兩種電機的控制原理上都是采用調壓的方式進行轉速的控制，但由于無刷直流采用了電子換向，與有刷電機調整電壓電流通過整流子及電刷地轉換，改變電極產生的磁場強弱達到改變轉速的控制方式不同，無刷馬達通過驅動器進行數(shù)字控制才能實現(xiàn)電機轉速控制。因此試驗前需要在前文設計的驅動器基礎上對調速方式進行設計。需要在供電電源的電壓不變，改變電調的控制信號，通過微處理器再改變大功率MOS 管的開關速率，來實現(xiàn)轉速的改變。

研究采用BLDCM 系統(tǒng)閉環(huán)控制設計的驅動電機，通過轉速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)通過控制轉速外環(huán)使電機轉速跟蹤上給定轉速，通過控制電流內環(huán)電流控制提高系統(tǒng)動態(tài)性能?？刂葡到y(tǒng)圖如圖9 所示。而系統(tǒng)中對電機的控制方式采用PWM（Pulse width modulation）斬波控制方式進行內外環(huán)電流控制，設計的控制電路圖如圖10 所示。由于電機與排種器連接具有一定符合，因此，采用H on-L pwm 型調制方式，其波形圖如圖11 所示。該方式下，在改變電極過程中同時包含斬波調速電平和高電平，使電機變速的過程中扭矩變化較小，保證驅動力輸出的穩(wěn)定。

圖9 BLDCM 系統(tǒng)閉環(huán)控制Fig.9 BLDCM system closed loop control

圖10 PWM 斬波控制電路Fig.10 PWM chopper control circuit

圖11 H on-L pwm 型調制方式波形圖Fig.11 Waveform of H ON-L PWM modulation mode

3.2 試驗結果

將設計的無刷電機動端軸與扭矩測試儀連接，同時將多功能測試儀檢測端子接入驅動器控制電路，檢測控制電路中電流給定值。并通過轉速調節(jié)器和電流調節(jié)器調節(jié)電機轉速，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)電路中轉子位置檢測進行轉速檢測。通過扭矩測試儀和多功能檢測儀測試和記錄電機在不同轉速下的扭矩及電流變化情況。測得排種器在工作時，不同轉速下電機的輸入功率和輸出功率，通過轉速、扭矩、電壓和電流值計算電機的輸入和輸出功率，結果如表2所示。排種盤轉速為10、15、20、25r 和30 r·min-1時效率分別為82.4%、82.9%、84.4%、85.9%和83.8%。

表2 試驗結果Table 2 Test results

電機工作效率隨排種器轉速的增加先增大后減小，這是由于低轉速過程中排種器排種盤與充種框間摩擦為靜止摩擦和滑動摩擦交變，摩擦阻力變化幅度較大導致排種器轉速不穩(wěn)，因此無刷電機工作時存在極點變換和驅動電流調節(jié)損耗；當排種器轉速增加，工作趨于平穩(wěn)，電機工作效率達到最大值；隨著轉速的增減，工作過程中存在溫度升高等問題，造成電機熱功耗增加，效率降低；如圖所示，當排種器轉速為25 r·min-1時，電機工作效率達到最大85.9%。

4 結論

基于TRIZ 理論體系開展電驅動排種器高效電機設計，利用功能模型、矛盾矩陣、物場分析等TRIZ理論建立電驅動排種器高效電機系統(tǒng)，對系統(tǒng)進行了改進、完善和優(yōu)化，通過對發(fā)明問題的初始形勢分析和功能分析，完成了組建模型和功能模型的設計，并運用技術矛盾分析等多種工具尋求多種創(chuàng)新方向，通過改變電機結構以及材料等方法，解決實際出現(xiàn)的問題，得到了最符合TRIZ 創(chuàng)新原理體系的設計方案，最優(yōu)高效電機設計方案彌補了現(xiàn)有電機補能完全匹配電動排種器工作性能的缺點，能夠滿足電驅動排種器的運行性能要求，表明TRIZ 理論在產品創(chuàng)新設計過程中的重要作用與指導意義。試驗結果表明，電機工作效率隨排種器轉速的增加先增大后減小，當排種器轉速為25 r·min-1時，電機工作效率達到最大85.9%，提升4%左右。