關鍵詞：播種機；PID；小麥；精量播種；電驅(qū)動；田間試驗

0 引言

河西走廊一帶是甘肅省小麥主產(chǎn)區(qū)，播種是小麥種植的關鍵環(huán)節(jié)[1]。目前，小麥播種機大多采用由地輪驅(qū)動的外槽輪式排種器和由風機提供壓差的氣力式排種器[2]。外槽輪式排種器在作業(yè)過程中，當田間地面起伏不平時，由于地輪打滑無法驅(qū)動排種軸轉(zhuǎn)動，導致漏播現(xiàn)象，嚴重影響小麥產(chǎn)量[3]。氣力式排種器雖能解決漏播和種子破損等問題，但主要適用于大地塊作業(yè)，而且價格較高，暫不適合在河西走廊一帶推廣。近年來，為提高小麥播種質(zhì)量和減少漏播率，針對傳統(tǒng)機械驅(qū)動播種機存在的問題，研究人員對電驅(qū)動精密播種技術進行了大量研究[4-10]。KAMGARS等[11]設計了一種小麥電驅(qū)動排種控制裝置，有效提高了高速作業(yè)條件下播種的均勻性。JAFARIM等[7]基于直流電機工作原理研發(fā)了谷物播種機閉環(huán)控制系統(tǒng)，有效縮短了控制系統(tǒng)響應時間，提高了播種機作業(yè)效率。閆青[12]研發(fā)了一款能實現(xiàn)玉米單粒精播和小麥精量條播的電驅(qū)動排種控制系統(tǒng)，具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，降低了小麥玉米輪作模式的作業(yè)難度。彭強吉等[13]設計了一種由電機驅(qū)動代替地輪驅(qū)動的小麥單粒精密播種機，提高了小麥播種的智能化水平。

本設計在前人研究的基礎上，研發(fā)了一種基于PID控制的小麥智能播種機，利用電驅(qū)動技術可根據(jù)不同地區(qū)農(nóng)戶的要求快速調(diào)整單位面積播種量，也能避免因地輪打滑造成的漏播問題，精確控制小麥單位面積播種量，提高小麥播種質(zhì)量。

1 設計方案及工作原理

1.1 總體方案設計

根據(jù)河西走廊一帶小麥種植農(nóng)藝要求和田間作業(yè)條件，設計了基于PID控制的小麥智能播種機，主要由電控系統(tǒng)、編碼器、直流無刷電機、測速編碼器、雙圓盤開溝器、種箱、排種器和鎮(zhèn)壓輪等組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

小麥智能播種機田間作業(yè)時，與地輪同軸安裝的速度傳感器采集播種機行進速度，驅(qū)動電機根據(jù)其行進速度、單位面積播種量及小麥智能播種機的相關參數(shù)，計算出播種輪轉(zhuǎn)速的給定值，利用PID控制器實現(xiàn)對播種輪轉(zhuǎn)速的控制，使排種輪轉(zhuǎn)速根據(jù)播種機行進速度快速變化。排出的種子通過排種管落入種溝內(nèi)，鎮(zhèn)壓輪進行覆土鎮(zhèn)壓。電控系統(tǒng)由拖拉機電瓶進行供電。

1.3 電驅(qū)動控制系統(tǒng)

小麥智能播種機電驅(qū)動排種控制系統(tǒng)主要由低速直流減速電機驅(qū)動模塊、人機界面、微處理器、DC/DC升壓模塊和48V直流無刷電機組成，如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)運行時，通過微處理器計算獲得小麥智能播種機行進速度，駕駛員在人機交互模塊的參數(shù)界面輸入用戶要求的單位面積播種量后，通過安裝在地輪上的速度傳感器采集機具前進速度；系統(tǒng)通過作業(yè)速度和預先設定的單位面積播種量得出外槽輪排種軸的實際轉(zhuǎn)速；由PID控制器自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速；最終由電機帶動排種軸轉(zhuǎn)動，控制排種軸快速響應排出預先設定的種子質(zhì)量，實現(xiàn)小麥精量播種。

2 關鍵部件設計

（1）微處理器。電驅(qū)動排種控制系統(tǒng)微處理器模塊選用艾莫迅公司生產(chǎn)的CPU224XP處理器，具有高速技術、光電隔離、通信方便和低成本等特點。

（2）直流減速電機。根據(jù)小麥智能播種機作業(yè)時的行進速度要求和作業(yè)環(huán)境，驅(qū)動電機選用額定電壓24V、額定功率600W、額定電流21A的直流減速電機，如圖3所示。并配備100A的調(diào)節(jié)器，其轉(zhuǎn)速范圍0～100r/min。

（3）測速編碼器。選用空心軸光電旋轉(zhuǎn)電梯編碼器作為速度傳感器，安裝在地輪軸上采集小麥智能播種機行進速度，編碼器與地輪同軸[14]。根據(jù)小麥智能播種機作業(yè)環(huán)境，將編碼器安放在保護殼內(nèi)，編碼器轉(zhuǎn)軸通過連接器、測速軸套與測速軸連接，測速編碼器安裝示意如圖4所示。

（4）人機交互界面。小麥智能播種機人機交互模塊選用的是MCGS昆侖通態(tài)TPC7012EL觸摸屏，主要由校準界面與參數(shù)界面組成，如圖5所示。用戶可以通過觸摸屏界面調(diào)整小麥單位面積播種量作業(yè)參數(shù)，也可以通過界面統(tǒng)計已播面積和行進速度。

（5）物料傳感器。物料傳感器為漏播監(jiān)測傳感器，選用電容式傳感器，如圖6所示。種箱內(nèi)均勻布置3個物料傳感器，如遇種箱內(nèi)的小麥種子低于傳感器安裝位置，監(jiān)測裝置自動報警。

3 室內(nèi)試驗

為了驗證研發(fā)的電驅(qū)動排種控制系統(tǒng)的準確性和可靠性，針對不同小麥智能播種機行進速度，進行不同單位面積播種量下的排種精度室內(nèi)試驗。

3.1 試驗材料與準備

試驗材料選用甘肅瑞豐種業(yè)有限公司研制的寧春11號小麥品種，千粒質(zhì)量44.2g。播種機作業(yè)行數(shù)13行，排種器為外槽輪式排種器。

3.2 試驗方法

影響小麥智能播種機單位面積播種量的主要因素是外槽輪的有效工作長度[15-17]。由前期預試驗結(jié)果和文獻得出，當外槽輪排種器有效工作長度固定為某一數(shù)值時，排種量與排種軸轉(zhuǎn)速呈線性關系[18-19]。

利用裝有減速器的交流調(diào)速電機模擬小麥智能播種機在作業(yè)加速、勻速和減速3個階段的不同行進速度，分別測試小麥智能播種機行進速度在4、6、8和10km/h作業(yè)條件下對電驅(qū)動排種控制系統(tǒng)控制精度進行測量，分別測量每行排種量和整機總排種量，每組試驗重復3次，取平均值，測量過程如圖7所示，得出不同作業(yè)條件下的總排種量試驗數(shù)據(jù)，如表1所示。

3.3 試驗結(jié)果

由表1可知，小麥智能播種機在低速、中速、中高速和高速等不同作業(yè)條件下實際單位面積播種量與設定單位面積播種量誤差均lt;2%，滿足農(nóng)藝上對小麥精量播種的技術要求。在中速和中高速作業(yè)條件下，智能排種控制系統(tǒng)控制精度高于低速和高速作業(yè)條件，穩(wěn)定性好。每行排種量變異系數(shù)平均值1.21%。

4 田間試驗

為測試小麥智能播種機控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，以甘肅畜牧工程職業(yè)技術學院與武威市農(nóng)業(yè)機械化技術推廣中心、甘肅天誠農(nóng)機具制造有限公司聯(lián)合研制的13行小麥智能播種機為平臺，試驗材料選用未分級的寧春11號小麥品種。

田間播種試驗于2022年10月6日在武威市涼州區(qū)武南鎮(zhèn)下中畦村高標準農(nóng)田示范點，土壤類型為沙質(zhì)土，如圖8所示。田間試驗時，在泰山-554C型拖拉機安裝北斗導航無人駕駛系統(tǒng)，設定拖拉機行進速度5.6km/h；設定單位面積播種量450、525、600和675kg/hm2，每組試驗重復3次，實際小麥單位面積播種量田間試驗結(jié)果如表2所示。在各種單位面積播種量下，小麥智能播種機單位面積播種量相對誤差≤2.33%；結(jié)合室內(nèi)試驗與田間驗證試驗結(jié)果表明，基于PID控制的小麥智能播種機在大田環(huán)境作業(yè)時，不同行進速度、單位面積播種量條件下均能滿足小麥種植農(nóng)藝要求，無缺苗斷壟現(xiàn)象。

由表2可知，小麥智能播種機田間作業(yè)相對誤差大于室內(nèi)試驗結(jié)果，主要是受到作業(yè)環(huán)境的影響，如振動、地面起伏等因素的影響。田間試驗結(jié)果滿足農(nóng)藝上對小麥精量播種的技術要求。

5 結(jié)束語

設計了基于PID控制的小麥智能精量播種機，并開展了室內(nèi)試驗和田間驗證試驗。

（1）搭建了以PLC控制器為核心的電驅(qū)動小麥智能排種系統(tǒng)。預先在人機交互界面設定單位面積播種量，由編碼器采集播種機行進速度；然后利用PID控制器控制電機轉(zhuǎn)速，并由物料傳感器監(jiān)測種箱剩余種子情況，實現(xiàn)小麥精量播種。

（2）室內(nèi)試驗表明，播種機在低速、中速、中高速和高速等不同作業(yè)條件下實際單位面積播種量與設定單位面積播種量誤差均lt;2%，滿足小麥精量播種的農(nóng)藝要求。在中速和中高速作業(yè)條件下，電驅(qū)動智能排種系統(tǒng)控制精度高于低速和高速作業(yè)條件，穩(wěn)定性好。每行排種量變異系數(shù)平均值1.21%。

（3）田間試驗表明，在各種單位面積播種量下，小麥智能播種機單位面積播種量相對誤差≤2.33%；田間作業(yè)的相對誤差大于室內(nèi)試驗結(jié)果，主要是受到作業(yè)環(huán)境的影響，如振動、地面不平等因素的影響。