基于電機(jī)直驅(qū)的玉米播種機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

賈 昊，刁培松，程衛(wèi)東，張 將

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049)

0 引言

從目前已通過(guò)省部級(jí)鑒定和大量推廣應(yīng)用的播種機(jī)看,主要分為氣力式和機(jī)械式兩大類。從結(jié)構(gòu)形式來(lái)看，氣力式排種器有氣吸式、氣壓式、氣吹式及氣力與機(jī)械組合式達(dá)10 余種之多；機(jī)械式排種器更是種類繁多，常用的有垂直圓盤(pán)側(cè)充式、水平圓盤(pán)、傾斜圓盤(pán)、窩眼輪式和窩眼刷種輪式等30余種。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)精密播種機(jī)播種的研究起步比較早，20世紀(jì)80年代中期，國(guó)外農(nóng)業(yè)研究人員便開(kāi)始研究電子控制的排種裝置，目前國(guó)外關(guān)于電子控制的排種裝置的研究日益成熟，已經(jīng)開(kāi)始廣泛推廣。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)對(duì)于精密播種機(jī)的研究與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定差距，且大部分研究多集中在故障監(jiān)測(cè)及報(bào)警方面，而精密播種機(jī)因地輪打滑造成的不均勻播種問(wèn)題仍未得到解決。雖然已經(jīng)研發(fā)了部分排種控制系統(tǒng)，但其在實(shí)用化方面還存在很多問(wèn)題，特別是基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的播種機(jī)排種控制和基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的排種器性能監(jiān)測(cè)成為提高播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵，也是今后對(duì)播種機(jī)研究的主要方向。

目前，國(guó)內(nèi)傳動(dòng)變速結(jié)構(gòu)落后，調(diào)節(jié)使用不便：一是大多數(shù)播種機(jī)仍采用鐵制剛性地輪驅(qū)動(dòng)，且直徑偏小，滑移率高; 二是傳動(dòng)軸支撐多采用普通軸承或滑動(dòng)軸承，傳動(dòng)不靈活，阻力大; 三是傳動(dòng)變速( 株距調(diào)節(jié)) 多采用更換鏈輪方式，變速調(diào)節(jié)不便。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)特點(diǎn)：①體積小、動(dòng)作快反應(yīng)快、過(guò)載能力大、調(diào)速范圍寬；②低速力矩大, 波動(dòng)小，運(yùn)行平穩(wěn)；③低噪音,高效率；④后端編碼器反饋(選配)構(gòu)成直流伺服等優(yōu)點(diǎn)；⑤變壓范圍大，頻率可調(diào)[1-3]。

1 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本株距自適應(yīng)玉米免耕播種機(jī)由車載觸控、導(dǎo)航移動(dòng)站、控制盒、終端盒、伺服無(wú)極變速器和播種單體構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 方案設(shè)計(jì)Fig.1 Scheme and design

工作時(shí)，由移動(dòng)站接受來(lái)自基站的報(bào)文，并將報(bào)文傳遞到控制盒內(nèi)的可編程控制器(PLC)；PLC將報(bào)文中的位置與速度信息讀取并存儲(chǔ)，通過(guò)車載觸控輸入的數(shù)據(jù)與控制器不同的算法向終端盒發(fā)送指令；同時(shí)，PLC將各種信息傳回車載觸控顯示給用戶，可編程控制器(PLC)控制伺服無(wú)極變速器依據(jù)行進(jìn)速度改變播種單體的播種盤(pán)轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到變量播種的目的。本播種機(jī)具有體積小、動(dòng)作快反應(yīng)快、過(guò)載能力大、調(diào)速范圍寬、波動(dòng)小、運(yùn)行平穩(wěn)、低噪音,以及高效率等特點(diǎn)。播種機(jī)的有益效果是能夠通過(guò)現(xiàn)有的導(dǎo)航確定播種機(jī)的播種速度與位置，實(shí)現(xiàn)播種株距自適應(yīng)的目的，大大提高了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平，方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.1 控制系統(tǒng)方案

控制系統(tǒng)包括車載觸控、移動(dòng)站、控制盒與伺服無(wú)極變速系統(tǒng)。

基站發(fā)來(lái)的報(bào)文信息通過(guò)移動(dòng)站接受并發(fā)送給控制盒，控制盒內(nèi)的可編程控制器(PLC)進(jìn)行讀取并存儲(chǔ)在響應(yīng)的寄存器內(nèi)；車載觸控讀取對(duì)應(yīng)寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)并顯示在界面，可編程控制器(PLC)將速度信號(hào)進(jìn)行處理得出電機(jī)轉(zhuǎn)速，傳遞到各個(gè)播種單體上的驅(qū)動(dòng)盒進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)株距自適應(yīng)播種。

1.2 主要性能指標(biāo)和工作參數(shù)

控制系統(tǒng)主要性能指標(biāo)和工作參數(shù)，如表1所示。

表1 主要性能指標(biāo)和工作參數(shù)Table 1 Main performance and operating parameters

2 基于電機(jī)直驅(qū)的排種方案設(shè)計(jì)

對(duì)于單個(gè)氣吸式排種器，由獨(dú)立的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速與拖拉機(jī)行駛速度動(dòng)態(tài)匹配，同時(shí)根據(jù)畝播量，保證播種株距恒定。方案布置圖如圖2所示。

1.伺服電機(jī) 2.光電傳感器 3.電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 4.排種盤(pán) 圖2 玉米播種機(jī)單體Fig.2 Units of corn planter

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)基本原理

該株距自適應(yīng)系統(tǒng)，采用“北斗+地輪”雙通道互補(bǔ)測(cè)速系統(tǒng)測(cè)速，拖拉機(jī)速度信號(hào)通過(guò)可編程控制器(PLC)轉(zhuǎn)換為伺服電機(jī)的脈沖信號(hào)，在伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速與拖拉機(jī)行駛速度之間建立一定的關(guān)系模型，使伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著拖拉機(jī)速度的變化而變化；伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種盤(pán)，使排種盤(pán)轉(zhuǎn)速隨拖拉機(jī)行駛速度動(dòng)態(tài)變化，從而保證株距不隨拖拉機(jī)行駛速度的變化而變化，實(shí)現(xiàn)株距的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)。

PLC在每行的起點(diǎn)與終點(diǎn)分別讀取經(jīng)緯度信號(hào)，并將其存儲(chǔ)在響應(yīng)的寄存器中，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并結(jié)合作業(yè)幅寬計(jì)算相應(yīng)的播種面積。安裝在排種盤(pán)上的光電傳感器，將光電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)通過(guò)可編程控制器傳遞到觸控屏，在觸控屏上顯示相應(yīng)的信息與報(bào)警，實(shí)現(xiàn)智能漏播監(jiān)控報(bào)警。

2.2 速度信號(hào)的獲取

舊驅(qū)動(dòng)方式主要采用地輪驅(qū)動(dòng)，在低速行駛下滑移率較小、可靠度高；在高速作業(yè)下滑移率較大，易產(chǎn)生漏播等現(xiàn)象。而通過(guò)導(dǎo)航測(cè)速可以避免由地輪滑移率較高造成的漏播等現(xiàn)象；因?qū)Ш骄人蓿诘退傩旭偟那闆r下，誤差略大。

綜合兩種形式的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了“北斗+地輪”雙通道互補(bǔ)測(cè)速系統(tǒng)：在低速行駛時(shí)采用地輪測(cè)速，當(dāng)作業(yè)速度達(dá)到一定速度以上時(shí)，切換到北斗測(cè)速。這樣既避免了地輪高速作業(yè)的滑移率較大的問(wèn)題，也改善了低速作業(yè)下精度不夠的問(wèn)題。方案如圖3所示。

圖3 基于電機(jī)直驅(qū)的排種器驅(qū)動(dòng)方案Fig.3 The seed metering based on driver by servo motor

通過(guò)地輪讀取速度信息，在地輪的傳動(dòng)軸上裝有旋轉(zhuǎn)編碼器，作業(yè)時(shí)地輪著地帶動(dòng)傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)編碼器讀取到傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速傳到控制盒中的可編程控制器(PLC)中。當(dāng)通過(guò)導(dǎo)航系統(tǒng)讀取速度信息時(shí)，先獲取報(bào)文信息。報(bào)文格式如下：

$GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>*xx

$GPGGA：起始引導(dǎo)符及語(yǔ)句格式說(shuō)明；

<1> UTC時(shí)間，格式為hhmmss.sss；

<2> 緯度，格式為ddmm.mmmm(第一位是零也將傳送)；

<3> 緯度半球，N或S(北緯或南緯)；

<4> 經(jīng)度，格式為dddmm.mmmm(第一位零也將傳送)；

<5> 經(jīng)度半球，E或W(東經(jīng)或西經(jīng))；

<6> GPS狀態(tài)，0初始化，1單點(diǎn)定位，2碼差分，3無(wú)效PPS，4固定解，5浮點(diǎn)解，6正在估算，7人工輸入固定值，8模擬模式，9WAAS查分；

<7> 使用衛(wèi)星數(shù)量，從00到12(第一個(gè)零也將傳送)；

<8> 水平精度因子，0.5到99.9；

<9> 天線離海平面的高度，-9999.9到9999.9米，M 指單位米；

<10> 大地水準(zhǔn)面高度，-9999.9到9999.9米M 指單位米；

<11> 差分GPS數(shù)據(jù)期限(RTCM SC-104)，最后設(shè)立RTCM傳送的秒數(shù)量，如不是差分定位則為空；

<12> 差分參考基站標(biāo)號(hào)，從0000到1023(首位0也將傳送)。地面速度信息。

(GPVTG)$GPVTG,<1>,T,<2>,M,<3>,N,<4>,K,<5>*hh

<1> 以真北為參考基準(zhǔn)的地面航向(000～359度，前面的0也將被傳輸)；

<2> 以磁北為參考基準(zhǔn)的地面航向(000～359度，前面的0也將被傳輸)；

<3> 地面速率(000.0～999.9節(jié)，前面的0也將被傳輸)；

<4> 地面速率(0000.0～1851.8公里/小時(shí)，前面的0也將被傳輸)；

<5> 模式指示(僅NMEA0183 3.00版本輸出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=數(shù)據(jù)無(wú)效可編程控制器將接受到的報(bào)文格式存儲(chǔ)到指定的寄存器中，再?gòu)奶囟ǖ募拇嫫髦凶x取數(shù)據(jù)。

2.3 株距建模

播種機(jī)是由電機(jī)帶動(dòng)播種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的，株距跟行進(jìn)速度應(yīng)保持一定關(guān)系，以達(dá)到在速度變化時(shí)株距恒定不變。則

(1)

式中D—播種行距(cm)；

L—每畝(667m2)寬為D的地塊長(zhǎng)度。

(2)

式中d—播種株距(cm)；

N—每畝(667m2)地的播種株數(shù)。

(3)

式中v—拖拉機(jī)行進(jìn)速度(km/h)；

n—伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速。

由上式可知

(4)

經(jīng)過(guò)上述計(jì)算可得出在畝株數(shù)一定的情況下，行進(jìn)速度與電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表2所示。

控制器將轉(zhuǎn)速信號(hào)傳遞到播種單體電機(jī)的控制盒內(nèi)，以達(dá)到播種轉(zhuǎn)速隨行進(jìn)速度變化而變化，從而達(dá)到播種株距恒定不變。

2.4 上位機(jī)與車載觸控

車載觸控在前車駕駛室內(nèi)，通過(guò)RS485總線與控制盒相連。觸控屏上可以輸入播種量、行距與施肥量，從寄存器內(nèi)讀取株距和行進(jìn)速度等，再在觸控屏上顯示。觸控屏界面設(shè)計(jì)如圖4所示。

表2 不同行進(jìn)速度與播量條件下電機(jī)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速 Tab.2 Motor speed corresponding to different speed and sowing rate r/min

圖4 觸控屏界面Fig.4 Touch screen interface

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

間性能試驗(yàn)分別在淄博臨淄鳳凰鎮(zhèn)富群農(nóng)機(jī)合作社進(jìn)行，秸稈覆蓋量≥40%，秸稈切碎長(zhǎng)度合格率≥85%、殘茬覆蓋量為0.3～0.6kg/m2(秸稈含水率≤25%)，配套動(dòng)力≥89kW。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)上文的設(shè)計(jì)方法得出的精密播種機(jī)相關(guān)參數(shù)，按照所得參數(shù)對(duì)精密播種機(jī)進(jìn)行樣機(jī)制作，如圖5所示。

圖5 株距自適應(yīng)播種機(jī)樣機(jī)Fig.5 Adaptive spacing corn planter prototype

淄博市農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院對(duì)該機(jī)的粒距合格指數(shù)、合格粒距變異系數(shù)、漏播率及偏離距離等主要性能指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)，均優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果Table 3 Testing results of the corn planter

4 結(jié)論

試驗(yàn)證明：采用氣吸式精量玉米免耕播種機(jī)，播種株距穩(wěn)定，行進(jìn)直線度高，產(chǎn)量可提高5%～10%，減少了作業(yè)量，大大提高了效率，解決了作業(yè)行進(jìn)直線度不高，株距不穩(wěn)定等問(wèn)題。其主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品先進(jìn)水平，具有廣闊的發(fā)展前景，推動(dòng)了我國(guó)電動(dòng)式氣吸精量玉米免耕播種機(jī)技術(shù)的發(fā)展。

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