楊 碩 王 秀 高原源 翟長遠(yuǎn) 趙學(xué)觀 趙春江

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 北京 100083； 2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心， 北京 100097；3.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心， 北京 100097)

0 引言

保證玉米播種均勻性對(duì)玉米根系發(fā)展,獲取水分、養(yǎng)分和光照具有積極作用，是提高玉米產(chǎn)量的重要方法[1-3]。播種作業(yè)過程中，播種機(jī)具行距多為固定值，根據(jù)播量、車速進(jìn)行調(diào)整，播種均勻性主要通過改變排種速率來實(shí)現(xiàn)。在玉米免耕精密播種高產(chǎn)要求的背景下，對(duì)播種提出了向播種量更大、播種均勻性更好的方向發(fā)展的新要求。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，主要采取提高精密排種器性能和改進(jìn)排種驅(qū)動(dòng)模式兩種方法。在提高排種器性能方面，研究者對(duì)現(xiàn)有排種器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了研究[4-5],利用軟件仿真的方式研制新型排種器[6-7]，設(shè)計(jì)新型排種器進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證[8-9]，對(duì)高速下玉米精密排種器的排種性能進(jìn)行研究[10-11]。高速精密排種器在保證播種質(zhì)量的同時(shí)提高播種速度，具有增大播種效率的優(yōu)勢(shì)，但目前多處于試驗(yàn)階段，受排種器加工流程、工作穩(wěn)定性、可靠性等因素影響，商品化大規(guī)模推廣仍需數(shù)據(jù)支撐，因此國內(nèi)農(nóng)機(jī)企業(yè)開始對(duì)現(xiàn)有商品化精密排種器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)方式升級(jí)，優(yōu)先保證精密播種機(jī)的播種均勻性。在改進(jìn)排種驅(qū)動(dòng)方式方面，研究者對(duì)電驅(qū)排種試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行研究，證明在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下電驅(qū)排種能夠提高播種均勻性[12]，采用PID控制方法對(duì)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)玉米精密排種進(jìn)行了田間驗(yàn)證[13-15]，并逐漸優(yōu)化排種轉(zhuǎn)速控制策略[16-17]，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)排種技術(shù)因排種播量易控、播種均勻性好的特點(diǎn)，將逐漸取代傳統(tǒng)玉米精密播種機(jī)中地輪傳動(dòng)的方式[18]。不同播種機(jī)排種器的排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)多樣，給播種電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的排種盤轉(zhuǎn)速精確控制帶來困難。目前國內(nèi)播種系統(tǒng)多針對(duì)專一類型排種器，而國外農(nóng)機(jī)企業(yè)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成度高，不適應(yīng)國內(nèi)農(nóng)機(jī)企業(yè)對(duì)玉米電驅(qū)動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)的要求，國內(nèi)玉米精密播種機(jī)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)升級(jí)的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在排種盤轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)與排種器的融合程度上。播種機(jī)目前多為多行單體式布置，電驅(qū)動(dòng)排種系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)通信對(duì)保證工作可靠性至關(guān)重要。一些利用CAN總線通信技術(shù)研制了播種機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但通信協(xié)議缺乏標(biāo)準(zhǔn)化[19]。一些遵循標(biāo)準(zhǔn)化的CAN總線通信技術(shù)在拖拉機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)[20]、玉米播深監(jiān)控系統(tǒng)[21]、玉米收獲系統(tǒng)[22]、玉米電驅(qū)系統(tǒng)[23]等方面進(jìn)行研究，農(nóng)業(yè)裝備的CAN總線通信模式成為目前農(nóng)業(yè)裝備的主要現(xiàn)場(chǎng)通信模式[24]，但國內(nèi)精密播種裝備的CAN總線通信發(fā)展仍相對(duì)滯后。

為解決上述問題，在CAN總線通信的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)一種能夠?qū)ε欧N盤轉(zhuǎn)速快速標(biāo)定的電驅(qū)動(dòng)播種控制系統(tǒng)。以國產(chǎn)氣吸式玉米排種器和指夾式玉米排種器為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)電驅(qū)排種轉(zhuǎn)速現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定方法進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)試驗(yàn)，對(duì)電驅(qū)玉米精密排種器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)快速排種盤轉(zhuǎn)速標(biāo)定，并對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行驗(yàn)證，通過CAN總線進(jìn)行信息傳輸，增加電驅(qū)排種系統(tǒng)的適應(yīng)性，為地輪傳動(dòng)玉米精密播種機(jī)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)排種升級(jí)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)

選用國產(chǎn)指夾式玉米精密排種器，設(shè)計(jì)了玉米總線電驅(qū)動(dòng)播種試驗(yàn)樣機(jī)，如圖1所示。系統(tǒng)主要由人機(jī)交互設(shè)備、排種驅(qū)動(dòng)ECU和排種監(jiān)測(cè)ECU 3部分構(gòu)成。人機(jī)交互設(shè)備選用PPC-GS1051T-JK4型車載計(jì)算機(jī)，運(yùn)行Windows 7系統(tǒng)，用于現(xiàn)場(chǎng)播種控制、播種狀態(tài)監(jiān)測(cè)、排種驅(qū)動(dòng)曲線標(biāo)定等人機(jī)交互平臺(tái)。排種驅(qū)動(dòng)ECU選用TTC32型車載控制器，用于監(jiān)測(cè)排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、控制排種驅(qū)動(dòng)器排種。指夾式排種器的排種驅(qū)動(dòng)器選用AQMD3620NS型有刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，最大輸出功率240 W(DC12V時(shí))，適合標(biāo)識(shí)額定功率95 W及以下或標(biāo)識(shí)額定電流16 A以下電動(dòng)機(jī)長時(shí)間滿額工作。指夾式排種器排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)選用80 W有刷直流電動(dòng)機(jī)，最大轉(zhuǎn)速60 r/min，轉(zhuǎn)速反饋編碼器選用K38-08-0600-B-M-T-526電壓輸出型編碼器。

圖1 試驗(yàn)樣機(jī)Fig.1 Experimental prototype1.車載計(jì)算機(jī) 2.指夾排種器 3.排種監(jiān)測(cè)傳感器 4.排種驅(qū)動(dòng)器 5.測(cè)速碼盤 6.排種監(jiān)測(cè)ECU 7.排種驅(qū)動(dòng)ECU 8.排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)

車速探測(cè)采用地輪測(cè)速，測(cè)速碼盤分辨率為48P/r。排種監(jiān)測(cè)ECU基于STM32F105RBT6型微控制器設(shè)計(jì)，用于接收排種監(jiān)測(cè)傳感器的信號(hào)進(jìn)行排種質(zhì)量監(jiān)測(cè)，轉(zhuǎn)換為總線信號(hào)傳送?？偩€通信設(shè)計(jì)在文獻(xiàn)[23]已有詳細(xì)描述，本文不再描述。試驗(yàn)時(shí)，車載計(jì)算機(jī)運(yùn)行上位機(jī)軟件，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行播量、行距和排種標(biāo)定等參數(shù)設(shè)置，利用CAN分析儀記錄系統(tǒng)在不同車速下對(duì)指夾式排種器的田間車速、排種數(shù)據(jù)，記錄玉米出苗后的株距變化，對(duì)系統(tǒng)田間播種均勻性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2 軟件界面設(shè)計(jì)

使用C++語言MFC功能庫設(shè)計(jì)了車載計(jì)算機(jī)的上位機(jī)界面，如圖2所示。主要包括排種標(biāo)定、工作兩種模式。處于工作模式時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)排種車速隨動(dòng)作業(yè)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)排種粒數(shù)、排種盤轉(zhuǎn)速、株距、車速、播種質(zhì)量等狀態(tài)，出現(xiàn)故障的播種單體通過顏色變化顯示在界面上，提醒用戶進(jìn)行排除。選擇標(biāo)定模式時(shí)，系統(tǒng)擬合排種驅(qū)動(dòng)曲線，獲得不同種類和工況下排種器排種控制曲線。排種標(biāo)定界面如圖3所示，通過密碼驗(yàn)證(圖3a)進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置(圖3b)，由于本系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)選擇0～3.3 V的單端模擬電壓信號(hào)，確定單端模擬電壓與排種盤轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)曲線即能夠完成排種曲線標(biāo)定。參數(shù)設(shè)置界面包括模擬電壓初值Vi、模擬電壓峰值Vp和轉(zhuǎn)換系數(shù)Kv。電動(dòng)機(jī)受排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)啟動(dòng)所需扭矩的影響，當(dāng)電動(dòng)機(jī)輸出扭矩大于排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)所需扭矩時(shí)，排種盤才能穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬電壓初值設(shè)置的目的是設(shè)置排種最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)的模擬電壓驅(qū)動(dòng)值。在0～3.3 V的模擬電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)范圍內(nèi)，受到電動(dòng)機(jī)功率和排種器類型的影響，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與模擬電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)并不是始終呈現(xiàn)正相關(guān)性，在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器到達(dá)一定數(shù)值后，功率繼續(xù)增大，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速并不會(huì)繼續(xù)增加，將該最高模擬電壓值設(shè)置為模擬電壓峰值。轉(zhuǎn)換系數(shù)為排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速反饋頻率(單位為Hz)除以排種盤實(shí)際轉(zhuǎn)速(單位為r/min)所得的倍數(shù)。

圖2 系統(tǒng)主界面Fig.2 System main interface

圖3 排種盤轉(zhuǎn)速標(biāo)定界面Fig.3 Seed plate rotate speed calibration interface

開始標(biāo)定時(shí)，上位機(jī)通過總線向排種驅(qū)動(dòng)ECU發(fā)送包含開始標(biāo)定和該3個(gè)參數(shù)數(shù)值的報(bào)文，等待標(biāo)定完成(圖3c)，排種驅(qū)動(dòng)ECU根據(jù)設(shè)置的模擬電壓范圍劃分為11個(gè)區(qū)間依次進(jìn)行輸出，標(biāo)定程序流程見1.3節(jié)。排種標(biāo)定完成，排種驅(qū)動(dòng)ECU將系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果上傳并顯示至標(biāo)定完成界面(圖3d)。

1.3 分段線性插值排種盤轉(zhuǎn)速標(biāo)定程序設(shè)計(jì)

分段線性插值排種盤轉(zhuǎn)速標(biāo)定方法如圖4所示。N′為目標(biāo)轉(zhuǎn)速，V′為對(duì)應(yīng)電壓輸出。

圖4 分段線性插值排種盤轉(zhuǎn)速標(biāo)定方法Fig.4 Seed plate rotate speed calibration method by piecewise linear interpolation

根據(jù)排種驅(qū)動(dòng)模擬電壓的設(shè)置范圍，令Vp=V10，Vi=V0，根據(jù)等差數(shù)列求出公差

(1)

根據(jù)式(1)，獲得驅(qū)動(dòng)模擬電壓V1為

V1=V0+d

(2)

由式(2)獲得V1，按照等差數(shù)列求值的方式依次求出V2，V3，…，V10對(duì)應(yīng)輸出，同時(shí)，獲取各個(gè)驅(qū)動(dòng)模擬電壓對(duì)應(yīng)的排種盤轉(zhuǎn)速N1，N2，…，N10。以排種盤轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)，驅(qū)動(dòng)模擬電壓為縱坐標(biāo)，得到10個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，以該10個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)作為分界點(diǎn)，分為11段線性區(qū)域，區(qū)域劃分為

(3)

(4)

(5)

系統(tǒng)獲得目標(biāo)轉(zhuǎn)速N′進(jìn)行輸出時(shí)，根據(jù)式(3)對(duì)N′所處的線性區(qū)域進(jìn)行判斷，對(duì)應(yīng)區(qū)域內(nèi)的直線控制方程進(jìn)行V′的輸出。

排種標(biāo)定子程序如圖5所示，根據(jù)總線報(bào)文指令(表1)，進(jìn)入排種標(biāo)定模式或者排種驅(qū)動(dòng)模式。排種標(biāo)定模式中，能夠完成對(duì)排種驅(qū)動(dòng)曲線的更新，根據(jù)總線報(bào)文中解析的排種驅(qū)動(dòng)模擬電壓初值和模擬電壓峰值，按照上述排種標(biāo)定方法計(jì)算出10個(gè)等差數(shù)列分布的模擬電壓，針對(duì)每一個(gè)模擬電壓，持續(xù)輸出3 s，待排種盤轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，讀取排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)反饋頻率f，由總線報(bào)文中讀取的當(dāng)前排種盤轉(zhuǎn)速N與反饋頻率之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)Kv，得出當(dāng)前模擬電壓輸出值下驅(qū)動(dòng)的排種盤轉(zhuǎn)速為

圖5 排種驅(qū)動(dòng)ECU排種標(biāo)定子程序Fig.5 Planting calibration subroutine of planting driving ECU

表1 排種標(biāo)定子程序相關(guān)報(bào)文Tab.1 Related messages of planting calibration subroutine

(6)

根據(jù)式(6)計(jì)算的結(jié)果，將坐標(biāo)(N，V)保存到EEPROM，模擬電壓輸出坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)標(biāo)志位n增加1，更新排種驅(qū)動(dòng)ECU輸出的排種驅(qū)動(dòng)模擬電壓。當(dāng)n增加到10時(shí)，系統(tǒng)即獲得了10組(N，V)坐標(biāo)點(diǎn)，根據(jù)式(3)～(5)構(gòu)建分段直線標(biāo)定公式，并將10個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)依次傳送至CAN網(wǎng)絡(luò)，用戶通過上位機(jī)界面觀察排種盤轉(zhuǎn)速標(biāo)定結(jié)果在最大值或最小值時(shí)，是否具有重復(fù)值，逐漸調(diào)整模擬電壓設(shè)置范圍，消除重復(fù)值，最終獲得排種轉(zhuǎn)速標(biāo)定曲線。

排種標(biāo)定完成后，切換至排種工作模式，根據(jù)排種目標(biāo)轉(zhuǎn)速的數(shù)值范圍確定位于排種驅(qū)動(dòng)曲線的控制區(qū)間，對(duì)應(yīng)控制方程計(jì)算模擬電壓輸出數(shù)值，排種驅(qū)動(dòng)ECU對(duì)應(yīng)引腳進(jìn)行輸出，定時(shí)采集排種盤轉(zhuǎn)速，并將包含該轉(zhuǎn)速信息的報(bào)文發(fā)送至CAN網(wǎng)絡(luò)，便于用戶進(jìn)行系統(tǒng)排種故障篩查。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取國產(chǎn)指夾式排種器(圖6a)和國產(chǎn)氣吸式排種器(圖6b)，通過系統(tǒng)電驅(qū)轉(zhuǎn)速控制試驗(yàn)、現(xiàn)有系統(tǒng)電驅(qū)排種盤轉(zhuǎn)速控制性能對(duì)比試驗(yàn)、系統(tǒng)田間播種均勻性驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖6 電驅(qū)玉米精密排種器Fig.6 Motor driving corn precision seed meter

為了驗(yàn)證采用分段線性插值排種盤轉(zhuǎn)速標(biāo)定方法的系統(tǒng)對(duì)不同類型玉米精密排種器進(jìn)行電驅(qū)轉(zhuǎn)速控制的性能，進(jìn)行模擬車速下電驅(qū)轉(zhuǎn)速控制性能試驗(yàn)。系統(tǒng)對(duì)氣吸式排種器電驅(qū)轉(zhuǎn)速控制性能試驗(yàn)中，排種器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)選擇100 W無刷直流電動(dòng)機(jī)，配AQMD3608BLS型驅(qū)動(dòng)器，排種盤孔數(shù)26個(gè)，對(duì)排種器充種下的分段線性控制曲線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)擬合，根據(jù)擬合的控制曲線，行距設(shè)置為60 cm，株距設(shè)置為25 cm，模擬作業(yè)速度為3、6、9、12 km/h，利用USB/CAN-E-U型分析儀記錄4 s內(nèi)間隔100 ms的電驅(qū)排種盤轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，重復(fù)進(jìn)行3次試驗(yàn)，對(duì)不同車速下的排種電驅(qū)轉(zhuǎn)速控制性能進(jìn)行分析。

指夾式排種器電驅(qū)轉(zhuǎn)速控制性能試驗(yàn)中，排種盤指夾數(shù)18個(gè)，進(jìn)行了車速、株距變化對(duì)排種盤轉(zhuǎn)速響應(yīng)性能試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，國產(chǎn)指夾式排種器充滿種狀態(tài)下進(jìn)行排種曲線標(biāo)定，獲得排種驅(qū)動(dòng)曲線。完成標(biāo)定后，通過車速模擬器模擬車速碼盤信號(hào)，通過計(jì)算機(jī)界面設(shè)定行距為60 cm，株距設(shè)置為20、25、32 cm，車速范圍為4～9 km/h(間隔1 km/h)，針對(duì)每個(gè)株距、車速試驗(yàn)組合，記錄總線報(bào)文，采集10 s內(nèi)間隔100 ms的排種盤轉(zhuǎn)速變化。驗(yàn)證株距、車速兩因素變化下，系統(tǒng)對(duì)指夾式排種器電驅(qū)排種盤轉(zhuǎn)速控制的性能。

與現(xiàn)有系統(tǒng)電驅(qū)排種盤轉(zhuǎn)速控制性能對(duì)比試驗(yàn)中，利用文獻(xiàn)[23]中對(duì)氣吸排種器調(diào)控的排種驅(qū)動(dòng)分段PID控制參數(shù)對(duì)上述兩種類型排種器進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)控試驗(yàn)，將排種盤轉(zhuǎn)速分別設(shè)定為15、20、30、40、45 r/min，通過分段PID控制參數(shù)對(duì)兩種排種器排種盤的轉(zhuǎn)速控制，作為本文支持轉(zhuǎn)速現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定的系統(tǒng)性能對(duì)比。為了對(duì)系統(tǒng)的田間播種均勻性進(jìn)行性能驗(yàn)證，選取上述指夾式排種器設(shè)計(jì)試驗(yàn)樣機(jī)，在河北省趙縣進(jìn)行系統(tǒng)田間播種均勻性驗(yàn)證試驗(yàn)。在車速對(duì)系統(tǒng)播種均勻性影響的試驗(yàn)中，株距設(shè)置為20 cm，車速區(qū)間為4～7 km/h(間隔1 km/h)，田間播種作業(yè)中全程記錄播種車速，采集時(shí)間周期為1 s。將播種車速與試驗(yàn)地塊的地理位置對(duì)應(yīng)(圖7)，測(cè)量出苗后上述車速對(duì)應(yīng)區(qū)域的玉米株距，每個(gè)車速取200個(gè)株距，進(jìn)行系統(tǒng)田間播種均勻性分析。

圖7 試驗(yàn)地塊播種車速分布圖Fig.7 Planting working velocity distribution map in test filed

2 結(jié)果與討論

2.1 電驅(qū)氣吸式排種器排種盤轉(zhuǎn)速控制性能

由氣吸排種器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)測(cè)速碼盤分辨率為2P/r，減速比為36∶1，確定電驅(qū)氣吸式排種器轉(zhuǎn)換系數(shù)為72，對(duì)電驅(qū)氣吸排種器控制曲線進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖8所示。由標(biāo)記結(jié)果可知，電驅(qū)氣吸排種器在充種狀態(tài)下排種盤有效轉(zhuǎn)速范圍為5.5～65.86 r/min，系統(tǒng)有效輸出電壓為81～720 mV。

圖8 電驅(qū)玉米氣吸式排種器排種驅(qū)動(dòng)曲線Fig.8 Motor driving curve of corn air-suction seed meter

依據(jù)上述獲取的排種驅(qū)動(dòng)曲線，電驅(qū)氣吸式排種器排種盤轉(zhuǎn)速對(duì)車速階躍響應(yīng)結(jié)果如圖9所示。由結(jié)果可得，同一車速下，排種器多次啟動(dòng)具有較好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，排種盤轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后能夠維持在目標(biāo)排種盤轉(zhuǎn)速附近波動(dòng)。

圖11 電驅(qū)指夾式排種器排種盤轉(zhuǎn)速對(duì)車速階躍變化響應(yīng)曲線Fig.11 Step response curves of seed plate rotate speed of motor driving finger pick-up seed meter to travel speed

圖9 電驅(qū)氣吸式排種器排種盤轉(zhuǎn)速對(duì)車速階躍響應(yīng)曲線Fig.9 Step response curves of seed plate rotate speed of motor driving air-suction seed meter to travel speed

由表2可知，當(dāng)株距設(shè)定為25 cm時(shí)，隨上述車速階躍變化，目標(biāo)轉(zhuǎn)速逐漸增大，系統(tǒng)對(duì)排種盤轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)時(shí)間平均為0.65 s，最大為0.80 s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.12 s；穩(wěn)態(tài)誤差逐漸增大，穩(wěn)態(tài)誤差平均值為0.41 r/min，穩(wěn)態(tài)誤差最大為0.81 r/min，標(biāo)準(zhǔn)差為0.27 r/min；控制精度逐漸降低，控制精度平均值為98.59%，控制精度最小為97.42%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.93%。

表2 電驅(qū)氣吸式排種器排種盤轉(zhuǎn)速對(duì)車速變化響應(yīng)性能Tab.2 Step response performance of seed plate rotate speed of motor driving air-suction seed meter to travel speed

2.2 電驅(qū)指夾式排種器排種盤轉(zhuǎn)速控制性能

由指夾式排種器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)測(cè)速碼盤分辨率為600 P/r，減速比為1∶1，確定電驅(qū)指夾式排種器轉(zhuǎn)速系數(shù)為600，現(xiàn)場(chǎng)擬合指夾式排種器排種驅(qū)動(dòng)曲線如圖10。由圖10可得，電驅(qū)指夾式排種器在充種狀態(tài)時(shí)，排種盤有效轉(zhuǎn)速范圍為5.2～39.60 r/min，有效輸出電壓范圍為355～2 650 mV。系統(tǒng)在株距20、25、32 cm，車速4～9 km/h(間隔1 km/h)時(shí)，排種盤轉(zhuǎn)速響應(yīng)結(jié)果如圖11所示。車速對(duì)排種盤轉(zhuǎn)速控制精確性分析中，株距分別為20、25、32 cm時(shí)，對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間平均值分別為1.12、1.10、0.95 s，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.31、0.19、0.23 s。

圖10 電驅(qū)指夾式排種器排種驅(qū)動(dòng)曲線Fig.10 Motor driving curve of corn finger pick-up seed meter

排種盤轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后有輕微的波動(dòng)，排種盤轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)基本沒有超調(diào)量的產(chǎn)生，最終達(dá)到穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速輸出。

株距分別為20、25、32 cm，隨車速變化，排種盤平均轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差分別為0.25、0.51、0.38 r/min，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.15、0.27、0.19 r/min；排種盤轉(zhuǎn)速控制精度平均值分別為98.51%、97.84%、98.51%，標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.08%、0.95%、0.99%。試驗(yàn)結(jié)果表明，車速對(duì)排種盤轉(zhuǎn)速響應(yīng)分析中，隨車速的增加，排種電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)功率增大，使得轉(zhuǎn)速啟動(dòng)上升斜率增大，設(shè)定株距20、25、32 cm對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間平均值分別為1.12、1.10、0.95 s，調(diào)節(jié)時(shí)間較短；隨車速的增加，排種盤轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差平均值在(0.38±0.13) r/min的范圍內(nèi)變化，穩(wěn)態(tài)誤差影響較小，排種盤轉(zhuǎn)速控制精度平均值在(98.29±0.45)%的范圍內(nèi)變化，排種盤轉(zhuǎn)速的控制精度較高。

株距為變量，系統(tǒng)排種盤轉(zhuǎn)速響應(yīng)分析中，隨著車速依次增加，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間平均值分別為1.03、1.00、1.13、1.00、1.37、1.00 s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.15、0.17、0.12、0.36、0.45、0.10 s(表3)；排種盤轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)誤差平均值分別為0.40、0.44、0.29、0.35、0.37、0.42 r/min，標(biāo)準(zhǔn)差為0.21、0.07、0.11、0.26、0.24、0.48 r/min。

表3 電驅(qū)指夾式排種器排種盤轉(zhuǎn)速控制性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental results of seed palte rotate speed control performance of motor driving finger pick-up seed meter

排種盤轉(zhuǎn)速控制精度平均值分別為97.46%、97.51%、98.57%、98.73%、98.77%、98.78%，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.98%、0.80%、0.86%、0.64%、0.81%、1.46%。在不同車速下，株距變化引起的調(diào)節(jié)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)差最大為0.45 s，排種盤轉(zhuǎn)速誤差的最大標(biāo)準(zhǔn)差為0.48 r/min，排種盤轉(zhuǎn)速控制精度平均值不小于97.46%。所有設(shè)定株距、車速組合試驗(yàn)中，系統(tǒng)總體排種盤轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間平均值為1.09 s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.26 s；總體穩(wěn)態(tài)誤差平均值為0.38 r/min，標(biāo)準(zhǔn)差為0.23 r/min；總體排種盤轉(zhuǎn)速控制精度平均值為98.30%，標(biāo)準(zhǔn)差為1.01%。

2.3 現(xiàn)有電驅(qū)排種盤轉(zhuǎn)速控制性能試驗(yàn)

利用分段PID控制方法[23]，采用相同的PID調(diào)節(jié)參數(shù)，分別對(duì)氣吸式排種器和指夾式排種器進(jìn)行排種盤轉(zhuǎn)速控制，試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖12 兩種排種器排種盤轉(zhuǎn)速分段PID控制試驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Experimental results of two types seed plate rotate speed with sectional PID control

由試驗(yàn)結(jié)果可得，氣吸式排種盤分段PID調(diào)節(jié)參數(shù)應(yīng)用于指夾式排種盤轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間過長，通過2.1、2.2節(jié)中氣吸式排種盤有效轉(zhuǎn)速范圍和有效輸出電壓范圍的對(duì)比，得出在目標(biāo)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，指夾式排種盤有效輸出電壓范圍遠(yuǎn)大于氣吸式排種盤轉(zhuǎn)速控制的有效輸出范圍，這是造成采用氣吸式排種器的分段PID調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)指夾式排種盤轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，指夾式排種器的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間過長的原因。在上述設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)，指夾式排種盤的調(diào)節(jié)時(shí)間大于150 s，試驗(yàn)證實(shí)利用氣吸式排種器分段PID調(diào)節(jié)參數(shù)不能滿足指夾式排種盤轉(zhuǎn)速控制的要求，需要設(shè)置新的調(diào)節(jié)參數(shù)，進(jìn)一步說明了系統(tǒng)支持現(xiàn)場(chǎng)排種盤轉(zhuǎn)速標(biāo)定的必要性。氣吸式排種盤轉(zhuǎn)速分段PID控制性能如表4所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可得，氣吸式排種盤轉(zhuǎn)速分段PID調(diào)節(jié)時(shí)間平均值為1.38 s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.16 s；平均穩(wěn)態(tài)誤差為0.24 r/min，標(biāo)準(zhǔn)差為0.14 r/min；平均控制精度為99.07%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.70%。通過與2.1節(jié)中氣吸式排種盤轉(zhuǎn)速控制性能的對(duì)比可得，采用分段線性插值進(jìn)行排種盤轉(zhuǎn)速控制，平均調(diào)節(jié)時(shí)間減少0.73 s，平均穩(wěn)態(tài)誤差增加0.17 r/min，平均控制精度降低0.48個(gè)百分點(diǎn)。通過與2.2節(jié)中指夾式排種盤轉(zhuǎn)速控制性能的對(duì)比可得，平均調(diào)節(jié)時(shí)間減少0.29 s，平均穩(wěn)態(tài)誤差增加0.14 r/min，平均控制精度降低0.77個(gè)百分點(diǎn)。綜上可得，針對(duì)上述兩種排種盤轉(zhuǎn)速控制，本文支持轉(zhuǎn)速現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定的系統(tǒng)與分段PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比，具有更好的適應(yīng)性，平均調(diào)節(jié)時(shí)間減少0.51 s，平均穩(wěn)態(tài)誤差增加0.16 r/min，平均控制精度降低0.63個(gè)百分點(diǎn)。

表4 氣吸式排種盤轉(zhuǎn)速分段PID控制性能Tab.4 Performance of seed plate rotate speed of air-suction seed plate with sectional PID control

2.4 田間播種均勻性試驗(yàn)

對(duì)指夾式排種器的田間播種均勻性進(jìn)行試驗(yàn)，用于對(duì)系統(tǒng)排種轉(zhuǎn)速控制精度進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)圖7中試驗(yàn)地塊與播種車速疊加位置，獲取不同車速的地理位置分布，采集不同車速下出苗株距。株距為20 cm時(shí)，系統(tǒng)出苗株距隨車速變化分布如圖13所示。

圖13 田間播種株距隨車速變化分布圖Fig.13 Distribution map of seed spacing in field with variation of travel speed

由圖13可知，對(duì)于車速變化，播種株距能夠集中在設(shè)定株距的合格粒距范圍內(nèi)((20±10) cm)出苗。依據(jù)國標(biāo)GB/T 6973—2005，對(duì)不同車速下的播種情況進(jìn)行播種均勻性質(zhì)量評(píng)價(jià)(圖14)，隨著車速的增加，播種合格指數(shù)下降幅度為5.36%，變異系數(shù)變化幅度為4.55%，變化幅度較小，隨車速播種均勻性較好。

圖14 車速對(duì)系統(tǒng)播種均勻性的影響Fig.14 Effect of travel speed on planting uniformity

車速為4～7 km/h時(shí)，系統(tǒng)田間播種的合格指數(shù)平均為86.93%，最小為84.26%；變異系數(shù)平均為16.64%，最大為18.29%，滿足農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1768—2009《免耕播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》對(duì)精密播種合格指數(shù)和變異系數(shù)的要求。

3 結(jié)論

(1)基于CAN總線通信，設(shè)計(jì)了一種支持玉米電驅(qū)動(dòng)排種在線標(biāo)定的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)不受排種器類型和傳動(dòng)方式的限制，通過分段線性插值排種盤轉(zhuǎn)速標(biāo)定的方法，對(duì)排種器充種后的電驅(qū)動(dòng)排種盤轉(zhuǎn)速控制曲線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。

(2)利用國產(chǎn)氣吸式玉米排種器和指夾式玉米排種器，分別進(jìn)行充種后的電驅(qū)排種盤轉(zhuǎn)速標(biāo)定，通過改變模擬車速、株距對(duì)排種盤轉(zhuǎn)速響應(yīng)控制精度進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)對(duì)兩種玉米精密排種器排種盤轉(zhuǎn)速控制精度，受株距、車速變化影響較小，與分段PID排種轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)性能對(duì)比得出，支持轉(zhuǎn)速現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定的系統(tǒng)具有更好的適應(yīng)性，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，控制精度稍低，總體上具有較好的排種盤轉(zhuǎn)速控制性能。

(3)利用國產(chǎn)指夾式排種器設(shè)計(jì)樣機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)，株距為20 cm，車速4～7 km/h時(shí)，結(jié)果表明，播種合格指數(shù)大于等于84.26%，變異系數(shù)小于等于18.29%，針對(duì)小株距玉米精密播種，系統(tǒng)對(duì)國產(chǎn)指夾式排種器進(jìn)行電驅(qū)排種仍能達(dá)到均勻精密播種的要求。該系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌愋偷碾婒?qū)玉米精密排種器排種盤轉(zhuǎn)速控制進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，精確驅(qū)動(dòng)排種器進(jìn)行田間均勻播種。