基于嵌入式單片機的仿形玉米播種機設(shè)計研究

段永彬，張文灼，徐雙杰，高清海

(1.河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 石家莊 050093；2.石家莊舜農(nóng)農(nóng)業(yè)機械有限公司，石家莊 050221；3.河北省農(nóng)業(yè)機械化研究所，石家莊 050051)

0 引言

近年來，國內(nèi)與中小馬力輪式拖拉機配套的玉米播種機大多采用免耕精量播種機，中耕作物如玉米、大豆、高粱等多用精量播種機播種，即定株距播種。精量播種既可以節(jié)省大量種子，又可以省略田間間苗環(huán)節(jié)，節(jié)省勞力，且此播種方式還可使幼苗分布均勻，達(dá)到苗齊、苗壯、苗勻，有利于增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。目前，玉米免耕精量播種機的核心工作部件為排種器，市場上常見的精量播種機大多采用垂直轉(zhuǎn)勺式機械排種器[1]，每一個排種器均設(shè)有一個變速裝置，播種過程中通過改變齒輪及傳動鏈條傳動比變更籽粒的株(穴)距，從而達(dá)到農(nóng)藝所要求的株(穴)距。此機械傳動方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜且工作不穩(wěn)定，也有采用機械式無極調(diào)速器實現(xiàn)調(diào)整株距的。鞏丙才等曾對無極調(diào)速做了詳細(xì)的分析[2]，采用多組曲柄連桿機構(gòu)，通過改變曲柄的半徑來實現(xiàn)調(diào)速，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、有脈動。為此，針對現(xiàn)有各類型機械機構(gòu)排種器的不足，設(shè)計了一種通過嵌入式單片機控制的智能玉米播種機。田間試驗表明，播種株距均勻度優(yōu)于傳統(tǒng)機械式播種機，施肥精度更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方式。

1 電控智能玉米播種機研制技術(shù)方案

1.1 總體設(shè)計思路

嵌入式單片機在玉米播種機上的應(yīng)用也有少量研究[3-4]，但還沒有成熟的應(yīng)用。本設(shè)計采用單片機控制驅(qū)動電機，由驅(qū)動電機帶動排種器運轉(zhuǎn)，其控制原理為：嵌入式單片機通過采集地輪反饋的作業(yè)速度，實時控制輸出到電機上的電流，使電機輸出軸的轉(zhuǎn)速隨著作業(yè)速度的高低而變化，進(jìn)而控制排種器排種軸轉(zhuǎn)速的快慢，實現(xiàn)種子落地株(穴)距的恒定。在人機對話上更加人性化，株距的調(diào)整采用數(shù)字化設(shè)置，代替了傳統(tǒng)機械有級變速的結(jié)構(gòu)。同時，系統(tǒng)設(shè)計有故障的報警裝置。一旦發(fā)生故障，報警裝置會及時報警，機手就可以及時停車檢修，避免長距離地塊缺苗斷壟現(xiàn)象的發(fā)生，使得機手在作業(yè)過程中省心省力。這種結(jié)構(gòu)由于采用電機直接帶動排種器，省去了變速箱、萬向傳動軸及鏈輪鏈條傳動費用，在經(jīng)濟上也是可行的。

在試驗中，勺式排種器及傳統(tǒng)的氣吸排種器由于運行阻力大，導(dǎo)致株距不均勻且消耗動力大，而頂柱式指夾式排種器的設(shè)計就是基于對以上問題的解決[5-6]。本文介紹的指夾式排種器為頂柱式指夾排種器，一周由18個指夾組成。在排種轉(zhuǎn)動過程中，由于指夾與種子之間、指夾與導(dǎo)軌之間接觸面較小，摩擦阻力很小，所以要求排種軸轉(zhuǎn)動力矩較小。指夾式排種器的排種性能參數(shù)對機組作業(yè)速度高低不敏感，機組作業(yè)速度可以達(dá)到8～10km/h，甚至更高，播種性能依然良好穩(wěn)定，所以該頂柱式指夾式排種器適宜電機帶動和控制。

1.2 機械部分主要部分結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 浮動(仿形)式播種單體結(jié)構(gòu)設(shè)計

浮動(仿形)式播種單體既包括土壤工作部件，又包括排種器[7]，且要求浮動(仿形)式播種單體在工作的過程中隨地面的形狀而起伏，保證種子播種深度，這是播種機的核心工作部件。其設(shè)計的成功與否，直接關(guān)系到播種機設(shè)計的成敗。經(jīng)過反復(fù)試驗，仿形播種單體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．仿行支臂 2.調(diào)節(jié)彈簧 3.播種開溝器 4.電機驅(qū)動播種器總成 5.種箱 6.鎮(zhèn)壓輪總成

1.2.2 排種器傳動電機

對于播種株距的調(diào)節(jié)，美國凱斯公司的變量播種機采用液壓馬達(dá)驅(qū)動的調(diào)速機構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合國內(nèi)小機型播種機[3]。為此，本設(shè)計選用比較成熟的DC12V直流電機，在此基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)速信號檢測裝置，用來反饋電動排種器的實時速度。該驅(qū)動電機結(jié)構(gòu)簡單，成本低，適合我國國情，如圖2所示。

圖2 驅(qū)動電機

1.3 電控部分設(shè)計

1.3.1 控制方案的選擇

電氣控制部分采集播種機作業(yè)速度及各種狀態(tài)，根據(jù)農(nóng)藝的要求，通過單片機MCU控制單元進(jìn)行總控并計算各類數(shù)據(jù)，且包含根據(jù)計算結(jié)果精確控制電機轉(zhuǎn)速及實現(xiàn)故障報警等功能。電氣控制方框圖如圖3所示。

圖3 電氣控制方框圖

播種機狀態(tài)信息采集模塊主要完成運行速度、播種機架放下或抬起狀態(tài)、種箱種子余量檢測及肥箱肥料余量檢測；電機轉(zhuǎn)速驅(qū)動控制模塊主要實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速由零到最高速平滑、快速、精確的變換；報警、數(shù)據(jù)顯示輸出模塊主要為機手提供必要的報警或故障信息，包括電氣故障信息(如電機卡死、電機全速轉(zhuǎn)和其他電氣故障)及提示報警信息。

鍵盤輸入播種參數(shù)模塊把輸入的株距、施肥量等發(fā)給MCU，MCU根據(jù)采集的運行速度等信息，計算出電機目標(biāo)轉(zhuǎn)速，以PWM信號的方式發(fā)給電機；電機轉(zhuǎn)動后，由轉(zhuǎn)速反饋采集模塊反饋電機的轉(zhuǎn)速，修正PWM，達(dá)到精確控制的目的。

1.3.2 電機控制方案的確定

市場運用比較成熟的電機有步進(jìn)電機、伺服電機及直流有刷減速電機等。其中，伺服電機電機自帶編碼器，驅(qū)動模塊也是成熟產(chǎn)品，可以較快、較容易實現(xiàn)閉環(huán)控制及速度值高精度控制，但成本相對較高。步進(jìn)電機采用開環(huán)控制，控制精度可以滿足播種的要求，但步進(jìn)電機驅(qū)動能力相對較低。直流有刷減速電機沒有轉(zhuǎn)速反饋裝置，若要實現(xiàn)閉環(huán)控制需采用速度檢測裝置。

1)伺服電機控制方案分析。伺服電機(執(zhí)行電機)在電氣控制系統(tǒng)中被用作執(zhí)行部件，驅(qū)動器把接收到的PWM或電壓信號轉(zhuǎn)換成電機軸上的角位移或角速度[8]。伺服電機驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵；轉(zhuǎn)子在磁場的作用下轉(zhuǎn)動，電機轉(zhuǎn)動自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服驅(qū)動器和伺服電機編碼器的脈沖形成反饋，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)精量播種。

2)步進(jìn)電機控制方案分析。步進(jìn)電機是將脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移步進(jìn)電機件，正常的情況下，電機的轉(zhuǎn)速取決于脈沖信號的頻率，運行的角度取決于脈沖數(shù)量。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到1個脈沖信號后，驅(qū)動步進(jìn)電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動1個固定的角度“步距角”，步進(jìn)旋轉(zhuǎn)。因此，可通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而準(zhǔn)確定位，實現(xiàn)精量播種；也可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，實現(xiàn)高速播種。翟建波等采用混合式步進(jìn)電機驅(qū)動的方式實現(xiàn)電控播種[9]，缺點是高速時性能差、扭矩小及控制器驅(qū)動器電路復(fù)雜體積大。尤其是當(dāng)驅(qū)動大功率的步進(jìn)電機時，成本高于直流減速電機，收回維修比較麻煩[10-11]。

3)直流減速電機控制方案分析。直流減速電機在直流電機輸出后經(jīng)過齒輪變速將輸出速度降到一定范圍，輸出轉(zhuǎn)速的慣量很小。直流減速在農(nóng)機半自動化上已開始使用，控制簡單、扭矩大、振動小、能耗低、緊湊小巧、可靠耐用且市場保有量大，但控制精度不高、變速控制麻煩。本設(shè)計通過添加測速裝置和采用大功率Mous管解決精度和變速控制方面的問題。

經(jīng)過性能與經(jīng)濟性的比較，本方案采用了有刷直流電機加反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，原理如圖4所示。

圖4 控制原理圖

1.4 數(shù)學(xué)模型的建立

研究對象為指夾式玉米排種器，有18個指夾。為了加強通用性，設(shè)排種器的指夾數(shù)為K，即每周排種數(shù)。在排種器的輸入軸安裝測速編碼器(編碼器為600線)，從通用性考慮，設(shè)為f1′，其轉(zhuǎn)速與排種器轉(zhuǎn)速為1:1，則單位時間內(nèi)播種機行走距離為

L=f1′×πD×f2

(1)

式中L—行車長度；

f1—地輪上安裝編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)；

f1′—單位時間t內(nèi)輸出的脈沖數(shù)(實質(zhì)為轉(zhuǎn)速)；

D—地輪直徑(mm)。

單位時間內(nèi)，排種器排種數(shù)量為

(2)

式中m—單位時間t內(nèi)，排種器排種數(shù)量；

f2—排種器轉(zhuǎn)速檢測編碼器每轉(zhuǎn)1周的脈沖數(shù)；

f2′—電機目標(biāo)轉(zhuǎn)速；

k—排種器每周排種個數(shù)。

根據(jù)以上分析，株距P為

(3)

由此計算出電機目標(biāo)轉(zhuǎn)速為

(4)

當(dāng)前機器各參數(shù)為f1=400、k=18，D=400、f2=400，則

(5)

根據(jù)控制工程原理，利用PID算法[12-14]得出控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

PWM信號[15]為Δf，啟動時接近1，同速后接近于0。

控制單元采集速度信息，再根據(jù)排種器參數(shù)(每周下種數(shù))、株距及單位肥量信息等，計算出播種/施肥電機轉(zhuǎn)速；通過電機轉(zhuǎn)速的反饋算出誤差，根據(jù)誤差進(jìn)行精確控制?？刂茊卧杉渌畔⒖梢宰龀龇N量肥量余量過低報警，保障操作人員及時添加種量和肥量，還有故障報警，提示操作人員及時維修更換零部件。

2 試驗與結(jié)果分析

試驗用動力采用時風(fēng)16kW輪式拖拉機，試驗場景為帶茬地。試驗地寬約100m左右，長度約200m左右，比較平整。試驗時，拖拉機速度分別采用低3擋和高2擋(速度相當(dāng)于5、8km/h)兩種作業(yè)速度，播種機播種株距設(shè)為25cm，施肥量設(shè)為375kg/hm2。

2.1 播種株距試驗結(jié)果

采用3行播種機進(jìn)行試驗，依據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《單粒(精密)播種機試驗方法》(GB/T6973-2005)進(jìn)行試驗和結(jié)果分析。播種過程中進(jìn)行敞開式播種，不覆土，在中間30m內(nèi)每行連續(xù)測量30個種子株距記錄結(jié)果，結(jié)果如表1和表2所示。

表1 作業(yè)速度5km/h時株距數(shù)據(jù)

續(xù)表1

表2 作業(yè)速度8km/h時株距數(shù)據(jù)

續(xù)表2

以上數(shù)據(jù)表明：播種株距設(shè)定為25cm時，作業(yè)實際株距平均值為24.69cm，株距最大值為32cm，最小值為18cm；播種作業(yè)無重播和漏播，株距變異系數(shù)為5.88%；設(shè)定田間作業(yè)株距后，株距與作業(yè)速度大小無關(guān)。

2.2 施肥試驗結(jié)果

播種前，肥箱裝入適量顆粒肥料，施肥量設(shè)為375kg/hm2，分別以5、8km/h作業(yè)播完0.07hm2地后，測量肥箱剩下的化肥質(zhì)量，測量3次，計算平均值，兩者數(shù)量之差就是單位施肥量。5km/h作業(yè)時，施肥量測量值為25.9kg，誤差為3.6%；8km/h作業(yè)時，施肥量測量值為24.0kg，誤差為4.0%；施肥量誤差符合標(biāo)準(zhǔn)《GBT35487-2017 變量施肥播種機控制系統(tǒng)》施肥量控制精度低于5%的要求。

3 結(jié)論

采用嵌入式單片機控制系統(tǒng)的玉米播種機，徹底顛覆了傳統(tǒng)播種機的傳動方式，省去了鏈條、鏈輪及齒輪變速箱，增強了可靠性、智能性，操作更容易。田間試驗表明：設(shè)定田間作業(yè)株距和施肥量后，株距和施肥量與作業(yè)速度大小無關(guān)。播種的株距均勻度優(yōu)于機械式播種機，拖拉機作業(yè)速度快慢變化，對播種機作業(yè)質(zhì)量基本沒影響，播種株距及施肥量均能達(dá)到設(shè)計值要求，嵌入式單片機在玉米播種機上的應(yīng)用值得推廣。