全秸硬茬地小麥潔區(qū)播種機(jī)秸稈撒覆自動調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

楊洪臣，顧峰瑋，吳峰，胡志超

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014)

0 引言

稻麥輪作是我國長江下游糧食作物的主要生產(chǎn)模式，具有種植面積廣、收割周期短的特點(diǎn)[1-2]。在秸稈禁燒的背景下，具有秸稈還田功能的小麥播種機(jī)不僅可以提高稻麥輪作的播種效率，而且還田的秸稈也能夠促進(jìn)土壤中微生物的活性，提高土壤肥力[3-8]。2BQYJ系列全量秸稈硬茬地小麥播種機(jī)首次提出“潔區(qū)播種”思路，利用橫向輸送攪龍和拋送裝置.將粉碎后的秸稈越過播種裝置向后拋送，待播種完成后再均勻覆蓋于播后地表[9-12]。可有效避免播種時秸稈的干擾作用，避免因出現(xiàn)架種、晾種情況而造成減產(chǎn)。

秸稈拋撒均勻性對作物出苗質(zhì)量影響顯著，是評價秸稈還田質(zhì)量的重要指標(biāo)；拋撒均勻性的優(yōu)劣，直接影響水肥運(yùn)作、光熱利用和作物生長[13-17]。秸稈均勻拋撒裝置作為全量秸稈硬茬地小麥潔區(qū)播種機(jī)關(guān)鍵部件，其工作性能直接影響秸稈的拋撒均勻性；秸稈拾輸量和拋撒轉(zhuǎn)速作為拋撒裝置的關(guān)鍵工作參數(shù)，當(dāng)兩者相匹配時，才能保證達(dá)到一定的拋撒均勻性。但由于田間作業(yè)工況復(fù)雜，秸稈拾輸量不是恒定的，而機(jī)具的拋撒轉(zhuǎn)速是在作業(yè)前由操作人員通過經(jīng)驗(yàn)預(yù)先設(shè)定的，秸稈拾輸量與拋撒轉(zhuǎn)速之間沒有建立對應(yīng)關(guān)系，無法保證覆秸質(zhì)量，常造成出苗率低、出苗均勻性差等問題。

針對上述問題，本文基于全量秸稈硬茬地小麥潔區(qū)播種機(jī)設(shè)計(jì)出一套秸稈撒覆自動調(diào)控系統(tǒng)，利用相位差式扭矩檢測裝置采集刀輥軸(主動軸)扭矩信息，計(jì)算拾輸量，微處理器根據(jù)采集到的扭矩信息實(shí)時調(diào)節(jié)拋撒轉(zhuǎn)速，提高機(jī)具拋撒均勻性，保證覆秸質(zhì)量。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

選用課題組自主研制的全量秸稈硬茬地小麥潔區(qū)播種機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。該播種機(jī)主要由減速機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、秸稈粉碎裝置、橫向輸送攪龍和秸稈拋送裝置組成。設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要性能參數(shù)如表1所示。

圖1 設(shè)備總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the machine1.傳動機(jī)構(gòu) 2.橫向輸送攪龍 3.秸稈拋送裝置 4.拋送管道 5.均勻拋撒裝置 6.地輪 7.秸稈粉碎裝置 8.減速機(jī)構(gòu)

表1 主要性能參數(shù)Tab. 1 Main performance parameters

1.2 工作原理

田間作業(yè)時，拖拉機(jī)PTO經(jīng)由減速機(jī)構(gòu)為整機(jī)提供動力，通過傳動機(jī)構(gòu)分別帶動秸稈粉碎裝置、橫向輸送攪龍、秸稈拋送裝置進(jìn)行工作。田間秸稈經(jīng)過秸稈粉碎裝置粉碎處理后，在粉碎裝置高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的氣流的作用下進(jìn)入橫向輸送攪龍，通過秸稈拋送裝置進(jìn)行提升，并在均勻拋撒裝置的作用下均勻的向后方進(jìn)行拋撒。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

秸稈撒覆自動調(diào)控系統(tǒng)主要由微處理器、直流無刷電機(jī)、直流無刷電機(jī)驅(qū)動器、霍爾傳感器、扭矩檢測裝置等組成。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行工作時，由安裝在刀輥軸上的扭矩檢測裝置實(shí)時采集刀輥軸扭矩信息，并通過串口將信息傳遞到微處理器，微處理器通過對信息進(jìn)行解讀處理，輸出相應(yīng)占空比的PWM信號；拋撒裝置由直流無刷電機(jī)通過軟軸帶動，直流無刷電機(jī)驅(qū)動器根據(jù)輸送過來的PWM信號調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時通過霍爾傳感器實(shí)時采集拋撒轉(zhuǎn)速，通過實(shí)時轉(zhuǎn)速與理論轉(zhuǎn)速做差對比的方法進(jìn)行直流無刷電機(jī)的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)秸稈撒覆的自動調(diào)控，提高機(jī)具拋撒均勻性，保證覆秸質(zhì)量。

2.1 微處理器

選用基于ARM CortexTM-M3核的32位微處理器STM32F103RCT6作為數(shù)據(jù)處理硬件平臺，該微處理器的CPU處理速度為72 MHz，具有高性能、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，完全可以滿足扭變形信號采集、處理和判斷的性能要求。

2.2 相位差式扭矩檢測裝置

全量秸稈硬茬地小麥潔區(qū)播種機(jī)田間作業(yè)時，刀輥軸為主要工作部件。因此，可通過檢測刀輥軸的功率，實(shí)現(xiàn)秸稈拾輸量的快速檢測，又因機(jī)具田間作業(yè)時，刀輥軸始終以最大轉(zhuǎn)速2 200 r/min進(jìn)行作業(yè)，基本不變，可視為常量，故只需檢測刀輥軸的扭矩即可。

目前，檢測扭矩的方法有基于應(yīng)力檢測和基于轉(zhuǎn)角檢測兩大類[11, 18-22]，但因全量秸稈硬茬地小麥潔區(qū)播種機(jī)刀輥軸遍布秸稈粉碎刀，應(yīng)力檢測不便，故選用基于轉(zhuǎn)角檢測的扭矩檢測技術(shù)，其檢測原理為：機(jī)具工作時，在秸稈的外力作用下刀輥軸會產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，秸稈拾輸量越大，扭轉(zhuǎn)變形量越大；且由材料力學(xué)[23]知識可知，刀輥軸兩截面之間的扭矩TN(N·m)與刀輥軸直徑D(m)、切變模量G(Pa)、扭轉(zhuǎn)角α(rad)、兩截面之間的距離l(m)之間的關(guān)系如式(1)。

(1)

由式(1)可知，機(jī)具工作時，刀輥軸兩截面間的扭矩與扭轉(zhuǎn)角呈線性關(guān)系，故秸稈拾輸量與扭矩之間的對應(yīng)關(guān)系可轉(zhuǎn)換為拾輸量與刀輥軸兩端扭轉(zhuǎn)角之間的對應(yīng)關(guān)系。

本設(shè)計(jì)選用TB1808-N2型電感式接近傳感器和配套的檢測盤作為檢測裝置，傳感器檢測距離8 mm，檢測頻率1 000 Hz。檢測盤固定在刀輥軸的兩端，傳感器正對檢測盤，盤上開有兩個扇形通孔，檢測盤隨刀輥軸轉(zhuǎn)動一周，傳感器輸出2個矩形波，刀輥軸最大轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，即37 r/s，信號的最高頻率為74 Hz，傳感器檢測頻率滿足要求。

當(dāng)秸稈拾輸量不同時，刀輥軸兩端扭轉(zhuǎn)角α不同，又扭轉(zhuǎn)角α等于兩端檢測盤之間的錯位角,即錯位角不同，故兩傳感器輸出的矩形波相位差也不同，拾輸量與刀輥軸兩端扭轉(zhuǎn)角之間的對應(yīng)關(guān)系可轉(zhuǎn)換為拾輸量與兩端傳感器輸出信號相位差之間的對應(yīng)關(guān)系。因此可通過檢測兩傳感器輸出的矩形波相位差，建立相位差與秸稈拾輸量之間的數(shù)學(xué)模型，從而實(shí)現(xiàn)拾輸量的快速檢測。扭矩檢測裝置實(shí)物安裝圖如圖2所示。

圖2 扭矩檢測裝置實(shí)物安裝圖Fig. 2 Real installation drawing of torque detection device

傳感器接口電路主要由光電耦合器、RC濾波、二極管鉗位電路和異或門組成，如圖3所示。

圖3 傳感器接口電路原理圖Fig. 3 Schematic diagram of sensor interface circuit

該電路利用光電耦合器提高系統(tǒng)抗干擾能力，利用RC濾波和二極管鉗位電路消除干擾毛刺，利用異或門元件將兩個傳感器輸入信號進(jìn)行處理。異或門的邏輯關(guān)系是指當(dāng)兩個輸入信號不同時輸出高電平，相同時輸出低電平，其邏輯表達(dá)式

F=A⊕B

(2)

經(jīng)過異或門元件處理后的信號波形如圖4所示。

圖4 信號波形Fig. 4 Signal waveform

該矩形波的高電平持續(xù)時間即為兩傳感器之間的相位差。刀輥軸兩端檢測盤安裝位置要求一致，但由于制造精度和安裝誤差會造成一定的初始相位差，可通過空載試驗(yàn)測出該值，此后扭矩的檢測在測量值的基礎(chǔ)上減去該值即可。

2.3 拋撒裝置調(diào)速模塊

拋撒裝置調(diào)速模塊主要包括直流無刷電機(jī)、直流無刷電機(jī)驅(qū)動器。本設(shè)計(jì)選用57BL95S15-230型直流無刷電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，足以應(yīng)對機(jī)具作業(yè)需求；選用ZM-6615型低壓直流無刷電機(jī)驅(qū)動器，該驅(qū)動器可通過霍爾傳感器采集電機(jī)的實(shí)時轉(zhuǎn)速，并根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制。電機(jī)驅(qū)動電路如圖5所示。

圖5 電機(jī)驅(qū)動電路原理圖Fig. 5 Schematic diagram of motor driving circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)調(diào)速數(shù)學(xué)模型

通過團(tuán)隊(duì)前期試驗(yàn)證明，只有拋撒轉(zhuǎn)速和拾輸量為拋撒均勻性的主要影響因素[24]。為明確拾輸量、拋撒轉(zhuǎn)速以及它們之間的交互作用對拋撒均勻性影響效力，以拾輸量和拋撒轉(zhuǎn)速為影響因素，拋撒均勻性為指標(biāo)進(jìn)行雙因素方差分析。設(shè)拾輸量為因素A,有5個水平1.6 kg/s、1.8 kg/s、2.0 kg/s、2.2 kg/s、2.4 kg/s；拋撒轉(zhuǎn)速為因素B,有5個試驗(yàn)水平600 r/min、700 r/min、800 r/min、900 r/min、1 000 r/min，共25組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 拾輸量與拋撒轉(zhuǎn)速雙因素方差分析Tab. 2 Two-factor variance analysis of delivery rate and speed of uniform scatters device

由方差分析表2可知，在顯著水平β=0.05下，拾輸量、拋撒轉(zhuǎn)速以及它們之間的交互作用對拋撒均勻性均有顯著影響。

為確定拾輸量和拋撒轉(zhuǎn)速之間的最優(yōu)組合，通過人為改變拾輸量，同一拾輸量條件下調(diào)節(jié)拋撒轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)；為方便反饋試驗(yàn)指標(biāo)，以拋撒均勻性高于85%且不會發(fā)生跨行拋撒現(xiàn)象時的拾輸量和拋撒轉(zhuǎn)速為一組最優(yōu)組合；為保證測量響應(yīng)值的可操作性，以10 r/min為一個單位調(diào)節(jié)拋撒轉(zhuǎn)速。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合回歸方程，得到拾輸量Q(kg/s)與拋撒轉(zhuǎn)速n(r/min)之間的對應(yīng)關(guān)系

n=497.333Q-273.333

(3)

如圖6所示，為使模型圖直觀，縱坐標(biāo)取100 r/min為一刻度，該數(shù)學(xué)模型的決定系數(shù)R2為0.907。

圖6 拾輸量與拋撒轉(zhuǎn)速數(shù)學(xué)模型Fig. 6 Mathematical model of delivery rate and speed of uniform scatters device

人為改變拾輸量，檢測當(dāng)前拾輸量條件下刀輥軸扭轉(zhuǎn)角所對應(yīng)的高電平持續(xù)時間；整個試驗(yàn)過程中，小麥潔區(qū)播種機(jī)刀輥軸轉(zhuǎn)速始終保持在最大轉(zhuǎn)速2 200 r/min。從試驗(yàn)結(jié)果中隨機(jī)選取30個數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過最小二乘法建立一元線性回歸方程，得到拾輸量Q與高電平的持續(xù)時間T(μs)之間的對應(yīng)關(guān)系

T=186.651Q+22.575

(4)

如圖7(a)所示,選取22個數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)，得到實(shí)際拾輸量與計(jì)算拾輸量之間為1∶1的關(guān)系，如圖7(b)所示,決定系數(shù)R2為0.943。

由式(3)、式(4)可知，刀輥軸扭轉(zhuǎn)角高電平持續(xù)時間T與拋撒轉(zhuǎn)速n之間的對應(yīng)關(guān)系

n=2.664 5T-333.484 3

(5)

定時器捕獲/比較寄存器值VCCR、定時器自動重裝寄存器值VARR、電機(jī)轉(zhuǎn)速即拋撒轉(zhuǎn)速n(r/min)、100%占空比時的電機(jī)轉(zhuǎn)速nmax(r/min)之間的關(guān)系

(6)

結(jié)合式(5)、式(6)可知，定時器VCCR值和高電平持續(xù)時間T的關(guān)系

(7)

(a) 拾輸量計(jì)算模型

(b) 模型驗(yàn)證圖7 基于刀輥軸扭轉(zhuǎn)角的拾輸量計(jì)算模型與驗(yàn)證Fig. 7 Calculation model and verification of delivery rate based on torsion angle of knife roller

3.2 程序設(shè)計(jì)

秸稈撒覆自動調(diào)控系統(tǒng)流程如圖8所示。

圖8 秸稈撒覆自動調(diào)控系統(tǒng)程序流程圖Fig. 8 Flow chart of automatic control system for straw scattering and covering

本系統(tǒng)基于keil Vision5進(jìn)行開發(fā)，采用STM32固件庫函數(shù)進(jìn)行編程?？刂葡到y(tǒng)軟件的功能是協(xié)調(diào)單片機(jī)片內(nèi)資源和外部電路的工作，對來自外部電路的輸入信號進(jìn)行分析處理計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果輸出相應(yīng)控制信號驅(qū)動外圍部件進(jìn)行工作[25-28]。

由2.2節(jié)可知，PA0處輸入的矩形波信號的高電平寬度代表刀輥軸扭矩的大小，故可通過測量高電平的持續(xù)時間來測算刀輥軸扭矩。高電平持續(xù)時間的測量可通過來回轉(zhuǎn)變定時器捕獲邊沿的極性實(shí)現(xiàn)，測量原理如圖9所示，首先設(shè)置定時器的某個捕獲通道(記為通道X)為上升沿捕獲，則在t1時刻會出現(xiàn)第一次捕獲，捕獲當(dāng)前計(jì)數(shù)器CNT值，鎖存到捕獲/比較寄存器中，記為VCCRx1，并把CNT值清零，然后將通道X切換為下降沿捕獲，當(dāng)?shù)竭_(dá)到t2時刻時，出現(xiàn)第二次捕獲，獲得t2時刻的CNT值，記為VCCRx2，在t1～t2這個時間內(nèi)，如果高電平的持續(xù)時間比較長，定時器有可能會產(chǎn)生溢出，設(shè)定時器的溢出次數(shù)為N，則高電平的持續(xù)時間T與定時器的計(jì)數(shù)頻率f、溢出次數(shù)N、定時器自動重裝寄存器值VARR、第二次捕獲值VCCRx2之間的關(guān)系

(8)

圖9 測量原理Fig. 9 Measuring principle

調(diào)控系統(tǒng)通過對PA0輸入的矩形波信號進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，獲得反應(yīng)刀輥軸扭矩的輸入信號高電平持續(xù)時間T，以3個旋轉(zhuǎn)周期的平均T值代入式(7)進(jìn)行計(jì)算得到相對應(yīng)的VCCR值，并將該值與初始化或上一周期得到的VCCR值進(jìn)行比較，判斷是否需要調(diào)節(jié)拋撒轉(zhuǎn)速，當(dāng)結(jié)果為是時，配置定時器VCCR值改變PWM占空比，實(shí)現(xiàn)拋撒轉(zhuǎn)速的實(shí)時調(diào)節(jié)，完成拾輸量與拋撒轉(zhuǎn)速的動態(tài)匹配。

4 試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

4.1 試驗(yàn)條件

2021年10月在徐州市睢寧縣示范推廣基地利用M1304-D拖拉機(jī)掛接全量秸稈硬茬地小麥潔區(qū)播種機(jī)進(jìn)行秸稈撒覆自動調(diào)控系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證調(diào)控系統(tǒng)是否能夠降低秸稈拋撒不均勻度，提高覆秸質(zhì)量。試驗(yàn)田地選擇高留茬收獲后的全量秸稈稻茬地，留茬高度500 mm，秸稈量均值為0.93 kg/m2,秸稈含水率均值為53.1%，機(jī)具作業(yè)幅寬為2.2 m。

4.2 試驗(yàn)方法

為驗(yàn)證系統(tǒng)效果，在同一塊試驗(yàn)田中通過調(diào)節(jié)拖拉機(jī)的行駛速度改變秸稈拾輸量，同一速度下分別進(jìn)行有無秸稈撒覆自動調(diào)控系統(tǒng)對比試驗(yàn)。為符合實(shí)際作業(yè)情況，以常用的5個拖拉機(jī)作業(yè)速度作為調(diào)節(jié)量度[29-30]，分別為0.9 m/s、1.0 m/s、1.1 m/s、1.2 m/s、1.3 m/s；刀輥軸始終以最大轉(zhuǎn)速2 200 r/min進(jìn)行作業(yè)；無調(diào)控系統(tǒng)時，拋撒轉(zhuǎn)速保持設(shè)定值800 r/min；有調(diào)控系統(tǒng)時，拋撒轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為600～1 200 r/min。試驗(yàn)完成后，同一試驗(yàn)條件下分別隨機(jī)選取10塊測試區(qū)，每塊測試區(qū)縱向長1 m,橫向長2.2 m,并沿橫向等分為5份，將每一個測試區(qū)劃分為5個測點(diǎn)，從左開始依次編號為i=1、2、3、4、5，撿拾各測點(diǎn)的秸稈稱重，計(jì)算秸稈拋撒不均勻度。試驗(yàn)場景如圖10所示。拾輸量和拋撒不均勻度的計(jì)算公式[31-32]如式(9)～式(11)。

Q=WVY

(9)

(10)

(11)

式中：Q——拾輸量，kg/s；

W——小麥潔區(qū)播種機(jī)割幅，m；

V——機(jī)具行駛速度，m/s；

Y——試驗(yàn)田的單位面積秸稈質(zhì)量，kg/m2；

Mi——第i測點(diǎn)秸稈質(zhì)量，g；

F——測試區(qū)內(nèi)秸稈拋撒不均勻度，%。

(a) 播種作業(yè) (b) 數(shù)據(jù)采集圖10 田間試驗(yàn)Fig. 10 Field experiment

4.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，表中的拋撒不均勻度為同一試驗(yàn)條件下，10個測試區(qū)計(jì)算得出的拋撒不均勻度平均值。

1) 在無秸稈撒覆自動調(diào)控系統(tǒng)參與工作時，隨著拖拉機(jī)作業(yè)速度的增加，秸稈拾輸量不斷變大，拋撒不均勻度先降低后變高。當(dāng)拋撒轉(zhuǎn)速為800 r/min時，由式(3)可知，對應(yīng)的最優(yōu)拾輸量為2.16 kg/s，由式(9)可知，對應(yīng)的拖拉機(jī)最佳作業(yè)速度為1.06 m/s。當(dāng)拖拉機(jī)作業(yè)速度小于對應(yīng)值1.06 m/s時，如行駛速度為0.9 m/s和1.0 m/s時，拋撒轉(zhuǎn)速相對過高，易將秸稈拋撒至作業(yè)幅寬外，造成行程相鄰處秸稈疊加覆蓋，形成跨行拋撒現(xiàn)象，隨著作業(yè)速度的增加，拾輸量變大，跨行拋撒現(xiàn)象減輕，拋撒不均勻度降低；當(dāng)作業(yè)速度大于對應(yīng)值1.06 m/s時，如行駛速度為1.2 m/s和1.3 m/s時，拋撒轉(zhuǎn)速相對過低，秸稈不易被打散而成團(tuán)拋撒，隨著作業(yè)速度的增加，成團(tuán)現(xiàn)象加重，拋撒不均勻度增加。

2) 在相同工況下，使用秸稈撒覆自動調(diào)控系統(tǒng)后，無論對應(yīng)哪種作業(yè)速度，始終能夠?qū)⒔斩拻伻霾痪鶆蚨瓤刂圃?5%以下，提高機(jī)具作業(yè)性能。

表3 田間試驗(yàn)結(jié)果Tab. 3 Results of field experiment

5 結(jié)論

1) 通過進(jìn)行單因素試驗(yàn)，構(gòu)建拾輸量與拋撒轉(zhuǎn)速數(shù)學(xué)對應(yīng)關(guān)系、刀輥軸兩端扭轉(zhuǎn)角的特征信號(高電平持續(xù)時間)與拾輸量數(shù)學(xué)對應(yīng)關(guān)系，并基于這兩個數(shù)學(xué)關(guān)系推導(dǎo)出電機(jī)調(diào)速數(shù)學(xué)模型。

2) 設(shè)計(jì)一套秸稈撒覆自動調(diào)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32單片機(jī)作為主控單元，利用相位差式扭矩檢測裝置采集刀輥軸扭矩，通過對拾輸量的間接檢測實(shí)現(xiàn)拋撒轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，對比無調(diào)控系統(tǒng)參與下的作業(yè)情況，采用調(diào)控系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)時，能夠?qū)⒔斩拻伻霾痪鶆蚴冀K維持在15%以下，提高機(jī)具作業(yè)性能。