電驅(qū)動高速精密播種技術(shù)的研究與發(fā)展

侯云濤

摘要：【目的】為我國電驅(qū)動高速精密播種技術(shù)的研究和應(yīng)用提供啟示和借鑒。【方法】針對排種器的不同驅(qū)動方式、排種器直流電機驅(qū)動的基本形式、排種盤轉(zhuǎn)動速度和機具行進速度的測量、排種器驅(qū)動電機的控制策略四個方面進行了詳盡分析，闡述了高速精密播種技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀、研究方向和發(fā)展趨勢?！窘Y(jié)果】隨著高速精密播種技術(shù)的進步，傳統(tǒng)的排種器驅(qū)動模式已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)代播種作業(yè)的要求，嚴重影響株距均勻性，并且其誤播率較高，大大制約了農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量的提升?！窘Y(jié)論】排種器直流電機驅(qū)動能夠滿足高速精密播種模式中精度高、可靠性強的作業(yè)目標，因此，作為傳統(tǒng)的排種器驅(qū)動模式的替代方案，應(yīng)當大力加強電驅(qū)動高速精密播種技術(shù)的研究，相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)當在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到重點推廣和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高速精密播種；電機驅(qū)動；研究；發(fā)展

引言

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2021年國內(nèi)農(nóng)業(yè)作物的機械播種率達到了60.22%，這表明播種機械在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮了顯著的作用。高速播種技術(shù)在提高播種質(zhì)量、節(jié)約種子用量、提高施肥效率等方面具有明顯的優(yōu)勢。因此作為高效、高品質(zhì)技術(shù)，越來越受到人們的關(guān)注和研究[1]。

2015年，意大利Maschio Gaspardo推出了Gaspardo Gigante，它是第一臺使用電動驅(qū)動排種器技術(shù)的旋耕播種機。2016年，約翰迪爾推出了一款新的高速播種機，稱為MaxEmerge 5e。它可以在每秒10英尺的速度下播種，采用電動驅(qū)動系統(tǒng)和智能化控制系統(tǒng)[2]。2018年，德國Lemken公司發(fā)布了Solitair 25，可以在高速下播種多種農(nóng)作物。2020年，日本的Kubota公司推出了一款電驅(qū)高速播種機，它可以在每秒5.5英尺的速度下播種小麥、大豆和玉米等作物?？梢钥闯?，排種器電驅(qū)作為高速精密播種機的產(chǎn)品級配置已經(jīng)開始在發(fā)達國家的播種作業(yè)過程中得到了應(yīng)用[3]。目前我國的電驅(qū)式高速排種器技術(shù)仍處于研究和試驗階段。

1 高速播種機的優(yōu)勢

1.1 能夠提高作業(yè)效率

使用高速排種技術(shù)，能夠以超過14km/h速度精準地完成播種。這一工作速度比大多數(shù)傳統(tǒng)播種機的播種速度快2倍以上[4]。相較于使用同等數(shù)量的常規(guī)播種機，使用高速播種機等同于每日可增加1倍的工作面積，這有效地促進了農(nóng)民擴大種植規(guī)模。

1.2 能夠節(jié)約投入成本

高速播種機的播種作業(yè)速度要比傳統(tǒng)播種方式的作業(yè)速度快得多，可以在較短時間內(nèi)完成大面積的播種作業(yè)，顯著提高生產(chǎn)效率。高速播種機可以根據(jù)設(shè)定的作業(yè)參數(shù)進行精確播種，避免種植密度不均勻，減少漏播和重播的情況，從而減少種子的使用量，節(jié)約成本。

1.3 能夠克服氣候影響

高速播種機可以通過快速、準確的種植方式縮短種植期，在惡劣的氣候條件下，種植時間可根據(jù)需要作出相應(yīng)的調(diào)整[5]。等待天氣狀況好轉(zhuǎn)后再行種植，依然能夠保證按期播種，不誤農(nóng)時。

1.4 能夠促進丘陵山區(qū)播種裝備發(fā)展

高速播種機可以通過減少播種單體數(shù)量的方式縮小整體的外形尺寸，但卻不會影響作業(yè)效率，達到了增強機器的機動性、適應(yīng)能力和穩(wěn)定性的目的。這樣的優(yōu)勢使高速播種機可以在相對較窄的丘陵田間道路上行駛，從而有效地促進丘陵山區(qū)自動化播種技術(shù)的應(yīng)用和推廣，從而提高該地區(qū)播種作業(yè)的機械化水平。

2 高速播種機排種器的驅(qū)動形式

2.1 排種器地輪驅(qū)動

在這種驅(qū)動方式中，拖拉機提供動力，將驅(qū)動力傳遞給排種器的有級變比傳動機構(gòu)，再由傳動機構(gòu)將動力傳遞給排種器。這種傳動方式能夠根據(jù)作業(yè)需要和田地地形的不同，調(diào)整傳動比例和輪子轉(zhuǎn)速，確保牽引機具的前進速度與排種器中排種盤的轉(zhuǎn)動速度保持同步，播種粒距通過計算圓整數(shù)據(jù)進行相關(guān)的調(diào)整。

排種器地輪驅(qū)動模式存在一些缺點，其中最明顯的是當?shù)孛鏉窕蛘叩匦纹閸鐣r，地輪容易出現(xiàn)滑移，排種器可能會因速度變化而使播種量不均勻，從而影響精密播種的株距合格率。尤其是對于需要較高精度的播種作物（例如蔬菜等），株距會影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。此外，地輪驅(qū)動模式還存在其他一些問題，例如地形不平時的顛簸、道路狹窄時的操作困難等。為了解決這些問題，有些現(xiàn)代化的排種器使用液壓或電動驅(qū)動系統(tǒng)，而不是地輪驅(qū)動系統(tǒng)，以提高播種的精確性和穩(wěn)定性。

2.2 排種器機械變速器驅(qū)動

排種器機械式無級變速器驅(qū)動模式是一種通過機械傳動實現(xiàn)無級變速的方式。該驅(qū)動模式采用機械傳動，通過變速器的離合器、主從齒輪和錐齒輪等部件，實現(xiàn)拖拉機引擎的動力傳遞到排種器的驅(qū)動軸上，并通過機械式無級變速傳動機構(gòu)調(diào)節(jié)排種器排種盤的轉(zhuǎn)動速度。

這種驅(qū)動模式具有調(diào)速精度高、穩(wěn)定性好、低速性能優(yōu)秀等優(yōu)點，且相比液壓或氣壓馬達驅(qū)動，機械式無級變速器驅(qū)動的排種器尺寸較小。排種器機械式無級變速器驅(qū)動模式的缺點是傳動結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需要采用較多的齒輪、鏈條等傳動件，導致成本較高。此外，機械式無級變速器的調(diào)速范圍有限，一般無法達到液壓或氣壓馬達伺服驅(qū)動方式的調(diào)速范圍，也存在調(diào)速精度不高的問題。

2.3 排種器液壓馬達或氣壓馬達伺服驅(qū)動

排種器液壓馬達或氣壓馬達伺服驅(qū)動模式是指通過安裝液壓馬達或氣壓馬達來驅(qū)動排種器，實現(xiàn)種子的精準定量和高效排種。其工作原理是，液壓馬達或氣壓馬達通過傳動軸將動力傳遞給排種器，控制排種器的轉(zhuǎn)速和排種數(shù)量，從而實現(xiàn)精確的種植。

與地輪驅(qū)動模式相比，液壓馬達或氣壓馬達伺服驅(qū)動模式具有更高的精度和穩(wěn)定性，可以避免地輪滑動對播種精度的影響。此外，液壓馬達或氣壓馬達伺服驅(qū)動模式可以實現(xiàn)自動化控制和可編程功能，方便農(nóng)民根據(jù)不同作物和地形條件進行調(diào)整。

雖然這種驅(qū)動方式具有調(diào)速范圍寬的優(yōu)點，可以實現(xiàn)更精細的控制，但在低速運行時容易出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。這是因為液壓馬達和氣壓馬達在低速工作時難以保持平穩(wěn)的輸出，容易出現(xiàn)抖動和不穩(wěn)定的情況，從而影響播種精度。為了解決這個問題，可以采用步進電機驅(qū)動、直流電機驅(qū)動等，以提高低速穩(wěn)定性。

3 排種器直流電機驅(qū)動類型

排種器直流電機驅(qū)動的基本形式是將直流電機通過傳動機構(gòu)與排種器相連接，實現(xiàn)精密的播種控制和調(diào)節(jié)?？刂齐姍C的速度和方向，可以實現(xiàn)各種播種要求的精確控制[6]。通常，控制系統(tǒng)采用現(xiàn)代電子技術(shù)，如編碼器、傳感器和微處理器等，對播種過程進行實時監(jiān)控和控制。電源為電機提供直流電源，通常采用蓄電池。通過這些基本組件，可以實現(xiàn)對排種器的精準控制和調(diào)節(jié)，從而提高播種效率和作業(yè)質(zhì)量。

排種器直流電機驅(qū)動的基本形式有三種：步進電機驅(qū)動、直流伺服電機驅(qū)動和永磁同步電機驅(qū)動。

3.1 步進電機驅(qū)動方式

步進電機驅(qū)動是一種開環(huán)控制的驅(qū)動方式，它可以準確地控制驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)角和步數(shù)，以實現(xiàn)精準的播種定位。通過控制步進電機的步數(shù)和轉(zhuǎn)速，可以實現(xiàn)不同的運動形式和播種參數(shù)的調(diào)節(jié)，從而滿足不同作物的需求[7]。步進電機可以通過單步控制來驅(qū)動播種盤，使得播種株距可以達到精密的要求，其特點是定位準確、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單等，且能夠在低速時保持良好的性能。但步進電機驅(qū)動也有其缺點，主要體現(xiàn)在速度范圍有限，不能快速響應(yīng)變化。

3.2 直流伺服電機驅(qū)動方式

直流伺服電機驅(qū)動方式具有響應(yīng)快、調(diào)節(jié)范圍寬、精度高等特點，它具有更好的轉(zhuǎn)速控制和位置控制能力，可以實現(xiàn)更高的精度和速度，能夠在高速和高負載情況下保持良好的性能，因此在高精度要求的播種場合應(yīng)用廣泛。其基本原理是通過伺服控制系統(tǒng)，根據(jù)傳感器反饋的實時信息對電機進行精確控制，從而實現(xiàn)精度高、穩(wěn)定性強的播種效果[8]。這種驅(qū)動方式不僅能夠適應(yīng)多種播種形式，還具有自動校準、自動記憶等智能化特點。直流伺服電機驅(qū)動可以通過調(diào)整電機轉(zhuǎn)速來控制播種盤的轉(zhuǎn)動速度，從而實現(xiàn)播種作業(yè)的精確定位和精密控制，提高生產(chǎn)效率和作業(yè)質(zhì)量。相較于步進電機驅(qū)動，直流伺服電機驅(qū)動成本較高。

3.3 永磁同步電機驅(qū)動方式

永磁同步電機驅(qū)動方式具有體積小、重量輕、效率高等特點，廣泛應(yīng)用于各種機械設(shè)備中。其優(yōu)點在于具有較高的轉(zhuǎn)矩密度和較低的能耗，能夠?qū)崿F(xiàn)高速精準控制，并且在運行過程中幾乎不會出現(xiàn)滑移等現(xiàn)象，可以滿足對精度和速度要求更高的播種作業(yè)。此外，永磁同步電機驅(qū)動還具有響應(yīng)速度快、動態(tài)性能好等優(yōu)點。但是，這種驅(qū)動方式的調(diào)速范圍有限，與其他類型的電機相比，調(diào)速范圍相對較??；過載能力相對較低，短時間內(nèi)過載會導致電機損壞或者運行不穩(wěn)定，且成本較高。

4 種盤轉(zhuǎn)速—行進速度測量技術(shù)

精準測量種盤轉(zhuǎn)速和拖拉機行進速度是保證播種質(zhì)量和效率的關(guān)鍵。目前常見的測速方式主要有編碼器—編碼器混合測速、編碼器—雷達測速儀混合測速以及霍爾傳感器—GPS混合測速。

編碼器—編碼器混合測速方式利用兩個編碼器進行測速。在拖拉機驅(qū)動軸和排種器種盤軸上分別安裝編碼器。將其信號通過傳感器和控制器進行處理，通過檢測旋轉(zhuǎn)角度和時間間隔從而得出種盤轉(zhuǎn)速和拖拉機行進速度[9]。編碼器是一種可以感知運動狀態(tài)的傳感器，能夠?qū)⑦\動轉(zhuǎn)換成電信號進行測量，具有較高的測速精度和穩(wěn)定性。該測速方式的缺點是編碼器的光柵極易被灰塵等污染，導致信號輸出值的相對差幅度下降，必須及時清理。

編碼器—雷達測速儀混合測速方式則是在拖拉機上安裝雷達測速儀，通過發(fā)射雷達波并接收回波，測量出拖拉機行進速度，同時在種盤上安裝編碼器，通過計算旋轉(zhuǎn)角度和時間間隔得到種盤轉(zhuǎn)速[10]。編碼器—雷達測速儀混合測速方式可以減少因地形不平等等因素帶來的誤差，提高測速的準確度，但成本相對較高，而且在不良天氣或環(huán)境下可能會受到干擾，造成測速不準確。

霍爾傳感器—GPS混合測速則是在種盤上安裝霍爾傳感器，通過檢測磁場的變化計算出種盤轉(zhuǎn)速，并在拖拉機上安裝GPS，通過測量位置的變化來計算拖拉機行進速度[11-12]。這種測速方式具有無需接觸式測量、精度高、全天候測量等優(yōu)點，但對于磁場變化較小或位置測量不準確的情況可能會出現(xiàn)誤差。GPS測量的精度受環(huán)境因素的影響，例如天氣、建筑物等，需要在開闊的環(huán)境下進行測量。

5 排種器驅(qū)動電機的控制策略

排種器驅(qū)動電機的控制策略主要包括位置式PID控制、增量式PID控制、模糊PID控制等。其中，位置式PID控制和增量式PID控制是傳統(tǒng)PID控制器的兩種基本形式[13]，而模糊PID控制是一種基于模糊邏輯的控制方法。它們的目的都是通過控制電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)精密的種植操作。

位置式PID控制是通過將目標位置與實際位置之間的誤差傳入控制器，通過不斷地調(diào)整控制量，使誤差趨于零，以調(diào)整驅(qū)動電機的速度，使得實際位置逐漸接近目標位置。這種控制策略可以用于精確控制每個種子的下落位置，進行精準的株距控制，以達到株距一致的目的。該控制方式在控制精度方面具有控制精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但缺點是需要消耗大量的計算資源，不利于高速運算，導致系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢。

增量式PID控制策略基于位置式PID控制，但其輸出是控制量的增量，而不是控制量本身。該控制策略通過測量系統(tǒng)的實際位置與期望位置之間的誤差及其變化率，來計算控制量的增量，并通過控制量的累積來控制系統(tǒng)的位置。對于排種器，增量式PID控制可用于調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)拖拉機在不同地形和速度下的行進情況，從而控制種子的排放速度。這種控制方式的優(yōu)點在于計算量較小、實時性強，但控制精度略低于位置式PID控制。

模糊PID控制是一種結(jié)合模糊邏輯和PID控制的控制方式，通過模糊邏輯處理模糊輸入變量，得到模糊輸出變量，然后將模糊輸出變量作為PID控制的輸入，實現(xiàn)精密的控制[14-15]。對于排種器，模糊PID控制可用于考慮多種因素，例如拖拉機行進速度、地形坡度、種子種類等，以實現(xiàn)更加智能化的控制。這種控制策略可以適應(yīng)各種不同的工作條件和控制要求，但需要對模糊控制的算法和參數(shù)進行精細的設(shè)計和調(diào)整。

6 改進建議

排種器直流電機驅(qū)動模式的改進方向之一是安裝結(jié)構(gòu)或傳動結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。傳動結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以提高排種器的效率和可靠性，同時減少能耗和維護成本。以下是四種可能的優(yōu)化方向。

6.1 傳動結(jié)構(gòu)的改良與優(yōu)化

為了進一步提高排種器直流電機驅(qū)動模式的效率和可靠性，驅(qū)動電機連接形式的改良與優(yōu)化是一個重要的研究方向。傳動結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以提高排種器的效率和可靠性，同時減少能耗和維護成本。目前的驅(qū)動電機連接形式主要采用減速器、聯(lián)軸器等傳動機構(gòu)，但這些機構(gòu)會導致能量損失和傳動精度下降，從而影響到整個系統(tǒng)的性能。因此，將傳動機構(gòu)和連接結(jié)構(gòu)的數(shù)量減少到最低限度，以減少能量損失和傳動誤差，是一個很好的優(yōu)化方向。

在未來的研究中，可以采用直接將電機軸與播種器軸相連的直接驅(qū)動方式，從而避免傳動機構(gòu)帶來的能量損失和傳動誤差。此外，還可以采用柔性聯(lián)接方式，如彈性聯(lián)軸器，來減少由于不同軸的軸線不對齊和運動不平穩(wěn)導致的振動和噪音。將傳動機構(gòu)和連接結(jié)構(gòu)的數(shù)量減少到最低限度，以減少能量損失和傳動誤差，有效降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，根本上解決各傳動機構(gòu)帶來的不穩(wěn)定因素。

6.2 研發(fā)電驅(qū)排種專用電機

由于目前市場上存在的電機多數(shù)是普通電機，在高負載、低速、長時間工作的情況下，容易出現(xiàn)過載、溫升等問題，因此需要研發(fā)適用于精密播種機應(yīng)用場景的專用特種電機。低轉(zhuǎn)速、大扭矩的電機可以提高播種精度、穩(wěn)定性和效率，已經(jīng)成為排種器直流電機驅(qū)動模式未來的研究方向之一。

這種電機可以減少傳動系統(tǒng)的復(fù)雜性和零部件數(shù)量，使得機器結(jié)構(gòu)更為簡單緊湊，提高了機器的可靠性和耐用性。研究者可以采用先進的磁性材料和新型制造工藝，來實現(xiàn)更高效的磁通密度和更低的磁損耗，提高電機的功率密度和效率；通過改進電機的磁路結(jié)構(gòu)、繞組設(shè)計和電控系統(tǒng)等方面，來提高電機的低速高扭矩性能?？傊?，未來的研究方向是在保證驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，繼續(xù)探索和優(yōu)化電機的結(jié)構(gòu)和性能，以生產(chǎn)進一步滿足高速播種場景的需求，實現(xiàn)更加高效、精準的高速精密播種作業(yè)。

6.3 提高種盤轉(zhuǎn)速-機具行進速度測量的可靠性

種盤轉(zhuǎn)速-機具行進速度測量方式的未來研究方向可以從以下兩個方面來考慮：

（1）多種傳感器混合測速：目前常用的測速方式有編碼器-編碼器混合測速、編碼器-雷達測速儀混合測速和霍爾傳感器-GPS混合測速。未來的發(fā)展方向可以是采用多種傳感器混合測速，將多種測速方式的數(shù)據(jù)進行融合，從而提高測速的精度和穩(wěn)定性。例如，可以結(jié)合編碼器、GPS和慣性導航傳感器等多種傳感器來進行測速，通過多傳感器融合算法，提高測速精度和可靠性。

（2）高效的數(shù)據(jù)處理技術(shù)：采用高效的數(shù)字信號處理技術(shù)和算法，對多傳感器采集的數(shù)據(jù)進行校正和濾波，以提高測速數(shù)據(jù)的準確性和穩(wěn)定性。例如，可以采用卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等算法對采集的數(shù)據(jù)進行處理，減小傳感器測量誤差和外部干擾對測量結(jié)果的影響，提高測速精度和魯棒性。

6.4 電機控制策略的適配性及優(yōu)化

電驅(qū)播種應(yīng)用環(huán)境通常是在農(nóng)業(yè)作業(yè)中，需要在開闊的田地中進行種植作業(yè)。因此，電機控制策略的未來研究方向應(yīng)當考慮到以下兩個因素：

（1）適應(yīng)復(fù)雜的工作場景，包括高速行駛、顛簸路面等因素對電驅(qū)播種的影響，要求電機控制策略具備高穩(wěn)定性和抗干擾能力；

（2）提高播種的準確性和效率，降低播種失誤率和漏種率?？梢圆捎枚喾N控制策略來實現(xiàn)自適應(yīng)控制、預(yù)測控制等技術(shù)，提高播種效率和質(zhì)量。

基于以上考慮，電機控制策略研究方向可以包括以下三個方面。

（1）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制是一種利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對傳統(tǒng)PID控制器進行優(yōu)化的方法。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學習和適應(yīng)能力，可以實現(xiàn)對電機控制的精確控制，進一步提高播種機工作效率和準確度。

（2）自適應(yīng)控制是指系統(tǒng)能夠自動調(diào)節(jié)控制參數(shù)以適應(yīng)不斷變化的工作環(huán)境。在電驅(qū)播種應(yīng)用中，通過采集和分析作業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，實時調(diào)節(jié)控制參數(shù)，使播種機能夠在不同的地形、作業(yè)速度和負載條件下實現(xiàn)最佳的播種效果。

（3）預(yù)測控制是一種通過對未來系統(tǒng)狀態(tài)的預(yù)測來進行控制的方法。在電驅(qū)播種應(yīng)用中，可以利用模型預(yù)測未來的播種狀態(tài)，進而優(yōu)化電機的控制策略，使播種機能夠更好地適應(yīng)作業(yè)環(huán)境。

總之，電驅(qū)播種應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性要求控制策略具有更高的智能化和適應(yīng)性，以提高播種效率和準確性。

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